KR20230087039A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들에 따르는 리튬 이차 전지는 케이스, 및 케이스 내에 수용된 전극 조립체를 포함한다. 전극 조립체는 리튬 인산철(LiFePO4)을 포함하는 제1 양극 활물질층 및 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 양극 활물질층을 포함하는 양극들, 및 양극들 중 적어도 하나와 대향하는 음극들을 포함하고, 전극 조립체 내 포함된 양극들의 총 개수 대비 제1 양극 활물질층이 포함된 양극의 개수의 비율은 30 % 이상이다. 리튬 인산철이 리튬-전이금속 복합 산화물에서 발생하는 열을 흡수/차단하여 열 폭주 및 열 전파 현상을 억제할 수 있다.Lithium secondary batteries according to embodiments of the present invention include a case and an electrode assembly accommodated in the case. The electrode assembly includes positive electrodes including a first positive active material layer including lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) and a second positive active material layer including a lithium-transition metal composite oxide, and negative electrodes facing at least one of the positive electrodes. and the ratio of the number of positive electrodes including the first positive electrode active material layer to the total number of positive electrodes included in the electrode assembly is 30% or more. Lithium iron phosphate absorbs/blocks heat generated from the lithium-transition metal composite oxide to suppress thermal runaway and heat propagation.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery. More specifically, it relates to a lithium secondary battery including an electrode assembly.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다. A secondary battery is a battery capable of repeating charging and discharging, and is widely used as a power source for portable electronic communication devices such as camcorders, mobile phones, and notebook PCs with the development of information communication and display industries. In addition, recently, a battery pack including a secondary battery has been developed and applied as a power source for eco-friendly vehicles such as hybrid vehicles.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되고 있다.Secondary batteries include, for example, lithium secondary batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, etc. Among them, lithium secondary batteries have high operating voltage and energy density per unit weight, and are advantageous in charging speed and weight reduction. It is being actively developed and applied in this regard.
예를 들면, 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)을 포함하는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.For example, a lithium secondary battery may include an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator (separator), and an electrolyte impregnating the electrode assembly. The lithium secondary battery may further include, for example, a pouch-shaped exterior material for accommodating the electrode assembly and the electrolyte.
예를 들면, 리튬 이차 전지는 외부 충격 또는 내부 결함에 의해 열 폭주(thermal runaway) 또는 열 전파(thermal propagation) 현상이 발생할 수 있다. 이 경우, 리튬 이차 전지가 급속도로 가열되어 폭발 또는 발화할 수 있다.For example, a lithium secondary battery may experience thermal runaway or thermal propagation due to an external impact or an internal defect. In this case, the lithium secondary battery is rapidly heated and may explode or ignite.
또한, 고용량, 고출력 리튬 이차 전지의 구현을 위해 복수의 전지 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화되어 제조될 수 있다. 이 경우, 상술한 열 폭주 또는 열 전파의 속도가 증가하여 구동 안정성이 저하될 수 있다.In addition, in order to implement a high-capacity, high-output lithium secondary battery, a plurality of battery cells may be connected in series or parallel to be modularized and manufactured. In this case, the above-described thermal runaway or thermal propagation speed may be increased, and driving stability may be deteriorated.
따라서, 제한된 공간 안에서 고용량, 고출력 특성을 구현하면서도 구동 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 리튬 이차 전지의 개발이 요구된다.Therefore, there is a need to develop a lithium secondary battery capable of ensuring driving stability and reliability while implementing high capacity and high output characteristics within a limited space.
예를 들면, 한국공개특허 제2017-0099748호의 경우 리튬 이차 전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 개시하고 있다.For example, Korean Patent Publication No. 2017-0099748 discloses an electrode assembly for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same.
본 발명의 일 과제는 우수한 동작 안정성 및 신뢰성을 갖는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having excellent operational stability and reliability.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르는 리튬 이차 전지는 케이스, 및 상기 케이스 내에 수용된 전극 조립체를 포함한다. 상기 전극 조립체는 리튬 인산철(LiFePO4)을 포함하는 제1 양극 활물질층 및 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 양극 활물질층을 포함하는 양극들, 및 상기 양극들 중 적어도 하나와 대향하는 음극들을 포함하고, 상기 전극 조립체 내 포함된 상기 양극들의 총 개수 대비 상기 제1 양극 활물질층이 포함된 양극의 개수의 비율은 30 % 이상이다.A lithium secondary battery according to exemplary embodiments of the present invention includes a case and an electrode assembly accommodated in the case. The electrode assembly includes positive electrodes including a first positive electrode active material layer including lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) and a second positive electrode active material layer including a lithium-transition metal composite oxide, and a surface facing at least one of the positive electrodes. Including negative electrodes, the ratio of the number of positive electrodes including the first positive electrode active material layer to the total number of positive electrodes included in the electrode assembly is 30% or more.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극들은 제1 양극 집전체, 상기 제1 양극 집전체의 일 면 상에 형성된 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제1 양극 집전체의 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 형성된 상기 제2 양극 활물질층을 포함하는 제1 양극을 포함할 수 있다.In some embodiments, the positive electrodes include a first positive electrode current collector, the first positive electrode active material layer formed on one surface of the first positive electrode current collector, and the other surface facing the one surface of the first positive electrode current collector. It may include a first cathode including the second cathode active material layer formed thereon.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극들은 제1 양극 집전체, 및 상기 제1 양극 집전체의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 형성된 상기 제1 양극 활물질층을 포함하는 제1 양극을 포함할 수 있다.In some embodiments, the positive electrodes include a first positive electrode current collector and the first positive electrode active material layer formed on one surface of the first positive electrode current collector and the other surface opposite to the first positive electrode current collector. It may contain an anode.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 양극은 상기 제1 양극 활물질층 상에 형성된 상기 제2 양극 활물질층을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the first cathode may further include the second cathode active material layer formed on the first cathode active material layer.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 양극은 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층 사이에 배치된 단열 필름을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the first cathode may further include a heat insulating film disposed between the first cathode active material layer and the second cathode active material layer.
일부 실시예들에 있어서, 상기 단열 필름은 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments, the insulating film may include at least one of polyurethane, polystyrene, polyethylene, and polyester.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 조립체의 최외곽 양극은 상기 제1 양극일 수 있다.In some embodiments, the outermost anode of the electrode assembly may be the first anode.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극들 중 상기 전극 조립체의 최외곽으로부터 순차적으로 배치된 3 내지 5개의 양극은 상기 제1 양극일 수 있다.In some embodiments, 3 to 5 positive electrodes sequentially disposed from the outermost periphery of the electrode assembly among the positive electrodes may be the first positive electrode.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극들은 제2 양극 집전체, 및 상기 제2 양극 집전체의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 형성된 상기 제2 양극 활물질층을 포함하는 제2 양극을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the positive electrodes include a second positive electrode current collector and a second positive electrode active material layer formed on one surface of the second positive electrode current collector and the other surface opposite to the second positive electrode current collector. An anode may be further included.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 양극 및 상기 제2 양극은 상기 전극 조립체의 두께 방향으로 교대로, 반복적으로 배열될 수 있다.In some embodiments, the first positive electrode and the second positive electrode may be alternately and repeatedly arranged in a thickness direction of the electrode assembly.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 양극 활물질층은 상기 리튬 인산철 및 상기 리튬-전이금속 복합 산화물을 함께 포함할 수 있다.In some embodiments, the first positive electrode active material layer may include both the lithium iron phosphate and the lithium-transition metal composite oxide.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 양극 활물질층은 상기 제1 양극 활물질층의 일면으로부터 타면까지 상기 리튬 인산철의 농도 및 상기 리튬-전이금속 복합 산화물의 농도가 점진적으로 변화하는 농도 경사 영역을 포함할 수 있다.In some embodiments, the first positive electrode active material layer includes a concentration gradient region in which the concentration of the lithium iron phosphate and the concentration of the lithium-transition metal composite oxide gradually change from one surface to the other surface of the first positive electrode active material layer. can include
상기 제1 양극 활물질층이 상기 리튬 인산철 및 상기 리튬-전이금속 복합 산화물을 함께 포함하는 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 양극 활물질층의 총 중량 대비 상기 리튬 인산철의 함량은 50 중량% 이상일 수 있다.In some embodiments in which the first positive electrode active material layer includes both the lithium iron phosphate and the lithium-transition metal composite oxide, the content of the lithium iron phosphate is 50% by weight relative to the total weight of the first positive electrode active material layer. may be ideal
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 조립체 내의 상기 양극들의 두께의 합에 대한 상기 제1 양극 활물질층의 두께의 합은 30 % 이상일 수 있다.In some embodiments, the sum of the thicknesses of the first positive electrode active material layer to the sum of the thicknesses of the positive electrodes in the electrode assembly may be 30% or more.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 조립체 내의 상기 제1 양극 활물질층의 총 중량 대비 상기 리튬 인산철의 함량은 50 중량% 이상일 수 있다.In some embodiments, the content of the lithium iron phosphate relative to the total weight of the first positive electrode active material layer in the electrode assembly may be 50% by weight or more.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극 중 적어도 일부는 리튬 인산철(LiFePO4, LFP)을 포함할 수 있다. 이 경우, 리튬 인산철이 리튬-전이금속 복합 산화물에서 발생하는 열을 흡수/차단하여 열 폭주 및 열 전파 현상을 억제할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 구동 안정성 및 신뢰성이 개선될 수 있다.In example embodiments, at least a portion of the positive electrode may include lithium iron phosphate (LiFePO 4 , LFP). In this case, the lithium iron phosphate can absorb/intercept heat generated from the lithium-transition metal composite oxide to suppress thermal runaway and heat propagation. Accordingly, driving stability and reliability of the lithium secondary battery may be improved.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극들의 총 개수 대비 리튬 인산철을 포함하는 양극의 개수는 30 % 이상일 수 있고, 바람직하게는 40 내지 70 %일 수 있다. 이 경우, 상술한 열 폭주 또는 열 전파 현상을 충분히 억제할 수 있고, 리튬-전이금속 복합 산화물이 적절한 양으로 양극에 포함될 수 있다. 이에 따라, 열 안정성이 향상되면서도 고에너지밀도 및 용량 특성을 갖는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.In exemplary embodiments, the number of positive electrodes containing lithium iron phosphate relative to the total number of positive electrodes may be 30% or more, preferably 40 to 70%. In this case, the aforementioned thermal runaway or thermal propagation phenomenon can be sufficiently suppressed, and an appropriate amount of the lithium-transition metal composite oxide can be included in the positive electrode. Accordingly, it is possible to implement a lithium secondary battery having high energy density and capacity characteristics while improving thermal stability.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극에는 단열 필름이 더 배치될 수 있다. 이 경우, 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 양극에서 발생한 열의 전달을 더욱 억제할 수 있다. 또한, 전자 전도성이 증가하여 이차 전지의 출력 특성이 개선될 수 있다.In some embodiments, an insulating film may be further disposed on the anode. In this case, the transfer of heat generated from the positive electrode including the lithium-transition metal composite oxide can be further suppressed. Also, the output characteristics of the secondary battery may be improved by increasing the electronic conductivity.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 제1 양극을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 제1 양극을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 제2 양극을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.1 is a schematic plan view illustrating a lithium secondary battery according to example embodiments.
2 to 4 are schematic cross-sectional views illustrating a first anode according to example embodiments.
5 is a schematic cross-sectional view illustrating a lithium secondary battery according to example embodiments.
6 is a schematic cross-sectional view illustrating a first anode according to example embodiments.
7 is a schematic cross-sectional view illustrating a second anode according to example embodiments.
8 and 9 are schematic cross-sectional views illustrating secondary lithium batteries according to exemplary embodiments.
본 발명의 실시예들은 양극들 및 음극들을 포함하는 전극 조립체를 포함하며, 구동 안정성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공한다.Embodiments of the present invention provide a lithium secondary battery including an electrode assembly including positive electrodes and negative electrodes and having improved driving stability.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, this is merely an example and the present invention is not limited to the specific embodiments described as examples.
본 출원에서 사용된 용어 "상면", "저면" "최상부" "최하부" "최외곽" 등의 용어는 절대적인 위치를 지정하는 것이 아니라 상이한 구성들을 구분하거나, 구성 간의 상대적 위치를 구별하기 위해 사용된다.Terms such as "top", "bottom", "top", "bottom" and "outermost" used in this application do not designate absolute locations, but are used to distinguish different components or to distinguish relative positions between components. .
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다. 설명의 편의를 위해, 도 1에서 양극 및 음극의 도시는 생략되었다.1 is a schematic plan view illustrating a lithium secondary battery according to example embodiments. For convenience of description, the positive electrode and the negative electrode are omitted in FIG. 1 .
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 케이스(160) 및 케이스(160) 내에 수용된 전극 조립체(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a lithium secondary battery may include a
상기 전극 조립체(150)는 양극들 및 양극들 중 적어도 하나와 대향하는 음극들을 포함할 수 있다. 전극 조립체(150)는 예를 들면, 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 함침될 수 있다.The
예를 들면, 상기 양극들은 리튬 인산철(LiFePO4, LFP)을 포함하는 제1 양극 활물질층 및 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 양극 활물질층을 포함할 수 있다.For example, the positive electrodes may include a first positive active material layer including lithium iron phosphate (LiFePO 4 , LFP) and a second positive active material layer including a lithium-transition metal composite oxide.
예를 들면, 제1 양극 활물질층은 리튬 인산철을 양극 활물질로 포함하는 양극 활물질층을 의미할 수 있다.For example, the first positive electrode active material layer may refer to a positive electrode active material layer including lithium iron phosphate as a positive electrode active material.
예를 들면, 제2 양극 활물질층은 리튬-전이금속 복합 산화물을 양극 활물질로 포함하는 양극 활물질층을 의미할 수 있다.For example, the second cathode active material layer may refer to a cathode active material layer including a lithium-transition metal composite oxide as a cathode active material.
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 제1 양극을 나타내는 개략적인 단면도들이다.2 to 4 are schematic cross-sectional views illustrating a first anode according to example embodiments.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 양극(110)은 제1 양극 집전체(115) 및 제1 양극 집전체(115)의 적어도 일 면 상에 형성된 제1 양극 활물질층(112)을 포함할 수 있다.2 to 4 , the first
예를 들면, 리튬 이차 전지는 에너지밀도 및 용량 특성을 고려하여 양극 활물질로서 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함할 수 있다.For example, a lithium secondary battery may include a lithium-transition metal composite oxide as a cathode active material in consideration of energy density and capacity characteristics.
예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물은 니켈(Ni)을 포함하며, 코발트(Co) 또는 망간(Mn) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.For example, the lithium-transition metal composite oxide includes nickel (Ni) and may further include at least one of cobalt (Co) and manganese (Mn).
예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.For example, the lithium-transition metal composite oxide may be represented by Chemical Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
LiaNixM1-xO2+y Li a Ni x M 1-x O 2+y
화학식 1에서 0.9≤a≤1.2, 0.5≤x≤0.99, -0.1≤y≤0.1일 수 있다. M은 Na, Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, Al, Ga, C, Si, Sn, Ba 또는 Zr로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낼 수 있다.In Formula 1, it may be 0.9≤a≤1.2, 0.5≤x≤0.99, -0.1≤y≤0.1. M is Na, Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, Al, Ga, C, Si, At least one element selected from Sn, Ba or Zr can be represented.
바람직한 일 실시예에 있어서, 화학식 1에서 Ni의 몰비 또는 농도 x는 0.8 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.8을 초과할 수 있다.In a preferred embodiment, the molar ratio or concentration x of Ni in Chemical Formula 1 may be greater than or equal to 0.8, more preferably greater than or equal to 0.8.
Ni은 리튬 이차 전지의 출력 및 용량에 연관된 전이 금속으로 제공될 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 High-Ni 조성을 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자에 채용함에 따라, 고출력 양극 및 고출력 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.Ni may serve as a transition metal related to the output and capacity of a lithium secondary battery. Therefore, as described above, by employing the High-Ni composition in the lithium-transition metal composite oxide particle, a high-output cathode and a high-output lithium secondary battery can be provided.
Ni의 함량이 증가됨에 따라, 상대적으로 양극 또는 이차 전지의 고온에서의 장기 보존 안정성, 수명 안정성이 저하될 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예들에 따르면 Co를 포함시켜 전기 전도성을 유지하면서, Mn을 통해 수명 안정성, 용량 유지 특성을 향상시킬 수 있다.As the content of Ni increases, long-term storage stability and lifetime stability of the positive electrode or secondary battery at high temperatures may be relatively deteriorated. However, according to exemplary embodiments, life stability and capacity retention characteristics may be improved through Mn while maintaining electrical conductivity by including Co.
그러나, 리튬-전이금속 복합 산화물만을 포함하는 양극은 외부 충격 또는 내부 결함 등에 의해 발열이 발생할 수 있다. 이 경우, 열 폭주(thermal runaway) 또는 열 전파(thermal propagation) 현상에 의해 연속적인 발열이 발생하여 전지가 폭발 또는 발화할 수 있다.However, a positive electrode including only a lithium-transition metal composite oxide may generate heat due to an external impact or an internal defect. In this case, continuous heat generation occurs due to thermal runaway or thermal propagation, and the battery may explode or ignite.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 양극 활물질층(112)은 리튬 인산철(LiFePO4, LFP)을 포함할 수 있다. 이 경우, 리튬 인산철이 리튬-전이금속 복합 산화물에서 발생하는 열을 흡수/차단하여 상술한 열 폭주 및 열 전파 현상을 억제할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 구동 안정성 및 신뢰성이 개선될 수 있다.In example embodiments of the present invention, the first positive electrode
일부 실시예들에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 양극 집전체(115)의 일 면 상에 리튬 인산철을 포함하는 제1 양극 활물질층(112)이 형성되고, 제1 양극 집전체(115)의 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 양극 활물질층(114)이 형성될 수 있다.In some embodiments, as shown in FIG. 2 , a first positive electrode
일부 실시예들에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 양극 집전체(115)의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 제1 양극 활물질층(112)이 형성될 수 있다. In some embodiments, as shown in FIG. 3 , the first positive electrode
이 경우, 상기 제1 양극 활물질층(112) 상에 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 양극 활물질층(114)이 더 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 양극 활물질층(112)에 포함된 리튬 인산철이 리튬-전이금속 복합 산화물에서 발생한 열이 다른 전극으로 전달되는 것을 억제할 수 있다.In this case, a second cathode
일부 실시예들에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 양극 활물질층(112) 및 제2 양극 활물질층(114) 사이에 단열 필름(116)이 더 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 양극 활물질층(114)에서 발생한 열의 전달을 더욱 억제할 수 있다. 또한, 전자 전도성이 증가하면서 제1 및 제2 양극 활물질층(112, 114) 간의 접착력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 출력 특성 및 구조적 안정성을 개선할 수 있다.In some embodiments, as shown in FIG. 4 , a
상기 단열 필름(116)은 예를 들면, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The insulating
예시적인 실시예들에 있어서, 전극 조립체(150) 내에 포함된 양극들의 총 개수 대비 제1 양극 활물질층(112)이 포함된 양극(예를 들면, 제1 양극(110))의 개수는 30 % 이상일 수 있다.In example embodiments, the number of positive electrodes including the first positive electrode active material layer 112 (eg, the first positive electrode 110) is 30% of the total number of positive electrodes included in the
제1 양극(110)의 개수가 양극들의 총 개수 대비 30 % 미만인 경우, 열 전달이 충분히 억제되지 않아 열 폭주 또는 열 전파 현상을 방지할 수 없다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 안정성이 저하될 수 있다.When the number of
바람직한 일부 실시예들에 있어서, 양극들의 총 개수 대비 제1 양극 활물질층(112)이 포함된 양극(예를 들면, 제1 양극(110))의 개수는 40 내지 60 %일 수 있다. 이 경우, 상술한 열 폭주 또는 열 전파 현상을 충분히 억제할 수 있고, 리튬-전이금속 복합 산화물이 적절한 양으로 양극에 포함될 수 있다. 이에 따라, 열 안정성이 향상되면서도 고에너지밀도 및 용량 특성을 갖는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.In some preferred embodiments, the number of positive electrodes (eg, the first positive electrode 110) including the first positive electrode
일부 실시예들에 있어서, 제1 양극 활물질층(112)의 총 중량 대비 리튬 인산철의 함량은 50 중량% 이상일 수 있다. 이 경우, 열 안정성을 충분히 개선할 수 있다.In some embodiments, the content of lithium iron phosphate based on the total weight of the first positive electrode
일부 실시예들에 있어서, 전극 조립체 내 양극들의 두께의 합에 대한 제1 양극 활물질층(112)의 두께의 합은 30 % 이상일 수 있다. 이 경우, 이차 전지 내부에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않고 제1 양극 활물질층(112)에 충분히 흡수될 수 있다.In some embodiments, the sum of the thicknesses of the first positive electrode
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating a lithium secondary battery according to example embodiments.
구체적으로, 도 5는 제1 양극 집전체(115)의 일 면 상에 제1 양극 활물질층(112)이 형성되고, 타 면 상에 제2 양극 활물질층(114)이 형성된 경우의 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.Specifically, FIG. 5 is a lithium secondary battery in the case where the first positive electrode
도 5를 참조하면, 제1 양극(110) 및 음극(130)이 분리막(140)을 사이에 두고 교대로, 반복적으로 적층되어 전극 조립체(150)를 형성할 수 있다. 이 경우, 각각의 제1 양극(110)은 제1 양극 집전체(115)의 일 면 상에 형성된 제1 양극 활물질층(112)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 양극 활물질층(114)의 리튬-전이금속 복합 산화물로부터 발생한 열이 제1 양극 활물질층(112)에 의해 차단 또는 냉각될 수 있다.Referring to FIG. 5 , the first
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 제1 양극을 나타내는 개략적인 단면도이고, 도 7은 예시적인 실시예들에 따른 제2 양극을 나타내는 개략적인 단면도이다.6 is a schematic cross-sectional view illustrating a first anode according to exemplary embodiments, and FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a second anode according to exemplary embodiments.
예를 들면, 제1 양극(110)은 제1 양극 활물질층(112)을 적어도 하나 포함하는 양극을 의미할 수 있다.For example, the first
예를 들면, 제2 양극(120)은 제2 양극 집전체(125)의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 제2 양극 활물질층(114)이 형성된 양극을 의미할 수 있다.For example, the second
도 6을 참조하면, 제1 양극 집전체(115)의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 제1 양극 활물질층(112)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 양극(110)의 발열을 억제하여 이차 전지의 구동 안정성을 개선할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the first positive electrode
도 7을 참조하면, 복수의 양극들은 리튬 인산철을 포함하지 않는 제2 양극(120)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the plurality of positive electrodes may further include a second
예를 들면, 상기 제2 양극(120)은 제2 양극 집전체(125), 및 제2 양극 집전체(125)의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 형성되는 제2 양극 활물질층(114)을 포함할 수 있다.For example, the second
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.8 and 9 are schematic cross-sectional views illustrating secondary lithium batteries according to exemplary embodiments.
도 8을 참조하면, 전극 조립체(150)의 최외곽 양극은 리튬 인산철을 포함하는 제1 양극(110)일 수 있다.Referring to FIG. 8 , the outermost positive electrode of the
일부 실시예들에 있어서, 양극들 중 전극 조립체(150)의 최외곽으로부터 순차적으로 배치된 3 내지 5개의 양극은 제1 양극(110)일 수 있다. 이 경우, 전극 조립체(150) 내부에서 발생한 열이 이차 전지 외부로 전달되는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 발화를 억제하고 전지 주변 장치에 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다.In some embodiments, 3 to 5 positive electrodes sequentially disposed from the outermost periphery of the
도 9를 참조하면, 상술한 제1 양극(110) 및 제2 양극(120)은 전극 조립체(150)의 두께 방향으로 교대로, 반복적으로 배열될 수 있다. 이 경우, 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 전극 유닛(140b)에서 발생하는 열을 리튬 인산철을 포함하며 제2 전극 유닛(140b)을 샌드위치하는 제1 전극 유닛(140a)이 흡수할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 열 안정성이 개선되고 열 폭주 또는 열 전파를 억제할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the above-described
일부 실시예들에 있어서, 전극 조립체(150)는 분리막(140)을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the
예를 들면, 제1 양극 집전체(115)의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 제1 양극 활물질층(112)이 형성된 제1 양극(110), 및 음극(130)이 분리막(140)을 사이에 두고 적층되어 제1 전극 유닛(140a)을 형성할 수 있다.For example, the first
예를 들면, 제2 양극 집전체(125)의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 제2 양극 활물질층(114)이 형성된 제2 양극(120), 및 음극(130)이 분리막(140)을 사이에 두고 적층되어 제2 전극 유닛(140b)을 형성할 수 있다.For example, the second
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극 유닛(140a) 및 상기 제2 전극 유닛(140b)이 교대로, 반복적으로 적층되어 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 제1 양극 활물질층(112)은 리튬 인산철 및 리튬-전이금속 복합 산화물을 함께 포함할 수 있다.In some embodiments, the first positive electrode
예를 들면, 제1 양극 활물질층(112)은 제1 양극 활물질층(112)의 저면으로부터 상면까지 리튬 인산철의 농도 및 리튬-전이금속 복합 산화물의 농도가 점진적으로 변화하는 농도 경사 영역을 포함할 수 있다.For example, the first positive electrode
예를 들면, 제1 양극 집전체(115) 상에 후술할 제1 양극 슬러리(리튬 인산철 포함) 및 제2 양극 슬러리(리튬-전이금속 복합 산화물 포함)를 함께 코팅한 후, 슬러리 간 밀도 차이를 이용하여 농도 경사 영역을 형성할 수 있다.For example, after coating the first positive electrode
예를 들면, 상기 농도 경사 영역 내에서, 리튬 인산철 농도 경사 및 리튬-전이금속 복합 산화물의 농도 경사는 반대 방향으로 형성될 수 있다. For example, within the concentration gradient region, the lithium iron phosphate concentration gradient and the lithium-transition metal composite oxide concentration gradient may be formed in opposite directions.
일 실시예에 있어서, 제1 양극 활물질층(112)의 저면 측에서 상면 측으로 갈수록 리튬 인산철 농도가 감소하고 리튬-전이금속 복합 산화물 농도가 증가할 수 있다.In one embodiment, the lithium iron phosphate concentration may decrease and the lithium-transition metal composite oxide concentration may increase from the bottom surface side of the first positive electrode
일 실시예에 있어서, 제1 양극 활물질층(112)의 저면 측에서 상면 측으로 갈수록 리튬 인산철 농도가 증가하고 리튬-전이금속 복합 산화물 농도가 감소할 수 있다.In one embodiment, the lithium iron phosphate concentration may increase and the lithium-transition metal composite oxide concentration may decrease from the bottom side of the first positive electrode
제1 양극 활물질층(112)에 리튬 인산철 및 리튬-전이금속 복합 산화물이 함께 포함되는 경우, 제1 양극 활물질층(112)의 총 중량 대비 리튬 인산철의 함량은 50 중량% 이상일 수 있다. 이 경우, 리튬 이차 전지의 열 안정성이 충분히 개선될 수 있다.When lithium iron phosphate and lithium-transition metal composite oxide are both included in the first positive electrode
이하에서는, 상술한 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 제조 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a lithium secondary battery according to the above-described exemplary embodiments will be described.
양극 집전체(115, 125)는 예를 들면, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.The cathode
예를 들면, 리튬 인산철을 포함하는 양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 제1 양극 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 제1 양극 슬러리를 제1 양극 집전체(115) 상에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 제1 양극 활물질층(112)을 형성할 수 있다.For example, a first positive electrode slurry may be prepared by mixing and stirring a positive electrode active material including lithium iron phosphate with a binder, a conductive material, and/or a dispersant in a solvent. After the first positive electrode slurry is coated on the first positive electrode
예를 들면, 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 제2 양극 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 제2 양극 슬러리를 제2 양극 집전체(125) 상에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 제2 양극 활물질층(114)을 형성할 수 있다.For example, a second positive electrode slurry may be prepared by mixing and stirring a positive electrode active material including a lithium-transition metal composite oxide with a binder, a conductive material, and/or a dispersant in a solvent. After the second cathode slurry is coated on the second cathode
예를 들면, 제1 양극 집전체(115) 상에 상기 제1 양극 슬러리 및 제2 양극 슬러리를 함께 투입하여 코팅한 후, 건조 및 압축하여 상술한 농도 경사 구간을 포함하는 제1 양극 활물질층(112)을 형성할 수 있다.For example, after coating the first positive electrode slurry and the second positive electrode slurry together on the first positive electrode
상기 바인더는, 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 포함할 수 있으며, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다. The binder is, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethylmethacryl An organic binder such as polymethylmethacrylate or an aqueous binder such as styrene-butadiene rubber (SBR) may be included, and may be used together with a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC).
예를 들면, 양극 형성용 바인더로서 PVDF 계열 바인더를 사용할 수 있다. 이 경우, 필요한 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 양극 활물질 입자들의 양을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.For example, a PVDF-based binder may be used as a binder for forming an anode. In this case, the required amount of the binder may be reduced and the amount of positive active material particles may be relatively increased, thereby improving the output and capacity of the secondary battery.
상기 도전재는 활물질 입자들 사이의 전자 이동을 촉진하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 금속 계열 도전재를 포함할 수 있다.The conductive material may be included to promote electron movement between active material particles. For example, the conductive material may be a carbon-based conductive material such as graphite, carbon black, graphene, or carbon nanotube and/or a perovskite material such as tin, tin oxide, titanium oxide, LaSrCoO 3 , or LaSrMnO 3 . It may include a metal-based conductive material including the like.
음극(130)은 음극 집전체(135) 및 음극 활물질을 음극 집전체(135)의 적어도 일 면 상에 코팅하여 형성된 음극 활물질층(132)을 포함할 수 있다.The
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는, 당 분야에서 공지된 것이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 계열 재료; 리튬 합금; 규소 또는 주석 등이 사용될 수 있다. 상기 비정질 탄소의 예로서 하드카본, 코크스, 1500 ℃ 이하에서 소성한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이스피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등을 들 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로서 천연흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등과 같은 흑연계 탄소를 들 수 있다. 상기 리튬 합금에 포함되는 원소로서 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등을 들 수 있다.As the negative electrode active material, those known in the art, capable of intercalating and deintercalating lithium ions, may be used without particular limitation. carbon-based materials such as crystalline carbon, amorphous carbon, carbon composites, and carbon fibers; lithium alloy; Silicon or tin or the like may be used. Examples of the amorphous carbon include hard carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB) calcined at 1500 ° C or less, and mesophase pitch-based carbon fibers (MPCF). Examples of the crystalline carbon include graphite-based carbon such as natural graphite, graphitized coke, graphitized MCMB, and graphitized MPCF. Examples of elements included in the lithium alloy include aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, tin, gallium, and indium.
음극 집전체(135)는 예를 들면, 금, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.The anode
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 슬러리를 상기 음극 집전체에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 음극(130)을 제조할 수 있다.In some embodiments, a slurry may be prepared by mixing and stirring the negative electrode active material with a binder, a conductive material, and/or a dispersant in a solvent. After the slurry is coated on the negative electrode current collector, the
상기 바인더 및 도전재로서 상술한 물질들과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 음극 형성을 위한 바인더는 예를 들면, 탄소 계열 활물질과의 정합성을 위해 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 포함할 수 있으며, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.Materials substantially the same as or similar to the above-mentioned materials may be used as the binder and the conductive material. In some embodiments, a binder for forming an anode may include, for example, an aqueous binder such as styrene-butadiene rubber (SBR) for compatibility with a carbon-based active material, and carboxymethyl cellulose (CMC). Can be used with thickeners.
일부 실시예들에 있어서, 제1 양극(110) 및 음극(130) 사이 또는 제2 양극(120) 및 음극(130) 사이에는 분리막(140)이 개재될 수 있다. 분리막(140)은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 분리막(140)은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.In some embodiments, a
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 양극(110) 및/또는 제2 양극(120), 음극(130) 및 분리막(140)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 상기 전극 셀들이 적층되어 예를 들면, 젤리 롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding) 등을 통해 상기 전극 조립체(150)를 형성할 수 있다.According to exemplary embodiments, an electrode cell is defined by the
상기 전극 조립체가 외장 케이스(160) 내에 전해질과 함께 수용되어 리튬 이차 전지가 정의될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.A lithium secondary battery may be defined by accommodating the electrode assembly together with an electrolyte in the
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.The non-aqueous electrolyte includes a lithium salt as an electrolyte and an organic solvent, and the lithium salt is expressed as, for example, Li + X - , and as an anion (X - ) of the lithium salt, F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , ( CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - can be exemplified.
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.As the organic solvent, for example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC ), methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethylsulfuroxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite and tetrahydrofuran, etc. may be used. . These may be used alone or in combination of two or more.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 전극 셀에 속한 제1 및 제2 양극 집전체(115, 125) 및 음극 집전체(135)로부터 각각 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 돌출되어 외장 케이스(160)의 일 측부까지 연장될 수 있다. 상기 전극 탭들은 외장 케이스(160)의 상기 일측부와 함께 융착되어 외장 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 전극 리드(양극 리드(107) 및 음극 리드(127))를 형성할 수 있다.As shown in FIG. 1, electrode tabs (anode tab and cathode tab) protrude from the first and second cathode
상기 리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.The lithium secondary battery may be manufactured in a cylindrical shape, a prismatic shape, a pouch shape, or a coin shape using a can, for example.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but these embodiments are only illustrative of the present invention and do not limit the scope of the appended claims, and embodiments within the scope and spirit of the present invention It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications to the are possible, and it is natural that these variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
제조예manufacturing example
(1) 제1 양극 슬러리 제조(1) Preparation of the first positive electrode slurry
양극 활물질로서 LiFePO4, 도전재로 카본블랙, 바인더로 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)를 92:5:3의 질량비로 NMP (n-methyl 2-pyrrolidone)에 투입 및 혼합하여 제1 양극 슬러리를 제조하였다.LiFePO 4 as a cathode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were added and mixed in NMP (n-methyl 2-pyrrolidone) at a mass ratio of 92:5:3 to prepare a first cathode slurry. manufactured.
(2) 제2 양극 슬러리 제조(2) Preparation of the second positive electrode slurry
양극 활물질로서 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 도전재로 카본블랙, 바인더로 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)를 92:5:3의 질량비로 NMP (n-methyl 2-pyrrolidone)에 투입 및 혼합하여 제2 양극 슬러리를 제조하였다.Add and mix LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 as a cathode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder in NMP (n-methyl 2-pyrrolidone) at a mass ratio of 92:5:3 Thus, a second positive electrode slurry was prepared.
실시예 1Example 1
(1) 양극 제조 - 제1 양극(1) Manufacture of anode - first anode
알루미늄 기재의 일 면 상에 제조예에서 제조된 제1 양극 슬러리를 도포하고, 건조 및 압연(press)을 실시하여 제1 양극 활물질층(130 ㎛)을 형성하였다.A first positive electrode active material layer (130 μm) was formed by applying the first positive electrode slurry prepared in Preparation Example on one surface of an aluminum substrate, followed by drying and pressing.
알루미늄 기재의 타 면 상에 제조예에서 제조된 제2 양극 슬러리를 도포하고 건조 및 압연을 실시하여 제1 양극 활물질층(140 ㎛)을 형성하였다.The second cathode active material layer (140 μm) was formed by applying the second cathode slurry prepared in Preparation Example on the other side of the aluminum substrate, followed by drying and rolling.
이 때, 모든 양극은 제1 양극으로 제조되었다.At this time, all anodes were made of the first anode.
(2) 음극 제조(2) cathode manufacturing
음극 활물질로서 인조 흑연 92 중량%, 스티렌부타디엔러버(SBR)계 바인더 2 중량%, 증점제로 CMC 1 중량%, 도전재로 플레이크 타입 비정질 흑연 5 중량% 조성으로 SBR, CMC를 각각 물에 녹이고 혼합한 후 인조흑연과 물을 추가/믹싱하여 음극 슬러리를 제조하였다. 이를 구리 기재 위에 양면 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 음극 활물질 층(140㎛)을 형성하였다.92% by weight of artificial graphite as an anode active material, 2% by weight of styrene-butadiene rubber (SBR)-based binder, 1% by weight of CMC as a thickener, and 5% by weight of flake-type amorphous graphite as a conductive material. SBR and CMC were dissolved in water and mixed. Then, artificial graphite and water were added/mixed to prepare an anode slurry. This was coated on both sides of the copper substrate, dried, and pressed to form a negative electrode active material layer (140 μm).
(3) 리튬 이차 전지 제조(3) Manufacture of lithium secondary battery
제조된 상기 양극 및 음극을 폴리에틸렌(PE) 분리막(25 ㎛)을 사이에 두고 배치하여 제1 전극 유닛을 형성하고, 상기 제1 전극 유닛을 반복 적층하여 전극 조립체를 형성하였다.The prepared positive and negative electrodes were disposed with a polyethylene (PE) separator (25 μm) interposed therebetween to form a first electrode unit, and the first electrode units were repeatedly laminated to form an electrode assembly.
상기 전극 조립체를 파우치에 수용하고 전극 탭 부분들을 융착 하였다. 이후, 전해액을 주입한 후 실링하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.The electrode assembly was accommodated in a pouch and electrode tab portions were fused together. Thereafter, an electrolyte solution was injected and sealed to prepare a lithium secondary battery.
상기 전해액으로서 EC/EMC/DEC(25/45/30; 부피비)의 혼합 용매에 1M LiPF6을 용해시킨 것을 사용하였다.As the electrolyte, a solution obtained by dissolving 1M LiPF 6 in a mixed solvent of EC/EMC/DEC (25/45/30; volume ratio) was used.
제조된 리튬 이차 전지에 대해 화성 충방전을 실시하였다(충전조건 CC-CV 0.1C 4.3V 0.005C CUT-OFF, 방전조건 CC 0.1C 3V CUT-OFF).Chemical charging and discharging was performed on the manufactured lithium secondary battery (charging condition CC-CV 0.1C 4.3V 0.005C CUT-OFF, discharging condition CC 0.1C 3V CUT-OFF).
실시예 2Example 2
(1) 양극 제조 - 제1 양극(1) Manufacture of anode - first anode
알루미늄 기재의 양 면 상에 제조예에서 제조된 제1 양극 슬러리를 도포하고, 건조 및 압연(press)을 실시하여 제1 양극 활물질층(65 ㎛)을 형성하였다.A first positive electrode active material layer (65 μm) was formed by applying the first positive electrode slurry prepared in Preparation Example on both sides of the aluminum substrate, followed by drying and pressing.
형성된 두 개의 제1 양극 활물질층 상에 각각 제2 양극 슬러리를 도포하고, 건조 및 압연하여 제2 양극 활물질층(70 ㎛)을 형성하였다. A second cathode active material layer (70 μm) was formed by applying a second cathode slurry on each of the formed first cathode active material layers, drying, and rolling.
상술한 내용을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Except for the above, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
실시예 3Example 3
제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층 사이에 단열 필름(10 ㎛)으로서 폴리스티렌 계열의 양극 계면 증착 바인더를 개재한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 양극 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.A positive electrode and a lithium secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 2, except that a polystyrene-based positive electrode interface deposition binder was interposed as an insulating film (10 μm) between the first positive electrode active material layer and the second positive electrode active material layer.
실시예 4Example 4
(1) 양극 제조 - 제1 양극 및 제2 양극(1) Manufacture of anode - first anode and second anode
1) 제1 양극 제조1) Preparation of the first anode
알루미늄 기재의 양 면 상에 제조예에서 제조된 제1 양극 슬러리를 도포하고, 건조 및 압연(press)을 실시하여 제1 양극 활물질층(130 ㎛)을 포함하는 제1 양극을 형성하였다.The first positive electrode slurry prepared in Preparation Example was coated on both sides of the aluminum substrate, dried and pressed to form a first positive electrode including a first positive electrode active material layer (130 μm).
2) 제2 양극 제조2) Preparation of the second anode
알루미늄 기재의 양 면 상에 제조예에서 제조된 제2 양극 슬러리를 도포하고, 건조 및 압연(press)을 실시하여 제2 양극 활물질층(140 ㎛)을 포함하는 제2 양극을 형성하였다.The second positive electrode slurry prepared in Preparation Example was coated on both sides of the aluminum substrate, dried and pressed to form a second positive electrode including a second positive electrode active material layer (140 μm).
(3) 리튬 이차 전지 제조(3) Manufacture of lithium secondary battery
제조된 제1 양극을 사용하여 제1 전극 유닛을 형성하고, 제조된 제2 양극을 사용하여 제2 전극 유닛을 형성하였다.A first electrode unit was formed using the manufactured first positive electrode, and a second electrode unit was formed using the manufactured second positive electrode.
제1 전극 유닛을 최상부 및 최하부 각 3개 층에 배치하고, 제2 전극 유닛을 나머지 층에 배치하여 전극 조립체를 형성하였다.An electrode assembly was formed by disposing the first electrode unit on each of the uppermost and lowermost three layers, and disposing the second electrode unit on the remaining layers.
이 때, 복수의 양극들 총 개수에 대한 제1 양극의 개수의 비율은 40 %이었다.At this time, the ratio of the number of the first positive electrodes to the total number of the plurality of positive electrodes was 40%.
상술한 내용을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Except for the above, a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
실시예 5Example 5
제1 전극 유닛 및 제2 전극 유닛을 교대로, 반복적으로 적층하여 전극 조립체를 형성한 것, 및 복수의 양극들 총 개수에 대한 제1 양극의 개수의 비율이 50 %인 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.Example, except that the electrode assembly is formed by alternately and repeatedly stacking the first electrode unit and the second electrode unit, and the ratio of the number of the first positive electrode to the total number of the plurality of positive electrodes is 50%. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in 4.
비교예 1Comparative Example 1
알루미늄 집전체의 양 면에 제2 양극 슬러리를 도포, 건조 및 압축시켜 제조된 양극만을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that only the positive electrode prepared by applying, drying, and compressing the second positive electrode slurry on both sides of the aluminum current collector was used.
비교예 2Comparative Example 2
복수의 양극들 총 개수에 대한 제1 양극의 개수의 비율은 25 %인 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the ratio of the number of first positive electrodes to the total number of positive electrodes was 25%.
실험예Experimental example
열 폭주 평가Thermal runaway evaluation
상술한 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차 전지의 상면 상에 열 패드를 부착한 후 5 ℃/초의 속도로 승온되도록 열을 인가하였다.After attaching a thermal pad on the upper surface of the lithium secondary battery according to the above-described Examples and Comparative Examples, heat was applied to increase the temperature at a rate of 5 °C/sec.
그 다음에, 열 폭주 발생 여부 및 열 폭주가 일어나는 시점까지의 시간을 측정하였다.Then, whether thermal runaway occurred and the time until thermal runaway occurred were measured.
열 폭주 발생 여부는 60분 내에 리튬 이차 전지의 변형, 발화 또는 폭발이 일어나는지 여부로 평가하였다.Whether or not thermal runaway occurred was evaluated by whether deformation, ignition, or explosion of the lithium secondary battery occurred within 60 minutes.
Ο: 열 폭주 발생함.Ο: Thermal runaway occurs.
Χ: 열 폭주 발생하지 않음.Χ: No thermal runaway.
평가 결과는 아래 표 1에 나타낸다.The evaluation results are shown in Table 1 below.
위 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5는 LFP 양극 활물질층이 충분히 포함되어 1시간 내에 열 폭주가 발생하지 않았다.Referring to Table 1 above, in Examples 1 to 5, thermal runaway did not occur within 1 hour because the LFP cathode active material layer was sufficiently included.
비교예 1은 양극 활물질로 리튬-전이금속 복합 산화물만 사용하여 열 인가 후 짧은 시간 내에 열 폭주가 발생하였다.In Comparative Example 1, only lithium-transition metal composite oxide was used as a positive electrode active material, and thermal runaway occurred within a short time after heat was applied.
비교예 2는 LFP 양극 활물질층이 불충분하게 포함되어 있어 실시예들에 비하여 열 폭주 억제 효과가 저하되었다.In Comparative Example 2, the LFP cathode active material layer was insufficiently included, so the thermal runaway inhibitory effect was lowered compared to Examples.
110: 제1 양극
115: 제1 양극 집전체
112: 제1 양극 활물질층
114: 제2 양극 활물질층
116: 단열 필름
120: 제2 양극
125: 제2 양극 집전체
130: 음극
132: 음극 활물질층
135: 음극 집전체
140: 분리막
150: 전극 조립체
160: 케이스110: first positive electrode 115: first positive electrode current collector
112: first positive electrode active material layer 114: second positive electrode active material layer
116: insulating film 120: second anode
125: second positive current collector 130: negative electrode
132: negative electrode active material layer 135: negative electrode current collector
140: separator 150: electrode assembly
160: case
Claims (15)
상기 케이스 내에 수용된 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체는,
리튬 인산철(LiFePO4)을 포함하는 제1 양극 활물질층 및 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 제2 양극 활물질층을 포함하는 양극들; 및
상기 양극들 중 적어도 하나와 대향하는 음극들을 포함하고,
상기 전극 조립체 내 포함된 상기 양극들의 총 개수 대비 상기 제1 양극 활물질층이 포함된 양극의 개수의 비율은 30 % 이상인, 리튬 이차 전지.case; and
An electrode assembly accommodated in the case, wherein the electrode assembly,
cathodes including a first cathode active material layer containing lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) and a second cathode active material layer containing a lithium-transition metal composite oxide; and
Including cathodes facing at least one of the anodes,
The lithium secondary battery, wherein the ratio of the number of positive electrodes including the first positive electrode active material layer to the total number of positive electrodes included in the electrode assembly is 30% or more.
상기 양극들은 제2 양극 집전체, 및 상기 제2 양극 집전체의 일 면 및 상기 일 면과 대향하는 타 면 상에 각각 형성된 상기 제2 양극 활물질층을 포함하는 제2 양극을 더 포함하는, 리튬 이차 전지.The method of claim 3,
The positive electrodes further include a second positive electrode current collector, and a second positive electrode including the second positive electrode active material layer formed on one surface of the second positive electrode current collector and the other surface opposite to the one surface, lithium. secondary battery.
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