KR20230128469A - 극판, 전극 어셈블리 및 이차 전지 - Google Patents

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케치앙 리
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Abstract

본 출원은 극판, 전극 어셈블리 및 이차 전지를 제공한다. 극판은 집전체, 집전체의 하나의 표면 상에 마련되는 활물질층 및 집전체에 전기적으로 연결되는 전기 연결 부재를 포함하고, 활물질층은 집전체의 본체 부분에 마련되며, 전기 연결 부재와 집전체는 집전체의 가장자리에서 용접 연결되고, 상기 용접 연결 영역을 이행 용접 영역이라고 하며, 집전체는 지지층 및 지지층의 하나의 표면 상에 마련되는 도전층을 포함하되, 여기서, 극판은 제1 절연층을 더 포함하고, 제1 절연층은 집전체의 다른 하나의 표면 상에 마련되며 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역의 전체를 커버한다. 본 출원에 따르면, 이차 전지의 안전성능을 향상시키고 이차 전지의 내부 저항을 줄일 수 있다.

Description

극판, 전극 어셈블리 및 이차 전지
본 출원은 전지 분야에 관한 것으로, 특히 극판, 전극 어셈블리 및 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 이차 전지는 큰 에너지 밀도, 높은 출력, 긴 사이클 수명 및 적은 환경 오염 등 장점으로 인해 수력, 화력, 풍력 및 태양 에너지 발전소 등 에너지 저장 전원 시스템 및 전동 공구, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 소비류 전자 제품, 군사 장비, 항공 우주 등 다양한 분야에 광범위하게 적용되고 있다. 이차 전지의 엄청난 발전으로 인해 에너지 밀도, 사이클 성능 및 안전 성능 등에 대한 요구 사항도 높아지고 있다.
선행 기술에는 치밀한 지지층 및 지지층의 적어도 하나의 표면에 마련되는 치밀한 도전층을 포함하는 집전체가 개시되었다. 그러나 상기 집전체는 전통적인 탭형 구조로, 전지의 두께 방향에 따라 도통되는 구조를 형성할 수 없어, 초음파 용접을 사용하여 집전체의 가장자리에서 금속 탭을 이행 용접해야 한다. 이와 같이, 상기 집전체는 금속 탭을 집전체에 용접 시 금속 용입에 의해 단락되어 상기 집전체를 사용한 이차 전지의 안전 성능이 떨어지고, 용접 시 금속 부스러기가 기타 영역에 떨어져 이차 전지의 내부 저항을 증가시키는 문제가 존재한다.
본 출원은 상기 기술적 과제를 감안하여 진행된 것으로, 용접 시 금속이 용입되어 단락되는 것을 안정적으로 방지함으로써, 상기 극판을 사용하는 이차 전지의 안전성을 개선하고 이차 전지의 내부 저항을 줄일 수 있는 극판, 전극 어셈블리, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 출원은 집전체의 다른 하나의 표면 상에 마련되고 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역의 전체를 커버하는 제1 절연층을 포함하는 극판, 전극 어셈블리, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 제공한다.
본 출원의 제1 양태는 극판을 제공하고, 상기 극판은 집전체, 상기 집전체의 하나의 표면 상에 마련되는 활물질층 및 상기 집전체에 전기적으로 연결되는 전기 연결 부재를 포함하며, 상기 활물질층은 상기 집전체의 본체 부분에 마련되고, 상기 전기 연결 부재와 상기 집전체는 상기 집전체의 가장자리에서 용접 연결되며, 상기 용접 연결 영역을 이행 용접 영역이라고 하고, 상기 집전체는 지지층 및 상기 지지층의 하나의 표면 상에 마련되는 도전층을 포함하되, 여기서, 상기 극판은 제1 절연층을 더 포함하고, 상기 제1 절연층은 상기 집전체의 다른 하나의 표면 상에 마련되며 상기 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 상기 이행 용접 영역의 전체를 커버한다.
이로써, 본 출원은 집전체의 다른 하나의 표면 상에 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역의 전체를 커버하는 제1 절연층을 마련함으로써, 집전체의 하나의 표면 측에 전기 연결 부재와 집전체를 용접할 경우, 집전체의 도전층과 지지층이 용입되어 용접에 의해 생성된 부스러기 및 후속 공정에서 떨어진 입자가 용입된 도전층 및 지지층을 거쳐 활물질층을 마련하기 위한 필름 영역에 떨어지더라도, 집전체의 다른 하나의 표면 상에 위치하는 제1 절연층이 부스러기 및 입자가 필름 영역에 떨어지는 것을 방지하는 보호 역할을 하므로, 용접 시 금속 용입에 의한 단락을 안정적으로 방지할 수 있음으로써, 상기 극판을 사용하는 이차 전지의 안전성을 개선하고 이차 전지의 내부 저항을 줄인다.
임의의 실시형태에 있어서, 지지층은 섬유상의 구멍 구조를 가진 절연재료로 구성된다. 이로써, 지지층의 이온 전도성을 향상시킬 수 있어, 전기 화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 지지층은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름이다. 이로써, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름으로 지지층을 구성하여, 이온 전도성이 높은 지지층을 안정적으로 구성할 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 극판의 두께 방향에서 관찰 시, 상기 제1 절연층의 가장 자리는 상기 양극 활물질층의 가장 자리와 중첩된다. 전기 연결 부재의 용접 연결이 활물질층에 미치는 불량 영향을 방지하기 위해, 바람직하게 전기 연결 부재가 용접 연결되는 이행 용접 영역은 극판의 두께 방향에서 관찰할 때활물질층의 가장자리 외측에 위치하고, 따라서, 제1 절연층의 가장자리는 활물질층의 가장자리와 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 중첩되도록 하여, 제1 절연층이 극판의 두께 방향의 두께 방향에서 관찰할 때 이행 용접 영역의 전체를 커버하도록 안정적으로 보장할 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 제1 절연층은 수지 재료로 구성되고 지지층과 동일한 재료이다. 이로써, 제1 절연층의 이온 전도성을 향상시킬 수 있어, 전기 화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 제1 절연층은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름이거나, 상기 제1 절연층은 바인더 또는 수지 재료이다. 이로써, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름으로 제1 절연층을 구성하여, 이온 전도성이 높은 제1 절연층을 안정적으로 구성할 수 있다. 또한, 바인더 또는 수지 재료로 제1 절연층을 형성하여 도포 등에 의해 절연층을 용이하게 형성할 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 극판은 제2 절연층을 더 포함하고, 상기 제2 절연층은 상기 전기 연결 부재의 하나의 표면 상에 마련되며 상기 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 상기 이행 용접 영역의 전체를 커버한다. 이로써, 제2 절연층을 이용하여 용접 흔적에 의한 리벳팅홀을 충진하여 리벳팅홀에 용접에 의해 생성된 부스러기와 후속 공정에서 떨어진 입자가 떨어지는 것을 방지할 수 있음으로써, hi-po 불량의 발생을 방지하고, 이차 전지의 직류 내부 저항을 줄일 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 제2 절연층은 바인더 또는 수지 재료이다. 이로써, 바인더 또는 수지 재료를 이용하여 용접 흔적에 의한 리벳팅홀을 안정적으로 충진할 수 있다.
임의의 실시형태에 있어서, 상기 활물질층과 상기 집전체 사이에 베이스 코팅층이 마련되고; 선택적으로, 상기 베이스 코팅층의 폭은 상기 활물질층의 폭보다 1 mm 내지 3 mm 작다. 활물질층과 집전체 사이에 베이스 코팅층을 마련하여, 집전체와 활물질 사이의 결합력을 향상시켜, 활물질층이 집전체의 표면에 견고하게 마련되는 것을 보장할 수 있고, 베이스 코팅층은 극판의 과류 능력 및 전기 화학적 성능을 개선할 수 있다. 또한, 베이스 코팅층의 폭을 활물질층의 폭보다 1 mm 내지 3 mm 작게 마련하여, 전기 연결 부재가 베이스 코팅층에 접촉되어 용접 불량 및 냉납이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 출원의 제2 양태는 전극 어셈블리를 제공하고, 여기서, 상기 전극 어셈블리는 제1 극판 및 제2 극판을 포함하며, 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 중의 하나의 극판은 본 출원의 제1 양태에 따른 극판이고, 상기 제1 극판 및 기 제2 극판 중의 하나의 상기 극판의 지지층과 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 중의 다른 하나의 극판이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련한다.
본 출원의 제3 양태는 전극 어셈블리를 제공하고, 여기서, 상기 전극 어셈블리는 제1 극판 및 제2 극판을 포함하며, 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판은 각각 본 출원의 제1 양태에 따른 극판이고, 상기 제1 극판의 지지층과 상기 제2 극판의 활물질층이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련하며, 또한, 상기 제2 극판의 지지층과 상기 제1 극판의 활물질층이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련한다.
본 출원의 제4 양태는 이차 전지를 제공하고, 여기서, 상기 이차 전지는 본 출원의 제1 양태에 따른 극판 또는 본 출원의 제2 양태 또는 제3 양태에 따른 전극 어셈블리를 포함한다.
본 출원의 제5 양태는 전지 모듈을 제공하고, 여기서, 상기 전지 모듈은 본 출원의 제4 양태에 따른 이차 전지를 포함한다.
본 출원의 제6 양태는 전지 팩을 제공하고, 여기서, 상기 전지 팩은 본 출원의 제5 양태에 따른 전지 모듈을 포함한다.
본 출원의 제7 양태는 전기 장치를 제공하고, 여기서, 상기 전기 장치는 본 출원의 제4 양태에 따른 이차 전지, 본 출원의 제5 양태에 따른 전지 모듈 및 본 출원의 제6 양태에 따른 전지 팩으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함한다.
본 출원에 따르면, 용접 시 금속 용입에 의한 단락을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시형태에 따른 극판의 단면도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시형태에 따른 극판의 평면도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시형태에 따른 극판의 탭 부분의 저면도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시형태에 따른 극판의 탭 부분의 평면도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전극 어셈블리가 권취된 평면도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 8은 도 5에 도시된 전극 어셈블리가 권취된 평면도이다.
도 9는 본 출원의 일 실시형태의 이차 전지의 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시된 본 출원의 일 실시형태에 따른 이차 전지의 분해도이다.
도 11은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 개략도이다.
도 12는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 개략도이다.
도 13은 도 11에 도시된 본 출원의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 분해도이다.
도 14는 본 출원의 일 실시형태에 따른 이차 전지를 전원으로 사용하는 전기 장치의 개략도이다.
아래 도면을 적절히 참조하여 본 출원의 극판, 전극 어셈블리, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치가 구체적으로 개시된 실시형태를 상세하게 설명한다. 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 내지 120 및 80 내지 110의 범위가 나열되면, 60 내지 110 및 80 내지 120의 범위도 예상되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 최소 범위 값 1과 2가 나열되고 최대 범위 값 3, 4, 5가 나열되면 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 3, 2 내지 4 및 2 내지 5의 모든 범위가 예상될 수 있다. 본 출원에서, 달리 명시되지 않는 한, 수치 범위 “a 내지 b”는 a와 b 사이의 임의의 실수 조합의 축약된 표현을 나타내며, 여기서 a와 b는 모두 실수이다. 예를 들어, 수치 범위 “0 내지 5”는 “0 내지 5” 사이의 모든 실수가 본 명세서에 나열되었음을 나타내고 “0 내지 5”는 이러한 수치 값의 조합의 축약된 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 있거나, 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 있거나, 단계 (a), (c) 및 (b)를 포함할 수도 있거나, 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.
발명자는 집전체의 도전층과 지지층이 치밀한 구조로 두께가 비교적 얇기 때문에(예를 들어 알루미늄 호일 또는 구리 호일의 일반 금속 박편 집전체인 경우), 집전체의 가장자리에 전기 연결 부재를 용접할 경우, 이행 용접 영역에서 도전층과 지지층이 쉽게 용입되는 데, 용접에 의해 생성된 부스러기 및 후속 공정에 떨어진 입자가 용입된 도전층 및 지지층을 거쳐 필름 영역에 떨어지면, 전지는 자가 방전되며, 심지어 내부 단락이 발생될 수 있는 것을 발견하였다. 상기 문제를 해결하기 위해, 발명자는 집전체의 다른 하나의 표면 상에 극판의 두께 방향으로 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역의 전체를 커버하는 제1 절연층을 마련함으로써, 제1 절연층이 부스러기 및 입자가 필름 영역에 떨어지는 것을 방지하는 보호 역할을 하여, 용접 시 금속 용입에 의한 단락을 안정적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 한편으로 내부 단락을 방지하여 상기 극판을 사용하는 이차 전지의 안전성을 증가시키고, 다른 한편으로 부스러기가 기타 영역에 떨어지는 것을 방지하여 이차 전지의 직류 내부 저항을 줄인다.
또한, 이하에서는 첨부 도면을 적절히 참조하여 본 출원의 극판, 전극 어셈블리, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 설명한다.
[극판]
본 출원의 하나의 실시형태에 있어서, 극판을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 극판(6)은 집전체(61), 집전체(61)의 하나의 표면 상에 마련되는 양극 활물질층(62) 및 집전체(61)에 전기적으로 연결되는 전기 연결 부재(63)를 포함한다. 여기서, 양극 활물질층(62)은 후술되는 베이스 코팅층(66)을 통해 집전체(61)의 하나의 표면 상에 마련되지만, 양극 활물질층(62)은 집전체(61)의 하나의 표면 상에 직접 마련될 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 활물질층(62)은 집전체(61)의 본체 부분에 마련되고, 전기 연결 부재(63)와 집전체(61)는 집전체(61)의 가장자리에서 용접 연결되며, 상기 용접 연결 영역을 이행 용접 영역(A)이라고 한다.
집전체(61)는 지지층(611) 및 지지층(611)의 하나의 표면 상에 마련되는 도전층(612)을 포함한다. 전통적인 금속 집전체 대비, 본 출원에 따른 집전체는 도전층(612)이 도전 및 집전 작용을 하여, 활물질층에 전자를 제공한다. 도전층의 재료는 금속 도전 재료, 탄소계 도전 재료 중 적어도 하나로부터 선택된다. 바람직하게, 상기 금속 도전 재료는 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 은 및 이들의 합금 중 적어도 하나이다. 바람직하게, 상기 탄소계 도전 재료는 흑연, 아세틸렌 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 중 적어도 하나이다. 바람직하게, 도전층의 재료는 금속 도전 재료이고, 즉, 바람직하게 도전층은 금속 도전층이다. 여기서, 집전체가 양극 집전체인 경우, 통상적으로 알루미늄을 도전층의 재료로 사용하고; 집전체가 음극 집전체인 경우, 통상적으로 구리를 도전층의 재료로 사용한다. 본 출원에 따른 집전체에서, 지지층은 도전층에 지지 및 보호 역할을 한다. 지지층은 일반적으로 유기 고분자 재료 또는 고분자 복합 재료를 사용하므로, 지지층의 밀도는 통상적으로 도전층의 밀도보다 작아, 전통적인 금속 집전체보다 전지의 중량 에너지 밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
극판(6)은 제1 절연층(64)을 더 포함하고, 도 1, 3에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(64)은 집전체(61)의 다른 하나의 표면 상에 마련되며 극판(6)의 두께 방향(Y)에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역(A)의 전체를 커버한다.
이로써, 본 출원은 집전체의 다른 하나의 표면 상에 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역의 전체를 커버하는 제1 절연층을 마련함으로써, 집전체의 하나의 표면 측에 전기 연결 부재와 집전체를 용접할 경우, 집전체의 도전층과 지지층이 용입되어 용접에 의해 생성된 부스러기 및 후속 공정에서 떨어진 입자가 용입된 도전층 및 지지층을 거쳐 활물질층을 마련하기 위한 필름 영역에 떨어지더라도, 집전체의 다른 하나의 표면 상에 위치하는 제1 절연층이 부스러기 및 입자가 필름 영역에 떨어지는 것을 방지하는 보호 역할을 하므로, 용접 시 금속 용입에 의한 단락을 안정적으로 방지할 수 있음으로써, 상기 극판을 사용하는 이차 전지의 안전성을 개선하고 이차 전지의 내부 저항을 줄인다.
일부 실시형태에 있어서, 지지층(611)은 섬유상의 구멍 구조를 가진 절연재료로 구성된다. 이로써, 지지층의 이온 전도성을 향상시킬 수 있어, 전기 화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 지지층(611)은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름이다. 이로써, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름으로 지지층을 구성하여, 이온 전도성이 높은 지지층을 안정적으로 구성할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 극판(6)의 두께 방향(Y)에서 관찰할 때, 제1 절연층(64)의 가장 자리(E1)는 양극 활물질층(62)의 가장 자리(E2)와 중첩된다. 전기 연결 부재의 용접 연결이 활물질층에 미치는 불량 영향을 방지하기 위해, 바람직하게 전기 연결 부재가 용접 연결되는 이행 용접 영역은 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 활물질층의 가장자리 외측에 위치하고, 따라서, 제1 절연층의 가장자리는 활물질층의 가장자리와 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 중첩되도록 하여, 제1 절연층이 극판의 두께 방향의 두께 방향에서 관찰할 때 이행 용접 영역의 전체를 커버하도록 안정적으로 보장할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 제1 절연층(64)은 수지 재료로 구성되고 지지층(611)과 동일한 재료이다. 이로써, 제1 절연층의 이온 전도성을 향상시킬 수 있어, 전기 화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 제1 절연층(64)은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름이다. 이로써, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름으로 제1 절연층을 구성하여, 이온 전도성이 높은 제1 절연층을 안정적으로 구성할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 제1 절연층(64)은 바인더 또는 수지 재료이다. 이로써, 도포 등을 통해 절연층을 용이하게 형성할 수 있다. 바인더는 특별히 한정되지 않고, 스티렌-부타디엔(SBR), 수성 아크릴 수지, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(CMC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 폴리비닐 알코올(PVA) 및 폴리비닐부티랄(PVB) 중 하나 또는 여러 가지를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 극판(6)은 제2 절연층(65)을 더 포함하고, 도 1, 4에 도시된 바와 같이, 제2 절연층(65)은 전기 연결 부재(63)의 하나의 표면 상에 마련되며 극판(6)의 두께 방향(Y)에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역(A)의 전체를 커버한다. 이로써, 제2 절연층을 이용하여 용접 흔적에 의한 리벳팅홀을 충진하고 리벳팅홀에 용접에 의해 생성된 부스러기와 후속 공정에서 떨어진 입자가 떨어지는 것을 방지할 수 있으므로써, hi-po 불량의 발생을 방지할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 제2 절연층(65)은 바인더 또는 수지 재료이다. 이로써, 바인더 또는 수지 재료를 이용하여 용접 흔적에 의한 리벳팅홀을 안정적으로 충진할 수 있다. 바인더는 특별히 한정되지 않고, 스티렌-부타디엔(SBR), 수성 아크릴 수지, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(CMC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 폴리비닐 알코올(PVA) 및 폴리비닐부티랄(PVB) 중 하나 또는 여러 가지를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 양극 활물질층(62)과 집전체(61) 사이에 베이스 코팅층(66)이 마련된다. 선택적으로, 베이스 코팅층(66)의 폭 방향(X)에서의 폭은 양극 활물질층(62)의 폭 방향(X)에서의 폭보다 1 mm 내지 3 mm 작다. 활물질층과 집전체 사이에 베이스 코팅층을 마련하여, 집전체와 활물질 사이의 결합력을 향상시켜, 활물질층이 집전체의 표면에 견고하게 마련되는 것을 보장할 수 있고, 베이스 코팅층은 극판의 과류 능력 및 전기 화학적 성능을 개선할 수 있다. 또한, 베이스 코팅층의 폭을 활물질층의 폭보다 1 mm 내지 3 mm 작게 마련하여, 전기 연결 부재가 베이스 코팅층에 접촉되어 용접 불량 및 냉납이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
분명한 것은, 본 출원에서의 극판은 양극 극판 또는 음극 극판일 수 있다. 극판이 양극 극판일 경우, 대응되게, 그 중의 집전체와 활물질층은 각각 양극 집전체와 양극 활물질층이다. 극판이 음극 극판일 경우, 대응되게, 그 중의 집전체와 활물질층은 각각 음극 집전체와 음극 활물질층이다.
본 출원에 따른 극판(6)이 양극 극판일 경우, 양극 극판은 양극 집전체 및 양극 집전체의 하나의 표면 상에 마련되는 양극 활물질층을 포함한다. 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함한다.
예시로서, 양극 집전체는 자체의 두께 방향에서 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 양극 활물질층은 양극 집전체의 대향되는 2개의 표면 중 임의의 하나에 마련된다.
일부 실시형태에 있어서, 양극 집전체는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 복합 집전체는 섬유상의 구멍 구조의 절연 재료로 구성된 지지층 및 지지층의 하나의 표면 상에 형성된 도전층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(예를 들어, 알루미늄,알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은, 은 합금 등)를 지지층(예를 들어, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름) 상에 형성함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극 활물질은 본 기술분야에 공지된 전지용 양극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 양극 활물질은 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이금속 산화물 및 이들 각각의 변성 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 본 출원은 이들 재료에 한정되지 않으며, 전지용 양극 활물질로서 사용될 수 있는 다른 통상적인 재료도 사용될 수 있다. 이러한 양극 활물질은 단독으로 사용되거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예는 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 망간 코발트 산화물(예를 들어, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333으로 약칭할 수도 있음), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523으로 약칭할 수도 있음), LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(NCM211로 약칭할 수도 있음), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622로 약칭할 수도 있음), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811로 약칭할 수도 있음), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(예를 들어, LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 이의 변성 화합물 등 중 적어도 하나를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염의 예는 인산철리튬 (예를 들어, LiFePO4(LFP로 약칭할 수도 있음)), 인산철리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간리튬 (예를 들어, LiMnPO4), 인산망간리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간철리튬, 인산망간철리튬과 탄소의 복합 재료 중 적어도 하나를 포함하나 이에 한정되지 않는다.
일부 실시형태에 있어서, 양극 활물질층은 선택적으로 바인더를 더 포함한다. 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 실시형태에 있어서, 양극 활물질층은 선택적으로 도전제를 더 포함한다. 예시로서, 상기 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 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.
본 출원에 따른 극판(6)이 음극 극판일 경우, 음극 극판은 음극 집전체 및 음극 집전체의 하나의 표면 상에 마련되는 음극 활물질층을 포함한다. 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다.
예시로서, 음극 집전체는 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 음극 활물질층은 음극 집전체의 대향되는 2개의 표면 중 임의의 하나에 마련된다.
일부 실시형태에 있어서, 음극 집전체는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 복합 집전체는 섬유상의 구멍 구조의 절연 재료로 구성된 지지층 및 지지층의 하나의 표면 상에 형성된 도전층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(예를 들어, 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은, 은 합금 등)를 지지층(예를 들어, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름) 상에 형성함으로써 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 실시형태에 있어서, 음극 활물질층은 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 실시형태에 있어서, 음극 활물질층은 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.
일부 실시형태에 있어서, 음극활물질층은 선택적으로 증점제(예를 들어, 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC-Na)) 등과 같은 기타 보조제를 더 포함한다.
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.
[전극 어셈블리]
본 출원의 하나의 실시형태에 있어서, 전극 어셈블리를 제공한다. 전극 어셈블리(52)는 양극 극판(제1 극판)(6), 음극 극판(제2 극판)(7) 및 권취 공정을 통해 전극 어셈블리를 제조할 시 양극 및 음극 단락을 방지하는 역할을 하면서, 이온을 통과시킬 수 있는 하나의 분리막(8)을 포함한다. 본 명세서에서, 양극 극판을 제1 극판이라고 하고, 음극 극판을 제2 극판이라고 하지만, 반대일 수도 있다.
일부 실시형태에 있어서, 양극 극판과 음극 극판 중의 양극 극판은 본 출원의 상기 구조의 극판(6)이다. 양극 극판과 음극 극판 중의 음극 극판은 기존의 구조의 극판(7)이지만, 반대일 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 음극 극판(7)은 음극 집전체(71), 음극 집전체(71)의 2개의 표면 상에 형성된 음극 활물질층(72) 및 음극 집전체(71)에 전기적으로 연결되는 전기 연결 부재(73)를 포함한다. 극판의 길이 방향(X)에서 관찰하면, 양극 극판(6)의 지지층(611)과 음극 극판(7)이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련한다.
도 6는 도 5에 도시된 전극 어셈블리(52)가 권취된 평면도이다. 전극 어셈블리 권취 후, 양극 극판(6)의 양극 활물질층과 분리막(8)이 밀접하게 접되는 방식으로 마련한다.
이로써, 본 실시형태에 따른 양극 극판(6)과 음극 극판(7) 사이에 분리막을 마련할 필요가 없고, 지지층(611)이 양극 극판(6)과 음극 극판(7) 사이의 분리막으로 작용한다. 그러나 음극 극판(7)과 양극 극판(6) 사이는 분리막(8)에 의해 이격된다.
도 7은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극 어셈블리(52A)의 단면도이다. 도 8은 도 3에 도시된 전극 어셈블리(52A)가 권취된 평면도이다. 상기 전극 어셈블리(52A)와 상기 전극 어셈블리(52)의 차이점은 양극 극판과 음극 극판이 각각 본 출원의 상술한 구조의 극판인 것이다. 즉, 음극 극판(6A)은 집전체(61A), 집전체(61A)의 하나의 표면 상에 마련되는 활물질층(62A) 및 집전체(61A)에 전기적으로 연결되는 전기 연결 부재(63A)를 포함한다. 여기서, 활물질층(62A)은 후술되는 베이스 코팅층(66A)을 통해 집전체(61A)의 하나의 표면 상에 마련되지만, 활물질층(62A)은 집전체(61A)의 하나의 표면 상에 직접 마련될 수도 있다. 극판(6A)은 제1 절연층(64A)을 더 포함하고, 제1 절연층(64A)은 집전체(61A)의 다른 하나의 표면 상에 마련되되 극판(6A)의 두께 방향(Y)에서 관찰할 때 적어도 이행 용접 영역(A)의 전체를 커버한다.
도 7, 8에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서, 양극 극판(6)의 지지층(611)과 음극 극판(6A)의 음극 활물질층(62A)이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련하고, 또한, 음극 극판(6A)의 지지층(611A)과 양극 극판(6)의 양극 활물질층(62)이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련한다. 이로써, 본 실시형태에 따른 양극 극판(6) 및 음극 극판(6A) 사이에 분리막을 마련할 필요가 없고, 지지층(611, 611A)이 양극 극판(6)과 음극 극판(6A) 사이의 분리막으로 작용한다.
이 외에, 상술한 방식은 극판을 권취하는 형태를 예로 설명하였으나, 적층식의 극판에도 적용된다.
[이차 전지]
본 출원의 일 실시형태에서는 이차 전지를 제공한다. 이차 전지는 본 출원에 따른 극판 또는 본 출원에 따른 전극 어셈블리를 포함한다.
이차 전지는 전해질을 더 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.
(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 실시형태에 있어서, 양극 및 음극 단락을 방지하는 작용을 하면서, 이온이 통과할 수 있도록 하기 위해, 이차 전지는 양극 극판과 음극 극판 사이에 마련되는 분리막을 더 포함할 수도 있으나, 본 출원에 따른 극판 중의 지지층도 분리막의 작용을 할 수 있어, 본 출원에 따른 이차 전지에 있어서, 양극 극판과 음극 극판 사이가 지지층에 의해 이격되는 경우, 분리막을 별도로 마련하지 않을 수도 있다. 본 출원은 분리막의 종류에 특별한 제한은 없으며, 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 우수한 공지된 다공성 구조의 분리막을 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서,분리막의 재료는 유리 섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드 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 실시형태에 있어서, 양극 극판와 음극 극판 및 필요에 따라 마련되는 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리로 제조될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 이차 전지는 외부 패키지를 포함할 수 있다. 상기 외부 패키지는 상기 전극 어셈블리 및 전해질을 패키징할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 이차 전지의 외부 패키지는 경질 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스와 같은 경질 케이스일 수 있다. 이차 전지의 외부 패키지는 파우치형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수도 있다. 소프트 패키지의 재질은 플라스틱일 수 있고, 플라스틱의 예로 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate) 및 폴리부틸렌숙시네이트(polybutylene succinate) 등을 예로 들 수 있다.
본 출원은 이차 전지의 형상에 대해 특별히 한정하지 않고, 원통형, 사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 9는 하나의 예시로서의 사각형 구조의 이차 전지(5)를 도시한다.
일부 실시형태에서, 도 10을 참조하면, 외부 패키지는 케이스(51)와 커버플레이트(53)를 포함할 수 있다. 여기서, 케이스(51)는 바닥판 및 바닥판에 연결된 측판을 포함할 수 있고, 바닥판 및 측판은 둘러싸서 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통되는 개구를 갖고, 커버 플레이트(53)는 상기 수용 캐비티를 폐쇄하도록 상기 개구에 커버 설치될 수 있다. 양극 극판과 음극 극판 및 필요에 따라 마련되는 분리막을 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리(52)를 형성할 수 있다. 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.
[전지 모듈]
도 11는 하나의 예시로서의 전지 모듈(4)이다. 도 11을 참조하면, 전지 모듈(4)에서, 복수의 이차 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향에 따라 순차적으로 배열되어 설치될 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식으로 배치될 수도 있다. 또한 상기 여러 개의 이차 전지(5)는 패스너에 의해 고정될 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.
[전지 팩]
도 12 및 도 13은 하나의 예시로서의 전지 팩(1)이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 전지 팩(1)에는 전지 박스 및 전지 박스에 마련되는 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.
[전기 장치]
또한, 본 출원은, 본 출원에서 제공되는 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩 중 적어도 하나를 포함하는 전기 장치를 추가로 제공한다. 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.
도 14는 하나의 예시로서의 전기 장치를 도시한다. 상기 전기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 상기 전기 장치용 이차 전지의 고전력 및 고에너지 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
각각의 실시예 및 비교예 중의 전극 극판에 사용되는 집전체의 제조 방법은 다음과 같다.
1. 집전체의 제조:
일정한 두께(5000 nm)의 지지층을 선택하여, 하나의 표면에 진공 증착, 기계 롤링 또는 접착하는 방식으로 일정한 두께(2000 nm)의 도전층을 형성한다. 다른 하나의 표면에 제1 절연 슬러리를 도포하고, 건조하여 제1 절연층을 얻는다.
여기서,
(1) 진공 증착 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 표면 청결 처리된 지지층을 진공 증착 챔버 내에 놓고, 1300℃ 내지 2000℃의 고온으로 금속 증발 챔버 내의 고순도 금속 와이어를 융해 증발시키고, 증발된 금속은 진공 증착 챔버 내의 냉각 시스템을 거쳐, 최종적으로 지지층의 표면에 증착되어 도전층을 형성한다.
(2) 기계 롤링 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 도전층 재료의 박편을 기계 롤러에 넣고, 20t 내지 40t의 압력을 가하여 소정의 두께로 롤링한 후, 표면 청결 처리된 지지층의 표면에 놓으며, 마지막으로 양자를 기계적 롤러에 넣고, 30t 내지 50t의 압력을 가하여 양자를 밀접하게 결합시킨다.
(3) 접착 방식의 형성 조건은 다음과 같다. 도전층 재료의 박편을 기계 롤러에 넣고, 20t 내지 40t의 압력을 가하여 소정의 두께로 롤링한 후; 표면 청결 처리된 지지층의 표면에 PVDF와 NMP의 혼합 용액을 코팅하며; 마지막으로 상기 소정 두께의 도전층을 지지층의 표면에 접착시키고, 100℃의 온도에서 건조한다.
2. 극판의 제조:
1) 도전성 베이스 코팅층을 구비하지 않는 양극 극판:
92 wt%의 양극 활물질(구체적인 재료를 명시하지 않은 경우, 기본적으로 NCM333을 사용함), 5 wt%의 도전제 Super-P(“SP”로 약칭) 및 3 wt%의 PVDF를 NMP를 용매로 균일하게 교반하여 양극 활물질층 슬러리로 배합하고(특정 실시예의 활물질층 슬러리 조성에 변화가 있을 수 있으며, 이때 해당 실시예에 특별히 명시된 것을 기준으로 함), 압착 도포에 의해 양극 활물질층 슬러리를 영역을 나누어 상기 방법에 따라 제조된 복합 집전체의 하나의 표면에 도포하고; 85℃에서 건조하여 양극 활물질층을 얻는다. 다음, 각각의 코팅층을 갖는 집전체를 냉간 압착한 후, 절단한 다음, 85℃의 진공 조건 하에서 4시간 동안 건조하며, 탭을 용접하여 양극 극판을 얻는다.
2) 일반 양극 극판:
집전체는 두께가 12 μm인 Al박편이고, 상술된 양극 극판의 제조 방법과 유사하며, 양극 활물질층 슬러리를 Al박편 집전체의 표면 상에 직접 도포한 다음, 후처리를 거쳐 일반 양극 극판을 얻는다.
3) 도전성 베이스 코팅층을 구비한 양극 극판:
일정한 배합 비율(4 : 1)의 전도성 재료(예컨대, 도전성 카본 블랙)와 바인더(예를 들어, PVDF 또는 폴리아크릴산 등) 및 선택 가능한 활성물질을 사용하여 적합한 용매(예를 들어, NMP 또는 물)에 용해시키고, 균일하게 교반하여 베이스 코팅 슬러리로 배합한다.
베이스 코팅 슬러리를 복합 집전체의 표면 상에 균일하게 코딩하고, 코팅 속도는 20 m/min이며, 베이스 코팅층을 건조하고, 오븐 온도는 70~100℃이며, 오븐 시간은 5 min이다.
베이스 코팅층이 완전히 건조된 후, 92 wt%의 양극 활물질, 5 wt%의 도전제 Super-P(“SP”로 약침) 및 3 wt%의 PVDF를 NMP를 용매로 균일하게 교반하여 양극 활물질층 슬러리로 배합하고, 냉간 압착 도포에 의해 양극 활물질층 슬러리를 영역을 나누어 베이스 코팅층의 표면 상에 도포하며; 85℃에서 건조하여 양극 활물질층을 얻은 후, 후처리를 거쳐 도전성 베이스 코팅층을 갖는 양극 극판을 얻는다.
4) 도전성 베이스 코팅층을 구비하지 않는 음극 극판:
음극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 바인더 SBR를 질량비 96.5 : 1.0 : 1.0 : 1.5에 따라 용매인 탈이온수에 넣고 균일하게 혼합하여 음극 활물질층 슬러리로 제조하고; 압착 도포에 의해 음극 활물질층 슬러리를 영역을 나누어 상기 방법에 따라 제조된 복합 집전체의 하나의 표면에 도포하며; 85℃에서 건조하여 음극 활물질층을 얻는다.
다음, 각각의 코팅층을 갖는 집전체를 냉간 압착한 후, 절단한 다음, 110℃의 진공 조건 하에서 4시간 동안 건조하며, 탭을 용접하여 음극 극판을 얻는다.
5) 일반 음극 극판:
집전체는 두께가 8 μm인 Cu박편이고, 상술된 음극 극판의 제조 방법과 유사하며, 음극 활물질층 슬러리를 Cu박편 집전체의 표면 상에 직접 도포한 다음, 후처리를 거쳐 일반 음극 극판을 얻는다.
6) 도전성 베이스 코팅층을 구비한 음극 극판:
일정한 배합 비율(4 : 1)의 전도성 재료(예컨대, 도전성 카본 블랙)와 바인더(예를 들어, PVDF 또는 폴리아크릴산 등) 및 선택 가능한 활성물질을 사용하여 적합한 용매(예를 들어, NMP 또는 물)에 용해시키고, 균일하게 교반하여 베이스 코팅 슬러리로 배합한다.
베이스 코팅 슬러리를 복합 집전체의 표면 상에 균일하게 코딩하고, 코팅 속도는 20 m/min이며, 베이스 코팅층을 건조하고, 오븐 온도는 70~100℃이며, 오븐 시간은 5 min이다.
베이스 코팅층이 완전히 건조 된 후, 음극 활물질인 인조 흑연, 도전제 Super-P, 증점제 CMC, 바인더 SBR를 질량비 96.5 : 1.0 : 1.0 : 1.5에 따라 용매인 탈이온수에 넣고 균일하게 혼합하여 음극 활물질층 슬러리로 제조하고; 압착 도포에 의해 음극 활물질층 슬러리를 영역을 나누어 집전체의 베이스 코팅층 상에 도포하며; 85℃에서 건조하여 음극 활물질층을 얻은 후, 후처리를 거쳐 연장 영역에서 도전성 베이스 코팅층을 갖는 음극 극판을 얻는다.
3. 전지의 제조:
일반적인 전지 제조 공정을 통해, 양극 극판(압축 밀도: 3.4 g/cm3), 음극 극판(압축 밀도: 1.6 g/cm3) 및 PP/PE/PP 분리막(필요에 따라 2개의 분리막, 하나의 분리막 또는 무 분리막을 선택함) 함께 베어 셀로 권취한 후, 전지 케이스 내에 넣고, 전해액(EC : EMC 부피 비는 3 : 7이고, LiPF6은 1 mol/L임)을 주입한 다음, 밀봉, 화학 형성 등 공정을 거쳐, 최종적으로 리튬 이온 이차 전지(이하 전지로 약칭)를 얻는다.
5. 전지 테스트 방법:
1) 극판 켭치기 테스트:
상기 3에서 제조된 양극 극판과 음극 극판을 각각 용량이 2.2 Ah이고, 전압이 4.2 V인 전지 양극 및 음극에 연결하고, 양극 극판을 음극과 직접 접촉시켜, 불꽃의 형성 여부를 관찰한다. 아울러, 다양한 겹치기 점을 선택하여, 방호 효과를 검증하고 극판의 형상을 관찰하도록, 매번 겹치기 방식은 일치하다.
2) DCR (직류 내부 저항)의 테스트 방법:
물리적 공식 R = V/I에 따라, 테스트 장비는 전지에 짧은 시간 내(일반적으로 2-3초)에 하나의 큰 직류 정전류(현재 일반적으로 40A-80A의 큰 전류 사용)가 흐르도록 하여, 이때의 전지 양단의 전압을 측정하고, 공식에 따라 현재의 전지 내부 저항을 측정한다.
6. 테스트 결과 및 토론:
6.1 제1 절연층 및 제2 절연층이 이차 전지 안전성 및 내부 저항에 미치는 영향
아래, 양극 극판을 예로 들어, 제1 절연층 및 제2 절연층이 전지 성능에 미치는 영향, 특히 이차 전지의 안전성 및 내부 저항에 미치는 영향에 대해 설명한다. 하기 표 1의 배합에 따라, 전술한 “2, 극판의 제조”에 따라 전극 극판을 제조하고, 선택적으로 제2 절연 슬러리를 더 도포하며, 건조하여 제2 절연층을 얻는다. 다음, 전술한 “3, 전지 의 제조”에 따라 최종적으로 전지로 조립하여 테스트한다.
[표 1]
Figure pct00001
다크 스팟(정전기로 인한), 흑점(불꽃으로 인한)
표 1로부터, 실시예 1~5와 비교예1, 2의 비교를 통해, 제1 절연층을 갖는 실시예 1~5는 겹치기 테스트에서 양호한 보호 효과를 나타냈고, 일반 극판과 비슷한 직류 내부 저항을 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1과 실시예 6의 비교로부터, 추가로 제2 절연층을 구비함으로써, 이차 전지의 직류 내부 저항을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 실시예 7과 실시예 8의 비교로부터, 베이스 코팅층을 구비함으로써, 이차 전지의 직류 내부 저항을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 3과 실시예 4의 비교로부터, 활물질층과 제1 절연층의 경계가 X 방향에서 중첩됨으로써, 겹치기 테스트에서의 보호 효과를 더 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 8, 11과 실시예 9, 10의 비교로부터, 베이스 코팅층과 활물질층의 X 방향에서의 경계 거리를 1 ~ 3 mm로 설정함으로써, 이차 전지의 직류 내부 저항을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
6.2 유기 지지층을 갖는 복합 집전체가 이차 전지의 부피 에너지 밀도에 미치는 영향
아래 표 2에 결부하여 유기 지지층을 갖는 복합 집전체가 이차 전지의 부피 에너지 밀도에 미치는 영향을 설명한다.
[표 2]
표 2로부터 알 수 있다시피, 양극 극판 및 음극 극판이 모두 일반 극판을 사용하는 이차 전지와 비교하여,유기 지지층을 갖는 복합 집전체를 하나의 극판으로 사용하는 경우, 부피 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 유기 지지층을 갖는 복합 집전체를 두 극판으로 사용하는 경우, 부피 에너지 밀도를 추가로 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 변형을가할 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: 커버 플레이트; 6: 극판; 61: 집전체; 611: 지지층; 612: 도전층; 62: 활물질층; 63: 전기 연결 부재; 64: 제1 절연층; 65: 제2 절연층; 66: 베이스 코팅층; 7: 극판; 71: 집전체; 72: 활물질층; 73: 전기 연결 부재; 8: 분리막; 52A: 전극 어셈블리; 6A: 극판; 61A: 집전체; 611A: 지지층; 612A: 도전층; 62A: 활물질층; 63A: 전기 연결 부재; 64A: 제1 절연층; 65A: 제2 절연층; 66A: 베이스 코팅층.

Claims (15)

  1. 극판으로서,
    집전체, 상기 집전체의 하나의 표면 상에 마련되는 활물질층 및 상기 집전체에 전기적으로 연결되는 전기 연결 부재를 포함하고,
    상기 활물질층은 상기 집전체의 본체 부분에 마련되며, 상기 전기 연결 부재와 상기 집전체는 상기 집전체의 가장자리에서 용접되고, 상기 용접 연결 영역을 이행 용접 영역이라고 하며,
    상기 집전체는 지지층 및 상기 지지층의 하나의 표면 상에 마련되는 도전층을 포함하되,
    상기 극판은 제1 절연층을 더 포함하고, 상기 제1 절연층은 상기 집전체의 다른 하나의 표면 상에 마련되며 상기 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 상기 이행 용접 영역의 전체를 커버하는 극판.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 지지층은 섬유상의 구멍 구조를 가진 절연재료로 구성되는 극판.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 지지층은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름인 극판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극판의 두께 방향에서 관찰할 때, 상기 제1 절연층의 가장 자리는 상기 양극 활물질층의 가장 자리와 중첩되는 극판.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 수지 재료로 구성되되 지지층과 동일한 재료인 극판.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리염화비닐리덴 필름 또는 이들의 다층 복합 필름이거나,
    또는, 상기 제1 절연층은 바인더 또는 수지 재료인 극판.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극판은 제2 절연층을 더 포함하고, 상기 제2 절연층은 상기 전기 연결 부재의 하나의 표면 상에 마련되며 상기 극판의 두께 방향에서 관찰할 때 적어도 상기 이행 용접 영역의 전체를 커버하는 극판.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 바인더 또는 수지 재료인 극판.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활물질층과 상기 집전체 사이에 베이스 코팅층이 마련되고
    선택적으로, 상기 베이스 코팅층의 폭은 상기 활물질층의 폭보다 1 mm 내지 3 mm 작은 극판.
  10. 전극 어셈블리로서,
    제1 극판 및 제2 극판을 포함하고,
    상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 중의 하나의 극판은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 극판이며,
    상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 중의 하나의 상기 극판의 지지층과 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 중의 하나의 상기 극판이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련하는 전극 어셈블리.
  11. 전극 어셈블리로서,
    제1 극판 및 제2 극판을 포함하고,
    상기 제1 극판 및 상기 제2 극판은 각각 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 극판이며,
    상기 제1 극판의 지지층과 상기 제2 극판의 활물질층이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련하고, 또한,
    상기 제2 극판의 지지층과 상기 제1 극판의 활물질층이 밀접하게 접촉되는 방식으로 마련하는 전극 어셈블리.
  12. 상기 이차 전지는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 극판 또는 제10항 또는 제11항에 따른 전극 어셈블리를 포함하는 이차 전지.
  13. 제12항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
  14. 제13항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  15. 제12항에 따른 이차 전지, 제13항에 따른 전지 모듈 및 제14항에 따른 전지 팩을 포함하는 전기 장치.
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