KR20220024949A - 전극 시트, 전기 화학 장치 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본원은 전극 시트, 전기 화학 장치 및 그 장치에 관한 것이다. 본원의 전극 시트는, 집전체와, 상기 집전체의 적어도 일면에 설치된 전극 활성 재료층과, 상기 집전체에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재를 포함한다. 그 중, 상기 전극 활성 재료층은 상기 집전체의 본체부에 설치되는 바, 당해 영역을 필름 영역이라고 칭하며, 상기 전기 연결 부재와 상기 집전체는 상기 집전체의 가장자리 부분에서 용접 연결되는 바, 당해 용접 영역은 중계 용접 영역이라고 칭하며, 상기 필름 영역과 중계 용접 영역 사이의 집전체의 전극 활성 재료층 미코팅 전이 영역을 연장 영역이라고 칭하며, 상기 집전체는 복합 집전체이고, 상기 전극 시트는 내부 단락 방지 보호층을 더 포함하며, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유기 절연층이고 또한 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 연장 영역의 적어도 일부를 커버한다.
Description
본원은 2019년 6월 28일에 제출된 "전극 시트 및 전기 화학 장치"라는 발명의 명칭의 중국 발명 특허 출원 제201910580214.3호의 우선권을 주장하며, 그 모든 내용은 본문에 원용된다.
본원은 전지 분야에 관한 것으로, 특히 전극 시트, 전기 화학 장치 및 그 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 고에너지 밀도, 고출력 전력, 긴 사이클 수명, 적은 환경 오염 등 장점을 가지므로, 전기 자동차 및 소비형 전자 제품에 널리 적용되고 있다. 리튬 이온 전지의 적용 범위가 계속 확대됨에 따라, 리튬 이온 전지의 중량 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도에 대한 요구도 점점 높아지고 있다.
높은 질량 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도의 리튬 이온 전지를 얻기 위해, 일반적으로 리튬 이온 전지에 대해, 하기와 같은 개선을 수행한다. (1) 방전 비용량이 높은 정극 재료 또는 부극 재료를 선택하고; (2) 리튬 이온 전지의 기계적 설계를 최적화하여, 그 부피를 최소화하며; (3) 높은 압밀도의 정극 시트 또는 부극 시트를 선택하며; (4) 리튬 이온 전지의 각 부재를 경량화한다.
집전체에 대한 개선은, 일반적으로, 가벼운 중량 또는 얇은 두께의 집전체를 선택하는 바, 예를 들어, 구멍이 있는 집전체 또는 금속층이 도금된 플라스틱 집전체 등을 사용할 수 있다.
금속층이 코팅된 플라스틱 집전체(복합 집전체)를 사용한 전극 시트 및 전지는 에너지 밀도가 향상되지만, 가공 성능 및 전기 화학적 성능 등 방면에서 여러 가지 문제 또는 성능 열화를 초래할 수 있다. 양호한 전기 화학적 성능의 전극 시트 및 집전체를 얻으려면 더 많은 방면의 개선이 필요하다.
종래 기술의 부족을 극복하기 위해 본원을 특별히 제출한다.
이를 감안하여, 본원의 일부 실시예는 전극 시트, 전기 화학 장치 및 그 장치를 제공한다.
제1 양태에 있어서, 본원은 전극 시트를 제공하는 바, 상기 전극 시트는 집전체와, 상기 집전체의 적어도 일면에 설치된 전극 활성 재료층과, 상기 집전체에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재를 포함하고, 상기 전극 활성 재료층은 상기 집전체의 본체부에 설치되는 바, 당해 영역을 필름 영역이라고 칭하며, 상기 전기 연결 부재와 상기 집전체는 상기 집전체의 가장자리 부분에서 용접 연결되는 바, 당해 용접 영역을 중계 용접 영역이라 칭하며, 상기 필름 영역과 중계 용접 영역 사이의 집전체의 전극 활성 재료층 미코팅 전이 영역을 연장 영역이라 칭하며, 상기 집전체는 지지층 및 지지층의 적어도 일면에 설치된 도전층을 포함하며, 상기 도전층의 단면 두께 D2는 30nm≤D2≤2μm를 충족하고, 상기 지지층은 고분자 재료층 또는 고분자 복합 재료층이며, 상기 전극 시트는 내부 단락 방지 보호층을 더 포함하며, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유기 절연층이고 또한 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 연장 영역의 적어도 일부를 커버한다.
제2 양태에 있어서, 본원은 전기 화학 장치를 제공하는 바, 상기 전기 화학 장치는 정극 시트, 부극 시트, 세퍼레이터 및 전해액을 포함하고, 상기 정극 시트 및/또는 부극 시트는 본원의 제1 양태의 전극 시트이다.
제3 양태에 있어서, 본원은 본원의 제2 양태의 전기 화학 장치를 포함하는 장치를 더 제공하는 바, 상기 전기 화학 장치는 상기 장치의 전원 또는 상기 장치의 에너지 저장 유닛으로서 사용될 수 있다.
본원의 기술 방안은 적어도 이하의 유익한 효과를 갖는다.
(1) 본원의 전극 시트는 복합 집전체를 사용하는 바, 당해 복합 집전체가 얇은 도전층을 가지고 또한 지지층이 고분자 재료 또는 고분자 복합 재료이기에, 전기 화학 장치의 에너지 밀도 예를 들어 중량 에너지 밀도를 현저하게 개선할 수 있다.
(2) 당해 복합 집전체는 얇은 도전층을 가지기에, 못관통 등 이상 상황 하에서, 생성되는 금속 버얼(Burr)이 작고, 지지층으로서 고분자 재료 또는 고분자 복합 재료를 포함하기에, 못관통 등 이상 상황 하에서 단락 저항이 종래의 금속 집전체보다 크므로, 전기 화학 장치의 못관통 안전 성능이 대폭적으로 향상된다.
(3) 복합 집전체의 도전층이 얇기에(예를 들어 알루미늄박 또는 동박과 같은 종래의 일반적인 금속박 집전체에 비해), 중계 용접 영역에서 도전층이 녹아 떨어지기 쉽고, 전지의 가공 및 사용 과정에서 금속 입자가 생성되기 쉽다. 금속 입자가 필름 영역에 떨어지면, 전지의 자기 방전이 발생하여 내부 단락이 발생한다. 본원의 전극 시트는 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 상기 연장 영역의 적어도 일부를 커버하는 유기 절연 상부 코팅층 즉 내부 단락 방지 보호층을 포함한다. 상기 내부 단락 방지 보호층의 존재는 금속 입자가 필름 영역으로 떨어지는 것을 방지하고, 복합 집전체를 사용하는 전기 화학 장치의 안전성을 크게 향상하였다.
따라서, 본원의 전극 시트 및 상기 전극 시트를 포함하는 전기 화학 장치(예를 들어 리튬 이온 전지)는 양호한 에너지 밀도 및 높은 안전 성능을 겸비한다.
본원의 장치는 본원에 따른 전기 화학 장치를 포함하기에, 적어도 상기 전기 화학 장치와 동일한 장점을 가진다.
이하에서는 도면 및 특정 실시형태와 결합하여, 본원의 전극 시트, 전기 화학 장치 및 그 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본원의 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 2는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 3은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 4는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 5는 본원의 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 6은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 7은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 8은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 9는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 10은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 11은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 12은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 13은 본원의 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 14는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 15는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 16은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 17a는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 17b는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 17c는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 17d는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구조 상면 개략도이다.
도 18a는 도 17a 내지 도 17d에 도시된 일부 특정 실시형태(예를 들어 도 17c)의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18b는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18c는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18d는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18e는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 19는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 20은 본원의 일 실시형태에 따른 전기 화학 장치를 리튬 이온 이차 전지로 사용하는 사시도이다.
도 21은 도 20에 도시된 리튬 이온 이차 전지의 분해도이다.
도 22는 본원의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 23은 본원의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 사시도이다.
도 24는 도 23에 도시된 전지 팩의 분해도이다.
도 25는 본원의 일 특정 실시형태에 따른 장치의 개략도이다.
도 1은 본원의 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 2는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 3은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 4는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 5는 본원의 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 6은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 7은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 8은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 집전체의 구성 단면 개략도이다.
도 9는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 10은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 11은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 12은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 13은 본원의 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 14는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 15는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 16은 본원의 다른 일 특정 실시형태의 부극 시트의 필름 영역의 구성 단면 개략도이다.
도 17a는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 17b는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 17c는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 17d는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구조 상면 개략도이다.
도 18a는 도 17a 내지 도 17d에 도시된 일부 특정 실시형태(예를 들어 도 17c)의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18b는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18c는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18d는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 18e는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도이다.
도 19는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 상면 개략도이다.
도 20은 본원의 일 실시형태에 따른 전기 화학 장치를 리튬 이온 이차 전지로 사용하는 사시도이다.
도 21은 도 20에 도시된 리튬 이온 이차 전지의 분해도이다.
도 22는 본원의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 23은 본원의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 사시도이다.
도 24는 도 23에 도시된 전지 팩의 분해도이다.
도 25는 본원의 일 특정 실시형태에 따른 장치의 개략도이다.
이하에서는 특정 실시형태와 결합하여 본원을 더 설명한다. 이해해야 할 점은, 이러한 특정 실시형태는 단지 본원을 해석하기 위한 것일 뿐 본원을 한정하기 위한 것이 아니다.
본원의 제1 양태는 전극 시트에 관한 것으로, 상기 전극 시트는 집전체와, 상기 집전체의 적어도 일면에 설치된 전극 활성 재료층과, 상기 집전체에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재를 포함하고, 상기 전극 활성 재료층은 상기 집전체의 본체부에 설치되는 바, 당해 영역을 필름 영역이라 칭하며, 상기 전기 연결 부재와 상기 집전체는 상기 집전체의 가장자리 부분에서 용접 연결되는 바, 당해 용접 영역을 중계 용접 영역이라 칭하며, 상기 필름 영역과 중계 용접 영역 사이의 집전체의 전극 활성 재료층 미코팅 전이 영역을 연장 영역이라 칭하며, 상기 집전체는 지지층 및 지지층의 적어도 일면에 설치된 도전층을 포함하며, 상기 도전층의 단면 두께 D2는 30nm≤D2≤2μm를 충족하고, 상기 지지층은 고분자 재료층 또는 고분자 복합 재료층이며, 상기 전극 시트는 내부 단락 방지 보호층을 더 포함하며, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유기 절연층이고 또한 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 연장 영역의 적어도 일부를 커버한다.
당연히, 상기 전극 시트는 정극 시트 또는 부극 시트일 수 있다. 전극 시트가 정극 시트인 경우, 상응하게, 전극 시트의 집전체 및 전극 활성 재료층은 각각 정극 집전체 및 정극 활성 재료층이다. 전극 시트가 부극 시트인 경우, 상응하게, 전극 시트의 집전체 및 전극 활성 재료층은 각각 부극 집전체 및 부극 활성 재료층이다.
본원의 제1 양태의 전극 시트에 사용되는 집전체는 복합 집전체인 바, 적어도 두 종류 재료의 복합에 의해 형성된다. 구조로부터 보면, 상기 집전체는 지지층 및 지지층의 적어도 일면에 설치된 도전층을 포함하고, 도전층의 단면 두께 D2는 30nm≤D2≤2μm를 충족한다. 따라서, 상기 집전체에 있어서, 도전 역할을 발휘하는 것은 도전층이다. 상기 도전층의 두께(D2)가, 종래 기술에서 일반적으로 사용되는 Al박 또는 Cu박 등과 같은 금속 집전체의 두께(일반적으로 사용되는 Al박, Cu박 금속 집전체의 두께는 일반적으로 12μm 및 8μm임)보다 훨씬 작기에, 상기 전극 시트를 사용하는 전기 화학 장치(예를 들어 리튬 전지)의 중량 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도를 향상할 수 있다. 또한, 상기 복합 집전체는 얇은 도전층을 갖기에, 전극 시트의 못관통 안전 성능을 크게 개선할 수 있고, 못관통 등 이상 상황 하에서, 생성되는 금속 버얼(Burr)이 작고, 또한, 지지층으로서 고분자 재료 또는 고분자 복합 재료를 포함하기에, 못관통 등 이상 상황 하에서, 단락 저항이 종래의 금속 집전체보다 크며, 이러한 요인들이 함께 작용하여, 전기 화학 장치의 못관통 안전 성능이 크게 향상된다.
하지만, 복합 집전체의 도전층이 얇기에(예를 들어 알루미늄박 또는 동박과 같은 종래의 일반적인 금속박 집전체에 비해), 중계 용접 영역에서 도전층이 녹아 떨어지기 쉽고, 전지의 가공 및 사용 과정에서 금속 입자가 생성되기 쉽다. 금속 입자가 필름 영역에 떨어지면, 전지의 자기 방전이 발생하여 내부 단락이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본원의 전극 시트는, 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 상기 연장 영역의 적어도 일부를 커버하는 유기 절연 상부 코팅층 즉 내부 단락 방지 보호층을 포함한다. 상기 내부 단락 방지 보호층의 존재는 금속 입자가 필름 영역으로 떨어지는 것을 방지하고, 복합 집전체를 사용하는 전기 화학 장치의 안전성을 크게 향상하였다.
따라서, 전기 화학 장치는 본원의 전극 시트를 포함하기에, 양호한 에너지 밀도 및 양호한 안전성을 가질 수 있고, 이에 의해, 우수한 종합 성능의 전기 화학 장치(예를 들어 리튬 이온 전지)를 제공할 수 있다.
또한, 이러한 복합 집전체는 도전층이 얇기에, 종래의 금속 집전체(Al박 또는 Cu박)에 비해, 도전성이 낮고, 도전층이 전극 시트의 가공 과정에서 파손되기 쉬워, 전기 화학 장치의 전기 화학적 성능에 영향을 준다. 따라서, 본원의 일부 바람직한 실시형태에 따른 전극 시트는 복합 집전체의 도전층의 일면 또는 복합 집전체의 도전층의 두 개의 표면에 보호층이 설치되어 있는 바, 즉 도전층의 지지층과 멀어지는 표면 및/또는 지지층과 대향하는 표면에 보호층이 설치되어 있다. 보호층은 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층일 수 있다. 보호층은, 집전체의 도전층이 화학적 부식 또는 기계적 손상에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있고, 또한 집전체의 기계적 강도를 향상할 수 있다. 복합 집전체의 도전층의 표면에 보호층이 설치된 경우, 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 향상하여, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
또한, 본원의 일부 바람직한 실시형태에 따른 전극 시트는, 복합 집전체의 연장 영역에 지지 보호층이 설치되어 있고, 상기 지지 보호층은 유기 절연층 또는 무기 절연층이다. 지지 보호층의 설치는 복합 집전체의 연장 영역에서의 기계적 강도 및 경도(본원에 따른 복합 집전체는 종래의 금속 집전체에 비해 기계적 강도가 낮고, 절곡 또는 변형 등이 발생하기 쉬움)을 개선할 수 있기에, 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하고, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다. 또한, 연장 영역에 지지 보호층이 설치되어 있기에, 탭의 근부(根部)에서 발생되기 쉬운 전지 내부 단락에 의한 자기 방전 또는 고장을 방지할 수 있다.
또한, 복합 집전체는, 지지층(고분자 재료 또는 고분자 복합 재료)의 리바운드 정도가 종래의 금속 집전체보다 크기에, 만약 종래의 프로세스에 따라 복합 집전체의 표면에 코팅을 수행한 후 롤 프레스 프로세스로 압밀을 수행하면, 일련의 기타 문제가 발생할 수 있다. 지지층의 리바운드에 의해, 전극 시트 양측의 가장자리 부분이 위로 와핑되어, 전극 시트 전체가 절곡되기에, 전극 시트가 변형된다. 전극 시트의 변형은 전극 활성 재료층과 복합 집전체의 분리, 도전층의 파손, 도전층의 지지층으로부터의 박리 등을 일으켜, 전극 시트의 전기 화학적 성능을 악화할 수 있다. 다른 한편으로, 전극 시트의 변형에 의해, 정극 시트와 부극 시트를 정확하게 정렬하는 것도 불가능하다. 따라서, 복합 집전체에 의해 제조되는 전극 시트는, 내부 저항이 크고 분극이 큰 등 기술적 문제를 용이하게 발생한다. 또한, 전극 시트의 변형은 중계 용접 영역에서의 용접 품질의 저하를 초래한다. 종래 기술에서, 복합 집전체에 의한 전극 시트의 변형 문제를 해결하기 위해, 일반적으로 활성 재료 슬러리 건조 과정 또는 롤 프레스 과정에서 일부 특수한 기술 수단을 이용하여 응력을 해제하거나 또는 기존 프로세스를 사용하여 수율을 희생해야 한다. 이를 감안하여, 본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 전극 시트의 두께 방향의 재료 분포를 설계하는 것 이외에도, 전극 시트의 활성 재료층의 횡방향(즉 전극 시트의 표면에 평행되는 방향)의 재료 분포를 특별히 설계한다. 본원의 상기 바람직한 실시형태에 따르면, 전극 시트의 전극 활성 재료층은, 압밀도를 기반으로, 전극 시트의 폭 방향(즉 코팅 방향에 수직인 방향)에 따라 분포되는 2n+1 개(예를 들어 3 개)의 영역을 포함하고, 또한 중간 영역의 압밀도가 양측 영역의 압밀도보다 높으며, 이러한 특수한 구획 설계는 롤 프레스 등에 의한 복합 집전체 및 전극 시트의 절곡 및 가장자리 와핑을 효과적으로 억제할 수 있기에, 전극 시트가 롤 프레스된 후에도 양호한 전극 시트의 평탄도를 유지할 수 있도록 하고, 전극 시트의 내부 저항이 크고 분극이 큰 등 기술적 문제를 해소하거나 또는 감소하며, 도전층이 손상되기 어려우므로, 전극 시트 및 전기 화학 장치가 우수한 전기 화학적 성능을 갖도록 한다. 또한, 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하고, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
이하에서는 본원의 제1 양태에 따른 전극 시트(및 그 집전체)의 구조, 재료 및 성능 등을 상세히 설명한다.
집전체 도전층
본원의 일 실시형태의 집전체는, 종래의 금속 집전체에 비해, 도전층이 도전 및 집전 역할을 발휘하여 전극 활성 재료층을 위해 전자를 제공한다.
도전층의 재료는, 금속 도전성 재료, 탄소 기반 도전성 재료로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
상기 금속 도전성 재료는 바람직하게는 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 은, 니켈 구리 합금, 알루미늄 지르코늄 합금으로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
상기 탄소 기반 도전성 재료는 바람직하게는 흑연, 아세틸렌 블랙, 그래핀, 카본 나노 튜브로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
도전층의 재료는 바람직하게는 금속 도전성 재료, 즉 도전층은 바람직하게는 금속 도전층이다. 그 중, 집전체가 정극 집전체인 경우, 일반적으로 도전층의 재료로서 알루미늄을 사용하고, 집전체가 부극 집전체인 경우, 일반적으로 도전층의 재료로서 구리를 사용한다.
도전층의 도전성이 낮거나 또는 도전층의 두께가 너무 작으면, 전지의 내부 저항이 크고 분극이 커지며, 도전층의 두께가 너무 크면, 전지의 중량 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도를 향상하는 효과를 발휘할 수 없다.
상기 도전층의 단면 두께는 D2이고, D2는 바람직하게는 30nm≤D2≤2μm를 충족하며, 보다 바람직하게는 300nm≤D2≤2μm를 충족하며, 가장 바람직하게는 500nm≤D2≤1.5μm를 충족하는 바, 이에 의해, 집전체가 경량 성능과 양호한 도전 성능을 겸비하는 것을 보다 잘 보장할 수 있다.
본원의 바람직한 실시형태에서, 도전층의 단면 두께(D2)의 상한은 2μm, 1.8μm, 1.5μm, 1.2μm, 1μm, 900nm일 수 있고, 도전층의 단면 두께(D2)의 하한은 800nm, 700nm, 600nm, 500nm, 450nm, 400nm, 350nm, 300nm, 100nm, 50nm, 30nm일 수 있으며; 도전층의 단면 두께(D2)의 범위는 상한 또는 하한의 임의의 수치로 구성될 수 있다. 바람직하게는 300nm≤D2≤2μm이고, 더욱 바람직하게는 500nm≤D2≤1.5μm이다.
본원에서, 도전층의 두께가 작기에, 전극 시트의 제조 등 과정에서, 균열 등 파손이 발생하기 쉽다. 일반적으로, 본원에 따른 전극 시트의 도전층에는 균열이 존재한다. 도전층의 균열은, 일반적으로 도전층에 불규칙적으로 존재하고, 해당 균열은, 긴 막대기 형상의 균열일 수도 있고, 크로스형 균열일 수도 있고, 발산형 균열 등일 수도 있으며; 도전층 전체를 관통하는 균열일 수도 있고, 도전층의 표면층에 형성된 균열일 수도 있다. 도전층의 균열은, 일반적으로 전극 시트의 가공 과정에서의 롤 프레스, 탭 용접 시의 진폭이 너무 크거나, 기재의 권취 장력이 너무 큰 등으로 인해 생성된다.
도전층은 기계적 롤 프레스, 접착, 기상 퇴적법(vapor deposition), 화학 도금(Electroless plating), 전기 도금 중 적어도 한 종류에 의해 지지층 상에 형성될 수 있고, 기상 퇴적법은 바람직하게는 물리 기상 퇴적법(Physical Vapor Deposition, PVD) 이고, 물리 기상 퇴적법은 바람직하게는 증발법, 스퍼터링법 중 적어도 한 종류이며, 증발법은 바람직하게는 진공 증착법(vacuum evaporating), 열증발법(Termal Evaporation Deposition), 전자빔 증발법(electron beam evaporation method, EBEM) 중 적어도 한 종류이며, 스퍼터링법은 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링(Magnetron spputtering)이다.
지지층과 도전층 사이의 결합을 보다 견고하게 하기 위해, 기상 퇴적법, 전기도금 또는 화학 도금 중 적어도 한 종류가 바람직하다.
집전체 지지층
본원 실시형태의 집전체에서, 지지층은 도전층에 대해 지지 및 보호 역할을 발휘한다. 지지층이 일반적으로 유기 고분자 재료 또는 고분자 복합 재료를 사용하므로, 지지층의 밀도는 일반적으로 도전층의 밀도보다 작고, 이로 인해, 종래의 금속 집전체에 비해 전지의 중량 에너지 밀도를 현저하게 향상할 수 있다.
또한, 금속층으로서 비교적 얇은 두께의 금속층을 사용하기에, 전지의 중량 에너지 밀도를 더욱 향상할 수 있다. 또한, 지지층은 그 표면에 위치하는 도전층에 대해 양호한 지지 및 보호 작용을 발휘할 수 있기에, 종래의 집전체에서 자주 보이는 전극 시트의 단열 현상이 발생하기 어렵다.
상기 지지층의 재료는 절연성 고분자 재료, 절연성 고분자 복합 재료, 도전성 고분자 재료, 도전성 고분자 복합 재료로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
절연성 고분자 재료는, 예를 들어 폴리 아미드, 폴리 테레프탈레이트, 폴리 이미드, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리 스티렌, 폴리 염화 비닐, 아라미드, 폴리 프탈아미드, 아크릴로 니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트, 폴리 파라페닐렌 테레프탈아미드, 에틸렌 프로필렌 고무, 폴리 옥시 메틸렌, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리 불화 비닐리덴, 실리콘 고무, 폴리 카보네이트, 셀룰로오스 및 그 유도체, 전분 및 그 유도체, 단백질 및 그 유도체, 폴리 비닐 알코올 및 그 가교물, 폴리 에틸렌 글리콜 및 그 가교물로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
절연성 고분자 복합 재료는 예를 들어 절연성 고분자 재료 및 무기 재료로 형성된 복합 재료로부터 선택되며, 그 중, 무기 재료는 바람직하게는 세라믹 재료, 유리 재료, 세라믹 복합 재료로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
도전성 고분자 재료는 예를 들어 폴리 질화 유황계 고분자 재료 또는 도핑된 공액계 고분자 재료로부터 선택되며, 예를 들어 폴리 피롤, 폴리 아세틸렌, 폴리 아닐린, 폴리 티오펜 등 중 적어도 한 종류이다.
도전성 고분자 복합 재료는 예를 들어 절연성 고분자 재료 및 도전성 재료로 형성된 복합 재료로부터 선택되고, 그 중, 도전성 재료는 도전성 탄소 재료, 금속 재료, 복합 도전성 재료로부터 선택되는 적어도 한 종류이며, 도전성 탄소 재료는 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 흑연, 아세틸렌 블랙, 그래핀으로부터 선택되는 적어도 한 종류이며, 금속 재료는 니켈, 철, 구리, 알루미늄 또는 상기 금속의 합금으로부터 선택되는 적어도 한 종류이며, 복합 도전성 재료는 니켈로 피복된 흑연 분말, 니켈로 피복된 탄소 섬유로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
당업자는 적용 환경의 실제 수요 및 비용 등 요인에 따라 지지층의 재료를 합리적으로 선택하여 결정할 수 있다. 본원에 있어서, 상기 지지층의 재료는 바람직하게는 절연성 고분자 재료 또는 절연성 고분자 복합 재료이며, 특히, 집전체가 정극 집전체인 경우, 상기 지지층의 재료는 절연성 고분자 재료 또는 절연성 고분자 복합 재료인 것이 바람직하다.
집전체가 정극 집전체인 경우, 절연층에 의해 지지되고 특정 두께를 갖는 도전층을 포함한 복합 집전체를 사용함으로써, 전지의 안전성을 현저하게 개선할 수 있다. 절연층이 비도전성이기에, 그 저항이 크므로, 전지가 이상 상황 하에서 단락이 발생될 때의 단락 저항을 향상하여, 단락 전류를 현저하게 감소할 수 있어, 이에 의해, 단락에 의해 발생하는 열량을 현저하게 감소할 수 있고, 전지의 안전 성능을 개선할 수 있으며; 또한 도전층이 얇기에, 못관통 등 이상 상황 하에서, 국부적인 도전 네트워크가 절단되어, 전기 화학 장치의 대면적 더 나아가서는 전기 화학 장치 전체에 내부 단락이 발생되는 것을 방지하고, 또한 이는, 못관통 등에 의한 전기 화학 장치의 손상을 못관통 부위에만 한정할 수 있어, "포인트(Point) 차단"만을 형성하고, 전기 화학 장치의 일정 시간내의 정상적인 동작에 영향을 미치지 않는다.
지지층의 두께는 D1이고, D1은 바람직하게는 1μm≤D1≤20μm를 충족하며; 보다 바람직하게는 1μm≤D1≤15μm를 충족한다.
지지층의 함량이 적절하기에, 지지층의 기계적 강도는 전극 시트의 가공 공정에 적합하고, 집전체의 전지 체적 에너지 밀도를 향상할 수 있다.
지지층의 두께(D1)는, 상한이 20μm, 15μm, 12μm, 10μm, 8μm일 수 있고, 하한이 1μm, 1.5μm, 2μm, 3μm, 4μm, 5μm, 6μm, 7μm일 수 있으며; 지지층의 두께(D1) 범위는 상한 또는 하한의 임의의 수치로 구성될 수 있다. 바람직하게는 1μm≤D1≤15μm이고, 보다 바람직하게는 2μm≤D1≤10μm이며, 가장 바람직하게는 3μm≤D1≤8μm이다.
동시에, 본원의 특정 두께는 상기 집전체가 큰 저항을 가지는 것을 더욱 보장할 수 있어, 전지에 내부 단락이 발생될 때의 전지의 승온을 현저하게 감소하며, 도전층이 알루미늄인 경우, 정극 집전체의 테르밋 반응을 현저하게 감소 또는 방지할 수 있기에, 전지가 양호한 안전 성능을 갖도록 보장할 수 있다.
또한, 도전층이 금속 도전층인 경우, 바람직하게는 지지층의 상온 영률은 20GPa≥E≥1.9GPa를 충족한다.
본원에 있어서, 상기 지지층의 상온 영률의 측정 방법은 다음과 같다.
지지층의 샘플을 15mm×200mm로 절단하고, 마이크로미터에 의해 샘플의 두께 h(μm)를 측정하며, 상온 상압 하에서 고속 레일 텐셔너에 의해 인장 시험을 실시하며, 초기 위치를 설정하고, 클램프 사이의 샘플의 길이를 50mm로 설정하며, 인장 속도가 50mm/min이고, 파단될 때까지 인장했을 때의 부하 L(N), 장치의 변위 y(mm)를 기록하면, 응력 ε=L/(15×h)×1000, 변형률 η=y/50×100이며, 응력-변형률 곡선을 그려, 초기 선형 영역의 곡선을 취하면, 해당 곡선의 기울기가 영률(E)이다.
금속은 고분자 또는 고분자 복합 재료에 비해 강성이 높은 바, 즉 전극 시트 가공의 롤 플레스 등 과정에서 변형이 작으며, 따라서 지지층과 도전층 사이의 변형 차이가 너무 커서 발생되는 도전층 파열을 방지하기 위해, 상기 지지층의 상온 영률은 20GPa≥E≥1.9Gpa을 충족하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 20GPa≥E≥4Gpa이며, 이에 의해, 지지층이 일정한 강성을 갖도록 하고, 또한 지지층과 도전층 사이의 강성 매칭성을 더욱 향상할 수 있으며, 집전체와 전극 시트의 가공 과정에서, 지지층과 도전층의 변형량의 차이가 커지지 않도록 보장할 수 있다.
지지층이 일정한 강성(20GPa≥E≥1.9GPa)를 갖기에, 집전체와 전극 시트의 가공 과정에서, 집전체가 변형하기 어려워지거나 너무 지나치게 연신하지 않으므로, 지지층과 도전층 사이의 결합을 보다 견고하게 하여, 이탈하기 어렵고, 도전층이 "강제적으로" 연신되어 도전층이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본원의 집전체는 일정한 인성을 갖기에, 집전체 및 전극 시트가 일정한 변형에 견디는 능력을 갖도록 하여, 단열되기 어렵도록 할 수 있다.
하지만, 지지층은 영률이 너무 커서는 안되는 바, 영률이 너무 크면, 강성이 너무 강해, 권취 및 권회가 곤란해져, 가공성이 떨어진다. 20GPa≥E인 경우, 지지층이 일정한 유연성을 갖도록 보장할 수 있고, 또한 전극 시트가 일정한 변형에 견디는 능력을 갖도록 보장할 수 있다.
또한, 90℃에서의 지지층의 열수축률은 1.5% 이하인 것이 바람직하기에, 전극 시트의 가공 과정에서, 집전체의 열 안정성을 보다 잘 보장할 수 있다.
집전체의 보호층
본원의 일부 바람직한 실시형태에서, 상기 집전체에는 보호층이 더 설치되고, 상기 보호층은 상기 집전체의 도전층의 일면에 설치되거나, 또는 상기 집전체의 도전층의 두 개의 표면 즉 도전층의 지지층과 멀어지는 표면 및 지지층과 대향하는 표면에 설치된다.
보호층은 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층일 수 있다. 보호층은, 집전체의 도전층이 화학적 부식 또는 기계적 손상에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있고, 또한 집전체의 기계적 강도를 향상할 수 있기에, 집전체 및 전극 시트의 전류 통과 능력을 향상할 수 있고, 또한 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하여, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
보호층은, 집전체의 도전층의 두 개 표면에 설치된 것이 바람직하다. 도전층의 하부 보호층(즉 도전층의 지지층과 대향하는 표면에 설치된 보호층)은 도전층이 손상되는 것을 방지하고, 집전체의 기계적 강도를 향상할 수 있을 뿐만 아니라 지지층과 도전층 사이의 결합력을 향상하여, 필름 분리(즉 지지층과 도전층의 분리)를 방지할 수 있다.
도전층의 상부 보호층(즉 도전층의 지지층과 멀어지는 표면에 설치된 보호층)의 기술적 효과는, 주로 가공 과정에서 도전층의 파괴나 부식 등(예를 들어 전해액 침지, 롤 프레스 등은 모두 도전층의 표면에 영향을 줌)을 방지하는 것이다. 본원의 바람직한 전극 시트는, 도전성 언더코팅층에 의해, 롤 프레스, 권취 등 과정에서 일어날 수 있는 도전층의 균열을 보수하여, 도전성을 향상하고, 당해 복합 집전체가 집전체로서의 부족을 보충하므로, 도전층의 상부 보호층은 도전성 언더코팅층과 협동하여 도전층에 대한 보호 작용을 더 제공할 수 있어, 복합 집전체의 집전체로서의 도전 효과를 함께 개선할 수 있다.
금속 보호층은 양호한 도전성을 가지기에, 도전층의 기계적 강도 및 내식성을 더욱 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 전극 시트의 분극을 감소할 수 있다. 상기 금속 보호층의 재료는 예를 들어 니켈, 크롬, 니켈 기반 합금, 구리 기반 합금으로부터 선택되는 적어도 한 종류이며, 바람직하게는 니켈 또는 니켈 기반 합금이다.
그 중, 니켈 기반 합금은, 순 니켈을 베이스로 하고, 한 종류 또는 여러 종류의 다른 원소를 첨가하여 구성되는 합금이다. 바람직하게는 니켈 크롬 합금이고, 니켈 크롬 합금은 금속 니켈 및 금속 크롬으로 형성된 합금이며, 선택적으로 니켈 원소와 크롬 원소의 몰비는 1:99 내지 99:1이다.
구리 기반 합금은, 순 구리를 베이스로 하고, 한 종류 또는 여러 종류의 다른 원소를 첨가하여 구성되는 합금이다. 바람직하게는 구리 니켈 합금이며, 선택적으로, 구리 니켈 합금에서, 니켈 원소와 구리 원소의 몰비는 1:99 내지 99:1이다.
보호층에 금속 산화물을 사용하는 경우, 금속 산화물의 연신성이 작고 비표면적이 크며 경도가 크기에, 마찬가지로 도전층에 대해 효과적인 지지 및 보호를 형성할 수 있고, 지지층과 도전층 사이의 결합력의 개선에 대해 우수한 기술적 효과를 가질 수 있다. 금속 산화물 보호층의 재료는 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 코발트, 산화 크롬, 산화 니켈로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
본원의 복합 집전체는 정극 집전체로 사용되는 경우, 보호층에 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 의해 양호한 지지 및 보호의 기술적 효과를 달성함과 동시에, 정극 시트 및 전지의 안전 성능을 더욱 향상할 수 있으며; 본원의 복합 집전체는 부극 집전체로 사용되는 경우, 보호층에 금속을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 의해 양호한 지지 및 보호의 기술적 효과를 달성함과 동시에, 전극 시트의 도전성 및 전지의 동역학적 성능을 더욱 향상하고, 전지의 분극을 감소할 수 있으며; 본원의 복합 집전체는 부극 집전체로 사용되는 경우, 보호층이 금속 보호층과 금속 산화물 보호층의 2층 보호층을 포함하는 것이 보다 바람직하고, 바람직하게는 도전층의 표면에 금속 보호층을 설치하고, 금속 보호층의 표면에 금속 산화물 보호층을 더 설치하며, 상기 2층 보호층은, 부극 집전체의 도전 성능, 내부식 성능 및 기계적 파괴 방지 등 역할을 보다 잘 발휘할 수 있다.
보호층의 두께는 D3이고, D3은 D3≤1/10×D2 및 1nm≤D3≤200nm를 충족하는 것이 바람직하다. 보호층이 너무 얇으면 도전층을 보호하는 역할을 발휘할 수 없고, 보호층이 너무 두꺼우면 전지의 중량 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도를 감소할 수 있다. 보다 바람직하게는 5nm≤D3≤500nm이고, 더 바람직하게는 10nm≤D3≤200nm이며, 가장 바람직하게는 10nm≤D3≤50nm이다.
도전층의 두 개의 표면 상에 위치하는 보호층은, 재료가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있으며, 두께가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
바람직하게는, 하부 보호층의 두께는 상부 보호층의 두께보다 얇은 바, 이는 전지의 중량 에너지 밀도를 개선하는데 유리하다.
보다 바람직하게는, 하부 보호층의 두께(D3")와 상부 보호층의 두께(D3')의 비율 관계는 1/2×D3'≤D3"≤4/5×D3'이다.
집전체가 정극 집전체인 경우, 일반적으로 알루미늄을 도전층 재료로서 사용하고, 하부 보호층은 바람직하게는 금속 산화물 재료를 사용한다. 하부 보호층의 재료로서 금속 산화물 재료를 사용하는 경우, 금속을 사용하는 경우에 비해, 큰 저항을 가지기에, 해당 종류의 하부 보호층은 일정한 정도로 정극 집전체의 저항을 더 증대할 수 있고, 이에 의해, 전지가 이상 상황 하에서 단락이 발생될 때의 단락 저항을 더욱 향상하여, 전지의 안전 성능을 개선할 수 있다. 또한, 금속 산화물의 비표면적이 보다 크기에, 금속 산화물 재료의 하부 보호층과 지지층 사이의 결합력이 향상되며; 동시에, 금속 산화물의 비표면적이 보다 크기에, 하부 보호층은 지지층 표면의 거칠기를 증가할 수 있고, 도전층과 지지층 사이의 결합력을 향상하는 역할을 발휘하며, 이에 의해, 집전체 전체의 강도를 향상하고, 또한 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 향상하여, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
집전체가 부극 집전체인 경우, 일반적으로 구리를 도전층의 재료로서 사용하고, 보호층은 금속 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 적어도 한층의 금속 보호층을 포함한 것을 기반으로, 상부 보호층 및 하부 보호층 중 적어도 하나의 금속 산화물 보호층을 더 포함하며, 이에 의해, 부극 복합 집전체의 도전성 및 계면 결합력을 동시에 개선하고, 또한 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하며, 금속 입자의 생성을 줄일 수 있다.
집전체
도 1 내지 도 8은 본원의 일부 실시형태에 따른 전극 시트에 사용되는 집전체의 구조 개략도를 도시한다.
정극 집전체의 개략도는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같다.
도 1에 있어서, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101) 및 정극 집전체 지지층(101)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)을 포함하고, 또한 정극 집전체 도전층(102)의 하면(즉 정극 집전체 지지층(101)과 대향한 면)에 설치된 정극 집전체 보호층(103) 즉 하부 보호층을 포함한다.
도 2에 있어서, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101) 및 정극 집전체 지지층(101)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)을 포함하고, 또한 정극 집전체 도전층(102)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 집전체 보호층(103) 즉 하부 보호층과 상부 보호층을 포함한다.
도 3에 있어서, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101) 및 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)을 포함하고, 또한 정극 집전체 도전층(102)의 정극 집전체 지지층(101)과 대향한 면에 설치된 정극 집전체 보호층(103) 즉 하부 보호층을 포함한다.
도 4에 있어서, 정극 집전체 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101) 및 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)을 포함하고, 또한 정극 집전체 도전층(102)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 집전체 보호층(103) 즉 하부 보호층과 상부 보호층을 포함한다.
마찬가지로, 부극 집전체의 개략도는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같다.
도 5에 있어서, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201) 및 부극 집전체 지지층(201)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 집전체 도전층(202)을 포함하고, 또한 부극 집전체 도전층(202)의 부극 집전체 지지층(201)과 대향한 면에 설치된 부극 집전체 보호층(203) 즉 하부 보호층을 포함한다.
도 6에 있어서, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201) 및 부극 집전체 지지층(201)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 집전체 도전층(202)을 포함하고, 또한 부극 집전체 도전층(202)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 집전체 보호층(203) 즉 하부 보호층과 상부 보호층을 포함한다.
도 7에 있어서, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201) 및 부극 집전체 지지층(201)의 일면에 설치된 부극 집전체 도전층(202)을 포함하고, 또한 부극 집전체 도전층(202)의 부극 집전체 지지층(201)과 대향한 방향에 설치된 부극 집전체 보호층(203) 즉 하부 보호층을 포함한다.
도 8에 있어서, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201) 및 부극 집전체 지지층(201)의 일면에 설치된 부극 집전체 도전층(202)을 포함하고, 또한 부극 집전체 도전층(202)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 집전체 보호층(203) 즉 하부 보호층과 상부 보호층을 포함한다.
도전층의 두 개의 대향하는 표면에 위치하는 보호층은, 재료가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있으며, 두께가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
본원의 전극 시트에 사용되는 집전체는, 도 1, 도 2, 도 5, 도 6에 도시된 바와 같이, 지지층의 서로 대향하는 두 개의 표면에 모두 도전층이 설치되어 있을 수도 있고, 또는 도 3, 도 4, 도 7, 도 8에 도시된 바와 같이, 지지층의 일면에만 도전층이 설치될 수도 있다(도면에는 하부 보호층만을 포함하는 경우가 도시되어 있지만, 이해해야 할 점은, 상부 보호층만을 포함할 수도 있다는 것이다).
또한, 본원의 전극 시트에 사용되는 복합 집전체는, 도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 집전체 보호층을 포함하는 것이 바람직하지만, 이해해야 할 점은, 집전체 보호층은 집전체의 필요한 구성이 아니고, 일부 실시형태에서 사용되는 집전체는 집전체 보호층을 포함하지 않아도 된다는 것이다.
전극 시트의 전극 활성 재료층
전극 시트의 전극 활성 재료층은 복합 집전체의 하나 또는 두 개의 표면의 주요 부분에 설치된다(본원에서, 이 부분 영역은 집전체의 필름 영역으로 불리운다). 또한, 일부 바람직한 실시형태에 있어서, 복합 집전체와 전극 활성 재료층 사이에는 도전성 언더코팅층(후술)이 더 설치되어 있다. 본원의 전극 시트에 사용되는 전극 활성 재료층은 일반적으로 전극 활성 재료, 접착제 및 도전제를 포함한다. 수요에 따라, 전극 활성 재료층은 선택 가능한 기타 첨가제 또는 보조제를 더 포함할 수 있다.
정극 시트는 본 분야의 통상적인 다양한 전극 활성 재료(즉 정극 활성 재료)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 리튬 전지는 정극 활성 재료가, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 전이 금속 인산 염, 인산철 리튬 등으로부터 선택될 수 있지만, 본원은 이러한 재료에 한정되지 않고, 기타 리튬 이온 전지의 정극 활물질로서 사용되는 종래의 주지된 재료를 사용할 수도 있다. 이러한 정극 활성 재료는 한 종류만을 단독으로 사용할 수도 있고, 두 종류 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 바람직하게는, 정극 활성 재료는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811), LiNi0.85Co0.15Al0.05O2, LiFePO4, LiMnPO4에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이다.
부극 시트는 본 분야의 통상적인 다양한 전극 활성 재료(즉 부극 활성 재료)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 리튬 전지는, 부극 활성 재료가, 흑연(인조 흑연 또는 천연 흑연), 도전성 카본 블랙, 탄소 섬유 등과 같은 탄소 재질 재료; 예를 들어 Si, Sn, Ge, Bi, Sn, In 등과 같은 금속 또는 반금속 재료 또는 그 합금; 리튬 함유 질화물 또는 리튬 함유 산화물; 리튬 금속 또는 리튬 알루미늄 합금 등으로부터 선택될 수 있다.
본원의 전극 시트는, 전극 활성 재료층에서의 활성 재료의 평균 입경 D50은 5~15μm인 것이 바람직하다. D50이 너무 작으면, 압밀된 후, 전극 시트의 공극율이 작아, 전해액의 침윤에 불리하고, 또한, 그 큰 비표면적에 의해, 전해액과 많은 부반응을 발생하기 쉬워, 전지 코어의 신뢰성이 떨어질 수 있다. D50이 너무 크면, 전극 시트의 압밀 과정에서 도전성 언더코팅층 및 복합 집전체에 큰 손상을 주기 쉽다. D50은 활성 재료의 누적 부피 백분율이 50%에 도달할 때 대응되는 입경 즉 체적 분포 중간 입경이다. D50은 예를 들어 레이저 회절 입도 분포 측정기(예를 들어 Malvern Mastersizer 3000)를 이용하여 측정할 수 있다.
전극 활성 재료층에서의 도전제는 도전성 탄소 재료, 금속 재료 중 적어도 한 종류일 수도 있고, 그 중, 도전성 탄소 재료는, 예를 들어 아세틸렌 블랙이나 도전성 카본 블랙과 같은 0차원 도전성 탄소, 예를 들어 탄소 나노 튜브와 같은 1차원 도전성 탄소, 예를 들어 도전성 흑연이나 그래핀과 같은 2차원 도전성 탄소, 예를 들어 환원 후의 산화 그래핀과 같은 3차원 도전성 탄소로부터 선택되는 적어도 한 종류이며; 금속 재료는 알루미늄 분말, 철 분말 및 은 분말로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
전극 활성 재료층에서의 접착제는, 스티렌 부타디엔 고무, 유성 폴리 불화 비닐리덴(PVDF), 폴리 불화 비닐리덴 공중합체(예를 들어 PVDF-HFP 공중합체, PVDF-TFE 공중합체), 카르복시 메틸 셀룰로오스, 폴리 스티렌, 폴리 아크릴산, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌, 폴리 아크릴로 니트릴, 폴리 이미드, 수성 PVDF, 폴리 우레탄, 폴리 비닐 알코올, 폴리 아크릴산 에스테르, 폴리 아크릴산-폴리 아크릴로 니트릴 공중합체, 폴리 아크릴산 에스테르-폴리 아크릴로 니트릴 공중합체로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
당업자에게 널리 알려져 있는 바와 같이, 전극 활성 재료, 도전제 및 접착제 등으로 구성되는 슬러리를 전극 집전체(또는 전극 집전체에 미리 코팅된 언더코팅층)에 코팅하고, 또한 건조 등 후처리를 거쳐 원하는 전극 활성 재료층을 얻을 수 있다.
종래의 전극 시트에는 한 층 또는 여러 층의 전극 활성 재료층이 코팅될 수 있으나, 단층 코팅이든 다층 코팅이든, 전극 시트 표면 전체의 코팅 영역 내에, 전극 활성 재료층이 일반적으로 균일하게 코팅되고, 또한 냉간 압연(롤 프레스) 조작도 전극 시트 표면 전체에 대해 수행되는 바, 이에 의해 얻어지는 전극 시트의 전극 활성 재료층의 압밀도도 거의 일치하고, 현저한 차이가 없다.
본원의 일부 바람직한 실시형태에 따른 전극 시트는, 상기 전극 시트의 코팅된 표면의 폭 방향에서 관찰하면, 전극 활성 재료층은, 압밀도를 기반으로 2n+1(n=1, 2 또는 3)) 개의 영역을 포함하고, 또한 중간 영역의 압밀도는 양측 영역의 압밀도보다 높으며, 바람직하게는 n=1이다. 바람직한 실시형태를 예로 하면, 전극 활성 재료층은 압밀도를 기반으로 3 개의 영역을 포함하고, 또한 중간 영역의 압밀도는 양측 영역의 압밀도보다 높다. 냉간 압연(롤 프레스) 등 과정 후에, 전극 시트는 양측 영역의 압밀도가 낮으나 중간 영역의 압밀도가 높으며, 다시 말해서 냉간 압연(롤 프레스) 등 과정에서 전극 시트의 양측 영역에 인가되는 압력이 중간 영역보다 작으며, 이에 의해 전극 시트의 가공 과정에서 복합 집전체 리바운드에 의해 생성되는 복합 집전체 및 전극 시트의 가장자리의 와핑 및 절곡을 방지할 수 있고, 평탄한 표면의 전극 시트를 형성하는데 유리하며, 전기 화학 장치의 전기 화학적 성능을 보장하는데 유리하다. 또한, 도전층을 보호하여 파손되기 어렵도록 하는데 유리하기에, 전극 시트의 양호한 전류 통과 능력을 보장하고, 또한 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하며, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
본원에 있어서, 전극 시트의 표면의 "길이 방향" 및 "폭 방향"은 각각 표면의 두 개의 차원을 가리키며, 여기서, 길이 방향은 주요한 차원 방향(즉 사이즈가 상대적으로 큰 방향)을 가리키고, 폭 방향은 다음으로 주요한 차원 방향(즉 사이즈가 상대적으로 작은 방향)을 가리킨다. 일반적으로, 길이 방향은 전극 시트의 가공 과정에서의 각 재료층(예를 들어 전극 활성 재료층)의 코팅 방향과 일치하고, 전기 화학 장치(예를 들어 전지)의 제조 과정에서의 전극 시트의 권취 방향과 일치하며, 폭 방향은 길이 방향에 수직인 방향이다.
본원에 따른 압밀도를 기반으로 하는 활성 재료층의 2n+1 개의 영역의 형성은, 구획 코팅 방법을 사용하여 구현할 수 있는 바, 즉 배리어 또는 스페이서를 이용하여 전극 시트의 표면 상에서 상이한 영역(또는 경계)를 구획하고, 각 영역에 상이한 중량의 전극 활성 재료 슬러리를 코팅함으로써, 롤 프레스 후에 상이한 압밀도의 활성 재료층 영역을 형성한다. 또한, 양측 영역의 압밀도는 동일한 것이 바람직하고, 이러한 설계는 전극 시트의 평탄도를 보다 잘 보장하는데 유리하다.
본원의 일부 바람직한 실시형태에 따른 전극 시트는, 전극 활성 재료층의 총 중량을 기반으로, 전극 활성 재료층에서의 접착제의 함량이 1wt% 이상인 것이 바람직하고, 1.5wt% 이상인 것이 보다 바람직하며, 2wt% 이상인 것이 가장 바람직하다. 본원의 전극 시트는, 전극 활성 재료층에서의 접착제의 함량이 높은 경우, 활성 재료층과 복합 집전체 사이의 결합력을 향상할 수 있기에, 가공 과정에서 지지층의 큰 리바운드에 의해 복합 집전체와 전극 활성 재료층 사이의 결합력이 열화되는 것을 억제하고, 이에 의해, 전극 활성 재료층이 복합 집전체와 분리하기 어렵도록 보장할 수 있다. 양자 사이의 결합력이 부족하면, 전지의 내부 저항이 크고 분극이 커져, 전기 화학적 성능이 떨어진다. 또한, 활성 재료층은, 못관통 등 이상 상황 하에서, 높은 결합력에 의해, 도전층에 생성되는 금속 버얼(Burr)을 효과적으로 감쌀 수 있으므로, 전지의 못관통 안전 성능을 개선할 수 있다. 접착제의 함량이 이 범위 내에 유지되는 경우, 활성 재료층과 집전체 사이의 결합력이 높기에, 못관통 등 이상 상황 하에서, 활성 재료층이 도전층에 생성되는 금속 버얼(Burr)을 더 효과적으로 감쌀 수 있으므로, 전지의 못관통 안전 성능을 향상할 수 있다.
전극 시트의 도전성 언더코팅층
본원에 있어서, 복합 집전체의 표면은, 코팅 재료 및 위치의 차이에 따라 3 개의 영역으로 구획될 수 있는 바, 이 3 개의 영역은, 본체부에 위치하고 또한 전극 활성 재료층을 설치하는데 사용되는 필름 영역과; 가장자리 부분에 위치하고 또한 전기 연결 부재(탭이라고도 칭함)을 용접하는데 사용되는 중계 용접 영역과; 양자 사이의 전이 영역으로서의 연장 영역;을 포함한다.
본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 복합 집전체 연장 영역의 집전체의 표면 또는 상기 필름 영역의 복합 집전체의 표면에는, 접착제 및 도전성 재료를 포함하는 도전성 언더코팅층이 설치되어 있다. 바람직하게는, 상기 연장 영역의 표면 및 상기 필름 영역의 복합 집전체 표면에는 모두, 접착제 및 도전성 재료를 포함하는 도전성 언더코팅층이 설치되어 있다. 중계 용접 영역에서의 집전체의 도전층의 표면(일반적으로는 용접 흔적의 하측)에는, 경우에 따라 도전성 언더코팅층을 설치하거나 설치하지 않을 수 있다(조작하기 쉽게 하기 위해, 먼저 탭을 용접하고 그 다음 재료층을 설치하면, 도전성 언더코팅층을 설치하지 않아도 되고, 반대로, 먼저 재료층을 설치하고 그 다음 탭을 용접하면, 도전성 언더코팅층을 설치할 수도 있고 도전성 언더코팅층을 설치하지 않을 수도 있다).
도전성 언더코팅층은 복합 집전체의 계면을 개선할 수 있고, 복합 집전체의 도전성이 낮고 전류 통과 능력이 낮으며 또한 복합 집전체의 도전층이 파손되기 쉬운 등 결점을 잘 극복할 수 있어, 집전체의 표면을 효과적으로 보수하고, 또한 집전체, 도전성 언더코팅층과 활물질 사이의 도전 네트워크를 구축함으로써, 전자 수송 효율을 향상하고, 집전체와 전극 활성 재료층의 저항을 감소하기에, 전지 코어의 직류 내부 저항을 효과적으로 감소하고, 전지 코어의 전력 성능을 향상하며, 전지 코어가 장기간 사이클 과정에서 큰 분극 및 리튬 석출 등 현상이 발생하기 어렵도록 보장하는 바, 즉 전지 코어의 장기간 신뢰성을 효과적으로 개선한다. 또한, 복합 집전체의 필름 영역에서의 집전체 표면과 전극 활성 재료층 사이의 도전성 언더코팅층은, 집전체와 활물질 사이의 접착력을 향상할 수 있고, 전극 활성 재료층이 복합 집전체의 표면에 견고하게 설치되도록 보장할 수 있다. 또한, 도전성 언더코팅층은 전극 시트의 전류 통과 능력 및 전기 화학적 성능을 개선할 수 있고, 도전성 언더코팅층은 도전층의 계면을 개선함으로써, 전극 시트 전체에서 전자를 보다 유창하게 전도할 수 있고, 분극을 감소하고 전극 시트의 전류 통과 능력을 증가할 수 있으며, 전극 시트에서의 전류 분포가 불균일하고 국부적인 분극이 큰 문제를 양호하게 해결할 수 있다.
도전성 언더코팅층은 도전성 재료 및 접착제를 포함한다. 상기 도전성 언더코팅층의 총중량을 기반으로 하면, 도전성 재료의 중량 백분율은 10%~99%이고, 20%~80%인 것이 바람직하고, 50%~80%인 것이 보다 바람직하며; 상기 접착제의 중량 백분율은 1%~90%이고, 20%~80%인 것이 바람직하고, 20%~50%인 것이 보다 바람직하다. 이 비율은 전극 시트의 도전성 및 집전체와 전극 활성 재료층의 결합력의 개선에 유리하다. 상기 도전성 언더코팅층은 도전성 재료 및 접착제 이외에, 선택 가능한 기타 첨가제 또는 보조제를 더 포함할 수 있다.
도전성 재료는, 도전성 탄소 재료, 금속 재료 중 적어도 한 종류이며, 도전성 언더코팅층에서의 도전성 재료와 활성 재료층에서의 도전제는 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
전도성 탄소 재료는 0차원 전도성 탄소(예를 들어 아세틸렌 블랙, 전도성 카본 블랙), 1차원 전도성 탄소(예를 들어 탄소 나노 튜브), 2차원 전도성 탄소(예를 들어 전도성 흑연, 그래핀), 3차원 전도성 성 탄소(예를 들어 환원 후의 산화 그래핀) 중 적어도 한 종류이다. 금속 재료는 알루미늄 분말, 철 분말 및 은 분말로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
바람직한 도전성 재료는 1차원 도전성 탄소 재료 또는 2차원 도전성 탄소 재료를 포함한다. 2차원 도전성 탄소 재료를 첨가한 후, 전극 시트의 압밀 과정에서, 도전성 언더코팅층에서의 2차원 도전성 탄소 재료는, "수평 슬라이드"를 발생할 수 있기에, 완충 작용을 하고, 압밀 과정에서 집전체의 도전층에 대한 파괴를 감소하고, 또한 균열을 감소할 수 있다. 바람직한 2차원 전도성 탄소 재료의 입경 D50은 0.01~0.1μm이다. 바람직하게는, 상기 도전성 재료에서의 2차원 도전성 탄소 재료의 비율은 1wt%~50wt%이다. 또한, 1차원 도전성 탄소 재료의 형태가 특수하기에, 첨가 후에 도전성 언더코팅층의 도전성을 개선할 수 있는 바, 특히 도전성 재료의 첨가량이 일정한 경우, 1차원 도전성 탄소 재료는 기타 종류의 도전성 재료에 비해, 도전성 언더코팅층의 도전성을 보다 양호하게 개선할 수 있다. 카본 나노 튜브인 것이 바람직하고, 그 길이 직경비는 1000~5000인 것이 바람직하다.
바람직한 도전성 재료는 0차원 도전성 탄소 재료와 1차원 도전성 탄소 재료의 혼합 재료, 또는 0차원 도전성 탄소 재료와 2차원 도전성 탄소 재료의 혼합 재료이다.
도전성 언더코팅층에서의 접착제와 활성 재료층에서의 접착제는 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
도전성 언더코팅층에서의 접착제는, 스티렌 부타디엔 고무, 유성 폴리 불화 비닐리덴(PVDF), 폴리 불화 비닐리덴 공중합체(예를 들어 PVDF-HFP 공중합체, PVDF-TFE 공중합체), 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨, 폴리 스티렌, 폴리 아크릴산, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌, 폴리 아크릴로 니트릴, 폴리 이미드, 수성 PVDF, 폴리 우레탄, 폴리 비닐 알코올, 폴리 아크릴레이트, 폴리 아크릴산-폴리 아크릴로 니트릴 공중합체, 폴리 아크릴산 에스테르-폴리 아크릴로 니트릴 공중합체로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
도전성 언더코팅층에서의 접착제는, 수성 접착제인 것이 바람직하고, 예를 들어 수성 PVDF, 폴리 아크릴산, 폴리 우레탄, 폴리 비닐 알코올, 폴리 아크릴산 에스테르, 폴리 아크릴산-폴리 아크릴로 니트릴 공중합체, 폴리 아크릴산 에스테르-폴리 아크릴로 니트릴 공중합체 중 적어도 한 종류가 바람직하고, 이는 전기 화학 장치의 DCR(Direct Current Resistance, 직렬 저항) 증가를 감소한다.
본원에 있어서, "수성"고분자 재료는, 고분자쇄가 완전히 전개되어 물 중에 분산되는 것을 가리키고, "유성"고분자 재료는, 고분자쇄가 완전히 전개되어 유성 용제 중에 분산되는 것을 가리킨다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 적절한 계면 활성제를 사용함으로써, 동일한 유형의 고분자 재료를 각각 물과 오일 중에 분산할 수 있는 바, 즉 적절한 계면 활성제를 사용함으로써, 동일한 유형의 고분자 재료를 각각 수성 고분자 재료 및 유성 고분자 재료로 할 수 있다. 예를 들어, 당업자는 필요에 따라 PVDF를 수성 PVDF 또는 유성 PVDF로 변성할 수 있다.
도전성 언더코팅층의 단면 두께 H는 0.1μm 내지 5μm인 것이 바람직하다. 바람직하게는 H/D2는 0.5:1 내지 5:1이다. 비율이 너무 작으면, 도전층의 균열을 개선하고 전극 시트의 도전 성능을 개선하는 역할을 효과적으로 발휘할 수 없으며, 비율이 너무 크면, 전지의 중량 에너지 밀도를 감소할 뿐만 아니라 전지의 DCR도 증대하기에, 전지의 동역학적 성능의 개선에 불리하다.
본원의 전극 시트에 있어서, 상기 집전체의 필름 영역에서의 도전성 언더코팅층과 상기 집전체의 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층의 재료는, 조성이 동일할 수도 있고 상이할 수도 있으며, 두께가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
본원의 또 다른 바람직한 실시예에서, 복합 집전체의 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층의 두께는 필름 영역의 도전성 언더코팅층의 두께보다 크거나, 또는, 복합 집전체의 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층의 도전성 재료 함량은 필름 영역에서의 도전성 언더코팅층의 도전성 재료 함량보다 높다. 이러한 구성에 의해, 집전체의 연장 영역에서의 전류 통과 능력을 보다 양호하게 개선할 수 있고, 전극 시트 전체가 높은 중량 에너지 밀도를 갖도록 보장할 수 있다.
전극 시트의 지지 보호층
상기 전극 시트는 연장 영역에 위치하는 지지 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 지지 보호층은 상기 집전체의 표면에 직접 설치되거나; 또는, 연장 영역의 외부에 도전성 언더코팅층이 추가로 설치된 경우, 도전성 언더코팅 층의 표면에 설치될 수 있다.
복합 집전체를 사용하기에, 연장 영역에서의 집전체는 종래의 금속 집전체에 비해 도전층이 얇으므로, 예를 들어 도전층의 파손, 단열 등과 같은 파괴가 발생하기 쉽다. 또한, 유기 지지층의 존재에 의해, 연장 영역의 집전체에는 절곡, 변형 등이 발생하기 쉽기에, 중계 용접 영역에서의 용접 품질에 영향을 미친다. 따라서, 복합 집전체의 연장 영역에 지지 보호층을 설치한 경우, 복합 집전체의 연장 영역에서의 기계적 강도 및 경도를 개선하고, 집전체의 연장 영역에서의 절곡, 변형의 발생을 방지하며, 연장 영역에서의 도전층의 파손을 방지할 수 있으므로, 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하고, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
지지 보호층은 유기 절연층 또는 무기 절연층이다.
유기 절연층은 절연성 테이프층 또는 절연성 접착제 코팅층으로부터 선택될 수 있다. 그 중, 절연성 접착제 코팅층은, 예를 들어 폴리 불화 비닐리덴층, 폴리 디불화 비닐리덴층, 불화 비닐리덴-헥사 플루오로 프로필렌 공중합체층, 스티렌 부타디엔 고무층, 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨층, 폴리 아크릴산층, 폴리 아크릴산 나트륨층, 폴리 에틸렌 옥사이드층, 폴리 비닐 알코올층으로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
무기 절연층은, 산화 알루미늄층, 산화 마그네슘층, 산화 아연층, 산화 규소층, 산화 티탄층, 산화 지르코늄층, 질화 알루미늄층, 질화 규소층, 불화 칼슘층, 불화 바륨층으로부터 선택되는 적어도 한 종류일 수 있다.
상기 무기 절연층은 절연성 충전제(바람직하게는 무기 절연 입자) 및 접착제를 포함할 수 있으며, 그 중에서 바람직한 무기 절연 입자는, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 아연, 산화 규소, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 질화 알루미늄, 질화 규소, 불화 칼슘, 불화 바륨 중 적어도 한 종류이며, 바람직한 접착제는, 폴리 불화 비닐리덴, 폴리 디불화 비닐리덴, 불화 비닐리덴-헥사 플루오로 프로필렌 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무, 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨, 폴리 아크릴산, 폴리 에틸렌 옥사이드, 폴리 비닐 알코올 중 적어도 한 종류이다. 무기 절연층에서의 절연성 충전제의 함량률은, 일반적으로 50wt% 이상이고, 50wt%~98wt%인 것이 바람직하며, 80wt%~98wt%인 것이 가장 바람직하고, 이에 의해, 해당 층이 일정한 경도 및 기계적 강도를 갖도록 보장하고, 접착제의 함량률은 일반적으로 50wt% 미만이며, 2wt%~50wt%인 것이 바람직하고, 2wt%~20wt%인 것이 가장 바람직하다.
전극 시트의 내부 단락 방지 보호층
본원의 전극 시트의 하나의 중요한 특징으로서, 상기 전극 시트는 내부 단락 방지 보호층을 더 포함하고, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유기 절연층이고 또한 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 상기 연장 영역의 적어도 일부를 커버한다.
본원에 있어서, 상기 내부 단락 방지 보호층이 "상기 연장 영역의 적어도 일부"를 커버하는 것은, 연장 영역에 도전성 언더코팅층 또는 지지 보호층이 형성되어 있는 경우, 내부 단락 방지 보호층이, 상기 연장 영역의 도전성 언더코팅층 또는 지지 보호층의 적어도 일부를 커버하고, 연장 영역에 임의의 코팅층이 형성되어 있지 않은 경우, 내부 단락 방지 보호층이 상기 연장 영역의 복합 집전체 표면의 적어도 일부를 커버하는 것을 가리킨다.
예를 들어, 상기 내부 단락 방지 보호층은 투명 절연성 테이프, 유색 절연성 테이프, 투명 절연성 접착제 코팅층, 유색 절연성 접착제 코팅층 중 적어도 한 종류일 수 있다. 상기 투명 절연성 접착제 코팅층 또는 유색 절연성 접착제 코팅층은, 예를 들어 페놀 수지층, 폴리 염화 비닐층, 폴리 스티렌층, 폴리 에틸렌 수지층, 에폭시 수지층, 폴리 아닐린층, 폴리 피롤층, 폴리 아세틸렌층 및 폴리 이미드층으로부터 선택되는 적어도 한 종류이다.
상술한 바와 같이, 상기 내부 단락 방지 보호층의 존재는, 중계 용접 영역의 금속 입자가 필름 영역에 떨어지는 것을 방지할 수 있고, 복합 집전체를 사용하는 전기 화학 장치의 전기 화학적 성능 및 안전성을 크게 향상할 수 있다.
바람직하게는, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층으로부터 선택된다.
상기 내부 단락 방지 보호층이 유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층인 경우, 그 장점은 레이저 절단에 의해 탭을 형성할 때의 절단 효율을 개선할 수 있다는 것이다.
전극 시트를 가공할 때, 제조 효율을 향상하기 위해, 일반적으로 먼저 복합 집전체와 전기 연결 부재를 전기적으로 연결하고, 그 다음, 중계 용접 영역에서 내부 단락 방지 보호층을 코팅하고, 마지막으로 필요에 따라 중계 용접 영역, 전기 연결 부재 및 선택 가능한 복합 집전체의 연장 영역에 대해 레이저 절단을 수행하여 탭 형상을 형성한다.
고분자 재료 또는 고분자 복합 재료를 함유하여 지지층으로 하는 복합 집전체는, 탭의 성형 과정에 있어서, 종래의 블레이드 금형에 의한 성형 절단을 수행하는 경우, 칼면에 부착 현상이 발생하기 쉽고; 레이저에 의한 성형 절단을 이용하는 경우, 저전력 레이저를 사용하면, 접착이 발생하기 쉽고 절단 효율이 낮으며, 레이저 전력을 향상하면 금속층의 타거나 폴리머층의 용융과 같은 불량 현상이 발생한다.
따라서, 상기 내부 단락 방지 보호층이 유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층으로부터 선택되는 경우, 내부 단락 방지 보호층의 투광율이 작으면, 보다 많은 레이저 에너지를 흡수할 수 있으므로, 복합 집전체에 대한 절단 효율의 개선에 유리하다.
유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층을 얻기 위해, 바람직하게는 절연성 테이프 또는 절연성 접착제 코팅층에 착색제를 첨가하여 구현할 수 있다. 즉, 상기 유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층에 착색제를 함유하는 것이 바람직하고, 상기 착색제는 카본 블랙, 코발트 블루, 군청, 산화철, 카드뮴 레드, 크롬 오렌지, 몰리브덴 오렌지, 카드뮴 옐로우, 크롬 옐로우, 니켈 티타늄 옐로우, 티타늄 화이트, 리토폰, 아연화, 프탈로 시아닌계 안료, 아조계 안료, 안트라 퀴논계 안료, 인디고이드계 안료 및 금속 착체 안료로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이며, 바람직하게는, 카본 블랙이다.
전극 시트
본원의 전극 시트는 본 분야의 통상적인 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 먼저 복합 집전체를 준비하고, 도전성 언더코팅층용 슬러리를 제조하며, 도전성 언더코팅층용 슬러리를 복합 집전체의 하나 또는 두 개의 표면에 코팅한다. 건조한 후, 전극 활성 재료층용 슬러리를 코팅하고, 그 후 건조한다. 마지막으로, 후처리, 전기 연결 부재의 용접 및 내부 단락 방지 보호층의 형성을 거쳐, 필요한 전극 시트를 얻는다. 일부 실시형태에서, 먼저 복합 집전체에 전기 연결 부재를 용접한 후, 도전성 언더코팅층 및 전극 활성 재료층을 형성할 수 있다.
도 9 내지 도 16은 본원의 일부 실시형태에 따른 전극 시트 필름 영역의 구성 단면 개략도를 도시한다.
정극 시트 필름 영역의 개략도는 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같다.
도 9에 있어서, 정극 시트는 필름 영역에서, 정극 집전체(10) 및 정극 집전체(10)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 활성 재료층(11)을 포함하고, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101), 정극 집전체 지지층(101)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 집전체 도전층(102) 및 정극 도전층(102)의 일측 또는 양측에 설치된 정극 보호층(103)(미도시)를 포함한다.
도 10에 있어서, 정극 시트는 필름 영역에서, 정극 집전체(10) 및 정극 집전체(10)의 일면에 설치된 정극 활성 재료층(11)을 포함하고, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101), 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102) 및 정극 도전층(102)의 일측 또는 양측에 설치된 정극 보호층(103)(미도시)를 포함한다.
도 11에 있어서, 정극 시트(PP)는 필름 영역에서, 정극 집전체(10)와, 정극 집전체(10)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 도전성 언더코팅층(12) 및 정극 활성 재료층(11)을 포함하고, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101) 및 정극 집전체 지지층(101)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)을 포함한다.
도 12에 있어서, 정극 시트(PP)는 필름 영역에서, 정극 집전체(10)와, 정극 집전체(10)의 일면에 설치된 도전성 언더코팅층(12) 및 정극 활성 재료층(11)을 포함하고, 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101) 및 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)을 포함한다.
부극 시트 필름 영역의 개략도는 도 13 내지 도 16에 도시된 바와 같다.
도 13에 있어서, 부극 시트는 필름 영역에서, 부극 집전체(20) 및 부극 집전체(20)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 활성 재료층(21)을 포함하고, 부극 집전체(20)는 부극 집집전체 지지층(201)과, 부극 집전체 지지층(201)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 집전체 도전층(202) 및 부극 도전층(202)의 일측 또는 양측에 설치된 부극 보호층(203)(미도시)를 포함한다.
도 14에 있어서, 부극 시트는 필름 영역에서, 부극 집전체(20) 및 부극 집전체(20)의 일면에 설치된 부극 활성 재료층(21)을 포함하고, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201)과, 부극 집전체 지지층(201)의 일면에 설치된 부극 집전체 도전층(202) 및 부극 도전층(202)의 일측 또는 양측에 설치된 부극 보호층(203)(미도시)를 포함한다.
도 15에 있어서, 부극 시트(NP)는 필름 영역에서, 부극 집전체(20)와, 부극 집전체(20)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 도전성 언더코팅층(22) 및 부극 활성 재료층(21)을 포함하고, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201) 및 부극 집전체 지지층(201)의 서로 대향하는 두 개의 표면에 설치된 부극 집전체 도전층(202)을 포함한다.
도 16에 있어서, 부극 시트(NP)는 필름 영역에서, 부극 집전체(20)와, 부극 집전체(20)의 일면에 설치된 도전성 언더코팅층(22) 및 부극 활성 재료층(21)을 포함하고, 부극 집전체(20)는 부극 집전체 지지층(201) 및 부극 집전체 지지층(201)의 일면에 설치된 부극 집전체 도전층(202)을 포함한다.
도 9 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 전극 활성 재료층은, 집전체의 일면에 형성될 수도 있고 집전체의 두 개의 표면에 설치될 수도 있다.
당업자라면 이해할 수 있다시피, 양면(兩面) 도전층이 설치된 집전체를 사용하는 경우, 전극 시트는 양면 코팅(즉 전극 활성 재료층이 집전체의 두 개의 표면에 설치되어 있음)일 수도 있고, 단면 코팅(즉 전극 활성 재료층이 집전체의 일면에만 설치되어 있음)일 수도 있고, 단면 도전층만 설치된 집전체를 사용하는 경우, 전극 시트도 단면 코팅일 수 있으며, 전극 활성 재료층(및 도전성 언더코팅층)은 집전체에서의 도전층이 설치되어 있는 일면에만 코팅될 수 있다.
필요에 따라, 복합 집전체 표면에서의 도전성 언더코팅층, 지지 보호층 및 내부 단락 방지 코팅층의 분포 레이아웃은, 다양한 설계를 가질 수 있고, 이하에서는 도 17a 내지 17d 및 도 18a 내지 18e를 참조하여 상세히 설명한다.
도 17a는 본원의 일 특정 실시형태의 정극 시트의 평면도를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트는 복합 집전체(10)와, 가장자리 부분에서 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결된 복수의 전기 연결 부재(탭)(511)을 포함한다. 집전체(10)는 그 본체부에 위치하는 필름 영역(A)에 활성 재료층(및 선택 가능한 도전성 언더코팅층)이 설치되어 있다. 집전체(10) 및 탭(511)이 용접에 의해 중첩되는 영역이, 중계 용접 영역(C)으로 된다. 필름 영역(A) 및 중계 용접 영역(C) 이외의 전이 영역은 연장 영역(B)이며, 연장 영역(B)의 표면에는 활성 재료층이 설치되어 있지 않지만, 도전성 언더코팅층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있으며, 지지 보호층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있다.
도 17b는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 평면도를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트는, 복합 집전체(10) 및 복수의 가장자리 돌출부에서 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 전기 연결 부재(탭)(511)을 포함한다. 집전체(10)는, 그 본체부에 위치하는 필름 영역(A)에 활성 재료층(및 선택 가능한 도전성 언더코팅층)이 설치되어 있는 바, 즉 모든 본체부를 필름 영역(A)으로 한다. 집전체(10)의 일부 돌출부를 연장 영역(B)으로 하고, 연장 영역(B)의 표면에는 활성 재료층이 설치되어 있지 않지만, 도전성 언더코팅층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있으며, 지지 보호층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있으며, 탭(511)과 연장 영역(B)이 겹치는 영역이 중계 용접 영역(C)이다.
도 17c는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 평면도를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트는 복합 집전체(10)와, 복수의 가장자리 돌출부에서 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 전기 연결 부재(탭)(511)을 포함한다. 집전체(10)의 본체부의 대부분 영역을 필름 영역(A)으로 하고 있지만, 가장자리 부분에 남아 있는 막대기 형상의 영역과 일부 돌출부를 모두 연장 영역(B)으로 한다. 필름 영역(A)에는 활성 재료층(및 선택 가능한 도전성 언더코팅층)이 설치되고, 연장 영역(B)의 표면에는 활성 재료층이 설치되어 있지 않지만, 도전성 언더코팅층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있으며, 지지 보호층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있다. 탭(511)과 연장 영역(B)이 겹치는 영역이 중계 용접 영역(C)이다.
도 17d는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 평면도를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트는 복합 집전체(10)와, 가장자리 부분에서 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결된 스트립 형상의 전기 연결 부재(511)를 포함한다. 집전체(10)는, 그 본체부에 위치하는 필름 영역(A)에 활성 재료층(및 선택 가능한 도전성 언더코팅층)이 설치되어 있다. 집전체(10)와 전기 연결 부재(511)가 용접에 의해 겹치는 영역이 중계 용접 영역(C)이다. 필름 영역(A)과 중계 용접 영역(C) 사이의 전이 영역이 연장 영역(B)이고, 연장 영역(B)의 표면에는 활성 재료층이 설치되어 있지 않지만, 도전성 언더코팅층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있으며, 지지 보호층을 설치할 수도 있고 설치하지 않을 수도 있다.
도 18a는 도 17a 내지 도 17d에 도시된 일부 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도(예를 들어 도 17c의 X-X 단면도)를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트(PP)는 복합 집전체(10)와, 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재(511)를 포함한다. 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101)과, 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102)과, 정극 도전층(102)의 일측 또는 양측에 설치된 정극 보호층(103)(미도시)를 포함한다. 도 17c에 도시한 바와 같이, 정극 집전체(10)는 그 표면에 설치된 재료층의 차이에 따라, 필름 영역(A), 연장 영역(B) 및 중계 용접 영역(C)과 같은 3개의 영역으로 구획된다. 필름 영역(A)은 정극 집전체(10) 표면의 주요 부분을 차지하고, 그 위에는 도전성 언더코팅층(12) 및 정극 활성 재료층(11)이 순차적으로 형성되어 있으며, 중계 용접 영역(C)은 정극 집전체(10)와 전기 연결 부재(511) 사이의 전기 연결 계면을 제공한다. 정극 시트(PP)는 내부 단락 방지 보호층(15)을 더 포함하고, 내부 단락 방지 보호층(15)은 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재(511) 및 연장 영역(B)에서의 도전성 언더코팅층(12)의 일부를 커버한다.
도 18b는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트(PP)는 복합 집전체(10)와, 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재(511)를 포함한다. 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101)과, 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102) 및 정극 도전층(102)의 일측 또는 양측에 설치된 정극 보호층(103)(미도시)를 포함한다. 정극 집전체(10)는 그 표면에 설치된 재료층의 차이에 따라, 필름 영역(A), 연장 영역(B) 및 중계 용접 영역(C)과 같은 3개의 영역으로 구획될 수 있으며, 필름 영역(A)은 정극 집전체(10) 표면의 주요 부분을 차지하고, 그 위에는 정극 활성 재료층(11)이 형성되어 있고, 중계 용접 영역(C)은 정극 집전체(10)와 전기 연결 부재(511)와 사이의 전기 연결 계면을 제공하며, 연장 영역(B)의 표면에는 정극 활성 재료층(11)이 설치되지 않는다. 정극 시트(PP)는 하나의 내부 단락 방지 보호층(15)을 더 포함하고, 내부 단락 방지 보호층(15)은 중계 용접 영역의 전기 연결 부재(511) 및 연장 영역(B)의 집전체 표면의 일부를 커버한다.
도 18c는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 정극 시트(PP)는 복합 집전체(10) 및 용접에 의해 집전체(10)에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재(511)를 포함한다. 정극 집전체(10)는 정극 집전체 지지층(101)과, 정극 집전체 지지층(101)의 일면에 설치된 정극 집전체 도전층(102) 및 정극 도전층(102)의 일측 또는 양측에 설치된 정극 보호층(103)(미도시)를 포함한다. 정극 집전체(10)는 그 표면에 설치된 재료층의 차이에 따라, 필름 영역(A), 연장 영역(B) 및 중계 용접 영역(C)과 같은 3개의 영역으로 구획될 수 있고, 필름 영역(A)은 정극 집전체(10) 표면의 주요 부분을 차지하며, 그 위에는 도전성 언더코팅층(12) 및 정극 활성 재료층(11)이 순차적으로 형성되어 있고, 중계 용접 영역(C)은, 정극 집전체(10)와 전기 연결 부재(511)와 사이의 전기 연결 계면을 제공하며, 연장 영역(B)의 표면에는 정극 활성 재료층(11)이 설치되지 않는다. 정극 시트(PP)는 하나의 내부 단락 방지 보호층(15)을 더 포함하고, 내부 단락 방지 보호층(15)은 중계 용접 영역의 전기 연결 부재(511) 및 연장 영역(B)의 집전체 표면의 일부를 커버한다.
도 18d는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도를 개략적으로 도시한다. 당해 정극 시트(PP)는 도 18b에 도시된 정극 시트의 구조와 유사한 바, 그 상이점은, 연장 영역(B)에서의 집전체 표면에는 지지 보호층(17)이 설치되어 있고, 내부 단락 방지 보호층(15)은 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재(511) 및 연장 영역(B)에서의 지지 보호층(17) 표면의 일부를 커버하고 있다는 것이다.
도 18e는 본원의 다른 일 특정 실시형태의 정극 시트의 구성 단면 개략도를 개략적으로 도시한다. 당해 정극 시트(PP)는 도 18d에 도시된 정극 시트의 구조와 유사한 바, 그 상이점은, 필름 영역(A) 및 연장 영역(B)에서의 집전체 표면에는 도전성 언더코팅층(12)이 설치되어 있고, 정극 활성 재료층(11) 및 지지 보호층(17)은 도전성 언더코팅층(12)의 표면에 형성되어 있다는 것이다.
도 18a~도 18e는 하나의 도전층을 구비한 단면 복합 집전체를 사용하는 정극 시트의 구조 개략도를 도시한다. 하지만, 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본원의 전극 시트는 또한 두 개의 도전층을 구비한 양면 복합 집전체를 사용할 수도 있고, 이때 도전성 언더코팅층, 지지 보호층, 정극 활성 재료층, 내부 단락 방지 보호층도 복합 집전체의 두 개의 표면에 설치되어 있다. 또한, 당업자라면 이해할 수 있다시피, 부극 시트에도 유사한 설계를 수행할 수 있다.
또한, 전극 활성 재료 슬러리의 코팅은, 종래의 균일한 코팅, 또는 복합 집전체의 특성에 따라 특수한 구획 코팅 방식을 사용하여 코팅할 수 있다. 본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 전극 시트의 전극 활성 재료층은 압밀도를 기반으로, 전극 시트의 폭 방향(즉 코팅 방향에 수직인 방향)에 따라 분포되는 2n+1 개(n=1, 2 또는 3, 바람직하게는 n=1)의 영역을 포함하고, 또한 중간 영역의 압밀도가 양측 영역의 압밀도보다 높으며, 이러한 특수한 구획 설계는 롤 프레스 등에 의한 복합 집전체 및 전극 시트의 절곡 및 가장자리 와핑을 효과적으로 억제할 수 있기에, 전극 시트가 롤 프레스된 후에도 양호한 전극 시트의 평탄도를 유지할 수 있도록 하고, 전극 시트의 내부 저항이 크고 분극이 큰 등 기술적 문제를 해소하거나 또는 감소하며, 또한 도전층이 손상되기 어려우므로, 전극 시트 및 전기 화학 장치가 우수한 전기 화학적 성능을 가지는 데 유리하다. 또한, 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 개선하고, 금속 입자의 생성을 감소할 수도 있다.
도 19는 본원의 일부 실시형태에 따른 전극 시트의 구성 상면 개략도를 도시한다. 정극 시트(PP)는 전극 시트 본체와, 해당 전극 시트에 전기적으로 연결된 하나 또는 복수의 탭(511)을 포함한다. 코팅된 전극 활성 재료층의 차이에 근거하여, 전극 시트 본체는 탭(511)에 직접 연결된 연장 영역(512), 제1 저압밀 영역(513), 고압밀 영역(514) 및 제2 저압밀 영역(515)과 같은 4개의 영역을 포함한다. 다시 말해서, 정극 시트(PP)의 코팅된 표면의 폭 방향에서 관찰하면, 전극 활성 재료층은 압밀도를 기반으로, 3 개(즉 2n+1 개 영역, 여기서 n=1)의 영역을 포함한다. 또한, 중간 영역(514)의 압밀도는 양측 영역(513, 515)의 압밀도보다 높다.
본원에 있어서, 코팅 총 영역에 대한 중간 고압밀 영역의 비율(본 예시에서, 514 폭과, 513 폭+514 폭+515 폭의 합계의 비)는, 예를 들면 20~80%일 수도 있고, 바람직하게는 30~70%이고, 바람직하게는 40~60%이며, 또는 보다 바람직하게는 45~55%이다. 두 개의 저압밀 영역의 폭은 동일할 수도 있고 상이할 수도 있으며, 바람직하게는 동일하다.
본원에 있어서, 저압밀 영역의 압밀도는 고압밀 영역의 압밀도보다 약 5~30% 낮은 바, 예를 들어 7~25%, 예를 들어 8~20%, 예를 들어 8~18% 낮다.
도 19는 정극 시트를 예로 하여 본원의 바람직한 구획 코팅 방식을 설명하였는 바, 부극 시트도 동일한 구획 코팅을 수행할 수 있으며, 이에 의해, 전극 시트의 전류 통과 능력을 개선할 수 있고, 양호한 전극 시트의 평탄도를 유지할 수 있으며, 전극 시트의 내부 저항이 크고 분극이 큰 등 기술적 문제를 해소 또는 감소할 수 있고, 또한 도전층이 파손되기 어렵도록 보호하는데 유리하기에, 전극 시트 및 전기 화학 장치는 양호한 전기 화학적 성능을 가지며, 부극 시트의 중계 용접 영역에서의 용접 품질을 향상하고, 금속 입자의 생성을 감소할 수 있다.
또한, 전극 시트의 전기 연결 부재의 두께와 집전체 도전층의 단면 두께(D2)의 차이가 너무 크면, 중계 용접 가공시에, 금속 입자가 보다 생성하기 쉬워, 전지 코어의 자기 방전 나아가 내부 단락의 기술적 문제를 개선하는데 불리하다. 따라서, 바람직한 전극 시트에 있어서, 전기 연결 부재의 두께와 도전층의 단면 두께(D2)의 차이값은 15μm 이하이다.
전기 화학 장치
본원의 제2 양태는 전기 화학 장치에 관한 것으로, 정극 시트, 부극 시트, 세퍼레이터 및 전해액을 포함하고, 상기 정극 시트 및/또는 부극 시트는, 본원의 제1 양태의 전극 시트이다.
상기 전기 화학 장치는 커패시터, 일차 전지 또는 이차 전지일 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 캐패시터, 리튬 이온 일차 전지, 또는 리튬 이온 이차 전지일 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 특정 실시형태에 따른 전기 화학 장치를 리튬 이온 이차 전지로 하는 사시도를 도시하고, 도 21은 도 20에 도시된 리튬 이온 이차 전지의 분해도이다. 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 본원에 따른 리튬 이온 이차 전지(5)(이하에서는 전지 셀(5)로 약칭)은 외포장(51), 전극 어셈블리(52), 상부 커버 어셈블리(53) 및 전해액(미도시)를 포함한다. 전극 어셈블리(52)는 외포장(51) 내에 수용되며, 전극 어셈블리(52)의 개수는 제한되지 않는 바 하나 또는 여러 개일 수 있다.
도 20에 도시된 전지 셀(5)은 탱크형 전지이지만, 본원은 이에 한정되지 않고, 전지 셀(5)은 봉지형 전지일 수도 있는 바, 즉 외포장(51)이 금속 플라스틱 필름으로 대체되고 상부 커버 어셈블리(53)가 제거된다.
본원의 정극 시트 및/또는 부극 시트를 사용하는 것 이외에, 이러한 전기 화학 장치의 구조 및 제조 방법 자체는 주지된 것이다. 전기 화학 장치는 본원의 전극 시트를 사용하기에, 개선된 안전성(예를 들어 못관통 안전성) 및 전기적 성능을 가질 수 있다. 또한, 본원의 전극 시트는 가공하기 쉽기에, 본원의 전극 시트를 이용한 전기 화학 장치의 제조 비용을 감소할 수 있다.
본원의 전기 화학 장치에 있어서, 세퍼레이터 및 전해액의 구체적인 종류 및 조성은 모두 구체적으로 한정되지 않고, 실제 필요에 따라 선택할 수 있다. 구체적으로, 상기 세퍼레이터는 폴리 에틸렌 필름, 폴리 프로필렌 필름, 폴리 불화 비닐리덴 필름 및 이들의 다층 복합 필름으로부터 선택될 수 있다. 전지가 리튬 이온 전지인 경우, 일반적으로 전해질로서 비수 전해액을 사용한다. 비수 전해액으로서는, 일반적으로 유기 용매에 의해 용해된 리튬염 용액이 사용된다. 리튬염은 예를 들어 LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6 등 무기 리튬염, 또는 LiCF3SO3, LiCF3CO2, Li2C2F4(SO3)2, LiN(CF3SO2)2, LiC(CF3SO2)3, LiCnF2n+1SO3(n≥2) 등 유기 리튬염일 수 있다. 비수 전해액 중에 사용되는 유기 용매는 예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등 환상 카보네이트; 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트 등 사슬상 카보네이트; 프로피온산 메틸 등 사슬상 에스테르; γ-부티로 락톤 등 환상 에스테르; 디메톡시 에탄, 디에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 등 사슬상 에테르; 테트라히드로 푸란, 2-메틸 테트라히드로 푸란 등 환상 에테르; 아세토 니트릴, 프로판 니트릴 등 니트릴류; 또는 이러한 용매의 혼합물이다.
일부 실시형태에서, 상기 리튬 이온 이차 전지는 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함되는 리튬 이온 이차 전지의 개수는 복수일 수 있는 바, 구체적인 개수는 전지 모듈의 용도 및 용량에 따라 조정할 수 있다. 도 22는 일례로서의 전지 모듈(4)이다. 도 22를 참조하면, 전지 모듈(4)에서, 복수의 리튬 이온 이차 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향에 따라 순차적으로 배열되어 설치될 수 있다. 당연히, 임의의 기타 방식으로 배열될 수도 있다. 또한, 복수의 리튬 이온 이차 전지(5)는 체결부재에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 전지 모듈(4)은 수용 공간을 구비한 케이스를 더 포함하고, 복수의 리튬 이온 이차 전지(5)는 수용 공간에 수용된다.
일부 실시형태에서, 상기 전지 모듈은 전지 팩으로 조립될 수도 있고, 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 개수는 전지 팩의 용도 및 용량에 따라 조정될 수 있다. 도 23 및 도 24는 일례로서의 전지 팩(1)이다. 도 23 및 도 24를 참조하면, 전지 팩(1)은 전지 박스 및 전지 박스에 설치된 복수의 전지 모듈(4)을 포함할 수 있다. 전지 박스는 상부 박스바디(2) 및 하부 박스바디(3)을 포함하고, 상부 박스바디(2)는 하부 박스바디(3)을 커버하도록 설치되어, 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 복수의 전지 모듈(4)은 전지 박스 내에 임의로 설치될 수 있다.
장치
본원의 제3 양태는 장치를 제공하는 바, 본원의 제2 양태의 전기 화학 장치를 포함하고, 상기 전기 화학 장치는 상기 장치의 전원으로서 사용될 수 있고, 상기 장치의 에너지 저장 유닛으로서 사용될 수도 있다. 상기 장치는 모바일 장치(예를 들어 휴대 전화, 노트북 컴퓨터 등), 전동 차량(예를 들어 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전동 자전거, 전동 스쿠터, 전동 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 열차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
상기 장치는 그 사용 수요에 따라, 리튬 이온 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
도 25는 본원의 일 특정 실시형태에 따른 장치의 개략도를 도시한다. 상기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등일 수 있다. 리튬 이온 이차 전지(즉 본원의 전기 화학 장치)의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 장치의 요구를 충족하기 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈이 사용될 수 있다.
다른 예로서의 장치는 휴대 전화, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 해당 장치는 일반적으로 경량화 및 박형화가 요구되므로, 리튬 이온 이차 전지(즉 본원의 전기 화학 장치)를 전원으로서 사용할 수 있다.
당업자라면 이해할 수 있다시피, 상기 언급된 본원의 상이한 실시형태에서의 전극 시트, 전극 활성 재료층 등에 대한 성분의 선택, 성분 함량 및 재료의 물리 화학적 성능 파라미터의 다양한 제한 또는 바람직한 범위는 임의로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 얻어지는 다양한 실시형태도 여전히 본원의 범위 내에 속하며, 본 명세서에 개시된 내용의 일부로 간주된다.
특별한 설명이 없는 한, 본 명세서에 따른 다양한 파라미터는 본 분야의 주지된 일반적인 의미를 가지며, 본 분야의 주지된 방법에 따라 측정될 수 있다. 예를 들어, 본원의 실시예에 기재된 방법에 따라 측정할 수 있다. 또한, 다양한 바람직한 실시형태에 기재된 다양한 상이한 파라미터의 바람직한 범위 및 옵션은 임의로 조합될 수 있으며, 이에 의해 얻어지는 다양한 조합은 모두 본원의 개시 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.
이하에서는 실시예와 결합하여 본원을 더 설명한다.
실시예
각 실시예 및 비교예의 전극 시트에 사용되는 집전체의 제조 방법은 이하와 같다.
1. 보호층이 없는 집전체의 제조
일정한 두께의 지지층을 선택하고, 이하의 조건에 따라, 각각의 표면에 진공 증착, 기계 롤 프레스 또는 접착의 방식에 의해 일정한 두께의 도전층을 형성한다.
(1) 진공 증착 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 표면이 청결 처리된 지지층을 진공 증착실 내에 배치하고, 1600℃ 내지 2000℃의 고온 하에서 금속 증발실 내의 금속선을 용융 증발하고, 증발된 금속은 진공 증착실 내의 냉각 시스템을 통과하며, 마지막으로 지지층의 표면에 퇴적되어 도전층을 형성한다.
(2) 기계적 롤 프레스 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 도전층 재료의 호일 시트를 기계 롤에 배치하고, 20t 내지 40t의 압력을 인가함으로써 그것을 소정의 두께로 압연한 후, 그것을 표면이 청결 처리된 지지층의 표면에 배치하며, 마지막으로 양자를 모두 기계 롤에 배치하고 30t 내지 50t의 압력을 인가하여 양자를 긴밀하게 결합한다.
(3) 접착 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 도전층 재료의 호일 시트를 기계 롤러에 배치하고, 20t 내지 40t의 압력을 인가함으로써 그것을 소정의 두께로 압연한 후, 표면이 청결 처리된 지지층의 표면에 PVDF와 NMP의 혼합 용액을 코팅하며, 마지막으로 상기 소정의 두께의 도전층을 지지층의 표면에 접착하고, 100℃에서 건조한다.
2. 보호층을 구비한 집전체의 제조
보호층을 구비한 집전체의 제조는 다음과 같은 여러 가지 방식이 있다.
(1) 먼저 기상 퇴적법 또는 코팅법에 의해 지지층의 표면에 보호층을 설치하고, 다음으로, 진공 증착, 기계 롤 프레스 또는 접착의 방식에 의해, 상기 보호층을 구비한 지지층의 표면에 일정한 두께의 도전층을 형성함으로써, 보호층을 구비한 집전체(보호층은 지지층과 도전층 사이에 위치함)을 제조한다. 또한, 상기를 토대로, 도전층의 지지층과 멀어지는 방향의 표면에, 기상 퇴적법, 인시츄(in situ) 형성법 또는 코팅법에 의해, 다른 한층의 보호층을 더 형성하고, 이에 의해, 보호층을 갖고 있는 집전체(보호층은 도전층의 두 개의 대향하는 표면에 위치함)을 제조할 수 있다.
(2) 먼저 기상 퇴적법, 인시츄(in situ) 형성법 또는 코팅법에 의해 도전층의 일면에 보호층을 형성하고, 다음으로, 기계적 롤 프레스 또는 접착의 방식에 의해, 상기 보호층을 구비한 도전층을 지지층의 표면에 설치하고, 보호층을 지지층과 도전층 사이에 설치함으로써, 보호층을 구비한 집전체(보호층은 지지층과 도전층 사이에 위치함)을 제조한다. 또한, 상기를 토대로, 도전층의 지지층과 멀어지는 방향의 표면에, 기상 퇴적법, 인시츄(in situ) 형성법 또는 코팅법에 의해, 다른 한층의 보호층을 더 형성하고, 이에 의해, 보호층을 갖고 있는 집전체(보호층은 도전층의 두 개의 대향하는 표면에 위치함)을 제조할 수 있다.
(3) 먼저 기상 퇴적법, 인시츄(in situ) 형성법 또는 코팅법에 의해 도전층의 일면에 보호층을 형성하고, 다음으로, 기계적 롤 프레스 또는 접착의 방식에 의해, 상기 보호층을 구비한 도전층을 지지층의 표면에 설치하고 또한 보호층을 도전층의 지지층과 멀어지는 표면에 설치함으로써, 보호층을 구비한 집전체(보호층은 도전층의 지지층과 멀어지는 표면에 위치함)을 제조한다.
(4) 먼저 기상 퇴적법, 인시츄 형성법 또는 코팅법에 의해, 도전층의 두 개의 표면에 보호층을 형성하고, 다음으로, 기계적 롤 프레스 또는 접착의 방식에 의해, 상기 보호층을 구비한 도전층을 지지층의 표면에 설치하여, 보호층을 구비한 집전체(보호층은 도전층의 두 개의 대향하는 표면에 위치함)을 제조한다.
(5) 상술한 "보호층이 없는 집전체의 제조"를 기반으로, 도전층의 지지층과 멀어지는 방향의 표면에, 기상 퇴적법, 인시츄 형성법 또는 코팅법에 의해 다른 층의 보호층을 형성함으로써, 보호층을 구비한 집전체(보호층은 도전층의 지지층과 멀어지는 표면에 위치함)을 제조한다.
제조예에 있어서, 기상 퇴적법은 진공 증착 방식을 사용하고, 인시츄 형성법은 인시츄 부동태화 방식을 사용하며, 코팅법은 블레이드 코팅 방식을 사용한다.
진공 증착 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 표면이 청결 처리된 샘플을 진공 증착실 내에 배치하고, 1600℃ 내지 2000℃의 고온 하에서 증발실 내의 보호층 재료를 용융 증발하며, 증발된 보호층 재료는 진공 증착실 내의 냉각 시스템을 통과하며. 마지막으로 샘플의 표면에 퇴적되어 보호층을 형성한다.
인시츄 형성법의 형성 조건은 다음과 같다. 도전층을 고온 산화 환경에 배치하고, 온도를 160℃ 내지 250℃로 제어함과 동시에, 고온 환경 하에서 산소 공급을 유지하며, 처리 시간은 30min이며, 이에 의해, 금속 산화물계 보호층을 형성한다.
그라비아 코팅 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 보호층 재료 및 NMP를 교반 혼합한 후, 샘플의 표면에 상기 보호층 재료의 슬러리(고형분은 20% 내지 75%임)을 코팅하고, 그 다음, 그라비아 롤로 코팅 두께를 제어하며, 마지막으로 100℃ 내지 130℃에서 건조한다.
3. 전극 시트의 제조
1) 도전성 언더코팅층이 없는 정극 시트의 제조
92wt% 정극 활성 재료(특정 재료를 명확히 지적하지 않은 경우, 디폴트로 NCM333을 사용함), 5wt% 도전제 Super-P("SP"로 약칭) 및 3wt% PVDF를, NMP를 용매로서 균일하게 교반하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 제조한다(일부 실시예의 활성 재료층용 슬러리 조성은 변화 가능성이 있는 바, 이러한 경우에는, 해당 실시예에서 특별히 명기되는 것을 기준으로 한다). 압출 코팅을 이용하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를, 구획 영역에 따라, 상기 방법에 의해 제조된 복합 집전체의 두 개의 표면에 코팅하고, 85℃에서 건조한 후, 정극 활성 재료층을 얻는다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 집전체 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
다음으로, 각 코팅층을 구비한 집전체에 대해 냉간 프레스를 수행한 후에, 절단을 수행하고, 또한 85℃ 진공 조건 하에서 4시간 건조하며, 탭을 용접하여, 정극 시트를 얻는다.
2) 종래의 정극 시트의 제조
집전체는 12μm 두께의 Al박이고, 제조 방법은 상기 정극 시트와 유사한 바, 정극 활성 재료층용 슬러리를 Al박 집전체의 표면에 직접 코팅하고, 또한 후처리를 거쳐, 종래의 정극 시트를 얻는다.
3) 연장 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 정극 시트의 제조
일정한 배합 비율의 도전성 재료(예를 들어 도전성 카본 블랙) 및 접착제(예를 들어 PVDF 또는 폴리 아크릴산 등)과 선택 가능한 활성 재료를, 적절한 용매(예를 들어 NMP 또는 물) 중에 용해하고, 균일하게 교반하여, 언더코팅 슬러리를 제조한다.
언더코팅 슬러리를, 복합 집전체 양면에서의 연장 영역으로서 미리 남겨진 집전체 표면에 균일하게 코팅하는 바, 코팅 속도가 20m/min이며, 또한 언더코팅층을 건조하는 바, 건조 온도가 70~100℃이고, 건조 시간이 5min이다.
언더코팅층이 완전히 건조된 후, 92wt% 정극 활성 재료, 5wt% 도전제 Super-P("SP"로 약칭) 및 3wt% PVDF를, NMP를 용매로 하여 균일하게 교반하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 제조하고, 압출 코팅을 사용하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 구획 영역에 따라 집전체의 필름 영역으로서 미리 남겨진 표면에 코팅한다. 85℃에서 건조한 후에, 정극 활성 재료층을 획득하고, 또한 후처리를 거쳐, 연장 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 정극 시트를 획득한다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
4) 필름 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 정극 시트의 제조
일정한 배합 비율의 도전성 재료(예를 들어 도전성 카본 블랙) 및 접착제(예를 들어 PVDF 또는 폴리 아크릴산 등)과 선택 가능한 활성 재료를, 적절한 용매(예를 들어 NMP 또는 물) 중에 용해하고, 균일하게 교반하여, 언더코팅 슬러리를 제조한다.
언더코팅 슬러리를 복합 집전체 양면의 표면에 균일하게 코팅하는 바(가장자리 부분에는 일부 공백 영역이 연장 영역으로서 남겨져, 탭을 용접하기 위해 사용됨), 코팅 속도가 20m/min이며, 또한 언더코팅층을 건조하는 바, 건조 온도가 70~100℃이고, 건조 시간이 5min이다.
언더코팅층을 완전히 건조한 후, 92wt% 정극 활성 재료, 5wt% 도전제 Super-P("SP"로 약칭) 및 3wt% PVDF를, NMP를 용매로 하여 균일하게 교반하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 제조하고, 압출 코팅을 사용하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 구획 영역에 따라 언더코팅층 표면에 코팅한다. 85℃에서 건조한 후, 정극 활성 재료층을 획득하고, 또한 후처리를 거쳐, 필름 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 정극 시트를 획득한다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 집전체 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
5) 필름 영역 및 연장 영역의 표면에 모두 도전성 언더코팅층이 설치된 정극 시트의 제조
"4) 필름 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 정극 시트"의 제조 방법과 유사한 바, 그 상이점은, 언더코팅 슬러리를 코팅하기 전에, 먼저 연장 영역의 가장자리 부분에 전기 연결 부재(Al 스트립)를 용접한 후, 언더코팅 슬러리를 코팅하고, 또한 언더코팅 슬러리를 코팅할 때, 집전체 전체의 표면(필름 영역 및 연장 영역을 포함함)에 언더코팅 슬러리를 코팅하고, 언더코팅층이 완전히 건조된 후, 92wt% 정극 활성 재료, 5wt% 도전제 Super-P("SP"로 약칭) 및 3wt% PVDF를, NMP를 용제로 균일하게 교반하여 정극 활성 재료층용 슬러리로 제조하고, 압출 코팅을 사용하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 언더코팅층 표면의 주요 부분(즉 필름 영역)에 코팅하고, 언더코팅층의 가장자리와 근접한 표면에는 스트립 형상의 공백을 남기고, 그 다음 85℃에서 건조한 후에 정극 활성 재료층을 획득하며, 또한 후처리를 거쳐, 필름 영역 및 연장 영역의 표면에 모두 도전성 언더코팅층이 설치되어 있는 정극 시트를 얻는다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
6) 도전성 언더코팅층이 없는 부극 시트의 제조
부극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 접착제 SBR를, 96.5:1.0:1.0:1.5 질량비에 따라, 용매인 탈이온수 중에 첨가하고, 균일하게 혼합하여 부극 활성 재료층용 슬러리를 제조하며, 압출 코팅을 사용하여, 부극 활성 재료층용 슬러리트를 구획 영역에 따라, 상기 방법에 의해 제조된 복합 집전체의 두 개의 표면에 코팅하고, 85℃에서 건조한 후, 부극 활성 재료층을 획득한다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 집전체 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
다음으로, 각 코팅층을 구비한 집전체에 대해 냉간 프레스를 수행한 후에, 절단을 수행하고, 또한 110℃ 진공 조건 하에서 4시간 건조하고, 탭을 용접하여, 부극 시트를 획득한다.
7) 종래의 부극 시트의 제조
집전체는 8μm 두께의 Cu박이고, 제조 방법은 상기 부극 시트와 유사한 바, 부극 활성 재료층용 슬러리를 Cu박 집전체의 표면에 직접 코팅하고, 또한 후처리를 거쳐 종래의 부극 시트를 얻는다.
8) 연장 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 부극 시트의 제조
일정한 배합 비율의 도전성 재료(예를 들어 도전성 카본 블랙) 및 접착제(예를 들어 PVDF 또는 폴리 아크릴산 등)과 선택 가능한 활성 재료를, 적절한 용매(예를 들어 NMP 또는 물) 중에 용해하고, 균일하게 교반하여, 언더코팅 슬러리를 제조한다.
언더코팅 슬러리를 복합 집전체의 양면에서의 연장 영역으로서 미리 남겨진 집전체 표면에 균일하게 코팅하는 바, 코팅 속도는 20m/min이며, 또한 언더코팅층을 건조하는 바, 건조 온도가 70~100℃이고, 건조 시간은 5min이다.
언더코팅층을 완전히 건조한 후, 부극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 접착제 SBR을, 96.5:1.0:1.0:1.5 질량비에 따라, 용매인 탈이온수 중에 첨가하고, 균일하게 혼합하여 부극 활성 재료층용 슬러리를 제조하며, 압출 코팅을 사용하여, 부극 활성 재료층용 슬러리를 구획 영역에 따라, 집전체의 필름 영역으로서 미리 남겨진 표면에 코팅하고, 85℃에서 건조한 후, 부극 활성 재료층을 획득하고, 또한 후처리를 거쳐 연장 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 부극 시트를 획득한다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
9) 필름 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 부극 시트의 제조
일정한 배합 비율의 도전성 재료(예를 들어 도전성 카본 블랙) 및 접착제(예를 들어 PVDF 또는 폴리 아크릴산 등)과 선택 가능한 활성 재료를, 적절한 용매(예를 들어 NMP 또는 물) 중에 용해하고, 균일하게 교반하여, 언더코팅 슬러리를 제조한다.
언더코팅 슬러리를 복합 집전체 양면의 표면에 균일하게 코팅하는 바(가장자리 부분에는 일부 공백 영역이 연장 영역으로서 남겨져, 탭을 용접하기 위해 사용됨), 코팅 속도가 20m/min이며, 또한 언더코팅층을 건조하는 바, 건조 온도가 70~100℃이고, 건조 시간이 5min이다.
언더코팅층을 완전히 건조한 후, 부극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 접착제 SBR을, 96.5:1.0:1.0:1.5 질량비에 따라, 용매인 탈이온수 중에 첨가하고, 균일하게 혼합하여 부극 활성 재료층용 슬러리를 제조하며, 압출 코팅을 사용하여, 부극 활성 재료층용 슬러리를 구획 영역에 따라 언더코팅층의 표면에 코팅하고, 85℃에서 건조한 후 부극 활성 재료층을 획득하고, 또한 후처리를 거쳐 필름 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 부극 시트를 획득한다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 집전체 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
10) 필름 영역 및 연장 영역의 표면에 모두 도전성 언더코팅층이 설치되어 있는 부극 시트의 제조
"9) 필름 영역에 도전성 언더코팅층을 구비한 부극 시트"의 제조 방법과 유사한 바, 그 상이점은, 언더코팅 슬러리를 코팅하기 전에, 먼저 연장 영역의 가장자리 부분에 전기 연결 부재(Ni 스트립)를 용접하고, 또한 언더코팅 슬러리를 코팅하며, 또한 언더코팅 슬러리를 코팅할 때, 집전체 전체의 표면(필름 영역 및 연장 영역을 포함함)에 언더코팅 슬러리를 코팅하고, 언더코팅층이 완전히 건조된 후, 부극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 접착제 SBR을, 96.5:1.0:1.0:1.5 질량비에 따라, 용매인 탈이온수 중에 첨가하고, 균일하게 혼합하여 부극 활성 재료층용 슬러리를 제조하며, 압출 코팅을 사용하여, 부극 활성 재료층용 슬러리를 언더코팅층 표면의 주요 부분(즉 필름 영역)에 코팅하고, 언더코팅층의 가장자리와 근접한 표면에 스트립 형상의 공백을 남기며, 그 다음, 85℃에서 건조한 후 부극 활성 재료층을 획득하고, 또한 후처리를 통해, 필름 영역 및 연장 영역의 표면에 모두 도전성 언더코팅층이 설치되어 있는 부극 시트를 획득한다.
필요에 따라, 연장 영역에서의 도전성 언더코팅층 표면에 지지 보호층을 형성할 수 있다.
상술한 1) 내지 10)의 전극 시트의 형성 과정에서, 모두 내부 단락 방지 보호층의 코팅을 선택적으로 포함할 수 있다. 다시 말해서, 필요에 따라 중계 용접 영역 및 연장 영역의 표면에 내부 단락 방지 보호층을 형성할 수 있다.
여기서, 전기 연결 부재의 두께는 12μm이다.
4. 전지의 제조
종래의 전지 제조 프로세스에 의해 정극 시트(압밀도: 3.4g/cm3), PP/PE/PP 세퍼레이터 및 부극 시트(압밀도: 1.6g/cm3)를 모두 베어 코어로서 권취하고, 그 다음, 전지 케이스에 배치하며, 전해액(EC:EMC 체적비가 3:7이고, LiPF6가 1mol/L임)을 주입하고, 이어서, 밀봉, 화성 등 공정을 수행하여, 최종적으로 리튬 이온 이차 전지(이하에 전지라고 약칭)을 획득한다.
5. 전지 측정 방법
1) 리튬 이온 전지의 사이클 수명 측정 방법
방법 1: 리튬 이온 전지를 45℃에서 충방전하는 바, 즉 먼저 1C 전류에 의해 4.2V까지 충전한 후, 1C 전류로 2.8V까지 방전하며, 제1회 사이클의 방전 용량을 기록한다. 그 다음, 전지가 1C/1C 충방전 사이클을 1000회 실시하도록 하고, 제1000회 사이클의 전지 방전 용량을 기록하며, 제1000회 사이클의 방전 용량을 제1회 사이클의 방전 용량으로 나누어서, 제1000회 사이클의 용량 유지율을 획득한다.
방법 2: 리튬 이온 전지를 45℃에서 충방전하는 바, 즉 먼저 0.3C 전류에 의해 4.2V까지 충전한 후, 0.3C 전류에 의해 2.8V까지 방전하며, 제1회 사이클의 방전 용량을 기록한다. 그 다음, 전지가 0.3C/0.3C 충방전 사이클을 1000회 실시하도록 하고, 제1000회 사이클의 전지 방전 용량을 기록하며, 제1000회 사이클의 방전 용량을 제1회 사이클의 방전 용량으로 나누어서, 제1000회 사이클의 용량 유지율을 획득한다.
2) DCR 증가율의 측정 방법
25℃에서, 1C 전류에 의해 이차 전지를 50% SOC로 조정하고, 전압 U1을 기록한다. 그 다음, 4C 전류에 의해 30초 방전하고, 전압 U2를 기록한다. DCR=(U1-U2)/4C이다. 다음으로, 전지가 1C/1C 충방전을 500회 수행하도록 하고, 제500회 사이클의 DCR를 기록하고, 제500회 사이클의 DCR를 제1회 사이클의 DCR로 나눈 후 1을 감산하여, 제500회 사이클의 DCR 증가율을 얻는다.
3) 못관통 측정
이차 전지(10개의 샘플)를 1C 전류에 의해 충전 컷오프 전압까지 만충전하고, 또한 정전압에 의해 전류가 0.05C로 떨어질 때까지 충전하고 충전을 정지한다. φ8mm 내고온 강철 재질의 못을 사용하여, 25mm/s 속도로, 전지의 전극 시트에 수직인 방향으로 관통하고, 관통 위치는 찔리는 면의 기하학적 중심에 가깝운 것이 바람직하며, 강철 재질의 못은 전지 중에 머물고, 전지에 연소, 폭발 현상이 있는지 여부를 관찰한다.
6. 측정 결과 및 검토
6.1 전지의 중량 에너지 밀도의 개선에 대한 복합 집전체의 작용
각 실시예의 집전체 및 그 전극 시트의 구체적인 파라미터는 표 1에 나타내는 바와 같다(표 1에 열거된 각 실시예의 집전체에는 모두 보호층이 설치되어 있지 않다). 표 1에서, 정극 집전체에 있어서, 집전체의 중량 백분율은, 단위 면적의 정극 집전체의 중량을 단위 면적의 종래의 정극 집전체의 중량으로 나눈 백분율이며, 부극 집전체에 있어서, 집전체의 중량 백분율은, 단위 면적의 부극 집전체의 중량을 단위 면적의 종래의 부극 집전체의 중량으로 나눈 백분율이다. 특별한 설명이 없는 한, 각 집전체에 사용된 PI의 영률은 1.9GPa이고, 사용된 PET의 영률은 4.2GPa이다.
| 전극 시트 번호 | 집전체 번호 | 지지층 | 도전층 | 집전체 두께 |
집전체 중량 백분율 | ||
| 재료 | D1 | 재료 | D2 | ||||
| 정극 시트 1 | 정극 집전체 1 | PI | 6μm | Al | 300nm | 6.6μm | 30.0% |
| 정극 시트 2 | 정극 집전체 2 | PET | 4μm | Al | 500nm | 5μm | 24.3% |
| 정극 시트 3 | 정극 집전체 3 | PET | 2μm | Al | 200nm | 2.4μm | 11.3% |
| 정극 시트 4 | 정극 집전체 4 | PET | 10μm | Al | 1μm | 12μm | 56.5% |
| 정극 시트 5 | 정극 집전체 5 | PET | 10μm | Al | 1.5μm | 13μm | 65% |
| 정극 시트 6 | 정극 집전체 6 | PET | 10μm | Al | 2μm | 14μm | 73.5% |
| 종래의 정극 시트 | 종래의 정극 집전체 | / | / | Al | / | 12μm | 100% |
| 부극 시트 1 | 부극 집전체 1 | PET | 5μm | Cu | 500nm | 6μm | 21.6% |
| 부극 시트 2 | 부극 집전체 2 | PI | 2μm | Cu | 800nm | 3.6μm | 23.8% |
| 부극 시트 3 | 부극 집전체 3 | PET | 8μm | Cu | 1μm | 10μm | 39.6% |
| 부극 시트 4 | 부극 집전체 4 | PET | 6μm | Cu | 1.5μm | 9μm | 48.5% |
| 부극 시트 5 | 부극 집전체 5 | PET | 4μm | Cu | 1.2μm | 6.4μm | 37.3% |
| 부극 시트 6 | 부극 집전체 6 | PET | 10μm | Cu | 200nm | 10.4μm | 23.3% |
| 부극 시트 7 | 부극 집전체 7 | PI | 8μm | Cu | 2μm | 12μm | 65.3% |
| 종래의 부극 시트 | 종래의 부극 집전체 | / | / | Cu | / | 8μm | 100% |
표 1로부터 알 수 있다시피, 본원에 따른 복합 정극 집전체 및 복합 부극 집전체는, 종래의 집전체에 비해, 중량이 모두 다른 정도로 경감되기에, 전지의 중량 에너지 밀도를 향상할 수 있다. 하지만, 도전층의 두께가 1.5μm보다 크면, 집전체의 중량 감소에 대한 개선 정도가 작아지고, 특히 부극 집전체인 경우에, 개선 정도가 작아진다.
6.2 복합 집전체의 전기 화학적 성능의 개선에 대한 보호층의 작용
표 1에 열거된 각 실시예의 집전체를 기반으로, 보호층을 더 형성하고, 복합 집전체의 전기 화학적 성능의 개선에 대한 보호층의 작용을 검토한다. 표 2에서의 "정극 집전체 2-1"은, 표 1에서의 "정극 집전체 2"를 기반으로 보호층을 형성한 집전체를 나타내고, 다른 집전체의 번호의 의미도 유사하다.
| 전극 시트 번호 | 집전체 번호 | 상부 보호층 | 하부 보호층 | ||
| 재료 | D3' | 재료 | D3" | ||
| 정극 시트 2-1 | 정극 집전체 2-1 | 산화 니켈 | 10nm | 산화 니켈 | 8nm |
| 정극 시트 2-2 | 정극 집전체 2-2 | 산화 니켈 | 50nm | 산화 니켈 | 30nm |
| 정극 시트 4-1 | 정극 집전체 4-1 | 산화 알루미늄 | 30nm | 산화 알루미늄 | 30nm |
| 부극 시트 4-1 | 부극 집전체 4-1 | / | / | 니켈 | 200nm |
| 부극 시트 4-2 | 부극 집전체 4-2 | 니켈 | 5nm | / | / |
| 부극 시트 4-3 | 부극 집전체 4-3 | 니켈 기반 합금 | 100nm | / | / |
| 부극 시트 4-4 | 부극 집전체 4-4 | 니켈 | 10nm | 니켈 | 10nm |
| 부극 시트 4-5 | 부극 집전체 4-5 | 니켈 | 50nm | 니켈 | 50nm |
| 부극 시트 4-6 | 부극 집전체 4-6 | 니켈 | 100nm | 니켈 | 50nm |
| 부극 시트 4-7 | 부극 집전체 4-7 | 2층 보호층 | 50nm | 니켈 | 30nm |
설명: 1) 니켈 기반 합금에서, 니켈이 90wt%이고, 크롬이 10wt%이다.
2) 2층 보호층은, 도전층의 지지층과 멀어지는 표면에 설치된 두께 20nm의 니켈 금속 보호층과, 니켈 금속 보호층의 지지층과 멀어지는 표면에 설치된 두께 30nm의 산화 니켈 보호층을 포함한다.
표 3은 표 2에 열거된 전극 시트(도전성 언더코팅층이 없음)을 전지로 조립한 후 측정한 사이클 성능 데이터를 나타낸다.
| 전지 번호 | 전극 시트 | 45℃ 제1000회 사이클의 용량 유지율(방법 1) |
|
| 전지 1 | 종래의 부극 시트 | 종래의 정극 시트 | 86.5% |
| 전지 2 | 종래의 부극 시트 | 정극 시트 2 | 80.7% |
| 전지 3 | 종래의 부극 시트 | 정극 시트 2-1 | 85.2% |
| 전지 4 | 종래의 부극 시트 | 정극 시트 2-2 | 85.4% |
| 전지 4-1 | 종래의 부극 시트 | 정극 시트 4-1 | 86.5% |
| 전지 5 | 부극 시트 4 | 종래의 정극 시트 | 86.3% |
| 전지 6 | 부극 시트 4-1 | 종래의 정극 시트 | 87.1% |
| 전지 7 | 부극 시트 4-2 | 종래의 정극 시트 | 86.5% |
| 전지 8 | 부극 시트 4-3 | 종래의 정극 시트 | 86.7% |
| 전지 9 | 부극 시트 4-4 | 종래의 정극 시트 | 87.6% |
| 전지 10 | 부극 시트 4-5 | 종래의 정극 시트 | 87.8% |
| 전지 11 | 부극 시트 4-6 | 종래의 정극 시트 | 88.0% |
| 전지 12 | 부극 시트 4-7 | 종래의 정극 시트 | 88.4% |
표 3에 나타낸 바와 같이, 복합 집전체를 사용하는 전지는, 종래의 정극 시트 및 종래의 부극 시트를 사용한 전지 1에 비해, 사이클 수명이 양호하고, 종래의 전지의 사이클 성능에 상당하다. 특히 보호층을 구비한 집전체에 의해 제조되는 전지는, 보호층이 없는 집전체에 의해 제조되는 전지에 비해, 전지의 용량 유지율을 더욱 향상할 수 있는 바, 이는 전지의 신뢰성이 더 높다는 것을 설명한다.
6.3 전지의 못관통 안전 성능의 개선에 대한 복합 집전체의 작용
이하에서는 정극 시트를 예로 하여, 전지의 못관통 안전 성능의 개선에 대한 복합 집전체의 작용을 설명한다.
| 전극 시트 번호 | 지지층 | 도전층 | 전극 활성 재료층 | |||
| 재료 | D1 | 재료 | D2 | 재료 | D4 | |
| 정극 시트 11 | PI | 2μm | Al | 800nm | NCM811 | 55μm |
| 정극 시트 12 | PI | 5μm | Al | 2μm | NCM811 | 55μm |
| 정극 시트 13 | PI | 6μm | Al | 300nm | NCM811 | 55μm |
| 정극 시트 14 | PET | 5μm | Al | 500nm | NCM811 | 55μm |
| 정극 시트 15 | PET | 10μm | Al | 1μm | NCM811 | 55μm |
| 정극 시트 16 | PET | 8μm | Al | 1.5μm | NCM811 | 55μm |
(표 4에서, 각 전극 시트에는 도전성 언더코팅층이 설치되어 있지 않다.)
| 전지 번호 | 정극 시트 | 부극 탭 | 못관통 시험 결과 |
| 전지 20 | 종래의 정극 시트 | 종래의 부극 시트 | 모두 불합격 |
| 전지 21 | 정극 시트 11 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
| 전지 22 | 정극 시트 12 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
| 전지 23 | 정극 시트 13 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
| 전지 24 | 정극 시트 14 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
| 전지 25 | 정극 시트 15 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
| 전지 26 | 정극 시트 16 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
복합 집전체를 사용하는 리튬 이온 전지는, 도전층이 종래의 금속 집전체에 비해 얇으므로, 못관통 등 이상 상황 하에서, 생성되는 금속 버얼(Burr)이 작고, 또한 복합 집전체의 지지층이 큰 단락 저항을 가지므로, 전지의 못관통 안전 성능을 향상하는 데 유리하다. 위의 표에서 알 수 있다시피, 종래의 전지는 못관통 상황에서 열 폭주 및 파괴가 발생하여 못관통 안전 측정에 합격될 수 없다. 복합 집전체를 사용한 리튬 이온 전지는, 모두 못관통 안전 측정에 합격할 수 있다.
6.4 전지의 전기 화학적 성능의 개선에 대한 도전성 언더코팅층의 작용
이하에서는 정극 시트를 예로 하여, 도전성 언더코팅층, 및 도전성 언더코팅층의 조성 등의 요소가 전지의 전기 화학적 성능의 개선에 대한 작용을 설명한다. 표 8은 각 실시예 및 비교예의 전지 및 그에 사용되는 전극 시트 및 집전체의 구체적인 조성 및 관련 파라미터를 나타낸다(표 6에서, 비교 정극 시트(20) 이외의 기타 정극 시트에는 모두 도전성 언더코팅층이 설치되어 있다). 표 7은 각 전지의 성능 측정 결과를 나타낸다. 특별한 설명이 없는 한, 각 전극 시트의 도전성 언더코팅층은 필름 영역에만 설치된다.
| 전극 시트 번호 | 집전체 번호 |
지지층 | 도전층 | 도전성 언더코팅층 | 전극 활성 재료층 |
||
| 재료 | D1 | 재료 | D2 | ||||
| 비교 정극 시트 20 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | / | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm |
| 정극 시트 21 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 10%, 수성 폴리 아크릴산 90%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 22 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 20%, 수성 폴리 아크릴산 80%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 23 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 50%, 수성 PVDF 50%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 24 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 25 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 80%, 수성 PVDF 20%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 26 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 99%, 수성 PVDF 1%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 27 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 유성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 28 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 80%, 유성 PVDF 20%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 29 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 32.5%, 시트 형태 도전성 흑연(D50 0.05μm)32.5%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 30 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 500nm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 31 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 2μm | 위와 동일함 |
| 정극 시트 32 | 정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 5μm | 위와 동일함 |
| 전지 번호 | 전극 시트 | DCR 증가율 | |
| 전지 30 | 비교 정극 시트 20 | 종래의 부극 시트 | 35% |
| 전지 31 | 정극 시트 21 | 종래의 부극 시트 | 30.9% |
| 전지 32 | 정극 시트 22 | 종래의 부극 시트 | 29% |
| 전지 33 | 정극 시트 23 | 종래의 부극 시트 | 20% |
| 전지 34 | 정극 시트 24 | 종래의 부극 시트 | 15% |
| 전지 35 | 정극 시트 25 | 종래의 부극 시트 | 14.5% |
| 전지 36 | 정극 시트 26 | 종래의 부극 시트 | 14% |
| 전지 37 | 정극 시트 27 | 종래의 부극 시트 | 18.5% |
| 전지 38 | 정극 시트 28 | 종래의 부극 시트 | 18.2% |
| 전지 39 | 정극 시트 29 | 종래의 부극 시트 | 12.9% |
| 전지 40 | 정극 시트 30 | 종래의 부극 시트 | 15.5% |
| 전지 41 | 정극 시트 31 | 종래의 부극 시트 | 14.6% |
| 전지 42 | 정극 시트 32 | 종래의 부극 시트 | 14.1% |
위의 측정 데이터로부터 알수 있다시피, 도전층이 얇은 복합 집전체를 사용하는 경우(즉 도전성 언더코팅층을 갖지 않은 비교 정극 시트(20)), 복합 집전체는 도전성이 종래의 금속 집전체보다 나쁘고, 또한 복합 집전체의 도전층이 파손되기 쉬운 등 결점을 가지기에, 전지의 DCR가 크고, 사이클 용량의 유지율이 낮다. 하지만, 도전성 언더코팅층을 이용한 후, 도전성 언더코팅층은 집전체의 표면을 효과적으로 보수하고, 또한 집전체, 도전성 언더코팅층과 활물질 사이의 도전 네트워크를 구축하며, 이에 의해, 전자 수송 효율을 향상하고, 집전체와 전극 활성 재료층의 저항을 저하하며, DCR을 효과적으로 감소할 수 있다.
도전성 언더코팅층에서의 도전제 함량의 향상(정극 시트 21 내지 26)에 따라, 전지의 DCR가 현저하게 개선된다.
동일한 구성에서, 수성 접착제의 사용은 유성 접착제에 비해 DCR의 개선 정도를 보다 명확하게 할 수 있다(정극 시트 24 vs. 정극 시트 27 및 정극 시트 25 vs. 정극 시트28).
4. 시트 형태 흑연에 의한 "수평 슬라이드"의 발생에 의해, 완충 작용을 하고, 압밀 과정에서 집전체의 도전층에 대한 파괴를 감소하여, 균열을 감소한다. 따라서, 시트 형태의 흑연의 사용은 전지의 DCR(정극 시트 24 vs. 정극 시트 29)를 더욱 감소할 수 있다.
5. 도전성 언더코팅층 두께의 증대(정극 시트30 내지 정극 시트 32)에 따라, 전지의 DCR도 보다 현저하게 개선된다. 하지만, 도전성 언더코팅층의 두께가 너무 크면, 전지의 에너지 밀도의 개선에 불리하다.
6.5 전지의 전기 화학적 성능의 개선에 대한 전극 활성 재료층 중의 접착제 함량의 작용
전극 활성 재료층 중의 접착제의 함량이 높은 경우, 활성 재료층과 집전체의 결합력이 양호하고, 도전성 언더코팅층을 구비한 경우, 필름층 전체(즉 활성 재료층 및 도전성 언더코팅층의 총칭)와 복합 집전체의 결합력도 양호하기에, 못관통 등 이상 상황 하에서, 활성 재료층(또는 필름층)은, 도전층에서 생성되는 금속 버얼(Burr)을 효과적으로 감싸고, 전지의 못관통 안전 성능을 향상할 수 있다.
이하에서는 정극 시트를 예로 하여, 전지의 못관통 안전의 관점에서, 전지의 전기 화학적 성능의 개선에 대한 전극 활성 재료층 중의 접착제의 함량의 작용을 설명한다.
전술한 실시예의 상기 방법에 따라 정극 시트를 제조하지만, 정극 활성 재료층용 슬러리의 조성을 조정하여, 정극 활성 재료층 중 접착제 함량이 상이한 복수의 정극 시트가 제조된다. 구체적인 전극 시트의 구성은 이하의 표에 나타내는 바와 같다.
| 전극 시트 번호 |
집전체 번호 |
지지층 | 도전층 | 도전성 언더코팅층 | 전극 활성 재료층 | ||
| 재료 | D1 | 재료 | D2 | ||||
| 정극 시트 33 |
정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | NCM811, D50 6.5μm, 활성 재료층 두께 55μm, 접착제 PVDF 함량 0.5wt% |
| 정극 시트 34 |
정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | NCM811, D50 6.5μm, 활성 재료층 두께 55μm, 접착제 PVDF 함량 1wt% |
| 정극 시트 35 |
정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | NCM811, D50 6.5μm, 활성 재료층 두께 55μm, 접착제 PVDF 함량 2wt% |
| 정극 시트 36 |
정극 집전체 4 |
PET | 10μm | Al | 1μm | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | NCM811, D50 6.5μm, 활성 재료층 두께 55μm, 접착제 PVDF 함량 3wt% |
표 9는 상술한 상이한 정극 시트를 전지로서 조립했을 때의 못관통의 측정 결과를 나타낸다. 결과는, 정극 활성 재료층 중 접착제 함량이 높을수록, 대응하는 전지의 못관통 안전 성능이 높다는 것을 나타낸다. 바람직하게는 정극 활성 재료층 중 접착제 함량은 1wt% 이상이고, 보다 바람직하게는 1.5wt% 이상이며, 가장 바람직하게는 2wt% 이상이다.
| 전지 번호 | 전극 시트 | 못관통 시험 결과 | |
| 전지 43 | 정극 시트 33 | 종래의 부극 시트 | 1개가 합격, 9개가 불합격 |
| 전지 44 | 정극 시트 34 | 종래의 부극 시트 | 6개가 합격, 4개가 불합격 |
| 전지 45 | 정극 시트 35 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
| 전지 46 | 정극 시트 36 | 종래의 부극 시트 | 모두 합격 |
6.6 전극 시트 성능에 대한 전극 활성 재료층의 코팅 방식의 영향
이하에서는 전극 시트 상의 활성 재료층의 상이한 코팅 방식이 전극 시트의 평탄성에 미치는 영향을 설명한다. 구체적으로는, 하기 3 종류 상이한 종류의 정극 시트 및 부극 시트의 평탄도를 각각 비교한다. 영향 요인을 간단화하기 위해, 비교된 각 전극 시트에는 모두 도전성 언더코팅층이 설치되어 있지 않지만, 얻어진 결론은 도전성 언더코팅층이 설치되어 있는 전극 시트에 대해서도 적용된다.
1) 구획 코팅의 정극 시트
사용된 복합 집전체는, 10μm PET의 두 개의 표면에 각각 1μm 두께의 Al 금속층이 기상 퇴적되어 있다.
92wt% 정극 활성 재료 NCM333, 5wt% 도전제 Super-P("SP"라고 약칭) 및 3wt% PVDF를, NMP를 용매로서, 균일하게 교반하여, 정극 활성 재료층용 슬러리를 제조한다.
복합 집전체의 두 개의 표면에는 압출 코팅에 의해 구획 코팅가 수행되는 바, 즉 중간이 고코팅 중량 영역이고, 양측이 저코팅 중량 영역이며(가압 스페이서 또는 배리어에 의해 구현할 수 있음), 85℃에서 건조한다. 그 중, 고코팅 중량 영역의 폭은 4cm이고, 저코팅 중량 영역의 폭은 모두 2.1cm이다.
그 다음, 냉간 프레스, 절단을 수행하고, 또한, 85℃ 진공 조건 하에서 4시간 건조하고, 탭을 용접하여, 정극 시트를 획득한다.
고코팅 중량 영역의 압밀도는 3.45g/cm3이고, 저코팅 중량 영역의 압밀도는 모두 3.3g/cm3이다.
압밀도 측정 방법: 먼저 면적이 S인 집전체 웨이퍼를 30장 재단하여, 그 중량 및 두께를 측정하고, 중량 평균값 m1및 높이의 평균값 H1를 구하고, 또한, 면적이 S인 전극 시트 웨이퍼를 30장 재단하여 그 중량 평균값 m2및 높이의 평균값 H2를 구하는 경우, 압밀도는 다음과 같다.
압밀도=(m2-m1)/((H2-H1)×S)
2) 균일하게 코팅된 비교 정극 시트
집전체는 전술한 두께 10μm인 PET 도금 Al 복합 집전체를 사용하여, 상술한 정극 시트의 제조 방법과 유사하게 제조되는 바, 정극 활성 재료층용 슬러리를 복합 집전체의 두 개의 표면에 직접 균일하게 코팅하고, 즉 구획 처리를 수행하지 않으며, 또한 후처리를 거쳐, 균일하게 코팅된 비교 정극 시트를 획득한다. 정극 활성 재료층의 압밀도는 3.4g/cm3이다.
3) 종래의 정극 시트
집전체는 두께 12μm인 금속 Al박이며, 상술한 비교 정극 시트의 제조 방법과 유사하게 제조되는 바, Al박 집전체의 두 개의 표면에 정극 활성 재료층용 슬러리를 직접 균일하게 코팅하고, 또한, 후처리를 거쳐 종래의 정극 시트를 얻는다.
4) 구획 코팅의 부극 시트
사용된 복합 집전체는, 10μm PET의 두 개의 표면에 각각 1μm 두께의 Cu 금속층이 기상 퇴적되어 있다.
부극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 접착제 SBR를, 96.5:1.0:1.0:1.5의 질량비에 따라, 용매인 탈이온수 중에 첨가하고, 균일하게 혼합하여 부극 활성 재료층용 슬러리를 조제한다.
복합 집전체의 두 개의 표면에는, 압출 코팅에 의해, 구획 코팅가 수행되는 바, 즉, 중간이 고코팅 중량 영역이고, 양측이 저코팅 중량 영역이며(가압 스페이서 또는 배리어에 의해 구현할 수 있음), 85℃에서 건조한 후, 부극 활성 재료층을 획득한다. 그 중, 고코팅 중량 영역의 폭은 4.5cm이며, 저코팅 중량 영역의 폭은 모두 2cm이다.
다음으로, 각 코팅층을 구비한 집전체에 대해 냉간 프레스를 수행한 후에, 절단을 수행하고, 또한 110℃ 진공 조건하에서 4시간 건조하고, 탭을 용접하여, 부극 시트를 획득한다.
고코팅 중량 영역의 압밀도는 1.7g/cm3이며, 저코팅 중량 영역의 압밀도는 모두 1.6g/cm3이다.
5) 균일하게 코팅된 비교 부극 시트
집전체는, 전술한 두께 10μm인 PET 도금 Cu 복합 집전체를 사용하여, 상술한 부극 시트의 제조 방법과 유사하게 제조되는 바, 부극 활성 재료층용 슬러리를 복합 집전체의 두 개의 표면에 직접 균일하게 코팅하고, 즉 구획 처리를 수행하지 않고, 또한 후처리를 거쳐, 균일하게 코팅된 비교 부극 시트를 획득한다. 부극 활성 재료층의 압밀도는 1.65g/cm3이다.
6) 종래의 부극 시트
집전체는 두께 8μm인 금속 Cu박이며, 상술한 균일하게 코팅된 비교 부극 시트의 제조 방법과 유사하게 제조되는 바, 부극 활성 재료층용 슬러리를 Cu박 집전체의 두 개의 표면에 직접 코팅하고, 또한 후처리를 거쳐, 종래의 부극 시트를 획득한다.
위의 6 종류의 상이한 전극 시트에 대해 전극 시트 평탄도를 측정한다. 전극 시트 평탄도의 측정은, 전극 시트의 기준 평면에 대한 원호의 높이를 측정함으로써 나타낸다. 원호의 높이에 대한 구체적인 측정 방법은 다음과 같다.
길이가 2m인 전극 시트 샘플을 취하고, 샘플을 기준 평면에 배치하고, 또한 그 평면의 폭 방향으로 전개하며, 해당 평면의 폭은 전극 시트 샘플의 길이보다 약간 작고, 그 다음 샘플의 양측에 각각 동일한 중량(1Kg)의 중량물을 설치함으로써, 샘플을 당해 평면에 밀착한다. 그 다음, 줄자를 사용하여 해당 평면으로부터 샘플의 중간 위치까지의 높이를 측정하는 바, 해당 높이가 바로 원호 높이이다. 실제의 제조에 있어서, 일반적으로 원호 높이가 2mm 이하인 전극 시트는 평탄한 것으로 인정하는 바, 전지로서 조립될 때, 정극 시트와 부극 시트의 정확한 정렬을 구현할 수 있다.
하기 표는 구체적인 측정 결과이다.
| 전극 시트 | 원호 높이 |
| 구획 코팅된 정극 시트 | 2mm 미만 |
| 균일하게 코팅된 비교 정극 시트 | 5mm를 초과 |
| 종래의 정극 시트 | 2mm 미만 |
| 구획 코팅된 부극 탭 | 2mm 미만 |
| 균일하게 코팅된 부극 시트 | 5mm를 초과 |
| 종래의 부극 시트 | 2mm 미만 |
위의 표의 측정 결과로부터 알 수 있다시피, 금속 집전체를 사용하는 종래의 정극 시트 또는 부극 시트는, 모두, 전극 시트 평탄도의 요건을 충족하고(원호 높이가 2mm 이하임), 전지 조립시의 정확한 정렬을 구현할 수 있다. 종래의 공정에 따라 복합 집전체를 균일하게 코팅하는 경우, 추가적인 처리를 실시하지 않으면, 전극 시트의 원호 높이가 크고(5mm를 초과), 전극 시트 평탄도가 낮으며, 전지 조립 시에 정확한 정렬을 구현하기 어렵다. 하지만, 본원의 구획 코팅 공정을 사용하면, 원호 높이가 현저하게 저하되고, 종래의 전극 시트와 근사한 정도에 도달하여, 전지 조립시의 정확한 정렬을 구현할 수 있다. 이는, 활성 재료층 구획 코팅의 특수한 설계를 사용하면, 롤 프레스 후에 발생할 수 있는 복합 집전체를 갖는 전극 시트의 가장자리 와핑 및 절곡을 제거하거나 감소하고, 전극 시트 평탄도를 향상할 수 있기에, 전지 조립시의 정확한 정렬을 구현함과 동시에, 전지가 복합 집전체를 가짐으로써 우수한 전기 화학적 성능 및 안전 성능을 가지도록 한다는 것을 설명한다.
6.7 절단 효율에 대한 내부 단락 방지 보호층 재료 선택의 영향
이하에서는 정극 시트를 예로 하여, 절단 효율에 대한 내부 단락 방지 보호층 재료 선택의 영향을 설명하는 바, 특히, 착색제를 함유하는 내부 단락 방지 보호층이, 전극 시트 가공 과정에서 중계 용접 영역의 레이저 절단 효율에 미치는 영향을 설명한다.
절단 속도 측정 방법:
IPG사의 모델 번호가 YLP-V2-1-100-100-100인 광섬유 레이저를 사용하고, 전력이 100W이고, 주파수가 150kHz이 되도록 설정하고, 활성 재료층이 형성되고 또한 전기 연결 부재가 용접되어 있는 집전체를, 레이저의 절단 장치에 부착하여, 절단을 수행하며, 집전체의 최대 절단 가능 속도를 측정한다. 그 중, 집전체의 최대 절단 가능 속도는, 레이저가 당해 집전체를 절단하고 접착 현상이 발생하지 않는 경우에 달성할 수 있는 최대 절단 속도이다.
| 전극 시트 번호 |
집전체 번호 |
도전성 언더코팅층 |
전극 활성 재료층 |
내부 단락 방지 보호층 |
최대 절단 가능 속도 |
| 비교 정극 시트 20 |
정극 집전체 4 |
/ | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm | / | 30m/min |
| 정극 시트 20-1 |
정극 집전체 4 |
/ | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm | 폴리 이미드층 | 35m/min |
| 정극 시트 20-2 |
정극 집전체 4 |
/ | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층의 두께 55μm | 페놀 수지층 | 36m/min |
| 정극 시트 20-3 |
정극 집전체 4 |
/ | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm | 스티렌 아크릴 에멀젼층, 1wt% 카본 블랙을 함유 | 45m/min |
| 정극 시트 20-4 |
정극 집전체 4 |
/ | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm | 스티렌 아크릴 에멀젼층, 5wt% 카본 블랙을 함유 | 48m/min |
| 정극 시트 20-5 |
정극 집전체 4 |
/ | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm | 스티렌 아크릴 에멀젼층, 10wt% 카본 블랙을 함유 | 55m/min |
위의 데이터는, 내부 단락 방지 보호층을 형성하는 경우, 내부 단락 방지 보호층을 포함하지 않는 전극 시트에 비해 최대 절단 가능 속도를 개선할 수 있어, 전극 시트의 가공 제조의 효율을 향상할 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, 착색제를 함유하는 내부 단락 방지 보호층을 형성한 후, 최대 절단 가능 속도를 더욱 개선할 수 있다.
6.8 전극 시트 성능에 대한 내부 단락 방지 보호층의 영향
이하에서는 정극 시트를 예로 들어, 전지 성능 특히 전지의 자기 방전에 대한 내부 단락 방지 보호층의 영향을 설명한다. 하기 표 12의 배합 비율에 따라, 기본적으로는 상기 "3. 전극 시트의 제조" 및 "4. 전지의 제조"를 기반으로 상기 전극 시트를 제조하는 바, 전극 활성 재료층을 코팅할 때, "6.6 전극 시트 성능에 대한 전극 활성 재료층의 코팅 방식의 영향"에서 상기 구획 코팅 방식을 사용하여 코팅한다. 다음으로, 집전체 연장 영역의 가장자리 부분에 전기 연결 부재의 알루미늄 시트(두께가 12μm임)을 용접하고, 또한 내부 단락 방지 보호층용 슬러리를 코팅하고, 건조하며, 마지막으로, 레이저 다이커팅(die cutting)을 이용하여 복수의 탭으로 절단하여, 도 17c에 도시된 평면 구조를 형성한다. 마지막으로, 전지를 구성하여 자기 방전 측정을 실시한다.
자기 방전 측정 방법은 다음과 같다. 10 개의 전지를 취하여 0.5C에 의해 4.2V까지 만충전하고, 4.2V의 정전압에 의해 0.05C로 한다. 이때의 전지 코어의 전압을 각각 측정하여 OCV1로 하고 기록한다. 48h 정치 후, 상기 10개의 전지 코어의 전압을 다시 측정하고, OCVB라고 하는 바, 전지 코어의 자기 방전 성능은, k=(OCV1-OCVB)/48이고, 단위는 mV/h이다.
| 전극 시트 번호 | 집전체 번호 |
도전성 언더코팅층 |
전극 활성 재료층 | 지지 보호층 | 내부 단락 방지 보호층 |
k |
| 비교 정극 시트 20 | 정극 집전체 4 | / | NCM333, D50 9.8μm, 활성 재료층 두께 55μm | / | / | 0.05 |
| 전극 시트 20-6 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | / | 폴리 이미드층 |
0.035 |
| 전극 시트 20-7 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | / | 페놀 수지층 | 0.033 |
| 전극 시트 20-8 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | / | 스티렌 아크릴 에멀젼층, 1wt% 카본 블랙을 함유 | 0.028 |
| 전극 시트 20-9 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | / | 페놀 수지층, 5wt% 카본 블랙을 함유 | 0.025 |
| 전극 시트 20-10 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | / | 페놀 수지층, 10wt% 카본 블랙을 함유 | 0.023 |
| 전극 시트 20-11 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | 산화 알루미늄층, 산화 알루미늄 50wt%, 수성 폴리 아크릴산 15wt%, 두께 15um | 폴리 이미드층 |
0.025 |
| 전극 시트 20-12 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | 산화 알루미늄층, 산화 알루미늄 80wt%, 수성 폴리 아크릴산 10wt%, 두께 20um | 폴리 이미드층 |
0.024 |
| 전극 시트 20-13 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일함 | 산화 알루미늄층, 산화 알루미늄 98wt%, 수성 폴리 아크릴산 0.5wt%, 두께 25um | 폴리 이미드층 |
0.022 |
| 전극 시트 20-14 | 정극 집전체 4 | 도전성 카본 블랙 65%, 수성 PVDF 35%, 두께 1.5μm | 위와 동일함 | 산화 알루미늄층, 산화 알루미늄 98wt%, 수성 폴리 아크릴산 1.2wt%, 두께 30um | 폴리 이미드층 |
0.02 |
| 전극 시트 20-15 | 정극 집전체 4-1 | / | 위와 동일함 | 산화 알루미늄층, 산화 알루미늄 98wt%, 수성 폴리 아크릴산 1.5wt%, 두께 40um | 스티렌 아크릴 에멀젼층 | 0.019 |
| 전극 시트 20-16 | 정극 집전체 4 | / | 위와 동일하지만, 전극 활성 재료층은 종래의 균일한 코팅 방식을 사용함 | / | / | 0.051 |
위의 측정 데이터로부터 알 수 있다시피, 내부 단락 방지 보호층이 설치된 본원의 전극 시트는, 내부 단락 방지 보호층이 설치되어 있지 않은 전극 시트에 비해 k 값이 크게 저하되는 바, 즉 자기 방전을 감소할 수 있다. 또한, 내부 단락 방지 보호층을 설치한 후, 지지 보호층을 설치하면, 자기 방전 성능을 더욱 개선할 수 있고, 이는, 지지 보호층의 설치에 의해 연장 영역의 경도를 개선하여 절곡되기 어렵도록 하여, 용접 품질을 향상할 수 있기 때문이다. 또한, 복합 집전체에 있어서, 도전층 보호층의 설치도 용접 품질을 향상하여 자기 방전 성능을 향상할 수 있다. 동시에, 구획 코팅은, 균일한 코팅에 비해, 전극 시트의 평탄도를 개선할 수 있고, 용접 품질 및 자기 방전 성능을 개선할 수 있다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 상기에서는 리튬 전지만을 예시하여 본원의 전극 시트의 응용예를 나타냈지만, 본원의 전극 시트는 마찬가지로 기타 종류의 전지 또는 전기 화학 장치에 될 수 있으며, 마찬가지로, 본원의 양호한 기술적 효과를 얻을 수 있다.
상기 설명의 개시 및 교시에 의하면, 당업자는 상기 실시형태에 대해 적절한 변경 및 수정을 할 수 있다. 따라서, 본원은 상기 개시 및 설명된 구체적인 실시형태에 한정되지 않고, 본원의 임의의 수정 및 변경은 모두 본원의 특허청구범위의 보호 범위 내에 포함된다. 또한, 본 명세서에서 몇몇 특정 용어를 사용하였지만, 이러한 용어는 설명을 용이하게 하기 위한 것이며, 본원에 대해 그 어떠한 한정 작용도 없다.
1: 전지 팩
2: 상부 박스바디
3: 하부 박스바디 4: 전지 모듈
5: 이차 전지 51: 외포장
52: 전극 어셈블리 53: 상부 커버 어셈블리
3: 하부 박스바디 4: 전지 모듈
5: 이차 전지 51: 외포장
52: 전극 어셈블리 53: 상부 커버 어셈블리
Claims (16)
- 집전체와, 상기 집전체의 적어도 일면에 설치된 전극 활성 재료층과, 상기 집전체에 전기적으로 연결된 전기 연결 부재를 포함하는 전극 시트에 있어서,
상기 전극 활성 재료층은 상기 집전체의 본체부에 설치되는 바, 당해 영역을 필름 영역이라 칭하며, 상기 전기 연결 부재와 상기 집전체는 상기 집전체의 가장자리 부분에서 용접 연결되는 바, 당해 용접 영역을 중계 용접 영역이라 칭하며, 상기 필름 영역과 중계 용접 영역 사이의 집전체의 전극 활성 재료층 미코팅 전이 영역을 연장 영역이라 칭하며,
상기 집전체는 지지층 및 상기 지지층의 적어도 일면에 설치된 도전층을 포함하며, 상기 도전층의 단면 두께 D2는 30nm≤D2≤2μm를 충족하고, 상기 지지층은 고분자 재료층 또는 고분자 복합 재료층이며,
상기 전극 시트는 내부 단락 방지 보호층을 더 포함하며, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유기 절연층이고 또한 상기 중계 용접 영역에서의 전기 연결 부재 및 상기 연장 영역의 적어도 일부를 커버하는, 전극 시트. - 제1항에 있어서,
상기 내부 단락 방지 보호층은 투명 절연성 테이프, 유색 절연성 테이프, 투명 절연성 접착제 코팅층, 유색 절연성 접착제 코팅층으로부터 선택되는 적어도 한 종류이며; 바람직하게는, 상기 내부 단락 방지 보호층은 유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층으로부터 선택되는, 전극 시트. - 제2항에 있어서,
상기 투명 절연성 접착제 코팅층 또는 유색 절연성 접착제 코팅층은, 스티렌 아크릴 에멀젼, 페놀 수지층, 폴리 염화 비닐층, 폴리 스티렌층, 폴리 에틸렌 수지층, 에폭시 수지층, 폴리 아닐린층, 폴리 피롤층, 폴리 아세틸렌층 및 폴리 이미드층으로부터 선택되는 적어도 한 종류인, 전극 시트. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 유색 절연성 테이프 또는 유색 절연성 접착제 코팅층은 착색제를 함유하고;
바람직하게는, 상기 착색제는 카본 블랙, 코발트 블루, 군청, 산화철, 카드뮴 레드, 크롬 오렌지, 몰리브덴 오렌지, 카드뮴 옐로우, 크롬 옐로우, 니켈 티타늄 옐로우, 티타늄 화이트, 리토폰, 아연화, 프탈로 시아닌계 안료, 아조계 안료, 안트라 퀴논계 안료, 인디고이드계 안료 및 금속 착체 안료로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류인, 전극 시트. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연장 영역에서의 복합 집전체의 표면에는 지지 보호층이 더 설치되어 있고, 바람직하게는, 상기 지지 보호층은 유기 절연층 또는 무기 절연층인, 전극 시트. - 제5항에 있어서,
상기 유기 절연층은 절연성 테이프층 또는 절연성 접착제 코팅층으로부터 선택되고; 및/또는,
상기 무기 절연층은 산화 알루미늄층, 산화 마그네슘층, 산화 아연층, 산화 규소층, 산화 티탄층, 산화 지르코늄층, 질화 알루미늄층, 질화 규소층, 불화 칼슘층, 불화 바륨층으로부터 선택되는 적어도 한 종류인, 전극 시트. - 제6항에 있어서,
상기 절연성 접착제 코팅층은 폴리 불화 비닐리덴(PolyVinylidene Fluoride)층, 폴리 디불화 비닐리덴(PolyVinylidene DiFluoride)층, 불화 비닐리덴-헥사 플루오로 프로필렌 공중합체층, 스티렌 부타디엔 고무층, 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨층, 폴리 아크릴산층, 폴리 아크릴산 나트륨층, 폴리 에틸렌 옥사이드층, 폴리 비닐 알코올층으로부터 선택되는 적어도 한 종류인, 전극 시트. - 제5항에 있어서,
상기 무기 절연층은 무기 절연 입자 및 접착제를 포함하고;
바람직하게는, 상기 무기 절연 입자는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 아연, 산화 규소, 산화티타늄, 산화 지르코늄, 질화 알루미늄, 질화 규소, 불화 칼슘, 불화 바륨 중 적어도 한 종류이며; 및/또는,
상기 접착제는 폴리 불화 비닐리덴, 폴리 디불화 비닐리덴, 불화 비닐리덴-헥사 플루오로 프로필렌 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무, 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨, 폴리 아크릴산, 폴리 에틸렌 옥사이드, 폴리 비닐 알코올 중 적어도 한 종류인, 전극 시트. - 제8항에 있어서,
상기 무기 절연 입자의 함량률은 상기 무기 절연층의 총 중량의 50wt%~98wt%이고; 및/또는,
상기 접착제의 함량률은 상기 무기 절연층의 총 중량의 2wt%~50wt%인, 전극 시트. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전층은 금속 도전층이고, 상기 금속 도전층의 재료는 바람직하게는 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 은, 니켈 구리 합금, 알루미늄 지르코늄 합금 중 적어도 한 종류이며; 및/또는,
상기 지지층의 재료는 절연성 고분자 재료, 절연성 고분자 복합 재료, 도전성 고분자 재료, 도전성 고분자 복합 재료로부터 선택되는 적어도 한 종류이고, 상기 지지층의 재료는 바람직하게는 절연성 고분자 재료 또는 절연성 고분자 복합 재료인, 전극 시트. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전체에는 보호층이 더 설치되고, 상기 보호층은, 상기 집전체의 도전층의 일면 또는 상기 집전체의 도전층의 두 개의 표면에 설치되며, 상기 보호층은 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층인, 전극 시트. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지층의 두께 D1은, 1μm≤D1≤15μm를 충족하고; 및/또는,
지지층의 상온 영률 E는 20GPa≥E≥1.9GPa를 충족하며; 및/또는,
상기 도전층에는 균열이 있는, 전극 시트. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 시트의 코팅된 표면의 폭 방향에서 관찰하면, 전극 활성 재료층은, 압밀도를 기반으로 2n+1 개의 영역을 포함하고, 또한 중간 영역의 압밀도가 양측 영역의 압밀도보다 높으며, 여기서 n=1, 2 또는 3이고, 바람직하게는 n=1인, 전극 시트. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
전기 연결 부재의 두께와 도전층의 단면 두께(D2)의 차이값이 15μm 이하인, 전극 시트. - 정극 시트, 부극 시트, 세퍼레이터 및 전해액을 포함하는 전기 화학 장치에 있어서,
상기 정극 시트 및/또는 상기 부극 시트는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전극 시트인, 전기 화학 장치. - 제15항의 전기 화학 장치를 포함하는 장치.
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