KR20220140005A - 전극어셈블리 및 상기 전극어셈블리를 포함하는 전기화학 디바이스와 전자 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 전극어셈블리 및 상기 전극어셈블리를 포함한 전기화학 디바이스에 관한 것으로, 상기 전극어셈블리는, 전극 극편 및 상기 전극 극편에 설치된 임베디드 탭(1, 3)을 포함한다. 상기 전극 극편 표면에 방사층(4)이 설치되어 있으며, 상기 방사층(4)은 전극 극편 표면을 피복하면서 전극 극편 표면에 접촉되어 있되, 상기 전극 극편 표면은 탭 표면을 포함한다. 본 출원은 방사층(4)으로 종래의 분리막을 대체함으로써, 방사층(4)과 극편이 일체를 이루게 한다. 특히, 임베디드 탭(1, 3)의 전지 구조에 있어서, 방사층(4)은 금속 버를 차단 가능하므로, 청면테이프를 붙여야 하는 탭 부위를 방사층(4)으로 대체하여, 탭 부위에 테이프를 붙이는 것을 취소할 수 있고; 더불어, 방사층(4)에 의해 리튬이온의 전송이 차단되지는 않으므로, 원래 청면테이프에 의해 피복된 활물질 부분의 용량이 정상적으로 활용 가능하게 되어, 에너지 밀도가 향상된다.

Description

전극어셈블리 및 상기 전극어셈블리를 포함하는 전기화학 디바이스와 전자 디바이스
본 출원은 전기 화학 분야에 관한 것으로, 상세하게는 전극어셈블리 및 상기 전극어셈블리를 포함하는 전기화학 디바이스와 전자 디바이스에 관한 것이다.
임베디드 탭은, 에너지 밀도를 향상시키고, 리튬이온 전지의 저항을 감소시키며, 높은 레이트의 충방전을 구현할 수 있는 등 우점으로, 파우치형 전지에 자주 사용되고 있다. 하지만, 임베디드 탭 구조의 전극어셈블리에 있어서, 금속 탭에 버(burr)가 있고, 돌출량(overhang)을 확보해야 하는 등 원인으로, 탭에 청면테이프를 붙일 필요가 있고, 해당 청면테이프의 일부가 막편 영역을 피복하므로 활물질의 일부 용량의 손실을 일으켜 용량 낭비를 초래할 우려가 있다. 또한, 낙하의 경우, 낙하시 어느 정도의 가속도가 있고, 전해액에 의해 분리막이 어느 정도의 충격력을 받게 되므로, 분리막에 접힘, 회전, 굽힘 등 현상이 쉽게 일어나 양극과 음극의 단락을 초래하여 리튬이온 전지의 안전사고를 일으킬 수 있다.
종래기술의 단점을 바탕으로, 본 출원은 전극어셈블리를 제공하되, 해당 전극어셈블리는 청면테이프를 붙일 필요가 없으므로 전기화학 디바이스의 용량을 향상시킬 수 있고 전기화학 디바이스의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은, 전극어셈블리를 제공하되, 해당 전극어셈블리는,
전극 극편 및 상기 전극 극편에 설치된 임베디드 탭을 포함하고;
상기 전극 극편의 표면에 방사층(spinning layer)이 설치되어 있고, 상기 방사층은 전극 극편 표면을 피복하면서 전극 극편 표면에 접촉되어 있되, 상기 전극 극편 표면은 탭 표면을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 탭 표면 외의 방사층의 펑크 저항성(puncture resistance)에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 펑크 저항성이 더 높다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 탭 표면 외의 방사층의 공극률 및/또는 공극 크기에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 공극률 및/또는 공극 크기가 더 작고;
및/또는,
상기 탭 표면 외의 방사층의 두께에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 두께가 더 크다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층의 상단 가장자리와 하단 가장자리는 상기 전극 극편의 상단 가장자리와 하단 가장자리보다 각각 0.1mm 내지 10mm 넓다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층에는 중합체가 포함되어 있고, 상기 중합체는 폴리불화비닐리덴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리페닐렌에테르, 폴리프로필렌카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리(불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌) 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드 또는 상술한 물질의 유도체 중 적어도 1종을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층에는 무기입자 및/또는 저융점 중합체입자가 더 포함된다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 무기입자는 HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, 베마이트, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 인산리튬, 리튬티타늄포스페이트, 리튬알루미늄티타늄포스페이트, 리튬란탄티타늄산화물, 리튬게르마늄티오포스페이트, 리튬질화물, SiS2유리, P2S5유리, Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2 세라믹 또는 석류석 세라믹 중 적어도 1종을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 저융점 중합체 입자는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리락트산, 폴리염화비닐, 폴리비닐부티랄 또는 폴리아크릴레이트 중 적어도 1종을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 무기입자 및/또는 저융점 중합체 입자의 입경 크기는 0.001㎛ 내지 10㎛이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층은 하기 특성 중 적어도 하나에 만족된다:
상기 방사층의 공극률이 30% 내지 95%인 것;
상기 방사층의 공극 크기가 20nm 내지 30㎛인 것;
상기 방사층의 두께가 1㎛ 내지 20㎛인 것.
본 출원은 더불어 전기화학 디바이스를 제공하되, 해당 전기화학 디바이스는 상술의 어느 한 항에 따른 전극어셈블리를 포함한다.
본 출원은 더불어 전자 디바이스를 제공하되, 해당 전자 디바이스는 상술한 전기화학 디바이스를 포함한다.
본 출원은 방사층으로 종래의 분리막을 대체함으로써, 방사층과 극편이 일체를 이루게 한다. 특히, 임베디드 탭의 전극어셈블리에 있어서, 방사층은 금속 버를 차단 가능하므로, 방사층으로 청면테이프를 대체하는 것으로, 탭 표면에 테이프를 붙이는 것을 생략할 수 있고; 더불어, 리튬이온의 전송은 방사층에 의해 차단되지 않으므로, 원래 청면테이프에 의해 피복된 양극 활물질 부분의 용량이 정상적으로 활용 가능하게 되고, 전기화학 디바이스의 에너지 밀도가 향상된다.
도 1은 임베디드 탭을 갖는 전극 극편의 구조 개략도이고;
도 2는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극어셈블리의 구조이며;
도 3은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극어셈블리의 구조이며;
도 4는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극어셈블리의 음극 극편의 구조이다.
이하, 본 출원의 목적, 기술적 수단 및 장점을 더 명확하게 하기 위하여, 도면과 실시예를 참조하여, 본 출원을 더 상세하게 설명한다. 하지만, 여기에 설명되는 실시예는 단지 본 출원의 일부분의 실시예일 뿐, 전부의 실시예가 아님은 명백한 것이다. 본 발명의 실시예에 기초하여, 당업자의 창조적 노력 없이 얻은 다른 모든 실시예는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
본 출원의 전극어셈블리는 전기화학 디바이스에 사용되는 임의의 전극어셈블리일 수 있고, 전기화학 디바이스는 리튬이온 전지, 슈퍼 커패시터 등을 포함할 수 있되, 아래의 설명은 리튬이온 전지의 전극어셈블리를 예로 들어 설명한다. 하기 설명은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 출원의 보호 범위를 제한하려는 것이 아님을 당업자는 이해하여야 한다.
본 출원은 전극어셈블리를 제공하되, 해당 전극어셈블리는,
전극 극편 및 상기 전극 극편에 설치된 임베디드 탭을 포함하고;
상기 전극 극편의 표면에 방사층이 설치되어 있고, 상기 방사층은 전극 극편 표면을 피복하면서 전극 극편 표면에 접촉되어 있되, 상기 전극 극편 표면은 탭 표면을 포함한다.
본 명세서에 있어서, 상기 임베디드 탭은, 전극 극편에 집적체와 막편이 포함되고, 상기 탭이 집적체에 용접된 것을 지칭한다. 상기 탭과 집적체의 연결 수단은 일반적으로 용접을 사용하고, 용접시 탭과 집적체와의 접촉부에 금속 버가 생성된다. 에너지 밀도 등 성능을 향상시키기 위하여, 방사층으로 탭 표면을 피복하는 것을 통해, 전극 극편에 사용하는 청면테이프를 취소하고, 따라서, 이용 가능한 막편면적을 증가시킬 수 있다.
본 출원에 있어서, 상기 전극 극편은 양극 극편 또는 음극 극편일 수 있다.
양극 극편의 예시로, 도 1에서 도시한 바와 같이, 임베디드 탭을 갖는 양극 극편의 구조로서, 양극 극편에 양극 탭(1)과 용접 영역(2)가 설치되어 있다.
음극 극편의 예시로, 도 2에서 도시한 바와 같이, 임베디드 탭을 갖는 음극 극편의 구조로서, 상세하게는, 음극 극편에 음극 탭(3)과 용접 영역(2)가 설치되어 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 탭 표면 외의 방사층의 펑크 저항성에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 펑크 저항성이 더 높다. 탭 용접시 금속 버가 생성되므로, 상술한 기술적 수단을 사용하면, 방사층으로 버를 철저히 피복시켜, 단락 등 우연 사고가 발생하지 않도록 효과적으로 보장할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 탭 표면 외의 방사층의 공극률 및/또는 공극 크기에 비해 상기 탭 표면의 방사층의 공극률 및/또는 공극 크기이 더 작고; 및/또는,
탭 표면 외의 방사층의 두께에 비해 상기 탭 표면의 방사층의 두께가 더 크다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층의 상단 가장자리와 하단 가장자리는, 상기 전극 극편의 상단 가장자리와 하단 가장자리에 비해 각각 0.1mm 내지 10mm 더 넓고; 바람직하게는 0.5mm 내지 2mm 더 넓다.
양극 극편을 예로 들면, 도 3에서 도시한 바와 같이, 양극 극편 전체에 방사층(4)가 피복되어 있고; 또한 방사층의 상단 가장자리와 하단 가장자리는 각각 양극 극편보다 넓다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극어셈블리의 구조로서, 양극 극편 전체에 방사층(4)가 피복되어 있고, 탭 표면 외의 방사층의 펑크 저항성에 비해, 탭(1)의 표면의 방사층의 펑크 저항성이 더 높다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층에는 중합체가 포함되어 있고, 상기 중합체는 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리페닐렌에테르(PPO), 폴리프로필렌카보네이트(PPC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP), 폴리(불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌) 공중합체 (PVDF-PCTFE) 또는 상술한 물질의 유도체중 적어도 1종을 포함하며, 바람직하게는, 폴리불화비닐리덴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌에테르, 폴리프로필렌카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 상술한 물질의 유도체 중 적어도 1종을 포함한다.
본 출원의 일부 실시양태에 있어서, 상기 방사층은 중합체로 제조된 나노섬유가 정향적으로 또는 무작위로 결합되어 형성된 것으로, 각 나노섬유 간의 무작위적인 연계는 대량의 공극을 형성하여 이온의 전송에 이용된다. 나노섬유로 이루어진 방사층과 극편 간에는 훌률한 접착력이 있어, 리튬이온 전지가 낙하될 때, 분리막이 전해액에 휩쓸려 되접어 꺾이는 것을 효과적으로 방지하여, 리튬이온 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층은 무기입자 및/또는 저융점 중합체입자를 더 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 무기입자는 HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, 베마이트, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 인산리튬, 리튬티타늄포스페이트, 리튬알루미늄티타늄포스페이트, 리튬란탄티타늄산화물, 리튬게르마늄티오포스페이트, 리튬질화물, SiS2유리, P2S5유리, Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2세라믹 또는 석류석 세라믹 중 적어도 1종을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 저융점 중합체 입자는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리락트산, 폴리염화비닐, 폴리비닐부티랄 또는 폴리아크릴레이트 중 적어도 1종을 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 무기입자 및/또는 저융점 중합체 입자의 입경 크기는 0.001㎛ 내지 10㎛이다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 방사층은 하기 특성 중 적어도 하나에 만족된다:
상기 방사층의 공극률이 30% 내지 95%인 것;
상기 방사층의 공극 크기가 20nm 내지 30㎛인 것;
상기 방사층의 두께가 1㎛ 내지 20㎛인 것.
발명자는 그 어떠한 이론적 바탕 없이, 방사층의 공극률의 범위를 상술한 범위 내로 되게 하면, 이온 전도 성능을 확보할 수 있다고 생각하였다. 공극률이 너무 작으면, 이온 전송 경로가 막히고, 리튬이온 전지의 정상적인 사이클에 방해된다. 공극률이 너무 크면, 구조의 불안정이 초래되고, 또한 기계적 강도가 너무 약하여, 극편 표면에서의 입자의 펑크를 억제할 수 없어, 양극/음극의 국부적인 단락을 일으키기 쉬우며, 이로 인해 전기적 성능의 저하와 심각한 자기방전 문제가 초래된다.
방사층의 공극 크기 범위를 상술한 범위 내로 되게 함으로써, 분리층에 적당한 기계적 강도를 갖게 된다. 공극 크기가 너무 작으면, 이온 전송 경로가 부족되어, 마찬가지로 리튬이온 전지의 정상적인 사이클에 방해된다. 공극 크기가 너무 크면, 공극 위치의 기계적 강도가 약하여, 극편 표면에서의 입자의 펑크를 억제할 수 없어, 양극/음극의 국부적인 단락을 일으키기 쉬우며, 이로 인해 전기적 성능의 저하와 심각한 자기방전 문제가 초래된다.
방사층의 두께가 1㎛ 내지 20㎛ 범위 내에 있게 하는 것은, 리튬이온 전지의 에너지 밀도를 향상시키는데 유리하다.
본 출원의 일부 실시양태에 있어서, 상기 방사층은 전기방사, 공기방사(air spinning), 원심방사, 전기블로잉, 멜트블로잉, 플래시 증발 또는 코팅법으로 제조된다.
나노섬유, 무기입자 및/또는 저융점 중합체입자의 증착 순서는 본 출원의 방사층이 형성될 수 있는 한, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 나노섬유와 무기입자 및/또는 저융점 중합체입자는 동시적으로 증착할 수도 있고, 교대적으로 증착할 수도 있다.
나노섬유의 증착은 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 한, 해당 분야에서 기지된 임의의 방사설비를 사용하여 실시 가능하되, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전기 방사 설비는 중국 Beijing Ucalery Co.,Ltd.의 Elite 시리즈 등일 수 있고; 공기 방사 설비는 중국 Nanjing Janus New-Materials Co.,Ltd.의 공기 분사 방사기 등일 수 있으며; 원심 방사설비는 중국 Sichuan Zhiyan Technology Co.,Ltd.의 원심 방사기 등일 수 있다.
본 출원은 더불어 상술한 전극어셈블리를 포함하는 전기화학 디바이스를 제공한다. 상기 전기화학 디바이스는 리튬이온 전지일 수 있다.
본 출원의 실시양태에 있어서, 양극 극편의 기타 설치에 대해서는, 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 한, 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, 양극 극편은 양극 집적체와 양극 막편을 포함한다. 양극 집적체는 예를 들어, 알루미늄박, 알루미늄합금박 또는 복합집적체 등 해당 분야에서 공지된 임의의 양극 집적체일 수 있다. 상기 양극 막편에 양극 활물질이 함유되고, 상기 양극 활물질에 대해서는, 종래 기술의 임의의 양극 활물질일 수 있고, 본 출원에서 특별히 제한하지 않는 바, 상기 활물질은 NCM811, NCM622, NCM523, NCM111, NCA, 리튬 인산철, 리튬 코발트산화물, 리튬 망간산화물, 리튬 인산망간철 또는 리튬 티타늄산화물 중 적어도 1종일 수 있다.
선택적으로, 상기 양극 극편은 또한 도전층을 포함할 수 있고, 상기 도전층은 양극 집적체와 양극 막편 사이에 위치한다. 상기 도전층의 구성은 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 도전층일 수 있고, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 도전층에는 도전제와 접착제의 구성을 포함한다.
본 출원의 실시양태에 있어서, 음극 극편의 기타 설치에 대해서는, 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 한, 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, 음극 극편은 음극 집적체와 음극 막편을 포함하고, 상기 음극 집적체에 대해서는, 예를 들어, 구리박, 구리합금박 또는 복합집적체 등 해당 분야에서 공지된 임의의 음극 집적체를 사용 가능하되, 특별히 제한하지 않는다. 상기 음극 막편에 음극 활물질이 함유되고, 음극 활물질에 대해서는, 해당 분야에서 공지된 임의의 음극 활물질을 사용 가능하되, 본 출원에서 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, 흑연, 실리콘 또는 실리콘 카본 등 중 적어도 1종일 수 있다.
선택적으로, 상기 음극 극편은 또한 도전층을 포함할 수 있고, 상기 도전층은 음극 집적체와 음극 막편 사이에 위치한다. 상기 도전층의 구성은 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 도전층일 수 있고, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 도전층에는 도전제와 접착제의 구성을 포함된다.
상술한 도전제는 본 출원의 목적에 달성할 수 있는 한, 해당 분야에서 공지된 임의의 도전제를 사용 가능하되, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도전제는 전도성 카본블랙(Super P), 탄소나노튜브(CNTs), 탄소섬유 또는 그래핀 등 중 적어도 1종을 포함 가능하다. 예를 들어, 도전제는 전도성 카본블랙(Super P)을 선택 사용 가능하다. 상술한 접착제는 본 출원의 목적에 달성할 수 있는 한, 해당 분야에서 공지된 임의의 접착제를 사용 가능하되, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 접착제는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(Na-CMC) 등으로부터 적어도 1종을 선택 가능하다. 예를 들어, 접착제는 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 선택 사용 가능하다.
리튬이온 전지의 전해액에 대해서는, 해당 분야에서 공지된 임의의 전해액을 사용 가능하되, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 겔 상태, 고체 상태 또는 액체 상태 중 임의의 1종일 수 있다. 예를 들어, 액체 상태의 전해액은 리튬염과 비수용매를 포함한다.
상기 리튬염은 본 출원의 목적에 달성할 수 있는 한, 해당 분야에서 공지된 임의의 리튬염을 사용 가능하되, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiB(C6H5)4, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3 또는 LiPO2F2 등 중 적어도 1종을 포함 가능하다. 예를 들어, 리튬염은 LiPF6을 선택 사용 가능하다.
상기 비수용매는 본 출원의 목적에 달성할 수 있는 한, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 비수용매는 카보네이트 화합물, 카르복실레이트 화합물, 에테르 화합물, 니트릴화합물 또는 기타 유기용매 등 중 적어도 1종을 포함 가능하다.
예를 들어, 카보네이트 화합물은 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트(EPC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐에틸렌카보네이트(VEC), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 1,2-디플루오로에틸렌카보네이트, 1,1-디플루오로에틸렌카보네이트, 1,1,2-트리플루오로에틸렌카보네이트, 1,1,2,2-테트라플루오로에틸렌카보네이트, 1-플루오로-2-메틸에틸렌카보네이트, 1-플루오로-1-메틸에틸렌카보네이트, 1,2-디플루오로-1-메틸에틸렌카보네이트, 1,1,2-트리플루오로-2-메틸에틸렌카보네이트 또는 트리플루오로메틸에틸렌카보네이트 등 중 적어도 1종을 포함 가능하다.
본 출원은 더불어 상술한 전기화학 디바이스를 포함하는 전자 디바이스를 제공한다.
본 출원에 있어서, 상기 전자 디바이스은 예를 들어, 노트북, 휴대 전화, 전기오토바이, 전기자동차, 전동 장난감 등 해당 분야의 임의의 전기화학 디바이스일 수 있다.
본 출원에서 사용되는 용어는 일반적으로 당업자가 통상적으로 사용하는 용어이며, 통상적으로 사용되는 용어와 상충되는 경우, 본 출원의 용어를 기준으로 한다.
상세하게, 본 출원에 있어서, 하기 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다:
무기입자의 평균 입경: 무기입자의 평균 입경은 부피 기준의 D50로 표시하되, 즉, 입경이 D50 이하인 무기입자의 부피 기준의 함유량이 전체 입자의 50%를 차지한다.
버: 탭 용접시 생성되는 금속의 볼록점과 오목점을 의미한다.
돌출량(Overhang): 양극 극편에 대한 음극 극편의 폭 방향 또는 길이 방향에서의 돌출량(사이즈 차이임), 음극 극편에 대한 분리막의 폭 방향 또는 길이 방향에서의 돌출량(사이즈 차이임), 혹은 양극 극편에 대한 분리막의 폭 방향 또는 길이 방향에서의 돌출량(사이즈 차이임)을 의미한다.
테스트 방법:
리튬이온 전지 용량 및 에너지 밀도:
실온에서, 리튬이온 전지를 60min 동안 정치시킨 후, 0.2C 레이트로 3.0V까지 충전하고, 0.5C 레이트로 컷오프 전압까지 방전하며, 그런 다음, 충전 전류가 0.01C 될때까지 정전압 충전하고, 60min 동안 정치시킨다. 그리고, 0.5C 레이트로 2.8V까지 충전하고, 리튬이온 전지 용량(Ah 기준)을 계량하여, 리튬이온 전지의 부피로부터 에너지 밀도(Wh/L 기준)를 계산한다.
낙하 남용 합격률:
낙하 남용 테스트(drop abuse test)에서 발화 폭발이 일어나지 않는 리튬이온 전지 수량/파라미터 실험의 리튬이온 전지 총 수량을 테스트한다.
테스트 방법은 하기와 같다: 1.0C 전류로 전극어셈블리의 상온에서의 초기 용량을 테스트하고, 1.0C으로 4.2V까지 정전류 충전하고, 이어서, 전류가 0.05C으로 감소될 때까지 정전압 충전하며, 충전이 중지되면, 1시간 동안 정치시키고; 개방 회로 전압, 임피던스를 측정하고; 전극어셈블리를 1미터(3.28피트)의 높이에서 시멘트 바닥으로 자유 낙하시키며; 각 리튬이온 전지를 서로 수직되는 3개의 축의 양수/음수 방향에 따라 각각 1회를 낙하시키고, 총 6회 낙하시킨 후 1시간 동안 정치시키고; 개방 회로 전압, 임피던스를 측정하고; 그 후, 1.0C 전류로 상온에서의 잔여 용량을 테스트하되, 잔여 용량은 만충전된 후의 방전 용량을 의미한다. 리튬이온 전지에 누출, 연기, 발화, 폭발이 일어나지 않고, 리튬이온 전지의 보호 장치가 온전하며, 또한 시험을 거친 후의 잔여 용량이 최초 용량의 90%보다 크거나 같고, 시험을 거친 후의 임피던스의 증가량이 최초 임피던스의 50%보다 작거나 같다면, pass로 여기고, 아니면, fail로 여긴다.
펑크 저항성:
마이크로컴퓨터로 컨트롤하는 전자만능시험기(Electromechanical Universal Test Machines, MTS-E44.104)를 사용하여 다공성 층의 펑크 강도를 측정한다.
테스트 프로세스: 리튬이온 전지를 분해하고, 양극 극편, 방사층, 음극 극편의 3층 구조로 적층된 샘플을 탈착시켜, 프레스 기계의 일 측의 알루미늄 판에 두고, 샘플 위에 스틸볼(재질: 철, 직경: 5mm)를 두며, 두 탭 사이에 10V 전압을 가하여, 두 측의 알루미늄 판을 통해 수직방향으로 0.1mm/min의 속도로 샘플 표면에 압력을 가하면서, 저항이 급격히 변화될 때의 압력을 기록하되, 이것이 바로 펑크 강도이다.
공극률 및 공극 크기:
전지 분리막(방사층)을 직경 24mm의 원판으로 제작하고, 전지 분리막 관통공 공극 분석기 CFP-1500AE로 분석하는 것으로 방사층의 공극률 및 공극 크기를 얻을 수 있되, 파라미터는 하기와 같다: 압력 범위: 0-500psi; 가압 가스: N2; 침윤액: GalWick.
제조예 1
전해액의 제조
건조한 아르곤 가스 분위기에서, 유기용매인 에틸렌카보네이트, 메틸에틸카보네이트 및 디에틸카보네이트를 질량비 EC:EMC:DEC=30:50:20로 혼합하여 유기용액을 얻은 후, 유기용매에 헥사플루오로인산리튬을 가하여 용해시키고 균일하게 혼합하여, 리튬염의 농도가 1.15Mol/L인 전해액을 얻는다.
실시예
하기 실시예는 본 출원의 전극어셈블리를 예시로 설명한다. 이러한 실시예들은 방사층이 양극 극편에 설치된 것을 예로 설명한다. 상기 방사층은 음극 극편의 표면에 설치될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 실시예들은 모두 마찬가지로 본 출원의 목적을 달성할 수 있다. 당업자라면, 이러한 실시예들은 모두 마찬가지로 본 출원의 보호 범위 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
실시예 1
선정된 333996 모델에 있어서, 양극 극편의 너비는 89.8mm이고, 양극 극편의 음극 탭의 용접부에 대향되는 부위에 청면테이프를 붙인다. 그리고, 양극 극편 위에서 정전기 방사의 방법으로 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하되, 방사층의 일단부는 상기 양극 극편의 폭 방향에서 양극 극편의 너비보다 0.5mm 넓다. 음극 극편의 너비는 91mm이고, 그의 탭 부위에 청면테이프를 붙인다. 방사를 거친 양극과 방사를 거치지 않았는 음극을 적층하고 권취시켜 전극어셈블리를 얻는다. 전극어셈블리를 알루미늄 플라스틱 필름 속에 넣고, 상단 및 측면을 밀봉시키고, 제조예 1의 전해액을 주입하고, 밀봉포장하여 리튬 금속 전지를 얻는다.
본 실시예에 있어서, 상기 방사층의 공극률은 60%이고, 공극 크기는 100nm이고, 두께는 10㎛이다.
실시예 2
선정된 333996 모델에 있어서, 양극 극편의 폭은 89.8mm이고, 양극 극편의 음극 탭의 용접부에 대향되는 부위에 청면테이프를 붙인다. 그리고, 양극 극편의 탭 용접 영역 이외의 부분에서, 정전기 방사의 방법으로 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하고; 양극 탭 용접 부위에서 국부 방사의 방법으로 Al2O3입자 함유 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하되, 여기서, Al2O3입자가 분리층의 총 부피에서 차지하는 비율은 30%이다. 방사층 전반의 일단부는 상기 양극 극편의 폭 방향에서 양극 극편의 너비보다 0.5mm 넓다. 음극 극편의 폭은 91mm이고, 그의 탭 부위에 청면테이프를 붙인다. 방사를 거친 양극과 방사를 거치지 않았는 음극을 권취하여 전극어셈블리를 얻는다. 전극어셈블리를 알루미늄 플라스틱 필름 속에 넣고, 상단 및 측면을 밀봉시키고, 제조예 2의 전해액을 주입하고, 밀봉포장하여 리튬 금속 전지를 얻는다.
본 실시예에 있어서, 상기 방사층의 공극률은 40%이고, 공극 크기는 150nm이며, 두께는 5㎛이고, Al2O3입자의 입경은 1㎛이다.
실시예 3
선정된 333996 모델에 있어서, 양극 극편의 너비는 89.8mm이고, 양극 극편의 음극 탭의 용접부에 대향되는 부위에 청면테이프를 붙인다. 그리고, 양극 극편 위에서 정전기 방사의 방법으로 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하고, 양극 탭 용접 부위에서 다층 국부 방사의 방법으로 한 층의 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층과 한 층의 Al2O3입자층을 피복하되, 여기서, Al2O3입자층과 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층과의 두께비는 2:5이다. 방사층 전체의 일단부는 상기 양극 극편의 폭 방향에서 양극 극편의 폭보다 0.5mm 넓다. 음극 극편의 너비는 91mm이고, 그의 탭 부위에 청면테이프를 붙인다. 방사를 거친 양극 극편과 방사를 거치지 않았는 음극 극편을 권취하여 전극어셈블리를 얻는다. 전극어셈블리를 알루미늄 플라스틱 필름 속에 넣고, 상단 및 측면을 밀봉시키고, 제조예 3의 전해액을 주입하고, 밀봉포장하여 리튬 금속 전지를 얻는다.
본 실시예에 있어서, 상기 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층의 공극률은 55%이고, 공극 크기는 90nm이며, 두께는 8㎛이고, Al2O3입자의 입경은 1㎛이며, Al2O3입자층의 두께가 3.2㎛이다.
실시예 4
선정된 333996 모델에 있어서, 양극 극편의 폭은 89.8mm이고, 양극 극편의 음극 탭의 용접부에 대향되는 부위에 청면테이프를 붙인다. 그리고, 음극 극편 위에서 정전기 방사의 방법으로 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하되, 음극 극편의 너비는 91mm이다. 방사층의 일단부는 상기 양극 극편의 폭 방향에서 음극 극편의 너비보다 0.5mm 넓다. 방사를 거치지 않았는 양극 극편과 방사를 거친 음극 극편을 권취하여 전극어셈블리를 얻는다. 전극어셈블리를 알루미늄 플라스틱 필름 속에 넣고, 상단 및 측면을 밀봉시키고, 제조예 4의 전해액을 주입하고, 밀봉포장하여 리튬 금속 전지를 얻는다.
본 실시예에 있어서, 상기 방사층의 공극률은 60%이고, 공극 크기는 120nm이며, 두께는 10㎛이다.
실시예 5
선정된 333996 모델에 있어서, 양극 극편의 폭은 89.8mm이고, 양극 극편의 음극 탭의 용접부에 대향되는 부위에 청면테이프를 붙인다. 그리고, 양극 극편 위에서 정전기 방사의 방법으로 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하되, 방사층의 일단부는 상기 양극 극편의 폭 방향에서 양극 극편의 너비보다 0.5mm 넓다. 더불어, 음극 극편에서 정전기 방사의 방법으로 폴리이미드(PI, polyimide) 방사층을 제조하되, 음극 극편은 91mm이고, 방사층의 일단부는 음극 극편의 너비보다 0.5mm 넓다. 방사를 거친 양극 극편과 음극 극편을 권취하여 전극어셈블리를 얻는다. 전극어셈블리를 알루미늄 플라스틱 필름 속에 넣고, 상단 및 측면을 밀봉시키고, 제조예 5의 전해액을 주입하고, 밀봉포장하여 리튬 금속 전지를 얻는다.
본 실시예에 있어서, 양극 극편의 방사층의 공극률은 45%이고, 공극 크기는 1㎛이고, 두께는 12㎛이며; 음극 극편의 방사층의 공극률은 45%이고, 공극 크기는 1㎛이며, 두께는 12㎛이다.
비교예 1
선정된 333996 모델에 있어서, 양극 극편의 너비가 89.8mm이고, 청면테이프과 극편과의 접촉면적이 22×15mm이며, 그 중, 테이프의 막편 면적이 135 mm2인 경우, 양극 양쪽의 청면테이프에 의해 피복된 활물질의 총 면적은 270 mm2이다. 양극 극편의 음극 탭 용접부에 대향되는 부위에 청면테이프를 붙인다. 음극 극편의 너비는 91mm이고, 그의 탭 부위에 청면테이프를 붙인다. 분리막은 너비가 92.8mm인 PE분리막을 선택 사용한다. 양극 극편, 분리막, 음극 극편을 권취하여 전극어셈블리를 얻는다. 전극어셈블리를 알루미늄 플라스틱 필름 속에 넣고, 상단 및 측면을 밀봉시키고, 제조예 1의 전해액을 주입하고, 밀봉포장하여, 비교예 1의 리튬이온 전지를 얻는다. 그의 코어 용량은 2.36 Ah이다.
여기서, 비교예 1에 대비한, 실시예 1-3의 전극어셈블리의 너비의 차이 값=92.8-91=1.8 mm이고;
비교예 1에 대비한, 실시예4-5의 전극어셈블리의 너비의 차이 값=92.8-(91+0.5×2)=0.8 mm이다.
테스트 결과는 표 1에 표시한 바와 같다:
[표 1]
Figure pct00001
표 1에서 알다시피, 본 출원은 방사층으로 청면테이프를 대체하는 것으로, 전극 활물질을 차폐하는 청면테이프로 인한 용량 손실을 방지할 수 있어, 리튬이온 전지의 에너지 밀도가 향상되고; 더불어, 방사층이 극편의 표면과 측면에 직접 복합되므로, 남용 시 양극과 음극의 단락 가능성을 차단하여 낙하 테스트 등 남용 테스트의 합격률을 크게 향상시켰다.
본 출원은 방사층으로 종래의 분리막을 대체하는 것으로, 극편의 막편 영역과 일부 측면을 단단히 싸서, 방사층과 극편이 일체를 이루게 한다. 임베디드 탭의 전지 구조에 있어서, 방사층은 금속 버를 차단 가능하므로, 원래 청면테이프를 붙여야 하는 탭 부위를 방사층으로 대체하여, 탭 부위에 테이프를 붙이는 것을 취소할 수 있고; 더불어, 방사층에 의해 리튬이온의 전송이 차단되지는 않으므로, 원래 청면테이프에 의해 피복된 활물질 부분의 용량이 정상적으로 활용 가능하게 되어, 에너지 밀도가 향상된다. 이와 더불어, 방사층에 의해 전극 극편의 막편 영역은 단단히 감싸여 있기 때문에, 낙하 남용시 양극과 음극의 단락 현상의 발생을 피할 수 있어 전지의 낙하 성능이 크게 향상된다. 또한, 단지 양극에 방사층이 부착되어 있을 경우, 그의 양극에 대한 너비의 증가량은 음극과 양극의 돌출량(overhang)보다 작거나 같으므로, 전극어셈블리의 길이는 분리막의 너비와 상관 없이 단지 음극의 너비에 의해 결정되며(일반적으로, 분리막의 너비는 음극보다 넓다), 따라서 리튬이온 전지 전체의 부피 에너지 밀도가 한층 더 향상된다.
상술한 내용은 본 출원의 바람직한 실시예일 뿐, 본 출원의 보호 범위를 제한하려는 것이 아니다. 본 출원의 정신 및 원칙 내에서의 모든 수정, 동등 교체, 개진 등은 모두 본 출원의 보호범위 내에 포함된다.
1：양극 탭
2：탭 용접 영역
3：음극 탭
4：방사층

Claims (12)

  1. 전극어셈블리에 있어서,
    전극 극편 및 상기 전극 극편에 설치된 임베디드 탭을 포함하고;
    상기 전극 극편의 표면에 방사층이 설치되어 있으며 상기 방사층은 전극 극편 표면을 피복하면서 전극 극편 표면에 접촉되어 있되,
    상기 전극 극편 표면은 탭 표면을 포함하는, 전극어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    탭 표면 외의 방사층의 펑크 저항성에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 펑크 저항성이 더 높은, 전극어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탭 표면 외의 방사층의 공극률 및/또는 공극 크기에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 공극률 및/또는 공극 크기가 더 작고, 및/또는,
    상기 탭 표면 외의 방사층의 두께에 비해, 상기 탭 표면의 방사층의 두께가 더 큰, 전극어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사층의 상단 가장자리와 하단 가장자리가 각각 상기 전극 극편의 상단 가장자리와 하단 가장자리보다 0.1mm 내지 10mm 넓은, 전극어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사층에는 중합체가 포함되어 있고,
    상기 중합체는 폴리불화비닐리덴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리페닐렌에테르, 폴리프로필렌카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리(불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌) 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드 또는 상기 물질의 유도체 중 적어도 1종을 포함하는, 전극어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사층은 무기입자 및/또는 저융점 중합체입자를 더 포함하는, 전극어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 무기입자는 HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, 베마이트, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 인산리튬, 리튬 티타늄포스페이트, 리튬 알루미늄티타늄포스페이트, 리튬 란탄티타늄산화물, 리튬 게르마늄티오포스페이트, 리튬질화물, SiS2 유리, P2S5 유리, Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2 세라믹 또는 석류석 세라믹 중 적어도 1종을 포함하는, 전극어셈블리.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 저융점 중합체입자는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리락트산, 폴리염화비닐, 폴리비닐부티랄 또는 폴리아크릴레이트 중 적어도 1종을 포함하는, 전극어셈블리.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 무기입자 및/또는 저융점 중합체입자의 입경 크기는 0.001㎛ 내지 10㎛인, 전극어셈블리.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사층이 하기 특성 중 적어도 하나에 만족되는, 전극어셈블리:
    상기 방사층의 공극률이 30 내지 95%인 것;
    상기 방사층의 공극 크기가 20nm 내지 30㎛인 것;
    상기 방사층의 두께가 1㎛ 내지 20㎛인 것.
  11. 전기화학 디바이스에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 전극어셈블리를 포함한, 전기화학 디바이스.
  12. 전자 디바이스에 있어서,
    제 11 항에 따른 전기화학 디바이스를 포함한, 전자 디바이스.
KR1020227033835A 2020-03-27 2020-03-27 전극어셈블리 및 상기 전극어셈블리를 포함하는 전기화학 디바이스와 전자 디바이스 KR20220140005A (ko)

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