KR20230159359A - 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기 - Google Patents

이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230159359A
KR20230159359A KR1020237022709A KR20237022709A KR20230159359A KR 20230159359 A KR20230159359 A KR 20230159359A KR 1020237022709 A KR1020237022709 A KR 1020237022709A KR 20237022709 A KR20237022709 A KR 20237022709A KR 20230159359 A KR20230159359 A KR 20230159359A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
negative electrode
secondary battery
pores
lithium
porous carbon
Prior art date
Application number
KR1020237022709A
Other languages
English (en)
Inventor
리리 우
페이동 송
신 순
리앙 윈
싱부 천
미아오미아오 동
쉬엔 리
Original Assignee
컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 filed Critical 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
Publication of KR20230159359A publication Critical patent/KR20230159359A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 출원은 이차전지(5), 배터리 모듈(4), 배터리 팩(1) 및 전기기기를 제공한다. 상기 이차전지(5)에서, 음극판(6)의 음극 활물질층(62)은 다공성 카본 재료를 포함하며, 음극 활물질층(62)에는 기공(63)이 구비되고, 기공(63)은 음극 활물질층(62)을 관통하거나 관통하지 않고, 기공(63) 내에는 리튬 금속(64)이 구비된다.

Description

이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기
본 출원은 이차전지 분야에 관한 것으로, 특히 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기에 관한 것이다.
리튬 금속 음극 체계의 이차전지는 음극에 리튬 금속 단체가 구비되어 있기 때문에 에너지 밀도가 높다. 그러나 리튬 금속은 침적 과정에서 덴드라이트 결정을 생성하기 쉽고 계면 부반응이 일어나기 쉬워 사이클 안정성이 좋지 않고 사이클 수명이 짧다.
상기 문제에 기초하여, 본 출원은 비교적 높은 에너지 밀도와 비교적 긴 사이클 수명을 구비하는 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기를 제공한다.
제1 양상에서, 본 출원은 이차전지를 제공함에 있어서, 음극판을 포함하며,
상기 음극판의 음극 활물질층은 다공성 카본 재료를 포함하며, 상기 음극 활물질층에는 기공이 구비되고, 상기 기공은 상기 음극 활물질층을 관통하거나 관통하지 않고, 상기 기공 내에는 리튬 금속이 구비된다.
상기 이차전지는 음극 활물질층에 기공이 구비되고, 또한 리튬 금속이 기공에 존재하며, 리튬 금속이 음극판의 표면에 침적되는 종래의 음극판에 비해 리튬 금속이 기공에 존재하기 때문에 음극판에서 전해질 계면과 리튬 금속의 부반응을 감소시켜 리튬원 손실을 감소시킬 수 있으므로 이차전지가 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 구비하게 된다.
일부 실시예에서, 상기 이차전지는 양극판을 더 포함하며, 상기 양극판의 가역적 리튬 삽입 용량과 상기 음극판의 가역적 리튬 탈리 용량의 비율은 CB이고, 0＜CB≤1이며,
선택적으로, 0.4≤CB≤1이다.
일부 실시예에서, 상기 음극 활물질층의 두께는 x이고, 상기 음극 활물질층에 수직인 방향으로 상기 기공의 양단 포트 사이의 거리는 y이며, x와 y는 0.1x≤y≤x의 조건을 만족한다.
일부 실시예에서, 기공 내벽을 따른 상기 기공의 양단 포트 사이의 길이는 L이고, L와 y는 L＞y의 조건을 만족한다.
일부 실시예에서, 상기 기공은 비직선형 기공이다.
일부 실시예에서, 상기 음극 활물질층에 수직인 방향으로 상기 집전체 상의 상기 기공 내부의 투영은 상기 기공의 양단 포트와 겹치지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 기공의 수는 다수이고, 인접한 두 개의 상기 기공 사이의 거리는 d이며, d≤10x이다.
일부 실시예에서, 상기 기공의 최대 직경 분포는 1μm~50μm이다.
일부 실시예에서, 상기 다공성 카본 재료는 하드카본, 바이오차, 활성탄, 탄소 섬유 및 카본 에어로젤 중 적어도 하나에서 선택된다.
일부 실시예에서, 상기 다공성 카본 재료의 Dv50은 1μm~100μm이다.
일부 실시예에서, 이산화탄소 분위기에서 상기 다공성 카본 재료의 비표면적은 ≥50m2/g이다.
일부 실시예에서, 상기 다공성 카본 재료의 오일 흡수치는 ≥30mL/100g이고, 상기 오일 흡수치는 Gardner-Coleman 방법에 의해 측정된다.
일부 실시예에서, 이산화탄소 분위기에서 상기 음극판의 비표면적과 질소 분위기에서 상기 음극판의 비표면적의 비율은 ≥5이다.
일부 실시예에서, 상기 음극 활물질층에서 상기 다공성 카본 재료의 질량 백분율은 90%~98%이다.
일부 실시예에서, 상기 음극판의 집전체는 동박이고, 상기 동박에는 적어도 하나의 리튬 삽입 원소가 함유된다.
일부 실시예에서, 상기 동박에서 상기 리튬 삽입 원소의 질량 백분율은 ≥5%이다.
일부 실시예에서, 상기 리튬 삽입 원소는 은, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 주석 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 동박의 두께는 4μm~20μm이다.
일부 실시예에서, 상기 음극판의 제조 방법은,
상기 다공성 카본 재료가 기체를 흡착하도록 상기 다공성 카본 재료를 전처리하는 단계;
상기 기체가 흡착된 다공성 카본 재료를 음극 슬러리로 만드는 단계;
상기 음극 슬러리를 사용하여 상기 집전체의 적어도 하나의 표면에 상기 음극 활물질층을 제조하고, 상기 기체가 상기 다공성 카본 재료로부터 탈착되어 상기 기공을 형성하는 단계; 를 포함한다.
제2 양상에서, 본 출원은 배터리 모듈을 제공함에 있어서, 상기 이차전지를 포함한다.
제3 양상에서, 본 출원은 배터리 팩을 제공함에 있어서, 상기 배터리 모듈을 포함한다.
제4 양상에서 본 출원은 전기기기를 제공함에 있어서, 상기 이차전지, 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 팩 중 적어도 하나를 포함한다.
본 출원의 하나 또는 다수의 실시예의 세부사항은 아래의 첨부 도면 및 설명에서 제시되며, 본 출원의 기타 특징, 목적 및 장점은 명세서, 첨부 도면 및 청구범위에서 더 명확해질 것이다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 이차전지의 음극판의 구조 개략도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시형태에 따른 이차전지의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 출원의 일 실시형태에 따른 이차전지의 분해도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 개략도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 본 출원의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 분해도이다.
도 7은 본 출원의 실시형태에 따른 이차전지가 전원으로 사용되는 전기기기의 개략도이다.
여기서 개시된 발명의 실시예 및/또는 예시를 보다 잘 기술하고 설명하기 위해, 하나 이상의 첨부 도면을 참조할 수 있다. 첨부 도면을 설명하기 위한 부가적인 세부사항 또는 예시는 여기서 개시된 발명, 현재 설명되는 실시예 및/또는 예시, 그리고 현재로서 이해하는 이러한 발명의 최적의 모식 중 어느 하나의 범위에 대한 제한으로 간주되어서는 안 된다.
본 출원에 대한 이해를 돕기 위해, 아래는 관련 첨부 도면을 참조하여 본 출원에 대한 보다 포괄적인 설명을 제공한다. 첨부 도면에서 본 출원의 바람직한 실시예가 제공된다. 단, 본 출원은 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다. 반대로, 이러한 실시예들을 제공하는 목적은 본 출원에서 개시하는 내용에 대한 이해를 더 철저하고 포괄적이게 하는 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 출원이 속하는 기술 분야의 기술자들이 일반적으로 이해하는 의미와 동일하다. 본 출원의 명세서에서 사용되는 용어는 단지 구체적인 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 출원을 제한하려는 의도가 아니다. 여기서 사용되는 용어 “및/또는”에는 나열된 하나 또는 다수의 관련 사항의 임의 및 모든 조합이 포함된다.
리튬 금속 음극 체계의 이차전지는 음극에 리튬 금속 단체가 포함되어 있기 때문에 에너지 밀도가 높다. 그러나 리튬 금속은 침적 과정에서 덴드라이트 결정을 생성하기 쉽고 계면 부반응이 일어나기 쉬워 사이클 안정성이 좋지 않고 사이클 수명이 짧다. 종래의 리튬 금속 음극판은 리튬 금속이 일반적으로 극판의 표면에 침적되기 때문에 침적 과정에서 덴드라이트 결정이 생성되기 쉽고, 리튬 금속이 극판의 표면에 침적되어 이차전지의 전해질과 부반응을 일으키기 쉬워 이차전지의 에너지 밀도 및 사이클 성능이 저하된다.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 출원은 이차전지 및 상기 이차전지를 사용한 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기를 제공한다. 이러한 이차전지는 휴대폰, 휴대용 기기, 노트북, 축배터리차, 전기 장난감, 전동 공구, 전기자동차, 선박 및 우주 설비 등과 같이 배터리를 사용하는 다양한 전기기기에 모두 적용되며, 예컨대 우주 설비는 비행기, 로켓, 스페이스 셔틀 및 우주선 등을 포함한다.
아래에서는 첨부 도면을 적당히 참조하여, 본 출원의 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기에 대해 설명한다.
본 출원의 일 실시형태에서는 이차전지를 제공한다.
일반 상황에서, 이차전지는 양극판, 음극판, 전해질 및 분리막을 포함한다. 배터리의 충방전 과정에서, 활성이온은 양극판과 음극판 사이에서 왕복하면서 삽입 및 탈리된다. 전해질은 양극판과 음극판 사이에서 이온을 전도하는 역할을 한다. 분리막은 양극판과 음극판 사이에 배치되어 양극과 음극의 단락을 방지하는 역할을 하는 동시에 이온을 통과시킬 수 있다.
음극판
음극판은 음극 집전체 및 음극 집전체의 적어도 하나의 표면에 배치된 음극 활물질층을 구비한다. 예시로서, 음극 집전체는 이의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 포함하고, 음극 활물질층은 음극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 일면 또는 양면에 배치된다.
본 출원의 실시형태에서, 음극판의 음극 활물질층은 다공성 카본 재료를 포함한다. 도 1을 참조하면, 본 출원의 일 실시예에 따른 이차전지의 음극판(6)의 구조 개략도이다. 음극판(6)은 집전체(61) 및 음극 활물질층(62)을 포함한다. 음극 활물질층(62)에는 기공(63)이 구비되고, 기공(63)은 음극 활물질층(62)을 관통하거나 관통하지 않고, 기공(63) 내에는 리튬 금속(64)이 구비된다.
상기 이차전지는 음극 활물질층에 기공이 구비되고, 또한 리튬 금속이 기공에 존재하며, 리튬 금속이 음극판의 표면에 침적되는 종래의 음극판에 비해 리튬 금속이 기공에 존재하기 때문에 음극판에서 전해질 계면과 리튬 금속의 부반응을 감소시켜 리튬원 손실을 감소시킬 수 있으므로 이차전지가 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 구비하게 된다.
일부 실시예에서, 양극판의 가역적 리튬 삽입 용량과 음극판의 가역적 리튬 탈리 용량의 비율은 CB이고, 0＜CB≤1이다. 음극판의 가역적 리튬 삽입 용량은 음극 활물질(본 출원에서는 다공성 카본 재료임)의 그램당 용량 및 음극판의 코팅 중량과 관련되고, 양극판의 가역적 리튬 탈리 용량은 양극 활물질의 그램당 용량 및 양극판의 코팅 중량과 관련되며, 양/음극판의 활물질 그램당 용량 및 코팅 중량을 제어함으로써 이차전지의 CB 값을 조정할 수 있다. 이차전지의 CB 값을 제어함으로써 충전 시 이차전지의 음극판이 리튬탄소합금(LiC6)을 형성할 뿐만 아니라 기공에 리튬 금속이 침적됨을 보장할 수 있어 이차전지의 에너지 밀도가 높고, 또한 음극판의 리튬탄소합금(LiC6) 및 기공에 있는 리튬 금속이 결합되어 이차전지의 동역학 성능 및 사이클 안정성을 더욱 개선할 수 있다. 정상적인 상황에서, 방전 과정에서 리튬 이온은 우선 리튬 금속으로부터 탈리된 다음 LiC6으로부터 탈리된다. 상기 음극판은 리튬이 음극판의 기공에 침적되기 때문에 음극판의 표면의 리튬 침적량이 감소되며, 방전 과정이 일정한 과전위에서 리튬 이온이 우선적으로 LiC6으로부터 탈리되고, 그 다음 금속 리튬이 C에 삽입되어 LiC6에서 방출된 용량을 보충할 수 있어 사이클 성능이 개선된다. 진일보로, 0.4≤CB≤1이다. 0.4≤CB≤1로 제어함으로써 음극판의 기공에 더 많은 리튬 금속이 침적되어 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 이차전지는 첫 충전 전 음극판의 기공에 리튬 금속이 침적되지 않았으나, 이차전지의 CB 값을 제어함으로써 이차전지가 첫 충전 후 음극판의 기공에 리튬 금속이 침적되어 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있음을 이해할 수 있다.
일부 실시예에서, 음극 활물질층의 두께는 x이고, 음극 활물질층에 수직인 방향으로 기공의 양단 포트 사이의 거리는 y이며, x와 y는 0.1x≤y≤x의 조건을 만족한다.
일부 실시예에서, 기공 내벽을 따른 기공의 양단 포트 사이의 길이는 L이고, L와 y는 L＞y의 조건을 만족한다. 기공의 양단 포트 사이의 거리는 음극 활물질층의 표면에 수직이 아닐 수 있고, 또는 기공은 비직선형으로 굴곡적으로 분포될 수 있음을 이해할 수 있다.
일부 실시예에서, 기공은 비직선형 기공이다. 비직선형 기공은 더 긴 수송 경로를 가질 수 있고, 음극판의 비표면적을 증가시켜 이차전지의 사이클 수명을 더욱 개선할 수 있다.
일부 실시예에서, 음극 활물질층에 수직인 방향으로 집전체 상의 기공 내부의 임의의 투영은 기공의 양단 포트와 겹치지 않는다. 음극 활물질층에 수직인 방향으로 집전체 상의 기공 내부의 투영은 기공의 양단 포트와 완전히 겹치지 않으며, 즉 기공이 굴곡적으로 분포되어 음극판은 더 긴 수송 경로 및 더 큰 비표면적을 구비한다.
일부 실시예에서, 기공의 수는 다수이고, 인접한 두 개의 기공 사이의 거리는 d이며, d≤10x이다. 음극판의 기공이 d≤10x의 밀도 범위에 분포되어 음극판이 더 많은 수의 기공을 구비하도록 보장할 수 있고, 리튬 금속의 침적을 보장하여 이차전지의 에너지 밀도 및 사이클 수명을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 기공의 최대 직경 분포는 1μm~50μm이다. 기공의 최대 직경은 극판 표면에 있는 기공의 장축 직경을 의미한다. 음극판의 기공 최대 직경 분포가 상기 범위에 있으면 리튬 금속의 침적에 유리하고, 이차전지의 에너지 밀도 및 사이클 수명을 향상시킨다. 선택적으로, 기공의 최대 직경 분포는 1μm~10μm, 10μm~20μm, 20μm~30μm, 30μm~40μm 또는 40μm~50μm이다.
일부 실시예에서, 다공성 카본 재료는 하드카본, 바이오차, 활성탄, 탄소 섬유 및 카본 에어로젤 중 적어도 하나에서 선택된다. 상기 다공성 카본 재료는 비표면적이 크므로 음극판에 사용하면 음극판의 공극률을 개선할 수 있고, 다공성 카본 재료의 공극에 흡착된 기체가 탈착될 때 음극판의 기공 구조를 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 다공성 카본 재료의 Dv50은 1μm~100μm이다. Dv50은 부피 분포에서 50%에 해당하는 입자의 크기를 나타낸다. 예시로서, Dv50은 GB/T 19077-2016 입도 분포 레이저 회절법을 참조하여 영국 말번사의 Mastersizer 2000E 레이저 입도 분석기와 같은 레이저 입도 분석기로 편리하게 측정할 수 있다. 선택적으로, 다공성 카본 재료의 Dv50은 1μm, 2μm, 4μm, 5μm, 8μm, 10μm, 20μm, 30μm, 40μm, 50μm, 60μm, 70μm, 80μm, 90μm 또는 100μm이다. 진일보로, 다공성 카본 재료의 Dv50은 4.6μm이다.
일부 실시예에서, 이산화탄소 분위기에서 다공성 카본 재료의 비표면적은 ≥50m2/g이다. 다공성 카본 재료는 비표면적이 비교적 크므로 기체를 흡착할 수 있어 음극판의 제조 과정에서 풍부한 기공 구조를 생성하여 기공 내의 리튬 금속 침적에 도움이 된다.
일부 실시예에서, 다공성 카본 재료의 오일 흡수치는 ≥30mL/100g이고, 오일 흡수치는 Gardner-Coleman 방법에 의해 측정되며, 사용되는 용제는 디부틸프탈레이트(DBP), 디옥실프탈레이트(DOP), 아마씨유, 탈이온수, N-메틸피롤리돈, 무수 에탄올 및 아세톤 중 임의의 하나를 포함한다. 다공성 카본 재료의 오일 흡수치가 상기 범위 내에 있을 때 다공성 카본 재료의 흡착 기체가 유출되어 음극판의 기공 구조를 형성하는 데 도움이 되며, 또한 음극판의 전해액 함침성을 향상시켜 이차전지의 동역학 성능을 개선하는 데 도움이 된다.
일부 실시예에서, 이산화탄소 분위기에서 음극판의 비표면적과 질소 분위기에서 음극판의 비표면적의 비율(BETCO2/BETN2로 약칭됨)은 ≥5이다. 이산화탄소는 분자 부피가 작기 때문에 다공성 카본 재료 및 음극판 기공에 흡착될 수 있으므로 측정된 음극판 비표면적이 비교적 크며, 음극판의 BETCO2/BETN2≥5로 조정함으로써 음극판은 풍부한 기공 구조 및 높은 공극률을 구비하게 되어 기공 내의 리튬 금속 침적에 유리하고, 이차전지의 에너지 밀도 및 사이클 수명을 개선한다.
일부 실시예에서, 음극 활물질층에서 다공성 카본 재료의 질량 백분율은 90%~98%이다. 다공성 카본 재료의 질량 백분율이 상기 범위 내에 있을 때 음극판은 좋은 전기화학적 성능을 구비한다. 선택적으로, 음극 활물질층에서 다공성 카본 재료의 질량 백분율은 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97% 또는 98%이다. 진일보로, 음극 활물질층에서 다공성 카본 재료의 질량 백분율은 93%~96%이다.
일부 실시예에서, 음극 활물질층은 또한 선택적으로 바인더를 포함한다. 바인더는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산나트륨(PAAS), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리 비닐 알코올(PVA), 알긴산나트륨(SA), 폴리메타크릴산(PMAA) 및 카르복시메틸키토산(CMCS) 중 적어도 하나에서 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 음극 활물질층은 또한 선택적으로 도전제를 포함한다. 도전제로는 초전도성 카본, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 양자점, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유 중 적어도 하나에서 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 음극 활물질층은 또한 선택적으로 증점제(예: 카르복시 메틸 셀룰로스 나트륨(CMC-Na)) 등과 같은 기타 보조제를 포함한다.
일부 실시예에서, 음극 집전체로서 금속박편 또는 복합 집전체를 채택할 수 있다. 예를 들어, 금속박편으로는 동박을 채택할 수 있다. 복합 집전체는 고분자재료 기재층과 고분자재료 기재층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 고분자재료 기재(예: 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등 기재) 상에 금속 재료(동, 동합금, 니켈, 니켈합금, 티타늄, 티타늄합금, 은 및 은합금 등)를 형성하는 것을 통해 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 음극판의 집전체는 동박이고, 동박에는 적어도 하나의 리튬 삽입 원소가 함유된다. 리튬 삽입 원소의 도입은 집전체의 리튬 삽입 능력을 개선할 수 있다. 구체적으로, 리튬 삽입 원소는 리튬 이온과 반응하여 리튬 이온을 침적시킬 수 있는 원소를 의미한다. 일부 실시예에서, 리튬 삽입 원소는 동박에 도핑되어 동합금을 형성할 수 있고, 또는 리튬 삽입 원소는 단체 또는 산화물, 질화물 등의 형태로 동박의 표면에 코팅층을 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 동박에서 리튬 삽입 원소의 질량 백분율은 ≥5%이다. 선택적으로, 동박에서 리튬 삽입 원소의 질량 백분율은 5%, 6%, 7%, 8%, 9% 또는 10%이다.
일부 실시예에서, 리튬 삽입 원소는 은, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 주석 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 리튬 삽입 원소는 리튬과 리튬합금을 형성하여 리튬 삽입 효과를 달성할 수 있다.
일부 실시예에서, 동박의 두께는 4μm~20μm이다. 선택적으로, 동박의 두께는 4μm, 5μm, 6μm, 8μm, 10μm, 12μm, 15μm, 16μm, 18μm 또는 20μm이다.
일부 실시예에서, 음극판은 다음과 같은 방식으로 제조될 수 있다. 다공성 카본 재료, 도전제, 바인더와 같은 음극판을 제조하기 위해 사용되는 성분 및 기타 임의의 성분을 용제(예: 탈이온수)에 분산시켜 음극 슬러리를 형성하고, 음극 슬러리를 음극 집전체에 코팅하여 건조, 냉간 압연 등 공정을 거쳐 음극판을 획득할 수 있다.
일부 실시예에서, 음극판의 제조 방법은,
다공성 카본 재료가 기체를 흡착하도록 다공성 카본 재료를 전처리하는 단계;
기체가 흡착된 다공성 카본 재료를 음극 슬러리로 만드는 단계;
음극 슬러리를 채택하여 집전체의 적어도 하나의 표면에 음극 활물질층을 제조하고, 기체가 다공성 카본 재료로부터 탈착되어 기공을 형성하는 단계; 를 포함한다.
다공성 카본 재료를 전처리하여 기체를 흡착하도록 함으로써 음극 슬러리를 코팅하여 음극 활물질층을 제조하는 단계, 특히 건조, 냉간 압연 등 공정에서 다공성 카본 재료의 흡착 기체가 다공성 카본 재료로부터 탈착되어 음극 활물질층의 기공 구조를 형성할 수 있다.
양극판
양극판은 양극 집전체 및 양극 집전체의 적어도 하나의 표면에 배치된 양극 활물질층을 포함한다.
예시로서, 양극 집전체는 이의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 양극 활물질층은 양극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 일면 또는 양면에 배치된다.
일부 실시예에서, 양극 집전체로서 금속박편 또는 복합 집전체를 채택할 수 있다. 예를 들어, 금속박편으로는 알루미늄박을 채택할 수 있다. 복합 집전체는 고분자재료 기저층과 고분자재료 기재층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 고분자재료 기재(예: 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등 기재) 상에 금속 재료(알루미늄, 알루미늄합금, 니켈, 니켈합금, 티타늄, 티타늄합금, 은 및 은합금 등)을 형성하는 것을 통해 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 양극 활물질로는 본 분야에서 공지된 배터리용 양극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 양극 활물질은 감람석형 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이 금속 산화물 및 이들 각자의 개질 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 출원은 이러한 물질들에 한정되지 않고, 배터리용 양극 활물질로서 사용될 수 있는 기타 종래의 물질을 또한 사용할 수 있다. 이러한 양극 활물질은 단독으로 하나만 사용되거나, 둘 이상이 조합으로 사용될 수 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예시로는 리튬 코발트 산화물(예: LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(예: LiNiO2), 리튬 망간 산화물(예: LiMnO2, LiMn2O4), 리튬 니켈 코발트 산화물, 리튬 망간 코발트 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(예: LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333로 약칭될 수 있음), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523로 약칭될 수 있음), LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(NCM211로 약칭될 수 있음), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622로 약칭될 수 있음), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811로 약칭될 수 있음), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(예: LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 그 개질 화합물 중 적어도 하나를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 감람석 구조의 리튬 함유 인산염의 예시로는 인산 철 리튬(예: LiFePO4(LFP로 약칭될 수 있음)), 인산 철 리튬과 탄소의 복합 재료, 인산 망간 리튬(예: LiMnPO4), 인산 망간 리튬과 탄소의 복합 재료, 인산 망간 철 리튬, 인산 망간 철 리튬과 탄소의 복합 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
일부 실시예에서, 양극 활물질층은 또한 선택적으로 바인더를 포함한다. 예시로서, 바인더는 폴리비닐리덴 디플루오리드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불화 비닐리덴-테트라플루오로에텐-프로필렌 삼원공중합체, 불화 비닐리덴-헥사플루오르프로필렌-테트라플루오로에텐 삼원공중합체, 테트라플루오로에텐-헥사플루오르프로필렌 공중합체 및 플루오로아크릴레이트 레진 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 양극 활물질층은 또한 선택적으로 도전제를 포함한다. 예시로서, 도전제는 초전도성 카본, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 양자점, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 양극판은 다음과 같은 방식으로 제조될 수 있다. 양극 활물질, 도전제, 바인더와 같은 양극판을 제조하기 위해 사용되는 성분 및 기타 임의의 성분을 용제(예: N-메틸피롤리돈)에 분산시켜 양극 슬러리를 형성하고, 양극 슬러리를 양극 집전체에 코팅하여 건조, 냉간 압연 등 공정을 거쳐 양극판을 획득할 수 있다.
전해질
전해질은 양극판과 음극판 사이에서 이온을 전도하는 역할을 한다. 본 출원에서는 전해질의 종류에 대해 특별히 한정하지 않으며, 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 예컨대, 전해질은 액체, 겔 또는 완전 고체일 수 있다.
일부 실시예에서, 전해질로는 전해액을 사용한다. 전해액은 전해질 염 및 용제를 포함한다.
일부 실시예에서, 전해질 염으로는 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 테트라플루오로보레이트, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로아르세네이트, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드, 비스(트리플루오로메탄)설포니미드 리튬염, 리튬 트리플루오로메탄설포네이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 리튬 디플루오로(옥살라토)보레이트, 리튬 비스(옥살레이트)보레이트, 리튬 디플루오로 옥살레이트 포스페이트 및 리튬 테트라플루오로(옥살라토)포스페이트 중 적어도 하나에서 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 용제는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 메틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 메틸 프로피온에이트, 에틸 프로피온에이트, n-프로필 프로피온에이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 감마-부티롤락톤, 테트라메틸렌 설폰, 메틸 설폰, 메틸 에틸 케톤 및 디에틸 설폰 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 전해액은 또한 선택적으로 첨가제를 포함한다. 예컨대 첨가제는 음극 성막 첨가제, 양극 성막 첨가제를 포함할 수 있고, 또한 배터리의 과충전 성능을 개선하는 첨가제, 배터리의 고온 또는 저온 성능을 개선하는 첨가제 등과 같이 배터리의 일부 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 포함할 수 있다.
분리막
일부 실시예에서, 이차전지에는 분리막이 더 포함된다. 본 출원에서는 분리막의 종류에 대해 특별히 한정하지 않으며, 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 우수한 임의의 공지된 다공성 구조의 분리막을 선택할 수 있다.
일부 실시예에서, 분리막의 재질은 유리 섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐리덴 디플루오리드 중 적어도 하나에서 선택될 수 있다. 분리막은 단층 박막 또는 다층 복합 박막일 수 있으며, 여기서는 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 분리막이 다층 복합 박막일 때, 각 층의 물질은 동일하거나 상이할 수 있으며, 여기서는 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
일부 실시예에서, 양극판, 음극판과 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 거쳐 전극 조립체로 만들 수 있다.
일부 실시예에서, 이차전지는 외부 패키지를 포함할 수 있다. 해당 외부 패키지는 전술한 전극 조립체 및 전해질을 패키징하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 이차전지의 외부 패키지는 하드 플라스틱 쉘, 알루미늄 쉘, 스틸 쉘 등과 같은 하드 쉘일 수 있다. 이차전지의 외부 패키지는 파우치형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수 있다. 소프트 패키지의 재질은 플라스틱일 수 있으며, 플라스틱으로는, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 숙시네이트 등 일 수 있다.
본 출원에서는 이차전지의 형상에 대해 특별히 한정하지 않으며, 이는 원통형, 각형 또는 기타 임의의 형상일 수 있다. 예컨대, 도 2는 일예시로서의 각형 구조의 이차전지(5)를 나타낸다.
일부 실시예에서, 도 3을 참조하면, 외부 패키지는 하우징 본체(51)와 커버 플레이트(53)를 포함할 수 있다. 여기서, 하우징 본체(51)는 바닥판 및 바닥판과 연결되는 측판을 포함할 수 있으며, 바닥판과 측판으로 에워싸서 수용 캐비티를 형성할 수 있다. 하우징 본체(51)는 수용 캐비티와 연통하는 개구부를 구비하고, 커버 플레이트(53)는 개구부를 덮어 수용 캐비티를 폐쇄할 수 있다. 양극판, 음극판과 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 거쳐 전극 조립체(52)를 형성할 수 있다. 전극 조립체(52)는 수용 캐비티 내에 패키징된다. 전해액은 전극 조립체(52) 속에 함침되어 있다. 이차전지(5)에 포함된 전극 조립체(52)의 수는 하나 또는 다수일 수 있으며, 본 분야의 기술자라면 구체적인 실제 요구에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시예에서, 이차전지는 배터리 모듈로 조립될 수 있으며, 배터리 모듈에 포함될 이차전지의 수는 하나 또는 다수일 수 있으며, 본 분야의 기술자라면 배터리 모듈의 응용 및 용량에 따라 구체적인 수를 선택할 수 있다.
도 4는 일예시로서의 배터리 모듈(4)을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 배터리 모듈(4)에서, 다수의 이차전지(5)는 배터리 모듈(4)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열될 수 있다. 물론, 기타 임의의 방식으로 배열될 수도 있다. 또한, 다수의 이차전지(5)는 고정부재로 고정될 수 있다.
선택적으로, 배터리 모듈(4)은 수용 공간을 구비하는 하우징을 더 포함할 수 있고, 다수의 이차전지(5)는 이 수용 공간에 수용된다.
일부 실시예에서, 상기 배터리 모듈은 또한 배터리 팩으로 조립될 수 있으며, 배터리 팩에 포함될 배터리 모듈의 수는 하나 또는 다수일 수 있으며, 본 분야의 기술자라면 배터리 팩의 응용 및 용량에 따라 구체적인 수를 선택할 수 있다.
도 5 및 도 6은 일 예시로서의 배터리 팩(1)을 나타낸다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 배터리 팩(1)은 배터리 케이스 및 배터리 케이스 내에 배치되는 다수의 배터리 모듈(4)을 포함할 수 있다. 배터리 케이스는 상부 케이스(2)와 하부 케이스(3)를 포함하며, 상부 케이스(2)는 하부 케이스(3)를 덮어 배터리 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 다수의 배터리 모듈(4)은 임의의 방식에 따라 배터리 케이스 내에 배열될 수 있다.
또한, 본 출원은 또한 전기기기를 제공하며, 전기기기는 본 출원에 따른 이차전지, 배터리 모듈 또는 배터리 팩 중 적어도 하나를 포함한다. 이차전지, 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 전기기기의 전원으로 사용되거나, 전기기기의 에너지 저장 장치로 사용될 수 있다. 전기기기는 모바일 기기(예: 휴대폰, 노트북 등), 전기자동차(예: 순수 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그인 하이브리드 전기자동차, 전기자전거, 전기스쿠터, 전기골프차, 전기트럭 등), 전기열차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
전기기기로서, 사용 요구사항에 따라 이차전지, 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 선택할 수 있다.
도 7은 일예시로서의 전기기기를 나타낸다. 이 전기기기는 순수 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차 등이다. 이차전지의 고성능 및 높은 에너지 밀도에 대한 전기기기의 요구사항을 만족하기 위해 배터리 팩 또는 배터리 모듈을 사용할 수 있다.
또 다른 예시로서의 장치는 휴대폰, 태블릿 PC, 노트북 등일 수 있다. 이 장치는 일반적으로 경박화가 요구되므로 이차전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
아래에서는 본 출원의 실시예에 대해 설명한다. 아래에서 설명되는 실시예는 예시적이며, 본 출원에 대한 해석 용도로만 사용되며, 본 출원에 대한 제한으로 이해되어서는 안된다. 실시예에서 명시되지 않은 구체적인 기술 또는 조건은 본 분야에서의 문헌에 기재된 기술 또는 조건 또는 제품설명서를 따른다. 제조사 표시 없이 사용하는 시제나 기구는 시중에서 구할 수 있는 재래품이다.
실시예 1:
본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리는 다음 단계에 따라 제조된다.
(1) 양극판의 제조: 양극 활물질인 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 도전제인 아세틸렌 블랙, 바인더인 PVDF를 96:2:2의 질량비로 NMP와 혼합하여 얻은 슬러리를 알루미늄박에 코팅하고, 건조 후 냉간 압연 및 슬리팅을 거쳐 양극판을 획득한다.
(2) 음극판의 제조: 다공성 카본 재료인 하드카본(Dv50=4.6μm), 도전제인 아세틸렌 블랙, 바인더인 SBR, 분산제인 CMC를 95:1:2:2의 질량비로 탈이온수에 분산시켜 얻은 슬러리를 6wt%Ag를 함유하는 동박에 코팅하고, 건조 후 냉간 압연 및 슬리팅을 거쳐 음극판을 획득한다. 건조, 냉간 압연 공정에서 다공성 카본 재료에 흡착된 기체는 다공성 카본 재료로부터 탈착되어 음극 활물질층의 기공을 형성한다. 구체적으로, 단계 (1) 및 (2)에서 리튬 이온 배터리의 설계 CB 값에 따라 슬러리의 코팅 중량이 미리 설정된 CB 값에 도달하도록 조정한다.
(3) 리튬 이온 배터리의 제조: 양극판, 폴리에틸렌 분리막, 음극판을 순서대로 적층하여 베어 셀을 획득하고, 베어 셀을 외장 케이스에 넣고 건조 후 1M LiPF6/EC:EMC:DEC(부피비 1:1:1) 전해액을 주입하여 진공 패키징, 정치, 화성, 성형 공정을 거쳐 리튬 이온 배터리를 획득한다.
실시예 2:
본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1의 차이점은 다공성 카본 재료의 종류 및 리튬 이온 배터리의 CB 값이 다르다는 점이다. 다공성 카본 재료의 Dv50은 4.6μm이다. 구체적으로, 리튬 이온 배터리의 설계 CB 값에 따라 양극 및 음극 슬러리의 코팅 중량을 조정하면 미리 설정된 CB 값에 도달할 수 있다.
실시예 3:
본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1의 차이점은 다공성 카본 재료의 종류 및 리튬 이온 배터리의 CB 값이 다르다는 점이다. 다공성 카본 재료의 Dv50은 4.6μm이다.
실시예 4:
본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1의 차이점은 다공성 카본 재료의 종류가 다르다는 점이다. 다공성 카본 재료의 Dv50은 4.6μm이다.
실시예 5 내지 8:
실시예 5 내지 8에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1의 차이점은 리튬 이온 배터리의 CB 값이 다르다는 점이다.
실시예 9 내지 11:
실시예 9 내지 11에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1에 따른 리튬 이온 배터리의 차이점은 다공성 카본 재료의 오일 흡수치, 비표면적이 다르다는 점이다.
실시예 1 내지 11에 따른 리튬 이온 배터리의 조성은 구체적으로 표 1을 참조할 수 있다.
표 1: 실시예 1 내지 11에 따른 리튬 이온 배터리의 조성. 여기서, BETCO2/BETN2는 음극판의 이산화탄소 분위기에서의 비표면적과 질소 분위기에서의 비표면적의 비율을 나타내고, CB는 상기 음극판의 가역적 리튬 삽입 용량과 양극판의 가역적 리튬 탈리 용량의 비율을 나타낸다.
실시예 12:
본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1에 따른 리튬 이온 배터리의 차이점은 음극판에서 다공성 카본 재료, 도전제인 아세틸렌 블랙, 바인더인 SBR, 분산제인 CMC의 질량비가 90:4:3:3이고, 음극판의 BETCO2/BETN2가 5.9라는 점이다.
실시예 13:
본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1에 따른 리튬 이온 배터리의 차이점은 음극판에서 다공성 카본 재료, 도전제인 아세틸렌 블랙, 바인더인 SBR, 분산제인 CMC의 질량비가 98:0.2:1:0.8이고, 음극판의 BETCO2/BETN2가 7.4라는 점이다.
비교예 1:
비교예 1에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1의 차이점은 음극판이 동박이라는 점이다.
비교예 2:
비교예 2에 따른 리튬 이온 배터리와 실시예 1의 차이점은 CB 값이 1.1이라는 점이다.
테스트 부분:
비표면적 테스트:
다공성 카본 재료, 음극판의 비표면적은 전자동 기체 흡착 분석기로 재료의 질소/이산화탄소 등온 흡탈착 곡선을 측정한 후 다점 Brunauer-Emmett-Teller 방법으로 산출된다.
오일 흡수치 테스트:
오일 흡수치는 Gardner-Coleman 방법에 의해 측정되며, 사용되는 용제는 디부틸프탈레이트이다.
음극판 표면 SEM 테스트:
음극판의 표면에 대해 주사 전자 현미경 촬영을 하면 음극 활물질층 표면의 기공 분포 상황 및 기공 구경을 관찰할 수 있다.
음극판 단면 SEM 테스트:
음극판을 음극 활물질층에 수직인 방향으로 절편화하고, 절단면에 대해 주사 전자 현미경 촬영을 하여 음극 활물질층에서 기공의 분포 상황, 기공의 양단 포트 사이의 음극 활물질층에 수직인 방향의 거리 y, 및 기공의 양단 포트 사이의 기공 내벽을 따른 길이 L을 관찰한다.
에너지 밀도 테스트:
상온에서 리튬 이온 배터리를 1/3C의 레이트로 상한 전압까지 충전한 후1/3C의 레이트로 하한 전압까지 방전하여 방전 과정에서 리튬 이온 배터리의 에너지를 얻는다. 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도(Wh/kg)=방전 과정에서 리튬 이온 배터리의 에너지/리튬 이온 배터리의 질량이다.
사이클 성능 테스트:
상온에서 리튬 이온 배터리를 1/3C의 레이트로 상한 전압까지 충전하고 0.05C까지 정전압 충전하며, 10min 동안 정치한 후 다시 1/3C로 하한 전압까지 방전하고 10min 동안 정치하며, 상기 충방전 과정을 반복하고 각 사이클 과정의 방전용량과 첫 번째 사이클의 방전용량의 비율을 기록하며, 비율이 ≤80%가 될 때까지의 사이클 수를 기록한다.
실시예 1 내지 13 및 비교예 1 내지 2에 따른 리튬 이온 배터리의 전기화학적 성능 테스트 결과는 표 2에 기록된다.
표 2: 실시예 1 내지 13 및 비교예 1 내지 2에 따른 리튬 이온 배터리의 전기화학적 성능 테스트 결과
표 2의 관련 데이터에서 알 수 있듯이, 비교예 1에 따른 이차전지는 음극판이 동박이므로 충전 후 리튬 금속이 음극판의 표면에 침적되어 리튬 금속 음극을 형성하며, 비교예 1에 따른 이차전지의 에너지 밀도가 352.2Wh/kg인 반면 사이클 수는 18에 불과하며 사이클 성능이 저하된다. 비교예 1에 따른 이차전지와 비교하면, 실시예 1 내지 13에 따른 이차전지의 음극판은 다공성 카본 재료를 포함하고, 음극 활물질층에는 기공이 구비된다. 실시예 1 내지 13에 따른 이차전지의 에너지 밀도는 354.1Wh/kg~465.1Wh/kg이고, 사이클 수는 357~1260으로 실시예 1에 따른 이차전지보다 에너지 밀도 및 사이클 성능이 모두 월등히 우수하다. 비교예 2에 따른 이차전지의 구조는 실시예 1과 비슷하나 CB 값이 1.1이고, 충전 후 음극판에 리튬 금속이 침적되지 않으므로 비교예 2에 따른 이차전지의 에너지 밀도가 312.5Wh/kg로 낮은 편이고, 사이클 수는 229이다. 실시예 1 내지 13에 따른 이차전지는 비교예 1, 2에 비해 에너지 밀도 및 사이클 성능이 모두 현저히 향상되어 종합 성능이 더 우수하다.
실시예 5 내지 8의 차이점은 CB 값이 다르다는 점이다. 표 2의 관련 데이터에서 알 수 있듯이, 0＜CB≤1의 범위 내에서 CB 값이 증가할수록 이차전지의 에너지 밀도가 감소되고 사이클 수가 증가되며, 이는 CB 값이 증가하면 충전 후 음극판에 침적된 리튬 금속이 감소되어 에너지 밀도가 감소되기 때문이며, 음극판에 침적된 리튬 금속은 이차전지 사이클 성능에 영향을 미치는 중요한 요소이므로 리튬 금속이 감소되면 사이클 성능이 증가된다. CB 값을 0.4~1.0 범위 내로 제어함으로써 보다 좋은 종합 성능을 획득할 수 있다.
실시예 1, 12 및 13의 차이점은 음극 활물질층에서 다공성 카본 재료의 비율이 다르다는 점이다. 실시예 12 및 13과 비교하여, 실시예 1에 따른 이차전지는 음극 활물질층에서 다공성 카본 재료의 질량 백분율이 95%이므로 이의 에너지 밀도 및 사이클 수는 모두 실시예 12 및 13보다 높다.
전술한 실시예의 각 기술적 특징은 임의로 조합될 수 있으며, 설명의 간결함을 위해 상기 실시예에서는 각 기술적 특징의 모든 가능한 조합을 일일이 설명하지 않았으나 이러한 기술적 특징들의 조합이 모순되지 않는 한, 본 명세서에 기재된 범위로 간주되어야 한다.
전술한 실시예는 본 출원의 몇몇 실시형태를 나타낼 뿐이며, 그에 대한 설명은 비교적 구체적이고 상세하지만, 본 발명 특허의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 않된다. 본 분야의 일반 기술자라면 본 출원의 구상을 벗어나지 않는 전제하에 몇몇 수정 및 개선을 할 수 있으며, 이러한 것들은 모두 본 출원의 보호 범위에 속한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 본 출원 특허의 보호 범위는 첨부된 특허청구범위를 기준으로 해야 한다.
1: 배터리 팩
2: 상부 케이스
3: 하부 케이스
4: 배터리 모듈
5: 이차전지
51: 하우징 본체
52: 전극 조립체
53: 커버 플레이트
6: 음극판
61: 집전체
62: 음극 활물질층
63: 기공
64: 리튬 금속

Claims (22)

  1. 이차전지에 있어서,
    음극판을 포함하며,
    상기 음극판의 음극 활물질층은 다공성 카본 재료를 포함하며, 상기 음극 활물질층에는 기공이 구비되고, 상기 기공은 상기 음극 활물질층을 관통하거나 관통하지 않고, 상기 기공 내에는 리튬 금속이 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지는 양극판을 더 포함하며, 상기 음극판의 가역적 리튬 삽입 용량과 상기 양극판의 가역적 리튬 탈리 용량의 비율은 CB이고, 0＜CB≤1이며,
    선택적으로, 0.4≤CB≤1인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 음극 활물질층의 두께는 x이고, 상기 음극 활물질층에 수직인 방향으로 상기 기공의 양단 포트 사이의 거리는 y이며, x와 y는 0.1x≤y≤x의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    기공 내벽을 따른 상기 기공의 양단 포트 사이의 길이는 L이고, L와 y는 L＞y의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기공은 비직선형 기공인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극 활물질층에 수직인 방향으로 상기 집전체 상의 상기 기공 내부의 투영은 상기 기공의 양단 포트와 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기공의 수는 다수이고, 인접한 두 개의 상기 기공 사이의 거리는 d이고, d≤10x인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기공의 최대 직경 분포는 1μm~50μm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 카본 재료는 하드카본, 바이오차, 활성탄, 탄소 섬유 및 카본 에어로젤 중 적어도 하나에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 카본 재료의 Dv50은 1μm~100μm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    이산화탄소 분위기에서 상기 다공성 카본 재료의 비표면적은 ≥50m2/g인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 카본 재료의 오일 흡수치는 ≥30mL/100g이고, 상기 오일 흡수치는 Gardner-Coleman 방법에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    이산화탄소 분위기에서 상기 음극판의 비표면적과 질소 분위기에서 상기 음극판의 비표면적의 비율은 ≥5인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극 활물질층에서 상기 다공성 카본 재료의 질량 백분율은 90%~98%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극판의 집전체는 동박이고, 상기 동박에는 적어도 하나의 리튬 삽입 원소가 함유되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 동박에서 상기 리튬 삽입 원소의 질량 백분율은 ≥5%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 리튬 삽입 원소는 은, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 주석 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동박의 두께는 4μm~20μm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극판의 제조 방법은,
    상기 다공성 카본 재료가 기체를 흡착하도록 상기 다공성 카본 재료를 전처리하는 단계;
    상기 기체가 흡착된 상기 다공성 카본 재료를 음극 슬러리로 만드는 단계;
    상기 음극 슬러리를 사용하여 상기 집전체의 적어도 하나의 표면에 상기 음극 활물질층을 제조하고, 상기 기체가 상기 다공성 카본 재료로부터 탈착되어 상기 기공을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  21. 제20항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이차전지, 제20항에 따른 배터리 모듈 및 제21항에 따른 배터리 팩 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
KR1020237022709A 2022-05-11 2022-05-11 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기 KR20230159359A (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2022/092221 WO2023216142A1 (zh) 2022-05-11 2022-05-11 二次电池、电池模块、电池包及用电装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230159359A true KR20230159359A (ko) 2023-11-21

Family

ID=88698436

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237022709A KR20230159359A (ko) 2022-05-11 2022-05-11 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230369590A1 (ko)
EP (1) EP4303963A1 (ko)
KR (1) KR20230159359A (ko)
CN (1) CN117561622A (ko)
WO (1) WO2023216142A1 (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100346542B1 (ko) * 1999-01-25 2002-07-26 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
JP2011205016A (ja) * 2010-03-26 2011-10-13 Advanced Capacitor Technologies Inc リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオンキャパシタ用の正極および負極の製造方法、並びに負極に対するリチウムイオンの吸蔵方法
CN107732204B (zh) * 2017-10-16 2020-07-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 金属锂复合材料及其制备方法、多层金属锂复合材料及其制备方法
JP6465229B1 (ja) * 2018-02-28 2019-02-06 Tdk株式会社 負極集電体、負極及びリチウム二次電池
CN111933951B (zh) * 2020-08-25 2021-10-15 中南大学 一种锂金属活性前驱材料及其制备和应用
CN112271272B (zh) * 2020-08-31 2021-10-26 中南大学 一种表面有机修饰层保护的三维多孔锂负极及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
US20230369590A1 (en) 2023-11-16
WO2023216142A1 (zh) 2023-11-16
EP4303963A1 (en) 2024-01-10
CN117561622A (zh) 2024-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11600816B2 (en) Negative electrode, secondary battery and device comprising same
KR20130086077A (ko) 리튬 이온 2차 전지용 부극 활물질
KR102622786B1 (ko) 2차 전지, 그의 제조방법 및 그와 관련된 배터리 모듈, 배터리 팩 및 디바이스
CN116435464B (zh) 负极极片及其制备方法、二次电池和用电装置
US11901546B2 (en) Secondary battery, process for preparing the same and apparatus containing the secondary battery
KR102599884B1 (ko) 이차 전지 및 이차 전지를 포함하는 장치
CN116526069B (zh) 隔离膜、电池单体、电池和用电装置
CN115133020B (zh) 锰酸锂正极活性材料及包含其的正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置
CN112886050B (zh) 二次电池及含有该二次电池的装置
KR20230106127A (ko) 이차 전지 및 이를 포함하는 전기 장치
CN115820064A (zh) 涂料组合物、隔离膜、二次电池、电池模块、电池包和用电装置
JP2023547000A (ja) シリコンカーボン負極材料、負極極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置
KR20230159359A (ko) 이차전지, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 전기기기
EP4300619A1 (en) Electrode plate and preparation method therefor, and secondary battery, battery module, battery pack and electric apparatus
JP2024523075A (ja) 二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置
US20240194889A1 (en) Negative electrode plate and preparation method therefor, secondary battery, battery module, battery pack and power consuming devic
WO2024077475A1 (zh) 电极极片及其制备方法、二次电池和用电装置
EP4195349A1 (en) Secondary battery
WO2024077473A1 (zh) 集流体及其制备方法、电极极片、二次电池以及用电装置
KR20240005895A (ko) 음극 시트 및 이의 제조 방법, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치
JP2023546985A (ja) 正極シート、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置
CN116888792A (zh) 二次电池
CN116683058A (zh) 二次电池及用电装置
KR20230070442A (ko) 음극판, 이차전지, 전지모듈, 전지팩 및 전기기기
JP2023549963A (ja) 負極活物質及びその製造方法、それを備えた二次電池