KR20230054608A - 음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공한다. 상기 음극 극판은 제1 코팅층, 제2 코팅층 및 집전체를 포함하고, 상기 제2 코팅층의 일측은 상기 집전체이며, 상기 제2 코팅층의 타측은 상기 제1 코팅층이고, 상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은 실리콘계 재료를 포함한다. 상기 제1 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.5 내지 1.5이고, 상기 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.3 이하이다. 본 발명은 전지의 사이클 수명 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치
본 발명은 리튬 전지 분야에 관한 것으로, 특히 음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 비에너지가 크고 작동 전압이 높으며 자기 방전율이 낮고 부피가 작으며 중량이 가벼운 등 특징을 갖고 있다. 전기 자동차의 급속한 발전에 따라 사람들이 리튬 이온 전지의 에너지 밀도 및 사이클 성능 등에 대한 요구 사항이 갈수록 높아지고 있다. 실리콘계 재료는 높은 비용량 특성으로 인해 차세대 리튬 이온 음극재의 이상적인 재료로 되었다.
실리콘계 재료는 리튬 디인터칼레이션 과정에서 부피 변화가 커 리튬 이온 전지의 사이클 수명에 영향을 미치며,또한 실리콘계 재료는 1차 쿨롱 효율이 낮아 리튬 이온 전지의 에너지 밀도에 영향을 미친다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 안출된 것으로, 리튬 이온 전지의 사이클 수명 및 에너지 밀도를 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 양태는 제1 코팅층, 제2 코팅층 및 집전체를 포함하는 음극 극판을 제공한다. 상기 제2 코팅층의 일측은 상기 집전체이며, 상기 제2 코팅층의 타측은 상기 제1 코팅층이고, 상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은 실리콘계 재료를 포함한다. 상기 제1 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.5 내지 1.5이고, 상기 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.3 이하이다.
이에 따라, 본 발명은 제1 코팅층 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비를 상조적으로 제어함으로써, 제1 코팅층은 리튬 이온 전지의 사이클 수명을 개선하고, 제2 코팅층은 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율 및 에너지 밀도를 향상시켜 리튬 이온 전지의 사이클 수명 및 에너지 밀도를 향상시킨다.
임의의 실시형태에서, 상기 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.05 내지 0.2이며, 이는 리튬 이온 전지의 에너지 밀도를 개선하고, 전지의 사이클 수명도 함께 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)과 상기 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2) 간에는 0.8 ≤ A1 : A2 ≤ 1.2를 만족시키고, 이는 전지의 전체 수명 주기 동안 리튬 이온 전지의 박리 위험을 줄이고, 리튬 이온 전지의 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)은 500 mAh/g 내지 1000 mAh/g이고, 상기 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2)은 500 mAh/g 내지 1000 mAh/g이며, 이는 사이클 수명 및 에너지 밀도가 양호한 리튬 이온 전지를 얻을 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 코팅층에서 상기 실리콘계 재료의 함량은 18 wt% 내지 55 wt%이고, 상기 제2 코팅층에서 상기 실리콘계 재료의 함량은 7 wt% 내지 21 wt%이며, 사이클 수명 및 에너지 밀도가 양호한 리튬 이온 전지를 얻을 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 코팅층은 제1 바인더를 포함하고, 상기 제2 코팅층은 제2 바인더를 포함하며, 이는 제1 코팅층과 제2 코팅층의 계면 접착 효과를 향상시키고, 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 박리 위험을 더욱 감소시키며, 리튬 이온 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 바인더 및 상기 제2 바인더는 각각 독립적으로 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트, 알긴산나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 글리콜, 카르복시메틸 키토산 및 스티렌부타디엔 고무 중 적어도 하나를 포함한다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 바인더 및 상기 제2 바인더는 모두 폴리아크릴레이트계 바인더를 포함한다. 상기 제1 코팅층에서 상기 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 상기 제2 코팅층에서의 함량보다 적고, 접착 효과를 만족시키는 기초 상에서 전지의 에너지 밀도를 효과적으로 향상시키고 부자재 비용을 줄일 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 제1 코팅층에서 상기 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 3 wt% 내지 6 wt%이고, 상기 제2 코팅층에서 상기 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 4 wt% 내지 7 wt%이며, 접착 효과를 만족시키는 기초 상에서 전지의 에너지 밀도를 효과적으로 향상시키고 부자재 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제1 양태에 따른 음극 극판을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 제3 양태는 본 발명의 제2 양태에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 제4 양태는 본 발명의 제3 양태에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명의 제5 양태는 본 발명의 제2 양태에 따른 이차 전지, 본 발명의 제3 양태에 따른 전지 모듈 또는 본 발명의 제4 양태에 따른 전지 팩으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기 장치를 제공한다.
본 발명의 유익한 효과는 하기와 같다.
본 발명은 음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공한다. 음극 극판은 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함한다. 제1 코팅층 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비를 상조적으로 제어함으로써, 제1 코팅층은 1차 리튬 인더칼레이션 후 리튬 이온 전지의 사이클 수명을 개선하고, 제2 코팅층은 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율 및 에너지 밀도를 향상시켜, 리튬 이온 전지의 사이클 수명 및 에너지 밀도를 향상시킨다. 물론, 본 발명의 임의의 제품 또는 방법을 구현하는 것이 반드시 위에서 설명된 모든 이점을 동시에 달성해야 하는 것은 아니다.
본 발명 및 종래 기술의 기술적 해결방안을 더 명확하게 설명하기 위해, 이하에서는 본 발명의 실시예 및 종래 기술에 사용될 도면을 간략히 소개한다. 이하의 설명에서 도면은 본 발명의 일부 실시예인 것임이 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 음극 극판의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차 전지의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차 전지의 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차 전지가 전원으로 사용되는 전기 장치의 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 적절히 참조하여 본 발명의 음극 극판, 양극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 구체적으로 개시하는 실시형태를 상세히 설명한다. 그러나, 경우에 따라 불필요한 상세한 설명을 생략한다. 예를 들어, 공지 사항에 대한 상세한 설명 및 실제로 동일한 구조에 대한 중복되는 설명은 생략되는 경우가 있다. 이는 하기 설명이 불필요하게 길어지는 것을 방지하고 당업자가 용이하게 이해하도록 하기 위한 것이다. 또한, 첨부 도면 및 하기 설명은 당업자가 본 발명을 충분히 이해하도록 제공되는 것이며, 특허청구범위에 기재된 주제를 한정하기 위한 것이 아니다.
본 발명에 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 내지 120 및 80 내지 110의 범위가 특정 매개변수에 대해 나열되는 경우, 60 내지 110 및 80 내지 120의 범위도 고려되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 최소 범위 값 1과 2가 나열되고 최대 범위 값 3, 4, 5가 나열되면 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 3, 2 내지 4 및 2 내지 5의 모든 범위가 예상된다. 본 발명에서, 달리 명시되지 않는 한, 수치 범위 "a 내지 b"는 a와 b 사이의 실수 조합의 축약된 표현을 나타내며, 여기서 a와 b는 모두 실수이다. 예를 들어, 수치 범위 "0 내지 5"는 "0 내지 5" 사이의 모든 실수가 본 명세서에 나열되었음을 의미하고 "0 내지 5"는 이러한 수치 값의 조합을 축약한 표현일 뿐이다. 또한, 특정 파라미터가 2 이상의 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 없는 한, 본 발명의 모든 실시형태 및 선택적인 실시형태는 서로 조합되어 새로운 기술적 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 기술특징 및 선택적인 기술특징은 서로 조합되어 새로운 기술적 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 단계는 순차적으로 수행될 수 있고 랜덤으로 수행될 수 있으며, 순차적으로 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a) 및 (b)를 포함하고, 이는 상기 방법이 순차적으로 수행되는 단계 (a) 및 (b)를 포함할 수 있으며 순차적으로 수행되는 단계 (b) 및 (a)를 포함할 수도 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 언급된 상기 방법은 단계 (c)를 더 포함할 수 있고, 이는 단계 (c)가 상기 방법에 임의의 순서로 추가될 수 있다는 것을 나타내는 바, 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a), (b) 및 (c)를 포함할 수 있고, 단계 (a), (c) 및 (b)를 포함할 수도 있으며, 단계 (c), (a) 및 (b) 등을 포함할 수도 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 언급된 "포괄" 및 "포함"은 개방형 및 폐쇄형을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 "포괄" 및 "포함"은 나열되지 않은 다른 성분을 더 포괄하거나 포함할 수 있고, 나열된 성분만 포괄하거나 포함할 수 있음을 나타낸다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 용어 "또는"은 포괄적인 것이다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 "A, B, 또는 A 및 B 양자"를 나타낸다. 보다 구체적으로, A는 참(또는 존재)이고 B는 거짓(또는 부재)이며; A는 거짓(또는 부재)이고 B는 참(또는 존재)이며; 또는 A 및 B는 모두 참(또는 존재)인 조건 중 어느 하나는 조건 "A 또는 B"를 모두 만족시킨다.
실리콘계 재료 전지를 연구하는 과정에서, 본 발명인은 실리콘계 재료는 충방전 과정에서 부피 팽창에 큰 문제가 존재하여 실리콘계 재료 전지의 사이클 수명이 적용 요구 사항을 만족시키기 어렵다는 것을 발견하였다. 실리콘계 재료는 1차 쿨롱 효율이 낮아 실리콘계 재료 전지의 에너지 밀도에 영향을 미친다. 실리콘계 재료 전지의 사이클 수명 및 에너지 밀도를 향상시키고, 항속 거리가 길고 사용 수명이 연장되는 등 전기 장치에 적용 시 실리콘계 재료 전지의 성능이 향상될 수 있도록 하기 위해, 본 발명은 음극 극판, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 코팅층(1), 제2 코팅층(2) 및 집전체(3)를 포함하는 음극 극판을 제공한다. 제2 코팅층(2)의 일측은 집전체(3)이며, 제2 코팅층(2)의 타측은 제1 코팅층(1)이고, 제1 코팅층(1) 및 제2 코팅층(2)은 실리콘계 재료를 포함한다. 제1 코팅층(1)의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.5 내지 1.5, 바람직하게는 0.8 내지 1.2이고, 제2 코팅층(2)의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.3 이하이다.
메커니즘은 아직 명확하지 않으나, 본 발명인은 본 발명의 음극 극판은 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하고, 제1 코팅층에서 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비를 본 발명의 범위 내로 상조적으로 제어함으로써, 제1 코팅층은 리튬 이온 전지의 사이클 수명을 개선하고, 제2 코팅층은 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율 및 에너지 밀도를 향상시켜 리튬 이온 전지의 사이클 수명 및 에너지 밀도가 전체적으로 향상됨을 예기치 않게 발견하였다.
본 발명인은 어떠한 이론에도 한정되지 않고, 실리콘계 음극재료의 경우, 재료에서 산소 원소의 함량이 높을 수록 첫 사이클에 리튬 인더칼레이션 후 형성되는 완충 효과를 갖는 산화리튬, 리튬 규산염(예를 들어, Li2SiO3, Li4SiO4, Li6Si2O7 등) 성분의 점유율이 더 많다. 이러한 성분의 존재는 리튬 인더칼레이션 과정에서 실리콘계 재료의 부피 변화를 효과적으로 완화시켜 리튬 이온 전지의 수명 주기 동안 고체 전해질 계면(SEI) 필름의 파열 및 복원 정도가 효과적으로 개선할 수 있고 나아가 리튬 이온 전지의 사이클 수명이 개선됨을 발견하였다. 그러나 이러한 비가역적 리튬 디인터칼레이션 성분의 존재는 실리콘계 재료의 가역적 그램 용량을 감소시키고, 나아가 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율에 영향을 미치고 리튬 이온 전지의 에너지 밀도의 일정한 손실을 유발한다. 반대로, 실리콘계 재료에서 산소 원소 함량이 감소하면, 실리콘계 재료는 리튬 디인터칼레이션 과정에서 팽창이 증가하여 사이클 수의 증가에 따라 실리콘계 재료의 용량이 급격히 감쇠되나, 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율은 높으며, 대응되게 에너지 밀도도 높다.
본 발명인은 또한 어떠한 이론에도 한정되지 않고, 다공성 전극의 충방전 과정에서, 액상 오믹 분극과 확산 분극의 존재로 인해 충방전 전류가 전극 극판에서 용액에 가까운 측으로 더 집중된다. 즉, 활물질 입자가 전극 극판의 표면(즉, 전해액 측)에 가까울 수록 충방전 과정에서 활물질에 의해 수행되는 탈리튬화 및 리튬 인더칼레이션의 처리량이 더 커짐을 발견하였다.
이를 기반으로, 본 발명에서는 음극 극판의 제1 코팅층을 전해액에 가깝게 설치하여 전지 사용 과정에서 많은 리튬 이온 처리량을 견딜 수 있다. 또한 제1 코팅층에서 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.5 내지 1.5이며, 1차 리튬 인더칼레이션 후에는 부피 팽창을 완충하기 위한 산화리튬, 리튬규산염 등 활물질이 더 많이 형성되고, 이리 하여 리튬 이온 전지의 사이클 수명을 향상시킨다. 제2 코팅층을 집전체에 가깝게 설치하고, 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.3 이하로, 음극 극판의 1차 리튬 인더칼레이션 과정에서 소모되는 활성 리튬의 양을 줄이고, 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 음극 극판은 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하여 리튬 이온 전지가 높은 에너지 밀도, 1차 쿨롱 효율 및 사이클 수명을 겸비한다.
일부 실시형태에서, 본 발명의 제1 코팅층의 실리콘계 재료는 규소 산소 재료(SiOx로 표시)일 수 있고, 제2 코팅층의 실리콘계 재료는 규소 산소 재료 또는 단일 규소 재료일 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.8 내지 1.2이고, 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.05 내지 0.2이다. 본 발명인은 제1 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비 및 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비를 상기 범위 내로 제어함으로써, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도를 개선하고, 전지의 사이클 수명도 함께 향상시킬 수 있음을 발견하였다.
일부 실시형태에서, 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)과 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2) 간에는 0.8 ≤ A1 : A2 ≤ 1.2를 만족시킨다. 본 발명에서, 특정 코팅층에서 활물질의 가중 그램 용량(A)은 해당 코팅층의 활물질에서 실리콘계 재료의 가역적 리튬 디인터칼레이션 그램 용량 및 다른 활성 성분의 가역적 리튬 디인터칼레이션 그램 용량의 가중값을 나타내며, 가중 그램 용량(A)은 다음 표현식에 의해 계산된다. A = ∑ni × xi이고, 단위는 mAh/g이다. 여기서 xi는 해당 코팅층에서 총 활물질에 대한 i번째 활성 성분의 질량비를 나타내고, ∑xi = 1이며; ni는 해당 코팅층에서 i번째 활성 성분의 가역적 그램 용량을 나타내고, 단위는 mAh/g이다.
본 발명인은 탄소 재료와 실리콘계 재료를 동시에 함유하는 복합 전극 극판의 경우, 실리콘계 재료의 조성이 고정된 조건에서 실리콘계 재료가 차지하는 비율이 높을 수록 가중 그램 용량이 더 높으나, 동일한 하전 상태에서 전극 극판의 반발이 더 크다. 제1 코팅층과 제2 코팅층의 가중 그램 용량 차이가 너무 크면, 전극 극판의 리튬 디인터칼레이션 과정에서, 제1 코팅층과 제2 코팅층이 견디는 팽창 응력 차이가 너무 커 두 코팅층 사이의 계면 상용성이 저하되어 만충전 상태 또는 전지 수명 주기 동안 제1 코팅층과 제2 코팅층이 분리되어 박리되는 상황이 발생할 수 있다. 따라서 제1 코팅층의 일부 활물질은 전도성 네트워크에서 탈리되고 리튬 디인터칼레이션을 수행하지 못할 수 있으며, 이는 국부 영역의 양극과 음극 용량의 비매칭을 야기하여 리튬이 석출되어 리튬 이온 전지의 성능 문제와 안전 문제까지 초래할 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)과 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2)의 비를 상기 범위 내로 제어함으로써, 상이한 용량 감쇠 상태에서, 극판이 리튬 이온을 디인터칼레이션할 때, 제1 코팅층과 제2 코팅층 사이에 양호한 계면 상용성이 유지되고, 두 코팅층 사이의 응력 차이가 작은 범위 내에서 유지되어 리튬 이온 전지의 전체 수명 주기 동안 리튬 이온 전지의 박리 위험을 줄이고, 리튬 이온 전지의 성능과 안전성을 향상시킨다.
일부 실시형태에서, 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)은 500 mAh/g 내지 1000 mAh/g이고, 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2)은 500 mAh/g 내지 1000 mAh/g이다. 어떠한 이론에도 한정되지 않고, 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)과 제2 코팅층의 활물질의 가중 그램 용량(A2)을 상기 범위 내로 상조적으로 제어함으로써, 사이클링 과정에서 음극 극판의 팽창은 적절한 범위 내로 제어되고, 동시에 그램 용량이 높고 사이클 수명 및 에너지 밀도가 양호한 리튬 이온 전지를 얻는다.
일부 실시형태에서, 제1 코팅층에서 실리콘계 재료의 함량은 18 wt% 내지 55 wt%이고, 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 함량은 7 wt% 내지 21 wt%이다. 어떠한 이론에도 한정되지 않고, 제1 코팅층에서 실리콘계 재료의 함량 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 함량을 상기 범위 내로 상조적으로 제어함으로써, 사이클링 과정에서 음극 극판의 팽창은 적절한 범위 내로 제어되고, 동시에 그램 용량이 높고 사이클 수명 및 에너지 밀도가 우수한 리튬 이온 전지를 얻는다.
일부 실시형태에서, 제1 코팅층은 제1 바인더를 포함하고, 제2 코팅층은 제2 바인더를 포함한다. 본 발명에서 제1 바인더와 제2 바인더는 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 코팅층에 제1 바인더를 첨가하고, 제2 코팅층에 제2 바인더를 첨가함으로써, 제1 코팅층과 제2 코팅층의 계면 접착 효과를 향상시키고, 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 박리 위험을 더욱 줄여, 리튬 이온 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 제1 바인더 및 제2 바인더는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한 특별히 한정되지 않는다. 일부 실시형태에서, 제1 바인더 및 제2 바인더는 각각 독립적으로 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트, 알긴산나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 글리콜, 카르복시메틸 키토산 및 스티렌부타디엔 고무 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 제1 바인더 및 제2 바인더는 모두 폴리아크릴레이트계 바인더를 포함하고, 제1 코팅층에서 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 제2 코팅층에서의 함량보다 적다. 본 발명의 음극 극판의 제1 코팅층 및 제2 코팅층이 실리콘계 재료를 포함하고, 제1 바인더 및 제2 바인더가 모두 폴리아크릴레이트계 바인더를 포함하는 경우, 폴리아크릴레이트계 바인더는 실리콘계 재료와 강한 수소 결합을 형성하여 실리콘계 재료의 표면에 효과적으로 코팅됨으로써, 충방전 과정에서 실리콘계 재료의 부피 팽창을 완화시킬 수 있다. 본 발명인은 제1 코팅층에서 실리콘계 재료의 높은 산소 대 규소 몰비로 인해 사이클링 과정에서 리튬 이온 전지의 부피 팽창이 제2 코팅층보다 작음을 발견하였다. 따라서 제1 코팅층에서 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량을 제2 코팅층의 함량보다 적게 제어함으로써 접착 효과를 만족시키는 기초 상에서, 전지의 에너지 밀도를 향상시키고, 부자재 비용을 절감할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 코팅층에서 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 3 wt% 내지 6 wt%이고, 제2 코팅층에서 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 4 wt% 내지 7 wt%이다. 본 발명인은 어떠한 이론에도 한정되지 않고, 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량을 상기 범위 내로 제어함으로써, 접착 효과를 만족시키는 기초 상에서 전지의 에너지 밀도를 효과적으로 향상시키고 부자재 비용을 줄일 수 있음을 발견하였다.
본 발명에서, 실리콘계 재료의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 하기 단계에 의해 제조될 수 있다.
이산화규소 분말과 단일 규소 분말은 비산화성 가스 분위기에서 고온 기상 반응을 통해 얻어지고, 이산화규소 분말과 단일 규소 분말의 비율을 조절하여 얻어진 실리콘계 재료의 산소와 규소 원소의 비율을 조절한다. 본 발명에서 상기 이산화규소 분말 및 단일 규소 분말의 입경은 본 발명의 요건을 만족할 수 있는 한 특별히 한정되지 않는 바, 예를 들어, 이산화규소 분말의 평균 입경은 1 μm 내지 10 μm이고, 단일 규소 분말의 평균 입경은 1 μm 내지 10 μm이다. 본 발명에서 비산화성 가스 분위기는 특별히 한정되지 않는 바, 예를 들어 아르곤 가스 또는 수소 가스 분위기일 수 있다. 본 발명에서 기상 반응의 온도는 본 발명의 요건을 만족시킬 수 있는 한 특별히 한정되지 않는 바, 예를 들어, 온도는 1300℃ 내지 1400℃이다.
일부 실시형태에서, 제조된 규소 산소 재료는 리튬 이온 전지에 사용되기 위하여 추가로 코팅되거나 다른 활물질과 배합될 수 있다.
또한, 본 발명의 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치는 이하에서 도면을 적절히 참조하여 설명한다.
본 발명의 일 실시형태에서는 상기 임의의 실시형태에 따른 음극 극판을 포함하는 이차 전지를 제공한다. 본 발명의 이차 전지는 상기 실시형태에 따른 임의의 리튬 이온 전지를 의미할 수 있다.
일반적으로, 이차 전지는 양극 극판, 음극 극판, 전해질 및 분리막을 포함한다. 전지의 충방전 과정에서 활성 이온은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 반복한다. 전해질은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 분리막은 양극 극판과 음극 극판 사이에 설치되어 주로 양극과 음극 사이의 단락을 방지하는 작용을 하는 동시에 이온을 통과시킬 수 있다.
[양극 극판]
양극 극판은 양극 집전체 및 양극 집전체의 적어도 일면에 설치된 양극 필름층을 포함한다. 예시로서, 양극 집전체는 그 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 양극 필름층은 양극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 또는 둘 모두에 설치된다.
일부 실시형태에서, 상기 양극 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)를 고분자 재료 소지(예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 소지) 상에 형성함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극 활물질은 본 기술분야에 공지된 전지용 양극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 양극 활물질은 올리빈(olivine) 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이금속 산화물 및 이들 각각의 변성 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이들 재료에 한정되지 않으며, 전지용 양극 활물질로서 사용될 수 있는 다른 통상적인 재료도 사용될 수 있다. 이러한 양극 활물질은 단독으로 사용되거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예로는 리튬 코발트 산화물(예를 들어, LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(예를 들어, LiNiO2), 리튬 망간 산화물(예를 들어, LiMnO2, LiMn2O4), 리튬 니켈 코발트 산화물, 리튬 망간 코발트 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(예를 들어, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333으로 약칭할 수도 있음), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523으로 약칭할 수도 있음), LiNiO. 5Co0.25Mn0.25O2(NCM211로 약칭할 수도 있음), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622로 약칭할 수도 있음), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811으로 약칭할 수도 있음), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(예를 들어, LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 이의 변성 화합물 중 하나 이상이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염의 예로는 인산철리튬(예를 들어, LiFePO4(LFP로 약칭할 수도 있음)), 인산철리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간리튬(예를 들어, LiMnPO4), 인산망간리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간철리튬, 인산망간철리튬과 탄소의 복합재료 중 적어도 하나가 포함되나 이에 한정되지 않는다.
일부 실시형태에서, 양극 필름층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 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, 양극 필름층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 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, 양극 극판은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 다른 성분과 같은 양극 극판 제조를 위한 상술한 성분을 용매(예를 들어, N-메틸피롤리돈)에 분산시켜 양극 슬러리를 형성하고, 양극 슬러리를 양극 집전체에 코팅한 후, 건조, 냉간 압착 등의 공정을 거쳐 양극 극판을 얻는 방식을 통해 제조될 수 있다.
[음극 극판]
일부 실시형태에서, 상기 음극 극판의 음극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 호일은 구리 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 베이스층과 고분자 재료 소지의 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)를 고분자 재료 소지(예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 기재) 상에 형성함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 극판은 하기 방식으로 제조될 수 있다. 제1 음극 슬러리 및 제2 음극 슬러리를 제조하고; 먼저 제2 음극 슬러리를 집전체 상에 코팅하여 제2 코팅층을 형성한 후, 제1 음극 슬러리를 제2 코팅층 표면에 코팅하여 제1 코팅층을 형성한다. 또는, 코팅 시 이중층 코팅 장치를 사용하여 제1 음극 슬러리와 제2 음극 슬러리를 집전체 상에 동시에 코팅하고; 건조, 냉간 압착 등 공정을 거쳐 음극 극판을 얻으며, 상기 음극 극판에서 제2 코팅층의 일측은 상기 집전체이고, 제2 코팅층의 타측은 제1 코팅층이다.
[전해질]
전해질은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 본 발명은 전해질의 종류에 대해 구체적으로 한정하지 않는 바, 필요에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 액체, 젤 또는 모두 고체일 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 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 디플루오로옥살레이트 붕산염, 리튬 디옥살레이트 붕산염, 리튬 디플루오로비스옥살레이트 포스페이트 및 리튬 테트라플루오로옥살레이트 포스페이트 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 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 음극 성막 첨가제, 양극 성막 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 더 포함할 수 있다.
[분리막]
일부 실시형태에서, 이차 전지는 분리막을 더 포함할 수 있다. 본 발명은 분리막의 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 있으나 특별히 한정되지 않는다. 분리막이 다층 복합 필름인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있으나 특별히 한정되지 않는다.
일부 실시형태에서, 양극 극판, 음극 극판 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리로 제조될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이차 전지는 외부 포장을 포함할 수 있다. 상기 외부 포장은 상기 전극 어셈블리 및 전해질을 패키징하기 위한 것이다.
일부 실시형태에서, 이차 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 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 숙시네이트 등과 같은 플라스틱일 수 있다.
본 발명은 이차 전지의의 형태에 대해 특별히 한정하지 않는 바, 원기둥형, 사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 2는 하나의 예시적인 사각형 구조의 이차 전지(5)를 도시한다.
일부 실시형태에서, 도 3을 참조하면, 외부 포장은 케이스(51) 및 커버판(53)을 포함할 수 있다. 여기서, 케이스(51)는 바닥판과 바닥판에 연결된 측판을 포함할 수 있고, 바닥판과 측판은 둘러싸여 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통하는 개구를 구비하고, 커버판(53)은 상기 수용 캐비티를 밀폐하기 위해 상기 개구에 씌움 설치될 수 있다. 양극 극판, 음극 극판 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리(52)로 형성될 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 캐비티 내에 패키징된다. 전극 어셈블리(52)에는 전해액이 침윤되어 있다. 이차 전지(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 개수는 하나 이상일 수 있고, 당업자가 구체적인 필요에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 이차 전지는 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함된 리튬 이온 전지의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 구체적인 수는 당업자가 전지 모듈의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 4는 하나의 예시적인 전지 모듈(4)을 도시한다. 도 4를 참조하면, 전지 모듈(4)에서, 다수의 이차 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향에 따라 순차적으로 배열 설치될 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식에 따라 배열될 수도 있다. 또한, 상기 다수의 이차 전지(5)는 체결구에 의해 고정될 수 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 다수의 이차 전지(5)가 수용되는 수용 공간이 있는 케이스를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전지 모듈은 또한 전지 팩으로 조립될 수 있고, 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 구체적인 수는 당업자가 전지 팩의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 5 및 도 6은 하나의 예시적인 전지 팩(10)을 도시한다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 전지 팩(10)은 전지 박스 및 전지 박스에 설치된 다수의 전지 모듈(4)을 포함할 수 있다. 전지 박스는 상부 박스 바디(11) 및 하부 박스 바디(12)를 포함하며, 상부 박스 바디(11)는 하부 박스 바디(12)에 씌움 설치되어, 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 다수의 전지 모듈(4)은 임의의 방식에 따라 전지 박스에 배열될 수 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명에서 제공되는 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩 중 하나 이상을 포함하는 전기 장치를 더 제공한다. 상기 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩은 상기 장치의 전원으로 사용될 수 있으며, 상기 전기 장치의 에너지 저장 유닛으로 사용될 수 있다. 상기 전기 장치는 모바일 장치(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 저장 시스템 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상기 전기 장치는 사용 필요에 따라 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
도 7은 하나의 예시적인 전기 장치를 도시한다. 상기 전기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 상기 전기 장치용 이차 전지의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 요구 사항을 충족시키 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈을 사용할 수 있다.
다른 예로서, 장치는 핸드폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 상기 장치는 통상적으로 가볍고 얇고 가벼운 것이 요구되며, 이차 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 아래에 설명되는 실시예는 예시적인 것으로 본 발명을 해석하기 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 기기는 시중에서 구할 수 있는 통상적인 제품이다.
실시예 1
<양극 극판의 제조>
양극 활물질인 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 도전제인 전도성 카본 블랙 및 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 96 : 2 : 2의 질량비로 혼합한 후, 용매로서 N-메틸피롤리돈(NMP)을 첨가하고, 시스템이 균일해질 때까지 진공 믹서의 작용 하에 교반하여 고형분 함량이 75 wt%인 양극 슬러리를 얻었다. 양극 슬러리를 두께가 12 μm인 알루미늄 호일의 일면에 균일하게 코팅하고, 120℃ 조건에서 건조시킨 후, 냉간 압착하여 양극 활물질층 두께가 60 μm인 양극 극판을 얻은 다음, 탭 성형, 슬리팅 등 공정을 거쳐 양극 극판을 얻었다.
<음극 극판의 제조>
<제1 음극 슬러리의 제조>
제1 음극 활물질, 탄소 재료인 인조흑연, 도전제인 전도성 카본 블랙, 바인더인 폴리아크릴산나트륨을 18 : 77 : 2 : 3의 질량비로 혼합한 후, 용매로서 탈이온수를 첨가하고, 시스템이 균일해질 때까지 진공 믹서의 작용 하에 교반하여 고형분 함량이 50 wt%인 제1 음극 슬러리를 얻었다.
<제2 음극 슬러리의 제조>
제2 음극 활물질, 탄소 재료인 인조흑연, 도전제인 전도성 카본 블랙, 바인더인 폴리아크릴산나트륨을 7 : 87 : 2 : 4의 질량비로 혼합한 후, 용매로서 탈이온수를 첨가하고, 시스템이 균일해질 때까지 진공 믹서의 작용 하에 교반하여 고형분 함량이 50 wt%인 제2 음극 슬러리를 얻었다.
<제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하는 음극 극판의 제조>
이중층 코팅 공정을 이용하여, 제조된 제1 음극 슬러리 및 제2 음극 슬러리를 두께가 8 μm인 구리 호일의 일면에 동시에 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시킨 후, 냉간 압착하여 제1 코팅층 두께 및 제2 코팅층 두께가 각각 25 μm인 음극 극판을 얻은 후, 탭 성형, 슬리팅 등 공정을 거쳐 음극 극판을 얻었다.
<전해액의 제조>
수분 ?t량이 10 ppm 미만인 환경에서 비수계 유기 용매인 에틸렌카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트를 1 : 1 : 1의 부피비로 혼합하여 전해액 용매를 얻은 후, 리튬 염인 LiPF6을 혼합된 용매에 용해시켜 리튬 염 농도가 1 mol/L인 전해액을 조제하였다.
<분리막의 제조>
분리막은 두께가 9 μm인 폴리에틸렌 필름을 선택하고, 사용 전 양극 극판과 음극 극판의 사이즈에 따라 적절한 폭으로 슬리팅하였다.
<리튬 이온 전지의 제조>
상기 양극 극판, 분리막, 음극 극판을 순차적으로 적층하여 분리막을 양극 극판과 음극 극판 사이에 위치시켜 절연 역할을 하도록 한 후, 권취하여 전극 어셈블리를 얻는다. 전극 어셈블리를 외부 포장 케이스에 넣고 건조시킨 후 전해액을 주입하고 진공 패키징, 방치, 화학형성 및 성형 등 공정을 거쳐 리튬 이온 전지를 얻는다.
실시예 2 내지 실시예 11
<음극 극판의 제조>에서, 표 1에 나타낸 바와 같이 제1 음극 슬러리에서 O 원소와 Si 원소의 몰비를 조정하고, 제2 음극 슬러리에서 O 원소와 Si 원소의 몰비를 조정하였으며; 표 2에 나타낸 바와 같이 A1, A2 및 A1 : A2의 값을 조정하고; 표 3에 나타낸 바와 같이 제1 슬러리에서 제1 음극 활물질의 점유율, 제2 슬러리에서 제2 음극 활물질의 점유율, 제1 슬러리에서 바인더의 유형 및 점유율, 제2 슬러리에서 바인더의 유형 및 점유율, 제1 음극 슬러리에서 인조흑연 및 전도성 카본 블랙의 점유율, 제2 음극 슬러리에서 인조흑연 및 전도성 카본 블랙의 점유율을 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
실시예 12
<양극 극판의 제조> 및 <음극 극판의 제조>에서, 양극 활물질층 및 음극 활물질층에 각각 양면 코팅 공정을 적용하였는 바, 즉 양극 집전체 및 음극 집전체의 양측에 모두 활물질층을 설치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다. 여기서, 음극 집전체 양측의 활물질층은 각각 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함한다.
비교예 1
<음극 극판의 제조>가 실시예 2와 다른 것을 제외하고 나머지는 실시예 2와 동일하다.
<음극 극판의 제조>
실시예 2의 제1 음극 슬러리와 제2 음극 슬러리를 1 : 1의 질량비로 혼합하여 혼합 슬러리를 얻은 후, 두께가 8 μm인 구리 호일의 일면에 혼합 슬러리를 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시킨 후, 냉간 압착하여 음극 활물질층의 두께가 50 μm인 음극 극판을 얻은 다음, 탭 성형, 슬리팅 등 공정을 거쳐 음극 극판을 얻었다.
비교예 2 내지 비교예 6
<음극 극판의 제조>에서, 표 1에 나타낸 바와 같이 제1 음극 슬러리에서 O 원소와 Si 원소의 몰비를 조정하고, 제2 음극 슬러리에서 O 원소와 Si 원소의 몰비를 조정하였으며; 표 2에 나타낸 바와 같이 A1, A2 및 A1 : A2의 값을 조정하고; 표 3에 나타낸 바와 같이 제1 슬러리에서 제1 음극 활물질의 점유율, 제2 슬러리에서 제2 음극 활물질의 점유율, 제1 슬러리에서 바인더의 유형 및 점유율, 제2 슬러리에서 바인더의 유형 및 점유율, 제1 음극 슬러리에서 인조흑연 및 전도성 카본 블랙의 점유율, 제2 음극 슬러리에서 인조흑연 및 전도성 카본 블랙의 점유율을 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
상기 실시예 1 내지 12, 비교예 1 내지 6의 관련 파라미터를 하기 표 1 내지 표 3에 나타내었다. 여기서, 제1 음극 슬러리에서 O 원소와 Si 원소의 몰비, 제2 음극 슬러리에서 O 원소와 Si 원소의 몰비는 표 1에 나타낸 바와 같고; A1, A2 및 A1 : A2의 값은 표 2에 나타낸 바와 같다. 제1 슬러리에서 제1 음극 활물질의 점유율, 제2 슬러리에서 제2 음극 활물질의 점유율, 제1 슬러리에서 바인더의 유형 및 점유율, 제2 슬러리에서 바인더의 유형 및 점유율, 제1 음극 슬러리에서 인조흑연 및 전도성 카본 블랙의 점유율, 제2 음극 슬러리에서 인조흑연 및 전도성 카본 블랙의 점유율은 표 3에 나타낸 바와 같다.
[표 1] 실시예 1 내지 12, 비교예 1 내지 6의 관련 파라미터
제1 음극 슬러리 제2 음극 슬러리 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 존재 여부
제1 음극 활물질의 O : Si 비율 제2 음극 활물질의 O : Si 비율
실시예 1 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 2 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 3 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 4 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 5 1.5 : 1 0.3 : 1 예
실시예 6 0.5 : 1 0.05 : 1 예
실시예 7 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 8 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 9 1 : 1 0 : 1(단일 규소) 예
실시예 10 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 11 1 : 1 0.1 : 1 예
실시예 12 1 : 1 0.1 : 1 예
비교예 1 1 : 1 0.1 : 1 아니오
비교예 2 1 : 1 1 : 1 예
비교예 3 0.1 : 1 1 : 1 예
비교예 4 1.85 : 1 0.1 : 1 예
비교예 5 1 : 1 0.1 : 1 예
비교예 6 1 : 1 0.1 : 1 예
[표 2] 실시예 1 내지 12, 비교예 1 내지 6의 관련 파라미터
A1 : A2 A1(mAh/g) A2(mAh/g)
실시예 1 1.01 549 546
실시예 2 1.01 605 601
실시예 3 1.01 860 853
실시예 4 1.02 964 941
실시예 5 1.02 565 553
실시예 6 1.03 690 672
실시예 7 0.81 605 743
실시예 8 1.20 686 574
실시예 9 1.00 605 602
실시예 10 1.01 605 601
실시예 11 1.02 607 598
실시예 12 1.01 549 546
비교예 1 1.01 605 601
비교예 2 1.00 605 605
비교예 3 0.99 601 605
비교예 4 0.99 460 467
비교예 5 0.64 549 853
비교예 6 1.58 860 546
[표 3] 실시예 1 내지 12, 비교예 1 내지 6의 관련 파라미터
Figure pct00001
Figure pct00002
또한, 상기 실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 6에서 제조된 리튬 이온 전지, 및 상기 실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 6의 음극 활물질을 이용하여 제조된 버튼형 전지에 대해 성능 테스트를 수행하였다. 테스트 결과는 하기 표 4에 나타낸 바와 같다.
에너지 밀도 테스트:
테스트 온도는 25℃이고, 각 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지를 먼저 0.33C 레이트의 정전류로 4.25V까지 충전한 후, 정전압에서 0.05C까지 충전하고, 5분 동안 방치한 후 0.33C에서 2.8V까지 방전시켰다. 방전 에너지를 기록한 후, 다음 공식 에너지 밀도(Wh/kg) ＝ 방전 에너지(Wh)/전기 화학 장치 중량(kg)에 따라 0.33C에서 방전 에너지 밀도를 계산하였다.
사이클 수명 테스트:
테스트 온도는 25℃이고, 각 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지를 0.33C의 정전류로 4.25V까지 충전한 후, 정전압에서 0.05C까지 충전하고, 10분 동안 방치한 후 0.33C에서 2.8V까지 방전시켰다. 이러한 단계에서 얻은 용량은 초기 용량이고, 0.33C의 정전류로 4.25V까지 충전하고, 4.25V의 정전압에서 0.05C로 충전하였으며, 0.33C에서 2.8V까지 방전시켜 사이클 테스트를 수행하였다. 초기 용량에 대한 각 단계의 용량의 비율을 취하여 용량 감쇠 곡선을 얻었다. 전지의 사이클 수명은 용량 유지율이 80%가 될 때 25℃에서 사이클 수로 기록하였다.
첫번째 충방전 효율 테스트:
각 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지에 대해 Neware CT-4000 파워 전지 검출 시스템으로 충방전 테스트를 수행하고, 리튬 이온 전지의 첫 번째 충방전 효율을 계산하였다.
첫 번째 효율 계산 방식은 (C1/C2) × 100%이고, 여기서, C1은 첫 번째 충전 시 리튬 이온 전지의 용량이며, 충전 프로세스는 4.25V 전압까지0.33 C 정전류로 충전한 후, 4.25V 정전압으로 0.05C까지 충전하였다. C2는 전술한 프로세스에 따라 리튬 이온 전지를 처음 충전한 후, 전압이 2.8V에 대응되는 용량이 될 때까지 0.33 C로 방전하였다.
가중 그램 용량 테스트:
실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 6에서 음극 극판의 상이한 코팅층의 가중 그램 용량은 하기 방식으로 얻는다.
음극 활물질(예를 들어, 실리콘계 재료, 인조흑연 재료)과 도전제인 전도성 카본 블랙 및 바인더인 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드)를 80 : 10 : 10의 비율로 혼합하고, 탈이온수를 첨가한 후 교반하여 고형분 함량이 50 wt%인 슬러리를 형성하고, 스크레이퍼를 이용하여 집전체 표면에 50 μm 두께의 코팅층을 코팅하였다. 85℃ 조건에서 12시간 동안 진공 건조 오븐에서 건조시킨 후, 펀칭기를 이용하여 건조 환경에서 직경이 1 cm인 원형 극판로 절단하였다. 글로브 박스에서 금속 리튬 극판을 상대 전극으로 사용하였으며, 분리막으로서 PE(폴리에틸렌) 복합 필름을 선택하고, 전해액을 첨가하여 버튼형 전지로 조립한 후, 테스트된 상기 활성 성분의 가역적 그램 용량은 충방전 테스트 방법을 통해 계산하였다. 제1 코팅층 또는 제2 코팅층의 활물질의 가중 그램 용량은 다음의 표현식 A = x1 × n1 + x2 × n2(mAh/g)에 의해 계산된다. 여기서, x1 및 x2는 각각 활물질에서 실리콘계 재료와 탄소 재료의 질량비이고, x1 + x2 = 1이며, n1은 실리콘계 재료의 가역적 그램 용량을 나타내고, 단위는 mAh/g이며, n2는 인조흑연 재료의 가역적 그램 용량을 나타내고, 단위는 mAh/g이다.
표 4: 실시예 1 내지 12와 비교예 1 내지 6의 성능 테스트 결과
첫 번째 충방전 효율 에너지 밀도(Wh/kg) 사이클 수명(사이클)
실시예 1 90% 280 1300
실시예 2 88% 300 1000
실시예 3 86% 330 700
실시예 4 84% 360 550
실시예 5 83% 270 1400
실시예 6 89% 320 850
실시예 7 88% 300 900
실시예 8 88% 300 950
실시예 9 90% 305 950
실시예 10 88% 300 850
실시예 11 88% 300 900
실시예 12 90% 285 1300
비교예 1 88% 300 550
비교예 2 72% 250 1050
비교예 3 88% 300 200
비교예 4 76% 250 1200
비교예 5 87% 300 600
비교예 6 85% 300 550
상기 결과에 따르면, 실시예 1 내지 12의 리튬 이온 전지의 음극 극판은 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 포함하는 바, 즉 다층 구조를 구비한다. 여기서 제2 코팅층의 일측은 집전체이며, 제2 코팅층의 타측은 상기 제1 코팅층이다. 제1 코팅층 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 본 발명의 범위 내에 있고, 리튬 이온 전지는 에너지 밀도 및 1차 쿨롱 효율이 우수함과 동시에 사이클 수명도 양호함을 알 수 있다.
실시예 1 내지 4로부터, 음극 극판의 각 코팅층의 실리콘계 재료의 산소와 규소 원소 비율을 결정한 후, 음극 극판에서 실리콘계 재료의 함량이 증가함에 따라 음극 극판의 가중 그램 용량이 향상되고, 나아가 리튬 이온 전지의 에너지 밀도가 향상됨을 보아낼 수 있다.
실시예 2, 5, 6, 9로부터, 음극 극판의 각 코팅층에서 실리콘계 재료의 점유율이 상대적으로 고정된 경우, 제1 코팅층 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 산소와 규소 원소의 몰비가 증가함에 따라 리튬 이온 전지의 사이클 수명이 향상되고, 에너지 밀도와 1차 쿨롱 효율이 감소하는 추세를 보였으나 감소는 분명하지 않음을 보아낼 수 있다.
실시예 1 내지 12로부터, 또한 각 코팅층에서 실리콘계 재료의 점유율을 제어함으로써, 제1 코팅층의 가중 그램 용량(A1)과 제2 코팅층의 가중 그램 용량(A2)의 비율 A1 : A2가 본 발명의 범위 내에 있을 때, 리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 높은 1차 쿨롱 효율 및 긴 사이클 수명을 겸비함을 보아낼 수 있다.
실시예 1 내지 9 및 11 내지 12로부터, 또한 제1 코팅층 및 제2 코팅층이 모두 폴리아크릴레이트계 바인더(예를 들어, 폴리아크릴산나트륨)를 사용하는 경우, 상기 제1 코팅층에서 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량이 상기 제2 코팅층에서의 함량보다 적으면, 리튬 이온 전지는 사이클 수명이 보다 우수함을 보아낼 수 있다.
제1 코팅층, 제2 코팅층에서 바인더의 종류와 함량은 일반적으로 리튬 이온 전지의 성능에도 영향을 미친다. 실시예 1 내지 12로부터, 바인더의 종류와 함량이 본 발명의 범위 내에 있는 한 에너지 밀도와 1차 쿨롱 효율이 우수함과 동시에 사이클 수명도 양호한 리튬 이온 전지를 얻을 수 있음을 보아낼 수 있다.
이와 비교하여, 비교예 1의 음극 극판은 실시예 2의 제1 코팅층의 슬러리 및 제2 활성 코팅층의 슬러리를 균일하게 혼합한 후 코팅하여 얻은 것으로, 이러한 음극 극판의 실리콘계 재료의 유형 및 조성은 집전체에 수직인 방향에서 모두 동일하며, 따라서 비교예 1의 에너지 밀도 및 1차 쿨롱 효율은 기본적으로 실시예 2와 동일하다. 그러나 본 발명의 이중 코팅층 구조를 구비하지 않으므로, 리튬 이온 전지는 사이클링 과정에서 집전체에 가까운 표면의 산소와 규소 원소 비율이 0.1 : 1인 실리콘계 재료(즉, 제2 음극 활물질)의 가역적 용량이 급속히 감쇠되어 비교예 1의 리튬 이온 전지의 사이클 수명이 550 사이클에 불과하고, 사이클 수명이 효과적으로 향상되지 않아 리튬 이온 전지 수명에 대한 많은 응용 시나리오의 요구 사항을 만족시키기 어렵다.
비교예 2에서 사용된 제1 코팅층 및 제2 코팅층에서 실리콘계 재료의 산소와 규소 원소 몰비는 모두 1 : 1이며, 얻어진 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율은 72%로 감소하고, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 250 Wh/kg에 불과하며, 이는 음극에 실리콘계 재료를 사용하지 않는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도 측면에서 큰 우세가 없으므로 높은 에너지 밀도에 대한 시나리오의 요구 사항을 만족시키기 어렵다.
비교예 3의 음극 극판에 사용된 제1 코팅층 및 제2 코팅층의 산소와 규소 원소 몰비는 실시예 2와 반대이고, 얻어진 리튬 이온 전지의 가역적 용량이 사이클링 과정에서 급격히 감쇠되며, 리튬 이온 전지의 사이클 수명은 200 사이클에 불과하여 사이클 수명이 효과적으로 향상되지 않아 리튬 이온 전지 수명에 대한 많은 응용 시나리오의 요구 사항을 만족시키기 어렵다.
비교예 4에 사용된 제1 코팅층에서 실리콘계 재료의 산소와 규소 원소 비율은 1.85 : 1이고, 얻어진 리튬 이온 전지의 1차 쿨롱 효율이 극히 낮으며, 전지의 에너지 밀도는 250 Wh/kg에 불과하고, 실리콘계 재료를 사용하지 않은 리튬 이온 전지와 비교하여 아무런 우세가 없으므로 높은 에너지 밀도에 대한 시나리오의 요구 사항을 만족시키기 어렵다.
비교예 5, 6에서 음극 극판의 제1 코팅층의 가중 그램 용량(A1)과 제2 코팅층의 가중 그램 용량(A2)의 비는 본 발명의 범위를 벗어나 리튬 이온 전지의 사이클 수명이 감소된다. 이는 비교예 5, 6의 리튬 이온 전지의 리튬 디인터칼레이션 과정에서 제1 코팅층과 제2 코팅층의 팽창 응력 차이가 크기 때문일 수 있으며, 제1 코팅층과 제2 코팅층 사이의 계면 상용성이 열등하고 심지어 제1 코팅층의 일부 영역이 제2 코팅층에서 탈리되어 사이클링 과정에서 제1 코팅층의 일부 활물질이 전도성 네트워크에서 탈리될 수 있어 리튬 이온 전지의 사이클 수명에 영향을 미친다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않음에 유의해야 한다. 상술한 실시형태는 예시일 뿐이며, 본 발명의 기술적 해결방안 범위 내에서 기술적 사상과 동일한 구성을 갖고 동일한 작용 및 효과를 발휘하는 실시형태는 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자가 착상할 수 있는 다양한 변형을 실시형태로 가할 수 있고, 실시형태의 구성 요소 중 일부를 조합하여 구성된 다른 형태도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
1: 제1 코팅층
2: 제2 코팅층
3: 집전체
4: 전지 모듈
5: 이차 전지
10: 전지 팩
11: 상부 박스 바디
12: 하부 박스 바디
51: 케이스
52: 전극 어셈블리
53: 커버판.

Claims (13)

  1. 음극 극판으로서,
    제1 코팅층, 제2 코팅층 및 집전체를 포함하고, 상기 제2 코팅층의 일측은 상기 집전체이며, 상기 제2 코팅층의 타측은 상기 제1 코팅층이고, 상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은 실리콘계 재료를 포함하며, 상기 제1 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.5 내지 1.5이고, 상기 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.3이하인 음극 극판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코팅층의 실리콘계 재료의 O 원소와 Si 원소의 몰비는 0.05 내지 0.2인 음극 극판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)과 상기 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2) 간에는 0.8 ≤ A1 : A2 ≤ 1.2를 만족시키는 음극 극판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A1)은 500 mAh/g 내지 1000 mAh/g이고, 상기 제2 코팅층 활물질의 가중 그램 용량(A2)은 500 mAh/g 내지 1000 mAh/g인 음극 극판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 코팅층에서 상기 실리콘계 재료의 함량은 18 wt% 내지 55 wt%이고, 상기 제2 코팅층에서 상기 실리콘계 재료의 함량은 7 wt% 내지 21 wt%인 음극 극판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 코팅층은 제1 바인더를 포함하고, 상기 제2 코팅층은 제2 바인더를 포함하는 음극 극판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 바인더 및 상기 제2 바인더는 각각 독립적으로 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트, 알긴산나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 글리콜, 카르복시메틸 키토산 및 스티렌부타디엔 고무 중 적어도 하나를 포함하는 음극 극판.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 바인더 및 상기 제2 바인더는 모두 폴리아크릴레이트계 바인더를 포함하고, 상기 제1 코팅층에서 상기 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 상기 제2 코팅층에서의 함량보다 적은 음극 극판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 코팅층에서 상기 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 3 wt% 내지 6 wt%이고, 상기 제2 코팅층에서 상기 폴리아크릴레이트계 바인더의 함량은 4 wt% 내지 7 wt%인 음극 극판.
  10. 이차 전지로서,
    제 1항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 음극 극판을 포함하는 이차 전지.
  11. 전지 모듈로서,
    제10항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
  12. 전지 팩으로서,
    제11항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  13. 전기 장치로서,
    제10항에 따른 이차 전지, 제11항에 따른 전지 모듈 또는 제12항에 따른 전지 팩으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기 장치.
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KR101020909B1 (ko) * 2006-01-25 2011-03-09 파나소닉 주식회사 리튬 이차전지용 음극 및 그 제조 방법, 및 리튬이차전지용 음극을 구비한 리튬 이차전지
US7964307B2 (en) * 2006-07-24 2011-06-21 Panasonic Corporation Negative electrode for lithium ion secondary battery, method for producing the same, and lithium ion secondary battery
JP4460642B2 (ja) * 2007-03-13 2010-05-12 パナソニック株式会社 リチウム二次電池用負極およびその製造方法、ならびにリチウム二次電池用負極を備えたリチウム二次電池
JP2016181331A (ja) * 2015-03-23 2016-10-13 株式会社東芝 非水電解質二次電池用負極およびそれを備えた非水電解質二次電池
CN108550857A (zh) * 2018-03-15 2018-09-18 桑顿新能源科技有限公司 一种具有梯度硅含量的负极片及锂电池
CN109888266A (zh) * 2019-02-28 2019-06-14 东莞塔菲尔新能源科技有限公司 一种硅基负极片及其制备方法和锂离子电池
CN111640913B (zh) * 2019-03-01 2021-08-06 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极片及二次电池
CN109888246B (zh) * 2019-03-25 2022-03-11 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种具有梯度结构的氧化亚硅复合负极材料及其制备方法和应用
CN111261834A (zh) * 2020-03-25 2020-06-09 宁德新能源科技有限公司 负极极片、电化学装置和电子装置
CN111916673A (zh) * 2020-08-04 2020-11-10 珠海冠宇电池股份有限公司 一种负极片及制备方法、电池
CN112290000B (zh) * 2020-10-30 2022-02-15 华中科技大学 硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用

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