KR20230088671A - 복합 집전체, 극편, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치 - Google Patents

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지아 펑
신 리우
퀴센 후앙
케퀴앙 리
쳉 리
시앙휘 리우
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Abstract

본 발명의 실시예는 복합 집전체, 극편, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이다. 복합 집전체는 지지층 및 전도층을 포함한다. 지지층은 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면을 갖는다. 전도층은 2개의 제1 표면에 설치되고, 전도층은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하되, 제1 부분은 2개의 제1 표면에 각각 설치되는 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분을 포함하고, 제2 부분은 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 상기 제3 서브 부분과 제1 서브 부분은 일체로 설치되고, 제4 서브 부분과 제2 서브 부분은 일체로 설치되며, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 모두 지지층으로부터 돌출되고, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 서로 접착되어 일체로 용접된다. 본 발명의 실시예는 전도층의 구조적 안정성이 우수하고, 복합 집전체의 과전류 성능이 향상되며, 이차 전지의 전기적 성능, 안전 성능 및 가공 성능을 크게 향상시키는 복합 집전체이다.

Description

복합 집전체, 극편, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치
본 발명은 전지 기술분야에 관한 것으로, 특히 복합 집전체, 극편, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이다.
이차 전지는 높은 에너지 밀도, 높은 출력 전력, 긴 사이클 수명 및 낮은 환경 오염 등 장점으로 인해 전기 자동차 및 소비자 전자제품에 널리 사용된다. 복합 집전체는 이차 전지 제조에 있어 중요한 구성 요소로서, 이차 전지의 전기화학적 성능에 유의한 영향을 미친다. 일반적인 복합 집전체에 비해, “금속-절연 고분자-금속”의 샌드위치 구조의 복합 집전체는 이차 전지의 전기화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있지만, 기존의 복합 집전체는 외부 금속박(탭 가공용)과의 접착력 부족으로 인한 과전류 성능 불량 문제, 복잡한 제조 공정 문제 등 많은 문제점이 있으며, 이차 전지의 전기적 성능, 안전 성능 및 가공 성능에 유의한 영향을 미치므로, 새로운 복합 집전체의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 복합 집전체, 극편, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 구현하기 위해, 본 발명의 제1 양태의 실시예는 복합 집전체를 제공하고, 복합 집전체는 지지층 및 전도층을 포함한다. 지지층은 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면을 갖는다. 전도층은 2개의 제1 표면에 설치되고, 전도층은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하되, 제1 부분은 2개의 제1 표면에 각각 설치되는 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분을 포함하고, 제2 부분은 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 상기 제3 서브 부분과 제1 서브 부분은 일체로 설치되고, 제4 서브 부분과 제2 서브 부분은 일체로 설치되며, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 모두 지지층으로부터 돌출되고, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 서로 접착되어 일체로 용접된다.
이로써, 본 발명의 실시예의 제1 서브 부분과 제3 서브 부분은 일체로 설치되고, 제2 서브 부분과 제4 서브 부분은 일체로 설치되며, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 서로 접착되어 일체로 용접되고, 즉 전도층은 일체형 구조이며, 전도층이 일체로 용접되는 설치 방식은 다음을 가능하게 한다. 1) 전통적인 용접 공정의 단점을 피하고 구조상에서 외부 금속박을 생략하며 외부 금속박과 전도층의 용접 불량 문제를 피함으로써, 복합 집전체의 과전류 성능을 크게 향상시키고 이차 전지의 전기적 성능을 향상시키며; 2) 본 발명의 핫멜트 공정은 생산 과정에서 복합 집전체의 전도층과 지지층의 균열, 및 공정 과정(예를 들어, 압연)에서 탭 루트의 크랙 또는 균열을 효과적으로 방지하고, 복합 집전체의 생산 수율 및 이차 전지의 안전 성능을 현저히 증가하며; 3) 복합 집전체의 가공 일관성을 향상시키고, 탭 절단 공정에서 상단 및 하단 가공물 에지의 정렬 불량 및 버(burr)의 문제를 피하며, 다이 절단 및 권취 과정에서 탭의 뒤집힘을 방지하고, 생산 수율 및 안전성을 향상시킨다. 요약하면, 본 발명의 복합 집전체는 이차 전지의 전기적 성능, 안전 성능 및 생산 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 제3 서브 부분, 제1 방향을 따른 지지층의 단부 및 제4 서브 부분은 서로 접착되어 일체로 용접되고, 제1 방향은 두께 방향에 수직되며; 단부는 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 지지 및 보호 작용을 제공할 수 있다.
후속의 압연 등 공정에서, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 부분적으로 확장될 수 있고, 단부는 제3 서브 부분과 제4 서브 부분에 지지력을 제공하여, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분에 크랙 또는 균열이 발생하는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 실시형태의 복합 집전체는 탭 절단 후 탭 루트에 지지층의 지지가 있어, 탭 루트의 강성을 증가시키며, 탭의 뒤집힘을 방지할 수 있고, 제조 과정에서 이차 전지의 안전 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 제1 방향을 따른 단부의 폭은 1 mm ~ 10 mm, 선택적으로 5 mm ~ 8 mm이다. 단부는 상기 폭 범위 내에서 단부와 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분 사이의 연결 강도를 더 향상시킬 수 있고, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대한 지지 강도를 더 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 제3 서브 부분은 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제2 표면을 포함하고, 제1 서브 부분은 제2 표면에 대해 두께 방향을 따라 돌출된다.
이로써, 본 발명의 실시예의 제3 서브 부분의 두께는 상대적으로 적당하여, 상기 복합 집전체를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있으며; 상기 복합 집전체를 사용한 이차 전지의 과전류 성능을 보장할 수 있고, 이차 전지의 안전 성능을 보장할 수 있다.
임의의 실시형태에서, 제3 서브 부분은 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제2 표면을 포함하고; 제1 서브 부분은 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제3 표면을 포함하며, 2개의 제3 표면 중 하나는 제2 표면과 같은 높이이다.
이로써, 본 발명의 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 작아, 상기 복합 집전체를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 일정한 정도로 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 제1 부분의 두께는 A이고, 제2 부분의 두께는 B이되, 0.03≤A/B≤1이고; 선택적으로, 0.2≤A/B≤1이다. 제1 부분과 제2 부분의 두께 비율이 상기 범위를 충족시킴으로써, 상기 복합 집전체를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 보장할 수 있고, 이차 전지의 과전류 성능을 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 제1 서브 부분의 두께는 제2 서브 부분의 두께보다 크거나 같다. 가공 과정에서 제2 서브 부분에 대해 박형화 처리를 수행하지 않을 수 있으므로, 비용을 줄일 수 있고 가공 성형에 도움이 된다.
임의의 실시형태에서, 제3 서브 부분의 두께는 제4 서브 부분의 두께보다 크거나 같다. 가공 과정에서 제4 서브 부분에 대해 박형화 처리를 수행하지 않을 수 있으므로, 비용을 줄일 수 있고 가공 성형에 도움이 된다.
임의의 실시형태에서, 제2 부분은 제3 서브 부분과 제4 서브 부분 사이에 위치하는 연결층을 더 포함하고, 연결층의 융점은 제3 서브 부분의 융점보다 작다.
이로써, 연결층의 융점이 상대적으로 낮아, 제2 부분을 가공하는 경우 연결층의 우선적인 용융은 제3 서브 부분과 제4 서브 부분을 일체로 접착시키는 데 도움이 되어, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분이 일체로 용접되는 것을 촉진한다.
임의의 실시형태에서, 연결층은 금속층 및 유기 전도성 고분자층 중 적어도 하나를 포함한다. 선택적으로, 금속은 주석, 인듐, 비스무트 및 카드뮴 중 적어도 하나를 포함한다. 선택적으로, 유기 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrol), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리페닐(polyphenyl) 및 폴리페닐아세틸렌(polyphenylacetylene) 중 적어도 하나를 포함한다. 연결층이 금속을 사용하는 경우, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분과의 충분한 용융에 더 도움이 된다. 연결층이 유기 전도성 고분자를 사용하는 경우, 유기 전도성 고분자는 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분을 접착할 수 있을 뿐만 아니라, 지지층과 용융 및 접착할 수 있으므로, 제2 부분과 지지층 사이의 연결 강도를 더 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 연결층의 두께는 1 μm ~ 5 μm이다. 연결층의 두께가 상기 범위 내인 경우, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분의 충분한 용융 및 결합을 보조하는 데 도움이 되고, 즉 제2 부분이 일체로 충분히 용융되는 데 도움이 된다.
임의의 실시형태에서, 지지층은 제1 방향을 따라 이격 설치된 적어도 2개의 지지부를 포함하고, 인접한 2개의 지지부 사이에는 제2 부분이 설치되며, 제1 방향은 두께 방향에 수직된다. 이러한 구조의 복합 집전체는 슬리팅을 통해 다수의 전극 조립체의 구성 부분을 구성할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 극편을 제공하고, 상기 극편은 본 발명의 제1 양태의 어느 하나의 실시예에 따른 복합 집전체 및 활물질층을 포함하며, 활물질층은 복합 집전체의 제1 부분의 표면에 설치된다.
본 발명의 제3 양태는 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 극편을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 제4 양태는 본 발명의 제3 양태의 실시예에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 제5 양태는 본 발명의 제3 양태의 실시예에 따른 이차 전지 또는 본 발명의 제4 양태의 실시예에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명의 제6 양태는 본 발명의 제3 양태의 실시예에 따른 이차 전지, 본 발명의 제4 양태의 실시예에 따른 전지 모듈 또는 본 발명의 제5 양태에서 제공되는 전지 팩을 포함하는 전기 장치를 제공한다.
본 발명의 제7 양태는 복합 집전체의 제조 방법을 제공하고, 상기 방법은, 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면을 포함하는 지지층을 제공하는 단계; 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 제공하고, 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 2개의 제1 표면에 각각 연결하되, 제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하고, 제2 전도성 시트는 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분은 2개의 제1 표면에 각각 설치되고, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 모두 지지층으로부터 돌출되는 단계; 및 제3 서브 부분과 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하는 단계를 포함한다.
이로써, 본 발명의 실시예의 제조 방법으로 제조된 복합 집전체는 전사 용접을 필요로 하지 않고 탭을 직접 레이저 다이 절단할 수 있어, 공정을 크게 단순화하고 탭의 과전류 성능을 향상시키며; 기계적 슬리팅 과정에서 에지를 정렬하고 버가 없을 뿐만 아니라, 제2 부분의 전도층과 지지층은 잘 연결되어 냉압 과정에서 균열 등 문제가 없으며, 상기 복합 집전체로 제조된 이차 전지의 전기화학적 성능이 우수하다.
임의의 실시형태에서, 상기 방법은 두께 방향을 따라 제1 서브 부분의 일부를 제거하여 제1 서브 부분의 두께를 박형화하는 단계를 더 포함한다. 제1 서브 부분의 두께는 상대적으로 얇아 이차 전지의 에너지 밀도를 일정한 정도로 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에서, 상기 방법은 두께 방향을 따라 제3 서브 부분의 일부를 제거하여 제3 서브 부분의 두께를 박형화하는 단계를 더 포함한다. 제3 서브 부분의 두께를 박형화하여 과전류 성능을 보장하는 기초상에서 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예의 기술적 해결수단을 보다 명확하게 설명하기 위해, 아래에서는 본 발명의 실시예에서 사용해야 되는 첨부 도면을 간단히 설명한다. 물론, 아래에서 설명되는 도면은 본 발명의 일부 실시예일 뿐 당업자는 발명적 노력없이 도면으로부터 다른 도면을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 흐름 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 상태 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 다른 상태 모식도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 방법의 흐름 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 다른 상태 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 또 다른 상태 모식도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 방법의 흐름 모식도이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 또 다른 상태 모식도이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 또 다른 상태 모식도이다.
도 14는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 극편의 구조 모식도이다.
도 15는 도 14에 도시된 극편의 A-A선을 따른 단면 구조 모식도이다.
도 16은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 이차 전지의 전극 조립체의 구조 모식도이다.
도 17은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 이차 전지의 분해 모식도이다.
도 18은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 전지 모듈의 부분 구조 모식도이다.
도 19는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 전지 팩의 분해 모식도이다.
도 20은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 전기 장치의 구조 모식도이다.
도면에서, 도면은 실제 비율에 따라 그려질 필요는 없다.
이하, 첨부된 도면을 적절하게 참조하여 상세하게 설명함으로써, 본 발명의 복합 집전체 및 이의 제조 방법, 극편, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치의 실시형태를 공개한다. 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 및 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 임의의 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 없는 한, 본 발명의 모든 실시형태 및 선택 가능한 실시형태는 서로 조합하여 새로운 기술적 해결수단을 형성할 수 있다. 특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 기술특징 및 선택 가능한 기술특징은 서로 조합하여 새로운 기술적 해결수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 단계는 순차적으로 또는 랜덤으로 수행될 수 있고, 바람직하게는 순차적으로 수행된다. 예를 들어, 방법은 단계 (a) 및 (b)를 포함한다는 것은, 방법이 순차적으로 수행되는 단계 (a) 및 (b)를 포함할 수 있거나, 순차적으로 수행되는 단계 (b) 및 (a)를 포함할 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 언급된 방법은 단계 (c)를 더 포함할 수 있다는 것은, 단계 (c)가 임의의 순서로 방법에 추가될 수 있음을 나타내며, 예를 들어 방법은 단계 (a), (b) 및 (c)를 포함할 수 있거나, 단계 (a), (c) 및 (b)를 포함할 수도 있거나, 단계 (c), (a) 및 (b)를 포함할 수도 있는 등이다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 언급된 "포괄" 및 "포함"은 개방형 또는 폐쇄형을 의미한다. 예를 들어, "포괄" 및 "포함"은 나열되지 않은 다른 구성 요소도 포괄 또는 포함하거나, 나열된 구성 요소만 포괄 또는 포함함을 의미할 수도 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 용어 "또는"은 포괄적인 것이다. 예를 들어 문구 “A 또는 B”는 “A, B 또는 A와 B 모두”를 의미한다. 보다 구체적으로, A가 참(또는 존재)이고 B가 거짓(또는 부재)인 조건; A가 거짓(또는 부재)이고 B가 참(또는 존재)인 조건; 또는 A와 B가 모두 참(또는 존재)인 조건 중 어느 하나는 모두 조건 “A 또는 B”를 충족한다.
이해해야 할 것은, 용어 “제1”, “제2” 등 관계 용어는 단지 하나의 엔티티 또는 동작을 다른 엔티티 또는 동작과 구별하기 위한 것이고, 이러한 엔티티 또는 동작 사이의 임의의 실제 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 암시하지 않는다.
본 발명의 상기 발명의 내용은 본 발명에서 공개된 각 실시형태 또는 각 구현예를 설명하기 위한 것이 아니다. 하기 설명은 예시적인 실시형태를 보다 구체적으로 예시한다. 본 발명의 많은 부분에서 일련의 실시예를 통해 지침을 제공하고, 이러한 실시예는 다양한 조합 형태로 사용될 수 있다. 각 실시예에서, 열거는 단지 대표적인 그룹일 뿐이고 완전한 것으로 해석되어서는 아니 된다.
발명자는 지지층 및 상기 지지층의 2개의 대향되는 표면에 위치하는 전도층으로 구성된 “샌드위치” 형태의 복합 집전체에 많은 결함이 있고, 이는 이차 전지의 전기적 성능, 안전 성능 및 가공 성능이 대규모 산업화 요구사항을 충족시킬 수 없음을 발견하였다. 구체적으로 하기와 같다.
선행기술의 복합 집전체에 있어서, 이의 바디부는 지지층 및 상기 지지층 표면에 위치하는 전도층으로 구성되고, 바디부에 수렴된 전류를 출력/외부 전류로 하여 이차 전지를 충전하기 위해 복합 집전체의 제조 공정은 전도층 표면에 외부금속박(외부 금속박은 탭 가공에 사용)이 필요하며, 외부 연결 방식은 용접 연결(업계에서는 “전사 용접”이라고도 함)이다. 그러나, 이러한 용접 연결 방식은 다음과 같은 많은 결함이 존재한다. 1) 복합 집전체의 얇은 전도층으로 인해, 이러한 전통적인 용접 공정은 외부 금속박과 전도층 사이의 연결 강도가 불충분하여 가상 용접 문제를 초래하고, 나아가 용접 영역의 제한된 과전류 성능을 초래하고, 이차 전지의 전기적 성능에 영향을 미치며; 2) 불충분한 용접 강도는 또한 냉압 및 다이 절단과 같은 후속의 제조 공정에서 외부 금속박과 바디부가 쉽게 떨어지도록 하고, 복합 집전체의 생산 수율 및 이차 전지의 안전 성능을 크게 저하시키며; 3) 탭을 가공하기 위해, 2개의 전도층은 외부 금속박을 필요로 하고, 이로 인해 외부 금속박의 탭 절단시 상단 및 하단 금속박을 별도로 가공해야 하므로, 절단 후 상단 및 하단 탭 에지의 정렬 불량 및 버의 문제가 발생하고, 생산 수율 및 안전 성능이 저하되며; 4) 전통적인 전사 용접 공정으로 제조된 복합 집전체는 탭 절단 후 탭 루트에 지지층의 지지가 없기 때문에, 탭이 쉽게 뒤집히고, 이차 전지 제조 과정에서의 안전 성능이 크게 저하된다.
상기 기존 복합 집전체의 많은 결함에 기반하여, 본 발명은 이차 전지의 전기적 성능, 안전 성능 및 가공 성능을 크게 향상시킬 수 있는 복합 집전체를 개발한다. 다음으로, 도 1 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
[복합 집전체]
도 1은 본 발명의 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 제공되는 복합 집전체(60)는 지지층(70) 및 전도층(80)을 포함한다.
본 발명의 실시예의 지지층(70)은 전도층(80)에 대해 지지 및 보호 작용을 일으킨다. 지지층(70)은 두께 방향(X)을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면(71)을 갖는다. 도 1에 도시된 X 방향은 즉 두께 방향을 나타낸다.
지지층(70)의 재료는 고분자 재료 및 고분자 매트릭스 복합 재료 중 하나 이상을 포함한다. 고분자 매트릭스 복합 재료는 고분자 재료 및 첨가제를 포함하고, 첨가제는 무기 비금속 재료 및 금속 재료 중 적어도 하나이다.
고분자 재료는 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리페닐렌에테르(polyphenylene ether), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(acrylonitrile butadiene Styrene copolymer), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리스티렌술폰산나트륨(sodium polystyrene sulfonate), 폴리아세틸렌, 실리콘 고무, 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene), 폴리페닐렌옥시드(polyphenylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 폴리설퍼니트라이드(polysulfur nitride), 폴리페닐(polyphenyl), 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피리딘(polypyridine), 셀룰로오스(cellulose), 전분, 단백질, 에폭시 수지, 페놀 수지, 이들의 유도체, 이들의 가교체 및 이들의 공중합체 중 적어도 하나를 포함한다. 선택적으로, 고분자 재료는 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌 및 폴리페닐렌 설파이드 중 적어도 하나이다.
고분자 매트릭스 복합 재료는 고분자 재료 및 첨가제를 포함한다. 첨가제는 무기 비금속 재료 및 금속 재료 중 적어도 하나이다. 선택적으로, 무기 비금속 재료는 탄소 매트릭스 재료, 산화알루미늄, 이산화규소, 질화규소, 탄화규소, 질화붕소, 규산염 및 산화티타늄 중 하나 이상을 포함한다. 금속 재료는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 납, 아연, 주석, 안티몬, 비스무트, 은 및 루테늄 중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 실시예의 전도층(80)은 지지층(70)의 2개의 제1 표면(71) 상에 설치된다. 전도층(80)은 기계적 압연, 본딩, 기상증착법(vapordeposition), 무전해 도금(Electroless plating), 전기 도금(Electroplating) 중 적어도 하나의 수단을 통해 지지층(70) 상에 형성될 수 있고, 여기서 기상 증착법 또는 전기 도금법이 선택될 수 있으며, 즉 전도층(80)은 선택적으로 기상 증착층 또는 전기 도금층이고, 이로써 전도층(80)과 지지층(70) 사이의 긴밀한 결합을 더 잘 구현할 수 있으며, 전도층(80)에 대한 지지층(70)의 지지 및 보호 작용을 효과적으로 발휘할 수 있다.
일부 실시예에서, 전도층(80)은 바인더를 통해 지지층(70)과 연결하여, 전도층(80)과 지지층(70)의 연결 강도를 향상시킬 수 있다. 예시적으로, 바인더는 폴리프로필렌, 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 스티렌-부탄디엔 고무(styrene-butadiene rubber), 폴리아크릴산나트륨(sodium polyacrylate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 니트릴 부탄디엔 고무(nitrile butadiene rubber), 실리콘 고무, 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate), 우레아-포름알데히드 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 실란 커플링제, 티타네이트 커플링제, 지르코늄 커플링제, 알루미네이트 커플링제 및 보레이트 커플링제 중 적어도 하나로부터 선택된다.
전도층(80)의 재료는 금속을 포함할 수 있다. 예시적으로,복합 집전체(60)가 양극 복합 집전체인 경우, 전도층(80)은 양극 전도층이고, 양극 전도층의 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 매트릭스 합금으로부터 선택되며, 알루미늄 매트릭스 합금은 알루미늄-니켈 합금, 알루미늄-티타늄 합금 또는 알루미늄-은 합금 등일 수 있다. 복합 집전체(60)가 음극 복합 집전체인 경우, 전도층(80)은 음극 전도층이고, 음극 전도층의 재료는 구리 또는 구리 매트릭스 합금으로부터 선택되며, 구리 매트릭스 합금은 구리-니켈 합금, 구리-티타늄 합금, 구리-은 합금 등일 수 있다.
물론, 일부 실시예에서, 전도층(80)의 형성 과정에서 저융점 금속 또는 저융점 유기 전도성 고분자층과 같은 가공에 유리한 다른 물질을 첨가할 수도 있다. 본문에서, 저융점은 전도층(80)의 바디 재료를 기준으로 한다. 예시적으로,전도층(80)의 바디 재료는 알루미늄이고, 저융점 금속은 알루미늄 금속의 융점보다 더 낮은 금속을 의미하며, 저융점 유기 전도성 고분자층의 융점은 알루미늄 금속의 융점보다 더 낮다.
전도층(80)은 제1 부분(81) 및 제2 부분(82)을 포함한다. 제1 부분(81)은 2개의 제1 표면(71)에 각각 설치되는 제1 서브 부분(811) 및 제2 서브 부분(812)을 포함하고, 제2 부분(82)은 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)을 포함하며, 제3 서브 부분(821)과 제1 서브 부분(811)은 일체로 설치되고, 제4 서브 부분(822)과 제2 서브 부분(812)은 일체로 설치되며, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)은 모두 지지층(70)으로부터 돌출되고, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)은 서로 접착되어 일체로 용접된다. 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)은 일체형 구조로서 절단되고, 절단된 에지는 정렬되고 버가 없어 상기 복합 집전체(60)의 이차 전지의 안전 성능 및 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
제1 부분(81)의 제1 서브 부분(811)과 제2 서브 부분(812)은 모두 제1 표면(71) 상에 설치되고, 활물질층을 코팅하는 데 사용된다. 제2 부분(82)의 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)은 탭으로 사용된다.
제1 서브 부분(811)은 두께 방향(X)을 따라 서로 대향되는 2개의 제3 표면(8111)을 포함한다. 제3 서브 부분(821)은 두께 방향(X)을 따라 서로 대향되는 2개의 제2 표면(8211)을 포함한다. 제1 서브 부분(811)과 제3 서브 부분(821)은 일체로 설치되고, 제1 서브 부분(811)의 2개의 제3 표면(8111) 중 하나는 2개의 제2 표면(8211) 중 하나와 같은 높이일 수 있거나, 또는 제1 서브 부분(811)은 제2 표면(8211)으로부터 돌출될 수 있거나, 또는 제2 표면(8211)에 대해 함몰될 수 있다.
제2 서브 부분(812)은 두께 방향(X)을 따라 서로 대향되는 2개의 제4 표면을 포함한다. 제4 서브 부분(822)은 두께 방향(X)을 따라 서로 대향되는 2개의 제5 표면을 포함한다. 제2 서브 부분(812)과 제4 서브 부분(822)은 일체로 설치되고, 제2 서브 부분(812)의 2개의 제4 표면 중 하나는 2개의 제5 표면 중 하나와 같은 높이일 수 있거나, 또는 제2 서브 부분(812)은 제5 표면으로부터 돌출될 수 있거나, 또는 제5 표면에 대해 함몰될 수 있다.
제1 서브 부분(811)과 제3 서브 부분(821)은 일체로 설치되고, 제2 서브 부분(812)과 제4 서브 부분(822)은 일체로 설치된다. 제1 서브 부분(811), 제3 서브 부분(821), 제2 서브 부분(812) 및 제4 서브 부분(822)이 전도층(80)을 형성하는 경우, 두께가 동일한 제1 서브 부분(811)과 제2 서브 부분(812)을 사용할 수 있고, 물론 두께가 상이한 제1 서브 부분(811)과 제2 서브 부분(812)을 사용할 수도 있다. 두께가 동일한 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)을 사용할 수 있고, 두께가 상이한 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)을 사용할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서, 제1 서브 부분(811)과 제3 서브 부분(821)은 일체로 설치되고, 제2 서브 부분(812)과 제4 서브 부분(822)은 일체로 설치되며, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)은 서로 접착되어 일체로 용접되고, 즉 전도층(80)은 일체형 구조이며, 전도층(80)이 일체로 용접되는 이러한 설치 방식은 다음을 가능하게 한다. 1) 전통적인 용접 공정의 단점을 피하고 구조상에서 외부 금속박을 생략하며 외부 금속박과 전도층의 용접 불량 문제를 피함으로써, 복합 집전체(60)의 과전류 성능을 크게 향상시키고 이차 전지의 전기적 성능을 향상시키며; 2) 본 발명의 핫멜트 공정은 과정에서 복합 집전체(60)의 전도층(80)과 지지층(70)의 균열, 및 공정 과정(예를 들어, 압연)에서 탭 루트의 크랙 또는 균열을 효과적으로 방지하고, 복합 집전체(60)의 생산 수율 및 이차 전지의 안전 성능을 현저히 증가하며; 3) 복합 집전체(60)의 가공 일관성을 향상시키고, 탭 절단 공정에서 상단 및 하단 가공물 에지의 정렬 불량 및 버의 문제를 피하며, 다이 절단 및 권취 과정에서 탭의 뒤집힘을 방지하고, 생산 수율 및 안전성을 향상시킨다. 요약하면, 본 발명의 복합 집전체는 이차 전지의 전기적 성능, 안전 성능 및 생산 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
계속하여 도 1을 참조하면, 일부 실시형태에서 제3 서브 부분(821), 제1 방향(Y)을 따른 지지층(70)의 단부(72) 및 제4 서브 부분(822)은 서로 접착되어 일체로 용접된다. 도 1에 도시된 Y 방향은 제1 방향을 나타내고, 제1 방향(Y)은 두께 방향(X)에 수직된다.
제3 서브 부분(821), 단부(72) 및 제4 서브 부분(822)은 일체로 용접되고, 즉, 3개는 서로 연결되며, 단부(72)는 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)에 지지 및 보호 작용을 제공할 수 있다. 후속의 압연 등 공정에서, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)은 부분적으로 확장될 수 있고, 단부(72)는 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)에 지지력을 제공하여, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)에 크랙 또는 균열이 발생하는 현상을 방지할 수 있다. 상기 실시예의 복합 집전체(60)는 탭 절단 후 탭 루트에 지지층(70)의 지지가 있어, 탭 루트의 강성을 증가시키며, 탭의 뒤집힘을 방지할 수 있고, 제조 과정에서 이차 전지의 안전 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
선택적으로, 제1 방향(Y)을 따른 단부(72)의 폭은 1 mm ~ 10 mm이다. 예를 들어 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm 또는 10 mm일 수 있거나; 또는 폭 범위는 전술한 임의의 2개의 값으로 구성될 수 있으며; 선택적으로 5 mm ~ 8 mm이다. 단부(72)는 상기 폭 범위 내에서 단부(72)와 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822) 사이의 연결 강도를 더 향상시킬 수 있고, 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)에 대한 지지 강도를 더 향상시킬 수 있다. 폭의 측정 방법은, 먼저 마이크로미터로 단부(72)의 두께를 측정하여, 단부(72)에서 제1 부분(81)에 근접한 임계 위치 및 제2 부분(82)에 근접한 임계 위치를 대략적으로 결정할 수 있으며, 그 다음 임계 위치 부근에서 JEOL IB-19500을 이용하여 복합 집전체(60)의 단면을 절단하고, Zeiss Sigma 300 주사전자현미경을 이용하여 관찰하며, 지지층(70)과 전도층(80)의 두께를 추가로 측정하고 임계 단면 위치를 확인하며, 단면 위치를 결정한 후 눈금자를 사용하여 단부(72) 부분의 폭을 측정하는 것이다. 도 1의 C의 사이즈는 제1 방향(Y)을 따른 단부(72)의 폭 사이즈를 대략적으로 나타낸다.
계속하여 도 1을 참조하면, 일부 실시형태에서 제1 서브 부분(811)은 제3 서브 부분(821)의 제2 표면(8211)에 대해 두께 방향(X)을 따라 돌출된다. 제3 서브 부분(821)의 두께는 상대적으로 적당하여, 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있으며; 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 과전류 성능을 보장할 수 있고, 이차 전지의 안전 성능을 보장할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다른 일부 실시형태에서 제1 서브 부분(811)의 2개의 제3 표면(8111) 중 하나는 제3 서브 부분(821)의 제2 표면(8211)과 같은 높이이다. 제1 서브 부분(811)의 두께는 작아, 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 일정한 정도로 향상시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 제2 서브 부분(812)은 제4 서브 부분(822)의 제5 표면에 대해 두께 방향(X)을 따라 돌출된다. 제4 서브 부분(822)의 두께는 상대적으로 적당하여, 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있으며; 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 과전류 성능을 보장할 수 있다.
다른 일부 실시형태에서, 제2 서브 부분(812)의 2개의 제4 표면 중 하나는 제4 서브 부분(822)의 제5 표면과 같은 높이이다. 제2 서브 부분(812)의 두께는 작아, 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 일정한 정도로 향상시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 부분(81)의 두께는 A이고, 제2 부분(82)의 두께는 B이며, A와 B는 0.03≤A/B≤1을 충족시키고; 예를 들어 A/B는 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1이거나; 또는 A/B 비율 범위는 전술한 임의의 2개의 값으로 구성될 수 있으며; 선택적으로, 0.2≤A/B≤1이다. 제1 부분(81)과 제2 부분(82)의 두께 비율이 상기 범위를 충족시킴으로써, 상기 복합 집전체(60)를 사용한 이차 전지의 에너지 밀도를 보장할 수 있고, 이차 전지의 과전류 성능을 향상시킬 수 있다.
본문에서, 제1 부분(81)의 두께는 두께 방향(X)을 따른 제1 부분(81)의 전체 두께를 의미한다. 예시적으로, 제1 부분(81)은 제1 서브 부분(811) 및 제2 서브 부분(812)을 포함하고, 두께 방향(X)을 따른 제1 서브 부분(811)과 제2 서브 부분(812)의 두께의 합은 A이다.
본문에서, 제2 부분(82)의 두께는 두께 방향(X)을 따른 제2 부분(82)의 전체 두께를 의미한다. 예시적으로, 제2 부분(82)은 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)을 포함하고, 두께 방향(X)을 따른 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)의 두께의 합은 B이다. 또는 제2 부분(82)은 연결층과 같은 다른 부재를 더 포함하고, 두께 방향(X)을 따른 제3 서브 부분(821), 연결층 및 제4 서브 부분(822)의 두께의 합은 B이다.
선택적으로, 제1 부분(81)의 두께 A는 1 μm≤A≤26 μm이고, 예를 들어 1 μm, 3 μm, 6 μm, 8 μm, 9 μm, 10 μm, 11 μm, 12 μm, 15 μm, 18 μm, 20 μm, 22 μm, 25 μm, 26 μm이거나; 또는 두께 범위는 전술한 임의의 2개의 값으로 구성될 수 있다.
선택적으로, 제2 부분(82)의 두께 B는 5 μm≤B≤26 μm이고, 예를 들어 5 μm, 6 μm, 8 μm, 9 μm, 10 μm, 11 μm, 12 μm, 15 μm, 18 μm, 20 μm, 22 μm, 25 μm, 26 μm이거나; 또는 두께 범위는 전술한 임의의 2개의 값으로 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 서브 부분(811)의 두께는 제2 서브 부분(812)의 두께보다 크거나 같다. 가공 과정에서 제2 서브 부분(812)에 대해 박형화 처리를 수행하지 않을 수 있으므로, 비용을 줄일 수 있고 가공 성형에 도움이 된다.
일부 실시형태에서, 제3 서브 부분(821)의 두께는 제4 서브 부분(822)의 두께보다 크거나 같다. 가공 과정에서 제4 서브 부분(822)에 대해 박형화 처리를 수행하지 않을 수 있으므로, 비용을 줄일 수 있고 가공 성형에 도움이 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서 제2 부분(82)은 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822) 사이에 위치하는 연결층(823)을 더 포함하고, 연결층(823)의 융점은 제3 서브 부분(821)의 융점보다 작다. 연결층(823)의 융점이 상대적으로 낮아, 제2 부분(82)을 가공하는 경우 연결층(823)의 우선적인 용융은 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)을 일체로 접착시키는 데 도움이 되어, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)이 일체로 용접되는 것을 촉진한다.
선택적으로, 연결층(823)의 융점은 제4 서브 부분(822)의 융점보다 작고, 연결층(823)의 융점은 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)의 융점보다 더 낮아, 제2 부분(82)을 가공하는 경우 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)을 접착시키는 데 도움이 된다.
선택적으로, 연결층(823)은 금속층 및 유기 전도성 고분자층 중 적어도 하나를 포함한다. 즉, 연결층(823)은 금속층, 유기 전도성 고분자층, 또는 금속층과 유기 전도성 고분자층의 복합층이다.
금속층의 재료의 예로서, 금속은 주석, 인듐, 비스무트 및 카드뮴 중 적어도 하나를 포함하고, 즉, 금속은 주석, 인듐, 비스무트 또는 카드뮴과 같은 단일 금속이며; 주석-인듐 합금, 주석-비스무트 합금, 주석-카드뮴 합금, 인듐-비스무트 합금, 비스무트-카드뮴 합금, 주석-인듐-비스무트 합금 또는 주석-비스무트-카드뮴 합금 등일 수도 있다. 연결층(823)이 금속을 사용하는 경우, 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)과의 충분한 용융에 더 도움이 된다.
연결층(823)이 금속층을 포함하는 경우, 금속층은 하나 이상의 제1 서브층을 포함할 수 있고, 예를 들어 다수의 제1 서브층을 사용할 수 있으며, 각각의 제1 서브층은 동일한 금속 재료를 사용할 수 있거나, 상이한 재료를 사용할 수 있다.
유기 전도성 고분자층의 재료의 예로서, 유기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린폴리아세틸렌, 폴리페닐 및 폴리페닐아세틸렌 중 적어도 하나를 포함한다. 연결층(823)이 유기 전도성 고분자를 사용하는 경우, 유기 전도성 고분자는 제3 서브 부분(821) 및 제4 서브 부분(822)을 접착할 수 있을 뿐만 아니라, 지지층(70)과 용융 및 접착할 수 있으므로, 제2 부분(82)과 지지층(70) 사이의 연결 강도를 더 향상시킬 수 있다.
연결층(823)이 유기 전도성 고분자층을 포함하는 경우, 유기 전도성 고분자층은 하나 이상의 제2 서브층을 포함할 수 있고, 예를 들어 다수의 제2 서브층을 포함할 수 있으며, 각각의 제2 서브층은 동일한 유기 전도성 고분자 재료를 사용할 수 있거나, 상이한 유기 전도성 고분자 재료를 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 연결층(823)의 두께는 1 μm ~ 5 μm이고, 예를 들어 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm 또는 5 μm이거나; 또는 두께 범위는 전술한 임의의 2개의 값으로 구성될 수 있다. 연결층(823)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 제3 서브 부분(821)과 제4 서브 부분(822)의 충분한 용융 및 결합을 보조하는 데 도움이 되고, 즉 제2 부분(82)이 일체로 충분히 용융되는 데 도움이 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 구조 모식도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서 지지층(70)은 제1 방향(Y)을 따라 이격 설치된 적어도 2개의 지지부(73)를 포함하고, 인접한 2개의 지지부(73) 사이에는 제2 부분(82)이 설치된다. 이러한 구조의 복합 집전체(60)는 슬리팅을 통해 다수의 전극 조립체의 구성 부분을 구성할 수 있다.
다른 일부 실시형태에서, 지지층(70)은 하나의 지지부(73)를 포함하고, 제2 부분(82)은 제1 방향(Y)을 따라 지지부(73)의 적어도 하나의 단부(72)로부터 돌출된다. 예시적으로, 제2 부분(82)은 제1 방향(Y)을 따라 지지부(73)의 하나의 단부(72)로부터 돌출되거나, 또는 제1 방향(Y)을 따라 지지부(73)의 2개의 단부(72)로부터 돌출된다.
[복합 집전체의 제조 방법]
본 발명의 실시예는 또한 복합 집전체의 제조 방법을 제공한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 흐름 모식도이고; 도 6은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 상태 모식도이며; 도 7은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 다른 상태 모식도이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
단계 S100에서, 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면을 포함하는 지지층을 제공한다.
단계 S200에서, 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 제공하고, 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 바인더층을 통해 2개의 제1 표면에 각각 연결하되, 제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하고, 제2 전도성 시트는 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분은 2개의 제1 표면에 각각 설치되고, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분은 모두 지지층으로부터 돌출된다.
단계 S300에서, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접한다. 본 발명의 실시예의 제조 방법으로 제조된 복합 집전체는 슬리팅 과정에서 에지가 정렬되고, 상기 복합 집전체로 제조된 이차 전지의 전기화학적 성능이 우수하다.
도 8은 본 발명의 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 방법의 흐름 모식도이고; 도 9는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 다른 상태 모식도이며; 도 10은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 또 다른 상태 모식도이다. 도 9의 화살표는 박형화 방향을 나타낸다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서 단계 S300 이후에 하기와 같은 단계를 더 포함한다.
단계 S400에서, 두께 방향을 따라 제1 서브 부분의 일부를 제거하여 제1 서브 부분의 두께를 박형화한다.
제1 서브 부분의 두께를 박형화하여, 제1 서브 부분의 두께를 상대적으로 얇아지게 함으로써, 이차 전지의 에너지 밀도를 일정한 정도로 향상시킬 수 있다.
박형화된 제1 서브 부분(811)의 2개의 제3 표면(8111) 중 하나는 제3 서브 부분(821)의 제2 표면(8211)과 같은 높이일 수 있고, 물론 박형화된 제1 서브 부분(811)은 제2 표면(8211)에 대해 두께 방향(X)을 따라 돌출될 수도 있다.
단계 S400에서, 제1 서브 부분(811)의 박형화 과정에서 제3 서브 부분(821)에 대한 간섭을 방지하기 위해, 제3 서브 부분(821)의 제2 표면(8211) 상에 보호층(100)을 설치할 수 있고, 제3 서브 부분(821)이 보호층(100)을 포함하는 기초상에서 제1 서브 부분(811)을 박형화하며, 제1 서브 부분(811)을 박형화한 다음 보호층(100)을 제거하는 경우 기본적으로 제3 서브 부분(821)의 두께에 영향을 미치지 않는다.
보호층(100)의 재료는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리메타크릴아미드(polymethacrylamide), 폴리메틸이소프로페닐케톤(polymethyl isopropenyl ketone), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리-α-메틸스티렌(poly-α-methyl styrene) 중 하나 이상이다. 이러한 보호층(100)은 제1 서브 부분(811)이 박형화된 후 용해 및 제거될 수 있다.
일부 실시형태에서, 단계 S300 이후에,
두께 방향을 따라 제2 서브 부분의 일부를 제거하여 제2 서브 부분의 두께를 박형화하는 단계를 더 포함한다.
제2 서브 부분의 박형화 과정은 단계 S400에서 설명된 바와 같고, 여기에서는 더 이상 반복하여 설명하지 않는다. 여기서, 제1 서브 부분과 제2 서브 부분의 박형화된 두께는 동일하거나 상이할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 방법의 흐름 모식도이고; 도 12는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 또 다른 상태 모식도이며; 도 13은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 복합 집전체의 제조 과정의 또 다른 상태 모식도이다. 도 12의 화살표는 박형화 방향을 나타낸다.
도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서 단계 S300 이후에 하기와 같은 단계를 더 포함한다.
단계 S500에서, 두께 방향을 따라 제3 서브 부분의 일부를 제거하여 제3 서브 부분의 두께를 박형화한다.
제3 서브 부분(821)의 두께를 박형화하여 과전류 성능을 보장하는 기초상에서 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
박형화된 복합 집전체에서, 제1 서브 부분(811)은 제2 표면(8211)에 대해 두께 방향(X)을 따라 돌출될 수 있다.
단계 S500에서, 제3 서브 부분(821)의 박형화 과정에서 제1 서브 부분(811)에 대한 간섭을 방지하기 위해, 제1 서브 부분(811)의 제3 표면(8111) 상에 보호층(100)을 설치할 수 있고, 제1 서브 부분(811)이 보호층(100)을 포함하는 기초상에서 제3 서브 부분(821)을 박형화하며, 제3 서브 부분(821)을 박형화한 다음 보호층(100)을 제거하는 경우 기본적으로 제1 서브 부분(811)의 두께에 영향을 미치지 않는다.
일부 실시형태에서, 단계 S300 이후에,
두께 방향을 따라 제4 서브 부분의 일부를 제거하여 제4 서브 부분의 두께를 박형화하는 단계를 더 포함한다.
제4 서브 부분의 박형화 과정은 단계 S500에서 설명된 바와 같고, 여기에서는 더 이상 반복하여 설명하지 않는다. 여기서, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분의 박형화된 두께는 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 박형화의 각 단계는 조합하여 사용될 수 있거나 단독으로 사용될 수 있다. 예시적으로, 단계 S300 이후에 또한 단계 S400 및 S500을 동시에 포함할 수 있다. 또는, 단계 S300 이후에 단계 S400을 포함한다. 또는, 단계 S300 이후에 단계 S500을 포함한다.
[극편]
본 발명의 실시예는 또한 극편을 제공한다.
도 14는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 극편의 구조 모식도이다. 도 15는 제14에 도시된 극편의 A-A선을 따른 단면 구조 모식도이다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 극편(50)은 본 발명의 상기 어느 하나의 실시예에 따른 복합 집전체(60) 및 활물질층(90)을 포함하고, 활물질층(90)은 복합 집전체(60)의 제1 부분(81)의 표면에 설치된다. 이러한 구조의 극편(50)을 사용한 이차 전지는 전기화학적 성능이 우수하고, 특히 과전류 성능 및 에너지 밀도가 우수하다. 상기 극편(50) 및 분리막은 권취를 통해 전극 조립체를 형성한다.
[양극편]
양극편은 양극 복합 집전체 및 양극 활물질층을 포함한다.
양극 복합 집전체의 전도층의 바디 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 매트릭스 합금을 포함하고, 이의 구조 형태는 본 발명의 상기 어느 하나의 실시예에 따른 복합 집전체를 사용한다.
양극 활물질층에 사용되는 양극 활물질은 본 기술분야에 공지된 이차 전지에 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 예시로서, 양극 활물질은 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이 금속 산화물 및 이들 각각의 변성 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 재료에 한정되지 않고, 또한 양극 활물질로 사용될 수 있는 다른 전통적인 재료를 사용할 수 있다. 이러한 양극 활물질은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용할 수 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예시는 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(NCNCM333이라고도 약칭할 수 있음), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523이라고도 약칭할 수 있음), LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(NCM211이라고도 약칭할 수 있음), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622라고도 약칭할 수 있음), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811이라고도 약칭할 수 있음), 리튬 니켈 코발트알루미늄 산화물(예를 들어, LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 이들의 변성 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염의 예시는 인산철리튬(예를 들어,LiFePO4(LFP이라고도 약칭할 수 있음)), 인산철리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간리튬(예를 들어,LiMnPO4), 인산망간리튬과 탄소의 복합 재료, 인산철망간리튬, 인산철망간리튬과 탄소의 복합 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
일부 실시형태에서, 양극 활물질층은 또한 선택 가능하게 바인더를 포함한다. 예시로서, 바인더는 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌-프로필렌 삼원 공중합체, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 삼원 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 및 불소 함유 폴리아크릴레이트 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극 활물질층은 또한 선택 가능하게 전도제를 포함한다. 예시로서, 전도제는 초전도성 카본, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 다음과 같은 방식을 통해 양극편을 제조할 수 있다. 양극편의 제조를 위한 상기 성분, 예를 들어 양극 활물질, 전도제, 제2 바인더 및 임의의 다른 성분을 용매(예를 들어, N-메틸피롤리돈)에 분산시켜 양극 슬러리를 형성하고; 양극 슬러리를 양극 복합 집전체 상에 코팅한 다음, 건조 및 냉압 등 공정을 거쳐 양극편을 획득한다.
[음극편]
음극편은 음극 복합 집전체 및 음극 활물질층을 포함한다.
음극 복합 집전체의 전도층의 바디 재료는 구리 또는 구리 매트릭스 합금을 포함하고, 이의 구조 형태는 본 발명의 상기 어느 하나의 실시예에 따른 복합 집전체를 사용한다.
음극 활물질층 중의 음극 활물질은 본 기술분야에 공지된 이차 전지에 사용되는 음극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 음극 활물질은 인조 흑연, 천연 흑연, 소프트 카본, 하드 카본, 규소 매트릭스 재료, 주석 매트릭스 재료 및 리튬 티탄산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 규소 매트릭스 재료는 단체 규소, 규소-산소 화합물, 규소-탄소 복합체, 규소-질소 복합체 및 규소 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 주석 매트릭스 재료는 단체 주석, 주석-산소 화합물 및 주석 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 재료에 한정되지 않고, 또한 전지 음극 활물질로 사용될 수 있는 다른 전통적인 재료를 사용할 수 있다. 이러한 음극 활물질은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 활물질층은 또한 선택 가능하게 바인더를 포함한다. 바인더는 스티렌-부탄디엔 고무(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산나트륨(PAAS), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리비닐알코올(PVA), 알긴산나트륨(SA), 폴리메타크릴산(PMAA) 및 카르복시메틸키토산(CMCS) 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 활물질층은 또한 선택 가능하게 전도제를 포함한다. 전도제는 초전도성 카본, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 활물질층은 또한 선택 가능하게 증점제(예를 들어, 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC-Na))와 같은 다른 보조제를 포함한다.
일부 실시형태에서, 다음과 같은 방식을 통해 음극편을 제조할 수 있다. 음극편의 제조를 위한 상기 성분, 예를 들어 음극 활물질, 전도제, 바인더 및 임의의 다른 성분을 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 음극 슬러리를 형성하고; 음극 슬러리를 음극 복합 집전체 상에 코팅한 다음, 건조 및 냉압 등 공정을 거쳐 음극편을 획득한다.
[전해질]
전해질은 양극편과 음극편 사이에서 이온을 전도하는 작용을 한다. 본 발명의 실시예는 전해질의 종류에 대해 구체적으로 한정하지 않고, 요구사항에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 전해질은 액체 상태, 겔 상태 또는 완전 고체 상태일 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해질은 전해액을 사용한다. 전해액은 전해질 염 및 용매를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전해질 염은 육불화인산리튬, 사불화붕산리튬, 과염소산리튬, 육불화비산리튬, 리튬 비스플루오로술포닐이미드, 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐이미드, 리튬 트리플루오로메탄술포네이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 리튬 디플루오로옥살레이트 보레이트, 리튬 비스옥살레이트 보레이트, 리튬 디플루오로 비스옥살레이트 포스페이트 및 리튬 테트라플루오로옥살레이트 포스페이트 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 용매는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 플루오로 에틸렌 카보네이트, 메틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 1,4-부티롤락톤, 술포란, 디메틸술폰, 에틸메틸술폰 및 디에틸술폰 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 전해액은 또한 선택 가능하게 첨가제를 포함한다. 예를 들어, 첨가제는 음극 성막 첨가제, 양극 성막 첨가제를 포함할 수 있고, 또한 전지의 일부 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 포함할 수 있으며, 예를 들어 전지 과충전 성능을 개선하기 위한 첨가제, 전지 고온 성능 또는 저온 성능을 개선하기 위한 첨가제 등이다.
[분리막]
일부 실시형태에서, 이차 전지는 분리막을 더 포함한다. 본 발명의 실시예는 분리막의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 임의의 공지된 우수한 화학적 안정성 및 기계적 안정성을 갖는 다공성 구조 분리막을 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 분리막의 재료는 유리 섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 분리막은 단층 필름일 수 있고, 다층 복합 필름일 수도 있으며, 특별히 한정하지 않는다. 분리막이 다층 복합 필름인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다.
일부 실시형태에서, 양극편, 음극편 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 조립체로 제조될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이차 전지는 외부 패키지를 포함할 수 있다. 상기 외부 패키지는 상기 양극편, 음극편, 분리막 및 전해질을 패키징하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이차 전지의 외부 패키지는 하드 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스와 같은 하드 케이스일 수 있다. 이차 전지의 외부 패키지는 파우치형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수 있다. 소프트 패키지의 재료는 플라스틱일 수 있고, 플라스틱으로서 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 숙시네이트 등을 예로 들 수 있다.
[이차 전지]
본 발명의 실시예는 또한 이차 전지를 제공한다.
도 16은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 이차 전지의 전극 조립체의 구조 모식도이다. 도 17은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 이차 전지의 분해 모식도이다.
도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 이차 전지(30)는 상단 커버 어셈블리(31)와 케이스(32), 및 케이스(32) 내에 수용되는 전극 조립체(40)와 전해질을 포함한다. 전극 조립체(40)는 극편(50) 및 분리막(41)을 포함한다. 극편(50)은 양극편 및 음극편을 포함한다. 이차 전지(30)의 충방전 과정에서 양극편과 음극편 사이에 활성 이온이 왕복으로 삽입 및 용출된다. 전해질은 양극편과 음극편 사이에서 이온을 전도하는 작용을 한다. 분리막(41)은 양극편과 음극편 사이에 설치되어, 주로 양극과 음극의 단락을 방지하는 작용을 함과 동시에 이온이 통과되도록 한다. 구체적으로, 상기 이차 전지는 권취형 또는 적층형 전지일 수 있고, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지, 리튬 일차 전지, 나트륨 이온 전지, 마그네슘 이온 전지 중 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 도 14는 권취형 전극 조립체를 도시한다.
일부 실시형태에서, 양극편은 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 양극편을 포함한다. 본 발명의 실시예의 이차 전지(30)는 본 발명의 제2 양태의 극편을 사용하므로, 전통적인 이차 전지에 비해 전기화학적 성능이 우수하다. 상응하게는, 음극편은 본 기술분야의 일반적인 음극편 또는 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 음극편을 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극편은 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 음극편을 포함한다. 본 발명의 실시예의 이차 전지(30)는 본 발명의 제2 양태의 극편을 사용하므로, 전통적인 이차 전지에 비해 전기화학적 성능이 우수하다. 상응하게는, 양극편은 본 기술분야의 일반적인 양극편을 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극편은 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 양극편을 포함한다. 음극편은 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 음극편을 포함한다. 본 발명의 실시예의 이차 전지(30)는 본 발명의 제2 양태의 극편을 사용하므로, 전통적인 이차 전지에 비해 전기화학적 성능이 우수하다.
본 발명은 이차 전지(30)의 형상에 대해 특별히 한정하지 않고, 원통형, 직사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 17은 일 예시로서 직사각형 구조의 이차 전지이다.
일부 실시형태에서, 이차 전지(30)의 외부 패키지는 케이스(32) 및 상단 커버 어셈블리(31)를 포함할 수 있다. 여기서, 케이스(32)는 바닥판과 바닥판 상에 연결된 측판을 포함할 수 있고, 바닥판과 측판은 둘러싸여 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(32)는 수용 캐비티와 연통하는 개구를 갖고, 상단 커버 어셈블리(31)는 상기 개구에 씌움 설치되어 수용 캐비티를 밀폐시킬 수 있다. 양극편, 음극편 및 분리막(41)은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 조립체(40)로 형성될 수 있다. 전극 조립체(40)는 수용 캐비티 내에 패키징되고, 전해액은 전극 조립체(40)에 침윤된다. 이차 전지(30)에 포함되는 전극 조립체(40)의 개수는 1개 또는 여러 개일 수 있고, 당업자는 구체적인 실제 요구사항에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 이차 전지(30)는 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함되는 이차 전지의 개수는 1개 또는 여러 개일 수 있으며, 구체적인 개수는 당업자가 전지 모듈의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 전지 모듈의 부분 구조 모식도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 전지 모듈(20)에서 다수의 이차 전지(30)는 전지 모듈(20)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열 설치될 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식에 따라 배열될 수도 있다. 또한, 체결구를 통해 상기 다수의 이차 전지(30)를 고정할 수 있다.
선택적으로, 전지 모듈(20)은 수용 공간을 갖는 케이스를 더 포함할 수 있고, 다수의 이차 전지(30)는 상기 수용 공간에 수용된다.
일부 실시형태에서, 상기 전지 모듈은 또한 전지 팩으로 조립될 수 있고, 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 개수는 1개 또는 여러 개일 수 있으며, 구체적인 개수는 당업자가 전지 팩의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 전지 팩의 분해 모식도이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 전지 팩(10)은 전지 박스 및 전지 박스에 설치된 다수의 전지 모듈(20)을 포함할 수 있다. 전지 박스는 상부 박스 바디(12) 및 하부 박스 바디(11)를 포함하며, 상부 박스 바디(12)는 하부 박스 바디(11)에 씌움 설치될 수 있고, 전지 모듈(20)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 다수의 전지 모듈(20)은 임의의 방식에 따라 전지 박스에 배열될 수 있다.
또한, 본 발명은 또한 전기 장치를 제공한다.
도 20은 본 발명의 일부 실시예에서 제공되는 전기 장치의 구조 모식도이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 전기 장치(1)는 본 발명에서 제공되는 이차 전지(30), 전지 모듈, 또는 전지 팩 중 적어도 하나를 포함한다. 이차 전지(30), 전지 모듈 또는 전지 팩은 전기 장치의 전원으로 사용될 수 있거나, 전기 장치의 에너지 저장 유닛으로 사용될 수도 있다. 전기 장치(1)는 이동 기기(예를 들어, 핸드폰, 노트북 컴퓨터 등), 전기 자동차(예를 들어, 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 병렬형 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
전기 장치로서, 이의 사용 요구사항에 따라 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
상기 전기 장치(1)는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 병렬형 하이브리드 전기 자동차 등이다. 이차 전지(30)의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 상기 전기 장치(1)의 요구사항을 충족시키 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈을 사용할 수 있다.
다른 예시의 장치로서 핸드폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 상기 장치는 통상적으로 가볍고 얇아야 하므로, 이차 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 하기에서 설명되는 실시예는 예시적인 것이고, 단지 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 아니 된다. 실시예에 구체적인 기술 또는 조건이 명시되지 않은 경우, 본 기술분야 내의 문헌에 설명된 기술 또는 조건에 따라 또는 제품 설명서에 따라 사용된다. 제조업체가 명시되지 않은 사용된 시약 또는 기기는 시중에서 구할 수 있는 일반적인 제품일 수 있다.
실시예 1
1. 양극 복합 집전체의 제조
두께가 4.5 μm인 PET 지지층(융점 251℃)을 선택하고, 지지층의 표면을 세척 처리하며;
폴리우레탄 접착제를 상기 지지층 중 하나의 표면에 코팅하여, 바인더층의 형성을 위한 바인더층의 코팅층(두께 약 2 μm)을 형성하고;
상기 코팅층을 사전 베이킹하며;
사전 베이킹된 코팅층 상에 제1 전도성 시트로서 알루미늄층을 제공하고, 제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하여, 제1 전도성 시트와 지지층이 복합 집전체의 제1 적층체로 형성되도록 하며;
상기 제1 적층체를 고온에서 압출하고, 압출 후 경화하며;
폴리우레탄 접착제를 상기 지지층 중 다른 하나의 표면에 코팅하여, 바인더층의 형성을 위한 코팅층(두께 약 2 μm)을 형성하고;
사전 베이킹된 코팅층 상에 제2 전도성 시트로서 알루미늄층을 제공하고, 제2 전도성 시트는 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하여, 제2 전도성 시트와 지지층이 복합 집전체의 제2 적층체로 형성되도록 하며;
상기 제2 적층체를 고온에서 압출하고, 압출 후 경화하며; PET와 알루미늄층 사이에 바인더층을 포함하는 복합 집전체를 형성하고; 2개의 알루미늄층이 각각 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 형성하며;
제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하고, 제2 전도성 시트는 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분은 2개의 제1 표면에 각각 설치되고, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분은 모두 지지층으로부터 돌출된다. 여기서, 제1 서브 부분, 제2 서브 부분, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 두께는 모두 5 μm이고, 제1 부분의 두께 A는 10 μm이며, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이고, A/B=1이며;
제3 서브 부분과 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하는 바, 맞춤형 가열 롤러를 사용하여 표면 온도를 675℃로 가열하고, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분을 60 T의 압력으로 열압착하였다.
2. 양극편의 제조
양극 활물질 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523), 전도성 카본 블랙, 바인더 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)를 82:14:2:2의 중량비에 따라 적당량의 N-메틸피롤리돈(NMP) 용매에 충분히 교반 혼합하여, 균일한 양극 슬러리를 형성하며; 양극 슬러리를 양극 복합 집전체의 표면에 코팅하고, 건조, 냉압, 탭 절단 등 공정을 거쳐 양극편을 획득하였다.
3. 음극 복합 집전체
두께가 6 μm인 구리박을 사용하였다.
4. 음극편의 제조
음극 활물질 흑연, 전도성 카본 블랙, 증점제 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 바인더 스티렌-부탄디엔 고무 에멀젼(SBR)을 96.5:1.0:1.0:1.5의 중량비에 따라 적당량의 탈이온수에 충분히 교반 혼합하여, 균일한 음극 슬러리를 형성하며; 음극 슬러리를 음극 복합 집전체에 코팅하고, 건조 등 공정을 거쳐 음극편을 획득하였다.
5. 분리막
PP 필름을 사용하였다.
6. 전해액의 제조
부피비가 3:7인 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 균일하게 혼합하여 유기 용매를 획득한 다음, 1 mol/L의 LiPF6을 상기 유기 용매에 균일하게 용해시켰다.
7. 이차 전지의 제조
양극편, 분리막, 음극편을 순차적으로 적층 설치한 다음, 전지 코어로 권취하고 패키징 케이스에 넣으며, 상기 전해액을 전지 코어에 주입한 다음, 밀봉, 정치, 열압 및 냉압, 형성 등 공정을 거쳐 이차 전지를 획득하였다.
실시예 2
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제3 서브 부분과 제4 서브 부분의 외부 표면에 각각 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분과 제2 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 3 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 6 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=0.6이다.
실시예 3
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제3 서브 부분과 제4 서브 부분에 각각 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분과 제2 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 9 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분의 두께는 1 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 1 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 1 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 1 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 2 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=0.2이다.
실시예 4
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제3 서브 부분과 제4 서브 부분에 각각 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분과 제2 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 63℃이고, 테이프 주행 속도는 9 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분의 두께는 0.75 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 0.75 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 0.75 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 0.75 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 10 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 5 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=0.15이다.
실시예 5
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제3 서브 부분과 제4 서브 부분에 각각 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분과 제2 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 65℃이고, 테이프 주행 속도는 8m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분의 두께는 0.5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 0.5 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 0.5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 0.5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 1 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=0.1이다.
실시예 6
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제3 서브 부분과 제4 서브 부분에 각각 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이다.
화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 8 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=0.8이다.
실시예 7
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제2 서브 부분과 제4 서브 부분에 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기를 사용하여 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분에 각각 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이다.
화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분과 제3 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 8 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 8 μm이며, A/B=1이다.
실시예 8
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
직접 화학적 에칭 방식으로 제1 서브 부분, 제2 서브 부분, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, 보호되지 않은 영역의 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 3 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 3 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 3 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 6 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 6 μm이며, A/B=1이다.
실시예 9
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제1 서브 부분, 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분에 각각 PMMA 보호층을 설치하고;
화학적 에칭 방식으로 제3 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, 보호되지 않은 영역의 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 10 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 8 μm이며, A/B=1.1이다.
실시예 10
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제1 전도성 시트와 제2 전도성 시트 사이에 연결층(주석층)을 형성하는 바, 주석 분말을 구입하고, 1 μm의 체로 걸러 입경이 1 μm보다 큰 분말을 제거하며, 주석 분말과 PVDF를 98:2의 중량비로 NMP에 첨가하여 균일하게 교반한 다음, 주석 입자가 포함된 슬러리를 제4 서브 부분과 마주하는 제3 서브 부분의 표면에 코팅하고, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 하여 건조시키며, 주석층의 두께는 1 μm이고;
제3 서브 부분, 주석층 및 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하며, 용접 온도는 300℃이고, 압력은 30 T이며;
제1 서브 부분에 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제1 서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제1 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제1 서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제3 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 12 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제3 서브 부분의 두께는 4 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 4 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 주석층의 두께는 1 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 10 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=1이다.
실시예 11
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제1 전도성 시트와 제2 전도성 시트 사이에 연결층(주석층)을 형성하는 바, 주석 분말을 구입하고, 2 μm의 체로 거르며, 주석 분말과 PVDF를 98:2의 중량비로 NMP에 첨가하여 균일하게 교반한 다음, 주석 입자가 포함된 슬러리를 제4 서브 부분과 마주하는 제3 서브 부분의 표면에 코팅하고, 오븐 온도를 80 ~ 100℃하여 건조시키며, 주석층의 두께는 2 μm이고;
제3 서브 부분, 주석층 및 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하며, 용접 온도는 300℃이고, 압력은 30 T이며;
제1 서브 부분에 PMMA 보호층을 설치하고, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 코팅기의 백 롤러에서 제1서브 부분에 대응하는 위치에 테프론 패드를 붙이며, 패드 사이즈를 제13 서브 부분에 대응되도록 설계하고, PMMA 보호층을 코팅할 때 제1서브 부분의 위치만 코팅하며, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하고, 오븐으로 베이킹하며, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제3 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 주석층의 두께는 2 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 10 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=1이다.
실시예 12
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제1 전도성 시트와 제2 전도성 시트 사이에 연결층(주석층)을 형성하는 바, 주석 분말을 구입하고, 5 μm의 체로 걸러 입경이 5 μm보다 큰 분말을 제거하며, 주석 분말과 PVDF를 98:2의 중량비로 NMP에 첨가하여 균일하게 교반한 다음, 주석 입자가 포함된 슬러리를 제4 서브 부분과 마주하는 제3 서브 부분의 표면에 코팅하고, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 하여 건조시키며, 주석층의 두께는 5 μm이고,
제3 서브 부분, 주석층 및 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하며, 용접 온도는 310℃이고, 압력은 35 T이며;
제1 서브 부분 및 제2 서브 부분에 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 패드 사이즈를 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분에 대응되도록 설계하며, PMMA 보호층을 코팅할 때 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분의 위치만 코팅하고, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하며, 오븐으로 베이킹하고, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 ~ 10m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제3 서브 부분의 두께는 2.5 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 2.5 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 2.5 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 2.5 μm이며, 주석층의 두께는 5 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 10 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=1이다.
실시예 13
실시예 1과 다른 점은 열압착 단계 이후에 하기와 같은 단계를 추가한 것이다.
제1 전도성 시트와 제2 전도성 시트 사이에 연결층(폴리아닐린층)을 형성하는 바, 전도성 폴리아닐린의 분말을 구입하고, 연마를 통해 입자를 세분화하며, 2 μm의 체로 걸러 입경이 2 μm보다 큰 분말을 제거하고, 폴리아닐린 입자와 PVDF를 99:1의 중량비로 NMP에 첨가하며, NMP 용액에서 100℃로 가열하고 진공하에 균일하게 교반한 다음, 폴리아닐린이 포함된 슬러리를 제4 서브 부분과 마주하는 제3 서브 부분의 표면에 코팅하고, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 하여 건조시키며, 폴리아닐린층의 두께는 2 μm이고;
제3 서브 부분, 폴리아닐린층 및 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하며, 용접 온도는 370℃이고, 압력은 35 T이며;
제1 서브 부분에 PMMA 보호층을 설치하는 바, 초기 도료로 PMMA-아니솔 용액을 구입하고, 패드 사이즈를 제1 서브 부분에 대응되도록 설계하며, PMMA 보호층을 코팅할 때 제1 서브 부분의 위치만 코팅하고, 오븐 온도를 80 ~ 100℃로 설정하며, 오븐으로 베이킹하고, 코팅 속도는 8 m/min이고, 보호층의 최종 두께는 약 30 μm이며;
화학적 에칭 방식으로 제3 서브 부분의 두께를 에칭하여 박형화하고, 특정 영역에 보호층이 코팅된 복합 집전체를 NaOH 용액이 포함된 에칭 탱크에 통과시키며, 용액 온도는 60℃이고, 테이프 주행 속도는 11 m/min이며, PMMA 보호층이 설치되지 않은 전도층의 두께를 박형화하고, 물 세척 및 건조 후 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이며;
PMMA 보호층을 제거하고, 에칭된 복합 집전체를 아세톤이 포함된 용해조에 통과시키며, 아세톤의 온도는 50℃이고, 테이프 주행 속도는 10 m/min이며, 즉, 표면의 PMMA층을 제거할 수 있고;
본 실시예의 제1 서브 부분의 두께는 5 μm이고, 제2 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 제3 서브 부분의 두께는 3 μm이고, 제4 서브 부분의 두께는 5 μm이며, 폴리아닐린층의 두께는 2 μm이다. 제1 부분의 두께 A는 10 μm이고, 제2 부분의 두께 B는 10 μm이며, A/B=1이다.
실시예 14
1. 음극 복합 집전체의 제조
두께가 4.5 μm인 PP 지지층(융점 189℃)을 선택하고, 지지층의 표면을 세척 처리하며;
폴리우레탄 접착제를 상기 지지층의 하나의 표면에 코팅하여, 바인더층의 형성을 위한 코팅층(두께 2 μm)을 형성하고;
상기 코팅층을 사전 베이킹하며;
사전 베이킹된 코팅층 상에 제1 전도성 시트로서 구리층을 제공하고, 제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하며, 제3 서브 부분에 주석층을 코팅하고, 주석층의 두께는 2 μm이며, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하고, 맞춤형 열압 롤러를 통해 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분만 열압착하며, 압력은 35 T이고, 온도는 300℃이며, 복합 집전체의 형성을 위한 제1 적층체를 형성하고,
상기 제1 적층체를 고온에서 압출하고, 압출 후 경화하며; PET와 구리층 사이에 바인더층을 포함하는 복합 집전체를 형성하고; 2개의 구리층이 각각 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 형성하며;
제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하고, 제2 전도성 시트는 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분은 2개의 제1 표면에 각각 설치되고, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분은 지지층으로부터 돌출되며, 여기서 제1 서브 부분, 제2 서브 부분, 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분의 두께는 모두 5 μm이고, Sn 연결층의 두께는 2 μm이고, 제1 부분의 두께 A는 10 μm이며, 제2 부분의 두께 B는 12 μm이고, A/B=0.83이다.
2. 음극편의 제조
음극 활물질 흑연, 전도성 카본 블랙, 증점제 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 바인더 스티렌-부탄디엔 고무 에멀젼(SBR)을 96.5:1.0:1.0:1.5의 중량비에 따라 적당량의 탈이온수에 충분히 교반 혼합하여, 균일한 음극 슬러리를 형성하며; 음극 슬러리를 양극 복합 집전체의 표면에 코팅하고, 건조 등 공정을 거쳐 음극편을 획득하였다.
3. 양극 복합 집전체
두께가 13 μm인 알루미늄박을 사용하였다.
4. 양극편의 제조
양극 활물질 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523), 전도성 카본 블랙, 바인더 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)를 82:14:2:2의 중량비에 따라 적당량의 N-메틸피롤리돈(NMP) 용매에 충분히 교반 혼합하여, 균일한 양극 슬러리를 형성하며; 양극 슬러리를 양극 복합 집전체에 코팅하고, 건조 등 공정을 거쳐 양극편을 획득하였다.
5. 분리막
PP 필름을 사용하였다.
6. 전해액의 제조
부피비가 3:7인 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸 메틸 카보네이트(EMC)를 균일하게 혼합하여 유기 용매를 획득한 다음, 1 mol/L의 LiPF6을 상기 유기 용매에 균일하게 용해시켰다.
7. 이차 전지의 제조
양극편, 분리막, 음극편을 순차적으로 적층 설치한 다음, 전지 코어로 권취하고 패키징 케이스에 넣으며, 상기 전해액을 전지 코어에 주입한 다음, 밀봉, 정치, 열압 및 냉압, 형성 등 공정을 거쳐 이차 전지를 획득하였다.
비교예 1
두께가 4.5 μm인 PP 필름을 지지층으로 선택하고, 상면과 하면에 두께가 0.5 μm인 알루미늄박을 전도층으로 설치하며, 전사 용접 공정을 통해 전도층 에지에 탭 절단을 위해 외부 알루미늄박을 용접하였다.
성능 테스트 방법
1. 이차 전지의 부피 에너지 밀도 테스트
상온에서, 제작된 이차 전지를 1C 배율의 전류로 1차 충전하고, 충전은 정전류 정전압 충전이며, 차단 전압은 4.2V이고, 차단 전류는 0.05C이며; 1C 배율의 전류로 방전하고, 방전 차단 전압은 2.8V이며, 이차 전지가 처음으로 사이클링될 때의 방전 용량 Cb 및 방전 안정 전압 U를 기록하였다.
최소 눈금이 1 mm인 자유곡선자 또는 강철자를 사용하여 전지의 길이(L), 폭(W) 및 높이(H)를 측정하고, 이차 전지의 부피 에너지 밀도는 하기와 같은 공식을 통해 계산하였다.
부피 에너지 밀도=Cb*U/(L*W*H).
2. 직류 방전 저항 DCR 검출
테스트 조건은 상온이고, 제작된 이차 전지를 50% SOC에서 4C 배율(정전류를 I로 표시)로 30 s 동안 방전하며, 방전 전후의 전압 강하는 ΔV이고, DCR=ΔV/I이다.
제1 부분 제2 부분 A/B 연결층 이차 전지 성능
제1 서브 부분의 두께/μm 제2 서브 부분의 두께/μm
A/ μm
 제3 서브 부분의 두께/μm 제4 서브 부분의 두께/μm B/
μm		 재료 두께/μm 이차 전지 에너지 밀도/(Wh/L) 과전류 성능DCR(mΩ)
실시예 1 5 5 10 5 5 10 1 / / 475 1.50
실시예 2 3 3 6 5 5 10 0.6 / / 488 1.53
실시예 3 1 1 2 5 5 10 0.2 / / 511 1.58
실시예 4 0.75 0.75 1.5 5 5 10 0.15 / / 517 1.64
실시예 5 0.5 0.5 1 5 5 10 0.1 / / 521 1.70
실시예 6 3 5 8 5 5 10 0.8 / / 483 1.52
실시예 7 3 5 8 3 5 8 1 / / 485 1.55
실시예 8 3 3 6 3 3 6 1 / / 490 1.59
실시예 9 5 5 10 3 5 8 1.25 / / 476 1.54
실시예 10 5 5 10 4 5 10 1 주석 1 475 1.50
실시예 11 5 5 10 3 5 10 1 주석 2 475 1.50
실시예 12 5 5 10 2.5 2.5 10 1 주석 5 474 1.51
실시예 13 5 5 10 3 5 10 1 폴리아닐린 2 473 1.52
실시예 14 5 5 10 5 5 12 0.83 주석 2 447 1.50
비교예 1 0.5 0.5 1 / / / / / / 501 1.97
표 1로부터 알 수 있다시피, 비교예 1은 전사 용접 공정으로 전도층의 에지와 외부 알루미늄박을 용접하며, 용접 영역에는 상하 두 층의 독립적인 알루미늄박이 있고, 용접 영역에는 용접이 있으며, 이러한 용접 방식은 용접 강도를 일정한 정도로 제한하고, 용접 영역의 탭의 두께를 증가시며, 이는 과전류 성능을 향상시킬 수 있지만 이차 전지의 과전류 성능 및 에너지 밀도는 상대적으로 낮다. 비교예 1과 비교하면, 실시예 5는 핫멜트로 연결하며, 이차 전지의 과전류 성능 및 에너지 밀도는 크게 향상되었다.
실시예 1 ~ 실시예 5에서, 제1 부분의 두께가 얇아질수록 A/B 값이 점차 감소하고 이차 전지의 에너지 밀도가 점차 향상되지만, 동시에 직류 방전 저항도 점차 증가된다. 표 1로부터 알 수 있다시피, A/B가 0.2 ~ 1인 경우 이차 전지의 에너지 밀도 및 DCR은 우수하다. A/B＜0.2인 경우, DCR은 크게 증가된다.
실시예 6 ~ 실시예 9에서, 제2 부분의 상이한 영역의 두께를 차등적으로 설계함으로써, 이차 전지의 에너지 밀도 및 과전류 성능을 조절할 수 있고, 이차 전지는 상이한 응용 장면에 적응할 수 있다.
실시예 10 ~ 실시예 13에서, 제3 서브 부분과 제4 서브 부분 사이에 금속 연결층 또는 전도성 고분자 연결층을 추가하는 방식을 통해, 열압착 온도 및 가공 난이도를 낮출 수 있고, 특히 열압착 온도를 낮출 수 있는 바, 예를 들어 400℃ 이하로 낮출 수 있으며; 실시예 10 ~ 실시예 12의 이차 전지는 실시예 1의 직접적인 열압착과 유사한 에너지 밀도 및 과전류 성능을 유지할 수 있다. 이로부터 볼 수 있다시피, 금속 연결층은 복합 집전체의 가공에 도움이 되고, 기본적으로 이차 전지의 에너지 밀도 및 과전류 성능에 불리한 영향을 미치지 않는다.
실시예 14의 이차 전지의 에너지 밀도 및 과전류 성능은 우수하고, 이로부터 볼 수 있다시피 본 발명의 실시예의 복합 집전체는 양극 복합 집전체의 제조뿐만 아니라 음극 복합 집전체에도 적용되고 보편성을 갖는다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 전제하에 이에 대해 다양한 변경을 이룰 수 있고 균등물로 그 중의 부재를 대체할 수 있다. 특히, 구조적 충돌이 없는 한 각 실시예에서 언급된 각 기술특징은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 본 발명은 본문에 공개된 특정 실시예에 한정되지 않고, 특허청구범위의 보호범위에 속하는 모든 기술적 해결수단을 포함한다.
X, 두께 방향; Y, 제1 방향;
1, 전기 장치; 10, 전지 팩; 11, 하부 박스 바디; 12, 상부 박스 바디; 20, 전지 모듈; 30, 이차 전지; 31, 상단 커버 어셈블리; 32, 케이스; 40, 전극 조립체; 50, 극편; 41, 분리막;
60, 복합 집전체;
70, 지지층; 71, 제1 표면; 72, 단부; 73, 지지부;
80, 전도층; 81, 제1 부분; 811, 제1 서브 부분; 8111, 제3 표면; 812, 제2 서브 부분; 82, 제2 부분; 821, 제3 서브 부분; 8211, 제2 표면; 822, 제4 서브 부분; 823, 연결층;
90, 활물질층;
100, 보호층.

Claims (18)

  1. 복합 집전체로서,
    두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면을 갖는 지지층; 및
    제1 부분 및 제2 부분을 포함하고 2개의 상기 제1 표면에 설치되는 전도층을 포함하되,
    상기 제1 부분은 2개의 상기 제1 표면에 각각 설치되는 제1 서브 부분 및 제2 서브 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 제3 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며,상기 제3 서브 부분과 상기 제1 서브 부분은 일체로 설치되고, 상기 제4 서브 부분과 상기 제2 서브 부분은 일체로 설치되며, 상기 제3 서브 부분과 상기 제4 서브 부분은 모두 제1 방향을 따라 상기 지지층으로부터 돌출되고, 상기 제3 서브 부분과 상기 제4 서브 부분은 서로 접착되어 일체로 용접되는 복합 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 서브 부분, 제1 방향을 따른 상기 지지층의 단부 및 상기 제4 서브 부분은 서로 접착되어 일체로 용접되는 복합 집전체.
  3. 제2항에 있어서,
    제1 방향을 따른 상기 단부의 폭은 1 mm ~ 10 mm, 선택적으로 5 mm ~ 8 mm인 복합 집전체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 서브 부분은 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제2 표면을 포함하고, 상기 제1 서브 부분은 상기 제2 표면에 대해 상기 두께 방향을 따라 돌출되는 복합 집전체.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 서브 부분은 상기 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제2 표면을 포함하고;
    상기 제1 서브 부분은 상기 두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제3 표면을 포함하며, 2개의 상기 제3 표면 중 하나는 상기 제2 표면과 같은 높이인 복합 집전체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 부분의 두께는 A이고, 상기 제2 부분의 두께는 B이되, 0.03≤A/B≤1이고; 선택적으로, 0.2≤A/B≤1인 복합 집전체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 서브 부분의 두께는 상기 제2 서브 부분의 두께보다 크거나 같고; 및/또는
    상기 제3 서브 부분의 두께는 상기 제4 서브 부분의 두께보다 크거나 같은 복합 집전체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 부분은 상기 제3 서브 부분과 상기 제4 서브 부분 사이에 위치하는 연결층을 더 포함하고, 상기 연결층의 융점은 상기 제3 서브 부분의 융점보다 작은 복합 집전체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결층은 금속층 및 유기 전도성 고분자층 중 적어도 하나를 포함하고;
    선택적으로, 상기 금속층의 재료는 주석, 인듐, 비스무트 및 카드뮴 중 적어도 하나를 포함하며;
    선택적으로, 상기 유기 전도성 고분자층의 재료는 폴리피롤(polypyrrol), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리페닐(polyphenyl) 및 폴리페닐아세틸렌(polyphenylacetylene) 중 적어도 하나를 포함하는 복합 집전체.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 연결층의 두께는 1 μm ~ 5 μm인 복합 집전체.
  11. 복합 집전체의 제조 방법으로서,
    두께 방향을 따라 서로 대향되는 2개의 제1 표면을 포함하는 상기 지지층을 제공하는 단계;
    제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 제공하고, 상기 제1 전도성 시트 및 상기 제2 전도성 시트를 2개의 상기 제1 표면에 각각 연결하되, 상기 제1 전도성 시트는 제1 서브 부분 및 제3 서브 부분을 포함하고, 상기 제2 전도성 시트는 제2 서브 부분 및 제4 서브 부분을 포함하며, 상기 제1 서브 부분 및 상기 제2 서브 부분은 2개의 상기 제1 표면에 각각 설치되고, 상기 제3 서브 부분과 상기 제4 서브 부분은 모두 상기 지지층으로부터 돌출되는 단계; 및
    상기 제3 서브 부분과 상기 제4 서브 부분을 서로 접착시켜 일체로 용접하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 두께 방향을 따라 상기 제1 서브 부분의 일부를 제거하여 상기 제1 서브 부분의 두께를 박형화하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 두께 방향을 따라 상기 제3 서브 부분의 일부를 제거하여 상기 제3 서브 부분의 두께를 박형화하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 극편으로서,
    활물질층 및 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복합 집전체 또는 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 복합 집전체를 포함하고, 상기 활물질층은 상기 복합 집전체의 상기 제1 부분의 표면에 설치되는 극편.
  15. 제14항에 따른 극편을 포함하는 이차 전지.
  16. 제15항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
  17. 제15항에 따른 이차 전지 또는 제16항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  18. 제15항에 따른 이차 전지, 제16항에 따른 전지 모듈 또는 제17항에 따른 전지 팩을 포함하는 전기 장치.
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