KR20240019317A - 극판, 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 극판, 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치를 제공한다. 본 출원에서 제공하는 극판은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일 표면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 계면 활성제 리튬염을 포함한다. 본 출원은 계면 활성제 리튬염과 전해액의 친화성을 이용하여, 전해액의 표면 장력을 효과적으로 감소시키고, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 향상시키며, 배터리 계면 저항을 저감하고, 활물질의 이용 효율을 향상시킴으로써, 리튬 이온 배터리의 배율 성능, 방전 용량 및 사용 수명에 대한 개선을 구현한다.

Description

극판, 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치
본 출원은 2021년 11월 12일에 중국 국가지식재산권국에 제출된 제202111337252.X호, 발명 명칭이 "극판, 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치"인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하는 바, 해당 출원의 전부 내용은 참조로서 본 발명에 포함된다.
본 출원은 리튬 배터리의 기술분야에 관한 것으로, 특히 극판, 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 이차 전지의 일종으로, 일반적으로 리튬 이온 배터리는 양극판, 음극판, 전해액 및 분리막을 포함한다. 배터리의 충방전 과정에서 활성 이온은 양극판과 음극판 사이에서 삽입 및 탈리를 반복한다. 전해액은 리튬 이온 배터리에서 이온 수송을 위한 캐리어로서, 리튬 배터리의 양극과 음극 사이에서 이온을 전도하는 역할을 하며, 리튬 이온 배터리가 고전압, 고비 에너지 등 성능을 얻도록 보장한다. 전해액은 일반적으로 고순도의 유기 용매, 전해질 리튬염, 필요한 첨가제 등 원재료를 일정한 조건 하에서 일정한 비율로 배합함으로써 제조된다.
현재, 리튬 이온 배터리는 자동차, 휴대전화 등 첨단 제품에 널리 응용되고 있으며, 리튬 이온 배터리의 응용 영역이 지속적으로 확대됨에 따라 리튬 이온 배터리의 각 방면의 성능을 지속적으로 향상시킬 필요가 있다.
본 출원은 상기 문제점을 감안하여 진행된 것으로, 리튬 이온 배터리의 배율 성능, 방전 용량 및 사용 수명을 개선할 수 있는 극판 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 출원의 제1 양태에 있어서, 극판을 제공하는 바, 상기 극판은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일 표면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 계면 활성제 리튬염을 포함한다.
본 출원은 극판의 활물질층에 계면 활성제 리튬염을 도핑하고, 리튬염과 전해액의 친화성을 이용하여, 전해액의 표면 장력을 효과적으로 감소시키고, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 향상시키며, 배터리 계면 저항을 저하시켜, 활물질의 이용 효율을 향상시킴으로써, 리튬 이온 배터리의 배율 성능, 방전 용량 및 사용 수명에 대한 개선을 구현한다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 활물질층에서 상기 집전체와 멀리하는 표면에 기능층을 구비하며, 상기 기능층에도 상기 계면 활성제 리튬염이 포함된다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 활물질층에 있어서 상기 계면 활성제 리튬염의 물질량은 0.00175~0.00875mol이다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 계면 활성제 리튬염은 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(Lithium bis trifluoromethanesulfonyl imide), 질산리튬(Lithium nitrate), 과염소산리튬(Lithium perchlorate) 또는 염화리튬(Lithium chloride)으로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 활물질층은 상기 집전체로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층되는 단위면적당 코팅 질량이 커지는 순서로 변화되는 복수 개의 활물질 서브층을 포함하며, 상기 복수 개의 활물질 서브층에 포함되는 계면 활성제 리튬염의 물질량도 커지는 순서로 변화된다. 이러한 실시양태에 있어서, 극판의 활물질층은 다층 코팅을 채택하고, 계면 활성제 리튬염도 각 활물질 서브층에 각각 도핑되며, 각 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 사용량 변화 규칙은 활물질 서브층에서의 활물질 코팅 질량의 변화 규칙과 일치하여, 각 활물질 서브층에 대해 기공 형성 역할을 한다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 활물질층은 상기 집전체로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층되는 제1 활물질 서브층과 제2 활물질 서브층을 포함하며, 상기 제1 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량을 CW1로 하고, 0.150g/1540.25mm2≤CW1≤0.200g/1540.25mm2이며; 상기 제2 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량을 CW2으로 하고, CW2≥0.200g/1540.25mm2이며; 상기 제1 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M1로 하고, 상기 제2 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M2로 하며, 상기 기능층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M3으로 했을 때, M1/(M1+M2+M3)은 10%~30%이고, 선택적으로 M1/(M1+M2+M3)은 20%이며; M2/(M1+M2+M3)은 20%~40%이고, 선택적으로 M2/(M1+M2+M3)은 30%이며; M3/(M1+M2+M3)은 30%~70%이고, 선택적으로 M3/(M1+M2+M3)은 50%이다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 극판은 양극판 또는 음극판이다.
본 출원의 제2 양태에 있어서, 리튬 이온 배터리를 제공하는 바, 상기 리튬 이온 배터리는 양극판, 음극판, 양극판과 음극판 사이에 배치된 분리막 및 전해액을 포함하며, 여기서, 상기 양극판 및/또는 상기 음극판은 본 출원의 제1 양태에 따른 극판이다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 전해액은 에스테르계 전해액, 에테르계 전해액 또는 수계 전해액으로부터 선택된다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 전해액은 순수 용매(pure solvent) 전해액이다. 즉, 전해액에는 용매만 포함되어 있고 전해질 리튬염은 포함되어 있지 않다. 전해액에 전해질 리튬염이 포함되어 있지 않는 경우, 다시 말해서, 모든 리튬염이 계면 활성제로서 전극 표면의 활물질층이나 활물질층 표면의 기능 코팅층에 도핑되는 경우, 직접 전해액 용매를 전해액으로 사용하여 배터리에 주입하며, 전해액 용매가 극판에 침윤된 후 극판에서의 계면 활성제 리튬염이 전해액에 용해되면서 이온 전도 역할을 할 수 있게 된다. 순수 용매를 전해액으로서 배터리에 주입하면, 순수 용매의 점도가 낮아 극판에 대한 침윤성이 보다 우수하고, 극판에 혼입된 계면 활성제 리튬염이 용해된 후, 전극에 기공을 진일보 형성하여 다공질 전극을 제조함으로써, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 더 잘 촉진할 수 있는 장점이 있다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 전해액에서의 용매는 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 메틸에틸카보네이트로부터 선택되는 적어도 1종이다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 극판의 활물질층과 기능층에 있어서, 상기 계면 활성제 리튬염의 물질량의 합계를 Mp로 하고, 상기 전해액에서의 리튬염의 물질량을 Ms로 하며, 상기 전해액의 총 부피를 Vs로 했을 때, 상기 리튬 이온 배터리는 (Mp+Ms)/Vs가 1~2mol/L을 만족하며, 선택적으로 (Mp+Ms)/Vs는 1mol/L이다. 극판에 있어서, 계면 활성제 리튬염의 도핑 농도가 적절한 범위 내에 있을 경우, 극판에 대한 전해액의 침윤성에 도움이 되는 동시에, 이온 전도도에 손상을 주고 전지 분극을 증대시키는 등 불리한 영향이 발생하지 않으며, 리튬 이온 배터리의 전체적인 전기화학적 성능을 보장한다.
본 출원의 제3 양태에 있어서, 배터리 모듈을 더 제공하는 바, 상기 배터리 모듈은 본 출원의 제2 양태에 따른 리튬 이온 배터리를 포함한다.
본 출원의 제4 양태에 있어서, 배터리팩을 더 제공하는 바, 상기 배터리팩은 본 출원의 제2 양태에 따른 리튬 이온 배터리 또는 본 출원의 제3 양태에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 출원의 제5 양태에 있어서, 전기 장치를 더 제공하는 바, 상기 전기 장치는 본 출원의 제2 양태에 따른 리튬 이온 배터리 또는 본 출원의 제3 양태에 따른 배터리 모듈 또는 본 출원의 제4 양태에 따른 배터리팩을 포함한다. 여기서, 리튬 이온 배터리 또는 배터리 모듈 또는 배터리팩은 전기 장치의 전원이나 에너지 저장 유닛으로서 사용된다.
본 출원의 제2 양태에서 제공하는 리튬 이온 배터리, 제3 양태에서 제공하는 배터리 모듈, 제4 양태에서 제공하는 배터리팩, 제5 양태에서 제공하는 전기 장치는, 본 출원의 제1 양태에 따른 극판을 포함하므로 배율 성능, 방전 용량이 우수하고, 사용 수명이 길다.
도 1은 활물질층에 계면 활성제 리튬염이 포함되지 않은 음극판과 전해액의 침윤각의 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 활물질층에 저농도의 계면 활성제 리튬염이 포함되는 음극판과 전해액의 침윤각의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 활물질층에 고농도의 계면 활성제 리튬염을 포함하는 음극판과 전해액의 침윤각의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 출원의 일 실시양태에 따른 리튬 이온 배터리의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 본 출원의 일 실시양태에 따른 리튬 이온 배터리의 분해도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시양태에 따른 배터리 모듈의 개략도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시양태에 따른 배터리팩의 개략도이다.
도 8은 도 7에 도시된 본 출원의 일 실시양태에 따른 배터리팩의 분해도이다.
도 9는 본 출원의 일 실시양태에 따른 전원의 전기 장치로서 사용되는 리튬 이온 배터리의 개략도이다.
이하, 도면을 적절하게 참조하여 본 출원의 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치의 실시양태를 상세하게 설명하여 구체적으로 개시한다. 다만, 불필요한 상세한 설명은 생략될 수 있다. 예를 들어, 공지된 사항에 대한 상세한 설명, 실질적으로 동일한 구조에 대한 반복적인 설명은 생략될 수 있다. 이는 이하의 설명이 불필요하게 길어지는 것을 방지하고, 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 도면과 이하의 설명은 당업자가 본 출원을 충분히 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 청구범위에 기재된 주제를 한정하는 것은 아니다.
본 출원에 개시된 "범위"는 하한값 및 상한값의 형태로 한정되며, 주어진 범위는 하나의 하한값과 하나의 상한값을 선택함으로써 한정되며, 선택된 하한값 및 상한값은 특정 범위의 경계를 한정한다. 이러한 방식으로 한정된 범위는 끝점 값을 포함하거나 끝점 값을 포함하지 않을 수 있으며, 임의의 조합으로 결합될 수 있다. 즉, 임의의 하한값은 임의의 상한값과 함께 결합되어 하나의 범위를 형성할 수 있다. 예를 들어 특정 파라미터에 대해 60~120 및 80~110의 범위가 언급되는 경우, 60~110 및 80~120의 범위로 예측 가능한 것도 이해되어야 한다. 또한, 최소 범위 값으로서 1과 2를 들고, 최대 범위 값으로서 3, 4 및 5를 들 경우, 1~3, 1~4, 1~5, 2~3, 2~4 및 2~5의 범위는 모두 예측될 수 있다. 본 출원에서, 별도로 설명되지 않는 한, 수치 범위 "a~b"는 a와 b 사이의 임의의 실수 조합의 축약된 표현을 의미하며, 여기서 a와 b는 모두 실수이다. 예를 들어, 수치 범위 "0~5"는 본 명세서에 기재된 "0~5" 사이의 모든 실수를 포함하며, "0~5"는 이들 수치 조합의 축약된 표현임을 나타낸다. 또한, 특정 파라미터를 ≥2인 정수로 표현할 경우, 해당 파라미터는 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 등의 정수가 개시된 것과 동일하다.
별도의 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 실시양태 및 선택적인 실시양태는 서로 결합되어 새로운 기술방안을 이룰 수 있다.
별도의 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 기술특징 및 선택적인 기술특징은 서로 결합되어 새로운 기술방안을 이룰 수 있다.
별도의 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 단계는 순차적 또는 랜덤으로 수행될 수 있으며, 바람직하게는 순차적으로 수행된다. 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a)와 단계 (b)를 포함할 경우, 상기 방법이 순차적으로 수행되는 단계 (a)와 단계 (b)의 순서로 포함할 수 있고, 순차적으로 수행되는 단계 (b)와 단계 (a)의 순서로 포함할 수도 있음을 나타낸다. 예를 들어, 앞서 언급된 상기 방법이 단계 (c)를 더 포함할 경우, 단계 (c)가 임의의 순서로 상기 방법에 포함될 수 있음을 의미한다. 예를 들어 상기 방법은 단계 (a), 단계 (b) 및 단계 (c)의 순서로 포함할 수 있고, 단계 (a), 단계 (c) 및 단계 (b)의 순서로 포함할 수도 있으며, 단계 (c), 단계 (a) 및 단계 (b)의 순서로 포함할 수도 있다.
별도의 설명이 없는 한, 본 출원에 언급된 "포함하다" 및 "포함되다"는 개방 형식의 표현일 수도 있고 폐쇄 형식의 표현일 수도 있다. 예를 들어, 상기 "포함하다" 및 "포함되다"는 언급되지 않은 다른 요소를 포함하거나 다른 요소가 포함될 수 있고, 언급된 요소만 포함하거나 포함될 수도 있다.
별도의 설명이 없는 한, 본 출원에서 "또는"이라는 용어는 포괄적 의미를 가진다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 문구는 "A, B 또는 A 및 B 모두"를 의미한다. 보다 구체적으로, 하기 조건 중 임의의 하나는 조건 "A 또는 B"를 만족한다: A는 참(또는 존재함)이고 B는 거짓(또는 존재하지 않음)이거나; A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 B는 참(또는 존재함)이거나; 또는 A와 B는 모두 참(또는 존재함)이다.
극판
본 출원의 일 실시양태에 있어서, 본 출원은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일 표면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 계면 활성제 리튬염을 포함하는 극판을 제안한다.
본 출원은 다음과 같은 발명 구상을 감안하여 제안된 것이다: 리튬 이온 배터리 내부에서, 전해액의 침윤 효과가 좋지 않을 때, 이온 수송 경로가 길어지면서 양극과 음극 사이에서의 리튬 이온의 셔틀을 방해하고, 전해액과 접촉하지 않은 극판이 배터리의 전기화학적 반응에 참여할 수 없게 되면서 배터리 계면 저항이 증가하여 리튬 배터리의 배율 성능, 방전 용량 및 사용 수명에 영향을 미친다. 리튬 이온 배터리 내부에서, 전해액과 전극의 계면 침윤성은 영(Young)의 방정식으로 표시될 수 있다:
여기서, γSV은 극판의 표면 장력이고; γSL 은 전해액과 전극 접촉면의 표면 장력이며; γLV은 전해액 자체의 표면 장력이고; θ는 전해액과 전극의 침윤각이다.
상기 식으로부터 알 수 있다시피, 극판과 기상 사이의 계면이 변하지 않는 경우, 접촉각의 크기는 전해액의 표면 장력에 의해 결정된다. 전해액의 표면 장력이 작을수록, 계면의 접촉각이 작아지고, 극판에 대한 전해액의 침윤성이 더 좋아진다. 이를 감안하여, 출원인은 다음과 같이 제안한다: 극판의 활물질층에 계면 활성제 리튬염을 도핑하고, 극판이 전해액과 접촉하면, 계면 활성제 리튬염이 전해액에 부분적으로 또는 전부 용해되며, 계면 활성제 리튬염과 전해액의 친화성을 이용하여, 전해액의 표면 장력을 효과적으로 감소시키고, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 향상시킴으로써, 리튬 이온 배터리의 배율 성능, 방전 용량 및 사용 수명에 대한 개선을 구현한다. 여기서, 계면 활성제(surfactant)의 고유 정의는 대상 용액의 표면 장력을 현저하게 감소시킬 수 있는 물질이다. 본 출원에 따른 계면 활성제 리튬염은 전해액의 표면 장력을 현저하게 감소시킬 수 있는 리튬염을 의미한다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 활물질층에서 상기 집전체와 멀리하는 표면에 기능층을 구비하며, 상기 기능층에도 상기 계면 활성제 리튬염이 포함된다. 이러한 실시양태에 있어서, 활물질층과 기능층은 모두 계면 활성제 리튬염을 포함하며, 극판이 전해액과 접촉하면, 극판의 활물질층 및 기능층에서의 계면 활성제 리튬염이 전해액에 부분적으로 또는 전부 용해되어 공통으로 전해액의 표면 장력을 감소시키고, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 향상시키는 역할을 함으로써, 리튬 이온 배터리의 배율 성능, 방전 용량 및 사용 수명에 대한 개선을 구현한다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 계면 활성제 리튬염은 리튬비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드(Lithium bis trifluoromethanesulfonyl imide, LiTFSI), 질산리튬(Lithium nitrate, LiNO3), 과염소산리튬(Lithium perchlorate, LiClO4), 염화리튬(Lithium chloride, LiCl)으로부터 선택되는 적어도 1종이다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 활물질층에 있어서 상기 계면 활성제 리튬염의 물질량은 0.00175~0.00875mol이다.
발명자는 리튬비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드염을 계면 활성제 리튬염으로서 선택하고, 5%, 10% 농도의 수용액을 각각 제조하여 음극판 표면에 코팅하였다. 이어서, 상이한 두 개의 농도로 코팅된 음극판과 전해액의 침윤각을 측정하고, 그 측정 결과를 도 1 내지 도 3에 나타낸다. 여기서, 도 1은 극판 또는 극판 표면에 계면 활성제 리튬염이 포함되지 않은 음극판과 전해액의 침윤각의 주사전자현미경 사진이고, 도 2는 극판 또는 극판 표면에 저농도 계면 활성제 리튬염이 포함된 음극판과 전해액의 침윤각의 주사전자현미경 사진이며, 도 3은 극판 또는 극판 표면에 고농도의 계면 활성제 리튬염을 포함하는 음극판과 전해액의 침윤각의 주사전자현미경 사진이다. 도 1 내지 도 3의 침윤각의 측정 결과로부터, 계면 활성제 리튬염의 코팅이 전해액과 음극판 표면의 침윤 효과를 효과적으로 개선할 수 있고, 여기서, 저농도의 계면 활성제 리튬염의 코팅은 침윤 효과를 향상시키는 효과를 나타냈고, 사용되는 계면 활성제 리튬염의 농도가 증가할수록, 침윤 효과도 더 우수해지는 것으로 나타남을 알 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 활물질층은 상기 집전체로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층 배치되는, 단위면적당 코팅 질량이 커지는 순서로 변화되는 복수 개의 활물질 서브층을 구비하며, 상기 복수 개의 활물질 서브층에 포함되는 계면 활성제 리튬염의 물질량도 커지는 순서로 변화된다. 이러한 실시양태에 있어서, 극판의 활물질층은 다층 코팅을 채택하고, 계면 활성제 리튬염도 각 활물질 서브층에 각각 도핑되며, 각 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 사용량 변화 규칙은 활물질 서브층에서의 활물질 코팅 질량의 변화 규칙과 일치하여, 각 활물질 서브층에 대해 기공 형성 역할을 한다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 활물질층은 상기 집전체로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층되는 제1 활물질 서브층과 제2 활물질 서브층을 포함하며, 상기 제1 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량을 Cw1로 하면, 0.150g/1540.25mm2≤CW1≤0.200g/1540.25mm2이며; 상기 제2 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량을 Cw2으로 하면, Cw2≥0.200g/1540.25mm2이며; 상기 제1 활물질 서브층의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M1로 하고, 상기 제2 활물질 서브층의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M2로 하며, 상기 기능층의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M3으로 했을 때, M1/(M1+M2+M3)은 10%~30%이고, 선택적으로 M1/(M1+M2+M3)은 20%이며; M2/(M1+M2+M3)은 20%~40%이고, 선택적으로 M2/(M1+M2+M3)은 30%이며; M3/(M1+M2+M3)은 30%~70%이고, 선택적으로 M3/(M1+M2+M3)은 50%이다.
임의의 실시양태에 있어서, 상기 극판은 양극판 또는 음극판이다.
리튬 이온 배터리
본 출원의 다른 한 양태에 있어서 리튬 이온 배터리를 제공하는 바, 상기 리튬 이온 배터리는 양극판, 음극판, 양극판과 음극판 사이에 배치된 분리막 및 전해액을 포함하며, 여기서, 상기 양극판 및/또는 상기 음극판은 본 출원의 제1 양태에 따른 극판이다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 전해액은 에스테르계 전해액, 에테르계 전해액 또는 수계 전해액을 포함한다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 전해액은 순수 용매 전해액이다. 즉, 전해액에는 용매만 포함되어 있고 전해질 리튬염은 포함되어 있지 않다. 전해액에 전해질 리튬염이 포함되어 있지 않는 경우, 다시 말해서, 모든 리튬염이 계면 활성제로서 전극 표면의 활물질층이나 활물질층 표면의 기능 코팅층에 도핑되는 경우, 직접 전해액 용매를 전해액으로서 사용하여 배터리에 주입하며, 전해액 용매가 극판에 침윤된 후, 극판에서의 계면 활성제 리튬염이 전해액에 용해되면서 이온 전도 역할을 할 수 있게 된다. 순수 용매를 전해액으로서 배터리에 주입하면, 순수 용매의 점도가 낮아 극판에 대한 침윤성이 보다 우수하고, 극판에 혼입된 계면 활성제 리튬염이 용해된 후, 전극에 기공을 진일보 형성하여 다공질 전극을 제조함으로써, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 더 잘 촉진할 수 있는 장점이 있다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 전해액에서의 용매는 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 메틸에틸카보네이트로부터 선택되는 적어도 1종이다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 극판의 활물질층과 기능층에 있어서, 상기 계면 활성제 리튬염의 물질량의 합계를 Mp로 하고, 상기 전해액에서의 리튬염의 물질량을 Ms로 하며, 상기 전해액의 총 부피를 Vs로 했을 때, 상기 리튬 이온 배터리는 (Mp+Ms)/Vs가 1~2mol/L을 만족하며, 선택적으로 (Mp+Ms)/Vs는 1mol/L이다. 극판에 있어서, 계면 활성제 리튬염의 도핑 농도가 적절한 범위 내에 있을 경우, 극판에 대한 전해액의 침윤성에 도움이 되는 동시에, 이온 전도도에 손상을 주고 전지 분극을 증대시키는 등 불리한 영향이 발생하지 않으며, 리튬 이온 배터리의 전체적인 전기화학적 성능을 보장한다.
또한, 이하에서는 도면을 적절하게 참조하여 본 출원의 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치에 대해 설명한다.
일반적으로, 리튬 이온 배터리는 양극판, 음극판, 전해액 및 분리막을 포함한다. 배터리의 충방전 과정에서 활성 이온은 양극판과 음극판 사이에 삽입 및 탈리를 반복한다. 전해액은 양극판과 음극판 사이에서 이온을 전도하는 역할을 한다. 분리막은 양극판과 음극판 사이에 배치되어, 주로 양극과 음극의 단락을 방지하는 역할을 하는 동시에, 이온을 통과시킬 수 있다.
[양극판]
양극판은 양극 집전체 및 양극 집전체의 적어도 일 표면에 구비된 양극 활물질층을 포함하고, 본 출원의 일부 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 계면 활성제 리튬염을 포함한다. 일부 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층에서 상기 집전체를 멀리하는 표면에 기능층을 구비하며, 상기 기능층에도 계면 활성제 리튬염이 포함된다.
예시적으로, 양극 집전체는 그 두께 방향으로 대향되는 두 표면을 구비하며, 양극 활물질층은 양극 집전체의 대향되는 두 표면 중 임의의 일 표면 또는 두 표면 모두에 배치된다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 양극 집전체는 금속 박편 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어 금속 박편으로서 알루미늄박을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 고분자 재료 기재층의 적어도 일 표면에 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 기재(예를 들어 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 등의 기재) 상에 형성하여 이루어질 수 있다.
양극 활물질층은 양극 활성 재료를 더 포함한다. 일부 실시양태에 있어서, 양극 활성 재료는 본 분야의 공지된 배터리용 양극 활성 재료를 사용할 수 있다. 예시적으로, 양극 활성 재료는 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이 금속 산화물 및 이들의 개질 화합물 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 다만 본 출원은 이러한 재료에 한정되지 않으며, 배터리 양극 활성 재료로서 사용될 수 있는 다른 종래의 재료를 사용할 수도 있다. 이러한 양극 활성 재료는 한 종류만 단독으로 사용하거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예로서는, 리튬코발트산화물(예를 들어 LiCoO2), 리튬니켈산화물(예를 들어 LiNiO2), 리튬망간산화물(예를 들어 LiMnO2, LiMn2O4), 리튬니켈코발트산화물, 리튬망간코발트산화물, 리튬니켈망간산화물, 리튬니켈코발트망간산화물(예를 들어 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333라고도 함), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523라고도 함), LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(NCM211라고도 함), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622라고도 함), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811라고도 함), 리튬니켈코발트알루미늄산화물(예를 들어 LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 이들의 개질 화합물 등 중 적어도 1종을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염의 예로서, 인산철리튬(예를 들어 LiFePO4(LFP라고도 함)), 인산철리튬과 탄소의 복합재료, 인산망간리튬(예를 들어 LiMnPO4), 인산망간리튬과 탄소의 복합재료, 인산망간철리튬, 인산망간철리튬과 탄소의 복합재료 중 적어도 1종을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
일부 실시양태에 있어서, 양극 활물질층은 선택적으로 접착제를 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 접착제는 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafloroethylene, PTFE), 비닐리덴플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-프로필렌의 3원 공중합체(vinylidene fluoride-Tetrafluoroethylene-Propylene terpolymer), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌의 3원 공중합체(vinylidene fluoride-Hexafluoropropylene-Tetrafluoroethyleneterpolymer), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌(Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene) 공중합체 및 불소 함유 아크릴산에스테르 수지 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 양극 활물질층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 도전제는 초전도 탄소, 아세틸렌블랙, 카본블랙, 케첸블랙, 카본도트, 카본나노튜브, 그래핀 및 카본나노섬유 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 양극판은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다: 전술한 양극판을 제조하기 위한 성분(예를 들어 양극 활성 재료, 계면 활성제 리튬염(예를 들어 양극 활물질층에 계면 활성제 리튬염이 포함됨), 도전제, 접착제 및 임의의 다른 성분)을 용매(예를 들어 N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone, NMP))에 분산시켜 양극 슬러리를 형성하고, 양극 슬러리를 양극 집전체에 코팅하고 건조시킨다. 예를 들어, 양극 활물질층 표면에 양극 기능층이 더 배치되고, 양극 기능층도 계면 활성제 리튬염을 포함하는 경우, 추가로 계면 활성제 리튬염을 일정 농도의 수용액으로 제조하여 양극판 표면에 코팅하고 건조시키며, 최종적으로 냉압착 등 공정을 거쳐, 양극판을 얻을 수 있다.
[음극판]
음극판은 음극 집전체 및 음극 집전체의 적어도 일 표면에 구비된 음극 활물질층을 포함하고, 일부 실시양태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 계면 활성제 리튬염을 포함한다. 일부 실시양태에 있어서, 상기 음극 활물질층에서 상기 집전체와 멀리하는 표면에 기능층을 구비하며, 상기 기능층에도 계면 활성제 리튬염이 포함된다.
예시적으로, 음극 집전체는 그 두께 방향으로 대향되는 두 표면을 구비하며, 음극 활물질층은 음극 집전체의 대향되는 두 표면 중 임의의 일 표면 또는 두 표면 모두에 배치된다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 음극 집전체는 금속 박편 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어 금속 박편으로서 동박을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 고분자 재료 기재의 적어도 일 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), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 등의 기재) 상에 형성시켜 이루어질 수 있다.
음극 활물질층은 음극 활성 재료를 더 포함한다. 일부 실시양태에 있어서, 음극 활성 재료는 본 분야의 공지된 배터리용 음극 활성 재료를 사용할 수 있다. 예시적으로, 음극 활성 재료는 인조흑연, 천연흑연, 소프트카본, 하드카본, 실리콘계 재료, 주석계 재료 및 리튬 티타네이트 등 재료 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 재료는 단체 실리콘, 실리콘-산화물, 실리콘-탄소복합체, 실리콘-질소복합체 및 실리콘 합금으로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다. 상기 주석계 재료는 단체 주석, 주석 산화물 및 주석 합금으로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다. 다만 본 출원은 이러한 재료에 한정되지 않으며, 배터리의 음극 활성 재료로서 사용될 수 있는 다른 종래의 재료도 사용할 수 있다. 이러한 음극 활성 재료는 한 종류만 단독으로 사용하거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
일부 실시양태에 있어서, 음극 활물질층은 선택적으로 접착제를 더 포함할 수 있다. 상기 접착제는 스티렌부타디엔고무(Styrene-Butadiene Rubber, SBR), 폴리아크릴산(Polyacrylic Acid, PAA), 폴리아크릴산나트륨염(Polyacrylic Acid Sodium, PAAS), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide, PAM), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 알긴산나트륨(Sodium alginate, SA), 폴리메타크릴산(Polymethacrylic acid, PMAA) 및 카복시메틸키토산(Carboxymethyl chitosan, CMCS)으로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다.
일부 실시양태에 있어서, 음극 활물질층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 도전제는 초전도 탄소, 아세틸렌블랙, 카본블랙, 케첸블랙, 카본도트, 카본나노튜브, 그래핀 및 카본나노섬유로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다.
일부 실시양태에 있어서, 음극 활물질층은 선택적으로 증점제(예를 들어 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(Carboxymethyl cellulose sodium, CMC-Na)) 등과 같은 다른 보조제를 더 포함할 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 음극판은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다: 전술한 음극판을 제조하기 위한 성분(예를 들어 음극 활성 재료, 계면 활성제 리튬염(예를 들어 음극 활물질층에 계면 활성제 리튬염이 포함됨), 도전제, 접착제 및 임의의 다른 성분)을 용매(예를 들어 탈 이온수)에 분산시켜 음극 슬러리를 형성하고, 음극 슬러리를 음극 집전체에 코팅하고 건조시킨다. 예를 들어, 음극 활물질층 표면에 음극 기능층이 더 배치되고, 음극 기능층도 계면 활성제 리튬염을 포함하는 경우, 추가로 계면 활성제 리튬염을 특정 농도의 수용액으로 제조하여 음극판 표면에 코팅하고 건조시키며, 최종적으로 냉압착 등 공정을 거쳐, 음극판을 얻을 수 있다.
[전해액]
전해액은 양극판과 음극판 사이에서 이온을 전도하는 역할을 한다. 일부 실시양태에 있어서, 전해액은 전해질염 및 유기 용매를 포함한다. 본 출원의 전해액은 에스테르계 전해액, 에테르계 전해액 또는 수계 전해액으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에 있어서, 전해액은 유기 용매만을 포함한다.
일부 실시양태에 있어서, 전해질 리튬염은 육불화인산리튬(Lithium hexafluorophosphate, LiPF6), 사불화붕산리튬(Lithium tetrafluoroborate, LiBF4), 과염소산리튬(Lithium perchlorate), 헥사플루오로히산리튬(lithium hexafluorohosphate), 리튬비스(플루오로술포닐)이미드(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide), 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)아미드(Lithium bis trifluoromethanesulfonyl imide), 트리플루오로메탄술폰산리튬(Lithium Trifluoromethanesulfonate), 디플루오로인산리튬(Lithium Difluorophosphate), 리튬디플루오로(옥살라토)보레이트(1-)(Lithium difluoro(oxalato)borate(1-)), 리튬비스(옥살레이트)보레이트(Lithium bis(oxalate)borate), 리튬디플루오로비스(옥살라토)포스페이트(Lithium difluorobis (oxalato) phosphate) 및 리튬테트라플루오트(Lithium tetrafluoro(oxalato)phosphate, LiOTFP)로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다.
일부 실시양태에 있어서, 유기 용매는 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 메틸에틸카보네이트로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 전해액은 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 첨가제는 음극 성막(成膜) 첨가제, 양극 성막(成膜) 첨가제를 포함할 수 있으며, 예를 들어 배터리의 과충전 성능을 개선할 수 있는 첨가제, 배터리의 고온 또는 저온 성능을 개선할 수 있는 첨가제 등과 같이 배터리의 일부 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 포함할 수도 있다.
[분리막]
일부 실시양태에 있어서, 리튬 이온 배터리는 분리막을 더 포함한다. 본 출원은 분리막의 종류에 대해 특별히 한정하지 않으며, 임의의 이미 알려진 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 우수한 다공질 구조 분리막을 선택하여 사용할 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 분리막의 재질은 유리섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리 불화 비닐 리덴(polyvinylidene fluoride)으로부터 선택될 수 있는 적어도 1종이다. 분리막은 단층 박막 또는 다층 복합 박막일 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 분리막이 다층 복합 박막인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 서로 다를 수 있고, 특별히 한정되지 않는다.
일부 실시양태에 있어서, 양극판, 음극판 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 거쳐 전극 어셈블리로 제조될 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 리튬 이온 배터리는 외부 패키지를 포함할 수 있다. 해당 외부 패키지는 상기 전극 어셈블리 및 전해질을 패키징하는데 사용될 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 리튬 이온 배터리의 외부 패키지는 예를 들어 하드 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스 등과 같은 하드 케이스일 수 있다. 리튬 이온 배터리의 외부 패키지는 예를 들어 자루형 소프트 팩과 같은 소프트 팩일 수도 있다. 소프트 팩의 재질은 플라스틱일 수 있고, 플라스틱으로서는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PolyButyleneTerephthalate, PBT) 및 폴리부틸렌석시네이트(Poly(butylene succinate)) 등을 예로 들 수 있다.
본 출원은 리튬 이온 배터리의 형태에 대해 특별히 한정하지 않으며 원통형, 사각형 또는 임의의 다른 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 4는 일 예로서 사각형 구조의 리튬 이온 배터리(5)를 도시한다.
일부 실시양태에 있어서, 도 5를 참조하면, 외부 패키지는 하우징(51) 및 커버 플레이트(53)를 포함할 수 있다. 여기서, 하우징(51)은 보텀 플레이트 및 보텀 플레이트에 연결된 사이드 플레이트를 포함할 수 있고, 보텀 플레이트 및 사이드 플레이트는 둘러싸여 수용 챔버를 형성한다. 하우징(51)은 수용 챔버와 연통되는 개구를 구비하며, 커버 플레이트(53)는 상기 개구를 폐쇄하도록 설치되어 상기 수용 챔버를 덮는다. 양극판, 음극판 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 거쳐 전극 어셈블리(52)를 형성할 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 챔버 내에 패키징된다. 전해액은 전극 어셈블리(52)에 침투된다. 리튬 이온 배터리(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 개수는 한 개 또는 복수 개일 수 있으며, 당업자는 구체적으로 실제 요구에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시양태에 있어서, 리튬 이온 배터리는 배터리 모듈로서 조립될 수 있으며, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지의 개수는 한 개 또는 복수 개일수 있으며, 구체적인 개수는 당업자가 배터리 모듈의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 6은 일 예로서 배터리 모듈(4)을 도시한다. 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(4)에서, 복수 개의 리튬 이온 배터리(5)는 배터리 모듈(4)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열되어 설치될 수 있다. 물론 다른 임의의 방식으로 배열될 수도 있다. 또한, 고정 부재에 의해 이들 복수 개의 리튬 이온 배터리(5)를 고정할 수 있다.
선택적으로, 배터리 모듈(4)은 수용 공간을 갖는 하우징을 더 포함할 수 있고, 복수 개의 리튬 이온 배터리(5)가 해당 수용 공간에 수용된다.
일부 실시양태에 있어서, 상기 배터리 모듈은 배터리팩으로서 조립될 수 있으며, 배터리팩에 포함된 배터리 모듈의 개수는 한 개 또는 복수 개일 수 있으며, 구체적인 개수는 당업자가 배터리팩의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 7 및 도 8은 일 예로서 배터리팩(1)을 도시한다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 배터리팩(1)은 배터리 박스 및 배터리 박스에 설치되는 복수 개의 배터리 모듈(4)을 포함할 수 있다. 배터리 박스는 상부 박스(2) 및 하부 박스(3)를 포함하며, 상부 박스(2)는 하부 박스(3)를 덮도록 제공되어, 배터리 모듈(4)을 수용하기 위한 폐쇄 공간을 형성한다. 복수 개의 배터리 모듈(4)은 임의의 방식에 따라 배터리 박스 내에 배열될 수 있다.
또한, 본 출원은 상기 전기 장치는 본 출원에서 제공하는 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 또는 배터리팩 중 적어도 1종을 포함하는 전기 장치를 제공한다. 상기 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 또는 배터리팩은 상기 전기 장치의 전원으로서 사용될 수도 있고 상기 전기 장치의 에너지 저장 유닛으로서 사용될 수도 있다. 상기 전기 장치는 모바일 기기(예를 들어 휴대전화, 노트북 등), 전기 자동차(예를 들어 완전 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전동 자전거, 전동 스쿠터, 전동 골프카트, 전동 트럭 등), 전동 열차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 전기 장치로서, 사용 요구에 따라 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈 또는 배터리팩을 선택할 수 있다.
도 9는 일 예로서 전기 장치를 도시한다. 해당 전기 장치는완전 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 리튬 이온 배터리의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 해당 전기 장치의 요구를 충족시키기 위해, 배터리팩 또는 배터리 모듈을 사용할 수 있다.
다른 일 예로서, 이 장치는 휴대전화, 태블릿, 노트북 등일 수 있다. 일반적으로 해당 장치는 얇고 가벼워야 하므로, 리튬 이온 배터리를 전원으로서 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 출원의 실시예를 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 예시적인 것이며, 본 출원을 해석하기 위한 것일 뿐, 본 출원을 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다. 실시예에 특정 기술이나 조건이 달리 명시되지 않는 한, 본 분야의 문헌에 기재된 기술이나 조건, 또는 제품 사양에 따라 수행된다. 사용된 시약이나 기기에 제조사가 명시되지 않은 경우, 모두 시중에서 구입 가능한 일반 제품을 사용할 수 있다.
가. 리튬 이온 배터리의 제조
실시예 1
1. 음극판의 제조
(1) 음극 활성 재료인 인조흑연, 계면 활성제 리튬염LiTFSI, 도전제, 접착제인 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF)을 소정의 질량비에 따라 용매인 N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone, NMP)에 용해시키고, 500~700r/min로 3~4시간 동안 교반하여 균일하게 혼합된 음극 슬러리를 획득한다. 블레이드에 의해 음극 슬러리를 집전체용 동박의 앞면, 뒷면에 균일하게 코팅한 후, 85℃에서 12시간 동안 건조시킨다.
(2) 계면 활성제 리튬염 LiTFSI을 이용하여 소정 농도의 수용액을 조제하고, 음극판 표면에 코팅하여 음극 기능층을 제조한 후, 85℃에서 12시간 동안 건조시켜 음극판을 획득한다.
(3) 마지막으로, 냉압착한 후의 음극판을 트리밍, 시트 커팅, 스트리핑 등 공정을 거친 후, 110℃ 진공 조건 하에서 4시간 동안 건조시키며, 탭을 용접하여 리튬 이온 배터리의 음극판을 제조한다.
2. 양극판의 제조
(1) 양극 활성 재료인 인산철리튬(LiFePO4), 계면 활성제 리튬염 LiTFSI, 도전제인 Super-P, 접착제인 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 96:2:2의 질량비에 따라 용매인 N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone, NMP) 중에 용해시키고, 균일하게 혼합하여 양극 슬러리를 제조한다. 양극 슬러리를 집전체 알루미늄박의 앞면, 뒷면에 균일하게 코팅한 후, 85℃에서 건조시킨다.
(2) 계면 활성제 리튬염 LiTFSI을 NMP에 용해시켜 특정 농도의 유기 용매를 제조하고, 양극판 표면에 코팅하여 양극 기능층을 제조한 후, 85℃에서 12시간 동안 건조시켜 양극판을 획득한다.
(3) 마지막으로, 냉압착한 후의 양극판을 트리밍, 커팅, 스트리핑 등 공정을 거친 후, 85℃ 진공 조건 하에서 4시간 동안 건조시키며, 탭을 용접하여 리튬 이온 배터리의 양극판을 제조한다.
3. 전해액의 제조
물 물질량<10ppm인 아르곤 분위기의 글러브 박스에 EC, PC, DMC를 EC:PC:DMC=3:3:3의 중량비로 혼합하여 혼합 유기 용매를 얻은 후, 충분히 건조된 리튬염 LiPF6(LiPF6의 농도는 1mol/L임)을 상기 혼합 유기 용매에 용해시키고 균일하게 교반하여 전해액을 얻는다.
4. 리튬 이온 배터리의 제조
전술한 공정에 따라 제조된 리튬 이온 배터리의 양극판, 음극판 및 분리막(세라믹 코팅층이 함유된 PE막)을 권취 공정을 거쳐 소프트 팩 코어를 제조한 후, 액체 주입, 고온에 방치, 화성(化成) 처리 등 공정을 수행한 후 용량을 측정한다.
실시예 2~9 및 비교예 1~2
실시예 1의 리튬 이온 배터리와 비교할 경우, 실시예 2~9 및 비교예 1~2의 리튬 이온 배터리는 극판의 조성 및 제품의 파라미터를 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 제조하였다.
실시예 11~14
실시예 1의 리튬 이온 배터리와 비교할 경우, 실시예 11~14의 리튬 이온 배터리의 구별점은, 실시예 11~14는 극판의 활물질층에 대해 적층 코팅 방식을 사용하는 것이다(구체적으로는, 양극 및 음극의 제1 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량은 0.2g/1540.25mm2이고 양극 및 음극의 제2 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량은 0.15/1540.25mm2이며, 극판의 크기는 42*49.5mm2임). 실시예 11~14에서, 계면 활성제 리튬염 LiTFSI도 각 활물질 서브층에 각각 도핑되었다.
나. 리튬 이온 배터리의 성능 측정
1. 용량 성능 측정
여기서의 용량 측정 방법은 정전류 및 정전압 측정 방법이며, 전류값과 전압 구간을 설정하여 측정하며, 인산철 리튬 배터리를 예로 들면:
제1단계: 0.33C로 3.65V가 될 때까지 충전한다.
제2단계: 3.65V의 정전압으로 충전하고, 0.05C가 되면 충전을 중지한다.
제3단계: 5분 동안 방치한다.
제4단계: 0.33C로 2.5V가 될 때까지 방전하고, 방전 정지 후, 용량 성능 데이터를 얻는다.
2. 배율 성능 측정
제1단계: 0.5C로 3.65V가 될 때까지 충전한다.
제2단계: 3.65V의 정전압으로 충전하고, 0.05C가 되면 충전을 중지한다.
제3단계: 5분 동안 방치한다.
제4단계: 0.5C로 2.5V가 될 때까지 방전한다.
제5단계: 제1단계 내지 제4단계를 5회 반복한다.
제6단계: 0.7C로 3.65V가 될 때까지 충전한다.
제7단계: 3.65V의 정전압으로 충전하고, 0.05C가 되면 충전을 중지한다.
제8단계: 5분 동안 방치한다.
제9단계: 0.7C로 2.5V까지 방전한다.
제10단계: 제6단계 내지 제9단계를 5회 반복한다.
상기 측정 순서에 따라, 측정 전류를 순차적으로 증가시키고, 1C, 1.2C, 1.5C, 2C로 배터리를 각각 측정하고, 각 전류 밀도로 5 사이클의 충방전을 수행하여 배율 성능 데이터를 획득한다.
실시예 1~14 및 비교예 1~2의 리튬 이온 배터리의 파라미터 및 성능 측정 데이터는 하기 표 1 및 표 2와 같다.
표 1 및 표 2에서, 제1 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M1로 하고, 제2 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M2로 하며, 기능층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M3으로 하였다. 극판의 활물질층과 기능층에 있어서, 계면 활성제 리튬염의 물질량의 합계를 Mp로 하고, 전해액에서의 리튬염의 물질량을 Ms로 하며, 전해액의 총 부피를 Vs로 하였다.
실시예 1~9와 비교예 1의 리튬 이온 배터리의 성능 데이터를 비교하면, 실시예 1~9는 극판 표면의 활물질층과 기능층에 계면 활성제 리튬염을 첨가하였고, 계면 활성제 리튬염과 전해액의 친화성을 이용하여, 전해액의 표면 장력을 효과적으로 감소시키고, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 향상시킴으로써, 극판 표면에 계면 활성제 리튬염을 첨가하지 않은 비교예 1에 비해, 리튬 이온 배터리의 방전 용량과 배율 성능이 현저하게 우수하였다.
실시예 1~5와 비교예 2의 리튬 이온 배터리의 성능 데이터를 비교하면, 극판의 활물질층과 기능층에 있어서, 계면 활성제 리튬염의 물질량의 합계를 Mp로 하고, 전해액에서의 리튬염의 물질량을 Ms로 하며, 전해액의 총 부피를 Vs로 했을 때, (Mp+Ms)/Vs가 1~2mol/L인 경우, 극판에 있어서, 계면 활성제 리튬염의 도핑 농도가 적절한 범위 내에 있어 극판에 대한 전해액의 침윤성에 도움이 될 뿐만 아니라, 이온 전도도에 대한 손상이 없고, 전지 분극의 증대가 없으며, 리튬 이온 배터리의 전반적인 전기화학적 성능을 보장한다.
실시예 6~9에서, 전해액에서의 전해질 리튬염의 물질량(Ms)은 0이다. 전해액에 전해질 리튬염이 포함되어 있지 않는 경우, 직접 전해액 용매를 전해액으로서 사용하여 배터리에 주입하며, 전해액 용매가 극판에 침윤한 후, 극판에서의 계면 활성제 리튬염이 전해액에 용해되면서 이온 전도 역할을 할 수 있게 된다. 순수 용매를 전해액으로 사용하여 배터리에 주입하면, 순수 용매의 점도가 낮으므로 극판에 대한 침윤성이 보다 우수하고, 극판에 혼입된 계면 활성제 리튬염이 용해된 후, 전극에 기공을 진일보 형성시켜 다공질 전극을 제조할 수 있으며, 극판에 대한 전해액의 침윤성을 더 잘 촉진시키며, 따라서 실시예 6~9의 리튬 이온 배터리 역시 우수한 용량 성능 및 배율 성능을 가지게 된다.
실시예 10~14에서, 리튬 이온 배터리의 활물질층은 단위면적당 코팅 질량이 상이한 두 개의 활물질 서브층을 포함하며, 계면 활성제 리튬염도 합리적인 비율로 각 활물질 서브층과 표면 기능층에 도핑되어, 기공 형성 효과를 더 잘 발휘할 수 있으며, 리튬 이온 배터리는 용량 성능 및 배율 성능이 우수하다.
설명해야 할 것은, 본 출원은 전술한 실시양태에 한정되지 않는다는 것이다. 전술한 실시양태는 단지 예시일 뿐이며, 본 출원의 기술방안의 범위 내에서 기술사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용 효과를 발휘하는 실시양태는 모두 본 출원의 기술 범위에 포함된다. 또한, 본 출원의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 실시양태에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 생각해낼 수 있는 각종 변형, 실시양태의 일부 구성요소를 조합하여 이루어진 다른 양태도 또한 본 출원의 범위에 포함된다.
1-배터리팩; 2-상부 박스; 3-하부 박스; 4-배터리 모듈; 5-리튬 이온 배터리; 51-하우징; 52-전극 어셈블리; 53-커버 플레이트.

Claims (16)

  1. 극판에 있어서,
    상기 극판은,
    집전체 및 상기 집전체의 적어도 일 표면에 구비된 활물질층을 포함하고,
    상기 활물질층은 계면 활성제 리튬염을 포함하는 것을 특징으로 하는 극판.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 활물질층에서 상기 집전체와 멀리하는 표면에 기능층을 구비하며,
    상기 기능층에도 상기 계면 활성제 리튬염이 포함되는 것을 특징으로 하는 극판.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 계면 활성제 리튬염은 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 질산리튬, 과염소산리튬 및 염화리튬으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 극판.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 활물질층에서의 상기 계면 활성제 리튬염의 물질량은 0.00175~0.00875mol인 것을 특징으로 하는 극판.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활물질층은, 상기 집전체로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층 배치되는, 단위면적당 코팅 질량이 커지는 순서로 변화되는 복수 개의 활물질 서브층을 구비하며, 상기 복수 개의 활물질 서브층에 포함되는 계면 활성제 리튬염의 물질량도 커지는 순서로 변화되는 것을 특징으로 하는 극판.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 활물질층은 상기 집전체로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층 배치되는 제1 활물질 서브층과 제2 활물질 서브층을 구비하며,
    상기 제1 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량을 CW1로 하면, 0.150g/1540.25mm2≤CW1≤0.200g/1540.25mm2이며, 상기 제2 활물질 서브층의 단위면적당 코팅 질량을 CW2로 하면, Cw2≥0.200g/1540.25mm2이며,
    상기 제1 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M1로 하고, 상기 제2 활물질 서브층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M2로 하며, 상기 기능층에서의 계면 활성제 리튬염의 물질량을 M3으로 했을 때,
    M1/(M1+M2+M3)은 10%~30%이고, 선택적으로 M1/(M1+M2+M3)은 20%이며;
    M2/(M1+M2+M3)은 20%~40%이고, 선택적으로 M2/(M1+M2+M3)은 30%이며;
    M3/(M1+M2+M3)은 30%~70%이고, 선택적으로 M3/(M1+M2+M3)은 50%인 것을 특징으로 하는 극판.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극판은 양극판 또는 음극판인 것을 특징으로 하는 극판.
  8. 리튬 이온 배터리에 있어서,
    양극판, 음극판, 양극판과 음극판 사이에 배치된 분리막 및 전해액을 포함하고,
    상기 양극판 및/또는 상기 음극판은 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 따른 극판인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 전해액은 에스테르계 전해액, 에테르계 전해액 또는 수계 전해액으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 전해액은 순수 용매 전해액인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  11. 제8 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해액 중의 용매는 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트 및 메틸에틸카보네이트로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  12. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극판의 활물질층과 기능층에 있어서, 상기 계면 활성제 리튬염의 물질량의 합계를 Mp로 하고, 상기 전해액에서의 리튬염의 물질량을 Ms로 하며, 상기 전해액의 총 체적을 Vs로 했을 때, 상기 리튬 이온 배터리는 (Mp+Ms)/Vs가 1~2mol/L임을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  13. 제12 항에 있어서,
    (Mp+Ms)/Vs는 1mol/L인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  14. 제8 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 배터리를 포함하는 배터리 모듈.
  15. 제8 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 배터리 또는 제14 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리팩.
  16. 제8 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 배터리, 제14 항에 따른 배터리 모듈 및 제15 항에 따른 배터리팩으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 전기 장치.
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