KR20190051252A - 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

전극 구조체는 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질 층을 포함한다. 활물질 층은 바인더층 및 바인더층 내에 분산된 전극 형성 입자들 및 이방성 도전 필름 절편들을 포함한다. 이방성 도전 필름 절편에 의해 통전 특성 및 전지 안정성이 향상될 수 있다.

Description

전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE STRUCTURE AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 활물질층을 포함하는 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드늄 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 작동 전압, 에너지 밀도, 충전 속도, 경량화 등의 측면에서 유리한 리튬 이차 전지가 활발히 연구 개발되고 있다.
예를 들면, 상기 리튬 이차 전지가 전기 자동차와 같은 고출력 기기에 적용되는 경우, 보다 높은 용량 및 에너지의 발생이 요구되며 이 경우 전극에 포함되는 활물질의 밀도, 비용량 역시 증가될 필요가 있다. 이 경우, 상대적으로 이차 전지의 안전성이 약화될 수 있다. 한편, 이차 전지의 안전성을 높이는 경우, 전극의 저항이 상승하고 출력 측면에서 불리할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 트레이드-오프(trade-off) 관계에 있는 고출력(또는 저저항) 및 안전성 특성들을 함께 향상시키기 위한 방법 개발이 필요하다.
예를 들면, 한국공개특허공보 제10-2016-0019246호에서 같이, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 방법들이 개발되고 있으나, 고출력, 저저항 특성을 함께 만족시키는 기술개발이 보다 연구될 필요가 있다.
한국공개특허공보 제 10-2016-0019246호(2016.02.19)
본 발명의 일 과제는 전기적 특성 및 기계적 안전성이 함께 향상된 전극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 전기적 특성 및 기계적 안전성이 함께 향상된 전극 구조체를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 전극 구조체는 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질 층을 포함한다. 상기 활물질 층은 바인더층 및 상기 바인더층 내에 분산된 전극 형성 입자들 및 이방성 도전 필름 절편들을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 이방성 도전 필름 절편은 수지층 및 상기 수지층 내에 삽입된 도전 볼을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 수지층은 상기 바인더층과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 이방성 도전 필름 절편은 상기 활물질 층의 두께 방향으로 전자 이동 통로를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 이방성 도전 필름 절편의 상기 도전 볼은 상기 두께 방향으로 상기 전극 형성 입자들과 전기적으로 연결되며, 상기 이방성 도전 필름 절편의 상기 수지층은 상기 활물질 층의 길이 방향으로 상기 바인더 층과 접착될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 형성 입자는 리튬 이차 전지의 활물질 입자들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 형성 입자는 탄소 계열 또는 금속 계열 도전재 입자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 외장 케이스, 상기 외장 케이스 내에 수용되며 상술한 전극 구조체들 및 상기 전극 구조체들 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하는 전극 셀, 및 상기 외장 케이스 내에 주입된 전해질을 포함하는 이차 전지가 제공된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 구조체들은 서로 다른 극성의 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극에 포함된 상기 바인더 층 및 상기 이방성 도전 필름 절편은 동일한 수지 물질을 포함하며, 상기 제2 전극에 포함된 상기 바인더 층 및 상기 이방성 도전 필름 절편은 동일한 수지 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전극 구조체는 바인더 내에 이방성 도전 필름 절편이 분산된 활물질 층을 포함할 수 있다. 상기 이방성 도전 필름 절편 내에 포함된 도전성 볼에 의해 상기 활물질 층의 두께 방향으로의 전기 전도성이 향상되어, 전극 구조체의 저항이 감소될 수 있다. 또한, 상기 이방성 도전 필름 절편에 의해 상기 활물질 층의 길이 방향으로 접착력이 향상되어 전극 구조체의 기계적 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 이방성 도전 필름 절편의 도전성 볼은 탄소계 코어를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 전극 구조체의 도전성 및 용량을 추가적으로 증가시킬 수 있다.
상기 전극 구조체는 예를 들면, 리튬 이차 전지의 양극 또는 음극으로 제공되어 고출력, 저저항, 전기적/기계적 안정성이 함께 향상된 이차 전지가 구현될 수 있다. 또한, 상기 이차 전지 내부로 관통체에 의한 누설 전류 발생 시, 상기 이방성 도전 필름 절편에 의한 두께 방향으로의 누설 전류 배출이 촉진될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이방성 도전 필름 절편 및 전극 형성 입자들 사이의 상호 작용을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 개략적으로 도신한 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체 상에 형성되며 전극 형성 입자들 및 이방성 도전 필름 절편들이 내부에 분산된 활물질 층을 포함하는 전극 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상기 전극 구조체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 이방성 도전 필름 내에 적용될 수 있는 도전성 볼을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전극 구조체(100)는 집전체(110), 및 집전체(100)의 적어도 일면 상에 형성된 활물질 층(120)을 포함할 수 있다.
집전체(110)는 이차 전지의 전압 범위에서 반응성이 없으며, 전극 활물질의 도포 및 접착이 용이한 금속 재질을 포함할 수 있다. 집전체(110)는 예를 들면, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 집전체(110)의 표면은 카본으로 표면 처리될 수도 있다.
예를 들면, 집전체(110)가 양극 집전체로 제공되는 경우 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 집전체(110)가 음극 집전체로 제공되는 경우, 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
활물질 층(120)은 예를 들면 집전체(110)의 상면 및 하면 상에 형성될 수 있다. 활물질 층(120)은 바인더 층(122) 내에 분산된 전극 형성 입자들(125) 및 이방성 도전 필름 절편들(130)을 포함할 수 있다.
바인더 층(122)은 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더 및 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제의 조합(SBR/CMC)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전극 구조체(100)가 양극으로 제공되는 경우 바인더 층(122)은 PVDF 계열 바인더를 포함할 수 있다. 전극 구조체(100)가 음극으로 제공되는 경우 SBR/CMC 바인더를 포함할 수 있다. 이 경우, 활물질 층(120)에 있어서, 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 전극 형성 입자들(125)의 양을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.
전극 형성 입자들(125)은 활물질 입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 구조체(100)가 리튬 이차 전지의 양극으로 제공되며, 상기 활물질 입자는 리튬 코발트 계열 산화물, 리튬 니켈 계열 산화물, 리튬 망간 계열 산화물, 리튬 바나듐 계열 산화물 등을 포함할 수 있다.
전극 구조체(100)는 리튬 이차 전지의 음극으로 제공될 수도 있으며, 상기 활물질 입자는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재질 입자를 포함할 수 있다.
비정질 탄소의 예로서 하드카본, 코크스, 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이즈피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등을 들 수 있다. 결정질 탄소의 예로서 천연흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등과 같은 흑연계 탄소를 들 수 있다. 상기 활물질 입자는 상기 탄소 재질 입자와 함께, 리튬 또는 리튬 합금을 더 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전극 형성 입자(125)는 도전재 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재 입자는 전극 내에서의 삭기 활물질 입자들간 또는 활물질 층(120)과 집전체(110) 사이에서의 전자 이동을 촉진하기 위해 포함될 수 있다.
예를 들면, 상기 도전재 입자는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 금속 계열 도전재로부터 형성될 수 있다.
이방성 도전 필름 절편(130)은 당해 기술 분야에서 상용되는 이방성 도전 필름(Anisotropic Conductive Film: ACF)을 바인더 층(122) 내에 혼합, 분산될 수 있는 크기로 절단하여 형성될 수 있다. 이방성 도전 필름 절편(130)은 수지 층(132) 내에 내장된 도전 볼(conductive ball)(134)을 포함할 수 있다.
수지 층(132)은 바인더 층(122)의 재질과 실질적으로 동일하거나 유사한 수지 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 구조체(100)가 양극으로 제공되는 경우, 수지 층(132)은 PVDF 계열 수지를 포함할 수 있다. 전극 구조체(100)가 음극으로 제공되는 경우, 수지 층(132)은 SBR 계열 수지를 포함할 수 있다.
도전 볼(134)은 코어 및 도전성 쉘(shell)을 포함하며, 탄성을 가질 수 있다. 따라서, 도전 볼(134)은 활물질 층(120) 내에서 전극 형성 입자들(125) 사이로 용이하게 삽입되어 압력 인가 시 함께 압축될 수 있다. 또한, 전극 구조체(100)의 외부 충격 및 용매에 대한 안정성을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 코어는 흑연, 탄소나노 튜브, 그래핀 등과 같은 탄소계 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전극 구조체(100)는 리튬 이차 전지의 음극에 적용되어 상기 코어에 의해 전극 용량이 추가적으로 보충될 수 있다.
상기 도전성 쉘은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 도전성 쉘은 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등과 같은 저저항 금속을 사용하여 상기 코어 상에 스퍼터링 공정과 같은 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따르면 도전 볼(134)을 포함한 이방성 도전 필름 절편들(130)이 활물질 층(120) 내에 분산됨에 따라, 전극 구조체(100)의 두께 방향으로 전도성을 향상시키고, 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 이방성 도전 필름 절편(130)의 수지 층(132)을 통해 바인더 층(122)과의 접착력이 향상되어, 상대적으로 적은 양의 바인더로도 원하는 활물질 층(120)의 기계적 안정성을 확보할 수 있다.
따라서, 활물질 층(120)의 안정성을 유지하면서 전극 형성 입자들(125)의 양을 증가시킬 수 있어, 전극 밀도 및 출력/용량을 향상시킬 수 있다.
추가적으로, 도전 볼(134)을 통해 상기 두께 방향으로 전류 통로가 확보됨에 따라 못, 침상체와 같은 외부 물체가 전극 구조체(100)를 관통하는 경우, 상기 두께 방향으로의 누설 전류 배출이 촉진될 수 있다. 따라서, 관통체에 의한 전지 폭발, 발화와 같은 불량이 감소되어 전지 안전성이 향상될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이방성 도전 필름 절편 및 활물질 입자들 사이의 상호 작용을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 이방성 도전 필름 절편(130)이 화살표로 표시된 두께 방향으로 이웃하는 전극 형성 입자들(125) 사이에 삽입됨에 따라, 도전 볼(134)이 전극 형성 입자들(125)과 접촉할 수 있다.
도전 볼(134)은 전극 형성 입자들(125) 사이의 전자 이동 통로로서 제공될 수 있으며, 따라서 상기 두께 방향으로의 저항이 감소되어 고 에너지 특성이 구현될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 화살표로 표시된 전극 구조체의 길이 방향으로는 전극 형성 입자들(125) 및 도전 볼(134)의 접촉 가능성이 상기 두께 방향에서보다 감소할 수 있다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 수직 방향으로의 전기적 통로는 확보하면서, 수평 방향으로의 전기적 통로를 감소 또는 차단시킬 수 있다. 예를 들면, 따라서, 전자 이동의 분산을 억제하면서 전류 경로의 길이가 단축되어 저항 감소/용량 향상의 효과가 현저히 향상될 수 있다. 이에 따라, 수직방향으로의 전류 흐름 효율을 증가시키면서 관통체 침투와 같은 불량 요인 발생 시, 길이방향 또는 면 방향으로의 단락 발생 또는 확산을 억제할 수 있다.
또한, 상기 관통체에 의해 상기 길이 방향 또는 면 방향 전체적으로 발열의 진행 또는 확산 역시 차단될 수 있다.
또한, 이방성 도전 필름 절편(125)의 수지 층(130)이 전극 타입에 따른 바인더와 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 포함할 수 있으며, 따라서 바인더 층(130)의 응집력, 및/또는 바인더 층(130)과 전극 형성 입자들(125) 사이의 접착력이 이방성 도전 필름 절편(125)의 매개를 통해 증가할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 개략적으로 도신한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 이차 전지(예를 들면, 리튬 이차 전지)는 외장 케이스(160) 내에 수용된 전극 셀(150)을 포함할 수 있다.
외장 케이스(160)는 예를 들면, 파우치, 캔, 실린더(예를 들면, 원통형) 형상 등을 가질 수 있다. 외장 케이스(160)는 금속 재질을 포함하며, 일부 실시예들에 있어서 절연층 또는 수지층, 및 금속층이 적층된 복층 구조를 가질 수도 있다.
전극 셀(150)은 예를 들면, 세퍼레이터(145)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된 제1 전극(141) 및 제2 전극(143)을 포함할 수 있다. 제1 전극(141)은 제1 집전체(110a), 및 제1 집전체(110a)의 적어도 일면 상에 형성된 제1 활물질 층(120a)을 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(143)은 제2 집전체(110b), 및 제2 집전체(110b)의 적어도 일면 상에 형성된 제2 활물질 층(120b)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 전극(141, 143)은 각각 도 1을 참조로 설명한 전극 구조체(100)와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성 및 구조를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 활물질 층(120a) 또는 제2 활물질 층(120b) 중 적어도 하나는 도 1을 참조로 설명한 이방성 도전 필름 절편(130)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 이방성 도전 필름 절편(130)은 탄소계 물질로 형성된 코어를 포함하는 도전 볼(134)을 포함할 수도 있다.
예를 들면, 제1 전극(141) 및 상기 제2 전극(143)은 각각 상기 이차 전지의 양극 및 음극으로 제공될 수 있다. 이 경우, 제2 전극(143) 내에 탄소계 물질로 형성된 코어를 포함하는 도전 볼(134)이 적용된 이방성 도전 필름 절편들(130)이 제2 활물질 층(120b) 내로 삽입될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제2 전극(143)의 면적 및/또는 부피는 제1 전극(141)보다 클 수 있다. 이에 따라, 양극으로 제공되는 제1 전극(141)으로부터 생성된 리튬 이온이 예를 들면, 중간에 석출되지 않고 제2 전극(143)으로 원활히 이동될 수 있다.
세퍼레이터(145)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoridehexafluoropropylene) 공중합체 등을 포함하는 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다.
복수의 전극 셀(150)들이 적층되어 전극 조립체(예를 들면, 젤리 롤(jelly roll))이 정의되며, 상기 전극 조립체가 외장 케이스(160) 내부로 수용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 세퍼레이터(145)는 지그재그 형상 또는 권취된 형상으로 연장하며, 복수의 전극 셀들(150)에 공통으로 제공될 수 있다.
외장 케이스(160) 내에는 상기 전극 조립체와 함께 전해액이 주입될 수 있다. 상기 전해액은 예를 들면, 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하는 비수계 전해액을 포함할 수 있다. 상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌카보네이트(propylenecarbonate, PC), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트, 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다.
각 전극 셀(150)에 속한 제1 집전체(110a)는 외장 케이스(160)의 측부까지 연장되어 제1 전극 탭을 형성할 수 있다. 또한, 각 전극 셀(150)에 속한 제2 집전체(110b)는 외장 케이스(160)의 측부까지 연장되어 제2 전극 탭을 형성할 수 있다.
상기 제1 전극 탭들은 외장 케이스(160)의 상기 측부와 함께 융착되어 외장 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 제1 전극 리드를 형성할 수 있다. 상기 제2 전극 탭들은 외장 케이스(160)의 상기 측부와 함께 융착되어 외장 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 제2 전극 리드를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 이방성 도전 필름 절편들이 이차 전지의 활물질 층 내에 삽입 또는 분산됨에 따라, 이차 전지의 기계적, 전기적, 동작 안정성을 확보하면서 고에너지, 고용량 특성을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 비교예를 포함하는 실험예를 제시하나, 하기의 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
도전 볼이 내장된 이방성 도전 필름(ACF 5552, 3M 제조)(두께: 5㎛)을 10㎛*10㎛ 사이즈로 절단(Short pulse laser 사용 다이싱(dicing))하여 ACF 절편들을 제조하였다.
양극 활물질로서 LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2, 도전재로 카본블랙, 바인더로 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)를 92:5:3의 질량비 조성으로 혼합하여 활물질 혼합물을 형성하고, 상기에 제조된 ACF 절편들을 상기 활물질 혼합물 총 중량 대비 3 wt%로 추가하여 고르게 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄 기재 위에 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질로 천연 흑연 92 중량%, 스티렌부타디엔러버(SBR)계 바인더 3 중량%, 증점제로 CMC 1 중량%, 도전재로 플레이크 타입 비정질 흑연 5 중량%를 사용하여 활물질 혼합물을 형성하고, ACF 절편들을 상기 활물질 혼합물 총 중량 대비 1 wt%로 추가하여 고르게 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 이를 구리 기재 위에 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 음극을 제조하였다.
제조된 상기 양극 및 음극을 폴리에틸렌(PE) 분리막(25㎛)을 사이에 두고 배치하여 전극 셀을 형성하고, 상기 전극 셀들을 적층하여 전극 조립체를 형성하였다. 상기 전극 조립체를 파우치에 수용하고 전극 탭 부분들을 융착 하였다. 이후, 전해액을 주입한 후 실링하여 이차 전지를 제조하였다.
상기 전해액으로서 에틸렌카보네이트/에틸메틸카보네이트/디에틸카보네이트 (EC/EMC/DEC, 25/45/30; 부피비)의 혼합 용매로 1M LiPF6 용액을 제조한 후, 비닐렌 카보네이트(VC) 1중량%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5중량% 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5중량%를 첨가한 것을 사용하였다.
비교예
비교예에서는 ACF 절편들을 활물질 혼합물 내에 추가하지 않은 것을 제외하고는 실시예에 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
실험예 1: 양극 및 음극의 저항 평가/접착력 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 이차 전지에 대해 각각 통전 저항 및 표면 저항을 측정하였다.
구체적으로, 두께방향으로 5개의 지점들을 펀칭한 후 최하부의 전극을 최상부로 옮기면서 5회 저항을 측정하였다. 측정값 중 최대, 최소 측정값을 제외하고 나머지 측정값들을 평균하여 통전 저항을 측정하였다. 표면 저항은 HIOKI 의 전극 저항 측정기(4-probe)를 사용하여 측정하였다.
추가적으로, 양극 및 음극의 활물질층의 접착력을 양 사이드에서 각 1회씩 측정하고 평균값을 계산하였다.
측정결과는 하기의 표 1에 나타낸다.
구분 음극
통전저항
(mΩ)_
(두께방향)		 음극
표면 저항
(Ω.cm2 X 10-3)		 음극
접착력		 양극
통전저항
(mΩ)_
(두께방향)		 양극
표면 저항
(Ω.cm2)		 양극
접착력
실시예 12 0.02 0.8 N 50 2.5 4.5 N
비교예 15 0.02 0.5 N 150 2.5 2.0 N
실험예 2: 관통 안정성 평가
실시예 및 비교예 각각 5개의 샘플들에 대해 관통 평가를 수행하였다.
구체적으로, 각 이차 전지에 대해 지름 3mm의 스테인리스 못으로 관통시켜 전지 성능이 이상으로 판정된 샘플들의 개수를 기록하였다. 전지 성능의 이상 평가의 경우, 전지 성능의 비가역적 손상이 발생하거나 정상 동작 시 온도보다 2배 이상 온도가 상승한 경우를 비정상으로, 그 외의 경우는 정상으로 평가하였다.
실험예 3: 용량 특성 평가
실시예 및 비교예에 따라 제조된 전극 셀에 대해 1.4C 충전/1C 방전 c-rate로 급속 충전을 진행하였다. 300 사이클 반복 후, 용량 유지율을 측정하였다.
실험예 1 및 2의 평가 결과는 하기의 표 1에 나타낸다.
구분 관통 안정성 평가 용량
유지율(%)
셀 용량
(Ah)		 비정상
샘플 개수		 정상
샘플 개수
실시예 40 0 5 96.45
비교예 40 5 0 82.50
상기 표 1 및 2를 참조하면, ACF 절편들이 삽입된 실시예의 경우, 비교예들에 비해 두께방향으로의 저항이 현저히 감소하였으며, 활물질층의 접착력도 향상되었다. 또한, 도전 볼을 통해 누설전류 배출이 촉진되어 모든 샘플들이 정상으로 판정되었으며, 비교예에 비해 현저히 높은 용량 유지율이 획득되었다.
100: 전극 구조체 110: 집전체
120: 활물질 층 122: 바인더 층
125: 전극 형성 입자 130: 이방성 도전 필름 절편
132: 수지층 134: 도전 볼
145: 세퍼레이터 150: 전극 셀
160: 외장 케이스

Claims (9)

  1. 집전체; 및
    상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질 층을 포함하며,
    상기 활물질 층은,
    바인더층; 및
    상기 바인더층 내에 분산된 전극 형성 입자들 및 이방성 도전 필름 절편들을 포함하는, 전극 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 이방성 도전 필름 절편은 수지층 및 상기 수지층 내에 삽입된 도전 볼을 포함하는, 전극 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 수지층은 상기 바인더층과 동일한 물질을 포함하는, 전극 구조체.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 이방성 도전 필름 절편은 상기 활물질 층의 두께 방향으로 전자 이동 통로를 형성하는, 전극 구조체.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 이방성 도전 필름 절편의 상기 도전 볼은 상기 두께 방향으로 상기 전극 형성 입자들과 전기적으로 연결되며,
    상기 이방성 도전 필름 절편의 상기 수지층은 상기 활물질 층의 길이 방향으로 상기 바인더 층과 접착되는, 전극 구조체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 형성 입자는 리튬 이차 전지의 활물질 입자들을 포함하는, 전극 구조체.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전극 형성 입자는 탄소 계열 또는 금속 계열 도전재 입자를 더 포함하는, 전극 구조체.
  8. 외장 케이스;
    상기 외장 케이스 내에 수용되며 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 복수의 전극 구조체들, 및 상기 전극 구조체들 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하는 전극 셀; 및
    상기 외장 케이스 내에 주입된 전해질을 포함하는, 이차 전지.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전극 구조체들은 서로 다른 극성의 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 전극에 포함된 상기 바인더 층 및 상기 이방성 도전 필름 절편은 동일한 수지 물질을 포함하며, 상기 제2 전극에 포함된 상기 바인더 층 및 상기 이방성 도전 필름 절편은 동일한 수지 물질을 포함하는, 이차 전지.
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