KR20190143710A - Curent Collector, Electrode and Lithium Secondary Battery Comprising the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 집전체, 이를 포함하는 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a current collector, an electrode including the same, and a lithium secondary battery.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the field of application extends to the energy of mobile phones, camcorders, notebook PCs, and even electric vehicles, efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more concrete. The electrochemical device is the area that is receiving the most attention in this respect, and the development of a secondary battery capable of charging and discharging has been the focus of attention, and in recent years in the development of such a battery in order to improve the capacity density and specific energy R & D on the design of electrodes and batteries is underway.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MII, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.Among the secondary batteries currently applied, lithium secondary batteries developed in the early 1990s have a higher operating voltage and greater energy density than conventional batteries such as Ni-MII, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries that use an aqueous electrolyte solution. I am in the spotlight.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체가 적층 또는 권취된 구조로 전지케이스에 내장되며, 그 내부에 비수 전해액이 주입됨으로써 구성된다.In general, a lithium secondary battery is embedded in a battery case in a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is stacked or wound, and the nonaqueous electrolyte is injected therein.
이때 상기 음극으로서 리튬 전극을 사용하는 경우, 일반적으로 평면상의 집전체 상에 리튬 호일을 부착시킴으로써 형성된 리튬 전극을 사용하여 왔다. 그러나, 리튬 이차전지의 고용량 및 장기 수명화가 요구됨에 따라, 리튬 이차전지의 용량을 향상시킬 수 있고, 충방전 사이클 반복시 용량 저하 현상을 억제할 수 있도록 3차원 구조의 집전체가 개발된 바 있다.At this time, when using a lithium electrode as said negative electrode, the lithium electrode formed by attaching a lithium foil on the planar collector generally has been used. However, as the high capacity and long life of the lithium secondary battery are required, a current collector having a three-dimensional structure has been developed to improve the capacity of the lithium secondary battery and to suppress a decrease in capacity during repeated charge and discharge cycles. .
한국공개특허 제2002-0088417호는 다공성의 3차원 구조 집전체를 이용한 리튬전극에 관한 것으로, 상기 다공성의 3차원 구조 집전체의 기공 내에 리튬 또는 리튬 합금을 균일하게 분포시킴으로써, 이를 이용한 리튬 전지의 성능을 향상시킬 수 있음이 기재되어 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-0088417 relates to a lithium electrode using a porous three-dimensional structure current collector, by uniformly distributing lithium or lithium alloy in the pores of the porous three-dimensional structure current collector, It is described that performance can be improved.
그러나, 이와 같은 종래 3차원 구조 집전체는 리튬이 집전체 표면에서 환원되어 표면의 기공이 막히고, 이에 따라 3차원 구조 집전체의 내부를 사용하지 못하게 되어, 3차원 구조의 장점을 활용할 수 없다는 문제점이 있었다.However, such a conventional three-dimensional structure current collector has a problem that the lithium is reduced at the surface of the current collector to block pores of the surface, thereby preventing the use of the interior of the three-dimensional structure current collector, and thus cannot take advantage of the three-dimensional structure. There was this.
따라서, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체를 리튬 이차전지에 적용할 경우, 상기 3차원 구조 집전체 표면에 분포하는 기공이 막혀 리튬 덴드라이트가 성장하는 문제점을 해결할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.Therefore, when the three-dimensional structure current collector having pores is applied to a lithium secondary battery, it is required to develop a technology capable of solving the problem of growing lithium dendrites by blocking pores distributed on the surface of the three-dimensional structure current collector.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체의 하면(bottom)에 시드 금속을 증착시켜 상기 3차원 구조 집전체의 상면(top)에 비해 하면이 낮은 환원 전위를 나타내도록 3차원 구조 집전체를 제조하였다. 이와 같은 3차원 구조 집전체는 상면과 하면의 환원 전위차로 인하여 리튬 이온이 상기 3차원 구조 집전체의 하면으로 움직이게 되어 리튬 덴드라이트의 성장이 방지됨을 확인하였다.Accordingly, the present inventors conducted various studies to solve the above problems, and as a result, by depositing a seed metal on the bottom of the three-dimensional structure current collector with pores, compared to the top of the three-dimensional structure current collector The three-dimensional structure current collector was manufactured so that the lower surface showed a low reduction potential. Such a three-dimensional structure current collector has been confirmed that lithium ions move to the lower surface of the three-dimensional structure current collector due to the reduction potential difference between the upper and lower surfaces, thereby preventing the growth of lithium dendrites.
따라서, 본 발명의 목적은 리튬 덴드라이트의 성장이 방지될 수 있는 집전체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a current collector and a method of manufacturing the same in which growth of lithium dendrites can be prevented.
본 발명의 다른 목적은 상기 집전체를 포함하는 전극을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an electrode including the current collector.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 집전체를 포함하는 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including an electrode including the current collector.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 3차원 구조를 가지며, 일면에 금속이 형성된 집전체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a current collector having a three-dimensional structure, the metal is formed on one surface.
상기 금속은 금속 입자일 수 있다.The metal may be a metal particle.
상기 금속은 Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, Si, Ca 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.The metal may be one or more selected from the group consisting of Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, Si, Ca, and alloys thereof.
상기 금속은 상기 집전체의 일면에 증착된 것일 수 있다.The metal may be deposited on one surface of the current collector.
상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면 및 상기 상면의 반대편에 위치한 하면을 포함하되, 상기 금속은 상기 하면에 형성된 것일 수 있다.The current collector may include an upper surface facing the separator and a lower surface disposed on an opposite side of the upper surface, and the metal may be formed on the lower surface.
상기 집전체는 Al, Cu, Zn, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.The current collector may include one or more selected from the group consisting of Al, Cu, Zn, Au, Ag, In, Mg, Ni, and alloys thereof.
상기 집전체의 기공도는 50 내지 90% 일 수 있다.The porosity of the current collector may be 50 to 90%.
상기 집전체의 두께는 20 내지 200 μm 일 수 있다.The thickness of the current collector may be 20 to 200 μm.
본 발명은 또한, 상기 집전체를 포함하는 전극을 제공한다.The present invention also provides an electrode comprising the current collector.
본 발명은 또한, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 상기 집전체를 포함하되, 상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 금속이 형성된 것인, 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the negative electrode includes the current collector, the current collector is opposite to the upper surface facing the separator The metal is formed on the lower surface provided in, to provide a lithium secondary battery.
본 발명에 따르면, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체에서, 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 증착된 시드 금속으로 인해, 상기 하면은 상면에 비해 낮은 환원 전위를 가지게 된다. 이에 따라 형성되는 상기 3차원 구조 집전체의 상면과 하면의 전위차로 인하여, 리튬 이온이 집전체의 하면으로 이동하게 되어 리튬 덴드라이트의 성장을 방지할 수 있다.According to the present invention, in the three-dimensional structure current collector with pores, due to the seed metal deposited on the lower surface opposite to the upper surface facing the separator, the lower surface has a lower reduction potential than the upper surface. Accordingly, due to the potential difference between the upper and lower surfaces of the three-dimensional structure current collector, lithium ions move to the lower surface of the current collector, thereby preventing the growth of lithium dendrites.
또한, 본 발명에 따른 3차원 구조 집전체에서 리튬 덴드라이트의 성장이 방지됨에 따라, 상기 3차원 구조 집전체를 리튬 이차전지에 적용시 사이클 수명과 같은 전지 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, since growth of lithium dendrites is prevented in the three-dimensional structure current collector according to the present invention, when the three-dimensional structure current collector is applied to a lithium secondary battery, battery performance such as cycle life may be improved.
도 1은 본 발명에 따른 집전체의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지 내부의 일부 구조를 나타낸 모식도이다.1 shows a schematic diagram of a current collector according to the present invention.
2 is a schematic diagram showing a partial structure of a lithium secondary battery according to the present invention.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서에서 사용된 3차원 구조 집전체의 상면(top)은 상기 3차원 구조 집전체의 일면으로서, 분리막과 마주보는 면을 의미한다.As used herein, the top of the three-dimensional structure current collector as one surface of the three-dimensional structure current collector, means a surface facing the separator.
본 명세서에서 사용된 3차원 구조 집전체의 하면(bottom)은 상기 3차원 구조 집전체의 다른 일면으로서, 분리막과 마주보는 면, 즉, 상면의 반대면을 의미한다.As used herein, the bottom of the three-dimensional structure current collector is the other surface of the three-dimensional structure current collector, which means a surface facing the separator, that is, the opposite surface of the upper surface.
집전체House
본 발명은 3차원 구조를 가지며, 일면에 금속이 형성된 집전체에 관한 것이다. 상기 3차원 구조는 기공에 의해 형성된 것일 수 있다.The present invention has a three-dimensional structure, and relates to a current collector having a metal formed on one surface. The three-dimensional structure may be formed by pores.
도 1은 본 발명에 따른 집전체의 모식도를 나타낸 것이다.1 shows a schematic diagram of a current collector according to the present invention.
도 1을 참조하면, 3차원 구조 집전체(10)는 양면, 즉, 상면(11)과 하면(12)을 포함하며, 하면(12)에 금속(13)이 형성될 수 있다. 이때, 상면(11)과 하면(12)은 앞서 정의한 바와 같이, 집전체(10)를 전지에 적용시 분리막과 마주보는지 여부에 따라 구분한 것이다. Referring to FIG. 1, the three-dimensional structure
금속(13)이 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)에만 형성되고, Li 이 환원되어 핵성장 시 집전체보다 금속(13)에서 생성될 때 필요한 에너지가 적음으로써, 금속(13)에서 Li이 먼저 환원되게 된다. 이때 하면에 생성된 Li과 상면과의 전위차가 발생되며, 상면(11)과 하면(12)의 전위차에 의해 리튬 이온은 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)으로 보다 이동하게 되므로, 금속(13)은 리튬 이온의 이동 및 성장을 유도하는 시드 금속이라고 할 수 있다. 예를 들어, 상기 전위차는 하면에 생성된 Li를 기준으로 할 때 3V 내지 3.5V 일 수 있다.The
금속(13)은 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)에 증착된 금속 입자의 형태일 수 있다.The
금속(13)은 전극 집전체에 비해 전극 활물질과의 과전압이 작은 금속; 또는 전극 활물질과 다층상(multiphase)을 갖는 금속;일 수 있다.The
예컨대, 전극 활물질이 리튬 금속일 경우, 리튬 금속 형성시 Cu(집전체)에 비해 과전압이 작은 금속은 리튬 금속과 반응시 계면 에너지가 낮은 금속 또는 금속 표면에서의 Li 이온의 확산 에너지 장벽의 크기가 Li과 동등 또는 그 이하인 금속으로서, Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, In, Co, Ni, Mn 및 Si으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 리튬 금속과 다층상(multiphase)를 갖는 금속은 리튬 금속과 반응할 수 있는 사이트(site)가 복수 개인 금속으로서 Ca일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 금속(13)은 Au일 수 있다.For example, when the electrode active material is lithium metal, a metal having a low overvoltage compared to Cu (current collector) when forming a lithium metal has a low interfacial energy when reacting with lithium metal or a diffusion energy barrier of Li ions on the metal surface. As a metal that is equal to or less than Li, the metal may be at least one selected from the group consisting of Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, In, Co, Ni, Mn, and Si, and may be multiphase with the lithium metal. The metal having) may be Ca as a metal having a plurality of sites capable of reacting with lithium metal, but is not limited thereto. Preferably the
금속(23)은, 금속(23)이 형성된 음극(20)의 전체 중량을 기준으로 적정 중량이 포함될 수 있다. 금속(23)의 함량이 과도하게 적으면 음극(20)의 전위차를 유도할 수 없어 리튬 이온 이동에 의한 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과가 미미하고, 금속(23)의 함량이 과도하게 많으면 금속(23)에 의해 음극(20)의 기공이 막혀버려 음극(20)의 한쪽 면을 사용하기가 어려우므로 기공이 형성된 음극의 3차원 구조의 장점을 활용할 수 없을 수 있다.The metal 23 may include an appropriate weight based on the total weight of the
본 발명에 있어서, 집전체(10)의 기공도는 50 내지 90%, 바람직하게는 60 내지 80%, 보다 바람직하게는 65 내지 75% 일 수 있다. 상기 기공도가 상기 범위 미만이면 집전체(10)를 적용한 리튬 이차전지에서 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과가 미미하고, 상기 범위 초과이면 집전체(10)의 기계적 물성이 저하될 수 있다.In the present invention, the porosity of the
본 발명에 있어서, 집전체(10)의 두께는 20 내지 200 ㎛, 바람직하게는 50 내지 150 ㎛, 보다 바람직하게는 80 내지 120 ㎛ 일 수 있다. 집전체(10)의 두께가 상기 범위 미만이면 집전체(10)의 내구성이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 전지가 두꺼워질 수 있다.In the present invention, the thickness of the
본 발명에 있어서, 집전체(10)는 전기 전도성 금속으로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 전기 전도성 금속은 Al, Cu, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 금속의 산화환원 전위에 따라 양극 집전체 또는 음극 집전체로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 집전체(10)는 Cu로 이루어진 것일 수 있다.In the present invention, the
집전체의 제조방법Manufacturing method of current collector
본 발명은 또한, 3차원 구조 집전체의 일면에 금속을 형성하는 단계를 포함하는 집전체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for manufacturing a current collector comprising the step of forming a metal on one surface of the three-dimensional structure current collector.
상기 금속은 증착에 의해 상기 집전체의 일면에 형성될 수 있으며, 구체적으로는 열 증착(thermal evaporation)법, 이-빔 증착(e-beam evaporation)법, 화학기상증착(CVD)법 및 물리기상증착(PVD)법으로 이루어진 군에서 선택되는 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.The metal may be formed on one surface of the current collector by evaporation, and specifically, thermal evaporation, e-beam evaporation, chemical vapor deposition, and physical weather. It may be formed by a deposition method selected from the group consisting of a deposition (PVD) method.
전극electrode
본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 집전체를 포함하는 전극에 관한 것이다.The invention also relates to an electrode comprising the current collector as described above.
상기 집전체는 바인더와 함께 포함되어 있는 금속의 산화환원전위에 따라 양극 집전체 또는 음극 집전체로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전체가 Al 금속을 포함한다면 양극 집전체로 사용될 수 있고, 상기 집전체가 Cu 금속을 포함한다면 음극 집전체로 사용될 수 있다. The current collector may be used as a positive electrode current collector or a negative electrode current collector according to the redox potential of the metal included with the binder. For example, if the current collector includes an Al metal, it may be used as a positive electrode current collector, and if the current collector includes Cu metal, it may be used as a negative electrode current collector.
본 발명에 따른 집전체가 리튬 이차전지의 음극에 사용될 경우, 상기 음극은 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 리튬 금속을 포함하는 리튬 전극일 수 있다.When the current collector according to the present invention is used for a negative electrode of a lithium secondary battery, the negative electrode may be a lithium electrode including lithium metal formed on at least one surface of the negative electrode current collector.
또한, 본 발명에 따른 집전체가 리튬 이차전지의 양극에 사용될 경우, 상기 양극은 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 양극은, 양극 집전체와 그의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층으로 구성될 수 있다. 상기 양극 활물질층에 포함된 양극 활물질은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y- zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리일 수 있다.In addition, when the current collector according to the present invention is used for the positive electrode of the lithium secondary battery, the positive electrode may include a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the positive electrode current collector. In this case, the positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer coated on one or both surfaces thereof. The cathode active material included in the cathode active material layer is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiNiMnCoO 2 and LiNi 1- xy- z Co x M1 y M2 z O 2 (M1 and M2 is Independently from each other Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo is any one selected from the group, x, y and z are the atomic fraction of the elements of the oxide composition independently of each other And 0 ≦ x <0.5, 0 ≦ y <0.5, 0 ≦ z <0.5, and x + y + z ≦ 1) or two or more of these slurries.
리튬 이차전지Lithium secondary battery
본 발명은 또한, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 상기 음극은 전술한 바와 같은 집전체를 포함하되, 상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 금속이 형성된 것일 수 있다.The present invention also relates to a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, wherein the negative electrode includes the current collector as described above, wherein the current collector faces the separator. Metal may be formed on the bottom surface opposite to the upper surface.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지 내부의 일부 구조를 나타낸 모식도이다.2 is a schematic diagram showing a partial structure of a lithium secondary battery according to the present invention.
도 2를 참조하면, 양극(20)과 음극(30) 사이에 분리막(40)이 개재된 구조를 가지는 리튬 이차전지(100)에서, 음극(30)에는 전술한 바와 같이 일면에 금속(13)이 형성된 3차원 구조 집전체(10)가 포함될 수 있다.Referring to FIG. 2, in the lithium
3차원 구조 집전체(10)는 분리막(40)과 마주는 상면(11) 및 하면(12)을 포함하며, 상면(11) 및 하면(12) 중 하면(12)에 금속(13)이 형성된 것일 수 있다.The three-dimensional structure
이와 같은 구조적인 특징으로 인하여, 리튬 이온이 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)에 형성된 금속(13)으로 이동하여 성장하므로, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다.Due to this structural feature, since lithium ions move and grow to the
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 있어서, 상기 양극 및 음극은 앞서 설명한 바와 같다.In the lithium secondary battery according to the present invention, the positive electrode and the negative electrode are as described above.
상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있으며, 상기 다공성 기재는, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The separator may be made of a porous substrate, and the porous substrate may be used as long as it is a porous substrate commonly used in an electrochemical device. For example, a polyolefin-based porous membrane or a nonwoven fabric may be used. It is not specifically limited.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous membrane, polyolefin-based polymers, such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, polypentene, such as high density polyethylene, linear low density polyethylene, low density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, respectively, or a mixture thereof One membrane may be mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈 (polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드 (polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌 나프탈렌 (polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric may include, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate, or polycarbonate. ), Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide and polyethylenenaphthalene, alone or in combination The nonwoven fabric formed from the polymer which mixed these is mentioned. The structure of the nonwoven can be a spunbond nonwoven or melt blown nonwoven composed of long fibers.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 3 ㎛ 내지 50 ㎛이다, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 내지 30 ㎛ 일 수 있다. 상기 다공성 기재에 존재하는 기공의 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.001㎛ 내지 50㎛ 및 10% 내지 95%일 수 있다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 1 μm to 100 μm, preferably 3 μm to 50 μm, and more preferably 5 μm to 30 μm. The pore size and pore present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.001 μm to 50 μm and 10% to 95%, respectively.
또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들 것 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염은 LiFSI, LiPF6, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬 및 4-페닐 붕산 리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.In addition, the electrolyte salt contained in the nonaqueous electrolyte solution which can be used in the present invention is a lithium salt. The lithium salt may be used without limitation as those conventionally used in the lithium secondary battery electrolyte. For example, the lithium salt is LiFSI, LiPF 6 , LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, may be one or more selected from the group consisting of lithium chloroborane and lithium 4-phenyl borate.
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 슬러리인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.As the organic solvent included in the aforementioned non-aqueous electrolyte, those conventionally used in the lithium secondary battery electrolyte may be used without limitation, and for example, ethers, esters, amides, linear carbonates, and cyclic carbonates may be used alone or in combination of two or more. It can be mixed and used. Among them, a carbonate compound which is typically a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a slurry thereof may be included.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리가 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and any one selected from the group consisting of halides thereof, or two or more of these slurries. These halides include, for example, fluoroethylene carbonate (FEC), but are not limited thereto.
또한, 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In addition, specific examples of the linear carbonate compound may be any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate and ethylpropyl carbonate. Two or more of these slurries and the like may be representatively used, but are not limited thereto. In particular, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates among the carbonate-based organic solvents, have high dielectric constants and can dissociate lithium salts in the electrolyte more efficiently. By using a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate mixed in an appropriate ratio it can be made an electrolyte having a higher electrical conductivity.
또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, and ethylpropyl ether or two or more of these slurries may be used. It is not limited to this.
또한, 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, α-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the ester in the organic solvent is methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, Any one selected from the group consisting of α-valerolactone and ε-caprolactone or two or more of these slurries may be used, but is not limited thereto.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The injection of the nonaqueous electrolyte may be performed at an appropriate step in the manufacturing process of the electrochemical device, depending on the manufacturing process and the required physical properties of the final product. That is, it may be applied before the electrochemical device assembly or the final step of the electrochemical device assembly.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.The lithium secondary battery according to the present invention may be a lamination (stack) and folding process of the separator and the electrode in addition to the winding (winding) which is a general process.
그리고, 상기 전지케이스의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 적층형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.In addition, the shape of the battery case is not particularly limited, and may be in various shapes such as cylindrical, stacked, square, pouch or coin type.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.The present invention also provides a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell.
상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module may be used as a power source for medium and large devices requiring high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium-to-large device include a power tool that is driven by an electric motor; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; Power storage systems and the like, but is not limited thereto.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are provided to help the understanding of the present invention, but the following examples are merely for exemplifying the present invention, and various changes and modifications within the scope and spirit of the present invention are apparent to those skilled in the art. It goes without saying that changes and modifications belong to the appended claims.
실시예 1: 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조Example 1: Preparation of a three-dimensional structure current collector and a half cell in which Au metal is formed on the lower surface
(1) 일면에 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 제조(One) Fabrication of 3D structure current collector with metal formed on one side
3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 일면에 Au 금속을 열 증착시켰다. Au metal was thermally deposited on one surface of a Cu current collector in the form of a three-dimensional foam.
(2) 전극 제조(2) Electrode manufacturing
음극은, 상기 3차원 구조 집전체의 일면에 5 ㎛의 리튬 금속층을 증착시켜 리튬 금속 음극을 제조하였다.The negative electrode was prepared by depositing a lithium metal layer having a thickness of 5 μm on one surface of the three-dimensional structure current collector.
양극은, 양극 활물질로서 LiCoO2 96 중량%, Denka black(도전재) 2 중량% 및 PVdF(Polyvinylidene fluoride, 결합재) 2 중량%를 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 집전체의 일면에 상기 제조된 양극 슬러리를 65㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조 및 압연한 후 일정크기로 펀칭하여 양극을 제조하였다.The positive electrode was prepared by adding 96% by weight of LiCoO 2 , 2 % by weight of Denka black (conductor) and 2% by weight of PVdF (Polyvinylidene fluoride, binder) to NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) as a positive electrode active material. After that, the positive electrode slurry was coated on one surface of an aluminum current collector to a thickness of 65 μm, dried and rolled, and then punched to a predetermined size to prepare a positive electrode.
(3)코인형 반쪽 전지 제조(3) Coin-type half battery manufacturing
전술한 바와 같이 제조된 음극 및 양극 사이에 폴리올레핀 세퍼레이터를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.After interposing the polyolefin separator between the negative electrode and the positive electrode prepared as described above, 1M LiPF 6 dissolved electrolyte was injected into a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (DEC) were mixed in a volume ratio of 50:50. A coin-type half cell was prepared.
이때, 상기 음극의 3차원 구조 집전체에서 Au 금속이 증착된 면을 하면이라고 하고, 상기 하면의 반대편을 상면이라고 했을 때, 상기 상면과 분리막이 마주보도록 배치하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.In this case, a surface on which the Au metal was deposited on the three-dimensional structure current collector of the negative electrode was referred to as a lower surface, and when the opposite side of the lower surface was referred to as an upper surface, the coin-type half cell was prepared by placing the upper surface and the separator facing each other.
실시예 2: 하면에 Ag 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조Example 2: Preparation of a three-dimensional structure current collector and a half cell in which Ag metal is formed on the lower surface
실시예 1과 동일하게 실시하되, Au 금속 대신 Ag 금속을 사용하여 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, Ag metal was used instead of Au to prepare a three-dimensional structure current collector and a half cell.
실시예 3: 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조Example 3: Fabrication of a three-dimensional structure current collector and a half cell in which Au metal is formed on the lower surface
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 구조 집전체의 하면에 형성되는 Au 금속의 양을 감소시켜, 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, the amount of Au metal formed on the lower surface of the three-dimensional structure current collector was reduced to prepare a three-dimensional structure current collector and a half cell.
실시예 4: 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조Example 4: Preparation of a three-dimensional structure current collector and a half cell in which Au metal is formed on the lower surface
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 구조 집전체의 하면에 형성되는 Au 금속의 양을 증가시켜, 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, the amount of Au metal formed on the lower surface of the three-dimensional structure current collector was increased to prepare a three-dimensional structure current collector and a half cell.
비교예 1: 2차원 구조 Cu 집전체 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조Comparative Example 1: 2-D Structure Cu Current Collector and Half-Cell Fabricated Using Same
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 대신 2차원 구조 Cu 집전체로서, Cu 포일을 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, a half cell was manufactured using a Cu foil as a two-dimensional structured current collector instead of a three-dimensional structured current collector on which metal was formed.
비교예Comparative example 2: Au 금속이 형성된 2차원 구조 Cu 2: two-dimensional Cu formed with Au metal 집전체House 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조 And manufacturing a half cell using the same
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 3차원 구조 집전체 대신 2차원 구조 Cu 집전체에 Ag 금속을 형성한 후 이를 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, Ag metal was formed in the two-dimensional structure current collector instead of the three-dimensional structure current collector, and then a half battery was manufactured using the same.
비교예Comparative example 3: 3: Au금속이Au metal 형성되지 않은 3차원 구조 Unformed 3-D Structure 집전체House 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조 And manufacturing a half cell using the same
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체에 금속을 형성하지 않은 채 반쪽 전지를 제조하였다.A half cell was manufactured in the same manner as in Example 1, but without forming a metal in a Cu current collector having a three-dimensional foam.
비교예Comparative example 4: 양면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 4: 3D structure with Au metal on both sides 집전체House 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조 And manufacturing a half cell using the same
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 양면, 즉, 상면과 하면 모두에 Au 금속을 형성하여 반쪽 전지를 제조하였다. The same procedure as in Example 1 was performed except that Au metals were formed on both surfaces of the Cu current collector in the form of a three-dimensional foam, that is, both the upper and lower surfaces thereof, to prepare a half battery.
비교예Comparative example 5: Au 금속이 형성된 3차원 구조 5: 3D structure with Au metal 집전체House 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조 And manufacturing a half cell using the same
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 상면에 Au 금속을 형성하여 반쪽 전지를 제조하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that Au metal was formed on an upper surface of a Cu current collector having a three-dimensional foam.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto. Various modifications and variations are possible without departing from the scope of the appended claims.
10: 집전체
11: 상면(top) 12: 하면(bottom)
13: 금속
20: 양극 30: 음극
31: 음극 활물질층
40: 분리막
100: 리튬 이차전지10: whole house
11: top 12: bottom
13: metal
20: anode 30: cathode
31: negative electrode active material layer
40: separator
100: lithium secondary battery
Claims (10)
상기 금속은 금속 입자인, 집전체. The method of claim 1,
The metal collector is a metal particle.
상기 금속은 Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, Si, Ca 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 집전체.The method of claim 1,
The metal current collector is at least one member selected from the group consisting of Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, Si, Ca and alloys thereof.
상기 금속은 상기 집전체의 일면에 증착된 것인, 집전체.The method of claim 1,
The metal is the current collector is deposited on one surface of the current collector.
상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면 및 상기 상면의 반대편에 위치한 하면을 포함하되,
상기 금속은 상기 하면에 형성된 것인, 집전체.The method of claim 1,
The current collector includes a top surface facing the separator and a bottom surface opposite to the top surface,
The metal is the current collector is formed on the lower surface.
상기 집전체는 Al, Cu, Zn, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 집전체.The method of claim 1,
The current collector is one, at least one member selected from the group consisting of Al, Cu, Zn, Au, Ag, In, Mg, Ni and alloys thereof.
상기 집전체의 기공도는 50 내지 90% 인, 집전체.The method of claim 1,
Porosity of the current collector is 50 to 90%, the current collector.
상기 집전체의 두께는 20 내지 200 μm 인, 집전체.The method of claim 1,
The collector has a thickness of 20 to 200 μm.
상기 음극은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 집전체를 포함하되,
상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면의 반대편에 위치한 하면에 금속이 형성된 것인, 리튬 이차전지.
In a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The negative electrode includes the current collector of any one of claims 1 to 8,
The current collector is a lithium secondary battery, a metal is formed on the lower surface located opposite to the upper surface facing the separator.
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Legal Events
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |