KR20230039693A - 리튬 이온 전지 - Google Patents

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KR20230039693A
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펀 리우
충 펑
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주하이 코스엠엑스 배터리 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 리튬 이온 전지를 제공하는 바, 상기 리튬 이온 전지는 양극 시트, 음극 시트 및 분리막을 구비한다. 상기 양극 시트, 상기 분리막 및 상기 음극 시트가 차례로 적층된 후 내측에서 외측으로 권취되어 성형된다. 여기서, 상기 양극 시트는 양극 집전체를 포함하고, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에는 보호층이 설치되며, 상기 보호층의, 상기 양극 집전체와 이격된 표면에는 양극 집전체가 설치된다. 상기 양극 집전체의 권취 방향에서 상기 보호층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 길다. 본 발명은 양극 집전체에 대한 보호층의 보호 면적을 증가시킴으로써 양극 집전체의 기계적 강도를 강화함으로써, 침상 관통 시 및 중량물 충격 시에 양극 집전체의 안전 리스크를 줄여 리튬 이온 전지의 안전 성능을 향상시킨다.

Description

리튬 이온 전지
본 출원은 2020년 12월 28일자 중국 특허청에 출원된 출원번호가 202023228745.3이고 출원 명칭이 "양극 시트 및 리튬 이온 전지"인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용을 인용을 통해 본 출원에 편입한다.
본 발명은 리튬 이온 전지에 관한 것으로, 이차 전지의 기술 분야에 속한다.
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 작업 전압이 높으며 중량이 가볍고 부피가 작은 등의 이점이 있다. 그리고, 사이클 수명이 길고 친환경적인 부분도 리튬 이온 전지가 널리 응용될 수 있는 필수 조건이다. 1990년대 이후 리튬 이온 전지는 일상적 전자 제품, 전기차 및 기타 에너지 저장 전원 시스템에서의 응용이 점점 넓어지고 있다. 그러나, 리튬 이온 전지에 사용되는 재료 및 리튬 이온 전지 구조의 특수성 때문에 현재에도 많은 안전상의 우려가 존재하며, 특히 리튬 이온 전지가 단단한 물체에 의해 천공되거나 중량물의 충격을 받을 경우 리튬 이온 전지의 안전성에 큰 우려가 존재한다. 최근 몇 년동안 언론에 의해 보도된 리튬 이온 전지의 폭발과 자연 발화는 끊이지 않으며, 리튬 이온 전지의 안전 성능에 대한 사람들의 요구도 점점 높아지고 있다. 안전성은 이미 리튬 이온 전지의 대규모 공업적 응용을 제약하는 가장 중요한 원인 중 하나가 되고 있다. 리튬 이온 전지의 안전성을 어떻게 향상시킬 것인가는 이미 국내외 리튬 이온 전지 분야에서 시급히 해결해야 할 문제로 되고 있다.
잘 알려진 바와 같이, 리튬 이온 전지는 예리한 물체에 찔려 천공되면, 양극 활물질과 음극 활물질의 단락, 양극 활물질과 음극 집전체의 단락, 양극 집전체와 음극 집전체와의 단락, 및 양극 집전체와 음극 활물질의 단락과 같은 4가지 모드의 단락이 발생할 수 있다. 그 중에서 양극 집전체와 음극 활물질이 단락될 때는, 전력이 가장 크고 순간적으로 대량의 열이 발생되므로 가장 위험한 단락 모드이다. 종래 기술에서는 양극 집전체와 음극 활물질이 단락되어 발열되는 것을 방지하기 위하여 양극 집전체에 이중 코팅을 하는 경우가 많으며, 즉 양극 집전체에 한 층의 보호 코팅층을 도포한 후에 보호 코팅층의, 양극집전체로부터 이격된 표면에 양극 활물질층을 도포하여 보호 코팅층을 커버한다. 이에 따라 보호 코팅층은 양극 집전체를 효과적으로 보호할 수 있으므로, 침상 관통(침에 찔리는) 과정에서 양극 집전체와 음극 활물질이 접촉하는 것을 방지한다. 그러나 종래 기술의 보호 코팅층에 의한 보호 효과에는 한계가 있어 양극 집전체와 음극 활물질의 접촉 리스크가 여전히 존재한다. 또한, 양극 집전체는 일반적으로 자체의 기계적 강도가 낮고 분리막과의 밀착력이 상대적으로 약하므로, 리튬 이온 전지가 중량물의 충격을 받은 경우에는 찢어지기 쉬워 리튬 이온 전지의 고장으로 이어진다.
리튬 이온 전지가 침상 관통 시에 양극 집전체와 음극 활물질의 단락을 방지하고, 리튬 이온 전지에 중량물의 충격이 가해질 경우의 양극 집전체의 찢어질 위험을 낮추어 리튬 이온 전지의 안전 성능을 향상시키는 것은, 현재 리튬 이온 전지 분야에서 시급히 해결해야 할 문제이다.
본 발명은 리튬 이온 전지를 제공하는 바, 당해 리튬 이온 전지는 양극 시트, 음극 시트 및 분리막을 구비하며, 양극 집전체 표면의 보호층의 보호 영역을 증가시킴으로써, 침상 관통 과정에서 양극 집전체와 음극 활물질이 접촉되는 위험을 줄이고, 양극 집전체의 기계적 강도를 향상시키며, 양극 집전체가 중량물에 의해 충격될 때에 찢어지는 것을 방지하며, 침상 관통 과정 및 중량물 충격 과정에서 리튬 이온 전지의 안전 리스크를 줄여, 리튬 이온 전지의 안전 성능을 향상시킨다.
본 발명은 리튬 이온 전지를 제공하는 바, 상기 리튬 이온 전지는 양극 시트, 음극 시트 및 분리막을 구비하고, 상기 양극 시트, 상기 분리막 및 상기 음극 시트가 차례로 적층된 후 내측에서 외측으로 권취되어 성형된다.
여기서, 상기 양극 시트는 양극 집전체를 포함한다. 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에는 보호층이 설치되고, 상기 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에는 양극 활성층이 설치된다. 상기 양극 집전체의 권취 방향에서 상기 보호층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 길다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 활성층 영역을 포함하고, 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역을 더 포함한다.
상기 보호층은 도전성 보호층을 포함한다. 상기 도전성 보호층은 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역, 및 활성층 영역에 설치되며, 또한, 상기 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에는 상기 양극 활성층이 설치된다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 보호층은 절연성 보호층을 더 포함한다. 상기 절연성 보호층은, 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역에서의 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치된다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 보호층은 무기 필러를 포함하고, 상기 무기 필러의 D50은 상기 양극 활성층의 활물질의 D50보다 작다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 무기 필러는 리튬 함유 전이 금속 산화물 및/또는 세라믹 재료를 포함한다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 리튬 함유 전이 금속 산화물은 코발트산 리튬, 니켈코발트망간 삼원재료, 니켈코발트알루미늄 삼원재료, 니켈코발트망간알루미늄 사원재료, 인산철 리튬, 인산망간 리튬, 인산바나듐 리튬, 망간산 리튬, 리튬 리치 망간기 중 하나 또는 복수를 포함한다.
상기 세라믹 재료는 알루미나, 베마이트, 이산화지르코늄, 이산화티타늄, 이산화규소, 몬모릴로나이트, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 중 하나 또는 복수를 포함한다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력은 상기 보호층과 양극 활성층 사이의 접착력보다 크며,
및/또는, 상기 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력은 상기 양극 활성층의 활물질 입자 간의 접착력보다 크다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 보호층 중의 접착제의 질량 분율은 상기 양극 활성층 중 접착제의 질량 분율보다 크다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 보호층을 상기 양극 집전체 표면으로부터 박리한 후, 상기 양극 집전체 상에 잔존하는 보호층의 총 질량은 박리 전 양극 집전체 상의 보호층 총 질량의 10% 이상이다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 보호층을 상기 양극 집전체 표면으로부터 박리한 후, 상기 양극 집전체 상에 잔존하는 보호층의 총 면적은 박리 전 양극 집전체 상의 보호층 총 면적의 70% 이상이다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 도전성 보호층은 50~98 질량%의 무기 필러, 0.5~10 질량%의 제1 도전제, 및 1.5~50 질량%의 제1 접착제를 함유한다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 절연성 보호층은 50~96 질량%의 세라믹 재료 및 4~50 질량%의 제2 접착제를 함유한다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 보호층의 두께는 상기 양극 활성층의 두께의 1%~50%이다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 제1 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 1~25㎛이고, 상기 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 1~25㎛이며, 상기 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 1~10㎛이다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 상기 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께와 동일하다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 제1 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에서의 절연성 보호층의 두께는 1~15㎛이고, 상기 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에서의 절연성 보호층의 두께는 1~15㎛이다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 상기 양극 집전체를 노출시키는 장착 영역을 더 포함하고, 상기 장착 영역은 상기 양극 집전체의 일 측면과 연통된다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 양극 시트는 양극 탭을 더 포함하고, 상기 양극 탭은 상기 양극 집전체의 하나의 기능표면의 장착 영역에 설치되고, 상기 장착 영역의, 권취 중심에 가까운 일측과 권취 중심으로부터 먼 일측에는 모두 상기 보호층이 설치된다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 제1 단부 영역은 상기 양극 집전체의 권취 방향을 따라 제1 평탄 영역, 장착 영역, 제2 평탄 영역, 제3 평탄 영역 및 제1 원호 영역을 포함한다. 상기 장착 영역에는 양극 탭이 설치되며, 상기 양극 시트의 표면에는 제1 테이프가 접착되고, 상기 제1 테이프는 상기 제3 평탄 영역에 설치된 보호층의 표면, 상기 제2 평탄 영역에 설치된 보호층의 표면, 및 상기 양극 활성층의 적어도 일부 표면에 접착된다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 제2 단부 영역은 상기 양극 집전체의 권취 방향을 따라 제2 원호 영역 및 제4 평탄 영역을 포함한다. 상기 양극 시트의 표면에는 제2 테이프가 접착되며, 상기 제2 테이프는 상기 활성층 영역에 설치된 양극 활성층의 적어도 일부 표면, 상기 제2 원호 영역에 설치된 보호층의 표면, 및 상기 제4 평탄 영역에 설치된 보호층의 적어도 일부 표면에 접착된다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 무지 영역을 포함하고, 상기 무지 영역은 상기 제2 단부 영역의, 상기 권취 중심에서 먼 단부에 위치하며, 상기 무지 영역의 표면에는 상기 보호층이 설치되지 않는다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 양극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부의 두 개의 기능표면은 모두 무지 영역을 포함하지 않는다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 음극 시트는 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에 설치되는 음극 활성층을 포함하고, 상기 음극 활성층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 길다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 음극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 무지 영역을 포함하고, 상기 무지 영역은 상기 음극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부에 위치하며, 상기 무지 영역의 표면은 상기 음극 활성층이 설치되지 않는다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 음극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부의 두 개의 기능표면은 모두 무지 영역을 포함하지 않는다.
본 발명에 의해 제공되는 리튬 이온 전지는, 차례로 적층된 후 권취되어 성형된 양극 시트, 음극 시트 및 분리막을 구비한다. 여기서, 양극 시트의 표면에는 보호층이 설치되어 있고, 보호층의 길이는 양극 활성층의 길이보다 길다. 한편으로는 양극 집전체 상에 설치되는 보호층의 면적을 증가시킴으로써 침상 관통 시 음극 활물질과 양극 집전체가 접촉되어 단락될 위험을 줄이고, 침상 관통에 대한 양극 시트의 안전 성능을 향상시킬 수 있다. 다른 한편으로는 양극 집전체의 기능표면 상에 설치되는 보호층의 면적을 증가시킴으로써 양극 집전체의 기계적 강도를 더욱 강화하여, 양극 시트가 중량물 충격을 받을 때 양극 집전체가 찢어지는 것을 방지하고, 양극 집전체의 수명을 향상시켜, 양극 시트가 중량물 충격을 받아 실효되어 안전문제를 일으키는 위험을 줄일 수 있다. 이로써, 상술한 양극 시트를 포함하는 리튬 이온 전지는, 더 우수한 안전 성능을 가지며, 현재의 리튬 이온 전지의 안전 성능에 대한 요구를 더욱 충족시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지는 제조 공정이 간단하고, 대형 기기의 협력을 필요로 하지 않으며, 종래의 생산공정과 호환성이 있으며, 침상 관통 시 및 중량물 충격 시의 리튬 이온 전지의 안전성을 더 낮은 비용으로 현저히 개선할 수 있으므로, 공업 응용에서도 널리 보급되기 쉽다.
나아가, 본 발명에서는, 집전체 표면에 보호층을 설치함으로써 양극 집전체와 분리막 사이의 접착 능력을 증가시키고 양극 시트에 대한 전해액의 함침 능력을 향상시키며, 양극 시트의 충방전 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 리튬 이온 전지는 더 우수한 충방전 성능을 가진 양극 시트를 구비하므로, 더 우수한 충방전 특성을 가지고, 현재의 리튬 이온 전지의 종합적 성능에 대한 요구를 더욱 충족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이온 전지의 실시예 1의 구조 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 1의 구조 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 2의 구조 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 3의 구조 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 1의 구조 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 2의 구조 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 3의 구조 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 4의 구조 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 5의 구조 예시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 6의 구조 예시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 7의 구조 예시도이다.
도 12은 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 4의 구조 예시도이다.
도13은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 8의 구조 예시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 9의 구조 예시도이다.
도15는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 10의 구조 예시도이다.
도 16은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 11의 구조 예시도이다.
도 17은 본 발명에 따른 리튬 이온 전지의 실시예 2의 구조 예시도이다.
도 18은 본 발명에 따른 리튬 이온 전지의 실시예 3의 구조 예시도이다.
이하, 본 발명의 목적, 기술적 방안 및 이점을 보다 명확히 하기 위하여 본 발명의 실시예를 참고하여 본 발명의 실시예에 의한 기술적 방안을 명확하고 완전히 설명한다. 자명한 것은, 설명되는 실시예는 본 발명의 일부의 실시예일 뿐, 전체적인 실시예가 아니다. 당업자가 본 발명의 실시예에 기반하여 창조적인 노동을 하지 않고 얻은 기타 모든 실시예는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
본 발명은 리튬 이온 전지를 제공하는 바, 상기 리튬 이온 전지는 양극 시트, 음극 시트 및 분리막을 구비하며, 상기 양극 시트, 상기 분리막 및 상기 음극 시트가 차례로 적층 된 후 내측에서 외측으로 권취되어 성형된다.
여기서, 상기 양극 시트는 양극 집전체를 포함하되, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에는 보호층이 설치되고, 상기 보호층의, 상기 양극 집전체으로부터 이격된 표면에는 양극 활성층이 설치된다. 상기 양극 집전체의 권취 방향에서 상기 보호층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 길다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이온 전지의 실시예 1의 구조 예시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 리튬 이온 전지는 양극 시트, 분리막(미도시) 및 음극 시트를 구비한다. 양극 시트, 분리막 및 음극 시트는 차례로 적층되며, 분리막은 양극 시트와 음극 시트 사이에 위치되어 양극 시트와 음극 시트의 접촉을 차단하는 역할을 함으로써 리튬 이온 전지의 단락 문제를 방지한다. 적층된 양극 시트, 분리막 및 음극 시트를 일단으로부터 길이 방향에 따라 권취하고, 리튬 이온 전지의 설계 요건에 따라 권취하여 성형한 후, 리튬 이온 전지를 얻을 수 있다. 여기서, 양극 시트는 양극 집전체(100), 보호층(200) 및 양극 활성층(300)을 구비한다. 일반적으로 양극 집전체는 얇은 시트 형상이다. 양극 집전체의 기능표면은, 집전체의 길이와 폭으로 구성된 평면이며, 구체적으로는 양극 집전체의 상부 표면과 하부 표면이며, 양극 활성층을 담지하도록 사용된다. 양극 집전체(100)의 적어도 하나의 기능표면에는 보호층(200)이 설치되며, 보호층(200)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에는 양극 활성층(300)이 설치된다. 보호층(200)의 길이는 양극 활성층(300)의 길이보다 긴 바, 즉 양극 집전체(100)의 표면에서의 보호층(200)의 보호 면적을 증가시킨다. 한편으로는, 양극 집전체 상에 설치되는 보호층의 면적을 증가시킴으로써, 침상 관통 시 음극 활물질과 양극 집전체가 접촉되어 단락되는 리스크를 줄이고, 리튬 이온 전지의, 침상 관통에 대한 안전 성능을 향상시킬 수 있다. 다른 한편으로는, 양극 집전체의 기능표면에 설치되는 보호층의 면적을 증가시킴으로써, 양극 집전체의 기계적 강도를 더 강화하여 양극 시트가 중량물 충격을 받을 때 양극 집전체가 찢을지는 것을 방지하고, 양극 집전체의 수명을 향상시키며, 양극 시트가 중량물 충격을 받아 실효되어 안전문제를 일으키는 리스크를 줄이고, 중량물 충격에 대한 리튬 이온 전지의 안전 성능을 향상시킬 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 리튬 이온 전지는 더 훌륭한 안전 성능을 가진다.
구체적인 일 실시 형태에 있어서, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은, 활성층 영역을 포함하고, 또한 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역을 더 포함한다. 즉 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 제1 단부 영역과 활성층 영역을 포함하거나, 또는 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 활성층 영역과 제2 단부 영역을 포함하거나, 또는 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역을 포함한다. 제1 단부 영역과 제2 단부 영역은 각각 상기 활성층 영역의 양측에 위치하며, 즉 상기 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역은 상기 양극 집전체의 권취 방향에 따라 차례로 설치된다. 예를 들어, 도 2는 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 1의 구조 예시도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(100)는 두 개의 기능표면, 즉 제1 기능표면(a-1)과 제2 기능표면(a-2)를 가진다. 제1 기능표면(a-1) 및 제2 기능표면(a-2)은 각각, 권취 방향에 따라 제1 단부 영역(a-3) 및 활성층 영역(a-4)을 차례로 포함한다. 즉, 양극 집전체(100)는, 두 개의, 각각 양극 집전체(100)의 제1 기능표면(a-1) 및 양극 집전체(100)의 제2 기능표면(a-2)에 위치하는 상기와 같은 제1 단부 영역(a-3), 그리고, 두 개의, 각각 양극 집전체(100)의 제1 기능표면(a-1) 및 양극 집전체(100)의 제2 기능표면(a-2)에 위치하는 활성층 영역(a-4)을 포함할 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 2의 구조 예시도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(100)의 제1 기능표면(a-1) 및 제2 기능표면(a-2)은 각각, 권취 방향을 따라 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)을 차례로 포함한다. 도 4는 본 발명에 따른 양극 집전체의 실시예 3의 구조 예시도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(100)의 제 1 기능표면(a-1) 및 제2 기능표면(a-2)은 각각, 권취 방향을 따라 제 1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)를 차례로 포함한다. 이해해야 한 것은, 제1 기능표면(a-1) 및 제2 기능표면(a-2)에 포함되는 영역은 같거나 다를 수 있다. 예를 들면, 제1 기능표면(a-1)은 제1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)을 포함할 수 있고, 제2 기능표면(a-2)은 제1 단부 영역(a-3) 및 활성층 영역(a-4)을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 실제 생산 상황에 따라 설치된다.
본 발명은 양극 집전체(100)의 재질에 대하여 엄밀하게 한정하지 않으며, 예를 들어 양극 집전체(100)의 재질은 알루미늄박일 수 있다.
본 발명의 활성층 영역(a-4)은 양극 집전체의 기능표면에서 양극 활성층이 설치된 영역을 가리킨다. 양극 활성층에는 활물질이 포함되어 있으며, 활물질은 충방전 과정에서 전류를 발생하여 외부로 출력한다. 이에 대응하여, 본 발명에 의한 제1 단부 영역(a-3) 및 제2 단부 영역(a-5)은, 활성층 영역(a-4)의 양측에 각각 위치하고, 양극 집전체(100)의 기능표면의, 양극 활성층(300)을 담지하지 않는 영역이다.
상기 보호층은 도전성 보호층을 포함하며, 상기 도전성 보호층은 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역, 및 상기 활성층 영역에 설치되고, 상기 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에는 상기 양극 활성층이 설치된다.
도 5는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 1의 구조 예시도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체의 하나의 기능표면은 권취 방향을 따라 제 1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)을 포함하고, 제 1 단부 영역(a-3) 및 활성층 영역(a-4)에는 도전성 보호층(201)이 설치된다. 도 6은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 2의 구조 예시도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체의 하나의 기능표면은 권취 방향을 따라 제1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)을 포함하고, 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)에는 도전성 보호층(201)이 설치된다. 도 7은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 3의 구조 예시도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체의 하나의 기능표면은 권취 방향을 따라 제1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)을 포함하고, 제1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)에는 도전성 보호층(201)이 설치된다. 여기서, 도 5 내지 도 7은 도전성 보호층의 설치 방식을 주로 설명하기 위한 것으로 모두 양극 활성층을 나타내고 있지 않지만, 양극 활성층은 상기 활성층 영역의 도전성 보호층(201)의, 상기 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치되며, 제 1 단부 영역 및 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층(201)의 표면에는 양극 활성층(300)이 설치되지 않는다.
강조해야 할 점이라면, 양극 집전체(100)의 하나의 기능표면에서의 제1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)에 보호층이 설치되는 경우, 다른 하나의 기능표면은 엄밀히 한정되지 않으며, 예를 들어 다른 하나의 기능표면에는 보호층이 전혀 설치되지 않아도 되고, 또는 다른 하나의 기능표면에는 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역 및 활성층 영역에 도전성 보호층이 설치될 수도 있다.
이해되는 바와 같이, 상술한 바와 같은 양극 집전체(100)의 하나의 기능표면에서의 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 도전성 보호층(201)을 설치하는 것 외에도, 본 발명은, 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면에 도전성 보호층(201)을 설치하는 것을 더 포함한다.
도 8은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 4의 구조 예시도이다. 본 실시예에서는 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면에 도전성 보호층이 설치된다. 본 실시예에 있어서, 도 8에 나타낸 바와 같은 양극 집전체(100)의 제1 기능표면(a-1)과 제2 기능표면(a-2)의, 두 개의 제1 단부 영역(a-3), 두 개의 활성층 영역(a-4) 및 두 개의 제2 단부 영역(a-5)에는, 두 개의 도전성 보호층(201)이 설치되고, 또한, 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에는 양극 활성층(300)이 설치된다. 즉, 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면에서 양극 활성층이 설치되지 않은 영역에는 모두 보호층이 설치됨으로써, 보호층은 양극 집전체에 대한 보호를 최대한 실현하였다.
양극 집전체의 권취 방향에 따라, 제1 기능표면(a-1)에 위치한 제1 단부 영역(a-3)의 길이와 제2 기능표면(a-2)에 위치한 제1 단부 영역(a-3)의 길이는 같거나 다를 수 있고, 제1 기능표면(a-1)에 위치한 활성층 영역(a-4)의 길이와 제2 기능표면(a-2)에 위치한 활성층 영역(a-4)의 길이는 같거나 다를 수 있으며, 제1 기능표면(a-1)에 위치한 제2 단부 영역(a-5)의 길이와 제2 기능표면(a-2)에 위치한 제2단부영역(a-5)의 길이는 같거나 다를 수 있다.
구체적인 실시 과정에서는, 양극 집전체(100)의 서로 다른 기능표면에서의 제1 단부 영역(a-3) 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)의 길이를 양극 시트의 설계 요건에 따라 종합적으로 고려한 후에 설계할 수 있다. 제1 단부 영역(a-3), 활성층 영역(a-4) 및 제2 단부 영역(a-5)에 보호층을 설치하는 것을 양극 집전체(100)의 하나의 기능표면에 대해 시행할지 두 개의 기능표면에 대해 시행할지는, 양극 시트의 안전 요건, 양극 시트의 구조 및 양극 시트의 생산 비용 등을 종합적으로 고려하고 결정할 수 있다.
본 발명은 상기 기술적 방안을 통해, 양극 시트의 양극 집전체의 활성층 영역(a-4)에 도전성 보호층(201)을 설치함과 더불어, 양극 시트의 양극 집전체(100)의 제1 단부 영역(a-3) 및 제2 단부 영역(a-5)에도 도전성 보호층(201)을 설치함으로써, 양극 집전체에 대한 보호층의 보호 효과를 더욱 강화하여, 비활성층 영역의 양극 집전체의 기계적 강도를 향상시키며, 침상 관통 시 양극 집전체와 음극 활물질이 접촉되는 위험을 줄이고, 양극 집전체가 중량물 충격을 받을 때에 찢어지는 것을 방지함으로써, 침상 관통 및 중량물 충격에 의한 양극 시트의 안전 위험을 줄이며, 침상 관통 및 중량물 충격에 대한 리튬 이온 전지의 안전 성능을 향상시킨다.
본 발명은 양극 집전체의 기능표면에 도전성 보호층(201)을 형성하는 방식에 대하여도 엄밀히 한정하지 않는 바, 예를 들어 구체적으로 실시할 때에는 이중 코팅, 그라비아 코팅 및 트랜스퍼 코팅 중 하나 또는 복수의 방법으로 양극 집전체(100)의 기능표면에 도전성 보호층(201)을 형성할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 도전성 보호층은 전기 전도 능력을 가질 필요가 있으며, 예를 들어 도전제 등과 같은 도전성 재료를 포함해야 한다. 리튬 이온 전지의 안전성을 한층 더 향상시키기 위하여, 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 절연성 보호층을 설치할 수 있으며, 절연성 보호층은 도전제를 포함하지 않는다. 구체적으로, 상기 보호층은 절연성 보호층을 더 포함하고, 상기 절연성 보호층은 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역의 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치된다.
도 9는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 5의 구조 예시도이다, 도 9에 나타낸 바와 같이, 양극 시트는 양극 집전체(100)와, 양극 집전체의 제1 기능표면(a-1)의 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층(201)과, 제1 단부 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치된 절연성 보호층(202)과, 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치된 양극 활성층(300)과를 포함한다. 양극 집전체(100)의 제2 기능표면(a-2)의 표면의 배치 형태는 그와 동일하다.
도 10은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 6의 구조 예시도이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 양극 시트는 양극 집전체(100)와, 양극 집전체의 제1 기능표면(a-1), 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층(201)과, 제1 단부 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치된 절연성 보호층(202)과, 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치된 양극 활성층(300)과를 포함한다. 양극 집전체(100)의 제2 기능표면(a-2)의 표면의 배치 형태는 그와 동일하다.
도 11은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 7의 구조 예시도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 양극 시트는 양극 집전체(100)와, 양극 집전체의 제1 기능표면(a-1), 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층(201)과, 제1 단부 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치된 절연성 보호층(202)과, 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 설치된 양극 활성층(300)과를 포함한다. 양극 집전체(100)의 제2 기능표면(a-2)은, 그 표면의 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 도전성 보호층(201)이 설치되고, 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 양극 활성층(300)이 설치되며, 제1 단부 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의 표면에 절연성 보호층이 설치되지 않는다.
본 발명은 양극 집전체(100)의 기능표면에 대한 보호층의 설치 방법에 대하여 한정하지 않으며, 구체적인 실시 과정에서는 양극 시트의 안전 요건, 양극 시트의 구조 및 양극 시트의 생산 비용 등에 따라 종합적으로 고려할 수 있다.
또한 본 발명은 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)에서 양극 활성층(300)을 형성하는 방법에 대하여 엄밀하게 한정하지 않으며, 구체적인 실시 과정에서, 도전성 보호층(201)이 양극 집전체(100)의 활성층 영역(a-4)에 형성된 후, 도포 방식으로 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에 양극 활성층(300)을 설치할 수 있다.
보호층의 주성분은 무기 필러이며, 상기 무기 필러는 리튬 함유 전이 금속 산화물 및/또는 세라믹 재료이다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 리튬 함유 전이 금속 산화물은 코발트산 리튬, 니켈코발트망간 삼원재료, 니켈코발트알루미늄 삼원재료, 니켈코발트망간알루미늄 사원재료, 인산철 리튬, 인산망간 리튬, 인산바나듐 리튬, 망간산 리튬, 리튬 리치 망간기 중의 하나 또는 복수를 포함한다.
상기 세라믹 재료는 알루미나, 베마이트, 이산화지르코늄, 이산화티타늄, 이산화규소, 몬모릴로나이트, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 중의 하나 또는 복수를 포함한다.
본 발명의 발명자들은 연구를 통하여, 서로 다른 재료가 양극 시트의 안전성에 대해 미치는 영향이 서로 다르다는 것을 발견했다. 예를 들어, 세라믹 재료인 알루미나를 포함한 보호층은, 리튬 함유 전이 금속 산화물을 포함한 보호층보다 안전 성능이 더 우수하며, 또한, 리튬 함유 전이 금속 산화물이 인산철 리튬인 경우, 그 안전 성능은 리튬 함유 전이 금속 산화물이 니켈코발트망간 삼원재료인 경우보다 더 우수하다.
또한, 본 발명의 발명자들은, 무기 필러의 중간 입경 D50도 리튬 이온 전지의 안전성에 대하여 어느 정도 영향을 주는 것을 발견했다. 작은 D50은 리튬 이온 전지의 안전성 향상에 유리하기 때문에, 무기 필러의 D50을 상기 양극 활성층 활물질의 D50보다 작게 할 필요가 있다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 무기 필러 D50은 0.1~6μm이고, 상기 양극 활물질의 D50은 10~30μm이다.
본 발명의 발명자들은 더 한층의 연구를 통하여, 상기 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력이 보호층과 양극 활성층 사이의 접착력보다 클 경우, 및/또는 상기 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력이 양극 활성층의 활물질 입자 간의 접착력보다 클 경우, 기계적 남용(예를 들면 침상 관통, 중량물에 의한 충격)이 발생 시에 양극 집전체의 표면이 보호층에 의해 잘 보호되어 노출되기 어려운 것을 발견했다. 이로써, 양극 집전체와 음극 시트 사이의 접촉 확률이 줄어, 양극 집전체와 음극 시트의 단락 확률이 줄며, 전지의 안전성이 향상된다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 보호층과 상기 양극 집전체 사이의 접착력은 30N/m보다 크다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 보호층과 상기 양극 집전체 사이의 접착력은 35~300N/m이다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 보호층과 상기 양극 집전체 사이의 접착력은 35~200N/m이다.
당업자라면, 보호층과 양극 활성층 사이의 접착력 및 양극 활성층의 활물질 입자 간의 접착력은 주로 접착제에 의해 제공되므로, 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력을 향상시키기 위해서는, 보호층 중의 접착제의 함유량을 증가시킬 수 있는 바, 즉 보호층 중의 접착제의 질량 분율을 상기 양극 활성층 중의 접착제의 질량 분율보다 크게 할 수 있음을 알 수 있다.
나아가, 보호층 중의 접착제의 첨가량이 적절한지 여부를 더 확인하기 위하여, 본 발명은 접착력의 검출 방법을 더 제공한다. 예를 들어 본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 양극 시트 상의 보호층이 박리된 후에 상기 양극 집전체 상에 잔존하는 보호층의 총질량은, 박리 전 양극 집전체 상의 보호층 총질량의 10% 이상이다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 양극 시트 상의 보호층이 박리된 후에 양극 집전체 상에 잔존하는 양극 피막의 총면적은, 박리 전 양극 집전체 상의 보호층 총면적의 70% 이상이다.
이해해야 할 것은, 여기의 보호층은 도전성 보호층 및 절연성 보호층을 포함하는 바, 즉 양극 집전체(100)의 기능표면에 설치되는 모든 보호층을 포함한다.
상기로부터 알 수 있듯이, 보호층의 성분은 리튬 이온 전지의 안전성에 대해 큰 영향을 미치며, 본 발명은 리튬 이온 전지의 성능을 종합적으로 고려하여 보호층 중의 각 성분의 함유량에 대하여도 한정한다. 구체적으로, 상기 도전성 보호층은 무기 필러를 50~98질량%, 제1 도전제를 0.5~10질량%, 제1 접착제를 1.5~50질량% 함유하고, 상기 절연성 보호층은 세라믹 재료를 50~96질량%, 제2 접착제를 4~50질량% 함유하며, 상기 양극 활성층은 양극 활물질을 93~99질량%, 제2 도전제를 0.5~5질량%, 제3 접착제를 0.5~2질량% 함유한다. 이해되는 바와 같이, 본 발명에서 한정하는 제1, 제2, 제3 이라는 용어는 주로 도전제 및 접착제의 첨가 위치를 구별하기 위한 것이며, 이들에 대응되는 재료는 같거나 다를 수 있다. 예를 들면, 제 1 접착제, 제2 접착제 및 제 3 접착제는 모두 폴리불화비닐리덴일 수 있으며, 이들의 차이는 위치 및/또는 함유량에 있다.
양극 활물질은 코발트산 리튬(LCO), 니켈코발트망간 삼원재료(NCM), 니켈코발트알루미늄 삼원재료(NCA), 니켈코발트망간알루미늄 사원재료(NCMA), 인산철 리튬(LFP), 인산망간 리튬(LMP), 인산바나듐 리튬(LVP), 망간산 리튬(LMO) 중 하나 또는 복수를 포함한다. 도전제는 도전성 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 중 하나 또는 복수를 포함한다. 접착제는 폴리비닐리덴, 변성 폴리비닐리덴 중 하나 또는 둘을 포함한다.
이해되는 바와 같이, 보호층(200)의 두께는 양극 시트의 성능에 대하여 어느 정도의 영향을 미치며, 보호층이 너무 두꺼우면 리튬 이온 전지의 에너지 밀도에 불리하기에, 일반적으로 상기 보호층의 두께는 상기 양극 활성층의 두께의 1%~50%이다.
발명자는 연구를 통하여, 상기 제1 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께를 1~25μm로 설정하고, 상기 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께를 1~25μm로 설정하고, 상기 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께를 1~10μm로 설정한 경우에는, 보호층에 의해 양극 시트를 보호할 수 있는 동시에 양극 시트의 종합적 성능이 보호층의 설치에 의해 받을 영향을 줄일 수 있음을 발견했다.
양극 시트의 제조를 용이하게 하기 위하여, 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는, 상기 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께와 동일하다. 즉, 당업자는, 도전성 보호층의 슬러리를 제조한 후, 당해 슬러리를 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에 도포하여 도전성 보호층을 얻을 수 있다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 상기 제1 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 절연성 보호층의 두께는 1~15μm이며, 상기 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 절연성 보호층의 두께는 1~15μm이다.
본 발명의 일부 실시 방식에 있어서, 양극 활성층(300)의 두께는 50~100μm이다.
또한, 본 발명은 서로 다른 영역에 설치되는 도전성 보호층(201) 및 절연성 보호층(202)의 두께에 대하여 엄밀하게 한정하지 않는 바, 당업자라면 실제 생산 요건 또는 전극 시트의 제조 요건에 따라 적절한 두께를 선택할 수 있다. 도 8을 예로 들면, 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면에 분포된 두 개의 제1 단부 영역에서의 도전성 보호층(201)의 두께 L1과 L2는 같거나 다를 수 있으며, 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면에 분포된 두 개의 활성층 영역에서의 도전성 보호층(201)의 두께 L3과 L4는 같거나 다를 수 있으고, 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면에 분포된 두 개의 제2 단부 영역에서의 도전성 보호층(201)의 두께 L5와 L6은 같거나 다를 수 있으며, 양극 집전체(100)의 하나의 기능표면에 분포된 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역, 및 활성층 영역에서의 도전성 보호층의 L1, L3, L5는 같거나 다를 수 있다. 이해되는 바와 같이, 양극 시트를 설계할 때 L1, L2, L3, L4, L5, L6의 크기는 서로 독립적이며, 구체적인 실시 과정에서 L1, L2, L3, L4, L5, L6의 크기는 양극 시트의 구조 요건에 따라 결정될 수 있다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 상기 양극 집전체가 노출되는 장착 영역을 더 포함하고, 상기 장착 영역은 상기 양극 집전체의 일 측면과 연통된다.
도 12는 본 발명의 양극 집전체의 실시예 4의 구조 예시도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(100)의 적어도 하나의 기능표면은 장착 영역(a-6)을 더 포함하며, 장착 영역(a-6)은 제1 단부 영역(a-3) 내에 설치되며, 장착 영역(a-6)은 양극 집전체(100)의 측면과 연통된다. 양극 집전체의 측면이란, 양극 집전체의, 면적이 보다 작은 네 개의 측면이며, 구체적으로는 집전체의 길이/폭과 높이로 구성된 평면이다.
장착 영역(a-6)을 양극 집전체(100)의 일 측면과 연통되도록 함으로써, 양극 탭(400)을 양극 집전체(100) 상에 용이하게 설치할 수 있다. 즉, 상기 양극 시트는 양극 탭을 더 포함하고, 상기 양극 탭은 상기 양극 집전체의 일 기능표면의 장착 영역에 설치되며, 상기 장착 영역의, 권취 중심에 가까운 일측과 권취 중심에서 먼 일측에는 모두 상기 보호층이 설치된다.
도 13은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 8의 구조 예시도아다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 양극 시트는 양극 탭(400)을 포함하며, 양극 탭은 장착 영역(a-6) 내에 설치되고 양극 집전체(100)의 표면에 연결된다. 양극 탭(400)은 제1 단부 영역(a-3)내에 설치되는 바, 즉 양극 시트의 머리 부분의 영역에 근접한다.
이해되는 바와 같이, 장착 영역(a-6)은 활성층 영역(a-4)에 설치될 수도 있으며, 당업자라면 탭의 위치에 따라 장착 영역의 위치를 결정할 수 있다.
본 발명은 장착 영역(a-6)의 형상에 대해 엄밀하게 한정하지 않으며, 구체적인 실시 방식에서는 탭(400)에 따라 장착 영역(a-6)의 크기와 형상을 미리 설정할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시 방식에 있어서, 당해 기술 분야의 일반적인 시트형 탭을 양극 탭(400)으로 사용할 경우, 장착 영역(a-6)의 형상은 직사각형일 수 있다.
본 발명은 양극 탭(400)에 대해 엄밀하게 한정하지 않으며, 예를 들어 양극 탭(400)은 당해 기술 분야의 일반적인 알루미늄 탭일 수 있다. 본 발명은 양극 탭(400)을 장착 영역(a-6)에 설치하는 방법에 대하여 엄밀하게 한정하지 않으며, 예를 들어 용접을 통해 양극 탭(400)을 장착 영역(a-6)에 설치할 수 있다.
상기와 같은 리튬 이온 전지에 있어서, 보호층의 분말이 떨어지는 것을 방지하기 위하여, 양극 시트의, 권취 중심에 가까운 표면에는 제1 테이프(900)이 더 접착되어 있다. 제1 테이프(900)의 접착 위치에 기반하여 제1 단부 영역을 제1 평탄 영역, 장착 영역, 제2 평탄 영역, 제3 평탄 영역 및 제1 원호 영역으로 분할한다. 도 14는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 9의 구조 예시도인 바, 도 14에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체의 권취 중심에 가까운 일측으로부터, 제1 단부 영역(a-3)을 제1 평탄 영역(a-3-1), 장착 영역(a-6), 제2 평탄 영역(a-3-2), 제3 평탄 영역(a-3-3) 및 제1 원호 영역(a-3-4)으로 분할하고, 제1 원호 영역(a-3-4)은 활성층 영역(a-4)에 접속한다. 상기 영역의 분할은 테이프가 접착된 위치 및 양극 시트의 권취 형태에 따라 분할된다. 제 1 테이프와 보호층의 접착을 용이하게 하기 위하여, 테이프(900)는, 양극 탭(400)과 일정한 거리를 떨어지고, 양극 시트의 권취된 원호 위치를 피복하면서 양극 활성층을 접속하도록 연신된다. 즉, 상기 제1 테이프(900)는 상기 제3 평탄 영역(a-3-3)에 설치된 보호층의 표면, 상기 제1 원호 영역(a-3-4)에 설치된 보호층의 표면 및 상기 활성층 영역에 설치된 양극 활성층(300)의 적어도 일부 표면에 접착된다.
양극 시트의, 권취 중심에서 먼 표면에는 제2 테이프(1000)가 더 접착되어 있으며, 제2 테이프(1000)의 접착 위치에 기반하여 제2 단부 영역을 제2 원호 영역 및 제4 평탄 영역으로 분할한다. 도 15는 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 10의 구조 예시도인 바, 도 15에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면의 제2 단부 영역은, 양극 집전체 권취 방향을 따라, 제2 원호 영역(a-5-1) 및 제 4평탄 영역(a-5-2)으로 분할되고, 제2 원호 영역(a-5-1)은 활성층 영역(2-4)에 접속된다. 제2 원호 영역(a-5-1) 및 제4 평탄 영역(a-5-2)은 제2 테이프의 위치 및 양극 시트의 권취 형태에 기반하여 분할된다. 제2 테이프와 보호층의 접착을 용이하게 하기 위하여, 제2 테이프(100)는, 양극 활성층의 일부 표면에 접착되고 양극 시트의 권취된 원호 위치를 피복할 수 있다. 즉, 상기 제2 테이프(1000)는 상기 활성층 영역(a-4)에 설치된 양극 활성층(300)의 적어도 일부 표면, 상기 제2 원호 영역(a-5-1)에 설치된 보호층의 표면 및 상기 제4평탄 영역(a-5-2)에 설치된 보호층의 적어도 일부 표면에 접착된다.
이해해야 할 것은, 도 14~15에 나타낸 보호층은 도전성 보호층(201)이고, 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(101)로부터 이격된 표면에 절연성 보호층이 설치되는 경우, 제 1 테이프 및 제2 테이프는 절연성 보호층의 표면에 접착된다.
당업자라면 알 수 있다시피, 리튬 이온 전지를 제조하기 위해서는, 권취되어 성형된 양극 시트, 분리막 및 음극 시트를 외장 케이스에 접착할 필요가 있다. 그러나, 보호층과 접착 테이프 사이의 접착력에는 한계가 있다. 그러므로, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 무지 영역을 포함하고, 상기 무지 영역은 상기 제2 단부 영역의, 상기 권취 중심에서 먼 단부에 위치하며, 상기 무지 영역의 표면에는 상기 보호층이 설치되지 않는다. 즉, 적어도 일부의 양극 집전체(100)는 외장 케이스와 용이하게 접착할 수 있도록 노출되며, 접착 강도를 향상시킨다.
도 16은 본 발명에 따른 양극 시트의 실시예 11의 구조 예시도인 바, 도 16에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(100)는 권취 방향을 따라 제1 단부 영역, 활성층 영역, 제2 단부 영역 및 무지 영역(점선으로 둘러싸인 부분)을 차례로 포함한다. 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에는 도전성 보호층(201)이 설치되어 있으며, 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에는 양극 활성층(300)이 설치되어 있고, 제1 단부 영역은 장착 영역을 포함하며, 장착 영역에는 양극 탭(400)이 설치된다. 무지 영역의 표면에는 보호층 및 양극 활성층이 설치되지 않아, 양극 집전체(100)가 외부로 노출되어 있다.
또한, 양극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부의 두 개의 기능표면은 모두 무지 영역을 포함하지 않을 수도 있는 바, 즉 양극 집전체(100)의 두 개의 기능표면은 모두, 권취 방향을 따라 제1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역을 차례로 포함하고, 무지 영역을 포함하지 않는다.
리튬 이온 전지는 분리막(800)을 더 포함하며, 분리막(800)은 양극 시트와 음극 시트 사이에 설치되어 양극 시트와 음극 시트를 차단하는데 사용된다. 분리막은 당해 기술 분야의 일반적인 재료일 수 있으며, 본 발명은 그 설명을 생략한다.
리튬 이온 전지는 음극 시트를 더 포함하며, 상기 음극 시트는 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에 설치된 음극 활성층을 포함한다. 음극 활성층의 리튬 석출을 방지하기 위하여, 상기 음극 활성층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 길다.
당업자라면 알 수 있다시피, 음극 시트의 제조 과정은, 음극 활성층의 슬러리를 제조하는 것, 당해 슬러리를 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에 도포하여 음극 활성층을 형성함으로써 음극 시트를 얻는 것을 포함한다. 도포 과정 중의 음극 활성층의 슬러리의 버짐 현상을 방지하고 음극 시트의 제조 공정을 간소화하기 위하여, 상기 음극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 무지 영역을 포함하고, 상기 무지 영역은 상기 음극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부에 위치하며, 상기 무지 영역의 표면에는 상기 음극 활성층이 설치되지 않고, 즉 권취 중심의 단부에 위치하는 음극 집전체는 외부로 노출된다. 음극 시트의 제조 과정에서는, 음극 집전체가 음극 활성 슬러리를 모두 담지할 수 있도록, 음극 활성 슬러리의 도포 길이를 음극 집전체의 길이보다 작도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 음극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부의 두 개의 기능표면은 모두 무지 영역을 포함하지 않는다. 음극 시트의 제조 과정에서는, 음극 활성 슬러리의 도포가 완료 후에 여분의 음극 집전체를 절단하면 된다.
상기 개시 내용에 기반하여 당업자는 공정 요건에 따라, 보호층의 슬러리 및 양극 활성층의 슬러리를 제조하고 양극 집전체 표면에 도포하여 양극 시트를 제조하고, 음극 활성층의 슬러리를 제조하고 음극 집전체 표면에 도포하여 음극 시트를 제조하며, 분리막을 조합하여 권취함으로써, 리튬 이온 전지를 제조할 수 있다. 도 17은 본 발명에 따른 리튬 이온 전지의 실시예 2의 구조 예시도인 바, 도 17에 나타낸 바와 같이, 리튬 이온 전지는 내측에서 외측으로 권취되어 성형된 양극 시트, 분리막(800) 및 음극 시트를 포함한다. 여기서, 양극 시트는 양극 집전체(100) 및 양극 집전체의 두 개의 기능표면에 설치된 도전성 보호층(201)을 포함한다. 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층(201)의, 양극 집전체(100)로부터 이격된 표면에는 양극 활성층(300)이 설치되며, 제1 단부 영역은 장착 영역을 포함하고, 양극 탭(400)은 장착 영역 내에 설치되어 양극 집전체에 접속된다. 양극 시트의, 권취 중심에 가까운 일측 및 권취 중심에서 먼 일측에는 각각 제1 테이프(900) 및 제2 테이프(1000)가 첩착되고, 양극 집전체(100)의, 권취 중심에서 먼 단부는 무지 영역(점선으로 둘러싸인 부분)을 더 포함한다. 도 18은 본 발명에 따른 리튬 이온 전지 실시예 3의 구조 예시도인 바, 도 18에 나타낸 바와 같이, 그 기본적인 구조는 실시예 2와 동일하나, 차이점이라면 양극 시트는 절연성 보호층을 더 포함하는 바, 즉 양극 시트 구조는 도 9를 참고할 수 있다. 상기 두 가지의 리튬 이온 전지 구조에서의 음극 시트의 구조는 기본적으로 동일한 바, 즉 음극 시트는 음극 집전체(500) 및 음극 활성층(600)을 포함하고, 음극 집전체(500)의, 권취 중심에 가까운 일측에는 음극 탭(700)이 설치되어 있고, 음극 활성층(600)의 길이는 양극 활성층(300)의 길이보다 길며, 음극 집전체(500)의, 권취 중심에서 먼 단부는 무지 영역(도 18에서 점선으로 둘러싸인 부분)을 포함한다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 따른 리튬 이온 전지를 상세하게 설명한다.
실시예 1:
본 실시예에 따른 리튬 이온 전지는 권취되어 성형된 양극 시트, 분리막 및 음극 시트를 포함한다.
양극 시트는 양극 집전체, 도전성 보호층, 양극 활성층, 및 탭을 포함한다. 양극 집전체는 권취 방향을 따라 제1 단부 영역, 장착 영역, 활성층 영역, 제2 단부 영역 및 무지 영역을 차례로 포함한다. 도전성 보호층은 양극 집전체의 두 개의 기능표면에 설치된 활성층 영역 및 제2 단부 영역을 포함한다. 양극 탭은 장착 영역에 설치되어 양극 집전체에 접속된다. 양극 활성층은 활성층 영역에서의 도전성 보호층의, 양극 집전체와 이격된 표면에 설치된다.
양극 시트의 제1 단부 영역 및 제2 단부 영역 표면의 도전성 보호층의 표면에는 각각 제1 테이프 및 제2 테이프가 접착되어 있다.
양극 시트의 제작 공정은 이하의 공정을 포함한다.
1. 인산철 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙을 건조 분말 질량비 58:38:4로 N-메틸피롤리돈에 용해하고, 균일하게 교반하여 도전성 보호 슬러리를 제조하되, 여기서, 인산철 리튬의 D50는 0.8㎛이다.
2. 도전성 보호 슬러리를 그라비아 코팅 방법으로 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 두 개의 활성층 영역 및 두 개의 제2 단부 영역에 도포하여 두 개의 도전성 보호층을 형성하되, 도전성 보호층의 두께는 모두 5㎛이다.
여기서, 양극 집전체는 알루미늄박이다.
3. 코발트산 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙을 건조 분말 질량비 97:1.5:1.5로 N-메틸피롤리돈에 용해하고, 균일하게 교반하여 양극 활성 슬러리를 제조하되, 여기서 코발트산 리튬의 D50은 15㎛이다.
4. 양극 활성 슬러리를 그라비아 코팅 방법으로, 두 개의 활성층 영역의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 도포하여 두 개의 양극 활성층을 형성한 후, 양극 집전체를 건조, 압연, 분할, 시트화함으로써 양극 시트를 획득하되,
여기서, 두 양극 활성층의 두께는 87㎛이다.
제조된 양극 시트를 당해 기술 분야의 일반적인 음극 시트, 분리막 및 전해액과 결합하여, 일반적인 리튬 전지 제작 공정을 통해 리튬 이온 전지를 제작하되, 전지 용량은 약 4970mAh이다.
실시예 2:
본 실시예에 따른 리튬 이온 전지의 구조는 실시예 1과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 도전성 보호층은 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 제 1단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 설치된다.
본 실시예에 의한 양극 시트의 제작 공정은 실시예 1과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 본 실시예의 단계 2는, 도전성 보호 슬러리를 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 두 개의 제 1 단부 영역에 도포하여 도전성 보호층을 형성하는 것을 더 포함하며, 도전성 보호층의 두께는 5㎛이다.
실시예 3:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 구조 및 제작 공정이 실시예 2와 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 본 실시예 3의 단계 2에서 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 15㎛이다.
실시예 4:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 구조 및 제작 공정이 실시예 2와 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 본 실시예 4의 단계 2에서 제 1 단부 영역 및 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 모두 15㎛이다.
실시예 5:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지의 구조는 실시예 1과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에는 절연성 보호층이 더 설치된다.
본 실시예에 의한 양극 시트의 제작 공정은 실시예 1과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 이하의 단계를 더 포함한다.
1. 알루미나 및 폴리불화비닐리덴을 건조 분말 질량비 88:12로 N-메틸피롤리돈에 용해하고, 균일하게 교반하여 절연 보호 슬러리를 제조하며, 여기서 알루미나의 D50은 1.2μm이다.
2. 절연 보호 슬러리를 그라비아 코팅 방법으로 제2 단부 영역의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 도포하여 절연성 보호층을 형성하되, 절연성 보호층의 두께는 10㎛이다.
실시예 6:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지의 구조는 실시예 5와 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 도전성 보호층은 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 제 1 단부 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에 설치되고, 제 1 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의,양극 집전체로부터 이격된 표면에는 절연성 보호층이 설치된다.
본 실시예에 의한 양극 시트의 제작 공정은 실시예 5와 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 본 실시예 6의 단계 2는, 도전성 보호 슬러리를 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 두 개의 제 1단부 영역에 도포하여 도전성 보호층을 형성하는 것, 및 절연 보호 슬러리를 제 1단부 영역의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 도포하여 절연성 보호층을 형성하는 것을 더 포함하되, 여기서 도전성 보호층의 두께는 5㎛이고, 절연성 보호층의 두께는 5㎛이다.
실시예 7:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 구조 및 제작 공정이 실시예 6과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 본 실시예 7의 단계 2에서의 절연성 보호층의 두께는 모두 15㎛이다.
실시예 8:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 4에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 인산철 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙의 건조 분말 질량비는 69:28:3이다.
실시예 9:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 8의 구조와 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 제 1 단부 영역 및 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 절연성 보호층을 더 포함한다.
본 실시예에 의한 양극 시트의 제조 공정은 실시예 8과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 절연성 보호층의 두께는 10㎛이다.
실시예 10:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 8에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 인산철 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙의 건조 분말 질량비는 85:10:5이다.
실시예 11:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 구조 및 제작 공정이 실시예 10과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 10㎛이다.
실시예 12:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지의 구조는 실시예 10과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 도전성 보호층은, 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 활성층 영역과 제2 단부 영역, 그리고 제2 단부 영역의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치된 절연성 보호층에 설치된다.
본 실시예에 의한 양극 시트의 제작 공정은 실시예 10과 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 2는, 도전성 보호 슬러리를 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 두 개의 제1 단부 영역에 도포하는 것을 포함하지 않고, 절연 보호 슬러리를 제2 단부 영역의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 도포하여 절연성 보호층을 형성하는 것을 포함하며, 절연성 보호층의 두께는 5㎛이다.
실시예 13:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 10에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 3에서의 코발트산 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙의 건조 분말 질량비는 85:10:5이다.
실시예 14:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 13에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 인산철 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙의 건조 분말 질량비는 97:1.5:1.5이다.
실시예 15:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 10에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 무기 필러는 알루미나이다.
실시예 16:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 15에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 무기 필러인 알루미나의 D50은 0.5㎛이다.
실시예 17:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 10에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 무기 필러는 인산철 리튬 및 알루미나이며, 인산철 리튬과 알루미나의 질량비는 1:1이고, 인산철 리튬의 D50은 0.8μm이며, 알루미나의 D50은 0.5μm이다.
실시예 18:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 10에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 무기 필러인 인산철 리튬의 D50은 4㎛이다.
실시예 19:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 10에 비하여, 구조가 동일하고, 제작 공정이 기본적으로 동일하며, 차이점이라면, 단계 1에서의 무기 필러는 니켈코발트망간산 리튬이고, 니켈코발트망간산 리튬의 D50은 4㎛이다.
실시예 20:
본 실시예에 의한 리튬 이온 전지는 실시예 1을 참고할 수 있고, 실시예 1에 대한 차이점이라면, 양극 집전체의 두 개의 기능표면은 권취 방향을 따라　제 1 단부 영역, 장착 영역, 활성층 영역 및 제2 단부 영역을 차례로　포함하며, 활성층 영역 및 제2 단부 영역에는 모두 도전성 안전 피막이 설치된다.
비교예 1:
본 비교예에 의한 리튬 이온 전지는 권취되어 성형된 양극 시트, 분리막 및 음극 시트를 포함하되, 여기서 양극 시트는 양극 집전체, 양극 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층, 및 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 양극 활성층을 포함한다. 양극 시트의 제조 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
1. 인산철 리튬, 폴리불화비닐리덴 및 카본블랙을 건조 분말 질량비 58:38:4로 N-메틸피롤리돈에 용해하고, 균일하게 교반하여 보호 슬러리를 제조한다.
2. 보호 슬러리를 그라비아 코팅 방법으로 양극 집전체의 두 개의 기능표면의 활성층 영역에 도포하여 두 개의 도전성 보호층을 형성하되, 도전성 보호층의 두께는 모두 5㎛이다.
여기서, 양극 집전체는 알루미늄박이다.
3. 양극 활성 슬러리를 제조하고, 활성 슬러리를 도포법으로 두 개의 도전성 보호층의, 양극 집전체로부터 이격된 표면에 도포하여 두 개의 양극 활성층을 형성한 후, 양극 집전체를 건조, 압연, 분할, 시트화함으로써 양극 시트를 획득한다.
여기서, 두 양극 활성층의 두께는 87㎛이다.
표 1은 실시예 1~20 및 비교예 1에 의한 양극 시트를 리스트하여 설명함으로써, 실시예 1~20과 비교예 1에 의한 양극 시트의 차이점을 더 직관적으로 설명한다.
표 1 실시예 1~20 및 비교예 1에 의한 양극 시트에 대한 설명
Figure pct00001
실험예:
상기 실시예 1~20 및 비교예 1을 통해 획득된 리튬 이온 전지에 대하여, 완전 충전 상태의 침상 관통 시험 및 중량물 충격 시험을 수행하며, 그 시험 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다.
1. 완전 충전 상태의 침상 관통 시험: 리튬 이온 전지를 상온 환경에 두고, 리튬 이온 전지를 전압이 4. 45V로 될 때까지 0.5C로 정전류 충전한 후, 전류가 0.025C까지 내려가도록 정전압 충전하고, 충전을 정지한다. 리튬 이온 전지의 중심 위치를 직경이 4mm인 강철못으로 30mm/s의 속도로 수직으로 관통하고, 강철못을 리튬 이온 전지 내에 300s 머물게 한다. 이때, 리튬 이온 전지가 발화하지 않고 폭발하지 않으면 합격으로 기록한다. 각각의 실시예에 따라 제작된 리튬 이온 전지를 15개씩 시험한다. 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률은, 완전 충전 상태의 침상 관통 시험에 합격한 리튬 이온 전지의 개수의, 15에 대한 비이다.
2. 중량물 충격 시험: 리튬 이온 전지를 상온 환경에 두고, 리튬 이온 전지를 전압이 4. 45V로 될 때까지 0.2C로 정전류 충전한 후, 전류가 0.025C까지 내려가도록 정전압 충전하고 충전을 정지하며, 이어서 3.0V로 될 때까지 0.5C로 정전류 방전하는 바, 이러한 사이클을 5회 반복하고, 전지가 마지막 1회에 완전 충전된 후, 24시간 이내에 중량물 충격 시험을 시행한다. 리튬 이온 전지를 평면에 두고, 직경이 15.8±0.2mm인 강철기둥을 전지 중심에 놓으며, 강철 기둥의 세로 축을 평면에 평행하도록 하고, 질량이 9.1±0.1kg인 중량물을 610±25mm의 높이에서 전지 중심 상측의 강철 기둥에 자유 낙하시킨 후, 6시간 동안 관찰한다. 이때, 리튬 이온 전지가 발화하지 않고 폭발하지 않으면 합격으로 기록한다. 각각의 실시예에 따라 제작된 리튬 이온 전지를 10개씩 시험한다. 중량물 충격 시험의 합격률은, 중량물 충격 시험에 합격한 리튬 이온 전지의 개수의, 10에 대한 비이다.
표 2 실시예 1~20 및 비교예 1에 의한 리튬 이온 전지의 안전성 시험결과
Figure pct00002
표 2로부터 알 수 있듯이,
1. 비교예 1과 비교하면, 실시예 1~20의 리튬 이온 전지는, 완전 충전 상태의 침상 관통 시험 합격률 및 중량물 충격 시험 합격률이 보다 높다. 실시예 1~20의 리튬 이온 전지는 침상 관통 시 및 중량물 충격 시에 더 우수한 안전 성능을 보였다. 즉, 양극 집전체 표면의 보호층의 보호 면적을 증가시킴으로써 당해 양극 시트를 구비한 리튬 이온 전지의, 침상 관통 및 중량물 충격에 대한 안전성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
2. 실시예 1과 비교하면, 실시예 2~7의 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률 및 중량물 충격 시험의 합격률은 더 높다. 여기서, 실시예 7의 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률 및 중량물 충격 시험의 합격률이 가장 우수하다. 즉, 보호층의 두께를 증가시키는 것은, 당해 양극 시트를 구비한 리튬 이온 전지의, 침사 관통 및 중량물 충격에 대한 안전 성능의 향상에 유리하다. 또한, 도전성 보호층 상에 절연성 보호층을 더 설치함으로써, 당해 양극 시트를 구비한 리튬 이온 전지의, 침상 관통 및 중량물 충격에 대한 안전 성능을 더 한층 향상시킬 수 있다.
3. 실시예 4와 비교하면, 실시예 8 및 10의 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률 및 중량물 충격 시험의 합격률은 떨어졌다. 즉, 보호층 내의 접착제 함유량을 증가시킴으로써, 당해 양극 시트를 구비한 리튬 이온 전지의, 침상 관통 및 중량물 충격에 대한 안전 성능을 더 한층 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
4. 실시예 10과 비교하면, 실시예 13의 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률 및 중량물 충격 시험의 합격률은 향상되었다. 그 원인은 양극 활성층 중의 접착제의 함량이 증가되었으나 접착제의 함량이 지나치게 높으면 리튬 이온 전지의 전기적 성능에 불리하기 때문이다. 또한, 실시예 14의 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률이 떨어졌다. 이는, 보호층 중의 접착제의 함량이 너무 적으면 안 된다는 것을 나타낸다. 따라서 보호층 중의 접착제의 함량을 증가시키는 것을 권장한다.
5. 실시예 10과 비교하면, 실시예 15~19의 완전 충전 상태의 침상 관통 시험의 합격률 및 중량물 충격 시험의 합격률은 상대적으로 높다. 즉, 무기 필러의 종류도 안전 시험의 차이와 관련이 있는 것으로 나타났다. 구체적으로는 "알루미나>인산철 리튬>니켈코발트망간 삼원재료"이다. 또한, 입경이 작은 무기 필러는, 당해 양극 시트를 구비한 리튬 이온 전지의, 침상 관통 및 중량물 충격에 대한 안전 성능을 더 한층 향상시키는데 유리하다.
마지막으로 설명해야 할 점이라면, 이상의 각 실시예는 본 발명의 기술적 방안을 설명하는 데만 사용될 뿐, 본 발명은 이들에 의해 제한되지 않는다. 전술한 각 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 당사자라면 전술한 각 실시예에 기재된 기술적 방안을 수정하거나 또는 그 중의 일부 또는 모든 기술적 구성을 균등하게 치환할 수 있으나, 이러한 수정이나 균등 치환과 대응되는 기술적 방안의 본질은 본 발명의 각 실시예의 기술적 방안의 범위를 벗어나지는 않음을 이해해야 한다.
100: 양극 집전체
a-1: 제1 기능표면
a-2: 제2 기능표면
a-3: 제1 단부 영역
a-3-1: 제1 평탄 영역
a-3-2: 제2 평탄 영역
a-3-3: 제3 평탄 영역
a-3-4: 제1 원호 영역
a-4: 활성층 영역
a-5: 제2 단부 영역
a-5-1: 제2 원호 영역
a-5-2: 제4평탄 영역
a-6: 장착 영역
200: 보호층
201: 도전성 보호층
202: 절연성 보호층
300: 양극 활성층
400: 양극 탭
500: 음극 집전체
600: 음극 활성층
700: 음극 탭
800: 분리막
900: 제1 테이프
1000: 제2 테이프

Claims (25)

  1. 리튬 이온 전지에 있어서,
    양극 시트, 음극 시트 및 분리막을 구비하되,
    상기 양극 시트, 상기 분리막 및 상기 음극 시트는 차례로 적층된 후에 내측에서 외측으로 권취되어 성형되며,
    상기 양극 시트는 양극 집전체를 포함하고, 상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에는 보호층이 설치되어 있으며, 상기 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에는 양극 활성층이 설치되어 있고,
    상기 양극 집전체의 권취 방향에서, 상기 보호층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은, 활성층 영역을 포함하고, 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역을 더 포함하되,
    상기 보호층은 도전성 보호층을 포함하고,
    상기 도전성 보호층은 상기 제1 단부 영역 및/또는 상기 제2 단부 영역, 및 상기 활성층 영역에 설치되며,
    상기 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에는 상기 양극 활성층이 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보호층은 절연성 보호층을 더 포함하고,
    상기 절연성 보호층은, 상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역에서의 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 무기 필러를 포함하고, 상기 무기 필러의 D50은 상기 양극 활성층에서의 활물질의 D50보다 작은 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무기 필러는 리튬 함유 전이 금속 산화물 및/또는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리튬 함유 전이 금속 산화물은 코발트산 리튬, 니켈코발트망간 삼원재료, 니켈코발트알루미늄 삼원재료, 니켈코발트망간알루미늄 사원재료, 인산철 리튬, 인산망간 리튬, 인산바나듐 리튬, 망간산 리튬, 리튬 리치 망간기 중의 하나 또는 복수를 포함하며,
    상기 세라믹 재료는 알루미나, 베마이트, 이산화지르코늄, 이산화티타늄, 이산화규소, 몬모릴로나이트, 산화마그네슘, 수산화마그네슘 중의 하나 또는 복수를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력은 상기 보호층과 양극 활성층 사이의 접착력보다 크고,
    및/또는, 상기 보호층과 양극 집전체 사이의 접착력은 상기 양극 활성층 중의 활물질 입자 간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보호층에서의 접착제의 질량 분율은 상기 양극 활성층에서의 접착제의 질량 분율보다 큰 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 보호층을 상기 양극 집전체 표면으로부터 박리한 후에 상기 양극 집전체 상에 잔존하는 보호층의 총 질량은, 박리 전 상기 양극 집전체 상의 보호층의 총 질량의 10% 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 보호층을 상기 양극 집전체 표면으로부터 박리한 후에 상기 양극 집전체 상에 잔존하는 보호층의 총 면적은, 박리 전 상기 양극 집전체 상의 보호층의 총 면적의 70% 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 도전성 보호층은 50~98질량%의 무기 필러, 0.5~10질량%의 제1 도전제, 및 1.5~50질량%의 제1 접착제를 함유하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 절연성 보호층은 50~96 질량%의 세라믹 재료 및 4~50 질량%의 제2 접착제를 함유하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는 상기 양극 활성층 두께의 1~50%인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의 두께는 1~25㎛이고, 상기 제2 단부 영역에 설치된 도전성 보호층의 두께는 1~25㎛이며, 상기 활성층 영역에 설치된 도전성 보호층의 두께는 1~10㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 단부 영역 및/또는 제2 단부 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께는 상기 활성층 영역에 설치되는 도전성 보호층의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 제1 단부 영역에서의 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 절연성 보호층의 두께는 1~15㎛이고,
    상기 제2 단부 영역에서의 도전성 보호층의, 상기 양극 집전체로부터 이격된 표면에 설치되는 절연성 보호층의 두께는 1~15㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 상기 양극 집전체를 노출시키는 장착 영역을 더 포함하고,
    상기 장착 영역은 상기 양극 집전체의 하나의 측면과 연통되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 양극 시트는 양극 탭을 더 포함하고,
    상기 양극 탭은 상기 양극 집전체의 하나의 기능표면의 장착 영역에 설치되며,
    상기 장착 영역의, 권취 중심에 가까운 일측과 권취 중심에서 먼 일측에는 모두 상기 보호층이 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 제1 단부 영역은, 상기 양극 집전체의 권취 방향을 따라, 제 1 평탄 영역, 장착 영역, 제2 평탄 영역, 제 3 평탄 영역 및 제1 원호 영역을 포함하되,
    상기 장착 영역에는 양극 탭이 설치되고, 상기 양극 시트의 표면에는 제1 테이프가 접착되며,
    상기 제1 테이프는, 상기 제3 평탄 영역에서의 보호층의 표면, 상기 제1 원호 영역에서의 보호층의 표면 및 상기 활성층 영역에서의 양극 활성층의 적어도 일부 표면에 접착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 제2 단부 영역은, 상기 양극 집전체의 권취 방향을 따라, 제2 원호 영역 및 제 4 평탄 영역을 포함하고,
    상기 양극 시트의 표면에는 제2 테이프가 접착되며,
    상기 제2 테이프는, 상기 활성층 영역에 설치된 양극 활성층의 적어도 일부 표면, 상기 제2 원호 영역에 설치된 보호층의 표면 및 상기 제 4 평탄 영역에 설치된 보호층의 적어도 일부 표면에 접착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  21. 제2항에 있어서,
    상기 양극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 무지 영역을 포함하고,
    상기 무지 영역은 제2 단부 영역의, 상기 권취 중심에서 먼 단부에 위치하며, 상기 무지 영역의 표면에는 상기 보호층이 설치되지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  22. 제2항에 있어서,
    상기 양극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부의 두 개의 기능표면은 모두 무지 영역을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극 시트는 음극 집전체, 및 상기 음극 집전체의 적어도 하나의 기능표면에 설치되는 음극 활성층을 포함하고,
    상기 음극 활성층의 길이는 상기 양극 활성층의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 음극 집전체의 적어도 하나의 기능표면은 무지 영역을 포함하고,
    상기 무지 영역은 상기 음극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부에 위치하며, 상기 무지 영역의 표면에는 상기 음극 활성층이 설치되지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 음극 집전체의, 상기 권취 중심에서 먼 단부의 두 개의 기능표면은 모두 무지 영역을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
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