KR20230029832A - 전극시트 및 배터리 - Google Patents

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KR20230029832A
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지앤 장
레이밍 순
슈앙후 장
총 펑
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주하이 코스엠엑스 배터리 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 전극시트 및 배터리를 제공하며, 전극시트는 집전체 및 집전체의 제1 표면에 설치되는 기능층을 포함하되, 상기 제1 표면의 중간에는 탭이 더 설치되고, 상기 제1 표면의 기능층은 탭에 가까운 제1 경사 영역 및 탭으로부터 멀리 이격된 제1 정상 영역을 가지며, 상기 제1 경사 영역의 두께는 탭에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소된다. 본 발명은 배터리의 배율성 및 안전성 등의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

전극시트 및 배터리
본 발명은 전극시트 및 배터리에 관한 것으로서, 배터리 분야에 속한다.
본 출원은 2020년 12월 30일에 중국특허국에 출원한 출원번호가 202011628655.5이고, 출원의 명칭이 "전극시트 및 배터리"인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하는 바, 그 전부 내용은 참조로서 본 발명에 원용된다.
리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북 등 소비 전자제품의 가장 중요한 배터리 유형으로서, 스마트폰과 같은 소비 전자제품의 업그레이드 및 교체에 따라, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도, 충전 속도, 및 안전 성능에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 기존의 소프트팩 리튬 이온 배터리 탭은 전극시트의 일단에 용접되는데, 이러한 구조의 리튬 이온 배터리는 내부 저항이 보다 커서, 배터리의 급속 충전에 불리하고, 전극시트 중간 또는 중간에 가까운 영역에 탭을 용접하면 배터리 내부 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있어, 배터리의 충전 속도를 향상시키는데 유리하므로, 일반적으로 집전체에 기능성 코팅층을 도포한 후, 전극시트 중간의 기설정된 탭 위치의 코팅층을 제거하여 집전체를 노출시킨 후 탭을 용접한 다음, 스티커를 부착하여 보호하는데, 스티커는 탭 상면에 부착되어야 하는 외에도, 일반적으로 탭 주변의 노출된 집전체 및 탭 주변의 기능성 코팅층(즉 기능성 코팅층에서 탭에 가까운 영역)에도 부착되며, 이로써 탭을 커버하여 탭에 대한 보호를 구현한다. 그러나 일반 전극시트 구조에서, 기능성 코팅층에서 탭에 가까운 영역과 집전체 사이에 높이 차이가 존재하며, 해당 높이 차이는 기본적으로 기능성 코팅층의 두께와 일치하여, 스티커가 해당 영역에서 탭 주변의 노출된 집전체와 완전히 접착될 수 없도록 함으로써, 탭에 가까운 기능성 코팅층 영역에 전해액이 쉽게 음극되어, 해당 영역의 리튬 이온 농도가 다른 영역과의 차이가 커지도록 하며, 리튬 석출 등의 문제가 존재하여, 전극시트 및 배터리의 안전성과 배율성 등의 성능을 감소시킨다.
본 발명은 탭 음극 영역을 효과적으로 보호하여, 리튬 석출 등의 문제점을 방지함으로써, 전극시트 및 배터리의 안전성과 배율성 등의 성능을 향상시킬 수 있는 전극시트를 제공한다.
본 발명은 상기 전극시트를 사용하여 우수한 안전성 및 배율성 등의 성능을 가지는 배터리를 더 제공한다.
본 발명의 일 측면에서는, 집전체 및 집전체의 제1 표면에 설치되는 기능층을 포함하되, 제1 표면의 중간에는 탭이 더 설치되고, 제1 표면의 기능층은 탭에 가까운 제1 경사 영역 및 탭으로부터 멀리 이격된 제1 정상 영역을 가지며, 제1 경사 영역의 두께는 탭에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소되는 전극시트를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전극시트의 그 두께 방향에 평행한 투영에서, 제1 경사 영역에서 탭으로부터 멀리 이격된 일단의 끝점은 c이고, 제1 경사 영역에서 탭에 가까운 일단의 끝점은 d이며, c와 d의 연결선과 전극시트 표면에 평행한 평면 사이에 끼인 예각은 α이고, α는 10 ~ 80°이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 경사 영역의 폭은 0.25 ~ 3mm이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 기능층은 활물질층 및 활물질층과 집전체 표면 사이에 위치하는 프라이머 코팅층을 포함하고, 상기 활물질층은 상기 제1 경사 영역과 제1 정상 영역을 갖는다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 프라이머 코팅층은 탭에 가까운 제2 경사 영역 및 탭으로부터 멀리 이격된 제2 정상 영역을 가지며, 상기 제2 경사 영역의 두께는 탭에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전극시트의 그 두께 방향에 평행한 투영에서, 제2 경사 영역에서 탭으로부터 멀리 이격된 일단의 끝점은 e이고, 제2 경사 영역에서 탭에 가까운 일단의 끝점은 f이며, e와 f의 연결선과 전극시트 표면에 평행한 평면 사이에 끼인 예각은 β이고 β는 10 ~ 80°이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 활물질층에서 탭까지의 최소 거리는 상기 프라이머 코팅층에서 탭까지의 최소 거리보다 크지 않다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 활물질층에서 탭까지의 최소 거리는 m이고, 상기 프라이머 코팅층에서 탭까지의 최소 거리는 n이며, 0≤n-m≤3mm이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 경사 영역의 표면에서 집전체 제1 표면까지의 최소 거리는 프라이머 코팅층 표면에서 집전체 제1 표면까지의 최대 거리보다 크다.
본 발명의 다른 측면에서는 상기 전극시트를 포함하는 배터리를 제공한다.
본 발명의 구현은 적어도 하기와 같은 유리한 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 전극시트는 탭에 가까운 기능층 영역에 경사 영역(즉 상기 제1 경사 영역)을 형성하여, 상기 경사 영역과 탭, 탭 주변의 노출된 집전체 사이의 높이 차이를 감소시켜, 스티커가 탭, 탭 주변의 노출된 집전체, 경사 영역과 더 잘 접착되도록 함으로써, 탭 영역에 대한 보호 효과를 향상시키고, 전해액의 농축 및 이로 인한 리튬 석출 등의 문제점을 방지하는 것에 의해, 전극시트 및 배터리의 배율성, 안전성, 안정성, 및 사용 수명 등의 성능을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 전극시트 제1 표면의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태의 전극시트 제1 표면의 단면도이다.
도면부호의 설명:
1: 집전체 2: 프라이머 코팅층
3: 활물질층 4: 탭
21: 제2 경사 영역 22: 제2 정상 영역
31: 제1 경사 영역 32: 제1 정상 영역
α: 제1 경사각 β: 제2 경사각
a: 제1 경사 영역의 폭
b: 프라이머 코팅층에서 탭에 가까운 일단으로부터 활물질층에서 탭에 가까운 일단까지의 거리
당업자가 본 발명의 방안을 더 잘 이해하도록 하기 위해, 아래에서는 도면을 결합하여 본 출원에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에서는 전극시트를 제공하며, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전극시트는 집전체(1) 및 집전체의 제1 표면에 설치되는 기능층을 포함하되, 제1 표면의 중간에는 탭(4)이 더 설치되고, 제1 표면의 기능층은 탭(4)에 가까운 제1 경사 영역(31) 및 탭으로부터 멀리 이격된 제1 정상 영역(32)을 가지며, 제1 경사 영역(31)의 두께는 탭(4)에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소된다.
본 발명에서 제공하는 전극시트는 상기 제1 경사 영역을 형성함으로써, 스티커가 탭, 탭 주변의 노출된 집전체, 탭 주변의 경사 영역과 더욱 밀착되기에 유리하고, 탭에 대한 커버 및 보호 효과를 향상시키고, 탭 부근의 전해액의 농축 및 이로 인한 리튬 석출 등의 문제점을 방지함으로써, 전극시트와 배터리의 배율성, 안전성, 안정성, 및 사용 수명 등의 성능을 향상시킨다.
구체적으로, 본 발명의 전극시트는 제1 표면에만 기능층이 설치될 수 있고, 동시에 제1 표면에 대향하는 제2 표면에도 기능층이 설치될 수 있으며(즉 집전체의 정면과 반대면인 양면에 모두 기능층이 설치됨), 구체적으로 실시할 때, 수요에 따라 설치할 수 있고, 여기서 제2 표면의 기능층은 본 분야의 통상적인 구조일 수 있으며, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않고, 더이상 반복 서술하지 않는다.
일 구체적인 실시형태에서, 제2 표면에도 기능층이 설치되고, 제2 표면의 기능층의 두께는 제1 표면의 제1 정상 영역의 기능층의 두께와 같으며, 제2 표면의 기능층의 두께와 제1 표면의 제1 정상 영역의 기능층의 두께의 총합은 90 ~ 120μm이다.
본 발명의 연구에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극시트의 그 두께 방향에 평행한 투영에서, 제1 경사 영역(31)에서 탭(4)으로부터 멀리 이격된 일단의 끝점은 c이고, 제1 경사 영역(31)에서 탭(4)에 가까운 일단의 끝점은 d이며, c와 d의 연결선과 전극시트 표면에 평행한 평면 사이에 끼인 예각(이하 제1 경사각으로 약칭)은 α이고, α는 10 ~ 80°이며, 예를 들어 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 또는 그 중 임의의 2개의 값으로 이루어진 범위일 수 있고, 예를 들어 20 ~ 80° 또는 20 ~ 70°등이며, 전극시트의 배율성 및 안정성 등의 성능을 향상시키는데 유리하다. 여기서, c는 기능층 두께 변화의 임계점(즉, 제1 정상 영역(32)과 제1 경사 영역(31)의 경계선이 상기 투영에서 형성한 교점)이고, d는 제1 경사 영역(31)(호면 또는 경사면으로 이루어짐)과 기능층 두께 방향에 평행한 기능층 수직면의 경계선이 상기 투영에서 형성한 교점이다.
또한, 제1 경사 영역(31)의 폭(a)은 0.25 ~ 3mm일 수 있고, 나아가 0.5 ~ 2.5mm 또는 0.5 ~ 2mm 또는 0.5 ~ 1.5mm일 수 있으며, 상기 폭(a)은 바로 기능층 표면이 위치한 평면에 평행한 방향 상에서의 제1 경사 영역(31)에서 탭으로부터 멀리 이격된 일단으로부터 탭에 가까운 일단까지의 거리이고, 또는, 상기 폭(a)은 기능층 표면이 위치한 평면에 평행한 방향 상에서의 제1 정상 영역(32)과 제1 경사 영역(31)의 경계선으로부터 제1 경사 영역(31)과 기능층 두께 방향에 평행한 기능층 수직면의 경계선까지의 거리이다. 상대적으로, a가 너무 작으면(＜0.25mm), 스티커와 탭, 탭 주변의 노출된 집전체, 탭 주변의 기능층을 포함하는 전체 경계면의 접착성에 영향을 미치고, 전극시트의 배율성 및 안전성 등의 성능에 대한 개선 효과가 제한되며, a가 너무 크면(＞3mm), 기능층의 손실이 보다 크므로, 전극시트의 에너지 밀도 및 용량 등의 특성에 영향을 미친다.
배터리의 안전성 등의 성능을 더욱 향상시키기 위해, 본 발명의 일 실시형태에서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기능층은 활물질층(3) 및 활물질층(3)과 집전체(1) 표면 사이에 위치하는 프라이머 코팅층(2)을 포함하고, 활물질층(3)은 상기 제1 경사 영역(31)과 제1 정상 영역(32)을 갖는다.
또한, 프라이머 코팅층(2)은 탭(4)에 가까운 제2 경사 영역(21) 및 탭(4)으로부터 멀리 이격된 제2 정상 영역(22)을 가지며, 제2 경사 영역(21)의 두께는 탭(4)에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소된다.
구체적으로, 전극시트의 그 두께 방향에 평행한 투영에서, 제2 경사 영역(21)에서 탭(4)으로부터 멀리 이격된 일단의 끝점은 e이고, 제2 경사 영역(21)에서 탭(4)에 가까운 일단의 끝점은 f이며, e와 f의 연결선과 전극시트 표면에 평행한 평면 사이에 끼인 예각은 β(이하 제2 경사각으로 약칭)이고, β는 10 ~ 80°이며, 예를 들어 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 또는 그 중 임의의 2개의 값으로 이루어진 범위일 수 있다. 여기서, e는 프라이머 코팅층 두께 변화의 임계점(즉, 제2 정상 영역(22)과 제2 경사 영역(21)의 경계선이 상기 투영에서 형성한 교점)이고, f는 제2 경사 영역(21)(호면 또는 경사면으로 이루어짐)과 프라이머 코팅층 두께 방향에 평행한 프라이머 코팅층 수직면의 경계선이 상기 투영에서 형성한 교점이다. 일반적으로, e와 c의 연결선은 기능층의 두께 방향과 동일한 것이 바람직하다(즉, 탭에 가까운 방향에서, 제1 경사 영역(31)과 제2 경사 영역(21)의 시작 위치가 동일함).
일반적인 경우, 활물질층(3)에서 탭(4)까지의 최소 거리는 프라이머 코팅층(2)에서 탭(4)까지의 최소 거리보다 크지 않으며, 전체 기능층 표면이 보다 균질하고 매끄러워져, 그 안전성 및 배율성 등의 성능을 향상시키는데 유리하다.
구체적으로, 활물질층(3)에서 탭(4)까지의 최소 거리는 m이고, 프라이머 코팅층(2)에서 탭(4)까지의 최소 거리는 n이며 0≤n-m≤3mm(즉 도 1에 도시된 바와 같이, 프라이머 코팅층(2)에서 탭(4)에 가까운 일단으로부터 활물질층(3)에서 탭(4)에 가까운 일단까지의 거리 b는 0 ~ 3mm임)이고, 또한, 0≤n-m≤2.5mm 또는 0≤n-m≤2mm 또는 0≤n-m≤1.5mm 또는 0≤n-m≤1mm이며, 상대적으로, n-m이 너무 작으면(＜0), 프라이머 코팅층의 초과 부분이 기능층 표면의 평탄도에 영향을 미치고, 프라이머 코팅층은 일반적으로 접착력이 보다 커서, 세척하거나 긁어내기 어려우므로, 전극시트의 제조에 영향을 미치며, n-m이 너무 크면(＞3mm), 탭에 가까운 활물질층 영역의 보다 많은 부분이 프라이머 코팅층에 의해 보호되지 않아 전극시트의 안전성 등 성능에 불리하다.
추가적 연구에 의하면, 제1 경사 영역(31)의 표면에서 집전체(1) 제1 표면까지의 최소 거리는 프라이머 코팅층(2)의 표면에서 집전체(1) 제1 표면까지의 최대 거리보다 크고, 또는 집전체(1)의 제1 표면을 기준으로, 제1 경사 영역(31) 표면의 최저점은 프라이머 코팅층(2)의 상측에 위치하며, 다시 말하면 프라이머 코팅층에 제2 경사 영역이 형성되지 않을 경우(즉 프라이머 코팅층이 모두 제2 정상 영역으로 이루어짐), 제1 경사 영역(31)의 표면에서 집전체(1) 제1 표면까지의 최소 거리는 프라이머 코팅층(2)의 두께보다 크고; 프라이머 코팅층에 제2 경사 영역(21)과 제2 정상 영역(22)이 구비될 경우, 제1 경사 영역(31)의 표면에서 집전체(1) 제1 표면까지의 최소 거리는 제2 정상 영역(22)에 대응되는 프라이머 코팅층(2)의 두께보다 크다.
본 발명의 프라이머 코팅층은 본 분야의 통상적인 보호 기능을 가진 안전 코팅층일 수 있고, 예를 들어 무기 입자 코팅층 및/또는 폴리머 코팅층을 포함할 수 있으며, 상기 무기 입자 코팅층은 통상적인 활물질이 함유되지 않은 세라믹 코팅층일 수 있고, 활물질이 함유되고 바인더 함량이 상기 활물질층보다 높은 활물질층이거나, 또는 상기 세라믹 코팅층과 활물질층의 혼합 코팅층일 수도 있다. 상기 프라이머 코팅층과 집전체 사이에는 보다 큰 박리력(접착력)이 있으며, 일반적으로 박리력이 30 N/m보다 크므로, 집전체에 대한 기능층의 부착력을 강화하고, 전극시트의 안전성 및 사용 수명 등의 특성을 향상시킬 수 있다.
집전체에 대한 상기 프라이머 코팅층의 박리력은 집전체에 대한 활물질층의 박리력보다 크고, 구체적으로 코팅층 중의 바인더 함량을 조정하여 집전체에 대한 각 코팅층의 박리력의 조절을 구현할 수 있으며, 일반적인 경우, 프라이머 코팅층 중 바인더 질량 함량은 활물질층 중 바인더 질량 함량의 3배 이상으로서, 프라이머 코팅층이 집전체에 대해 더욱 높은 박리력을 갖는데 유리하여, 전극시트의 안전성을 향상시키고 전극시트의 에너지 밀도 등의 특성도 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 바람직한 실시형태에서, 상기 프라이머 코팅층은 무기 입자 코팅층이고, 그 원료는 무기 입자 재료, 도전제, 및 바인더를 포함하며, 여기서 무기 입자 재료의 질량 함량은 55% ~ 96%이고, 바인더의 질량 함량은 3% ~ 40%이며, 도전제의 질량 함량은 1% ~ 5%이다.
구체적으로, 무기 입자 재료는 코발트산리튬(LCO), 니켈-코발트-망간 3원 물질(NCM), 니켈-코발트-알루미늄 3원 물질(NCA), 니켈-코발트-망간-알루미늄 4원 물질(NCMA), 인산철리튬(LFP), 인산망간리튬(LMP), 인산바나듐리튬(LVP), 망간산리튬(LMO), 리튬 리치 망간계, 산화알루미늄, 베마이트, 산화마그네슘, 산화티탄, 산화규소, 산화칼슘, 산화망간, 산화지르코늄, 산화이트륨, 산화하프늄, 산화세륨, 산화토륨 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
상기 활물질층은 본 기술분야의 통상적인 활물질층일 수도 있고, 일 바람직한 실시형태에서, 상기 활물질층의 원료는 활물질, 바인더, 및 도전제를 포함하며, 여기서 활물질의 질량 함량은 93% ~ 99%이고, 바인더의 질량 함량은 0.5% ~ 2%이며, 도전제의 질량 함량은 0.5% ~ 5%이다.
구체적으로, 상기 전극시트는 양극시트 또는 음극시트일 수 있고, 예를 들어 일 실시형태에서, 상기 전극시트는 양극시트이며 상기 기능층은 상기 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층의 원료는 활물질, 바인더, 및 도전제를 포함하며, 활물질은 구체적으로 리튬 함유 활물질과 같은 본 분야의 통상적인 양극 활물질일 수 있고, 예를 들어 코발트산리튬, 망간산리튬, 니켈산리튬, 니켈코발트망간산리튬, 인산철리튬, 인산철망간리튬, 인산바나듐리튬, 인산바나듐산소리튬, 리튬 리치 망간계 재료, 니켈코발트알루미늄산리튬 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 집전체는 알루미늄 호일과 같은 본 분야의 통상적인 양극 집전체일 수 있고; 다른 실시형태에서, 상기 전극시트는 음극시트이며, 상기 기능층은 상기 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층의 원료는 활물질, 바인더, 및 도전제를 포함하며, 상기 활물질은 구체적으로 흑연, 메조카본마이크로비드, 소프트 카본, 하드 카본, 실리콘 재료, 실리콘-산소 재료, 실리콘-탄소 재료, 리튬 티타네이트 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 집전체는 구리 호일과 같은 본 분야의 통상적인 음극 집전체일 수 있다.
상기 프라이머 코팅층 및 활물질층 중의 바인더, 도전제는 본 분야의 통상적인 재료일 수 있고, 예를 들어 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(CMC), 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리헥사플루오로프로필렌, 및 부타디엔 스티렌 고무(SBR) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며; 도전제는 전도성 카본블랙, 탄소나노튜브, 전도성 흑연, 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 전극시트는 그라비아 코팅법, 압출 코팅법 등 본 분야의 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있고, 구체적으로 구현할 경우, 먼저 그라비아 코팅법을 이용하여 프라이머 코팅층 원료가 함유된 슬러리를 집전체의 표면에 도포하고 건조시킨 후, 다시 압출 코팅법을 이용하여 활물질층이 함유된 슬러리를 도포한 다음 건조, 압연 처리를 거친 후, 탭 위치의 코팅층을 스크래핑 또는 세척하여 제거하고, 탭 위치가 노출된 집전체에 탭을 용접하여 전극시트를 얻되; 여기서 기설정된 제1 경사 영역 및 제1 정상 영역 위치, 경사각 등의 파라미터에 따라 각 영역의 코팅층 두께를 제어하여 요구에 부합되는 전극시트를 얻을 수 있다. 그라비아 코팅법을 예로 들어 설명하면, 예를 들어 그라비아 코팅법을 이용하여 집전체에 프라이머 코팅층을 코팅할 수 있고, 그라비아 코팅 과정에서 사용되는 그라비아 롤러에는 예비 탭 홈이 설치되어, 대응되는 전극시트 상의 탭 위치를 형성하며, 프라이머 코팅층이 제2 경사 영역과 제2 정상 영역으로 이루어질 경우, 그라비아 롤러에는 상기 제2 경사 영역에 대응되는 호면 코팅 부위가 설치되어, 상기 제2 경사 영역을 형성하고; 물론, 프라이머 코팅층에 제2 경사 영역이 구비되지 않을 경우(즉 모두 제2 정상 영역으로 이루어짐), 상기 호면 코팅 부위가 설치되지 않은 그라비아 롤러를 사용하여 프라이머 코팅층의 코팅 과정을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는 상기 전극시트를 포함하는 배터리를 제공한다.
본 발명의 배터리는 상기 구조 설계를 갖는 양극시트를 포함하거나(즉, 상기 전극시트는 양극시트임), 상기 구조 설계를 갖는 음극시트를 포함하거나(즉, 상기 전극시트는 음극시트임), 동시에 상기 구조 설계를 갖는 양극시트 및 상기 구조 설계를 갖는 음극시트를 포함할 수 있다(즉, 상기 전극시트가 양극시트 및 음극시트를 포함). 상기 전극시트가 양극시트일 경우, 상기 배터리는 음극시트를 더 포함하며, 상기 음극시트는 본 분야의 통상적인 음극시트일 수 있고; 상기 전극시트가 음극시트일 경우, 상기 배터리는 양극시트를 더 포함하며, 상기 양극시트도 본 분야의 통상적인 양극시트일 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
상기 배터리는 양극시트과 음극시트 사이에 위치하는 세퍼레이터를 더 포함하고, 상기 세퍼레이터는 양극시트과 음극시트를 이격시키는데 사용되며, 이는 본 분야의 통상적인 세퍼레이터일 수 있고, 본 발명은 이에 대해서도 특별히 한정하지 않는다.
구체적으로, 본 발명의 배터리는 리튬 이온 배터리일 수 있고, 권취형 또는 적층형일 수 있으며, 바람직하게는 권취형 구조이다.
본 발명의 배터리는 본 기술분야의 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있고, 예를 들어 양극시트, 세퍼레이터, 음극시트를 순차적으로 적층한 후, 권취(또는 적층)하여 배터리 셀을 형성한 다음, 패키징, 액체 주입, 화성, 용량 분할, OCV(개방 회로 전압) 테스트 등의 공정을 거쳐 배터리를 제조할 수 있으며, 이러한 단계/공정은 모두 본 분야의 통상적인 조작으로서, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않으며, 더이상 반복 서술하지 않는다.
본 출원의 목적, 기술방안, 및 장점이 더욱 명확해지도록 하기 위해, 아래에서는 본 출원의 실시예를 결합하여 본 출원의 실시형태의 기술방안을 명확하고 완전하게 설명하는데, 설명된 실시예는 본 출원의 일부 실시예이며, 전부의 실시예가 아니다. 본 출원의 실시예에 기반하여, 당업자가 창조적 노동을 거치지 않은 전제하에서 획득한 모든 다른 실시예는 모두 본 출원의 보호 범위에 속한다.
실시예 1
(1) 양극시트의 제조
55wt% LFP, 40wt% PVDF, 5wt% 전도성 카본블랙을 혼합하고, N-메틸피롤리돈(NMP)을 추가하고, 균일하게 교반하여 프라이머 코팅층 슬러리를 제조한다.
95wt% 코발트산리튬, 2wt% 전도성 카본블랙, 1wt% 탄소나노튜브, 2wt% PVDF를 혼합하고, NMP를 추가하고 균일하게 교반하여 양극 활물질층 슬러리를 제조한다.
그라비아 코팅 공법을 이용하여 상기 프라이머 코팅층 슬러리를 양극 집전체의 정면과 반대면인 양면에 도포하되, 여기서 기설정된 탭 영역에는 약 10mm의 폭을 가진 제1 블랭크 영역이 유지되어 있고(즉, 상기 영역에 슬러리를 도포하지 않음); 건조 후, 다시 압출 코팅법을 이용하여 상기 양극 활물질층 슬러리를 양극 집전체의 정면과 반대면인 양면에 도포하고, 건조 후 기설정된 탭 영역의 일부 코팅층을 제거하여 약 8mm의 폭을 가지고 상기 제1 블랭크 영역의 중앙에 위치하는 제2 블랭크 영역을 형성하고(상기 영역에 슬러리를 도포하지 않음); 압연 처리 후, 집전체의 양면에 적층 설치되는 프라이머 코팅층과 양극 활물질층을 각각 형성하고, 제2 블랭크 영역의 중앙에 약 6mm의 폭을 가진 탭을 용접하여 양극시트를 얻는다.
여기서, 기설정된 제1 경사 영역의 폭과 경사각 등의 파라미터에 따라, 집전체에서 탭이 설치된 제1 표면의 각 영역의 코팅층 두께를 제어하고, 집전체 제1 표면에 프라이머 코팅층(2) 및 제1 경사 영역(31)과 제1 정상 영역(32)을 구비하는 양극 활물질층(3)을 형성하되, 제1 정상 영역(32)에 대응되는 양극 활물질층(3)의 두께 50μm, 제1 경사 영역(31)의 폭 a=1.5mm, 제1 경사각 α=78°를 충족하고; 프라이머 코팅층에 제2 경사 영역이 없고(즉 모두 제2 정상 영역으로 이루어짐), 그 두께는 3μm이며; 양극 활물질층에서 탭까지의 최소 거리 m=1mm이고, 프라이머 코팅층에서 탭까지의 최소 거리 n=2mm이다(즉, 프라이머 코팅층에서 탭에 가까운 일단으로부터 양극 활물질층에서 탭에 가까운 일단까지의 거리 b=n-m=1mm이다).
(2) 음극시트의 제조
96wt% 인조 흑연, 1wt% 전도성 카본블랙, 1.5wt% SBR, 및 1.5wt% CMC를 혼합하고, 탈이온수를 추가하고, 균일하게 교반하여 슬러리를 제조한다.
상기 음극 슬러리를 음극 집전체의 정면과 반대면인 양면에 도포하고, 건조 및 압연하여 음극시트를 얻는다.
(3) 배터리의 제조
상기 양극시트와 음극시트를 압연, 슬리팅하여 시트를 제조한 후, 양극시트, 세퍼레이터, 음극시트의 순서로 적층 배치한 다음, 권취하여 베어셀을 형성하고, 패키징, 액체 주입, 화성, 용량 분할, OCV 등의 공정을 거쳐 리튬 이온 배터리를 제조한다.
실시예 2
본 실시예와 실시예 1의 차이점은 다음과 같다.
96wt% LFP, 3wt% PVDF, 1wt% 전도성 카본블랙을 혼합한 후, NMP를 추가하고, 균일하게 교반하여 프라이머 코팅층 슬러리를 제조하고(즉, 프라이머 코팅층 원료 조성은 실시예 1과 상이함); 제조된 양극시트에서, 제1 경사 영역의 폭 a=2.5mm, 제1 경사각 α=48°이며; 프라이머 코팅층은 제2 경사 영역 및 제2 정상 영역을 가지고, 제2 경사각 β=30°이며; 탭에 가까운 방향에서, 제2 경사 영역과 제1 경사 영역의 시작 위치는 동일하고; n=3mm, n-m=2mm이며; 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
실시예 3 내지 6
실시예 3 내지 6과 실시예 1의 구별되는 점은, 프라이머 코팅층, 양극 활물질층, 제1 경사 영역/제2 경사 영역의 경사각 등의 파라미터가 상이한 것이고, 구체적으로 표 1에 표시된 바와 같으며, 표 1에 표시된 구별점을 제외하고, 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예 1
본 비교예와 실시예 1의 구별되는 점은, 프라이머 코팅층이 없고; 양극 활물질층에 제1 경사 영역이 없는 것이고(즉 모두 제1 정상 영역으로 이루어짐), 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예 2
본 비교예와 실시예 1의 구별되는 점은, 프라이머 코팅층에서 탭에 가까운 일단과 양극 활성활성층에서 탭에 가까운 일단은 정렬되고(즉 n-m=0), 경사 영역이 없는 것이다(즉, 제1 경사각 α=0°, 제2 경사각 β=0°)
각 실시예 및 비교예 배터리의 성능 테스트
각 실시예 및 비교예의 리튬 이온 배터리에 대해 충방전 테스트 및 안전 테스트를 수행하여 배터리의 상온 충전 윈도우(배율 성능)와 안전 성능을 평가하였다. 여기서,
충방전 테스트 방법: 25℃±3℃ 환경에서 리튬 이온 배터리를 각각 0.5C, 1C, 1.5C, 2C의 충전 배율로 충전하고 4.45V까지 충전한 후 정전압 충전으로 변경하고, 커트오프 전류는 0.05C이고, 배터리의 완전 충전 후 10분 동안 정치한 다음 0.5C의 배율로 방전하며 이렇게 1회 충방전 주기로 20회 순환 후 배터리가 완전 충전되며, 다음 탭 영역의 리튬 석출 상황을 해부하여 관찰하되, 여기서 최대 비 리튬 석출 배율이 상온 충전 윈도우이고, 각 실시예 및 비교예의 배터리의 상온 충전 윈도우를 측정하면 표 1에 표시된 바와 같다.
안전 테스트 방법: 25℃±3℃ 환경에서 리튬 이온 배터리를 0.5C 충전 배율로 완전 충전하고 커트오프 전압은 4.45V이며, 커트오프 전류는 0.05C이고; 다음 하기 방법에 따라 침자 테스트를 수행한다. 즉 3mm 직경을 가진 텅스텐강 못으로 100mm/s의 속도로 배터리의 중간 위치를 관통한 후 빼고; 배터리가 해당 강철못 침자 과정에서 화재가 발생하지 않으면 통과한 것으로 간주한다. 각 실시예 및 비교예의 배터리의 만충전 침자 통과율을 측정한 결과는 표 1에 표시되어 있다.
Figure pct00001
*는 만충전 침자 통과율 = 통과된 배터리 수량과 테스트한 총 배터리 수량의 비율을 나타내고, 실시예 2의 "19/20"을 예로 들어 설명하면, 이는 총 20개의 배터리를 테스트하여, 상기 강철못 침자 과정에서 화재가 발생하지 않은 배터리 수량이 19개인 것을 의미한다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 양극시트에서 탭 부근 영역의 기능층에 경사 영역이 존재하여, 배터리의 충전 윈도우를 향상시키는데 유리하며, 더 우수한 배율성과 안전성 등의 성능을 갖도록 하고, 동시에 양극 활물질층과 집전체 사이에 프라이머 코팅층을 설치하여 배터리의 안전성을 더욱 향상시키는데 유리하다.
위에서 본 출원의 실시형태에 대해 설명하였다. 그러나 본 출원은 상술한 실시형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 사상과 원칙 내에서 이루어진 모든 수정, 동등한 치환, 개선 등은 모두 본 출원의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (12)

  1. 전극시트에 있어서,
    집전체 및 상기 집전체의 제1 표면에 설치되는 기능층을 포함하되, 상기 제1 표면의 중간에는 탭이 더 설치되고, 상기 제1 표면의 기능층은 상기 탭에 가까운 제1 경사 영역 및 상기 탭으로부터 멀리 이격된 제1 정상 영역을 가지며, 상기 제1 경사 영역의 두께는 상기 탭에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 전극시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극시트의 그 두께 방향에 평행한 투영에서, 상기 제1 경사 영역에서 상기 탭으로부터 멀리 이격된 일단의 끝점은 c이고, 상기 제1 경사 영역에서 상기 탭에 가까운 일단의 끝점은 d이며, c와 d의 연결선과 상기 전극시트 표면에 평행한 평면 사이에 끼인 예각은 α이고, α는 10 ~ 80°인 것을 특징으로 하는 전극시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 경사 영역의 폭은 0.25 ~ 3mm인 것을 특징으로 하는 전극시트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능층은 활물질층 및 상기 활물질층과 상기 집전체의 표면 사이에 위치하는 프라이머 코팅층을 포함하고, 상기 활물질층은 상기 제1 경사 영역과 제1 정상 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 전극시트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프라이머 코팅층은 상기 탭에 가까운 제2 경사 영역과 상기 탭으로부터 멀리 이격된 제2 정상 영역을 가지며, 상기 제2 경사 영역의 두께는 상기 탭에 가까워지는 방향을 따라 점차적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 전극시트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극시트의 그 두께 방향에 평행한 투영에서, 상기 제2 경사 영역에서 상기 탭으로부터 멀리 이격된 일단의 끝점은 e이고, 상기 제2 경사 영역에서 상기 탭에 가까운 일단의 끝점은 f이며, e와 f의 연결선과 상기 전극시트의 표면에 평행한 평면 사이에 끼인 예각은 β이고, β는 10 ~ 80°인 것을 특징으로 하는 전극시트.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 활물질층에서 상기 탭까지의 최소 거리는 상기 프라이머 코팅층에서 상기 탭까지의 최소 거리보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 전극시트.
  8. 제4항 또는 제7항에 있어서,
    상기 활물질층에서 상기 탭까지의 최소 거리는 m이고, 상기 프라이머 코팅층에서 상기 탭까지의 최소 거리는 n이며, 0≤n-m≤3mm인 것을 특징으로 하는 전극시트.
  9. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 경사 영역의 표면에서 상기 집전체의 제1 표면까지의 최소 거리는 상기 프라이머 코팅층의 표면에서 상기 집전체의 제1 표면까지의 최대 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 전극시트.
  10. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전극시트는 양극시트이고, 상기 기능층은 활물질층을 포함하며, 상기 활물질층의 원료는 활물질, 바인더, 및 도전제를 포함하고; 상기 활물질은 코발트산리튬, 망간산리튬, 니켈산리튬, 니켈코발트망간산리튬, 인산철리튬, 인산철망간리튬, 인산바나듐리튬, 인산바나듐산소리튬, 리튬 리치 망간계 재료, 니켈코발트알루미늄산리튬 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극시트.
  11. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전극시트는 음극시트이고, 상기 기능층은 활물질층을 포함하며, 상기 활물질층의 원료는 활물질, 바인더, 및 도전제를 포함하고; 상기 활물질은 흑연, 메조카본마이크로비드, 소프트 카본, 하드 카본, 실리콘 재료, 실리콘-산소 재료, 실리콘-탄소 재료, 리튬 티타네이트 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극시트.
  12. 배터리에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전극시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
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