KR20230103261A - 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지 - Google Patents

전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 활성화 공정의 방전 및 출하충전 단계를 개선한 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지에 관한 것이다.

Description

전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지{Electrochemical-based secondary battery electrode activation method and secondary battery manufactured by the same}
본 발명은 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 활성화 공정의 방전 및 출하충전 단계를 개선한 이차전지 전극 활성화 공정 및 이의 공정으로 제조된 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 수행되었으며, 현재 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
일반적으로 리튬 이차전지를 제조함에 있어서, 먼저 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 물질을 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막의 양측에 적층함으로써 소정 형상의 전지셀을 형성한 다음에, 이 전지셀을 전지 케이스에 삽입하고 밀봉한다. 그리고, 이차전지의 불량 여부를 판정하고 성능, 특히 수명의 안정성을 확보하기 위해서, 제품 출하 전에 반드시 활성화 공정을 수행한다. 활성화 공정은 충전과 방전을 되풀이하여 전지를 활성화하고 가스를 제거하는 것으로서, 충전시 양극으로 사용되는 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 사용되는 카본(결정질 또는 비결정질) 전극으로 이동하여 삽입되는데, 이때 리튬은 반응성이 강하므로 카본 음극에서 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH 등의 화합물을 만들어내고, 이것들은 음극 표면에 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 피막을 형성하게 된다.
한편, 이차전지의 활성화 공정은 배터리에 생명을 불어넣는 공정이다.
일반적으로 배터리의 역할을 할 수 있도록 에이징하는 과정을 거치는데 에이징은 각 배터리 업체의 요구조건을 기준으로 정해진 온도, 습도에서 일정 시간 동안 보관을 의미한다. 에이징 단계를 통해 배터리 내부에 전해액을 충분히 분산시켜 이온의 이동이 최적화되도록 한다. 에이징 과정과 충방전을 거치며 배터리를 활성화 시키는데 이때 발생하는 열로 인해 이차전지의 정확한 용량을 측정하기 어렵고, 활성화를 위한 공정 시간이 길어지는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한
본 발명의 일 실시예는,
양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 위치한 분리막 및 전해질을 포함하는 이차전지를 상온에서 에이징하는 단계;
상기 에이징된 이차전지를 충전하는 단계; 및
상기 충전된 이차전지를 방전하는 출하방전 단계를 포함하는 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정이다.
또한, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한
본 발명의 다른 일 실시예는
상기 제조방법으로 제조한 이차전지이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 방은 양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 위치한 분리막 및 전해질을 포함하는 이차전지를 상온에서 에이징하는 단계; 상기 에이징된 이차전지를 충전하는 단계; 및 상기 충전된 이차전지를 방전하는 출하방전 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극은 LiCoO2, LiCoPO4, LiNi0.5Co0.2O2, Li1+aNixCoyO2(-0.5<a<0.5, 0<x<1, 0<y<1) 및 Lia(CobNicMnd)O2(0<a=1.2, 0.4=b=0.8, 0.1=c=0.3, 0.1=d=0.3, b+c+d=1) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 양극 활물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리막은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 적어도 하나 이상이고, 상기 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
한편 본 명세서에 개시된 기술에 관한 설명은 단지 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
또한 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소로 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에”와 “~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 종래 활성화 공정의 방전 및 출하충전 단계를 개선함으로써 용량에 대한 신뢰성이 향상된 효과를 가진다.
본 발명에 따른 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정은,
양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 위치한 분리막 및 전해질을 포함하는 이차전지를 상온에서 에이징하는 단계;
상기 에이징된 이차전지를 충전하는 단계; 및
상기 충전된 이차전지를 방전하는 출하방전 단계;를 포함한다.
이하 본 발명을 하기에 상세히 설명한다.
상기 양극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성되는 양극 활물질 층 을 포함한다.
여기서, 상기 상기 양극은 LiCoO2, LiCoPO4, LiNi0.5Co0.2O2, Li1+aNixCoyO2(-0.5<a<0.5, 0<x<1, 0<y<1) 및 Lia(CobNicMnd)O2(0<a=1.2, 0.4=b=0.8, 0.1=c=0.3, 0.1=d=0.3, b+c+d=1) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 양극 활물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 위에 형성된 음극 활물질을 포함할 수 있고, 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 음극 활물질 층은 음극 활물질, 바인더 조성물, 그리고 선택적 으로 도전재를 포함한다.
상기 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 전해질은 수성 유기용매와 리튬염을 포함하며, 바람직하게는 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC) 중 적어도 하나 이상이다.

Claims (5)

  1. 양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 위치한 분리막 및 전해질을 포함하는 이차전지를 상온에서 에이징하는 단계;
    상기 에이징된 이차전지를 충전하는 단계; 및
    상기 충전된 이차전지를 방전하는 출하방전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양극은 LiCoO2, LiCoPO4, LiNi0.5Co0.2O2, Li1+aNixCoyO2(-0.5<a<0.5, 0<x<1, 0<y<1) 및 Lia(CobNicMnd)O2(0<a=1.2, 0.4=b=0.8, 0.1=c=0.3, 0.1=d=0.3, b+c+d=1) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 양극 활물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 이차전지 전극 활성화 공정.
  5. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 활성화 공정으로 제조한 이차전지.
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