KR20240010969A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20240010969A
KR20240010969A KR1020220088405A KR20220088405A KR20240010969A KR 20240010969 A KR20240010969 A KR 20240010969A KR 1020220088405 A KR1020220088405 A KR 1020220088405A KR 20220088405 A KR20220088405 A KR 20220088405A KR 20240010969 A KR20240010969 A KR 20240010969A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
positive electrode
current collector
material layer
negative electrode
Prior art date
Application number
KR1020220088405A
Other languages
English (en)
Inventor
강주원
Original Assignee
에스케이온 주식회사
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 에스케이온 주식회사 filed Critical 에스케이온 주식회사
Priority to KR1020220088405A priority Critical patent/KR20240010969A/ko
Priority to US18/349,963 priority patent/US20240021800A1/en
Priority to CN202310876916.2A priority patent/CN117423905A/zh
Publication of KR20240010969A publication Critical patent/KR20240010969A/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
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • 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
    • 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
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or 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
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • 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

Abstract

본 발명의 실시예들은 리튬 이차 전지를 제공한다. 리튬 이차 전지는 양극 집전체, 양극 집전체의 상면 상에 배치되는 상부 양극 활물질층 및 양극 집전체의 저면 하에 배치되는 하부 양극 활물질층을 포함하는 양극, 및 양극과 대향하는 음극을 포함하고, 상부 양극 활물질층의 두께는 양극 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 증가하고, 하부 양극 활물질층의 두께는 양극 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 감소한다. 급속 충전 초기의 리튬 이온 유동성이 증가하여 급속 충전 성능이 개선될 수 있다.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되고 있다.
상기 리튬 이차 전지의 응용 범위가 확대되면서, 향상된 급속 충전 성능 및 안정성이 함께 요구된다.
예를 들면, 한국등록특허 제10-0548988호는 리튬 이차 전지를 개시하고 있으나, 충분한 급속 충전 성능 및 안정성이 확보되기에는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-0548988호
본 발명의 일 과제는 향상된 급속 충전 성능 및 안정성을 갖는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 상면 상에 배치되는 상부 양극 활물질층 및 상기 양극 집전체의 저면 하에 배치되는 하부 양극 활물질층을 포함하는 양극; 및 상기 양극과 대향하는 음극을 포함하고, 상기 상부 양극 활물질층의 두께는 상기 양극 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 증가하고, 상기 하부 양극 활물질층의 두께는 상기 양극 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 감소한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상기 상부 양극 활물질층의 두께 대비 상기 양극 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상기 상부 양극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6이고, 상기 양극 집전체의 상기 타단부 하에 배치된 상기 하부 양극 활물질층의 두께 대비 상기 양극 집전체의 상기 일단부 하에 배치된 상기 하부 양극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상기 상부 양극 활물질층 및 상기 하부 양극 활물질층의 두께의 합은 상기 양극의 전체 영역에서 균일할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극의 길이 방향에 대한 상기 양극 집전체의 연장 방향의 기울기는 -2.0° 내지 -0.1°일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체, 및 상기 음극 집전체의 상면 상에 배치되는 상부 음극 활물질층 및 상기 음극 집전체의 저면 하에 배치되는 하부 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 상부 음극 활물질층의 두께는 상기 음극 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 감소하고, 상기 하부 음극 활물질층의 두께는 상기 음극 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 증가할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 집전체의 상기 일단부는 상기 양극 집전체의 상기 일단부와 두께 방향으로 중첩되고, 상기 음극 집전체의 상기 타단부는 상기 양극 집전체의 상기 타단부와 두께 방향으로 중첩될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 집전체의 상기 일단부 하에 배치된 상기 하부 양극 활물질층의 두께 및 상기 음극 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상기 상부 음극 활물질층의 두께의 합은 상기 양극 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상기 상부 양극 활물질층의 두께 및 상기 음극 집전체의 상기 타단부 하에 배치된 상기 하부 음극 활물질층의 두께의 합과 동일할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상기 상부 음극 활물질층 및 상기 하부 음극 활물질층의 두께의 합은 상기 음극의 전체 영역에서 균일할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상기 상부 음극 활물질층의 두께 대비 상기 음극 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상기 상부 음극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6이고, 상기 음극 집전체의 상기 일단부 하에 배치된 상기 하부 음극 활물질층의 두께 대비 상기 음극 집전체의 상기 타단부 하에 배치된 상기 하부 음극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 음극의 길이 방향에 대한 상기 음극 집전체의 연장 방향의 기울기는 0.1° 내지 2.0°일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 상부 양극 활물질층 및 상기 하부 양극 활물질층은 서로 다른 종류의 양극 활물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 리튬 이차 전지는 전체 영역에서 균일한 두께를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르는 리튬 이차 전지는 양극 및 음극을 포함한다. 양극에 포함된 양극 활물질층들 및/또는 음극에 포함된 음극 활물질층들은 각각 두께 편차 또는 두께 구배를 가질 수 있다. 이에 따라, 활물질층 중 두께가 큰 부분에서 급속 충전 시의 초기 발열 속도가 증가할 수 있다. 따라서, 급속 충전 초기의 리튬 이온 유동성이 증가하여 급속 충전 성능이 개선될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상부 활물질층 및 하부 활물질층의 총 두께는 해당 전극의 전체 영역에서 균일할 수 있다. 이에 따라, 급속 충전 시 특정 부분에 대한 과도한 발열 집중을 방지하여 리튬 이차 전지의 안정성을 개선할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 집전체는 전극의 길이 방향에 비하여 경사지게 연장할 수 있다. 이에 따라, 전극의 두께가 균일하게 형성되면서도 활물질층의 상술한 두께 편차 또는 두께 구배를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전극 적층 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
본 발명의 실시예들은 양극 및 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
이하 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "상면", "저면", "상부", "하부", "일단부", "타단부" 등은 각 구성의 상대적인 위치 관계를 설명하기 위한 것이며 절대적인 위치를 의미하는 것이 아니다.
예시적인 실시예들에 따르면, 리튬 이차 전지는 양극 및 상기 양극과 대향하는 음극을 포함할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전극 적층 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 양극(110) 및 음극(120)이 교대로, 반복적으로 적층되어 전극 적층 구조(100)를 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 양극(110)은 양극 집전체(112), 상부 양극 활물질층(114) 및 하부 양극 활물질층(116)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체(112)는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 양극 집전체(112)는 탄소, 니켈, 티탄 및 은 중 적어도 하나로 표면 처리된 알루미늄 또는 스테인레스강을 포함할 수도 있다.
예를 들면, 양극 집전체(112)의 일 단부가 돌출되어 양극 탭(118)을 형성할 수 있다. 양극 탭(118)은 후술할 양극 탭부를 형성하여 양극 리드와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 양극 집전체(112) 및 양극 탭(118)은 실질적으로 동일한 부재로 일체로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상부 양극 활물질층(114)은 양극 집전체(112)의 상면 상에 배치되고, 하부 양극 활물질층(116)은 양극 집전체(112)의 저면 하에 배치될 수 있다.
예를 들면, 상부 양극 활물질층(114) 및 하부 양극 활물질층(116)은 각각 양극 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 활물질은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 층상 구조를 갖는 리튬-전이금속 복합 산화물 입자 또는 올리빈(olivine) 구조를 갖는 리튬-금속 인산화물 입자를 포함할 수 있다.
상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LixNi1-yM1yO2+z
화학식 1에서 0.9≤x≤1.2, 0≤y≤0.7, -0.1≤z≤0.1일 수 있다. M1은 Na, Mg, Ca, Y, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, Al, Ga, Sn 및 Zr로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 화학식 1에서 Ni의 몰비 또는 농도 (1-y)는 0.8 이상일 수 있으며, 바람직한 실시예에 있어서 0.8을 초과할 수 있다. 이에 따라, 고용량 양극 활물질이 구현될 수 있다.
상기 리튬-금속 인산화물 입자는 하기의 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
LiaM2b(POc)
화학식 2에서, 0.9≤a≤1.2, 0.8≤a≤1.2, 3.8≤c≤4.2일 수 있다. M2는 Fe, Mn, Co, Al, Ti 및 V로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 리튬-금속 인산화물 입자는 LiFePO4를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자 또는 상기 리튬-금속 인산화물 입자는 코팅 원소 또는 도핑 원소를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 코팅 원소 또는 도핑 원소는 Al, Ti, Ba, Zr, Si, B, Mg, P, 또는 이들의 합금 혹은 이들의 산화물을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 상기 코팅 또는 도핑 원소에 의해 상기 양극 활물질 입자가 패시베이션 되어, 양극 활물질의 안정성 및 수명이 더욱 향상될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상부 양극 활물질층(114) 및 하부 양극 활물질층(116)은 서로 다른 종류의 양극 활물질을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상부 양극 활물질층(114) 및 하부 양극 활물질층(116) 중 하나에는 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자가 포함되고, 나머지 하나에는 상기 리튬-금속 인산화물 입자가 포함될 수 있다. 이에 따라, 양극 형성 시 안정성 및 용량 특성을 고려하여 양극 활물질의 종류를 다양화할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상부 양극 활물질층(114) 및 하부 양극 활물질층(116)은 동일한 종류의 양극 활물질을 포함할 수 있다.
예를 들면, 리튬 이차 전지의 급속 충전 성능은 충전 시의 발열 제어를 통해 조절될 수 있다. 예를 들면, 급속 충전 시 초기 발열을 유도하여 리튬 이온의 유동성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 급속 충전 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상부 양극 활물질층(114)의 두께는 양극 집전체의 일단부(112a)에서 타단부(112b) 측으로 갈수록 증가하고, 하부 양극 활물질층(116)의 두께는 양극 집전체의 일단부(112a)에서 타단부(112b) 측으로 갈수록 감소할 수 있다. 이에 따라, 양극 활물질층(114, 116) 중 두께가 큰 부분에서 급속 충전 시의 초기 발열 속도가 증가할 수 있다. 따라서, 급속 충전 초기의 리튬 이온 유동성이 증가하여 급속 충전 성능이 개선될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 양극 집전체의 일단부(112a) 상에 배치된 상부 양극 활물질층(114)의 두께(T1) 대비 양극 집전체의 타단부(112b) 상에 배치된 상부 양극 활물질층(114)의 두께(T2)의 비(T2/T1)는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 양극 집전체의 타단부(112b) 하에 배치된 하부 양극 활물질층(116)의 두께(T3) 대비 양극 집전체의 일단부(112a) 하에 배치된 하부 양극 활물질층(116)의 두께(T4)의 비(T4/T3)는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
상기 두께 비 범위에서, 급속 충전 성능이 충분히 개선되면서도 초기 발열이 양극 활물질층(114, 116)의 일부에 지나치게 집중되어 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상부 양극 활물질층(114) 및 하부 양극 활물질층(116)의 총 두께는 양극(110)의 전체 영역에서 균일할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "두께 방향"은 전극 적층 구조(100)에서 양극(110) 및 음극(120)이 적층되는 방향을 의미한다.
예를 들면, 양극 집전체(112)의 한 점의 상면 상에 배치된 상부 양극 활물질층(114)의 두께 및 상기 한 점의 저면 하에 배치된 하부 양극 활물질층(116)의 두께의 합은 임의의 다른 점의 상면 상에 배치된 상부 양극 활물질층(114)의 두께 및 상기 다른 점의 저면 하에 배치된 하부 양극 활물질층(116)의 두께의 합과 실질적으로 동일할 수 있다.
이에 따라, 급속 충전 시 특정 부분에 대한 과도한 발열 집중을 방지하여 리튬 이차 전지의 안정성을 개선할 수 있다.
상기 표현 "균일", "동일" 또는 "실질적으로 동일"은 수학적으로 완전히 동일한 경우 및 실질적으로 동일하다고 간주할 수 있을 정도로 유사한 경우를 포함한다.
일부 실시예들에 따르면, 양극 집전체(112)는 양극(110)의 길이 방향에 대하여 경사지게 연장할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "길이 방향"은 상기 두께 방향과 수직하며 양극(110) 및/또는 음극(120)이 연장하는 방향을 의미한다. 상기 길이 방향은 도 1에서 분리막(130)이 연장하는 방향을 의미할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 양극(110)의 상기 길이 방향에 대한 양극 집전체(112)의 연장 방향의 기울기(θ1)는 -2.0° 내지 -0.1°일 수 있다. 상기 기울기 범위에서, 양극(110)의 두께가 균일하게 형성되면서도 양극 활물질층(114, 116)의 두께 편차를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양극 집전체(112)의 상기 연장 방향의 기울기(θ1)는 양극 집전체(112) 전체에 걸쳐 일정할 수 있다.
예를 들면, 양극 활물질층(114, 116)은 상술한 양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 양극 합제를 제조할 수 있다. 상기 양극 합제를 양극 집전체(112)에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 양극(110)을 제조할 수 있다.
상기 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N,N-디메틸아미노프로필아민, 에틸렌옥사이드, 테트라히드로퓨란 등의 비수계 용매가 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 바인더는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양극 바인더로서 PVDF 계열 바인더를 사용할 수 있다. 이에 따라, 양극 활물질층(114, 116) 형성을 위한 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 양극 활물질의 양을 증가시킬 수 있으며, 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.
상기 도전재는 양극 활물질 입자들 사이의 전자 이동을 촉진하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 금속 계열 도전재를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 리튬 이차 전지는 상술한 양극(110)과 대향하도록 배치되는 음극(120)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극(120)은 양극 집전체(122), 상부 음극 활물질층(124) 및 하부 음극 활물질층(126)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(122)는 구리, 스테인레스강, 니켈, 티탄 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 음극 집전체(122)는 탄소, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리된 구리 또는 스테인레스강을 포함할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(122)의 일 단부가 돌출되어 음극 탭(128)을 형성할 수 있다. 음극 탭(128)은 후술할 음극 탭부를 형성하여 음극 리드와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 음극 집전체(122) 및 음극 탭(128)은 실질적으로 동일한 부재로 일체로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 양극 탭(118) 및 음극 탭(128)은 두께 방향으로 중첩되지 않을 수 있다. 예를 들면, 양극 탭(118) 및 음극 탭(128)은 양극(110) 또는 리튬 이차 전지의 상기 길이 방향으로 서로 반대편 측부에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상부 음극 활물질층(124)은 음극 집전체(122)의 상면 상에 배치되고, 하부 음극 활물질층(126)은 음극 집전체(122)의 저면 하에 배치될 수 있다.
예를 들면, 상부 음극 활물질층(124) 및 하부 음극 활물질층(126)은 각각 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
음극 활물질은 예를 들면, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 계열 재료; 리튬 합금; 규소 계열 재료, 탄소-규소 복합체 등이 사용될 수 있다. 상기 비정질 탄소는 하드 카본, 코크스, 1500 ℃ 이하에서 소성한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이스피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등을 포함할 수 있다. 상기 결정질 탄소는 천연 흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등과 같은 흑연계 탄소를 포함할 수 있다. 상기 리튬 합금에 포함되는 원소로서 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등을 들 수 있다.
예를 들면, 상기 탄소-규소 복합체는 다공성 탄소계 입자의 기공 내부 또는 표면 상에 규소가 코팅된 복합 입자를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상부 음극 활물질층(124) 및 하부 음극 활물질층(126)은 서로 다른 종류의 음극 활물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상부 음극 활물질층(124) 및 하부 음극 활물질층(126)은 동일한 종류의 양극 활물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상부 음극 활물질층(124)의 두께는 음극 집전체의 일단부(122a)에서 타단부(122b) 측으로 갈수록 감소하고, 하부 음극 활물질층(126)의 두께는 음극 집전체의 일단부(122a)에서 타단부(122b) 측으로 갈수록 증가할 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질층(124, 126) 중 두께가 큰 부분에서 급속 충전 시의 초기 발열 속도가 증가할 수 있다. 따라서, 급속 충전 초기의 리튬 이온 유동성이 증가하여 급속 충전 성능이 개선될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극 집전체의 타단부(122b) 상에 배치된 상부 음극 활물질층(124)의 두께(T5) 대비 음극 집전체의 일단부(122a) 상에 배치된 상부 음극 활물질층(124)의 두께(T6)의 비(T6/T5)는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극 집전체의 일단부(122a) 하에 배치된 하부 음극 활물질층(126)의 두께(T7) 대비 음극 집전체의 타단부(122b) 하에 배치된 하부 음극 활물질층(126)의 두께(T8)의 비(T8/T7)는 1.2 내지 1.6일 수 있다.
상기 두께 비 범위에서, 급속 충전 성능이 충분히 개선되면서도 초기 발열이 음극 활물질층(124, 126)의 일부에 지나치게 집중되어 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 음극 집전체의 일단부(122a)는 양극 집전체의 일단부(112a)와 두께 방향으로 중첩되고, 음극 집전체의 타단부(122b)는 양극 집전체의 타단부(112b)와 두께 방향으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극 활물질층(114, 116) 중 두께가 큰 부분은 음극 활물질층(124, 126) 중 두께가 큰 부분과 두께 방향으로 중첩되고, 양극 활물질층(114, 116) 중 두께가 작은 부분은 음극 활물질층(124, 126) 중 두께가 작은 부분과 두께 방향으로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 급속 충전 시 초기 발열 속도가 더욱 증가할 수 있다. 또한, 양극(110) 및 음극(120)의 가역 용량비 및 전극 용량비가 전극 적층 구조(100) 또는 리튬 이차 전지의 전체 영역에서 균일할 수 있다. 이에 따라,
예를 들면, 상기 가역 용량비는 충전 시 양극에서 음극으로 이동된 리튬 이온의 양(예를 들면, 방전 용량) 대비 방전 시 음극에서 양극으로 이동된 리튬 이온의 양(예를 들면, 충전 용량)일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 양극 집전체의 일단부(112a) 하에 배치된 하부 양극 활물질층(116) 및 음극 집전체의 일단부(122a) 상에 배치된 상부 음극 활물질층(124)의 총 두께는 양극 집전체의 타단부(112b) 상에 배치된 상부 양극 활물질층(114) 및 음극 집전체의 타단부(122b) 하에 배치된 하부 음극 활물질층(126)의 총 두께와 동일할 수 있다. 이에 따라, 전극 적층 구조(100)의 전체 두께가 균일할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상부 음극 활물질층(124) 및 하부 음극 활물질층(126)의 총 두께는 음극(120)의 전체 영역에서 균일할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(122)의 한 점의 상면 상에 배치된 상부 음극 활물질층(124)의 두께 및 상기 한 점의 저면 하에 배치된 하부 음극 활물질층(126)의 두께의 합은 임의의 다른 점의 상면 상에 배치된 상부 음극 활물질층(124)의 두께 및 상기 다른 점의 저면 하에 배치된 하부 음극 활물질층(126)의 두께의 합과 실질적으로 동일할 수 있다.
이에 따라, 급속 충전 시 특정 부분에 대한 과도한 발열 집중을 방지하여 리튬 이차 전지의 안정성을 개선할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 음극 집전체(122)는 음극(120)의 길이 방향에 대하여 경사지게 연장할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극(120)의 상기 길이 방향에 대한 음극 집전체(122)의 연장 방향의 기울기(θ2)는 0.1° 내지 2.0°일 수 있다. 상기 기울기 범위에서, 음극(120)의 두께가 균일하게 형성되면서도 음극 활물질층(124, 126)의 두께 편차를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 음극 집전체(122)의 상기 연장 방향의 기울기(θ2)는 음극 집전체(122) 전체에 걸쳐 일정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양극(110)의 길이 방향에 대한 양극 집전체(112)의 연장 방향의 기울기(θ1) 및 음극(120)의 길이 방향에 대한 음극 집전체(122)의 연장 방향의 기울기(θ2)의 합은 -0.1° 내지 0.1°일 수 있고, 바람직하게는 0일 수 있다. 이에 따라, 전극 적층 구조(100)의 두께가 전체적으로 균일하게 형성되어 리튬 이차 전지의 안정성이 향상될 수 있다.
예를 들면, 상기 전극 용량비(C/A ratio)는 리튬 이차 전지의 음극 용량 대비 양극 용량일 수 있다. 예를 들면, 음극 용량은 음극 활물질층의 두께에 비례하고 양극 용량은 양극 활물질층의 두께에 비례할 수 있다. 전극 용량비가 전극의 부분마다 다른 경우, 예를 들면, 상대적으로 높은 전극 용량비를 갖는 부분에서 리튬이 석출되어 리튬 이차 전지의 안정성이 저하될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 리튬 이차 전지는 전체 영역에서 균일한 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 리튬 이차 전지의 전체 영역에서 서로 접하는 양극 활물질층 및 음극 활물질층의 두께의 비는 일정할 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 각 부분에서의 전극 용량비가 일정할 수 있다. 따라서, 리튬 이차 전지의 안정성이 개선될 수 있다.
예를 들면, 음극 활물질층(124, 126)은 상술한 음극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 음극 합제를 제조할 수 있다. 상기 음극 합제를 음극 집전체(122)에 코팅한 후, 건조 및 압축하여 음극(120)을 제조할 수 있다.
예를 들면, 음극 합제에 포함되는 용매는 물, 염산 수용액 또는 수산화나트륨 수용액 등의 수계 용매일 수 있다.
예를 들면, 음극 바인더는 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber. SBR) 등의 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 증점제로는 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose, CMC)를 들 수 있다.
예를 들면, 상기 도전재는 양극 활물질층(114, 116) 형성을 위해 포함되는 상술한 도전재와 동일하거나 유사한 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전극 적층 구조(100)는 양극(110) 및 음극(120) 사이에 배치된 분리막(130)을 더 포함할 수 있다.
분리막(130)은 예를 들면, 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 분리막(140)은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에 있어서, 음극(120)의 면적(예를 들면, 분리막(130)과 접촉 면적) 및/또는 부피는 양극(110)보다 클 수 있다. 이에 따라, 양극(110)으로부터 생성된 리튬 이온이 예를 들면, 중간에 석출되지 않고 음극(120)으로 원활히 이동될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2를 참조하면, 리튬 이차 전지(200)는 전극 조립체(230), 전극 조립체(230)가 수용된 케이스(240), 전극 탭들(118, 128)이 융착되어 형성된 전극 탭부들(210, 220), 및 전극 리드들(215, 225)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극(110), 음극(120) 및 분리막(130)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 전극 셀들이 적층되어 상술한 전극 적층 구조(100)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 분리막(130)의 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding) 등을 통해 상기 전극 적층 구조(100)가 권취, 적층 및/또는 폴딩된 젤리 롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체(230)를 형성할 수 있다.
전극 조립체(230)가 케이스(240) 내에 전해질과 함께 수용되어 리튬 이차 전지(200)가 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체(112) 및 음극 집전체(122)로부터 각각 양극 탭(118) 및 음극 탭(128)이 돌출될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 양극 탭(118)들은 융착되어 양극 탭부(210)를 형성하며 케이스(240)의 일 측부까지 연장될 수 있고, 음극 탭(128)들은 융착되어 음극 탭부(220)를 형성하며 케이스(240)의 타 측부까지 연장될 수 있다. 상기 전극 탭부들(210, 220)은 케이스(240)의 상기 일 측부 및 타 측부와 함께 각각 융착되어 케이스(240)의 외부로 연장 또는 노출된 전극 리드(예를 들면, 양극 리드(215) 및 음극 리드(225))를 형성할 수 있다.
상기 리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 구체적인 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
(1) 양극 제조
LiFePO-4 리튬-금속 인산화물 입자를 양극 활물질로 사용하였다.
상기 양극 활물질, 도전재로 Denka Black 및 바인더로 PVDF를 각각 97:2:1의 질량비 조성으로 혼합하여 양극 합제를 제조하였다.
상기 양극 합제를 알루미늄 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 두께가 증가하도록 알루미늄 집전체의 상면 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 상부 양극 활물질층을 제조하였다.
상기 양극 합제를 알루미늄 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 두께가 감소하도록 알루미늄 집전체의 저면 하에 도포한 후, 건조 및 압연하여 하부 양극 활물질층을 제조하였다.
이 때, 알루미늄 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상부 양극 활물질층의 두께 대비 상기 타단부 상에 배치된 상부 양극 활물질층의 두께의 비, 및 상기 타단부 하에 배치된 하부 양극 활물질층의 두께 대비 상기 일단부 하에 배치된 하부 양극 활물질층의 두께의 비는 각각 표 1과 같도록 양극 합제를 도포하였다.
양극의 연장 방향 대비 알루미늄 집전체의 기울기가 표 1과 같도록 양극을 제조하였다.
(2) 음극 제조
음극 활물질로 천연 흑연 93중량%, 도전재로 플레이크 타입(flake type) 도전재인 KS6 5중량%, 바인더로 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 1중량% 및 증점제로 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 1중량%를 포함하는 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 집전체의 상면 및 저면에 도포, 건조 및 압연하여 상부 음극 활물질층 및 하부 음극 활물질층을 제조하였다.
이 때, 상부 및 하부 음극 활물질층 각각의 두께는 전체적으로 일정하게 형성하였다.
음극의 연장 방향 대비 구리 집전체의 기울기가 표 1과 같도록 음극을 제조하였다.
(3) 리튬 이차 전지 제조
상술한 바와 같이 제조된, 양극 및 음극을 각각 소정의 Notching하여 적층하였다. 상기 양극 및 음극 사이에 분리막(폴리에틸렌, 두께 25㎛)을 제1 양극부 및 제2 음극부 사이에 배치되는 제1 부분, 제2 양극부 및 제1 음극부 사이에 배치되는 제2 부분, 및 제1 부분 및 제2 부분 사이의 단차부를 포함하도록 개재하여 양극 및 음극과 함께 전극 셀을 형성하였다. 그 후, 양극 및 음극의 탭 부분을 각각 용접하였다. 용접된 양극/분리막/음극의 조합체를 파우치안에 넣고 전해액 주액부면을 제외한 3면을 실링 하였다. 이때 전극 탭이 있는 부분은 실링 부에 포함시켰다. 실링부를 제외한 나머지 면을 통해 전해액을 주액하고 상기 나머지 면을 실링 후, 12시간이상 함침 시켰다.
전해액은 EC/EMC/DEC(25/45/30; 부피비)의 혼합 용매에 1M LiPF6을 용해시킨 후, 비닐렌 카보네이트(VC) 1wt%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5wt% 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5wt%를 첨가한 것을 사용하였다.
상기와 같이 제조된 이차 전지에 대해 이후 Pre-charging을 0.25C에 해당하는 전류(5A)로 36분 동안 실시하였다. 1시간 후에 Degasing을 하고 24시간 이상 에이징을 실시한 후 화성충방전을 실시하였다(충전조건 CC-CV 0.2C 4.2V 0.05C CUT-OFF, 방전조건 CC 0.2C 2.5V CUT-OFF).
실시예 2
제조된 음극 슬러리를 구리 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 두께가 감소하도록 구리 집전체의 상면 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 상부 음극 활물질층을 제조하였다.
제조된 음극 슬러리를 구리 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 두께가 증가하도록 구리 집전체의 저면 하에 도포한 후, 건조 및 압연하여 하부 음극 활물질층을 제조하였다.
이 때, 구리 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상부 음극 활물질층의 두께 대비 상기 일단부 상에 배치된 상부 음극 활물질층의 두께의 비, 및 상기 일단부 하에 배치된 하부 음극 활물질층의 두께 대비 상기 타단부 하에 배치된 하부 음극 활물질층의 두께의 비는 각각 표 1과 같도록 음극 슬러리를 도포하였다.
위 내용을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 3 및 4
상부 및 하부 양극 활물질층의 두께의 비, 및 상부 및 하부 음극 활물질층의 두께의 비가 각각 표 1과 같은 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 5
상부 양극 활물질층은 LiFePO-4 리튬-금속 인산화물 입자를 양극 활물질로 사용하고, 하부 양극 활물질층은 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 리튬-전이금속 복합 산화물 입자를 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
상부 및 하부 양극 활물질층의 두께를 전체적으로 일정하게 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 2
양극 제조 시, 양극 합제를 알루미늄 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 두께가 증가하도록 알루미늄 집전체의 상면 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 상부 양극 활물질층을 제조하였다.
상기 양극 합제를 알루미늄 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 두께가 증가하도록 알루미늄 집전체의 저면 하에 도포한 후, 건조 및 압연하여 하부 양극 활물질층을 제조하였다. 이 때, 상부 및 하부 양극 활물질층은 알루미늄 집전체를 사이에 두고 대칭으로 형성되었다.
위 내용을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
상술한 실시예 및 비교예들에 따른 양극 활물질층 및 음극 활물질층의 두께의 비, 및 전극의 길이 방향에 대한 집전체의 연장 방향의 기울기를 하기 표 1에 나타낸다.
구분 활물질층 두께의 비 활물질층 기울기(°)
상부 양극 활물질층 하부 양극 활물질층 상부 음극 활물질층 하부 음극 활물질층 양극 집전체 음극 집전체
실시예 1 1.4 1.4 1 1 -1.0 0
실시예 2 1.4 1.4 1.4 1.4 -1.0 1.0
실시예 3 1.1 1.1 1.1 1.1 -0.08 0.08
실시예 4 1.65 1.65 1.65 1.65 -2.1 2.1
실시예 5 1.4 1.4 1.4 1.4 -1.0 1.0
비교예 1 1 1 1 1 0 0
비교예 2 1.4 0.714 1 1 0 0
실험예
(1) 급속 충전 시 율별 충전 특성 평가
실시예 및 비교예들에 따라 제조된 리튬 이차 전지에 대해 제1 충전(CC/CV 0.2C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 0.2C 2.5V CUT-OFF)하였다. 이후, 제2 충전(CC/CV xC 4.2V 0.05C CUT-OFF)하였다.
제2 충전에서 x는 0.2C, 0.333C, 0.5C, 0.7C, 1.0C, 1.2C, 1.5C, 1.7C, 2.0C이며, 상온(25 ℃)이 유지되는 챔버에서 진행하였다.
초기 0.2C 정전류 충전 용량에 대한 충전 rate별 정전류 구간 충전 용량(%)을 측정하였다.
(2) 급속 충전 수명 특성 평가
실시예 및 비교예들에 따라 제조된 리튬 이차 전지를 2.0C/1.75C/1.5C/1.25C/1.0C/0.75C/0.5C C-rate로 Step 충전 방식에 따라 DOD72를 25분 내에 도달하도록 충전한 후, 1/3C로 방전하였다. 상기 충전 및 방전을 1 사이클(cycle)로 하여 사이클을 반복하며 급속 충전 평가를 진행하였다. 충방전 사이클 사이에 10분의 대기시간을 두고 100 사이클을 반복한 후, 급속충전 용량 유지율을 측정하였다.
평가 결과는 하기 표 2 및 표 3에 나타낸다.
구분 정전류 충전 구간 용량
0.2C 0.333C 0.5C 0.7C 1.0C 1.2C 1.5C 1.7C 2.0C
실시예 1 100.0 96.9 90.8 86.1 81.4 79.3 77.2 74.3 69.3
실시예 2 100.0 98.1 91.7 87.0 83.1 80.2 78.3 74.8 70.9
실시예 3 100.0 97.4 91.1 86.2 82.0 79.7 77.8 74.5 70.3
실시예 4 100.0 98.2 91.8 87.2 83.2 80.3 78.5 74.7 71.1
실시예 5 100.0 97.9 91.5 86.9 83.0 80.0 78.1 74.5 70.7
비교예 1 100.0 95.9 89.2 84.3 80.8 78.9 76.5 72.9 67.6
비교예 2 100.0 96.7 90.6 85.9 81.2 79.1 77.0 74.0 68.9
구분 급속 충전 용량 유지율
(100사이클, %)
실시예 1 97.0
실시예 2 98.6
실시예 3 98.3
실시예 4 97.1
실시예 5 98.4
비교예 1 96.2
비교예 2 96.3
표 2 및 표 3을 참조하면, 양극 활물질층의 두께를 변화하며 코팅한 실시예들은 비교예들에 비하여 전체적으로 급속 충전 특성 및 용량 유지율이 개선되었다.
실시예 3은 상술한 양극 활물질층의 두께의 비 및 음극 활물질층의 두께의 비가 각각 1.2 미만이어서, 급속 충전 특성이 다른 실시예들에 비하여 저하되었다.
실시예 4는 상술한 양극 활물질층의 두께의 비 및 음극 활물질층의 두께의 비가 각각 1.6을 초과하여, 용량 유지율이 다른 실시예들에 비하여 저하되었다.
비교예 2는 양극 활물질층이 상하 대칭으로 형성되어 발열이 지나치게 집중되며, 이에 따라 급속 충전 특성 및 수명 특성이 저하되었다.
100: 전극 적층 구조 110: 양극
112: 양극 집전체 114: 상부 양극 활물질층
116: 하부 양극 활물질층 118: 양극 탭
120: 음극 122: 음극 집전체
124: 상부 음극 활물질층 126: 하부 음극 활물질층
128: 음극 탭 130: 분리막
200: 리튬 이차 전지 210: 양극 탭부
215: 양극 리드 220: 음극 탭부
225: 음극 리드 230: 전극 조립체
240: 케이스

Claims (12)

  1. 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 상면 상에 배치되는 상부 양극 활물질층 및 상기 양극 집전체의 저면 하에 배치되는 하부 양극 활물질층을 포함하는 양극; 및
    상기 양극과 대향하는 음극을 포함하고,
    상기 상부 양극 활물질층의 두께는 상기 양극 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 증가하고, 상기 하부 양극 활물질층의 두께는 상기 양극 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 감소하는, 리튬 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 양극 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상기 상부 양극 활물질층의 두께 대비 상기 양극 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상기 상부 양극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6이고,
    상기 양극 집전체의 상기 타단부 하에 배치된 상기 하부 양극 활물질층의 두께 대비 상기 양극 집전체의 상기 일단부 하에 배치된 상기 하부 양극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6인, 리튬 이차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상기 상부 양극 활물질층 및 상기 하부 양극 활물질층의 두께의 합은 상기 양극의 전체 영역에서 균일한, 리튬 이차 전지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 양극의 길이 방향에 대한 상기 양극 집전체의 연장 방향의 기울기는 -2.0° 내지 -0.1°인, 리튬 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체, 및 상기 음극 집전체의 상면 상에 배치되는 상부 음극 활물질층 및 상기 음극 집전체의 저면 하에 배치되는 하부 음극 활물질층을 포함하고,
    상기 상부 음극 활물질층의 두께는 상기 음극 집전체의 일단부에서 타단부 측으로 갈수록 감소하고, 상기 하부 음극 활물질층의 두께는 상기 음극 집전체의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 증가하는, 리튬 이차 전지.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 음극 집전체의 상기 일단부는 상기 양극 집전체의 상기 일단부와 두께 방향으로 중첩되고, 상기 음극 집전체의 상기 타단부는 상기 양극 집전체의 상기 타단부와 두께 방향으로 중첩되는, 리튬 이차 전지.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 양극 집전체의 상기 일단부 하에 배치된 상기 하부 양극 활물질층의 두께 및 상기 음극 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상기 상부 음극 활물질층의 두께의 합은 상기 양극 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상기 상부 양극 활물질층의 두께 및 상기 음극 집전체의 상기 타단부 하에 배치된 상기 하부 음극 활물질층의 두께의 합과 동일한, 리튬 이차 전지.
  8. 청구항 5에 있어서, 두께 방향으로 중첩되는 상기 상부 음극 활물질층 및 상기 하부 음극 활물질층의 두께의 합은 상기 음극의 전체 영역에서 균일한, 리튬 이차 전지.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 음극 집전체의 상기 타단부 상에 배치된 상기 상부 음극 활물질층의 두께 대비 상기 음극 집전체의 상기 일단부 상에 배치된 상기 상부 음극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6이고,
    상기 음극 집전체의 상기 일단부 하에 배치된 상기 하부 음극 활물질층의 두께 대비 상기 음극 집전체의 상기 타단부 하에 배치된 상기 하부 음극 활물질층의 두께의 비는 1.2 내지 1.6인, 리튬 이차 전지.
  10. 청구항 5에 있어서, 상기 음극의 길이 방향에 대한 상기 음극 집전체의 연장 방향의 기울기는 0.1° 내지 2.0°인, 리튬 이차 전지.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 양극 활물질층 및 상기 하부 양극 활물질층은 서로 다른 종류의 양극 활물질을 포함하는, 리튬 이차 전지.
  12. 청구항 1에 있어서, 전체 영역에서 균일한 두께를 갖는, 리튬 이차 전지.
KR1020220088405A 2022-07-18 2022-07-18 리튬 이차 전지 KR20240010969A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220088405A KR20240010969A (ko) 2022-07-18 2022-07-18 리튬 이차 전지
US18/349,963 US20240021800A1 (en) 2022-07-18 2023-07-11 Lithium secondary battery
CN202310876916.2A CN117423905A (zh) 2022-07-18 2023-07-18 锂二次电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220088405A KR20240010969A (ko) 2022-07-18 2022-07-18 리튬 이차 전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240010969A true KR20240010969A (ko) 2024-01-25

Family

ID=89509263

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220088405A KR20240010969A (ko) 2022-07-18 2022-07-18 리튬 이차 전지

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240021800A1 (ko)
KR (1) KR20240010969A (ko)
CN (1) CN117423905A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100548988B1 (ko) 2003-11-26 2006-02-02 학교법인 한양학원 리튬이차전지용 양극활물질 제조방법, 그 방법에 사용되는반응기 및 그 방법으로 제조되는 리튬이차전지용 양극활물질

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100548988B1 (ko) 2003-11-26 2006-02-02 학교법인 한양학원 리튬이차전지용 양극활물질 제조방법, 그 방법에 사용되는반응기 및 그 방법으로 제조되는 리튬이차전지용 양극활물질

Also Published As

Publication number Publication date
US20240021800A1 (en) 2024-01-18
CN117423905A (zh) 2024-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102436308B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102446271B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102397827B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102296877B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20170136878A (ko) 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 리튬 이차 전지
KR102504642B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102539669B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20230109122A (ko) 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 이차 전지
KR102467458B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20230127189A (ko) 리튬 이차 전지
KR20200136329A (ko) 리튬 이차 전지
KR102446270B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102446269B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20220012024A (ko) 리튬 이차 전지
US20240021800A1 (en) Lithium secondary battery
KR20210059232A (ko) 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US20220285693A1 (en) Lithium secondary battery
KR102480473B1 (ko) 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법
KR102491619B1 (ko) 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102446273B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20230087039A (ko) 리튬 이차 전지
KR102467457B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20230165132A (ko) 이차 전지용 음극, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지.
KR20230156993A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20230118401A (ko) 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지