KR20230128457A - 양극 극판과 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩과 전기 장치 및 전지 내부의 전압차의 밸런스 방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 양극 극판을 제공하고, 상기 양극 극판은 적어도 이하 물질을 포함한다: LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및 니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬, 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질; 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%이고; 본 출원은 상기 양극 극판을 포함하는 이차 전지 및 이와 관련된 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 더 제공하며; 본 출원은 이차 전지의 내부 전압차의 밸런스 방법을 더 제공한다.

Description

양극 극판과 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩과 전기 장치 및 전지 내부의 전압차의 밸런스 방법
본 출원은 리튬 전지 기술 분야에 관한 것이고, 특히 양극 극판 및 이와 관련된 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이며, 본 출원은 또한 이차 전지 내부의 전압차의 밸런스 방법에 관한 것이다.본 출원은 리튬 전지 기술 분야에 관한 것이고, 특히 양극 극판 및 이와 관련된 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이며, 본 출원은 또한 이차 전지 내부의 전압차의 밸런스 방법에 관한 것이다.
최근 리튬 이온 전지의 광범위한 적용으로, 리튬 이온 전지는 수력, 화력, 풍력, 태양광 발전소와 같은 에너지 저장 전원 시스템 및 전동 공구, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 군사 장비, 항공 우주 등 다양한 분야에 광범위하게 적용되고 있다. 그중 리튬인산철 전지는 용량이 크고 안전성이 좋으며 수명이 길고 가격이 저렴한 등의 특성으로 주목을 받고 있다. 그러나, 리튬인산철 전지는 사용과정에서 부정확한 잔전량 표시 및 급속한 용량 감쇠 등의 문제가 자주 발생하여, 사용자 체험에 심각한 영향을 미치고 있다. 따라서, 용량 유지 성능이 양호하고, 잔전량을 정확하게 표시할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것은 매우 의미가 있다.
본 출원은 상기 과제를 감안하여 이루어지는 것으로, 그 목적은 양극 극판을 제공하는데 있으며, 상기 양극 극판을 적용한 이차 전지가 양호한 용량 유지 성능을 갖도록 하고; 아울러, 상기 양극 극판을 적용한 이차 전지는 이차 전지의 잔전량을 정확하게 표시하여, 사용자 체험을 향상시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 출원은 양극 극판 및 이를 포함하는 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공한다. 또한, 본 출원은 이차 전지의 내부 전압차의 밸런스 방법을 제공한다.
본 출원의 제1 측면은 양극 극판을 제공하고, 상기 양극 극판은 적어도:
LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및
니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬(lithium nickel cobalt manganese), 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질;을 포함하고,
여기서, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%이다.
본 출원의 상기 양극 극판을 적용한 이차 전지는 전압자기균형성능이 우수하여 용량 유지 성능이 향상됨과 동시에, 이차 전지의 잔전량을 정확하게 표시함으로써, 사용자 체험을 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제1 활물질의 사용량은 30-90%이고, 선택적으로 70-90%이며, 보다 선택적으로 80-85%이다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 제1 활물질과 상기 제2 활물질의 질량비는 3 : 7 내지 9 : 1이고, 선택적으로 7 : 3 내지 9 : 1이며, 보다 선택적으로 80 : 20 내지 85 : 15이다.
제1 활물질과 제2 활물질의 질량비가 상기 범위 내에 있을 경우, 본 출원의 양극 극판을 적용한 이차 전지의 전압자기균형성능을 향상시키기에 유리하다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 제1 활물질은 인산철리튬 또는 인산망간철리튬 또는 인산철리튬과 인산망간철리튬의 혼합물이다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 제2 활물질은 니켈코발트망간산리튬 또는 니켈코발트알루미늄산리튬 중 적어도 하나를 포함하다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 양극 극판의 두께 방향에서, 상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심은 상기 제2 활물질 분포의 기하학적 중심보다 높지 않다.
제1 활물질의 기하학적 중심과 제2 활물질의 기하학적 중심의 분포가 상기 상황에 부합할 경우, 본 출원의 양극 극판을 적용한 이차 전지의 충전분극을 감소시켜, 이차 전지의 열발생 및 승온을 감소시킴으로써, 전지의 안전성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 양극 극판의 두께 방향에서, 상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심과 상기 제2 활물질 분포의 기하학적 중심은 중첩하거나; 또는 상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심은 제2 활물질 분포의 기하학적 중심보다 낮다.
본 출원의 제2 측면은 이차 전지의 내부 전압차의 밸런스 방법을 제공하고, 상기 방법에서 적어도 이하 물질을 포함하는 양극 극판을 사용한다:
LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및
니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬(lithium nickel cobalt manganese), 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질;을 포함하고,
여기서, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%이다.
본 출원의 제3 측면은 이차 전지를 제공하고, 상기 이차 전지는 본 출원의 제1 측면의 양극 극판을 포함한다. 이차 전지는 해당 분야에서 통상적으로 사용하는 이차 전지를 제조하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 이차 전지의 충전 전압 곡선에서, 85% 하전 상태에 대응하는 위치의 전압값 V1과 60% 하전 상태에 대응하는 위치의 전압값 V2은 하기 식을 만족한다: V1-V2 ≥ 0.15V.
V1과 V2이 상기 관계를 만족할 경우, 이차 전지의 전압자기균형성능을 양호하게 확보하여, 이차 전지의 용량 유지 성능을 향상시킴과 동시에, 이차 전지의 잔존 전력을 정확하게 표시하는 데 도움이 된다.
본 출원의 제4 측면은 전지 모듈을 제공하고, 상기 전지 모듈은 본 출원의 제3 측면의 이차 전지를 포함한다. 전지 모듈은 해당 분야에서 통상적으로 사용하는 전지 모듈을 제조하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
본 출원의 제5 측면은 전지 팩을 제공하고, 상기 전지 팩은 본 출원의 제4 측면의 전지 모듈을 포함할 수 있다. 전지 팩은 해당 분야에서 통상적으로 사용하는 전지 팩을 제조하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
본 출원의 제6 측면은 전기 장치를 제공하고, 상기 전기 장치는 본 출원의 제3 측면의 이차 전지, 본 출원의 제4 측면의 전지 모듈 또는 본 출원의 제5 측면의 전지 팩 중 적어도 하나로 선택된다.
[유익한 효과]
본 출원의 이차 전지에서, 양극 극판은 제1 활물질 및 제2 활물질을 포함하고, 두 활물질의 유기 결합은 이차 전지가 양호한 전압자기균형성능을 갖도록 하고, 극판 내부의 SOC (하전 상태, State of Charge) 상태 차이를 스스로 조절함으로써, 이차 전지의 용량 유지 성능을 개선함과 동시에, 전압과 SOC의 일대일 대응관계가 양호하기 때문에, 전압을 통해 잔전량을 모니터링할 때, 잔전량을 정확하게 표시하여, 사용자 체험을 향상시킬 수 있다.
본 출원에 따른 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치는 본 출원에서 제공하는 이차 전지를 포함하기에 적어도 상기 이차 전지와 동일한 이점이 있다.
도 1은 제1 활물질의 기하학적 중심(A)이 제2 활물질의 기하학적 중심(B)과 중첩되고 (도 1-1), 기하학적 중심(A)이 기하학적 중심(B)보다 낮은 경우(도 1-2)의 모식도이다.
도 2는 LFP(인산철리튬)의 충전 곡선(도 2-1) 및 NCM(니켈코발트망간산리튬)의 충전 곡선(도 2-2)이다. LFP의 충전 곡선은 비교적 완만하고, NCM의 충전 곡선은 비교적 가파르며, 전압과 SOC의 일대일 대응관계가 더 양호하다.
도 3은 단위전지(1)와 단위전지(2)가 병렬로 연결된 모식도이다.
도 4는 LFP계 (좌측 도면) 및 NCM523계 (즉, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)(우측 도면)에 대응하는 단위전지(1) 및 단위전지(2)의 SOC 차이가 SOC에 따라 증가하는 곡선도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시형태의 이차 전지의 모식도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 본 출원의 일 실시형태에 따른 이차 전지의 분해도이다.
도 7는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 모식도이다.
도 8은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 모식도이다.
도 9는 도8에 나타낸 본 출원의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 분해도이다.
도 10은 본 출원의 일 실시형태에 따른 이차 전지를 전원으로 사용하는 전기 장치의 모식도이다.
이하, 도면에 관한 상세한 설명을 참조하여 구체적으로 본 출원의 양극 극판 및 이의 제조 방법, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 개시한 실시형태를 구체적으로 개시한다. 그러나, 경우에 따라 불필요한 상세한 설명은 생략될 수 있다. 예를 들어, 공지된 사항에 대한 상세한 설명 및 실제로 동일한 구조에 대한 중복되는 설명은 생략되는 경우가 있다. 이는 하기 설명이 불필요하게 길어지는 것을 방지하고 당업자의 이해를 돕기 위한 것이다. 또한, 첨부 도면 및 하기 설명은 당업자가 본 출원을 충분히 이해하도록 제공되는 것이며, 특허청구범위의 주제를 한정하기 위한 것이 아니다.
본 출원에 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, 특정 매개변수에 대해 60 ~ 120 및 80 ~ 110의 범위가 나열되면, 60 ~ 110 및 80 ~ 120의 범위도 예상되는 것으로 이해된다. 또한 최소 범위 값 1과 2가 나열되고 최대 범위 값 3, 4, 5가 나열되면 1 ~ 3, 1 ~ 4, 1 ~ 5, 2 ~ 3, 2 ~ 4 및 2 ~ 5가 모두 예상될 수 있다. 본 출원에서, 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 ≥ 2 의 정수로 서술되는 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 출원의 모든 실시형태 및 선택적인 실시형태는 서로 조합되어 새로운 기술적 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 기술특징 및 선택적인 기술특징은 서로 조합되어 새로운 기술적 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 단계는 순차적으로 수행될 수 있고 랜덤으로 수행될 수 있으며, 순차적으로 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a) 및 (b)를 포함하고, 이는 상기 방법이 순차적으로 수행되는 단계 (a) 및 (b)를 포함할 수 있으며 순차적으로 수행되는 단계 (b) 및 (a)를 포함할 수도 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 언급된 상기 방법은 단계 (c)를 더 포함할 수 있고, 이는 단계 (c)가 상기 방법에 임의의 순서로 추가될 수 있다는 것을 나타내며, 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a), (b) 및 (c)를 포함할 수 있고, 단계 (a), (c) 및 (b)를 포함할 수도 있으며, 단계 (c), (a) 및 (b) 등을 포함할 수도 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원에서 언급된 “포괄” 및 “포함”은 개방형 및 폐쇄형을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 “포괄” 및 “포함”은 나열되지 않은 다른 성분을 더 포괄하거나 포함할 수 있고, 나열된 성분만을 포괄하거나 포함할 수 있음을 나타낸다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원에서 용어 “또는”은 포괄적인 것이다. 예를 들어, 문구 “A 또는 B”는 “A, B, 또는 A 및 B 양자”를 나타낸다. 보다 구체적으로, 아래 조건 중 어느 하나는 조건 “A 또는 B”를 모두 만족시킨다. A는 참(또는 존재)이고 B는 거짓(또는 부재)이거나; A는 거짓(또는 부재)이고 B는 참(또는 존재)이거나; 또는 A 및 B는 모두 참(또는 존재)이다.
유의해야 하는 것은, 당업자는, 본 명세서에서 사용되는 용어 “리튬이 풍부한 망간기”는 해당 분야에서 통상적으로 사용하는 리튬이 풍부한 망간기 재료를 가리키고, 이는 Li2MnO3 및 LiMnO2 2가지 성분을 포함하며, 화학식은 xLiMO2·(1-x)Li2MnO3으로 요약될 수 있으며, 여기서 0 < x < 1이다.
유의해야 하는 것은, 본 출원에서, 용어 “전압자기균형”은 제조한 이차 전지가 사용 과정에서, 셀 전지 내부의 전극 어셈블리의 서로 다른 영역의 위치에서 하전 상태 분포가 다름으로 인해 발생되는 전압차에 대해 자기균형을 진행하는 것을 가리킨다. 양호한 “전압 가기 균형” 성능은 이차 전지의 용량 유지 성능을 개선하고, 이차 전지의 안전성 및 수명을 개선하는데 유리하다.
유의해야 하는 것은, 본 출원에서, 용어 “기하학적 중심”은 활물질 재료가 극판의 두께방향에서 분포되는 위치의 기하학적 중심을 가리킨다. 예를 들어, 제1 활물질이 극판의 두께방향에서 분포되는 위치의 기하학적 중심은 기하학적 중심(A)이고, 제2 활물질이 극판의 두께방향에서 분포되는 위치의 기하학적 중심은 기하학적 중심(B)이다.
본 출원의 발명자는 실제 작업에서 아래 사실을 발견하였다: 인산철리튬 이차 전지 사용 과정에서 잔전량이 부정확하게 표시되고, 용량이 급격히 감쇠하는 등의 문제가 자주 발생하여, 사용자 체험에 심각한 영향을 미친다. 뜻밖으로, 발명자는 많은 시도를 한 결과, 인산철리튬 양극 극판에 제2 활물질을 추가 첨가함으로써, 상기 문제점을 효과적으로 개선할 수 있음을 발견하였다.
[양극 극판]
본 출원의 제1 측면은 양극 극판을 제공하고, 상기 양극 극판은 적어도:
LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및
니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬(lithium nickel cobalt manganese), 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질;을 포함하고,
여기서, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%이다.
본 출원의 양극 극판은 제1 활물질 및 제2 활물질을 포함하고, 두 활물질의 유기적 결합은 이차 전지가 양호한 전압자기균형성능을 갖도록 하며, 극판 내부의 SOC 상태 차를 스스로 조절하여, 이차 전지의 용량 유지 성능을 향상시킬 수 있고; 동시에, 전압과 SOC의 일대일 대응관계가 양호하기 때문에, 전압을 통해 잔전량을 모니터링할 경우, 잔전량을 정확하게 표시하고, 사용자 체험을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 양극 극판에서, 제1 활물질은 식 LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되고, 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이다. 예를 들어, x는 0, 0.1, 0.2, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8등으로부터 선택될 수 있다.
본 출원의 양극 극판에서, 제2 활물질은 니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬, 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 제2 활물질은 니켈코발트망간산리튬, 또는 니켈코발트망간산리튬과 니켈코발트알루미늄산리튬의 혼합물, 또는 니켈코발트망간산리튬, 니켈코발트알루미늄산리튬 및 인산바나듐리튬의 혼합물일 수 있다.
본 출원의 양극 극판에서, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%이다. 예를 들어, 제2 활물질의 사용량은 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60% 또는 70%일 수 있고, 선택적으로 15% 또는 20%일 수 있다.
제2 활물질의 사용량이 상기 범위 내에 있을 경우, 제조한 양극 극판이 양호한 전압자기균형성능을 갖고, 본 출원의 양극 극판을 적용한 이차 전지의 용량 유지 성능을 개선하는 동시에, 잔전량을 정확히 표시하도록 확보할 수 있다.
또한, 제1 활물질은 에너지 밀도가 낮지만 고온 안전성능이 양호하고, 제2 활물질은 고온 안전성능이 떨어질 수 있으므로, 제2 활물질의 사용량이 너무 많으면, 이차 전지의 고온 안전성능이 손상될 수 있다. 반면에, 제2 활물질의 사용량이 너무 적으면, 이차 전지의 에너지 밀도가 낮아질 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 제2 활물질의 총사용량이 본 출원에 한정된 범위 내인 전제 하에, 제2 활물질에 니켈코발트망간산리튬이 포함될 경우, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 니켈코발트망간산리튬의 최소함량은 5%이다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 제2 활물질의 총사용량이 본 출원에 한정된 범위 내인 전제 하에, 제2 활물질에 니켈코발트알루미늄산리튬이 포함될 경우, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 니켈코발트알루미늄산리튬의 최소함량은 5%이다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제1 활물질의 사용량은 30-90%이고, 선택적으로 70-90%이며, 보다 선택적으로 80-85%이다.
제1 활물질의 사용량이 상기 범위보다 클 경우, 양극 극판의 에너지 밀도는 낮아질 수 있고; 제1 활물질의 사용량이 상기 범위보다 작을 경우, 양극 극판을 적용한 이차 전지의 고온 안전성능이 낮아질 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 제1 활물질과 상기 제2 활물질의 질량비는 3 : 7 내지 9 : 1이고, 선택적으로 7 : 3 내지 9 : 1이며, 보다 선택적으로 80 : 20 내지 85 : 15이다.
상기 질량비로 제1 활물질과 제2 활물질을 유기적으로 결합함으로써, 양극 극판을 적용한 이차 전지가 양호한 전압자기균형성능을 갖도록 할 수 있다. 또한, 상기 질량비의 제1 활물질 및 제2 활물질을 포함하는 양극 극판은 비교적 높은 에너지 밀도를 갖는 동시에, 상기 양극 극판을 적용한 이차 전지도 우수한 고온 성능을 갖는다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 제1 활물질은 인산철리튬 또는 인산망간철리튬 또는 인산철리튬과 인산망간철리튬의 혼합물이다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 제2 활물질은 니켈코발트망간산리튬 또는 니켈코발트알루미늄산리튬 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 상기 양극 극판의 두께 방향에서, 상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심은 상기 제2 활물질 분포의 기하학적 중심보다 높지 않다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 도 1-1에 나타낸 바와 같이, 상기 양극 극판의 두께 방향에서, 제1 활물질 분포의 기하학적 중심(A)과 제2 활물질 분포의 기하학적 중심(B)은 중첩된다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 도 1-2에 나타낸 바와 같이, 상기 양극 극판의 두께 방향에서, 제1 활물질 분포의 기하학적 중심(A)은 제2 활물질 분포의 기하학적 중심(B)보다 낮다.
당업자는, 극판 레벨의 공간 구조 설계가 리튬 이차 전지의 성능, 특히 두 가지 이상의 활성 물질을 포함하는 극판 설계에 현저한 영향을 미친다는 것을 이해할 것이다. 극판의 공간 구조 설계를 통해, 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로 본 출원에 이르러, 제1 활물질의 기하학적 중심 및 제2 활물질의 기하학적 중심의 분포가 상기 상황에 부합할 경우, 특히 제1 활물질 분포의 기하학적 중심(A)가 제2 활물질 분포의 기하학적 중심(B)보다 낮을 경우, 본 출원의 양극 극판을 적용한 이차 전지의 충전분극을 감소하여, 이차 전지의 열발생 및 승온을 감소함으로써, 이차 전지의 안전성능 및 수명을 개선할 수 있다.
상기 개선 효과에 대하여, 하기와 같이 이해할 수 있다: 제1 활물질(예를 들어, 인산철리튬)은 확산의 영향을 적게 받으며, 이를 집전체에 가깝게 배치하면, 집전체와의 거리를 단축하여, 충전 과정에서 옴 분극(ohmic polarization)을 줄일 수 있다. 이에 대비하여, 제2 활물질(예를 들어, 니켈코발트망간산리튬)은 확산의 영향을 크게 받으며, 이를 집전체와 멀리 떨어지도록 배치하면, 리튬 이온의 전달 경로를 단축하여, 충전 과정에서 농도 분극을 줄일 수 있다.
예시로, 예를 들어, 제1 활물질이 인산철리튬이고, 제2 활물질이 니켈코발트망간산리튬일 경우, 인산철리튬과 니켈코발트망간산리튬이 직접 물리적으로 혼합되어 분포되면, 인산철리튬의 기하학적 중심(A)과 니켈코발트망간산리튬의 기하학적 중심(B)은 중첩된다. 다른 예로, 인산철리튬과 니켈코발트망간산리튬이 이중으로 코팅된 경우, 인산철리튬은 집전체에 가까운 쪽에 위치하고, 니켈코발트망간산리튬은 집전체와 먼 쪽에 위치하여, 기하학적 중심(A)의 위치는 기하학적 중심(B)의 위치 보다 낮다.
당업자은, 본 출원에서, 양극 극판은 양극 집전체 및 양극 집전체의 적어도 일 면에 배치된 양극 막층을 포함하고, 상기 양극 막층은 양극 활물질을 포함한다는 것을 이해할 것이다.
본 출원에서, 당업자이 이미 알고 있는 관용 방법으로 기하학적 중심의 상대적 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 주사전자현미경을 통해 극판 단면 형태를 분석하고, 입자 크기를 통해 제1 활물질 분포의 높이 구간을 식별하여, 기하학적 중심(A)를 결정할 수 있고; 제2 활물질 분포의 높이 구간을 통해 기하학적 중심(B)을 결정함으로써, 기하학적 중심(A) 및 (B)의 상대적 위치 관계를 확인할 수 있다. 또 다른 예로, 양극 극판에 대해 표면 원소 분석을 진행하여, 활물질 특성 원소의 단면 분포도를 형성하고, 제1 활물질 분포의 높이 구간 및 제2 활물질 분포의 높이 구간을 확인함으로써, 기하학적 중심(A) 및 (B)의 상대적 위치 관계를 확인할 수 있다.
본 출원에서, 양극 집전체는 그 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 가지며, 양극 막층은 양극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 어느 하나 또는 양쪽에 배치된다.
일부 실시형태에 있어서,상기 양극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어,금속 호일은 알루미늄 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 베이스층 및 고분자 재료 베이스층의 적어도 일면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 등)를 고분자 재료 베이스층(예: 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 기재) 상에 형성시켜 형성될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 양극 필름층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-프로필렌 삼원공중합체, 비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 삼원공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 및 불소 함유 아크릴레이트 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극 필름층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 제1 활물질과 제2 활물질의 질량 합은 양극 극판 막층에서 질량 분율이 80% 이상이고, 선택적으로 90% 이상이며, 보다 선택적으로 95% 이상이다.
일부 실시형태에서, 하기 방식으로 양극 극판을 제조할 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 기타 성분과 같은 양극 극판의 제조에 사용되는 성분을 용매(예를 들어, N-메틸피롤리돈)에 분산시켜, 양극 슬러리를 형성하고; 양극 슬러리를 양극 집전체 상에 코팅하고, 건조, 냉간 압착 등 공정을 거쳐 양극 극판을 얻을 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 제1 활물질의 양극 슬러리 및 제2 활물질의 양극 슬러리를 각각 제조하고, 제1 활물질의 양극 슬러리를 집전체와 가까운 쪽에 도포하고, 제2 활물질의 양극 슬러리를 집전체와 먼 쪽에 도포한다.
[방법]
상술한 바와 같이, 발명자들은 연구를 통해, 인산철리튬 이차 전지가 사용 과정에서 전지 용량 감쇠 및 부정확한 전력 표시 등 문제가 쉽게 발생된다는 것을 발견하였다. 뜻밖으로, 제1 활물질에 제2 활물질을 첨가함으로써, 상기 문제를 잘 해결할 수 있다. 가능한 이유는, 제1 활물질에 제2 활물질을 첨가한 후, 얻어진 이차 전지는 양호한 전압자기균형성능을 갖고, 이차 전지 내부의 전압차의 균형을 더 잘 맞출 수 있기 때문이다.
따라서, 본 출원의 제2 측면은 적어도 다음과 같은 물질을 포함하는 양극 극판을 사용하는 이차 전지의 내부 전압차의 밸런스 방법을 제공한다:
LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및
니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬(lithium nickel cobalt manganese), 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질;을 포함하고,
여기서, 제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%이다.
당업자는, 본 출원의 제2 측면에서 설명된 방법에서, 제1 활물질 및 제2 활물질은 양극 극판에 관한 부분에서 설명한 의미를 갖는다.
발명자는 수학적 물리적 모델을 통해 본 출원에 설명된 방법을 시뮬레이션하였다. 리튬 이차 전지는 수많은 작은 단위 전지가 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 리튬 이차 전지를 충전할 때, 각 단위 전지마다 위치한 공간 위치가 다르고, 온도/응력/전해액 침윤 등 동역학에 영향을 미치는 환경 요인이 다르기 때문에, 충전 시 동역학이 다르고, 충전 속도가 다르며, 위치가 다른 단위 전지들은 SOC 편차를 형성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 모델 내에서 단위전지(1)과 단위전지(2)는 병렬로 연결된다. 단위전지(1)의 온도를 30℃로 설정하고, 단위전지(2)의 온도를 단위전지(1)의 온도보다 높게 (예를 들어, 5℃ 이상 또는 10℃ 이상으로) 설정함으로써, 서로 다른 배율 (예를 들어, 1C, 2C, 4C의 충전 배율)로 충전한다. 단위전지(1)과 단위전지(2)의 SOC 차이를 산출한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 리튬인산철 전지에 있어서, 온도 차이 및 충전 배율이 증가함에 따라, 단위전지(1)과 단위전지(2)의 SOC 차이가 계속 증가하여, 충전한 평균 SOC가 80% SOC 이상이 될때, 단위전지(1)과 단위전지(2)의 SOC 차이에 변곡점이 나타나는데, 이는 단위 전지의 전압자기균형성능이 좋지 않고, 발생된 전압차가 SOC 상태의 차이를 조절하기에 충분하지 않음을 나타낸다. 이에 비해, 니켈코발트망간산 리튬 전지의 경우, 충전한 평균 SOC가 약 50% SOC에 달할 때, SOC 차이는 평균 SOC가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 단위전지(1)과 단위전지(2)이 전압차가 내부에서 자기균형을 이루고, 단위 전지는 전압차의 작용 하에 SOC 상태의 차이를 자동으로 조절할 수 있음을 나타낸다. 이로부터, 인산철리튬과 같은 제1 활물질에 니켈코발트망간산리튬과 같은 제2 활물질을 첨가함으로써, 이차 전지의 전압자기균형성능을 효과적으로 개선할 수 있음을 알 수 있다.
[이차 전지]
본 출원의 제3 측면은 이차 전지를 제공하고, 상기 이차 전지는 본 출원의 제1 측면에서 설명된 양극 극판을 포함한다. 이차 전지는 해당 분야에서 통상적으로 사용하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
일반적으로, 이차 전지는 양극 극판, 음극 극판, 전해질 및 분리막을 포함한다. 전지의 충방전 과정에서, 활성 이온은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 반복한다. 전해질은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 분리막은 양극 극판과 음극 극판 사이에 설치되어 주로 양극과 음극의 단락을 방지하는 작용을 하는 동시에 이온을 통과시킬 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 선택적으로, 본 출원의 이차 전지의 충전 전압 곡선에서, 85% 하전 상태에 대응하는 위치의 전압값 V1과 60% 하전 상태에 대응하는 위치의 전압값 V2는 이하 식을 만족한다: V1-V2 ≥ 0.15V.
V1과 V2가 상기 관계를 만족할 경우, 이차 전지는 양호한 전압자기균형성능을 갖고, 이차 전지의 용량 유지 성능을 개선하는 동시에, 이차 전지의 잔전량을 정확히 표시하는 데 유리하다.
음극 극판, 전해질 및 분리막과 같은 이차 전지의 기타 부재에 대한 설명은 하기와 같다.
[음극 극판]
음극 극판은 음극 집전체 및 음극 집전체의 적어도 일면에 설치된 음극 필름층을 포함하고, 상기 음극 필름층은 음극 활물질을 포함한다.
예시로서,음극 집전체는 그 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 음극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 또는 둘 모두에 음극 필름층이 설치된다.
일부 실시형태에서, 상기 음극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어,금속 호일은 구리 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 베이스층, 및 고분자 재료 베이스의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 등)를 고분자 재료 기재(예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 기재) 상에 형성시켜 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서,음극 활물질은 본 기술분야에 공지된 전지용 음극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 음극 활물질은 인조흑연, 천연흑연, 소프트카본, 하드카본, 실리콘계 재료, 주석계 재료 및 티탄산리튬 등 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 재료는 단일 규소 원소, 규소 산소 화합물, 규소 탄소 복합물, 규소 질소 복합물, 및 규소 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 상기 주석계 재료는 단일 주석 원소, 주석 산소 화합물 및 주석 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 그러나, 본 출원은 이러한 재료에 한정되지 않으며, 전지용 음극 활물질로 사용될 수 있는 다른 통상적인 재료도 사용될 수 있다. 이러한 음극 활물질은 단독으로 사용되거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 필름층은 선택적으로 바인더를 더 포함한다. 상기 바인더는 스티렌부타디엔고무(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산나트륨(PAAS), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리비닐 알코올(PVA), 알긴산나트륨(SA), 폴리메타크릴산(PMAA) 및 카르복시메틸 키토산(CMCS) 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 필름층은 선택적으로 도전제를 더 포함한다. 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
음극 필름층은 선택적으로 증점제(예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(CMC-Na)) 등과 같은 기타 보조제를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 하기 방식으로 음극 극판을 제조할 수 있다. 음극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 다른 성분과 같은 음극 극판을 제조하기 위한 성분을 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 음극 슬러리를 형성하고; 음극 슬러리를 음극 집전체에 코팅한 후, 건조, 냉간 압착 등의 공정을 거쳐 음극 극판을 얻을 수 있다.
[전해질]
전해질은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 본 출원은 전해질의 종류에 대해 구체적으로 한정하지 않는 바, 필요에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 액체, 젤 또는 모두 고체일 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질은 전해액을 사용한다. 상기 전해액은 전해질 염 및 용매를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전해질 염은 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 테트라플루오로보레이트, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로비산염, 리튬 비스플루오로술폰이미드, 리튬 비스트리플루오로메탄술폰이미드, 리튬 트리플루오로메탄술포네이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 리튬 디플루오로옥살레이트 붕산염, 리튬 디옥살레이트 붕산염, 리튬 디플루오로비스옥살레이트 포스페이트 및 리튬 테트라플루오로옥살레이트 포스페이트 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 메틸 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 1,4-부티로락톤, 술포란, 디메틸 술폰, 메틸 에틸 술폰 및 디에틸 술폰 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해액은 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 음극 성막 첨가제, 양극 성막 첨가제를 포함할 수 있고, 전지의 과충전 성능을 개선하기 위한 첨가제, 전지의 고온 또는 저온 성능을 개선하기 위한 첨가제와 같은 전지의 특정 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
[분리막]
일부 실시형태에서, 이차 전지는 분리막을 더 포함한다. 본 출원은 분리막의 종류에 대하여 특별한 제한은 없으며, 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 우수한 공지된 다공성 구조의 분리막을 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 분리막의 물질은 유리 섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 분리막은 단층 필름 또는 다층 복합 필름일 수 있으나 특별히 한정되지 않는다. 분리막이 다층 복합 필름인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있으나 특별히 한정되지 않는다.
일부 실시형태에서, 양극 극판, 음극 극판 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리로 제조될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이차 전지는 외부 포장을 포함할 수 있다. 상기 외부 포장은 상기 전극 어셈블리 및 전해질을 패키징하기 위한 것이다.
일부 실시형태에서, 이차 전지의 외부 포장은 경질 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스 등과 같은 경질 케이스일 수 있다. 리튬 이온 전지의 외부 포장은 가방형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수도 있다. 소프트 패키지의 재질은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 숙시네이트 등과 같은 플라스틱일 수 있다.
본 출원의 제4 측면은 전지 모듈을 제공하고, 상기 전지 모듈은 본 출원의 제3 측면에서 설명된 이차 전지를 포함한다.
본 출원의 제5 측면은 전지 팩을 제공하고, 상기 전지 팩은 본 출원의 제4 측면에서 설명된 전지 모듈을 포함한다.
본 출원의 제6 측면은 전기 장치를 제공하고, 상기 전기 장치는 본 출원의 제3 측면의 이차 전지, 제4 측면의 전지 모듈 또는 제5 측면의 전지 팩 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩은 상기 전기 장치의 전원으로 사용될 수 있으며, 상기 전기 장치의 에너지 저장 유닛으로 사용될 수도 있다. 상기 전기 장치는 모바일 기기(예를 들어, 핸드폰, 노트북 컴퓨터 등), 전기 자동차(예를 들어, 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상기 전기 장치로서, 이의 사용 수요에 따라 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
또한, 이하에서는 첨부 도면을 적절히 참조하여 본 출원의 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 설명한다.
본 출원은 이차 전지의 형태에 대해 특별히 한정하지 않는 바, 원기둥형, 직사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 5는 일 예시로 직육면체 구조의 이차 전지(5)이다.
일부 실시형태에서, 도 6을 참조하면, 외부 패키지는 케이스(51)와 커버플레이트(53)를 포함할 수 있다. 여기서, 케이스(51)는 바닥판 및 바닥판 상에 연결되는 측판을 포함할 수 있으며, 바닥판과 측판이 둘러싸여 수용 챔버를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통되는 개구를 갖고, 커버플레이트(53)는 상기 개구를 커버하도록 배치되어, 상기 수용 캐비티를 밀봉한다. 양극 극판, 음극 극판 및 분리막은 와인딩 공정 또는 적층 공정에 의해 전극 어셈블리(52)를 형성한다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 캐비티 내에 패키징된다. 전극 어셈블리(52)는 전해액에 의해 침윤된다. 이차 전지(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 수량은 하나 또는 복수 개일 수 있고, 당업자는 구체적인 실제 수요에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 이차 전지는 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함되는 이차 전지의 수량은 하나 또는 복수 개일 수 있으며, 구체적인 수량은 전지 모듈의 응용 및 용량에 따라 당업자에 의해 선택될 수 있다.
도 7은 예시적인 전지 모듈(4)이다. 도 7을 참조하면, 전지 모듈(4)에서, 다수의 이차 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열되어 설치된 것일 수 있다. 물론, 기타 임의의 방식에 따라 배열될 수도 있다. 또한 체결 부재를 통해 상기 다수의 이차 전지(5)를 고정시킬 수 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 수용 공간을 갖는 하우징을 더 포함할 수 있고, 복수의 이차 전지(5)가 상기 수용 공간에 수용된다.
일부 실시형태에서, 상기 전지 모듈은 또한 전지 팩으로 조립될 수 있고, 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 구체적인 수는 당업자가 전지 팩의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 8 및 도 9는 예시적인 전지 팩(1)이다. 도 8과 도 9를 참조하면, 전지 팩(1)에는 전지 박스 및 전지 박스에 설치되는 복수의 전지 모듈(4)이 포함될 수 있다. 전지 박스는 상부 박스바디(2) 및 하부 박스바디(3)를 포함하며, 상부 박스바디(2)는 하부 박스바디(3)를 덮어 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 폐쇄된 공간을 형성한다. 여러 개의 전지 모듈(4)은 전지 박스에 임의의 방식으로 배열될 수 있다.
도 10은 일 예시로 전기 장치이다. 상기 전기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 상기 전기 장치용 이차 전지의 고전력 및 고에너지 밀도의 수요를 충족시키기 위해 전지 팩 또는 전지 모듈이 사용될 수 있다.
다른 예로서의 장치는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터 및 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 일반적으로 상기 장치는 얇고 가벼운 것이 요구되며, 이차 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 출원의 실시예에 대하여 설명한다. 후술하는 실시예는 예시적인 것으로, 단지 본 출원을 해석하기 위해 사용된 것으로, 본 출원을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 실시예에서 구체적인 기술이나 조건이 밝혀지지 않은 경우 본 분야 내의 문헌에 설명된 기술 또는 조건 또는 제품 설명서에 따라 수행된다. 제조사 표시 없이 사용되는 시약이나 기구는 시중에서 구입할 수 있는 일반적인 제품이다.
본 출원의 실시예에서 언급되는 양극 활물질은 다음 표와 같다:
Figure pct00001
실시예 1
양극 극판의 제조
제1 활물질 인산철리튬(LiFePO4 기준), 제2 활물질 니켈코발트망간산리튬(NCM523, 즉 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2), 바인더 폴리불화비닐리덴, 도전제 아세틸렌블랙을 중량비 28.8 : 67.2 : 2 : 2로 혼합한 후, 용매로서 N-메틸피롤리돈(NMP)을 첨가하고, 진공 교반기의 작용으로 시스템이 균일해질 때까지 교반하여, 고형분 75 wt%의 양극 슬러리를 얻으며; 양극 슬러리를 19.6 mg/cm2의 코팅 밀도로 두께 13 μm의 알루미늄 호일에 균일하게 코팅하고, 일 면에 코팅하며; 그 후, 건조, 냉각 압착 및 절단하여, 실시예1의 양극 극판을 얻는다.
음극 극판의 제조
음극 활물질 인조흑현, 도전제 아세틸렌블랙, 바인더 부타디엔고무(SBR), 증점제 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(CMC-Na)을 96 : 1 : 2 : 1의 중량비로 용매 탈이온수에 용해하고, 균일하게 교반 혼합하여 음극 슬러리를 제조한다. 음극 슬러리를 9.7 mg/cm2의 코팅 밀도로 음극 집전체 구리 호일에 균일하게 코팅하고, 건조, 냉각 압착 및 절단하여 음극 극판을 얻는다.
전해액
아르곤 분위기 글러브 박스 (H2O < 0.1 ppm, O2 < 0.1 ppm)에서, 유기 용매인 비닐카보네이트(EC)/ 메틸에틸카보네이트(EMC)를 3/7의 체적비로 균일하게 혼합하고, 12.5 중량%(비닐카보네이트/메틸에틸카보네이트 용매 중량 기준)의 LiPF6을 상기 용매에 용해하여, 균일하게 교반하여, 전해액을 얻는다.
분리막
두께 20 μm, 평균 기공 크기 80 nm의 상업적으로 이용 가능한 PP-PE 공중합체 미세다공성 필름(초코 전자 기술 회사, 모델 20)을 사용한다.
이차 전지
분리막이 양극과 음극 사이를 분리하는 역할을 하도록, 양극 극판, 분리막, 음극 극판을 순서대로 중첩하여, 휘감아 베어 셀을 얻는다. 베어 셀을 외부 패키지에 넣고, 상기 전해액을 주입하고 패키징하여, 이차 전지를 얻는다.
실시예 2-8
양극 극판의 제조 과정에서, 제1 양극 활물질 인산철리튬(LiFePO4 기준), 제2 양극 활물질 니켈코발트망간산리튬(NCM523, 즉 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2), 바인더폴리불화비닐리덴, 도전제아세틸렌블랙의 중량비가 각각 38.4 : 57.6 : 2 : 2, 48 : 48 : 2 : 2, 57.6 : 38.4 : 2 : 2, 67.2 : 28.8 : 2 : 2, 76.8 : 19.2 : 2 : 2, 81.6 : 14.4 : 2 : 2 및 86.4 : 9.6 : 2 : 2이고, 코팅 밀도가 각각 19.9 mg/cm2, 20.1 mg/cm2, 20.4 mg/cm2, 20.7 mg/cm2, 20.9 mg/cm2, 21.1 mg/cm2 및 21.2 mg/cm2인 것을 제외하고, 실시예2-8의 기타 조건은 실시예1과 동일하다.
실시예 9
제2 양극 활물질 니켈코발트망간산리튬(NCM523, 즉 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)을 질량이 동일한 NCA(즉, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)로 대체한 것을 제외하고, 실시예9의 기타 조건은 실시예6과 동일하다.
비교예 1-2
양극 극판의 제조 과정에서, 제1 양극 활물질 인산철리튬(LiFePO4 기준), 제2 양극 활물질 니켈코발트망간산리튬(NCM523, 즉 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2), 바인더 폴리불화비닐리덴, 도전제 아세틸렌블랙의 중량비가 각각 91.2 : 4.8 : 2 : 2 및 96 : 0 : 2 : 2이고, 코팅 밀도가 각각 21.4 mg/cm2 및 21.5 mg/cm2인 것을 제외하고, 비교예1-2의 기타 조건은 실시예1과 동일하다.
관련 파라미터의 테스트 방법
1. 제1 활물질 및 제2 활물질의 기하학적 중심 테스트
양극 극판 심플을 적당량을 취하고, 주사전자현미경으로 표면원소를 분석하여 활물질의 특성 원소의 단면 분포도를 형성한다. 제1 활물질 분포의 높이 구간 및 제2 활물질 분포의 높이 구간을 확인하여, 제1 활물질 분포의 기하학적 중심과 제2 활물질 분포의 기하학적 중심의 상대적 위치를 확인한다.
2. 이차 전지의 전압 곡선 테스트
테스트할 이차 전지의 25℃에서 대응하는 사용 전압의 상하한이 각각 Vmax 및 Vmin이고, 공칭용량은 C0 Ah라고 가정하고, 테스트 방법은 다음과 같다: 테스트할 이차 전지를 25℃의 항온 테스트 환경에 놓고, 2시간 동안 방치한다. 0.33C0의 전류 정전류로 전지를 하한 전압 Vmin까지 방전시키고; 30분 동안 방치하며; 1C0의 전류 정전류로 전지를 상한 전압 Vmax까지 충전한 다음, 정전압으로 바꾸어, 전류가 0.05C0으로 감소할 때까지 충전한다. 해당 충전 과정에서 충전되는 모든 용량은 0% SOC-100% SOC의 용량에 대응한다. SOC%를 가로축으로 하고, 정전류 충전 과정에서 해당 전압을 세로축으로 하여, 이차 전지의 전압 곡선을 얻는다.
얻어진 전압 곡선에서, 15-97% SOC 구간에서, SOC가 5% 증가하고, 전압이 > 0.2V 증가할 때, 해당하는 최소 시작 SOC 위치는 전압 상승 위치이다.
3. 25℃ 고속 충전 사이클 수명/사이클 수
본 출원에서, 25℃ 고속 충전 사이클 수명/사이클 수를 통해 이차 전지의 용량 유지 성능을 평가한다.
25℃에서, 실시예 및 비교예로 제조된 리튬이온전지를 2C 배율로 충전하고, 1C 배율로 방전하여, 리튬이온전지의 용량이 초기 용량의 80% 보다 작을 때까지, 3%-97% SOC 구간의 연속 사이클 테스트를 진행하여, 순환 사이클 수를 사이클 성능으로 기록한다.
상기 실시예1 내지 9, 비교예1 내지 2의 관련 파라미터 및 테스트 결과는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
표 1: 실시예 1 내지 9와 비교예 1 내지 2의 관련 파라미터 및 테스트 결과
Figure pct00002
질을 첨가하여 제조한 이차 전지의 25℃ 고속 충전 사이클 수명/사이클 수가 더 우수하다. 또한, 제1 활물질, 제2 활물질의 사용량 및 양자의 질량비를 진일보 조절함으로써, 해당 전지의 자기균형성능을 더 개선하고, 용량 유지 성능을 향상시킬 수 있다.본 출원은 상기 실시형태에 한정되지 않음에 유의해야 한다. 상술한 실시형태는 예시일 뿐이며, 본 출원의 기술적 해결수단 범위 내에서 기술적 사상과 동일한 구성을 갖고 동일한 작용 및 효과를 발휘하는 실시형태는 모두 본 출원의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 본 출원의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 실시형태에 대해 당업자가 착상할 수 있는 다양한 변형을 가할 수 있고, 실시형태의 구성 요소 중 일부를 조합하여 구성된 다른 형태도 본 출원의 범위 내에 포함된다.
1:전지 팩; 2: 상부 박스바디; 3: 하부 박스바디; 4: 전지 모듈; 5: 이차 전지; 51: 케이스; 52: 전극 어셈블리; 53: 커버플레이트.

Claims (13)

  1. 양극 극판에 있어서,
    상기 양극 극판은 적어도 이하 물질을 포함하며:
    LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및
    니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬(lithium nickel cobalt manganese), 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질;을 포함하고,
    제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%인 양극 극판.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제1 활물질의 사용량은 30-90%이고, 선택적으로 70-90%이며, 보다 선택적으로 80-85%인 양극 극판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 활물질과 상기 제2 활물질의 질량비는 3 : 7 내지 9 : 1이고, 선택적으로 7 : 3 내지 9 : 1이며, 보다 선택적으로 80 : 20 내지 85 : 15인 양극 극판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 활물질은 인산철리튬 또는 인산망간철리튬 또는 인산철리튬과 인산망간철리튬의 혼합물인 양극 극판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 활물질은 니켈코발트망간산리튬 또는 니켈코발트알루미늄산리튬 중 적어도 하나를 포함하는 양극 극판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극 극판의 두께 방향에서, 상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심은 상기 제2 활물질 분포의 기하학적 중심보다 높지 않은 양극 극판.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극 극판의 두께 방향에서, 상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심은 상기 제2 활물질 분포의 기하학적 중심과 중첩하거나; 또는
    상기 제1 활물질 분포의 기하학적 중심은 제2 활물질 분포의 기하학적 중심보다 낮은 양극 극판.
  8. 이차 전지의 내부 전압차의 밸런스 방법에 있어서,
    적어도 이하 물질을 포함하는 양극 극판을 사용하되,
    LiFe1-xMnxPO4의 인산철리튬 기반의 재료로부터 선택되는 제1 활물질; 여기서, x는 0-0.8이고, 선택적으로 0-0.5이며, 보다 선택적으로 0-0.25이며; 및
    니켈산리튬, 망간산리튬, 코발트산리튬, 니켈코발트망간산리튬(lithium nickel cobalt manganese), 니켈코발트알루미늄산리튬, 리튬이 풍부한 망간기, 인산바나듐리튬으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상인 제2 활물질;을 포함하고,
    제1 활물질 및 제2 활물질의 총질량을 기준으로, 상기 제2 활물질의 사용량은 10-70%이고, 선택적으로 10-30%이며, 보다 선택적으로 15-20%인 이차 전지의 내부 전압차의 밸런스 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 양극 극판을 포함하는 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이차 전지의 충전 전압 곡선에서, 85% 하전 상태에 대응하는 위치의 전압값 V1과 60% 하전 상태에 대응하는 위치의 전압값 V2는 V1-V2 ≥ 0.15V를 만족하는 이차 전지.
  11. 제9항 또는 제10항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
  12. 제11항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  13. 제9항 또는 제10항에 따른 이차 전지, 제11항에 따른 전지 모듈 또는 제12항에 따른 전지 팩 중 적어도 하나를 포함하는 전기 장치.
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