KR20210151170A - 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치 - Google Patents

복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210151170A
KR20210151170A KR1020217036643A KR20217036643A KR20210151170A KR 20210151170 A KR20210151170 A KR 20210151170A KR 1020217036643 A KR1020217036643 A KR 1020217036643A KR 20217036643 A KR20217036643 A KR 20217036643A KR 20210151170 A KR20210151170 A KR 20210151170A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current collector
composite current
layer
conductive layer
organic support
Prior art date
Application number
KR1020217036643A
Other languages
English (en)
Inventor
신 리우
쉬웬 왕
퀴센 후앙
쳉 리
밍링 리
지아 펭
시앙후이 리우
Original Assignee
컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 filed Critical 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
Publication of KR20210151170A publication Critical patent/KR20210151170A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H01M4/662—Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/668—Composites of electroconductive material and synthetic resins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 출원은 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치를 개시한다. 복합 집전체는 유기 지지층 및 유기 지지층의 적어도 일면에 배치된 금속 전도층을 포함하고, 복합 집전체의 취성 파라미터(C)는 0.01≤C≤0.5이다. 본 출원의 복합 집전체는 양호한 역학적 성능 및 기계적 성능을 가짐과 동시에, 양호한 전도성 및 집전성을 구비하기에, 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치의 제조 양품률 및 사용 중의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 전기화학 장치가 양호한 전기화학적 성능 및 높은 중량 에너지 밀도를 가지는 데 유리하다.

Description

복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치
본 출원은 2019년 05월 31일에 출원된 발명 명칭이 "복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치"인 중국 특허 출원 201910472007.6의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용을 인용하여 본 출원에 포함시킨다.
본 출원은 전기화학 장치의 기술분야에 속한 것으로, 특히 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지와 같은 전기화학 장치는 양호한 충 방전 성능을 구비하고, 친환경적이며, 전기 자동차 및 소비형 전자 제품에 널리 사용되고 있다. 집전체는 전기화학 장치의 중요한 구성 부분으로 활물질층을 지지할 뿐만 아니라 활물질층에서 생성되는 전류를 수집하여 외부로 출력하도록 하는 데 사용된다. 따라서, 집전체는 전극 시트 및 전기화학 장치의 성능에 중요한 영향을 미친다.
이에 감안하여, 본 출원은 우수한 성능을 갖는 복합 집전체를 제안하고, 나아가 당해 복합 집전체가 사용된 전극 시트 및 전기화학 장치를 제안한다.
본 출원의 실시예는 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치를 제공하는 바, 복합 집전체의 역학적 성능 및 기계적 성능을 향상시키고, 양호한 전도성 및 집전성을 겸비함과 동시에, 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
제1 양태에 있어서, 본 출원의 실시예는 복합 집전체를 제공하는 바, 복합 집전체는 유기 지지층 및 유기 지지층의 적어도 일면에 설치된 금속 전도층을 포함하고, 복합 집전체의 취성 파라미터(C)는 0.01≤C≤0.5이다.
제2 양태에 있어서, 본 출원의 실시예는 전극 시트를 제공하는 바, 전극 시트는 집전체 및 집전체에 배치된 활물질층을 포함하고, 집전체는 본 출원 실시예의 제1 양태의 복합 집전체이다.
제3 양태에 있어서, 본 출원의 실시예는 전기화학 장치를 제공하는 바, 전기화학 장치는 정극 시트, 부극 시트 및 전해질을 포함하고, 부극 시트 및/또는 정극 시트는 본 출원 실시예의 제2 양태의 전극 시트이다.
본 출원 실시예의 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치에 있어서, 복합 집전체가 유기 지지층 및 유기 지지층에 배치된 금속 전도층을 포함하고, 복합 집전체의 취성 파라미터(C)가 0.01≤C≤0.5인 것에 의해, 복합 집전체가 적절한 인성을 가지고, 복합 집전체가 양호한 역학적 성능 및 기계적 성능을 가지도록 확보하며, 전기화학 장치의 생산 가공 및 작동 과정에서 파단되여 파괴되지 않고, 일정한 변형에 견딜 수 있으며, 이는 복합 집전체의 가공 가능 성능 및 사용 과정에서의 안정성의 향상에 유리하며, 그 제조 및 사용 과정에서의 파손 또는 균열되는 것을 효과적으로 방지하기에, 복합 집전체와 그 것을 사용한 전극 시트 및 전기화학 장치의 사용 과정에서의 양품률 및 사용 중의 신뢰성을 현저히 향상시킨다. 복합 집전체의 취성 파라미터(C)를 상술한 범위 내로 하는 것을 통해, 또한 복합 집전체의 양호한 전도성 및 집전성을 보장하기에, 전기화학 장치가 양호한 전기화학적 성능을 가지는 데 유리하다. 또한, 본 출원 실시예의 복합 집전체를 사용하면, 또한 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 출원의 기술안을 보다 명확하게 설명하기 위해, 본 출원의 실시예에 필요한 도면을 간단히 소개하는 바, 다음에 설명된 도면은 본 출원의 일부 실시예에 불과하며 당업자는 창조적인 노력이 필요없이, 도면에 따라 다른 도면을 더 얻을 수 있다.
도1은 본 출원의 일 실시예에 따른 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도2는 본 출원의 다른 실시예에 따른 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도3은 본 출원의 다른 실시예에 따른 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도4는 본 출원의 다른 실시예에 따른 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도5는 본 출원의 다른 실시예에 따른 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도6은 본 출원의 일 실시예의 전극 시트의 구조 모식도이다.
이하, 본 출원의 발명 목적, 기술적 해결 수단 및 유용한 기술적 효과를 보다 명확히 하기 위해, 실시예를 참조하여 본 출원을 더욱 상세하게 설명한다. 이해해야 할 점은, 본 명세서에 기술된 실시예는 단순히 본 출원을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 출원을 한정하는 것은 아니다.
간결하게 하기 위해, 본 명세서는 몇 가지 수치 범위 만을 구체적으로 공개한다. 하지만 임의의 하한은 임의의 상한과 함께 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있고, 임의의 하한은 기타 하한과 함께 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있으며, 마찬가지로 임의의 상한은 임의의 기타 상한과 함께 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있다. 또한 각 단독으로 공개된 점 또는 단일 수치 자체는 하한 또는 상한으로서 임의의 기타 점 또는 단일 수치와 결합하거나 또는 기타 하한 또는 상한과 함께 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있다.
본 명세서의 설명에 있어서 별도로 지정하지 않는 한, "이상", "이하"는 대상이 되는 숫자를 포함하고, "한 종류 또는 여러 종류"의 "여러 종류"의 의미는 두 종류 또는 두 종류 이상이다.
상술한 본 출원 발명의 내용은 본 출원 중 각 개시된 실시형태 또는 각 실현형태를 설명하기 위한 것이 아니다. 이하의 기재는 예시적인 실시형태를 보다 구체적으로 설명한다. 본 출원 전체의 여러 곳에서 일련의 실시예에 의해 지도를 제공하는 바, 이러한 실시예는 여러가지 조합으로 사용될 수 있다. 각 실시예에 있어서, 열거는 대표적인 그룹 만을 나타낼 뿐, 망라하는 것으로 해석되어서는 안된다.
복합 집전체
본 출원 실시예의 제1 양태는 복합 집전체(10) 를 제공한다. 도 1은 본 출원의 실시예의 복합 집전체(10) 의 구조 모식도이다. 도 1을 참조하면, 복합 집전체(10)는 적층 배치된 유기 지지층(101) 및 금속 전도층(102)을 포함한다.
유기 지지층(101)의 두께 방향에서, 서로 대향하는 제1면(101a) 및 제2면(101b)을 구비하고, 금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제1면(101a) 및 제2면(101b)에 배치된다.
금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제1면(101a) 및 제2면(101b) 중 임의의 일면에 배치될 수 있음을 이해할 수 있으며, 예를 들어, 금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제1면(101a)에 배치될 수 있고, 물론, 금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제2면(101b)에 배치될 수도 있다.
또한, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)는 0.01≤C≤0.5이다.
본 명세서에서, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)는 식 1에 의해 산출될 수 있다.
C = (T1ХD1)/(T2ХD2)……식 1
식 1에서, T1은 금속 전도층(102)의 인장 강도이고, D1은 금속 전도층(102)의 두께이며, T2는, 유기 지지층(101)의 인장 강도이고, D2는 유기 지지층(101)의 두께이다.
상술한 식 1은 유기 지지층(101)의 적어도 일면에 금속 전도층(102)이 설치된 복합 집전체(10)에 적용될 수 있으며, 특히, 유기 지지층(101)의 대향하는 두 개의 면에 각각 금속 전도층(102)이 배치된 복합 집전체(10)에 적용되고, 또한 특히, 유기 지지층(101)의 두 개의 면에 각각 금속 전도층(102)이 배치되고 또한 양측의 금속 전도층(102)의 두께가 동일하거나 실질적으로 동일한 복합 집전체(10)에 적용되고 있다. 전술한 실질적으로 동일함은, 양측의 금속 전도층(102)의 두께의 차이가 10%를 초과하지 않고, 예를 들어 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 3%, 2%, 1%를 초과하지 않는 것이다.
일부 실시예에 있어서, 상술한 "금속 전도층(102)의 두께(D1)"는, 유기 지지층(101)의 일측의 금속 전도층(102)의 두께를 가리킨다.
기타 일부 실시예에 있어서, 상술한 "금속 전도층(102)의 두께(D1)"는, 유기 지지층(101)의 양측의 금속 전도층(102)의 평균 두께를 가리키고, 다시 말해서 유기 지지층(101)의 양측의 금속 전도층(102)의 두께의 합계의 절반이다.
예를 들어, 유기 지지층(101)의 일면에 금속 전도층(102)이 배치된 복합 집전체(10)에 대해, 상술한 "금속 전도층(102)의 두께(D1)"는, 유기 지지층(101)의 일면의 금속 전도층(102)의 두께를 가리킨다. 유기 지지층(101)의 대향하는 두 개의 면에 각각 금속 전도층(102)이 배치되고 또한 양측의 금속 전도층(102)의 두께가 동일하거나 실질적으로 동일한 복합 집전체(10)에 대해, 상술한 "금속 전도층(102)의 두께(D1)"는, 유기 지지층(101)의 일면의 금속 전도층(102)의 두께 또는 유기 지지층(101)의 양측의 금속 전도층(102)의 평균 두께를 가리킨다. 유기 지지층(101)의 대향하는 두 개의 면에 각각 금속 전도층(102)이 배치되고 또한 양측의 금속 전도층(102)의 두께의 차이가 10%를 초과하는 복합 집전체(10)에 대해, 상술한 "금속 전도층(102)의 두께(D1)"는, 유기 지지층(101)의 양측의 금속 전도층(102)의 평균 두께를 가리킨다. 이리하면, 식 1에 더욱 잘 적응할 수 있다.
본 분야의 주지된 기기 및 방법에 의해, 금속 전도층(102)의 인장 강도(T1) 및 유기 지지층(101)의 인장 강도(T2)를 측정할 수 있으며, 예를 들어 미국 INSTRON3365형 유니버설 실험용 텐셔너를 사용하여 측정을 수행할 수 있다. 금속 전도층(102)의 인장 강도(T1) 및 유기 지지층(101)의 인장 강도(T2)는 동일한 방법으로 측정할 수 있으므로, 유기 지지층(101)의 인장 강도(T2)의 측정을 예로서 설명한다. 유기 지지층(101)을 스트립 형태의 샘플로 절단하는 바, 예를 들어 폭이 15mm이고 또한 길이가 150mm인 샘플로 절단한 후, 샘플을 유니버설 실험용 텐셔너의 대향하는 두 개의 클램프 사이에 장착하고, 초기 길이를 50mm로 하고, 샘플이 파단되어 인장이 정지될 때까지, 5mm/min의 인장 속도로 인장 시험을 수행하며, 샘플이 파단될 때의 최대 인장력(F)을 기록하고, T2=F/S에 따라 산출하여 유기 지지층(101)의 인장 강도(T2)를 획득한다. 여기서 S는 샘플의 초기 횡단면적인 바, 샘플의 폭과 샘플의 두께의 곱으로 산출되고, 전술한 샘플의 두께가 유기 지지층(101)의 두께(D2)이다.
금속 전도층(102)의 두께(D1) 및 유기 지지층(101)의 두께(D2)는 본 분야의 주지된 기기 및 방법으로 측정할 수 있으며, 예를 들어 마이크로미터를 사용할 수 있다.
본 출원 실시예의 복합 집전체(10)가 유기 지지층(101) 및 유기 지지층(101)에 배치된 금속 전도층(102)을 포함하고, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)가 0.01≤C≤0.5인 것을 통해, 복합 집전체(10)가 적절한 인성을 가지고, 복합 집전체(10)가 양호한 역학적 성능 및 기계적 성능을 가지도록 확보하고, 전기화학 장치의 생산 가공 및 작동 과정에서 파단하여 파괴되지 않고, 일정한 변형에 견딜 수 있으며, 이는 복합 집전체(10)의 가공 가능 성능 및 사용 과정에서의 안정성의 향상에 유리하며, 그 제조 및 사용 과정에서의 파손 또는 균열의 생성을 효과적으로 방지하기에, 복합 집전체(10)와 그 것을 사용한 전극 시트(30) (도 6에 도시) 및 전기화학 장치의 제조 과정에서의 양품률 및 사용 중의 신뢰성을 현저히 향상시킨다.
복합 집전체(10)가 전기화학 장치의 생산 가공 및 작동 과정에서 파단 또는 균열이 발생하기 어려운 것은, 한편으로는 복합 집전체(10)의 전도성 및 집전성의 효과적인 발휘를 보장하고, 다른 한편으로는 활물질층(20) (도 6에 도시)의 파단 또는 균열를 방지하고, 그 내부의 전도 네트워크의 연속성을 유지할 수 있으며, 이는 활물질층(20)의 성능의 효과적인 발휘를 보장할 수 있다. 따라서, 본 출원의 실시예를 사용한 복합 집전체(10)는 전기화학 장치의 사용 수명의 향상에 유리하다.
동시에, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)를 상술한 범위 내로 하는 것은, 또한 복합 집전체(10)가 양호한 전도성 및 집전성을 갖는 것을 보장하고, 전극 시트(30) 및 전기화학 장치가 낮은 저항을 가지는 데 유리하며, 전극의 분극을 감소시켜, 전기화학 장치가 높은 전기화학적 성능을 갖도록 하고, 여기서 전기화학 장치는 높은 배율 성능 및 사이클 성능을 가진다.
또한, 유기 지지층(101)의 밀도가 금속의 밀도보다 작으므로, 전기화학 장치의 중량의 감소에 유리하기에, 전기화학 장치의 에너지 밀도가 더욱 개선된다.
일부 선택 가능한 실시예에 있어서, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)의 상한값은 0.5, 0.48, 0.45, 0.42, 0.4, 0.38, 0.36, 0.35, 0.32, 0.3, 0.28, 0.25에서 선택될 수 있고, 하한값은 0.01, 0.05, 0.08, 0.1, 0.12, 0.15, 0.17, 0.19, 0.2, 0.22에서 선택될 수 있다. 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)의 범위는, 전술한 임의의 상한값과 임의의 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있고, 임의의 상한값과 임의의 기타 상한값의 조합에 의해 형성될 수 있으며, 임의의 하한값과 임의의 기타 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있다.
바람직하게는, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)는 0.1 ~ 0.3이다. 당해 복합 집전체(10)는 상술한 효과를 더욱 잘 발휘할 수 있다. 실제 적용에 있어서, 취성 파라미터(C)가 낮을 수록, 일반적이 상황 하에서, 유기 지지층(101)의 두께가 두꺼워지거나 금속 전도층(102)의 두께가 얇게 되는바, 전자는 전기화학 장치의 에너지 밀도의 개선에 불리하며, 후자는 복합 집전체(10) 및 전극 시트(30)의 전류 통과 능력에 영향을 미친다. 복합 집전체(10)의 취성 파라미터(C)는 0.1 ~ 0.3인 것이 바람직하고, 이는 전기화학 장치의 에너지 밀도를 보다 양호하게 개선하고, 복합 집전체(10) 및 전극 시트(30)가 높은 전류 통과 능력을 가지도록 확보할 수 있으며, 이러한 복합 집전체(10)를 사용한 전기화학 장치는 종합 성능이 보다 양호하다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)에 있어서, 금속 전도층(102)의 인장 강도(T1)는, 150MPa≤T1≤500MPa인 것이 바람직하고, 200MPa≤T1≤350MPa인 것이 보다 바람직하다. 금속 전도층(102)의 인장 강도를 상술한 범위 내로 하면, 복합 집전체(10)가 높은 역학적 성능을 가지는 데 더욱 유리하고, 파단 또는 균열이 발생하기 어려우며, 전기화학 장치의 사용 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합 집전체(10)가 양호한 역학적 성능, 기계적 성능 및 전도 집전 성능을 가지도록 또한 보장하기에, 전기화학 장치의 배율 성능 및 사이클 성능을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)에 있어서, 금속 전도층(102)의 두께(D1)는 30nm≤D1≤3μm인 것이 바람직하다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)는 얇은 두께의 금속 전도층(102)을 유기 지지층(101)의 표면에 배치하기에, 종래의 금속 집전체(예를 들어 알루미늄 호일, 구리 호일 등)에 비해, 복합 집전체(10)의 중량을 현저히 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 전기화학 장치의 중량의 감소에 유리하며, 전기화학 장치의 에너지 밀도가 현저히 향상될 수 있다.
또한, 금속 전도층(102)의 두께(D1)는 30nm≤D1≤3μm인 것이 바람직하고, 이로 인해 금속 전도층(102)이 양호한 전도 성능을 가지고, 복합 집전체(10)의 양호한 전도성 및 집전성을 가지도록 하는 데 유리하기에, 전기화학 장치의 성능을 향상시킨다. 또한, 금속 전도층(102)은 가공 중과 사용 중에 파단되기 어렵고, 복합 집전체(10)가 높은 파단 인성을 갖도록 하고, 복합 집전체(10)가 양호한 기계적 안정성 및 작동 안정성을 가지도록 보장하고 있다. 또한, 금속 전도층(102)의 두께(D1)가 상술한 범위 내에 있으면, 전기화학 장치에 못 관통 등의 이상이 발생할 경우, 금속 전도층(102)에서 생성되는 버가 적어, 생성된 금속 버와 대전극이 접촉하는 리스크를 감소시키며, 전기화학 장치의 안전 성능을 더 한층 향상시킬 수 있다.
일부 선택가능한 실시예에 있어서, 금속 전도층(102)의 두께(D1)의 상한은 3μm, 2.5μm, 2μm, 1.8μm, 1.5μm, 1.2μm, 1μm, 900nm, 750nm, 450nm, 250nm, 100nm에서 선택될 수 있으며, 하한은 1.6μm, 1μm, 800nm, 600nm, 400nm, 300nm, 150nm, 100nm, 80nm, 30nm에서 선택될 수 있으며, 금속 전도층(102)의 두께(D1)의 범위는 상기 임의의 상한값과 임의의 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있고, 임의의 상한값과 임의의 기타 상한값의 조합에 의해 형성될 수 있으며, 임의의 하한값과 임의의 기타 하한값의 조합에 의해 형성될 수도 있다.
보다 바람직하게는, 금속 전도층(102)의 두께(D1)는 300nm≤D1≤2μm이다. 더욱 바람직하게는, 금속 전도층(102)의 두께(D1)는 500nm≤D1≤1.5μm이다. 더욱 바람직하게는, 금속 전도층(102)의 두께(D1)는 800nm≤D1≤1.2μm이다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)에서, 금속 전도층(102)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금, 티타늄 및 은 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 금속 전도층(102)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하고, 전술한 알루미늄 합금은, 알루미늄 원소의 중량 백분 함량이 80wt% 이상인 것이 바람직하고, 90wt% 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한 예를 들어, 금속 전도층(102)은 구리 또는 구리 합금을 포함하고, 전술한 구리 합금 중의 구리 원소의 중량 백분 함량은, 80wt% 이상인 것이 바람직하고, 90wt% 이상인 것이 보다 바람직하다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)는, 유기 지지층(101)의 인장 강도(T2)가 100MPa≤T2≤400MPa인 것이 바람직하고, 150MPa≤T2≤300MPa인 것이 보다 바람직하다. 유기 지지층(101)의 인장 강도가 상술한 범위 내에 있으면, 복합 집전체(10)가 양호한 역학적 성능을 가지는 데 유리하고, 파단 또는 균열이 발생하기 어렵다. 또한, 유기 지지층(101)의 과도한 연장 또는 변형을 방지할 수 있기에, 금속 전도층(102)의 파손 또는 균열을 효과적으로 방지함과 동시에, 유기 지지층(101)과 금속 전도층(102)이 높은 결합 강도를 가지도록 하고, 금속 전도층(102)이 박리되기 어렵게 한다. 따라서, 이러한 복합 집전체(10)는 전기화학 장치의 사용 수명 및 사이클 성능의 향상에 유리하다.
유기 지지층(101)의 인장 강도를 상술한 범위 내로 하는 것에 의해, 유기 지지층(101)은 금속 전도층(102)에 대해 양호한 지지 역할을 발휘할 수 있다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10) 에서, 유기 지지층(101)의 영률(E)은 바람직하게는 E≥2GPm이며, 이는 유기 지지층(101)이 강성을 가지도록 하며, 금속 전도층(102)에 대한 유기 지지층(101)의 지지 역할을 충족하여, 복합 집전체(10)의 전체적 강도를 확보할 뿐만아니라, 유기 지지층(101)이 복합 집전체(10)의 가공 과정에서 연장 또는 변형하지 않도록 하며, 또한 유기 지지층(101) 및 금속 전도층(102)의 파손을 보다 효과적으로 방지하고, 이와 동시에 유기 지지층(101)과 금속 전도층(102) 사이의 결합 강도가 보다 높게 되여, 금속 전도층(102)이 박리되기 어렵게 되며, 복합 집전체(10)의 기계적 안정성 및 작동 안정성이 향상되기에, 전기화학 장치의 성능이 향상된다.
또한, 유기 지지층(101) 의 영률(E)은 바람직하게는 2GPa≤E≤20Gpa이고, 예를 들어 2GPa, 3GPa, 4GPa, 5GPa, 6GPa, 7GPa, 8GPa, 9GPa, 10GPa, 11GPa, 12GPa, 13GPa, 14GPa, 15GPa, 16GPa, 17GPa, 18GPa, 19GPa, 20GPa이다. 이러한 유기 지지층(101)은 적절한 강성 및 적절한 인성을 구비하고, 유기 지지층(101) 및 그 것을 사용한 복합 집전체(10)가 가공 과정에서 권취를 수행하는 유연성을 갖도록 보장한다.
유기 지지층(101)의 영률(E)은 본 분야의 이미 알려진 방법으로 측정할 수 있다. 예시적으로, 유기 지지층(101)을 15mmХ200mm의 샘플로 절단하고, 샘플의 두께h(μm)를 마이크로미터로 측정하며, 고속 레일 인장기를 이용하여 상온 상압(25℃, 0.1MPa) 하에서 인장 시험을 수행하였다. 초기 위치를 설정하여 클램프 사이의 샘플의 길이를 50mm로 설정하고, 인장 속도를 5mm/min로 설정하여, 파단까지 인장된 하중 L(N), 기기의 변위 y(mm)를 기록하면, 응력 ε(GPa)=L/(15Хh)이고, 변형률 η=y/50이며, 응력-변형률 곡선을 그리고, 초기 선형 영역의 곡선을 취할 경우, 상기 곡선의 기울기가 영률(E)이다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)에 있어서, 유기 지지층(101)의 두께(D2)는 바람직하게는 1μm≤D2≤30μm이다. 유기 지지층(101)의 두께(D2)가 1μm 이상이면, 유기 지지층(101)은 높은 기계적 강도를 가지며, 가공 및 사용 과정에서 파단되기 쉽지 않으며, 금속 전도층(102)에 대해 양호한 지지 및 보호 역할을 하며, 복합 집전체(10)의 기계적 안정성 및 작동 안정성이 향상된다. 유기 지지층(101)의 두께(D2)가 30μm 이하이면, 전기화학 장치가 작은 체적 및 낮은 중량을 갖는데 유리하기에 전기화학 장치의 체적 에너지 밀도 및 중량 에너지 밀도를 향상시킨다.
일부 선택적인 실시예에서, 유기 지지층(101)의 두께(D2)의 상한값은 30μm, 25μm, 20μm, 18μm, 15μm, 12μm, 10μm, 8μm에서 선택될 수 있고, 하한값은 1μm, 1.5μm, 2μm, 3μm, 4μm, 5μm, 6μm, 7μm, 9μm, 16μm에서 선택될 수 있다. 유기 지지층(101)의 두께(D2)의 범위는 상기 임의의 상한값과 임의의 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있으며, 또는 임의의 상한값과 임의의 기타 상한값의 조합에 의해 형성될 수 있으며, 또한 임의의 하한값과 임의의 기타 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있다.
보다 바람직하게는, 유기 지지층(101)의 두께(D2)는 1nm≤D2≤20μm이다. 보다 바람직하게는 유기 지지층(101)의 두께(D2)는 1μm≤D2≤15μm이다. 보다 바람직하게는 유기 지지층(101)의 두께(D2)는 2μm≤D2≤10μm이다. 보다 바람직하게는, 유기 지지층(101)의 두께(D2)는 2μm≤D2≤8μm이고, 2μm≤D2≤6μ인 것이 보다 바람직하다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)에서, 유기 지지층(101)은 고분자 재료 및 고분자계 복합 재료 중의 한 종류 또는 여러 종류를 사용한다.
상술한 고분자 재료는, 예를 들어, 폴리 아미드계, 폴리 이미드계, 폴리 에스테르계, 폴리 올레핀계, 폴리인(Polyyne)계, 실록산 폴리머, 폴리 에테르계, 폴리 알코올계, 폴리 설폰계, 다당류 폴리머, 아미노산계 폴리머, 폴리 설퍼 니트라이드계, 방향족 고리 폴리머, 방향족 헤테로 고리 폴리머, 에폭시 수지, 페놀 수지, 이들의 유도체, 이들의 가교체 및 이들의 공중합체 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
더 나아가, 상기 고분자 재료로는, 예를 들어, 폴리 카프로 락탐(속칭 나일론 6), 폴리 헥사 메틸렌 아디파미드(나일론 66), 폴리 파라 페닐렌 테레 프탈 아미드(PPTA), 폴리 메타 페닐렌 이소 프탈 아미드(PMIA), 폴리 에틸렌 테레 프탈레이트(PET), 폴리 부틸렌 테레 프탈레이트(PBT), 폴리 에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리 카보네이트(PC), 폴리 에틸렌(PE), 폴리 프로필렌(PP), 에틸렌-프로필렌 고무(PPE), 폴리 비닐 알코올(PVA), 폴리 스티렌(PS), 폴리 염화 비닐(PVC), 폴리 불화 비닐리덴(PVDF), 폴리 테트라 플루오 로에틸렌(PTEE), 폴리 스티렌 설폰산 나트륨(PSS), 폴리 아세틸렌(Polyacetylene, PA로 약칭), 실리콘 고무(Silicone rubber), 폴리 옥시 메틸렌(POM), 폴리 페닐렌 옥사이드(PPO), 폴리 페닐렌 설파이드(PPS), 폴리 에틸렌 글리콜(PEG), 셀룰로오스, 전분, 단백질, 폴리페닐, 폴리피롤(PPy), 폴리아닐린(PAN), 폴리티오펜(PT), 폴리피리딘(PPY), 아크릴로니트릴- 부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 이들의 유도체, 이들의 가교체 및 이들의 공중합체 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
상술한 고분자계 복합재료는 상기 고분자 재료 및 첨가제를 포함할 수 있으며, 첨가제는 금속 재료 및 무기 비금속 재료 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
상술한 금속 재료 첨가제는 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 철, 철 합금, 은, 은 합금 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
상술한 무기 비금속 재료 첨가제로는, 예를 들어, 탄소계 재료, 산화 알루미늄, 이산화 규소, 질화 규소, 탄화 규소, 질화 붕소, 규산염 및 산화 티타늄 중의 한 종류 또는 여러 종류이며, 또 다시 예를 들어, 유리 재료, 세라믹 재료 및 세라믹 복합 재료 중의 한 종류 또는 여러 종류이다. 여기서, 탄소계 재료 첨가제는, 예를 들어, 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 탄소 나노 섬유 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
상술한 첨가제로서, 금속 재료로 피복된 탄소계 물질일 수도 있으며, 예를 들어 니켈로 피복된 흑연 분말 및 니켈로 피복된 탄소 섬유 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
바람직하게는, 유기 지지층(101)은 절연성 고분자 재료 및 절연성 고분자계 복합 재료 중의 한 종류 또는 여러 종류를 사용한다. 이러한 유기 지지층(101)의 체적 저항률이 높아 전기화학 장치의 안전 성능을 향상시키는데 유리하다.
더 나아가, 유기 지지층(101)은 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리 스티렌 설폰산 나트륨(PSS) 및 폴리 이미드(PI) 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함한다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10) 에서, 유기 지지층(101)은 단층 구조일 수도 있고, 2층, 3층, 4층 등 2층 이상의 복합층 구조일 수도 있다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 다른 종류의 복합 집전체(10)의 구조 모식도이다. 도 2를 참조하면, 유기 지지층(101)은 제1 서브층(1011), 제2 서브층(1012) 및 제3 서브층(1013)이 적층 배치되어 형성된 복합층 구조이다. 복합층 구조의 유기 지지층(101)은, 서로 대향하는 제1면(101a)과 제2면(101b)을 구비하고, 금속 전도층(102)은 유기 지지층의 제1면(101a) 및 제2면(101b)에 적층 배치된다. 물론, 금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제1면(101a)에 만 배치되거나, 유기 지지층(101)의 제2면(101b)에 만 배치될 수도 있다.
유기 지지층(101)이 2층 이상의 복합층 구조일 경우, 각 서브층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명자들은 심도 깊은 연구에 의해, 특히, 유기 지지층(101)의 두께(D2)가10μm를 초과하지 않고, 또한 특히 8μm를 초과하지 않는 경우, 복합 집전체(10)의 취성 파라미터가 복합 집전체(10)의 역학적 성능 및 기계적 성능에 보다 중요한 파라미터로 되고, 복합 집전체(10)의 가공성, 제조 양품률, 사용 신뢰성 등에 크게 영향을 준다는 것을 발견하였다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)는, 선택적으로, 보호층(103)을 더포함한다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 금속 전도층(102)은 자체의 두께 방향에서, 서로 대향하는 두 개의 면을 포함하고, 보호층(103)은, 금속 전도층(102) 의 두 개의 면 중 어느 한면 또는 양면에 적층 배치되어, 금속 전도층(102)을 보호하고, 금속 전도층(102)에서 화학적 부식 또는 기계적 손상이 일어나는 것을 방지하고, 복합 집전체(10)의 작동 안정성 및 사용 수명을 확보하여, 전기화학 장치가 높은 안전 성능 및 전기화학적 성능을 갖는데 유리하다. 또한, 보호층(103)은 복합 집전체(10)의 강도를 증강시킬 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 유기 지지층(101)의 일면에 금속 전도층(102)을 구비한 것, 금속 전도층(102)의 자체의 두께 방향에서 대향하는 두 개의 면 중의 어느 한면 또는 양면에 보호층(103)을 구비한 것을 나타내고 있지만, 다른 실시예에서, 유기 지지층(101)의 대향되는 두 개 면에 각각 금속 전도층(102)을 구비할 수 있으며, 임의의 하나의 금속 전도층(102)의 자체의 두께 방향에서 대향되는 두 개 면 중의 어느 한면 또는 양면에 보호층(103)을 구비할 수도 있고, 또는 두 개의 금속 전도층(102)의 자체의 두께 방향에서 대향하는 두 개 면 중의 어느 한면 또는 양면에 보호층(103)을 구비할 수도 있다.
보호층(103)은 금속, 금속 산화물 및 전도성 탄소 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함한다.
상술한 금속은, 예를 들어, 니켈, 크롬, 니켈계 합금 및 구리계 합금 중의 한 종류 또는 여러 종류이다. 전술한 니켈계 합금은 순수한 니켈을 기질로 한 종류 또는 여러 종류의 다른 원소를 첨가하여 형성된 합금이며, 바람직하게는 니켈-크롬 합금이다. 니켈-크롬 합금은 금속 니켈과 금속 크롬으로 형성된 합금이고, 선택적으로 니켈-크롬 합금 중 니켈 대 크롬의 중량비는 1:99 ~ 99:1이며, 예를 들어 9:1이다. 전술한 구리계 합금은 순수한 구리를 기질로 한 종류 또는 여러 종류의 다른 원소를 첨가하여 형성된 합금이며, 바람직하게는 니켈-구리 합금이다. 선택적으로, 니켈-구리 합금 중 니켈 대 구리의 중량비는 1:99 ~ 99:1이고, 예를 들어 9:1이다.
상술한 금속 산화물은 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 코발트, 산화 크롬 및 산화 니켈 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
상술한 전도성 탄소는, 예를 들어, 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 카본 나노 섬유 중의 한 종류 또는 여러 종류이고, 더 나아가, 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 아세틸렌 블랙 및 그래핀 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
일부 예시로서, 도 3을 참조하면, 복합 집전체(10)는 적층 배치된 유기 지지층(101), 금속 전도층(102) 및 보호층(103)을 포함한다. 여기서, 유기 지지층(101)의 두께 방향에서, 서로 대향하는 제1면(101a) 및 제2면(101b)을 구비하고, 금속 전도층(102)은 제1면(101a) 및 제2면(101b) 중 적어도 일면에 적층 배치되며, 보호층(103)은 금속 전도층(102)의 유기 지지층(101)과 반대되는 면에 적층 배치된다.
금속 전도층(102)의 유기 지지층(101)과 반대되는 면에 보호층(103) (이하 상부 보호층이라 함)이 배치되므로, 금속 전도층(102)에 대해 화학적 부식 방지 및 기계적 파괴 방지 역할을 하며, 복합 집전체(10)와 활물질층(20) 사이의 계면을 개선하고, 복합 집전체(10)와 활물질층(20) 사이의 결합력을 향상시킬 수 있다. 상부 보호층이 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층인 경우, 상기 효과를 보다 잘 발휘할 수 있다.
더 나아가, 복합 집전체(10)의 상부 보호층은 금속 산화물 보호층인 것이 바람직하고, 예를 들어, 산화 알루미늄, 산화 코발트, 산화 니켈, 산화 크롬 등이고, 금속 산화물 보호층의 경도 및 기계적 강도가 높고, 비표면적이 더욱 크며, 내식성이 보다 양호하므로, 금속 전도층(102)을 더욱 잘 보호할 수 있다.
복합 집전체(10)가 부극 집전체로 사용될 경우, 상부 보호층은 금속 보호층일 수 있고, 금속 보호층은 복합 집전체(10)의 전도 성능을 향상시키고, 전지의 분극을 감소시킬 수 있으며, 부극의 리튬 석출의 리스크를 감소시키고, 리튬 이온 이차 전지의 사이클 성능 및 안전 성능을 향상시킬 수 있다. 2층 보호층인 것이 보다 바람직한 바, 다시 말해서 1층의 금속 보호층과 1층의 금속 산화물 보호층으로 복합층을 형성하고, 여기서 바람직하게는, 금속 보호층은 전도층(102)의 유기 지지층(101)과 반대되는 면에 배치되고, 금속 산화물 보호층은 금속 보호층의 유기 지지층(101)과 반대되는 면에 배치되며, 이리하여, 부극 집전체의 전도 성능, 내식성 및 금속 전도층(102)과 부극 활물질층 사이의 계면 등을 동시에 개선하고, 보다 양호한 종합 성능의 부극 집전체를 획득할 수 있다.
복합 집전체(10)가 정극 집전체인 경우, 상부 보호층은 금속 산화물 보호층인 것이 바람직하고, 상술한 기술적 효과를 가지는 외에도, 금속 산화물 보호층은 정극 집전체의 못 관통 안전 성능을 더욱 잘 개선할 수 있다.
다른 예시로서, 도 4를 참조하면, 복합 집전체(10)는 적층 배치된 유기 지지층(101), 금속 전도층(102) 및 보호층(103)을 포함한다. 여기서, 유기 지지층(101)의 두께 방향에서, 서로 대향하는 제1면(101a) 및 제2면(101b)을 구비하고, 금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제1면(101a) 및 제2면(101b) 중 적어도 일면에 적층 배치되며, 보호층(103)은 금속 전도층(102)의 유기 지지층(101)과 마주하는 면에 적층 배치된다.
금속 전도층(102)의 유기 지지층(101)과 마주하는 면에는 보호층(103) (이하, 하부 보호층)이 배치되고, 하부 보호층은 금속 전도층(102)에 대해 화학적 부식 방지, 기계적 파괴 방지의 보호 역할을 수행하는 동시에, 금속 전도층(102)과 유기 지지층(101) 사이의 결합력을 향상시킬 수 있고, 금속 전도층(102)과 유기 지지층(101)의 분리를 방지하며, 금속 전도층(102)에 대한 지지 및 보호 역할을 향상시킬 수 있다.
선택적으로, 하부 보호층은 금속 산화물 또는 금속 보호층으로, 금속 산화물 보호층의 내식성이 높고, 그 비표면적이 크므로, 금속 전도층(102)과 유기 지지층(101) 사이의 계면 결합력을 더욱 향상시킬 수 있기에, 하부 보호층이 금속 전도층(102)에 대해 보호 작용을 더 잘 발휘하도록 하며, 리튬 이온 이차 전지의 성능을 향상시키고, 또한, 금속 산화물 보호층의 경도가 더욱 크고, 기계적 강도가 더욱 양호하므로, 복합 집전체(10)의 강도의 향상에 더욱 유리하다. 금속 보호층은, 전도층(102)에 대해 화학적 부식과 기계적 파괴 방지의 보호 역할을 발휘함과 동시에, 복합 집전체(10)의 전기 전도 성능을 향상시키고, 전지의 분극을 감소시키며, 부극의 리튬 석출의 리스크를 감소시키고, 리튬 이온 이차 전지의 사이클 성능 및 안전 성능을 향상시킬 수 있다. 복합 집전체(10)가 정극 집전체로 사용될 경우, 하부 보호층은 금속 산화물 보호층인 것이 바람직하다. 복합 집전체(10)가 부극 집전체로 사용될 경우, 하부 보호층은 금속 보호층인 것이 바람직하다.
또 다른 일부 예시로서, 도 5를 참조하면, 복합 집전체(10)는 적층 배치된 유기 지지층(101), 금속 전도층(102) 및 보호층(103)을 포함한다. 여기서, 유기 지지층(101)의 두께 방향에서, 서로 대향하는 제1면(101a) 및 제2면(101b)을 구비하고, 금속 전도층(102)은 유기 지지층(101)의 제1면(101a) 및 제2면(101b) 중 적어도 일면에 적층 배치되며, 보호층(103)은 금속 전도층(102)의 유기 지지층(101)과 반대되는 면 및 유기 지지층(101)과 마주하는 면에 적층 배치된다.
금속 전도층(102)의 양면에 모두 보호층(103)이 배치되면, 복합 집전체(10)가 높은 종합적 성능을 가질 수 있도록 금속 전도층(102) 을 보다 충분하게 보호한다.
금속 전도층(102)의 양면의 보호층(103)의 재료는 동일하거나 상이할 수 있고, 두께는 동일하거나 상이할 수 있음을 이해할 수 있다.
바람직하게는, 보호층(103)의 두께(D3)는 1nm≤D3≤200nm이고 또한 D3≤0.1D1이다. 보호층(103)이 너무 얇으면 금속 전도층(102) 을 보호하기에 불충분하고, 너무 두꺼우면 전기화학 장치의 에너지 밀도를 감소시킨다.
일부 실시예에 있어서, 보호층(103)의 두께(D3)의 상한값은 200nm, 180nm, 150nm, 120nm, 100nm, 80nm, 60nm, 55nm, 50nm, 45nm, 40nm, 30nm, 20nm일 수 있고, 하한값은1nm, 2nm, 5nm, 8nm, 10nm, 12nm, 15nm, 18nm일 수 있다. 보호층(103)의 두께(D3)의 범위는 상기 임의의 상한값과 임의의 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있고, 또는 임의의 상한값과 임의의 기타 상한값의 조합에 의해 형성될 수 있으며, 또한 임의의 하한값과 임의의 기타 하한값의 조합에 의해 형성될 수 있다.
보다 바람직하게는, 보호층(103)의 두께(D3)는 5nm≤D3≤200nm이고, 보다 바람직하게는 10nm≤D3≤200nm이다.
상술한 "보호층(103)의 두께(D3)"는, 전도층(102)의 일측에 위치하는 보호층(103)의 두께이다. 다시 말해서, 상부 보호층의 두께(Da)는 1nm≤Da≤200nm 또한 Da≤0.1D1이고, 바람직하게는 5nm≤Da≤200nm이고, 보다 바람직하게는 10nm≤Da≤200nm이다. 하부 보호층의 두께(Db)는 1nm≤Db≤200nm 또한 Db≤0.1D1이고, 바람직하게는 5nm≤Db≤200nm이고, 보다 바람직하게는 10nm≤Db≤200nm이다.
전도층(102)의 두 개의 면에 모두 보호층(103)이 배치된 경우, 다시 말해서 복합 집전체(10)가 상부 보호층 및 하부 보호층을 포함하는 경우, 바람직하게는 Da>Db이고, 상부 보호층과 하부 보호층이 협력하여 금속 전도층(102)에 대한 화학적 부식 방지 및 기계적 손상 방지 역할을 수행하는 동시에, 전기화학 장치가 높은 에너지 밀도를 갖도록 하는데 유리하다. 보다 바람직하게는, 0.5Da≤Db≤0.8Da인바, 이는 상부 보호층과 하부 보호층의 협력적 보호 역할을 더 잘 발휘할 수 있다.
보호층(103)의 배치가 복합 집전체(10)의 취성 파라미터에 대한 영향을 무시할 수 있음은 이해해야 할 바이다.
본 출원의 실시예의 복합 집전체(10)에 있어서, 금속 전도층(102)은 기계적 압연, 본딩, 기상 증착법(vapor deposition), 무전해 도금(Electroless plating), 전기 도금(Electroplating) 중 적어도 한 종류의 방법에 의해 유기 지지층(101)에 형성될 수 있으며, 여기서 바람직하게는 기상 증착법 및 전기 도금이며, 즉, 금속 전도층(102) 은 바람직하게는 기상 증착층 또는 전기 도금층이다. 기상 증착법 또는 전기 도금법에 의해 금속 전도층(102)을 유기 지지층(101)에 형성하면, 금속 전도층(102)이 양호한 인장 강도(T1)를 가지는 데 유리하고, 금속 전도층(102)과 유기 지지층(101) 사이에 높은 결합력을 가질 수 있으며, 복합 집전체(10)의 성능을 향상시킨다.
상술한 기상 증착법은 바람직하게는 물리 기상 증착법이다. 물리 기상 증착법은 바람직하게는 증발법 및 스퍼터링법 중 적어도 하나이며, 여기서, 상기 증발법은 바람직하게는 진공 증착법, 열 증발법 및 전자빔 증발법 중 적어도 하나이고, 스퍼터링법은 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링 방법이다.
일 예시로, 진공 증착법에 의해 금속 전도층(102) 을 형성하는 방법은, 표면 세정 처리된 유기 지지층(101)을 진공 도금 챔버에 배치하고, 금속 증착 챔버 내의 금속선을 1300°C ~ 2000°C의 고온에서 용융 증발시키고, 증발된 금속을 진공 도금 챔버의 냉각 시스템을 통과시켜, 최종적으로 유기 지지층(101)에 증착시켜 금속 전도층(102)을 형성하는 단계를 포함한다.
보호층(103)이 구비되는 경우, 보호층(103)은 기상 증착법, in-situ(인시튜) 형성법, 코팅법 중 적어도 한가지 방법에 의해 금속 전도층(102)에 형성될 수 있다. 기상 증착법은 전술한 바와 같은 기상 증착법일 수 있다. in-situ 형성 방법은 바람직하게는in-situ 패시베이션 방법, 즉 금속 표면에 인시튜로 금속 산화물 패시베션층을 형성하는 방법이다. 코팅법은 바람직하게는 롤 코팅, 압출 코팅, 나이프 코팅 및 그라비아 코팅 중 적어도 하나이다.
바람직하게는, 보호층(103)은 기상 증착법 및 인시튜 형성법 중 적어도 한 종류의 방법에 의해 금속 전도층(102) 에 형성되는데, 이는 금속 전도층(102)과 보호층(103) 사이에 높은 결합력을 구비하는데 유리하며, 따라서, 복합 집전체(10)에 대한 보호층(102)의 보호 역할을 더 잘 발휘시키며, 복합 집전체(10) 의 작동 성능을 확보할 수 있다.
금속 전도층(102)과 유기 지지층(101) 사이에 보호층(103) (즉, 하부 보호층)이 배치되는 경우, 먼저 하부 보호층을 유기 지지층(101)에 형성하고, 이어서 하부 보호층에 금속 전도층(102)을 형성할 수도 있다. 하부 보호층은 기상 증착법 및 코팅법 중 적어도 한가지 방법에 의해 유기 지지층(101)에 형성될 수 있으며, 여기서, 바람직하게는 기상 증착법이다. 금속 전도층(102)은 기계적 롤링, 본딩, 기상 증착법, 화학 도금 중 적어도 한 종류의 방법에 의해 하부 보호층에 형성될 수 있으며, 여기서 바람직하게는 기상 증착법이다.
전술한 임의의 일 실시예의 복합 집전체(10)는 정극 집전체 및 부극 집전체 중의 임의의 하나 또는 두 개로 사용될 수 있다.
복합 집전체(10)가 정극 집전체로 사용되는 경우, 금속 전도층(102)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄 및 은 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있으며, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하고, 전술한 알루미늄 합금 중의 알루미늄 원소의 중량 백분 함량은 80wt% 이상인 것이 바람직하고, 90wt% 이상인것이 보다 바람직하다.
복합 집전체(10)가 부극 집전체로 사용되는 경우, 금속 전도층(102)은 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄 및 은 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있으며, 예를 들어 구리 또는 구리 합금을 포함하고, 전술한 구리 합금 중의 구리 원소의 중량 백분 함량은 80wt% 이상인 것이 바람직하고, 90wt% 이상인 것이 보다 바람직하다.
전극 시트
본 출원의 실시예의 제2 양태는 전극 시트(30)를 제공하는 바, 도 6은 본 출원의 실시예에 따른 전극 시트(30)의 구조 모식도이며, 도 6을 참조하면, 전극 시트(30)는 적층 배치된 복합 집전체(10) 및 활물질층(20)을 포함하고, 여기서, 복합 집전체(10)는 본 출원의 실시예의 제1 양태에 따른 복합 집전체(10)이다.
본 출원의 실시예의 제1 양태에 따른 복합 집전체(10)를 사용함으로써, 본 출원의 실시예의 전극 시트(30)는 높은 역학적 성능, 높은 제조 양품률, 높은 사용 안전성 및 신뢰성을 가짐과 동시에 경량화 및 높은 전기화학적 성능을 동시에 겸비한다.
일 예시로, 도 6을 참조하면, 전극 시트(30)는 적층 배치된 복합 집전체(10) 및 활물질층(20)을 포함하고, 복합 집전체(10)는, 자체의 두께 방향에서, 서로 대향하는 두 개의 면을 포함하며, 활물질층(20)은 복합 집전체(10)의 두 개의 면에 적층 배치된다.
활물질층(20)은 복합 집전체(10)의 두 개의 면 중 어느 한 면에 적층될 수 있음을 이해할 수 있다.
본 출원의 실시예의 전극 시트(30)는 정극 시트 및 부극 시트 중 임의의 하나 또는 두 개로 사용될 수 있다.
본 출원의 실시예의 전극 시트(30)가 정극 시트로 사용되는 경우, 활물질층(20)은 정극 활물질층이고, 본 분야에서 이미 알려진, 이온의 가역적 삽입/탈리가 가능한 정극 활성 재료를 사용할 수 있는 바, 본 출원은 이를 한정하지 않는다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 정극 활성 재료는 리튬 전이 금속 복합 산화물, 리튬 전이 금속 복합 산화물에 기타 전이 금속 또는 비전이 금속 또는 비금속을 첨가하여 얻어지는 복합 산화물 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다. 여기서, 전이 금속은 Mn, Fe, Ni, Co, Cr, Ti, Zn, V, Al, Zr, Ce 및 Mg 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
예시적으로, 정극 활성 재료는 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염 중에서 선택되는 하나 이상 인산염이다. 예를 들어, 리튬 전이 금속 복합 산화물은 LiMn2O4, LiNiO2, LiCoO2, LiNi1-yCoyO2(0 < y < 1), LiNiaCobAl1-a-bO2(0<a<1, 0<b<1, 0<a+b <1), LiMn1-m-nNimConO2(0<m<1, 0<n<1, 0<m+n<1),LiMPO4(M은 Fe, Mn, Co 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다) 및 Li3V2(PO4)3 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
선택적으로, 정극 활물질층은 접착제를 더 포함할 수 있고, 본 출원에서 접착제의 종류는 제한되지 않는다. 예시적으로, 접착제는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 수성 아크릴 수지(water-based acrylic resin), 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리 불화 비닐리덴(PVDF), 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 폴리 비닐 알코올(PVA) 및 폴리 비닐 부티랄(PVB) 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
선택적으로, 정극 활물질층은 도전제를 더 포함할 수 있고, 본 출원의 도전제의 종류는 제한되지 않는다. 예시적으로, 도전제는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 탄소 나노 섬유 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
본 출원의 실시예의 전극 시트(30)가 부극 시트로 사용되는 경우, 활물질층(20)은 부극 활물질층이고, 본 분야에서 이미 알려진, 이온의 가역적 삽입/탈리가 가능한 부극 활성 재료를 사용할 수 있는 바, 본 출원은 이를 한정하지 않는다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 부극 활성 재료는 금속 리튬, 천연 흑연, 인조 흑연, 메소 카본 마이크로 비드(MCMB로 약칭), 하드 카본, 소프트 카본, 실리콘, 실리콘-탄소 복합체, SiO, Li-Sn 합금, Li-Sn-O 합금, Sn, SnO, SnO2, 스피넬 구조의 리튬 티타네이트 및 Li-Al 합금 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
선택적으로, 활물질층(20)은 도전제를 더 포함할 수 있으며, 본 출원의 도전제의 종류는 제한되지 않는다. 예시적으로, 도전제는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 탄소 나노 섬유 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
선택적으로, 활물질층(20)은 접착제를 더 포함할 수 있으며, 본 출원에서 접착제의 종류는 제한되지 않는다. 예시적으로, 상기 접착제는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 수성 아크릴 수지(water-based acrylic resin), 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리 불화 비닐리덴(PVDF), 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 폴리 비닐 알코올(PVA) 및 폴리 비닐 부티랄(PVB) 중의 한 종류 또는 여러 종류이다.
전극 시트(30)는 본 분야의 종래의 방법에 따라 제조될 수 있는 바, 예를 들어 도포법을 사용할 수 있다. 예로서, 활성 재료와 선택 가능한 도전제, 접착제 및 증점제를 용매에 분산시켜, 균일한 전극 슬러리를 형성하고, 용매는 NMP 또는 탈이온수일 수 있으며, 전극 슬러리를 복합 집전체(10)에 도포하여, 건조 등 공정을 거쳐 전극 시트(30)를 얻는다.
전기화학 장치
본 출원의 실시예의 제3 양태는 전기화학 장치를 제공하는 바, 전기화학 장치는 정극 시트, 부극 시트 및 전해질을 포함하고, 여기서, 정극 시트 및/또는부극 시트는 본 출원의 제2 양태의 전극 시트이다.
상술한 전기화학 장치는 리튬 이온 이차 전지, 리튬 일차 전지, 나트륨 이온 전지, 마그네슘 이온 전지 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전기화학 장치는 본 출원의 실시예의 제2 양태에 따른 부극 시트를 사용함으로써, 본 출원의 실시예의 전기화학 장치는, 높은 에너지 밀도, 배율 성능, 사이클 성능 및 안전성을 갖는다.
본 출원의 실시예의 전기화학 장치에 있어서, 전해질은 고체 전해질을 사용할 수도 있고, 비수전해액을 사용할 수도 있는 바, 예를 들어, 유기 용매에 전해질염을 분산시켜 형성된 전해액이다.
상술한 전해액에서, 유기 용매는 전기화학 반응에서 이온을 수송하기 위한 매질로 서, 본 분야의 임의의 유기 용매를 사용할 수 있다. 전해질염은 이온의 공급원으로서 본 분야의 임의의 전해질 염일 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 유기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 디 에틸 카보네이트(DEC), 디 메틸 카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸 프로필 카보네이트(MPC), 에틸 프로필 카보네이트(EPC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC), 메틸 포메이트(MF), 메틸아세테이트(MA), 에틸아세테이트(EA), 프로필 아세테이트(PA), 메틸 프로피오네이트(MP), 에틸 프로피오네이트(EP), 프로필 프로피오네이트(PP), 메틸부티레이트(MB), 에틸 부티레이트(EB), 1,4-부티로 락톤(GBL), 설포란(SF), 디 메틸 설폰(MSM), 메틸 에틸 설폰(EMS), 디 에틸 설폰(ESE) 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 전해질 염은, LiPF6(헥사 플루오로 인산 리튬), LiBF4(테트라 플루오로 붕산 리튬), LiClO4(과염소산 리튬), LiAsF6(헥사 플루오로 비산 리튬), LiFSI(리튬 비스(플루오로 술포닐)이미드), LiTFSI(리튬 비스(트리 플루오로 메탄 술포닐)이미드), LiTFS(리튬 트리 플루오로 메탄 술포네이트), LiDFOB(리튬 디 플루오로 옥살레이트), LiBOB(디 옥살산 붕산 리튬), LiPO2F2(디 플루오로 인산 리튬), LiDFOP(디 플루오로 디 옥살산 인산 리튬) 및 LiTFOP(테트라 플루오로 옥살산 인산 리튬) 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
전해액은 또한 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 여기서, 첨가제에 대한 특별한 제한이 없으며, 필요에 따라 선택할 수 있다. 예시적으로, 첨가제는, 부극 성막 첨가제를 포함할 수도 있고, 정극 성막 첨가제를 포함할 수도 있으며, 또한 전지의 일부 성능을 개선하는 첨가제, 예를 들어 전지의 과충전 성능을 개선하는 첨가제, 전지의 고온 성능을 개선하는 첨가제, 전지의 저온 성능을 개선하는 첨가제 등일 수 있다.
예시적으로, 첨가제는 비닐렌 카보네이트(VC), 비닐 에틸렌 카보네이트(VEC), 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC), 숙시노 니트릴(SN), 아디포 니트릴(ADN), 1,3-프로펜 술톤(PST: Propene sultone), 트리스(트리 메틸 실란)포스페이트(TMSP) 및 트리스(트리 메틸 실란)보레이트(TMSB) 중의 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
전기화학 장치가 전해액을 사용하는 경우, 정극 시트와 부극 시트 사이에 세퍼레이터를 설치하여 격리 역할을 하는 것이 필요하다. 세퍼레이터의 종류에는 특별한 제한이 없으며, 임의의 주지된 양호한 화학적 안정성 및 기계적 안정성을 구비한 다공성 구조 세퍼레이터를 선택할 수 있으며, 예를 들어, 유리섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 플루오르화 폴리비닐리덴 중의 한 종류 또는 여러 종류를 선택하여 사용할 수 있다. 세퍼레이터는 단층 박막일 수 있고, 또한 다층 복합 박막일 수 있다. 세퍼레이터가 다층 복합 박막인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
정극 시트와 부극 시트 사이에 세퍼레이터가 위치하여 격리 역할을 하도록, 정극 시트, 세퍼레이터, 부극 시트를 순차적으로 적층하여 전지 코어를 얻거나, 권취를 거쳐 전지 코어를 얻을 수 있으며, 전지 코어를 포장 하우징에 배치하고, 전해액을 주입하고 밀봉하여 전기화학 장치를 제조한다.
실시예
하기 실시예는 본 출원에 개시된 내용을 보다 구체적으로 설명하는 것으로, 이러한 실시예는 예시적인 설명을 위해서만 사용된 것으로, 본 출원의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경을 수행하는 것은 당업자에게 자명한 것이다. 달리 명시되지 않는 한, 하기 실시예에서 보고되는 모든 부, 백분율 및 비율은 모두 중량 기준이며, 실시예에 사용된 모든 시약은 상업적으로 획득가능하거나 종래의 방법에 따라 합성하여 얻어지며, 더 이상의 처리가 없이 직접 사용될 수 있으며, 실시예에 사용된 기기는 모두 상업적으로 구매 가능하다.
제조방법
복합 부극 집전체의 제조
소정의 두께의 유기 지지층을 선택하여 표면 세정처리를 하고, 표면 세정처리를 거친 유기 지지층을 진공 도금 챔버에 배치하고, 금속 증발 챔버에서 고순도 구리선을 1300°C ~ 2000°C의 고온에서 용융 증발시키며, 증발된 금속을 진공 도금 챔버의 냉각 시스템에 통과시켜, 최종적으로 유기 지지층의 양면에 증착시켜 구리계 전도층을 형성한다.
종래의 부극 집전체의 제조
두께가 8μm인 구리 호일을 사용한다.
부극 시트의 제조
부극 활성 재료인 흑연, 전도성 카본 블랙, 증점제인 나트륨 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC) 및 접착제인 스티렌 부타디엔 고무 에멀젼(SBR)을 96.5:1.0:1.0:1.5의 중량비로 적당량의 탈이온수에서 충분히 교반 및 혼합하여, 균일한 부극 슬러리를 형성시키고, 부극 슬러리를 부극 집전체에 도포하고 건조 등 공정을 거쳐 부극 시트를 획득한다.
복합 정극 집전체의 제조
소정의 두께의 유기 지지층을 선택하여 표면 세정처리를 하고, 표면 세정처리를 거친 유기 지지층을 진공 도금 챔버에 배치하고, 금속 증발 챔버에서 고순도 알루미늄 선을 1300°C ~ 2000°C의 고온에서 용융 증발시키며, 증발된 금속을 진공 도금 챔버의 냉각 시스템에 통과시켜, 최종적으로 유기 지지층의 양면에 증착시켜 구리계 전도층을 형성한다.
종래의 정극 집전체의 제조
두께가 12μm인 알루미늄 호일을 사용한다.
정극 시트의 제조
정극 활성 재료인 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333), 전도성 카본 블랙, 접착제인 폴리 불화 비닐리덴(PVDF)을 적당량의 N-메틸피롤리돈(NMP) 용매에서 93:2:5의 중량비로 충분히 교반 및 혼합하여 균일한 정극 슬러리를 형성하고, 정극 슬러리를 정극 집전체에 도포하고, 건조 등 공정을 거쳐 정극 시트를 얻는다.
전해액의 제조
에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 3:7의 체적비로 균일하게 혼합하여 유기 용매를 얻은 다음, 상기 유기 용매에 1mol/L의 LiPF6을 균일하게 용해시킨다.
리튬 이온 이차 전지의 제조
정극 시트, 세퍼레이터, 부극 시트를 순차적으로 적층 배치하며, 여기서, 세퍼레이터는 PP/PE/PP 복합 박막을 사용하며, 이어서 전지 코어로 권취하여 포장 하우징에 넣는다. 상기 전해액을 전지 코어에 주입하고 밀봉하여 리튬 이온 이차 전지를 얻는다.
시험 부분
1. 집전체 시험
1) 집전체의 취성 파라미터의 측정
유기 지지층을 폭이 15mm이고 길이가 150mm인 샘플로 펀칭 절단한 후, 샘플을 미국 INSTRON3365형 유니버설 실험용 텐셔너의 상하 두 개의 클램프 사이에 장착하고, 초기 길이를 50mm로 하고, 샘플이 파단되어 인장이 정지 될 때까지, 5mm/min의 인장 속도로 인장 시험을 수행하며, 샘플이 파단될 때의 최대 인장력(F)을 기록하고, T2=F/S에 따라 산출하여 유기 지지층(101)의 인장 강도(T2)를 획득한다. 여기서 S는 샘플의 초기 횡단면적인 바, 샘플의 폭과 샘플의 두께(즉 유기 지지층의 두께(D2))와의 곱으로 산출된다.
동일한 방법으로 금속 전도층의 인장 강도(T1)를 측정한다.
마이크로미터를 사용하여, 금속 전도층의 두께(D1) 및 유기 지지층의 두께(D2)를 측정한다.
복합 집전체의 취성 파라미터(C)=(금속 전도층의 인장 강도(T1)ㅧ금속 전도층의 두께(D1))/(유기 지지층의 인장 강도(T2)ㅧ유기 지지층의 두께(D2)).
2) 복합 집전체의 파단 연신율 측정
복합 집전체를 15mmХ200mm의 샘플로 절단하고, 고속 레일 인장기를 이용하여 상온 상압(25℃, 0.1MPa) 하에서 인장 시험을 수행하였다. 초기 위치를 설정하여 클램프 사이의 샘플의 길이를 50mm로 설정하고, 인장 속도를 5mm/min로 설정하여, 파단될 때까지 인장된 기기의 변위 y(mm)를 기록하고, 최종적으로 파단 연신율이 (y/50)Х100%로 산출된다.
2. 전지 성능 시험
(1) 사이클 성능 시험
45℃에서 리튬 이온 이차 전지를 1C배율로 4.2V까지 정전류 충전한 후, 전류가 0.05C 이하가 될 때까지 정전압 충전하며, 다시 1C 배율로2.8V까지 정전류 방전하는 바, 이 것이 하나의 충 방전 사이클이며, 이때의 방전 용량은 제1회 사이클의 방전 용량이다. 상술한 방법에 따라 리튬 이온 이차 전지에 대해 1000회 충 방전 사이클을 수행하여, 제1000 회 사이클의 방전 용량을 기록하여, 리튬 이온 이차 전지의 1C/1C 1000회 사이클 후의 용량 유지율을 계산한다.
상술한 방법으로 리튬 이온 이차 전지의 45℃에서의 사이클 성능을 측정한다.
리튬 이온 이차 전지 1C/1C 1000회 사이클 용량 유지율(%)=제1000회 사이클 방전 용량/제1회 사이클 방전 용량Х100%
(2) 배율 성능 시험
리튬 이온 이차 전지를 25℃에서 1C 배율로 4.2V까지 정전류 충전한 후, 다시 전류가 0.05C 이하가 될 때까지 정전압 충전하며, 다시 1C 배율로 3.0V까지 정전류 방전하며, 측정에 의해, 리튬 이온 이차 전지 1C 배율 방전 용량을 얻는다.
25℃에서 리튬 이온 이차 전지를 1C배율로 4.2V까지 정전류 충전한 후, 전류가 0.05C 이하가 될 때까지 정전압 충전하며, 다시 4C 배율로 3.0V까지 정전류 방전하며, 측정에 의해, 리튬 이온 이차 전지 4C 배율 방전 용량을 얻는다.
리튬 이온 이차 전지 4C 배율 용량 유지율(%)=4C 배율 방전 용량/1C 배율 방전 용량Х100%
시험 결과
1. 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도 개선에 대한 복합 집전체의 역할
1) 정극 집전체가 복합 집전체인 경우, 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도 개선에 대한 역할
[표 1-1]
Figure pct00001
표 1-1에 있어서, 정극 집전체의 중량 백분율은, 단위 면적의 정극 집전체 중량을 단위 면적의 종래의 정극 집전체의 중량으로 나눈 백분율이다.
복합 집전체를 사용한 정극 집전체는, 종래의 알루미늄 호일 정극 집전체에 비해, 중량이 모두 상이한 정도록 감소되어, 전지의 중량 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
2)부극 집전체가 복합 집전체인 경우, 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도 개선에 대한 역할
[표 1-2]
Figure pct00002
표 1-2에 있어서, 부극 집전체의 중량 백분율은, 단위 면적의 부극 집전체의 중량을 단위 면적의 종래의 부극 집전체의 중량으로 나눈 백분율이다.
복합 집전체를 사용한 부극 집전체는, 종래의 구리 호일 부극 집전체에 비해, 중량이 모두 상이한 정도로 감소되어, 전지의 중량 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
2. 복합 집전체 및 전기화학 장치의 전기화학적 성능에 대한 보호층의 역할
[표 2-1]
Figure pct00003
표 2-1에 있어서, "*"는 표 1-1의 정극 집전체(7)를 기반으로 보호층을 배치하는 것을 나타내고, "**"는 표 1-1의 정극 집전체(3)를 기반으로 보호층을 배치하는 것을 나타낸다.
[표 2-2]
Figure pct00004
표 2-2에서 알수 있다시피, 정극 집전체가 복합 집전체인 전지는, 사이클 수명이 양호하고, 종래의 정극 집전체를 사용한 전지의 사이클 성능과 동등하다. 이는 본 출원의 실시예의 복합 집전체를 사용하는 정극 집전체가 정극 시트와 전지의 전기화학적 성능에 현저한 악영향을 미치지 않음을 나타낸다. 특히, 보호층이 배치된 복합 집전체에 의해 제조된 전지는 1C/1C에서 1000회 사이클 후의 용량 유지율이 더 향상되어, 전지의 신뢰성이 더욱 높아짐을 설명한다.
[표 2-3]
Figure pct00005
표 2-3의 부극 집전체는, 표 1-2의 부극 집전체(7)를 기반으로 보호층을 배치하는것을 나타낸다.
표 2-3의 니켈계 합금은 90wt% 니켈 및 10wt% 크롬을 함유한다.
표 2-3의 2층 보호층은, 전도층의 유기 지지층과 반대되는 면에 배치되고 또한 두께가 25nm인 니켈 보호층과, 니켈 보호층의 유기 지지층과 반대되는 면에 배치되고 또한 두께가 25nm인 산화 니켈 보호층을 포함한다.
[표 2-4]
Figure pct00006
표 2-4의 전지는 모두 종래의 정극 시트를 사용한다.
표 2-4에서 알 수 있다시피, 부극 집전체가 복합 집전체인 전지는 사이클 수명 및 배율 성능이 양호하고, 종래의 정극 집전체, 종래의 부극 집전체를 사용한 전지의 사이클 성능 및 배율 성능과 동등하다. 이는 본 출원의 실시예를 사용한 복합 집전체가 전지의 전기화학적 성능에 현저한 악영향을 미치지 않는 다는 것을 나타낸다. 특히 보호층이 배치된 복합 집전체에 의해 제조된 전지는, 45℃, 1C/1C에서 1000회 사이클 후의 용량 유지율 및 4C 배율의 용량 유지율이 더욱 향상되고, 전지의 신뢰성이 더욱 양호하다는 것을 나타내고 있다.
3.복합 집전체의 취성 파라미터 및 그 것이 복합 집전체의 역학적 성능에 대한 영향
[표 3-1]
Figure pct00007
[표 3-2]
Figure pct00008
표 3-1 및 표 3-2의 결과에서 알 수 있다시피, 복합 집전체의 취성 파라미터를 0.01 ~ 0.5로 하는 것에 의해, 복합 집전체의 파단 연신율을 개선하고, 복합 집전체의 파단 연신율이 2% 이상이고, 또한 3% 이상이며, 이를 통해, 복합 집전체가 높은 역학적 성능 및 기계적 성능을 가지도록 확보하고, 전기화학 장치의 생산 가공 및 작동 과정에서 파단하여 파괴되지 않고, 일정한 변형에 견딜 수 있으며, 이 것은 복합 집전체의 가공 가능 성능 및 사용 과정에서의 안정성의 향상에 유리하고, 그 제조 및 사용 과정에서의 파손 또는 균열의 생성을 효과적으로 방지하기에, 복합 집전체와 그 것을 사용한 전극 시트 및 전기화학 장치의 제조 과정에서의 양품률 및 사용 중의 신뢰성을 현저히 향상시킨다.
위의 내용은 본 출원의 구체적인 실시형태일 뿐이며, 본 출원의 보호 범위는 이에 국한되지 않으며, 당업자라면 누구나 본 출원에 개시된 기술 범위 내에서 다양한 등가적 수정 또는 교체를 쉽게 생각해 낼 수 있으며, 이러한 수정 또는 교체는 본 출원의 보호 범위 내에 있다. 따라서, 본 출원의 보호 범위는 청구범위의 보호 범위에 따른다.
10…부극 집전체, 101…유기 지지층, 101a…제1면, 101b…제2면, 1011…제1 서브층, 1012…제2 서브, 1013…제3 서브, 102…금속 전도층, 103…보호층, 20…활물질층, 30…전극 시트.

Claims (10)

  1. 복합 집전체에 있어서,
    유기 지지층 및 상기 유기 지지층의 적어도 일면에 배치된 금속 전도층을 포함하고,
    상기 복합 집전체의 취성 파라미터(C)는 0.01≤C≤0.5인,
    복합 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 집전체의 취성 파라미터(C)는 0.1≤C≤0.3인, 복합 집전체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 전도층의 인장 강도(T1)는 150MPa≤T1≤500MPa이고, 바람직하게는 200MPa≤T1≤350MPa이며, 및/또는,
    상기 유기 지지층의 인장 강도(T2)는 100MPa≤T2≤400MPa이고, 바람직하게는 150MPa≤T2≤300MPa인,
    복합 집전체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유기 지지층의 영률(E)은 E≥2GPa이고, 바람직하게는 2GPa≤E≤20GPa인, 복합 집전체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 전도층의 두께(D1)는 30nm≤D1≤3μm이고, 바람직하게는 300nm≤D1≤2μm이며, 바람직하게는 500nm≤D1≤1.5μm이고, 보다 바람직하게는 800nm≤D1≤1.2μm이며, 및/또는,
    상기 유기 지지층의 두께(D2)는 1μm≤D2≤30μm이고, 바람직하게는 1μm≤D2≤20μm이고, 바람직하게는 1μm≤D2≤15μm이며, 바람직하게는 2μm≤D2≤10μ이고, 바람직하게는 2μm≤D2≤8μm이며, 보다 바람직하게는 2μm≤D2≤6μm인,
    복합 집전체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 전도층은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금, 티타늄 및 은 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 및/또는,
    상기 금속 전도층은 기상 증착층 또는 전기 도금층인,
    복합 집전체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 지지층은 고분자 재료 및 고분자계 복합 재료 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고，
    상기 고분자 재료는, 폴리 아미드, 폴리 이미드, 폴리 에틸렌 테레 프탈레이트, 폴리 부틸렌 테레 프탈레이트, 폴리 에틸렌 나프탈레이트, 폴리 카보네이트, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 에틸렌-프로필렌 고무, 아크릴로 니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리 비닐 알코올, 폴리 스티렌, 폴리 염화 비닐, 폴리 불화 비닐리덴, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌, 폴리 스티렌 설폰산 나트륨, 폴리 아세틸렌, 실리콘 고무, 폴리 옥시 메틸렌, 폴리 페닐렌 에테르, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리 에틸렌 글리콜, 폴리 설퍼 니트라이드계, 폴리 페닐, 폴리 피롤, 폴리 아닐린, 폴리 티오펜, 폴리 피리딘, 셀룰로오스, 전분, 단백질, 에폭시 수지, 페놀 수지, 이들의 유도체, 이들의 가교체 및 이들의 공중합체 중의 한 종류 또는 여러 종류이며，
    상기 고분자계 복합 재료는 고분자 재료와 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 금속 재료 및 무기 비금속 재료 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하는,
    복합 집전체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 전도층의 자체의 두께 방향에서 대향되는 두 개의 면 중 적어도 일면에 배치되는 보호층을 더 포함하고，
    상기 보호층은 금속, 금속 산화물 및 전도성 탄소 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 바람직하게는, 니켈, 크롬, 니켈계 합금, 구리계 합금, 산화 알루미늄, 산화 코발트, 산화 크롬, 산화 니켈, 흑연, 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 탄소 나노 섬유 중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하며，
    바람직하게는, 상기 보호층의 두께(D3)는 1nm≤D3≤200nm이고, 상기 보호층의 두께(D3)와 상기 금속 전도층의 두께(D1)는 D3≤0.1D1을 충족시키는,
    복합 집전체.
  9. 전극 시트에 있어서,
    집전체 및 상기 집전체에 배치된 활물질층을 포함하고,
    상기 집전체는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 복합 집전체인,
    전극 시트.
  10. 전기화학 장치에 있어서,
    정극 시트, 부극 시트 및 전해질을 포함하고,
    상기 부극 시트 및/또는 상기 정극 시트는 제9항의 전극 시트인,
    전기화학 장치.
KR1020217036643A 2019-05-31 2019-06-06 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치 KR20210151170A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910472007.6 2019-05-31
CN201910472007.6A CN110943227B (zh) 2019-05-31 2019-05-31 复合集流体、电极极片及电化学装置
PCT/CN2019/090412 WO2020237714A1 (zh) 2019-05-31 2019-06-06 复合集流体、电极极片及电化学装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210151170A true KR20210151170A (ko) 2021-12-13

Family

ID=69905633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217036643A KR20210151170A (ko) 2019-05-31 2019-06-06 복합 집전체, 전극 시트 및 전기화학 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220085384A1 (ko)
EP (1) EP3968418A4 (ko)
JP (1) JP7357690B2 (ko)
KR (1) KR20210151170A (ko)
CN (1) CN110943227B (ko)
WO (1) WO2020237714A1 (ko)

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111180736B (zh) * 2019-05-31 2021-06-08 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极集流体、正极极片及电化学装置
EP3975298B1 (en) * 2020-04-17 2023-12-20 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Negative electrode plate, secondary battery, and device thereof
CN113555561A (zh) * 2020-04-24 2021-10-26 北京小米移动软件有限公司 集流体、电极、电池、集流体制作方法及电极制作方法
CN111640949B (zh) * 2020-06-12 2022-02-22 宁德新能源科技有限公司 集流体、电极极片、电化学装置和电子装置
CN114122395B (zh) * 2020-08-31 2024-03-19 中南大学 一种钠离子电池用负极极片的制备及其应用
EP4207390A1 (en) * 2020-09-23 2023-07-05 Ningde Amperex Technology Ltd. Composite current collector, electrode plate, and electrochemical device
CN113066989A (zh) * 2021-03-23 2021-07-02 珠海冠宇电池股份有限公司 一种集流体以及包含该集流体的极片和电化学装置
CN114744146A (zh) * 2021-03-29 2022-07-12 宁德新能源科技有限公司 电化学装置和电子装置
CN113113611A (zh) * 2021-03-30 2021-07-13 上海科比斯实业有限公司 一种复合集流体、电池极片、电芯和锂离子二次电池
CN113437248B (zh) * 2021-06-26 2022-03-18 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极极片的处理方法、钠金属负极极片与电化学装置
CN113488658B (zh) * 2021-06-30 2022-07-08 浙江锋锂新能源科技有限公司 一种锂电池正极集流体及其制备方法与锂电池及其正极
WO2023028888A1 (zh) * 2021-08-31 2023-03-09 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种锂离子电池、电池模块、电池包及用电装置
JP7477707B2 (ja) 2021-10-26 2024-05-01 寧徳時代新能源科技股▲分▼有限公司 銅めっき液及びそれにより製造された負極複合集電体
CN216120659U (zh) * 2021-10-28 2022-03-22 宁德时代新能源科技股份有限公司 集流体、电极片、电极组件、电池单体、电池和用电装置
CN114335557B (zh) * 2021-11-30 2023-07-14 蜂巢能源科技有限公司 复合箔材及制备方法、集流体和锂离子电池
CN114284504B (zh) * 2021-12-22 2023-11-28 上海恩捷新材料科技有限公司 复合集流体及其制备方法、其极片和电池
CN114479146B (zh) * 2022-02-17 2023-06-27 江阴纳力新材料科技有限公司 聚多酚改性的聚合物膜及其制备方法、金属化聚合物膜
CN114744203B (zh) * 2022-04-20 2024-06-25 江阴纳力新材料科技有限公司 具有金属立体网络结构的复合集流体及其制备方法、电极极片和电池
CN114678536A (zh) * 2022-04-29 2022-06-28 扬州纳力新材料科技有限公司 集流体及其制备方法和应用
CN114824289A (zh) * 2022-05-13 2022-07-29 扬州纳力新材料科技有限公司 多层结构集流体及其制备方法
CN114784290A (zh) * 2022-05-13 2022-07-22 扬州纳力新材料科技有限公司 高弹性的复合集流体及其制备方法
CN114927700A (zh) * 2022-06-29 2022-08-19 扬州纳力新材料科技有限公司 高可焊性的复合集流体及其制备方法
WO2024011537A1 (zh) * 2022-07-14 2024-01-18 扬州纳力新材料科技有限公司 复合集流体及其制备方法和应用
CN115447246B (zh) * 2022-08-29 2024-02-06 扬州纳力新材料科技有限公司 耐溶胀型聚酯复合膜及其制备方法和应用
CN115322534B (zh) * 2022-08-29 2023-08-22 扬州纳力新材料科技有限公司 耐溶剂增强型聚酯膜、其制备方法、复合集流体及用途
CN115447248B (zh) * 2022-09-06 2024-02-06 扬州纳力新材料科技有限公司 复合聚合物膜、其制造方法、金属化复合聚合物膜与应用
CN115425236B (zh) * 2022-09-06 2023-06-02 浙江柔震科技有限公司 复合集流体及其制备方法和装置
CN115320206B (zh) * 2022-09-06 2024-02-06 扬州纳力新材料科技有限公司 复合聚酯膜及其制备方法与用途
WO2024051776A1 (zh) * 2022-09-07 2024-03-14 扬州纳力新材料科技有限公司 复合聚酯膜及其制备方法和应用
CN115832193A (zh) * 2022-09-19 2023-03-21 宁德时代新能源科技股份有限公司 极片、电极组件、电池单体和电池
CN115275190B (zh) * 2022-09-22 2023-05-16 中国科学院山西煤炭化学研究所 用于钠离子电池负极的自支撑软/硬炭膜及其制备与应用
WO2024073892A1 (zh) * 2022-10-08 2024-04-11 宁德时代新能源科技股份有限公司 复合集流体、电极、二次电池及用电装置
WO2024092563A1 (zh) * 2022-11-02 2024-05-10 扬州纳力新材料科技有限公司 改性聚酯薄膜、制备方法、复合集流体、电极片及其用途
CN115579479B (zh) * 2022-12-12 2023-07-04 安徽元琛环保科技股份有限公司 一种用作集流体的复合导电膜及其制备方法和应用
CN116247222A (zh) * 2023-05-08 2023-06-09 宁德时代新能源科技股份有限公司 集流体、极片、电极组件、电池单体、电池及用电设备

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004103475A (ja) * 2002-09-11 2004-04-02 Sony Corp 電池
US6933077B2 (en) * 2002-12-27 2005-08-23 Avestor Limited Partnership Current collector for polymer electrochemical cells and electrochemical generators thereof
WO2009157263A1 (ja) * 2008-06-23 2009-12-30 シャープ株式会社 リチウムイオン二次電池
KR20120019568A (ko) * 2010-08-26 2012-03-07 연세대학교 산학협력단 개선된 전류 집전체를 적용한 직접 메탄올 연료전지
JPWO2012127561A1 (ja) * 2011-03-18 2014-07-24 株式会社日立製作所 非水電解質電池
CN106711462B (zh) * 2015-11-12 2020-05-12 上海奥能瑞拉能源科技有限公司 一种钠-卤化物电池集流体及含该集流体的钠-卤化物电池
CN106654285B (zh) * 2016-11-18 2021-03-05 浙江大学 一种用于锂电池的柔性集流体及其制备方法
CN108155387B (zh) * 2016-12-06 2020-08-25 华为技术有限公司 一种弹性集流体及其制备方法、电池电极极片和柔性锂离子电池
CN108281662B (zh) * 2017-01-12 2020-05-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种集流体，其极片和电池及应用
CN106910897A (zh) * 2017-03-02 2017-06-30 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种集流体及其极片和电池
CN206849947U (zh) * 2017-04-14 2018-01-05 深圳鑫智美科技有限公司 多孔导电塑料膜集流体
CN107221676A (zh) * 2017-06-30 2017-09-29 江苏道赢科技有限公司 一种复合集流体及应用该集流体的锂离子二次电池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020237714A1 (zh) 2020-12-03
JP2022531162A (ja) 2022-07-06
US20220085384A1 (en) 2022-03-17
CN110943227B (zh) 2021-03-09
JP7357690B2 (ja) 2023-10-06
EP3968418A1 (en) 2022-03-16
CN110943227A (zh) 2020-03-31
EP3968418A4 (en) 2022-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110943227B (zh) 复合集流体、电极极片及电化学装置
KR102600399B1 (ko) 리튬 이온 이차 배터리
EP3796438B1 (en) Lithium ion secondary battery, battery cell, negative electrode pole piece, and device containing lithium ion secondary battery
KR102457745B1 (ko) 부극 집전체, 부극판, 전기화학 장치 및 장치
CN111180736B (zh) 正极集流体、正极极片及电化学装置
CN110943228B (zh) 负极集流体、负极极片及电化学装置
CN111180735B (zh) 负极集流体、负极极片及电化学装置
WO2021000562A1 (zh) 正极集流体、正极极片、电化学装置及其装置
WO2021000545A1 (zh) 正极集流体、正极极片、电化学装置及装置
CN112186194B (zh) 正极集流体、正极极片及电化学装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal