KR20230044139A - 리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치 - Google Patents

리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230044139A
KR20230044139A KR1020227027653A KR20227027653A KR20230044139A KR 20230044139 A KR20230044139 A KR 20230044139A KR 1020227027653 A KR1020227027653 A KR 1020227027653A KR 20227027653 A KR20227027653 A KR 20227027653A KR 20230044139 A KR20230044139 A KR 20230044139A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium ion
ion battery
battery
lithium
positive electrode
Prior art date
Application number
KR1020227027653A
Other languages
English (en)
Inventor
제리 오
창롱 한
추이핑 장
빈 지앙
지용 아이
레이 황
Original Assignee
컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 filed Critical 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
Publication of KR20230044139A publication Critical patent/KR20230044139A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬 이온 전지를 개시하며, 이는 정극 시트, 부극 시트, 분리막 및 전해액을 포함하고, 상기 전해액은 리튬 염과 용매를 함유하며, 전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액 중 리튬 염의 질량 백분율은 a%이고, 상기 리튬 이온 전지는 5≤a≤10을 만족하며; 상기 부극 시트 단일면에 대한 로딩량은 W그램 당 1540.25mm2이고 a와 W는 25≤a/W≤50을 만족하며, 상기 용매는 디메틸 카보네이트를 함유한다. 상기 리튬 이온 전지는 우수한 안전성 및 고온 사이클 성능을 구비하는 동시에 운동학적 성능이 우수하다.

Description

리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치
본 발명은 리튬 이온 전지 분야에 관한 것으로, 특히 리튬 염 농도가 낮은 전해액을 함유하는 리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이다.
최근 리튬 이온 전지의 적용 범위가 확대되면서, 리튬 이온 전지는 수력, 화력, 풍력, 태양광 발전소 등의 에너지 보관 전력 시스템과 전동 공구, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 군사 장비, 항공 우주 등 다양한 분야에 광범위하게 적용되고 있다.
일반적으로, 리튬 이온 전지는 높은 운동학적 성능을 위해 리튬 염 농도가 큰 전해액을 사용하고 있다. 그러나, 일반적으로 전해액으로 사용되는 리튬 염 LiPF6은 열 안정성이 좋지 못하고 고온에서 쉽게 분해되어 HF를 생성하여 정극재를 파괴하는 반면, 고농도의 LiPF6를 사용하면 전해액의 점도가 높아져 사이클 성능에 도움이 되지 않는다. 리튬 염 농도가 낮은 전해액을 함유하는 리튬 이온 전지는 비용이 저렴할 뿐만 아니라 더 우수한 열 안정성 및 사이클 성능을 구비한다. 그러나, 리튬 염 농도가 낮을 경우, 전해액의 전기전도율이 감소하여 전지의 운동학적 성능에 영향을 미치므로, 리튬 이온 전지에서 리튬 염 농도가 낮은 전해액의 실제 응용이 제한을 받고 있다.
본 발명은 상기 과제의 기초상에서 안출된 것으로, 리튬 염 농도가 낮은 전해액을 사용할 경우에도 운동학적 성능이 우수한 리튬 이온 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 양태에 따르면 리튬 이온 전지를 제공하며, 이는 정극 시트, 부극 시트, 분리막 및 전해액을 포함하고, 상기 전해액은 리튬 염과 용매를 함유하며,
전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액 중 리튬 염의 질량 백분율은 a%이고, 상기 리튬 이온 전지는 5≤a≤10을 만족하며;
상기 부극 시트 단일면에 대한 로딩량은 W그램 당 1540.25mm2이고 a와 W는 25≤a/W≤50을 만족하며, 상기 용매는 디메틸 카보네이트를 함유한다.
이로써, 본 발명은 전해액에 사용되는 리튬 염의 농도가 낮고 디메틸 카보네이트를 사용하여, 전지가 우수한 안전성 및 고온 사이클 성능을 구비하는 동시에 운동학적 성능이 우수하다.
임의의 실시형태에서, 전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액은 질량 백분율이 b%인 정극 희생형 첨가제를 함유하고, 전해액에서 상기 디메틸 카보네이트의 질량 백분율은 c%이며, 상기 리튬 이온 전지는 c≤10×b-10×|0.6-a/12.5|를 만족한다.
이로써, 전지운동학적 성능을 개선하는 동시에 전지의 보관 성능을 개선할 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 정극 희생형 첨가제는 일반식
Figure pct00001
,
Figure pct00002
, 또는
Figure pct00003
중 하나로 표시되는 화합물이고,
상기 식에서, R은 탄소 원자 수가 1 내지 10인 알킬렌이거나 탄소 원자이며, 상기 탄소 원자는 탄소 원자 수가 1 내지 9인 알킬에 의해 임의로 치환되고,
선택적으로, 상기 정극 희생형 첨가제는1,3-프로판설톤, 에틸렌설페이트 및 에틸렌비스설페이트 중 하나 또는 복수로부터 선택된다.
이로써, 전지의 보관 성능을 더욱 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
임의의 실시형태에서, 2≤b≤4이다.
이로써, 전지의 전력 성능 및 고온 사이클 성능을 더욱 개선할 수 있다.
임의의 실시형태에서, 전해액의 총 중량을 기준으로, 전해액에서 상기 디메틸 카보네이트의 질량 백분율은 c%이고, 상기 리튬 이온 전지는 c≥10×(5-0.08×a/W)를 만족한다.
이로써, 전지의 운동학적 성능을 더욱 충분히 개선할 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 정극 시트는 정극 활물질 LiNixCoyMnzO2를 포함하고, x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0<z<1이며, 선택적으로 0.1≤x≤0.8이고, 보다 선택적으로 0.1≤x≤0.5이다.
이로써, 전지의 용량 밀도 및 보관 성능을 겸비하고, 특히 보관 시의 가스 발생을 억제한다.
임의의 실시형태에서, 상기 리튬 염은 LiPF6이다. 이로써 전지의 고온 안정성 및 고온 사이클 성능이 현저히 개선될 수 있다.
임의의 실시형태에서, 5≤a≤7.5이다. 이로써 전지의 운동학적 성능이 현저히 개선될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명의 제1 양태에 따른 리튬 이온 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 본 발명의 제1 양태에 따른 리튬 이온 전지, 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 모듈 또는 본 발명의 제3 양태에 따른 전지 팩으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전기 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지의 모식도이다.
도 2는 도1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지의 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 모식도이다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른리튬 이온 전지를 전원으로 사용하는 전기 장치의 모식도이다.
<부호의 설명>
1: 전지 팩; 2: 상부 박스 바디; 3: 하부 박스 바디; 4: 전지 모듈; 5: 리튬 이온 전지; 51: 케이스; 52: 전극 어셈블리; 53: 커버판.
이하, 첨부된 도면을 적절하게 참조하여 상세하게 설명함으로써, 본 발명의 리튬 이온 전지 및 그 제조 방법, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치의 실시형태를 상세히 설명한다. 그러나, 경우에 따라 불필요한 상세한 설명을 생략한다. 예를 들어, 공지 사항에 대한 상세한 설명 및 실제로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략되는 경우가 있다. 이는 하기 설명이 불필요하게 중복되는 것을 방지하고 당업자가 용이하게 이해하도록 하기 위한 것이다. 또한, 첨부된 도면 및 하기 설명은 당업자가 본 발명을 충분히 이해하도록 제공되는 것이며, 특허청구범위에 기재된 주제를 한정하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에 개시된 "범위"는 하한 및 상한의 형태로 한정되고, 주어진 범위는 하나의 하한 및 하나의 상한의 선택에 의해 한정되며, 선택된 하한 및 상한은 특정 범위의 경계를 한정한다. 이러한 방식으로 한정된 범위는 끝점 값을 포함하거나 포함하지 않을 수 있으며 임의로 조합될 수 있다. 즉, 임의의 하한과 임의의 상한이 조합되어 하나의 범위를 형성할 수 있다. 예를 들어, 60~120 및 80~110의 범위가 특정 매개변수에 대해 나열되는 경우, 60~110 및 80~120의 범위도 고려되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 최소 범위 값 1과 2가 나열되고 최대 범위 값 3, 4, 5가 나열되면 1~3, 1~4, 1~5, 2~3, 2~4 및 2~5의 모든 범위가 예상된다. 본 발명에서, 달리 명시되지 않는 한, 수치 범위 "a~b"는 a와 b 사이의 실수 조합의 축약된 표현을 나타내며, 여기서 a와 b는 모두 실수이다. 예를 들어, 수치 범위 "0~5"는 "0~5" 사이의 모든 실수가 본 명세서에 나열되었음을 의미하고 "0~5"는 이러한 수치 값의 조합을 축약한 표현일 뿐이다. 또한, 특정 파라미터가 ≥2인 정수로 표현되는 경우, 해당 파라미터가 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 등 정수임을 개시한 것과 같다.
특별한 설명이 없다면, 본 발명의 모든 실시형태 및 선택적인 실시형태는 서로 조합하여 새로운 과제 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없다면, 본 발명의 모든 기술특징 및 선택적인 기술특징은 서로 조합하여 새로운 과제 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 언급된 "포함하는" 및 "포괄하는"은 개방형 또는 폐쇄형을 의미한다. 예를 들어, "포함하는" 및 "포괄하는"이라는 용어는 나열되지 않은 다른 구성 요소도 포함 또는 포괄하거나, 나열된 구성 요소만 포함 또는 포괄함을 의미할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 "또는"이라는 용어는 포괄적이다. 예를 들어 "A 또는 B"라는 문구는 "A, B 또는 A와 B 모두"를 의미한다. 보다 구체적으로, "A 또는 B"는 A가 참(또는 존재)이고 B가 거짓(또는 부재)이고, A가 거짓(또는 부재)이고 B가 참(또는 존재)이고, 또는 A와 B가 모두 참(또는 존재)인 조건 중 임의의 하나를 모두 만족한다.
기존의 리튬 이온 전지는 높은 운동학적 성능을 얻기 위해 일반적으로 전해액의 리튬 염 농도가 높다. 리튬 이온 전지에 사용되는 리튬 염은 대부분 LiPF6이다. LiPF6은 열 안정성이 좋지 못하고 고온에서 쉽게 분해되어 HF를 생성하여 정극재를 파괴하는 반면, 저온에서 고농도의 LiPF6를 사용하면 전해액의 점도가 높아져 사이클 성능에 도움이 되지 않는다. LiPF6의 농도를 낮추면 비용을 절감할 수 있으 뿐만 아니라 리튬 이온 전지의 열 안정성 및 사이클 성능도 개선할 수 있다. 그러나, 리튬 염 농도가 낮을 경우, 전해액의 전기전도율이 감소하여 전지의 운동학적 성능에 영향을 미친다. 따라서 리튬 염 농도가 낮은 전해액을 함유하는 리튬 이온 전지의 운동학적 성능을 개선함으로써 이런 리튬 이온 전지를 실제 적용에 적합하게 할 필요가 있다.
본 발명의 발명자는 다양한 탐구를 통해, 리튬 염 농도가 낮은 전해액을 함유하는 특정 리튬 이온 전지의 경우 전해액에 디메틸 카보네이트(DMC)를 첨가하면 해당 리튬 이온 전지의 운동학적 성능을 현저히 개선할 수 있다는 것을 발견하였다.
이렇게 얻어진 리튬 염 농도가 낮은 전해액의 리튬 이온 전지는 전기 자전거, 에너지 보관 기지국, 택시, 스쿠터 등과 같은 다양한 경우에 적용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시형태에서, 리튬 이온 전지를 제공하고, 이는 정극 시트, 부극 시트, 분리막 및 전해액을 포함하고, 상기 전해액은 리튬 염과 용매를 함유하며,
전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액 중 리튬 염의 질량 백분율은 a%이고, 상기 리튬 이온 전지는 5≤a≤10을 만족하며;
상기 부극 시트 단일면에 대한 로딩량은 W그램 당 1540.25mm2이고 a와 W는 25≤a/W≤50을 만족하며, 상기 용매는 디메틸 카보네이트를 함유한다.
상기 부극 시트 단일면에 대한 로딩량은 상기 부극 시트 단일면에 대한 부극 필름층의 량을 의미한다.
메커니즘은 아직 명확하지 않지만 출원인은 본 발명에서 상기 리튬 염 농도 및 부극 시트 로딩량을 만족하는 리튬 이온 전지의 전해액에 디메틸 카보네이트를 첨가하면, 상기 전지의 운동학적 성능을 현저히 개선할 수 있음을 우연히 발견하였다. 상기 전지 전해액의 리튬 염 농도는 5 중량% 내지 10 중량% 사이이므로 리튬 염이 분해되는 경우가 감소하고, 전해액의 점도가 낮으며 고온 사이클 성능이 좋다. 한편, a/W는 부극 시트 단위 면적당 로딩량에 대한 리튬 염 농도를 나타내며, 리튬 이온 부극 확산의 동역학과 관련이 있다. a/W 수치가 작을 경우, 부극 로딩량이 높으므로 에너지 밀도가 높지만, 이때 리튬 이온의 전송 경로가 길어져 무질서한 전달이 더 많아지며 리튬 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 더 어렵고 제공할 수 있는 리튬 이온의 수가 적다. 다시 말하면, 상기 a 및 a/W 수치 범위를 만족하는 리튬 이온 전지는 우수한 안전성 및 고온 사이클 성능을 구비하지만 운동학적 성능이 좋지 못하고; 대량의 실험을 거친 결과 이때 용매에 DMC를 사용하면 전지의 운동학적 성능을 개선할 수 있음을 발견하였다.
W의 범위는 당업자가 실제 요구사항에 따라 선택할 수 있고, 일반적으로 W는 0.1 내지 0.25g/1540.25mm2의 범위 내에 있다.
일부 실시형태에서,전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액은 질량 백분율이 b%인 정극 희생형 첨가제를 함유하고, 전해액에서 상기 디메틸 카보네이트의 질량 백분율은 c%이며, 상기 리튬 이온 전지는 c≤10×b-10×|0.6-a/12.5|를 만족한다.
DMC가 산화될 경우 가스가 생성되므로 DMC의 첨가는 전지의 보관 기간에 가스가 발생되어 전지의 보관 성능에 영향을 미친다. 정극 희생형 첨가제는 정극 표면에서 용매보다 먼저 산화 반응을 일으키므로 정극 희생형 첨가제를 첨가하면 DMC가 산화되는 것을 방지할 수 있다. 한편, DMC의 사용량은 또한 리튬 염 농도와도 관련이 있는데: 리튬 염 농도가 높거나 낮을 경우 DMC가 전지의 동역학에 대한 개선 효과가 점점 제한을 받게 된다. 이때 DMC의 사용량을 감소하면 전지의 운동학적 성능에 큰 영향을 미치지 않으면서 DMC가 산화되어 가스가 생성되는 문제를 감소하는데 도움이 된다. 발명자는 DMC의 농도를 c%로 제어하고, 정극 희생형 첨가제 농도b% 및 리튬 염 농도a%가 상기 관계식을 만족하도록 함으로써, 전지의 운동학적 성능을 개선하는 동시에 전지의 보관 성능을 개선하였다.
일부 실시형태에서, 상기 정극 희생형 첨가제는
일반식
Figure pct00004
,
Figure pct00005
, 또는
Figure pct00006
중 하나로 표시되는 화합물이고,
상기 식에서, R은 탄소 원자 수가 1 내지 10인 알킬렌이거나 탄소 원자이며, 상기 탄소 원자는 탄소 원자 수가 1 내지 9인 알킬에 의해 임의로 치환되고,
선택적으로, 상기 정극 희생형 첨가제는1,3-프로판설톤(1,3-PS), 에틸렌설페이트(DTD) 및 에틸렌비스설페이트(bis-DTD)로부터 선택되는 하나 이상이다.
상기 정극 희생형 첨가제에 대한 구체적인 선택을 통해, 전지의 보관 성능을 더욱 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
일부 실시형태에서, 2≤b≤4이다. 정극 희생형 첨가제의 사용량을 더욱 한정함으로써, 정극 희생형 첨가제가 충분한 작용을 발휘하도록 보장하는 동시에 이의 정극 표면의 과도하게 산화되어 전지의 전력 성능, 사이클 성능에 영향을 미치는 것을 방지하여, 전지의 전력 성능 및 고온 사이클 성능을 더욱 개선할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해액의 총 중량을 기준으로, 전해액에서 상기 디메틸 카보네이트의 질량 백분율은 c%이고, 상기 리튬 이온 전지는 c≥10×(5-0.08×a/W)를 만족한다.
상술한 바와 같이, a/W는 리튬 이온 부극 확산의 동역학과 관련이 있고, (5-0.08×a/W)의 값이 클 수록 전지의 운동학적 성능이 저하된다. 발명자는 디메틸 카보네이트의 농도 c%와 a/W가 상기 관계를 만족할 경우 전지의 운동학적 성능을 충분히 개선할 수 있다는 것을 발견하였다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, c%는 5~50%의 범위 내에 있고, 선택적으로 9~30%의 범위 내에 있다.
일부 실시형태에서, 상기 정극 시트는 정극 활물질 LiNixCoyMnzO2를 포함하고, x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0<z<1이며, 선택적으로 0.1≤x≤0.8이고, 보다 선택적으로 0.1≤x≤0.5이다.
x의 값을 선택하는 것을 통해, 전지의 용량 밀도 및 보관 성능을 겸비하고, 특히 보관 시의 가스 발생을 억제할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 리튬 염은 LiPF6이다. 전해액 중 리튬 염이 기타 리튬 염인 리튬 이온 전지와 비교하여, 리튬 염이 모두 LiPF6인 리튬 이온 전지는 고온 안정성 문제 및 고온 사이클 성능 문제가 더 쉽게 발생한다. 상기 조건을 만족하는 것을 통해, 상기 리튬 이온 전지의 고온 안정성 및 고온 사이클 성능을 개선하고 상기 전지의 운동학적 성능을 보장할 수 있다.
일부 실시형태에서, 5≤a≤7.5이다. 상기 리튬 염 농도를 가지는 리튬 이온 전지는 상기 조건을 만족하는 것을 통해 전지의 운동학적 성능을 현저히 개선할 수 있다.
이 밖에, 도면을 적절히 참조하여 본 발명의 리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 설명한다.
일반적으로, 리튬 이온 전지는 정극 시트, 부극 시트, 전해질 및 분리막을 포함한다. 전지의 충방전 과정에서 활성 이온은 정극 시트와 부극 시트 사이에서 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 반복한다. 전해질은 정극 시트와 부극 시트 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 분리막은 정극 시트와 부극 시트 사이에 설치되어 주로 정극과 부극의 단락을 방지하는 작용을 하는 동시에 이온을 통과시킬 수 있다.
[정극 시트]
정극 시트는 정극 집전체 및 정극 집전체의 적어도 일면에 설치된 정극 필름층을 포함하고, 상기 정극 필름층은 정극 활물질을 포함한다.
예시적으로, 정극 집전체는 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 정극 필름층은 정극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 이상에 설치된다.
일부 실시형태에서, 상기 정극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 호일은 알루미늄 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 고분자 재료 기재층의 적어도 일면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 등)에 의해 고분자 재료 기재층(예를 들어 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 기재) 상에 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 정극 활물질은 본 기술분야에 공지된 전지용 정극 활물질을 사용할 수 있다. 예시적으로, 정극 활물질은 올리빈(olivine) 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이금속 산화물 및 이들 각각의 개질 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이들 물질에 한정되지 않으며, 전지용 정극 활물질로서 사용될 수 있는 다른 통상적인 물질도 사용될 수 있다. 이러한 정극 활물질은 단독으로 사용되거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예는 리튬 코발트 산화물(예: LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(예: LiNiO2), 리튬 망간 산화물(예: LiMnO2, LiMn2O4), 리튬 니켈 코발트 산화물, 리튬 망간 코발트 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(예: LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333이라고도 함), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523이라고도 함), LiNiO. 5Co0.25Mn0.25O2(NCM211이라고도 함), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622라고도 함), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811이라고도 함), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(예: LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 이의 개질 화합물 중 하나를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염의 예는 인산철리튬(LiFePO4(LFP라고도 함)), 인산철리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간리튬(LiMnPO4), 인산망간리튬 탄소와 복합 재료, 인산철망간리튬, 인산철망간리튬과 탄소의 복합재료 중 적어도 하나를 포함하나 이에 제한되지 않는다.
일부 실시형태에서, 정극 필름층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-프로필렌 삼원공중합체, 비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 삼원공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 및 불소 함유 아크릴레이트 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 정극 필름층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 정극 시트는 정극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 다른 성분과 같은 정극 시트 제조를 위한 성분을 용매(예를 들어, N-메틸피롤리돈)에 분산시켜 정극 슬러리를 형성하고, 정극 슬러리를 정극 집전체에 코팅한 후, 건조, 냉간 압착 등의 공정을 거쳐 정극 시트를 얻는 방식을 통해 제조될 수 있다.
[부극 시트]
부극 시트는 부극 집전체 및 부극 집전체의 적어도 일면에 설치된 부극 필름층을 포함하고, 상기 부극 필름층은 부극 활물질을 포함한다.
예시적으로, 부극 집전체는 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 부극 필름층은 부극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 이상에 설치된다.
일부 실시형태에서, 상기 부극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 호일은 구리 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 고분자 재료 기재층의 적어도 일면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 등)에 의해 고분자 재료 기재층(예를 들어 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 기재) 상에 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 부극 활물질은 본 기술분야에 공지된 전지용 부극 활물질을 사용할 수 있다. 예시적으로, 부극 활물질은 인조흑연, 천연흑연, 소프트카본, 하드카본, 실리콘계 재료, 주석계 재료 및 티탄산리튬 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 재료는 실리콘 단체, 실리콘 산소 화합물, 실리콘 탄소 복합물, 실리콘 질소 복합물, 및 실리콘 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 상기 주석계 재료는 주석 단체, 주석 산소 화합물 및 주석 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들 재료에 한정되지 않으며, 전지용 부극 활물질로서 사용될 수 있는 다른 통상적인 재료도 사용될 수 있다. 이들 부극 활물질은 단독으로 사용되거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 부극 필름층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 스티렌부타디엔고무(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산나트륨(PAAS), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리비닐알코올(PVA), 알긴산나트륨(SA), 폴리메타크릴산(PMAA), 아크릴레이트 및 카르복시메틸 키토산(CMCS) 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 부극 필름층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 부극 필름층은 선택적으로 증점제(예: 카르복시메틸 셀룰로오스 나트륨(CMC-Na)) 등과 같은 기타 보조제를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 부극 시트는 부극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 다른 성분과 같은 부극 시트 제조를 위한 성분을 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 부극 슬러리를 형성하고, 부극 슬러리를 부극 집전체에 코팅한 후, 건조, 냉간 압착 등의 공정을 거쳐 부극 시트를 얻는 방식을 통해 제조될 수 있다.
[전해질]
전해질은 정극 시트와 부극 시트 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 본 발명에서 전해질은 전해액을 사용한다. 상기 전해액은 전해질 염 및 용매를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전해질 염은 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 테트라플루오로보레이트, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로비산염, 리튬 비스플루오로술폰이미드, 리튬 비스트리플루오로메탄술폰이미드, 리튬 트리플루오로메탄술포네이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 리튬 디플루오로(옥살라토） 붕산염, 리튬 디(옥살라토） 붕산염, 리튬 디플루오로비스(옥살라토） 포스페이트 및 리튬 테트라플루오로(옥살라토） 포스페이트 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 용매는 DMC를 포함하는 외에, 선택적으로 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 메틸 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 1,4-부티로락톤, 술포란, 디메틸 술폰, 메틸 에틸 술폰 및 디에틸 술폰 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해액은 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 부극 막형성 첨가제, 정극 막형성 첨가제를 포함할 수 있고, 전지의 과충전 성능을 개선하기 위한 첨가제, 전지의 고온 또는 저온 성능을 개선하기 위한 첨가제와 같은 전지의 특정 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 더포함할 수 있다.
[분리막]
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지는 분리막을 더 포함할 수 있다. 본 발명은 분리막의 종류의 종류에 특별한 제한은 없으며, 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 우수한 공지된 다공성 구조의 분리막을 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 분리막의 재료는 유리 섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 분리막은 단층 필름 또는 다층 복합 필름일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 분리막이 다층 복합 필름인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
일부 실시형태에서, 정극 시트, 부극 시트 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리로 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지는 외부 포장을 포함할 수 있다. 상기 외부 포장은 상기 전극 어셈블리 및 전해질의 패키징을 위한 것이다.
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지의 외부 포장은 경질 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스 등과 같은 경질 케이스일 수 있다. 리튬 이온 전지의 외부 포장은 가방형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수도 있다. 소프트 패키지의 재질은 플라스틱일 수 있으며, 플라스틱의 예로는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 숙시네이트 등이 있다.
본 발명은 리튬 이온 전지의 형태에 대해 특별히 한정하지 않고, 이는 원기둥형, 직사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 1은 일 예시로서 직사각형 구조의 리튬 이온 전지(5)를 도시한다.
일부 실시형태에서, 도 2를 참조하면, 외부 포장은 케이스(51) 및 커버판(53)을 포함할 수 있다. 여기서, 케이스(51)는 바닥판과 바닥판 상에 연결된 측판을 포함할 수 있고, 바닥판과 측판은 둘러싸여 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통하는 개구를 갖고, 커버판(53)은 상기 개구에 씌움 설치되어 상기 수용 캐비티를 밀폐시킬 수 있다. 정극 시트, 부극 시트 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리(52)로 형성될 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 캐비티 내에 패키징된다. 전해액은 전극 어셈블리(52)에 침윤된다. 리튬 이온 전지(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 개수는 하나 이상일 수 있고, 당업자는 구체적인 요구사항에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지는 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함된 리튬 이온 전지의 개수는 하나 이상일 수 있으며 당업자가 전지 모듈의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 3은 일 예시로서 전지 모듈(4)을 도시한다. 도 3을 참조하면, 전지 모듈(4)에서 다수의 리튬 이온 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향에 따라 순차적으로 배열 설치될 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식에 따라 배열될 수도 있다. 또한, 체결구를 통해 상기 다수의 리튬 이온 전지(5)를 고정할 수 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 수용 공간을 갖는 케이스를 더 포함할 수 있고, 다수의 리튬 이온 전지(5)는 상기 수용 공간에 수용된다.
일부 실시형태에서, 본 발명의 전지 모듈은 또한 전지 팩으로 조립될 수 있고, 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 개수는 하나 이상일 수 있으며 당업자가 전지 팩의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 4 및 도 5는 일 예시로서 전지 팩(1)을 도시한다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 전지 팩(1)은 전지 박스 및 전지 박스에 설치된 다수의 전지 모듈(4)을 포함할 수 있다. 전지 박스는 상부 박스 바디(2) 및 하부 박스 바디(3)를 포함하며, 상부 박스 바디(2)는 하부 박스 바디(3)에 씌움 설치될 수 있고, 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 다수의 전지 모듈(4)은 임의의 방식에 따라 전지 박스에 배열될 수 있다.
이 밖에, 본 발명은 전기 장치를 더 제공하고, 상기 전기 장치는 본 발명에서 제공되는 리튬 이온 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩 중 하나 이상을 포함한다. 상기 리튬 이온 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩은 상기 장치의 전원으로 사용될 수 있거나, 상기 전기 장치의 에너지 보관 유닛으로 사용될 수 있다. 상기 전기 장치는 이동 기기(예를 들어, 핸드폰, 노트북 컴퓨터 등), 전기 자동차(예를 들어, 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 보관 시스템 등일 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
상기 전기 장치는 사용 요구사항에 따라 리튬 이온 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
도 6은 일 예시로서 전기 장치를 도시한다. 상기 전기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 리튬 이온 전지의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 상기 전기 장치의 요구사항을 충족시키 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈을 사용할 수 잇다.
다른 예시로서, 장치는 핸드폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 상기 장치는 통상적으로 가볍고 얇아야 하므로, 리튬 이온 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
아래 실시예를 결합하여 본 발명을 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님을 이해해야 할 것이다. 실시예에 특정 기술이나 조건이 명시되지 않은 경우 본 기술분야의 문헌에 설명된 기술이나 조건, 또는 제품 설명서에 따라 수행한다. 제조업체가 명시되지 않은 시약이나 기구는 시중에서 구할 수 있는 통상적인 제품이다.
실시예 1
(1) 전해액의 제조
수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 50 g EMC, 10gDMC 및 10g LiPF6을 첨가하고, 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻었다.
(2) 정극 시트의 제조
정극 활물질 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 바인더 폴리비닐리덴 플루오라이드, 도전제 아세틸렌 블랙을 8:1:1의 질량비로 혼합하고, 용매 NMP를 첨가하며, 진공 믹서의 동작하에 정극 슬러리를 얻었다. 정극 슬러리를 0.28g(건조 중량)/1540.25mm2의 량으로 두께가 13μm인 정극 집전체 알루미늄 호일에 균일하게 코팅하였다. 알루미늄 호일을 상온에서 건조한 후 120℃ 오븐에 옮겨 1h 건조한 후, 냉간 압착, 슬리팅을 거쳐 정극 시트를 얻었다.
(3) 부극 시트의 제조
부극 활물질 인조흑연, 도전제 카본 블랙, 바인더 아크릴레이트를 92:2:6의 질량비로 혼합하고, 탈이온수를 첨가하며, 진공 믹서의 동작하에 부극 슬러리를 얻었다. 부극 슬러리를 0.2g(건조 중량)/1540.25mm2의 량으로 두께가 8μm인 부극 집전체 구리 호일에 균일하게 코팅하였다. 구리 호일을 상온에서 건조한 후 120℃ 오븐에 옮겨 1h 건조한 후, 냉간 압착, 슬리팅을 거쳐 부극 시트를 얻었다.
(4) 분리막
분리막은 Cellgard 사에서 구매하였고, 모델은 cellgard2400이다.
(5) 리튬 이온 전지의 조립
정극 시트, 분리막, 부극 시트를 순차적으로 적층하여 분리막이 정극 시트와 부극 시트 사이에 위치하여 분리 작용을 하도록 한 다음, 권취를 거쳐 베어셀을 얻었다. 용량이 4.3Ah인 베어셀을 외부 포장 호일에 넣고, 상기에서 제조한 전해액 12g을 건조된 전지에 주입한 후, 진공 포장, 방치, 화성(formation) 및 성형 등의 공정을 거쳐 리튬 이온 전지를 얻었다.
실시예 2
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 52g EMC, 10g DMC, 8g LiPF6을 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 3
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 52.5g EMC, 10g DMC, 7.5g LiPF6을 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 4
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 55g EMC, 10g DMC, 5g LiPF6을 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 5
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 16g EMC, 40g DMC, 10g LiPF6, 4g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 6
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 26g EMC, 30g DMC, 10g LiPF6, 4g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 7
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 26g EMC, 30g DMC, 10g LiPF6, 4g DTD를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 8
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 26g EMC, 30g DMC, 10g LiPF6, 4g bis-DTD를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 9
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 43g EMC, 15g DMC, 10g LiPF6, 2g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 10
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 47g EMC, 10g DMC, 10g LiPF6, 3g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 11
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 47g EMC, 9g DMC, 10g LiPF6, 4g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 12
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 25g EMC, 30g DMC, 10g LiPF6, 5g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 13
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 42g EMC, 15g DMC, 10g LiPF6, 3g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 14
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 52g EMC, 5g DMC, 10g LiPF6, 3g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 15
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 46.5g EMC, 12g DMC, 10g LiPF6, 1.5g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
실시예 16
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 30g EC, 37g EMC, 20g DMC, 10g LiPF6, 3g 1,3-PS를 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 실시예의 전해액을 얻는 것이다.
비교예 1
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 전해액의 제조 단계에서, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 33.75g EC, 56.25 g EMC 및 10g LiPF6을 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 비교예용 전해액을 얻는 것이다.
비교예 2
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 36.38g EC, 60.62g EMC, 3g LiPF6을 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 비교예용 전해액을 얻는 것이다.
비교예 3
리튬 이온 전지의 제조 과정은 전반적으로 실시예 1을 참조하고 구별점은, 수분 함량<10ppm인 아르곤 분위기 글로브 박스에서, 비커에 각각 33g EC, 55g EMC, 12g LiPF6을 첨가하고 충분히 교반하고 용해하여 본 비교예용 전해액을 얻는 것이다.
상기 실시예 1 내지 16 및 비교예 1 내지 3에서 얻은 정극 활물질에 대해 각각 다음과 같은 성능 테스트를 수행하고, 테스트 결과는 표 2와 같다.
리튬 이온 전지의 성능 테스트:
1. 초기 방전 DCR(직류 저항, Directive Current Resistance) 테스트
25℃에서 리튬 이온 전지를 각각 1C의 충전 레이트로 4.25V까지 충전한 후, 전류가 0.05C 미만이 될 때까지 정전압 충전하며, 그 다음 1C의 방전 레이트로 30min 동안 방전하고, 이때의 전압을 V1로 기록하였다. 이어서 4C의 방전 레이트(4C에 대응되는 전류는 I)로 30s 동안 방전하고, 이때의 전압을 V2로 기록하였다. 리튬 이온 전지의 초기 방전 DCR=(V1-V2)/I이다.
2. 60℃사이클 성능 테스트
60℃에서 리튬 이온 전지를 1C로 4.25V까지 정전류 충전하고, 4.25V 정전압으로 전류가 0.05C가 될 때까지 충전하여 5min 동안 방치한 후 1C로 2.5V까지 정전류 방전한 후 얻은 용량을 초기 용량 C0으로 기록하였다. 상기 동일한 전지에 대해 상술한 단계를 반복하는 동시에 카운트를 시작하고, 300회 사이클 후 전지의 방전 용량은 C300이고 300회 사이클 후 전지 사이클 용량 유지율 P=C300/C0*100%이다.
3. 60℃ 보관 테스트
60℃에서 리튬 이온 전지를 0.5C로 4.35V까지 정전류 충전하고, 정전압으로 전류가 0.05C가 될 때까지 충전하며, 이때의 리튬 이온 전지의 두께를 측정하고 h0로 기록하였다. 그 다음, 리튬 이온 전지를 60℃의 인큐베이터에 넣고 30일 간 보관한 후 꺼내어 이때의 리튬 이온 전지의 두께를 측정하고 h1로 기록하였다. 리튬 이온 전지를 30일 동안 보관한 후 두께 팽창율=[(h1-h0)/h0]×100%이다.
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
상기 결과로부터, 전해액 용매에 DMC를 사용하면 동일한 전해질 염의 농도 하에서, 실시예 1 내지 실시예 16의 DCR이 비교예보다 현저히 낮은 것을 보아낼 수 있고, 즉 운동학적 성능이 개선되고 고온 사이클 성능도 개선되었음을 확인할 수 있다.
실시예 5 내지 실시예 16은 전해액에 정극 희생형 첨가제를 첨가함으로써 높은 농도의 DMC를 사용할 경우 고온에서 전지의 팽창을 억제하고 고온 사이클 성능을 개선할 수 있었다. 실시예 5 내지 실시예 10으로부터, 전지가 c≤10×b-10×|0.6-a/12.5|를 만족할 경우, 전지의 고온 보관 성능 및 사이클 성능을 더욱 개선할 수 있음을 알 수 있다. 실시예 11 내지 실시예 16으로부터, 전지가 또한 c≥10×(5-0.08×a/W)를 만족할 경우, DCR이 낮고 전지의 운동학적 성능이 더욱 개선됨을 알 수 있다.
설명해야 할 것은, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 해결수단 범위 내에서 기술적 사상과 동일한 구성을 갖고 동일한 작용 및 효과를 발휘하는 실시형태는 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자가 생각해낼 수 있는 다양한 변형을 실시형태에 가할 수 있고, 실시형태 중의 일부 구성 요소를 조합하여 구성된 다른 형태도 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (11)

  1. 리튬 이온 전지에 있어서,
    정극 시트, 부극 시트, 분리막 및 전해액을 포함하고, 상기 전해액은 리튬 염과 용매를 함유하며,
    전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액 중 리튬 염의 질량 백분율은 a%이고, 상기 리튬 이온 전지는 5≤a≤10을 만족하며;
    상기 부극 시트 단일면에 대한 로딩량은 W그램 당 1540.25mm2이고 a와 W는 25≤a/W≤50을 만족하며, 상기 용매는 디메틸 카보네이트를 함유하는 리튬 이온 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    전해액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해액은 질량 백분율이 b%인 정극 희생형 첨가제를 함유하고, 전해액에서 상기 디메틸 카보네이트의 질량 백분율은 c%이며,
    상기 리튬 이온 전지는 c≤10×b-10×|0.6-a/12.5|를 만족하는 리튬 이온 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정극 희생형 첨가제는
    일반식
    Figure pct00010
    ,
    Figure pct00011
    , 또는
    Figure pct00012
    중 하나로 표시되는 화합물이고,
    상기 식에서, R은 탄소 원자 수가 1 내지 10인 알킬렌이거나 탄소 원자이며, 상기 탄소 원자는 탄소 원자 수가 1 내지 9인 알킬에 의해 임의로 치환되고,
    선택적으로, 상기 정극 희생형 첨가제는1,3-프로판설톤, 에틸렌설페이트 및 에틸렌비스설페이트 중 하나 또는 복수로부터 선택되는 리튬 이온 전지.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    2≤b≤4인 리튬 이온 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전해액의 총 중량을 기준으로, 전해액에서 상기 디메틸 카보네이트의 질량 백분율은 c%이고,
    상기 리튬 이온 전지는 c≥10×(5-0.08×a/W)를 만족하는 리튬 이온 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 시트는 정극 활물질 LiNixCoyMnzO2를 포함하고, x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0<z<1이며, 선택적으로 0.1≤x≤0.8이고, 보다 선택적으로 0.1≤x≤0.5인 리튬 이온 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리튬 염은 LiPF6인 리튬 이온 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    5≤a≤7.5인 리튬 이온 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 전지를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제9항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 전지, 제9항에 따른 전지 모듈 또는 제10항에 따른 전지 팩으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전기 장치.
KR1020227027653A 2021-09-24 2021-09-24 리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치 KR20230044139A (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2021/120317 WO2023044752A1 (zh) 2021-09-24 2021-09-24 锂离子电池、电池模块、电池包及用电装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230044139A true KR20230044139A (ko) 2023-04-03

Family

ID=85719842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227027653A KR20230044139A (ko) 2021-09-24 2021-09-24 리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230361352A1 (ko)
EP (1) EP4178001A4 (ko)
JP (1) JP7478827B2 (ko)
KR (1) KR20230044139A (ko)
CN (1) CN116670884A (ko)
WO (1) WO2023044752A1 (ko)

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105336984B (zh) * 2014-07-31 2018-05-22 东莞新能源科技有限公司 锂离子电池及其电解液
EP3195388A1 (en) * 2014-08-14 2017-07-26 Solvay Sa Nonaqueous electrolyte compositions comprising sultone and fluorinated solvent
CN107210490A (zh) * 2015-02-04 2017-09-26 3M创新有限公司 包含路易斯酸：路易斯碱复合物电解质添加剂的电化学电池
US11394046B2 (en) * 2016-04-07 2022-07-19 StoreDot Ltd. Electrolyte additives in lithium-ion batteries
CN112909319B (zh) * 2018-09-19 2022-04-22 宁德时代新能源科技股份有限公司 锂离子二次电池与包含其的电子产品、电动交通工具及机械设备
CN111864261A (zh) * 2019-04-26 2020-10-30 宁德时代新能源科技股份有限公司 电解液及锂离子电池
CN110649317B (zh) * 2019-08-29 2021-05-25 孚能科技(赣州)股份有限公司 硅基锂离子电池电解液和锂离子二次电池
CN110767939B (zh) * 2019-10-18 2021-06-11 宁德时代新能源科技股份有限公司 用于锂离子电池的电解液、锂离子电池、电池模块、电池包及装置
KR20220038494A (ko) * 2019-12-03 2022-03-28 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 이차 전지, 전해액 및 이차 전지를 포함하는 장치
CN111342028B (zh) 2020-03-20 2021-07-20 吉林中溢炭素科技有限公司 一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法
CN112615056B (zh) * 2020-12-22 2023-03-31 九江天赐高新材料有限公司 一种用于制备电解液的添加剂组合物、及包含添加剂组合物的电解液、锂离子二次电池
CN112838270B (zh) 2021-03-18 2022-06-14 合肥国轩高科动力能源有限公司 改善电池高温胀气的电解液添加剂、电解液及包含该电解液的锂离子电池
CN113140799A (zh) * 2021-05-28 2021-07-20 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种防过充低温电解液和基于其的锂离子电池

Also Published As

Publication number Publication date
EP4178001A1 (en) 2023-05-10
JP2023545876A (ja) 2023-11-01
JP7478827B2 (ja) 2024-05-07
WO2023044752A1 (zh) 2023-03-30
EP4178001A8 (en) 2023-07-05
EP4178001A4 (en) 2023-10-11
US20230361352A1 (en) 2023-11-09
CN116670884A (zh) 2023-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20240019835A (ko) 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치
US20230117520A1 (en) Electrolytic solution, secondary battery, and power consumption apparatus
CN116759646A (zh) 二次电池和用电装置
CN115692842B (zh) 二次电池、电池模块、电池包及用电装置
CN116569376A (zh) 锂离子电池及包含其的电池模块、电池包和用电装置
CN116547838A (zh) 正极极片、二次电池及其制备方法与包含该二次电池的电池模块、电池包和用电装置
JP7478827B2 (ja) リチウムイオン電池、電池モジュール、電池パックおよび電気装置
US11996515B2 (en) Lithium-ion secondary battery, battery module, battery pack, and power consumption apparatus
US20220407117A1 (en) Electrolyte solution, secondary battery, battery module, battery pack and device
CN116632320B (zh) 一种锂离子电池及包含其的用电装置
JP7476419B2 (ja) 正極ペースト、正極シート、リチウムイオン電池、電池モジュール、電池パックおよび電力使用装置
US20240079636A1 (en) Lithium-ION Secondary Battery, Battery Module, Battery Pack, and Power Consumption Apparatus
US20240021864A1 (en) Electrolyte, secondary battery, battery module, battery pack and electrical device
EP4303982A1 (en) Secondary battery, battery module, battery pack, and electrical device
US20230336014A1 (en) Method for supplementing lithium for secondary battery and method for charging and discharging secondary battery
US20230299357A1 (en) Electrolyte and secondary battery using same, and battery module, battery pack, and power consuming device
KR20230125041A (ko) 이차 전지, 이차 전지의 제조 방법, 전지 모듈, 전지팩 및 전기 장치
CN117497851A (zh) 电解液添加剂、电解液、电池、用电装置
KR20230128358A (ko) 이차 전지, 이차 전지의 제조 방법, 전지 모듈, 전지팩 및 전기 장치
KR20240021293A (ko) 전해액, 이차전지, 배터리모듈, 배터리팩 및 전기기기
CN117254117A (zh) 二次电池及用电装置
JP2023549443A (ja) 負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置
KR20230015309A (ko) 전해액, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치
CN116632320A (zh) 一种锂离子电池及包含其的用电装置
CN117594875A (zh) 电解液添加剂、电解液、电池、用电装置