KR20240050793A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents
전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240050793A KR20240050793A KR1020220130634A KR20220130634A KR20240050793A KR 20240050793 A KR20240050793 A KR 20240050793A KR 1020220130634 A KR1020220130634 A KR 1020220130634A KR 20220130634 A KR20220130634 A KR 20220130634A KR 20240050793 A KR20240050793 A KR 20240050793A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- active material
- positive electrode
- material layer
- electrode active
- length
- Prior art date
Links
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 claims abstract description 83
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 5
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 abstract description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 12
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 5
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 4
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 3
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- -1 polyamidoimide Polymers 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 description 2
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 206010000369 Accident Diseases 0.000 description 1
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020366 ClO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005793 GeO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002153 Hydroxypropyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229910018127 Li 2 S-GeS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007969 Li-Co-Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009130 Li2S—GeS2—ZnS Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009142 Li2S—Li3PO4—P2S5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009181 Li2S—LiI—P2S5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013733 LiCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015645 LiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015676 LiMn 2-z Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014689 LiMnO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013290 LiNiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006555 Li—Co—Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 241000220317 Rosa Species 0.000 description 1
- 229910020346 SiS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N [Li].[S] Chemical compound [Li].[S] JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FDLZQPXZHIFURF-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Ti+4].[Li+] Chemical compound [O-2].[Ti+4].[Li+] FDLZQPXZHIFURF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 150000004696 coordination complex Chemical class 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N germanium monoxide Inorganic materials [Ge]=O PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000001863 hydroxypropyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010977 hydroxypropyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 150000002641 lithium Chemical class 0.000 description 1
- 229910021437 lithium-transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 235000019422 polyvinyl alcohol Nutrition 0.000 description 1
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004627 regenerated cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 229920005608 sulfonated EPDM Polymers 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
-
- 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
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0562—Solid materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- 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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
일부 또는 전체 적층 구조가 피라미드 형상을 이루어, 전지 구동 중 측면부에서 발생하는 쇼트 현상이 완화되는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지가 개시된다. 상기 전극 조립체는, 음극 집전체의 양측에 음극 활물질층이 구비된 음극층; 및 양극 집전체를 사이에 두고 양측 각각에 제1 양극 활물질층과 제2 양극 활물질층이 구비된 양극층;이 번갈아 적층되고 이들의 사이 각각에 고체 전해질층;이 개재된 전극 조립체에 있어서, 상기 양극층에서 양극 집전체 중심선을 기준으로 양극 집전체 양말단 방향으로 연장된 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 길이가 서로 다르고, 이 중 상대적으로 길이가 짧은 제1 양극 활물질층에 마주하는 음극 활물질층의 길이가, 상대적으로 길이가 긴 제2 양극 활물질층의 길이 대비 동일하거나 더 짧은 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 일부 또는 전체 적층 구조가 피라미드 형상을 이루어, 전지 구동 중 측면부에서 발생하는 쇼트 현상이 완화되는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기 및 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 높은 에너지 밀도와 방전 전압 및 우수한 출력 안정성을 가지는 이차전지에 대해 보다 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지로는 리튬-황 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등의 리튬계 이차전지 등을 예시할 수 있다. 아울러, 상기와 같은 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있으며, 그 중 파우치형 전지셀에 대한 관심 및 수요가 점진적으로 높아지고 있다. 파우치형 전지셀은 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 또한 저렴하고 변형이 용이하다. 따라서, 파우치형 전지셀은 다양한 모바일 기기 및 자동차에 적용 가능한 형태 및 크기로 제작될 수 있다.
이와 같은 파우치형 전지셀은, 일반적으로 양극, 음극 및 양극과 음극의 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 단위셀이 다수 개 적층된 구조를 가지며(즉, 전극 조립체 또는 스택셀(stack cell)), 이 전극 조립체를 전지 케이스에 수용한 후 전해액을 주입하거나, 처음부터 전극 조립체 내에 고체 전해질을 구비시켜 제품화할 수 있다(즉, 전고체 전지).
이 중, 전고체 전지는 안전성 측면에서 다른 종류의 이차전지에 비해 우수하여, 특히 전기 자동차 및 모바일 기기 분야 등에서 각광받고 있다. 즉, 전고체 전지는 통상적인 리튬 이차전지에서 사용되는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 전지를 의미하며, 이에 따라 가연성의 용매를 사용하지 않아 종래 전해액의 분해반응 등에 의한 발화나 폭발이 전혀 발생하지 않기 때문에 안전성을 대폭 개선할 수 있다. 또한, 전고체 전지는 음극 소재로 Li 금속 또는 Li 합금을 사용할 수 있기 때문에, 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점도 가지고 있다.
이러한 전고체 전지는, 제작 과정에서 전극-고체 전해질 간 계면 접합을 위하여 일반적으로 등방가압(warm isostatic pressing, WIP) 공정을 적용하고 있다. 도 1은 통상적인 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이고, 도 2는 통상적인 전고체 전지가 등방가압된 상태에서의 일측 단면을 보여주는 모식도이다. 즉, 통상적인 전고체 전지는, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 음극(10, 여기서 10a는 음극 집전체)의 사이에 음극(10)보다 길이가 짧은 양극(20, 여기서 20a는 양극 집전체)을 개재시키는 형태를 가지고 있다(이때, 전극 간 위치 관계를 보다 명확히 나타내기 위한 목적으로, 양극과 음극의 사이에 각각 위치하는 고체 전해질층은 도시하지 않음). 하지만, 전극-고체 전해질 간 계면 접합을 위해 등방가압(WIP)을 하면(30: 등방가압 시 사용되는 금속 플레이트), 도 2에 도시된 형태와 같이, 상부에 위치하는 음극(10)의 말단부(또는, 측면부)가 밴딩(bending)되며, 이 과정에서 고체 전해질층과 음극층에 크랙(crack)이 발생하기 쉽고, 구동 중 이 부분에 적절한 압력을 인가하지 못하기 때문에, 리튬 덴드라이트(dendrite) 성장이 일어나기 쉬운 조건이 되어 쇼트(short) 현상이 발생한다.
즉, 다시 말해, 기존의 전고체 전지는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 형태를 취하기 때문에, 구동 중 상부 음극의 말단과 이에 마주한 양극의 말단 측면부 사이에 쇼트 현상이 발생한다. 따라서, 등방가압이 이루어진 후에 음극의 밴딩을 완화시킬 수 있는 전극 형태를 가져, 전지 구동 중에 양극과 음극 간 쇼트 현상을 완화 및 억제할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 일부 또는 전체 적층 구조가 피라미드 형상을 이루어, 전지 구동 중 측면부에서 발생하는 쇼트 현상이 완화되는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 음극 집전체의 양측에 음극 활물질층이 구비된 음극층; 및 양극 집전체를 사이에 두고 양측 각각에 제1 양극 활물질층과 제2 양극 활물질층이 구비된 양극층;이 번갈아 적층되고 이들의 사이 각각에 고체 전해질층;이 개재된 전극 조립체에 있어서, 상기 양극층에서 양극 집전체 중심선을 기준으로 양극 집전체 양말단 방향으로 연장된 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 길이가 서로 다르고, 이 중 상대적으로 길이가 짧은 제1 양극 활물질층에 마주하는 음극 활물질층의 길이가, 상대적으로 길이가 긴 제2 양극 활물질층의 길이 대비 동일하거나 더 짧은 것을 특징으로 하는 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수납 케이스;를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 의하면, 일부 또는 전체 적층 구조가 피라미드 형상을 이루어, 전지 구동 중 측면부에서 발생하는 쇼트 현상이 완화되는 장점을 가진다.
도 1은 통상적인 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이다.
도 2는 통상적인 전고체 전지가 등방가압된 상태에서의 일측 단면을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지가 등방가압된 상태에서의 일측 단면을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이차전지의 수명특성 및 용량을 비교 대조한 그래프이다.
도 2는 통상적인 전고체 전지가 등방가압된 상태에서의 일측 단면을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지가 등방가압된 상태에서의 일측 단면을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이차전지의 수명특성 및 용량을 비교 대조한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지가 등방가압된 상태에서의 일측 단면을 보여주는 모식도이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는, 도 3에 도시된 바와 같이, 음극 집전체(100a)의 양측에 음극 활물질층(100b)이 구비된 음극층(100); 및 양극 집전체(200a)를 사이에 두고 양측 각각에 제1 양극 활물질층(200b)과 제2 양극 활물질층(200c)이 구비된 양극층(200);이 번갈아 적층되고 이들의 사이 각각에 고체 전해질층(전극 간 위치 관계를 보다 명확히 나타내기 위한 목적으로, 음극층(100)과 양극층(200)의 사이에 각각 위치하는 고체 전해질층은 도시하지 않음);이 개재된 전극 조립체에 있어서, 상기 양극층(200)에서 양극 집전체(200a) 중심선을 기준으로 양극 집전체(200a) 양말단 방향으로 연장된 상기 제1 양극 활물질층(200b) 및 제2 양극 활물질층(200c)의 길이가 서로 다르고, 이 중 상대적으로 길이가 짧은 제1 양극 활물질층(200b)에 마주하는 음극 활물질층의 길이가, 상대적으로 길이가 긴 제2 양극 활물질층(200c)의 길이 대비 동일하거나 더 짧은 것을 특징으로 한다.
전고체 전지는 안전성 측면에서 다른 종류의 이차전지에 비해 우수하여, 특히 전기 자동차 및 모바일 기기 분야 등에서 각광받고 있다. 즉, 전고체 전지는 통상적인 리튬 이차전지에서 사용되는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 전지를 의미하며, 이에 따라 가연성의 용매를 사용하지 않아 종래 전해액의 분해반응 등에 의한 발화나 폭발이 전혀 발생하지 않기 때문에 안전성을 대폭 개선할 수 있다. 또한, 전고체 전지는 음극 소재로 Li 금속 또는 Li 합금을 사용할 수 있기 때문에, 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점도 가지고 있다.
이러한 전고체 전지는, 제작 과정에서 전극-고체 전해질 간 계면 접합을 위하여 일반적으로 등방가압(warm isostatic pressing, WIP) 공정을 적용하고 있다. 즉, 통상적인 전고체 전지는, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 음극(10, 여기서 10a는 음극 집전체)의 사이에 음극(10)보다 길이가 짧은 양극(20, 여기서 20a는 양극 집전체)을 개재시키는 형태를 가지고 있다(이때, 전극 간 위치 관계를 보다 명확히 나타내기 위한 목적으로, 양극과 음극의 사이에 각각 위치하는 고체 전해질층은 도시하지 않음). 이는, 전극 슬라이딩(Sliding) 현상에 의한 양극 및 음극의 접촉 면적 간 차이에 의해 해당 슬라이딩 부분에 리튬(Li)이 석출되는 문제를 방지하기 위한 것으로서, 이 리튬 석출 문제는 전지의 수명 저하를 유발하며, 더 나아가서는 폭발 및 화재 사고까지 야기할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 전극-고체 전해질 간 계면 접합을 위해 등방가압(WIP)을 하면(30: 등방가압 시 사용되는 금속 플레이트), 도 2에 도시된 형태와 같이, 상부에 위치하는 음극(10)의 말단부(또는, 측면부)가 밴딩(bending)되며, 이 과정에서 고체 전해질층과 음극층에 크랙(crack)이 발생하기 쉽고, 구동 중 이 부분에 적절한 압력을 인가하지 못하기 때문에, 리튬 덴드라이트(dendrite) 성장이 일어나기 쉬운 조건이 되어 쇼트(short) 현상이 발생한다. 즉, 다시 말해, 기존의 전고체 전지는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 형태를 취하기 때문에, 구동 중 상부 음극의 말단과 이에 마주한 양극의 말단 측면부 사이에 쇼트 현상이 발생한다.
하지만 본 출원인은, 양극 집전체(200a)를 사이에 두고 양측에 각각 위치하는 양극 활물질층(200b, 200c)의 길이를 서로 다르게 구성하고, 또한, 이 중 상대적으로 길이가 짧은 양극 활물질층(200b)에 마주하는 음극층(도 3 기준 상부 음극층(100))의 길이가, 상대적으로 길이가 긴 양극 활물질층(200c)의 길이 대비 동일하거나 짧게 구성하였다. 그리고, 본 발명은 이와 같은 전극 형태를 가짐으로써, 등방가압이 이루어진 후에 음극의 밴딩을 완화시켜(즉, 리튬 덴드라이트 성장이 일어나기 어려운 조건을 조성하여), 전지 구동 중에 발생하는 양극과 음극 간 쇼트 현상을 억제할 수 있는 장점을 가진다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 전극 조립체에 포함되는 모든 양극층(200)은 각각, 양극 집전체(200a)를 사이에 두고 양측 각각에 제1 양극 활물질층(200b)과 제2 양극 활물질층(200c)이 구비되어 있다. 그리고, 상기 양극 집전체(200a)를 사이에 두고 양측에 각각 위치하는 양극 활물질층(200b, 200c)의 길이는 서로 달라야 한다. 예를 들어, 도 3을 기준으로 할 때, 하나의 양극층(200)에서 상대적으로 길이가 짧은 양극 활물질층은 제1 양극 활물질층(200b)에 해당되고, 상대적으로 길이가 긴 양극 활물질층은 제2 양극 활물질층(200c)에 해당된다. 따라서, 상기 음극 활물질층은 등방가압된 이후에 밴딩되는 정도가 완화된다. 또한, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 상대적으로 길이가 짧은 양극 활물질층에 마주하는 음극 활물질층의 길이가 상대적으로 길이가 긴 양극 활물질층의 길이 대비 동일하거나 더 짧기 때문에, 상기 제1 양극 활물질층(200b)에 마주하는 음극 활물질층은, 등방가압된 이후에 상기 제1 양극 활물질층(200b)보다 긴 제2 양극 활물질층(200c)과도 접촉하지 않는다.
이때, 상기 제2 양극 활물질층(200c)과 제1 양극 활물질층(200b)의 길이 비는 1 : 0.3 내지 0.9, 바람직하게는 1 : 0.3 내지 0.7, 더욱 바람직하게는 1 : 0.5 내지 0.6일 수 있다. 만약, 상기 제2 양극 활물질층(200c)과 제1 양극 활물질층(200b)의 길이 비가 상기 범위를 벗어나면, 제1 양극 활물질층(200b)이 제 기능을 하지 못하거나, 제1 양극 활물질층(200b)과 이에 마주하는 음극층 간의 길이 차이가 과도하게 작아 전극 슬라이딩 부분에 리튬(Li)이 석출되는 문제가 발생할 수 있다.
이와 같은 양극층(200)의 구성은, 이에 마주하는 음극층(100)의 길이를 쇼트가 발생하지 않거나 최소화할 수 있는 수준으로 조정하기 위한 것이다. 즉, 하나의 양극층(200)에서 상대적으로 길이가 짧은 양극 활물질층(즉, 제1 양극 활물질층, 200b)에 마주하는 음극 활물질층의 길이는, 상대적으로 길이가 긴 양극 활물질층(즉, 제2 양극 활물질층, 200c)의 길이 대비 동일하거나 더 짧아야 한다. 만약, 상기 제1 양극 활물질층(200b)과 마주하는 음극 활물질층의 길이가 상기 제2 양극 활물질층(200c)의 길이보다 길면, 음극 활물질층이 제2 양극 활물질층(200c)의 측면부로 밴딩되어 구동 중 쇼트 발생 가능성이 높아진다.
아울러, 본 발명에서는 제1 양극 활물질층(200b)과 마주하는 음극 활물질층의 길이가 제2 양극 활물질층(200c)의 길이 대비 동일하거나 더 짧은 것으로 한정하였지만, 이는 상술한 바와 같이 양극과 음극 간 쇼트 현상을 최대한 방지하기 위한 것이다. 따라서, 쇼트 현상을 유발하지 않는 수준에서, 제1 양극 활물질층(200b)과 마주하는 음극 활물질층의 길이가 상기 제2 양극 활물질층(200c)의 길이보다 더 길게 구성한 경우 또한, 본 발명의 범주 내에 있다 할 것이다.
한편, 상술한 대로 상기 제1 양극 활물질층(200b)과 마주하는 음극 활물질층의 길이가 제2 양극 활물질층(200c)의 길이보다 짧을 수도 있지만, 상기 제1 양극 활물질층(200b)의 길이에 비하여서는 동일하거나 더 길어야 한다. 다만, 상기 제1 양극 활물질층(200b)과 마주하는 음극 활물질층의 길이가 상기 제1 양극 활물질층(200b)의 길이 대비 더 긴 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, 앞서 설명한 대로 전극 슬라이딩 부분에 리튬(Li)이 석출되는 문제가 발생할 우려가 있기 때문이다.
그리고, 상기 제2 양극 활물질층(200c)과 마주하는 음극 활물질층의 길이는 상기 제2 양극 활물질층(200c)의 길이 대비 동일하거나 더 길어야 한다. 다만, 상기 제2 양극 활물질층(200c)과 마주하는 음극 활물질층의 길이가 상기 제2 양극 활물질층(200c)의 길이 대비 더 긴 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, 앞서 설명한 바와 마찬가지로 전극 슬라이딩 부분에 리튬(Li)이 석출되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 아울러, 상기 제2 양극 활물질층(200c)에 마주하는 음극 활물질층의 길이는, 상기 제1 양극 활물질층(200b)에 마주하는 음극 활물질층의 길이보다 긴 것이 바람직하다. 또한, 상기 음극 집전체의 양측에 구비된 음극 활물질층은 길이가 서로 다를 수도 있지만 동일한 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 양극 활물질층(200b)에 마주하는 음극 활물질층이 등방가압된 이후에도 상기 제2 양극 활물질층(200c)과 접촉하지 않도록, 상기 양극 집전체(200a)의 길이는 상기 제1 양극 활물질층(200b)의 길이보다 더 길고, 상기 제2 양극 활물질층(200c)의 길이 대비 동일하거나 더 길어야 한다.
전극 조립체가 이상과 같은 전극 형태를 가지면, 전극-고체 전해질 간 계면 접합을 위해 등방가압(WIP)을 하더라도, 도 4에 도시된 형태와 같이 상부 음극의 말단부(또는, 측면부)와 하부 음극의 말단부가 상당 거리 이격되는 등, 양극과 음극이 접촉하지 않기 때문에, 전지 구동 중 양극과 음극 간 쇼트(short) 현상이 발생할 가능성을 제거 또는 최소화할 수 있다(도 4의 300: 등방가압 시 사용되는 금속 플레이트). 이는, 전극-고체 전해질 간 계면 접합을 위한 등방가압 시 음극 말단부가 밴딩(bending)되어 전지 구동 중에 양극과 음극 간 쇼트 현상이 필연적으로 발생하는 기존의 경우(도 2에 해당)와 대비되는 본 발명 고유의 특징이다.
한편, 이상에서는 도 3 및 4에 도시된 바와 같은 피라미드 형상의 전극 조립체(즉, 전체 적층 구조가 피라미드 형상을 이루는 전극 조립체)를 기준으로 하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다(즉, 전극 조립체의 일부 또는 전체 적층 구조가 피라미드 형상을 이룬다). 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전고체 전지의 전극 적층 형태를 보여주는 측단면 모식도이다. 즉, 본 발명은, 도 5에 도시된 바와 같이, (적층 방향)중심부에 위치한 음극층(100)의 상부에 구비되는 구성이, 상기 중심부에 위치한 음극층(100)의 하부에도 동일하게 구비되어, 상기 중심부에 위치한 음극층(100)을 기준으로 상하 대칭을 이루는 전극 조립체도 일 실시 형태로 제공한다(도 5의 음극층 100에서 중심부는 음극 집전체이고, 이를 사이에 두고 양측에 구비된 빗금 부분은 각각 음극 활물질층에 해당됨).
즉, 다시 말해, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부 및 하부로 가면서 적층된 음극층의 길이는 점차 짧아지고, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부 및 하부로 가면서 적층된 양극층의 길이도 점차 짧아진다. 그리고, 상기 전극 조립체가 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부와 하부 각각에 양극층과 음극층이 번갈아 적층된 구조를 가져, 상하 대칭을 이룬다. 그리고, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층의 길이가 나머지 음극층의 길이 및 양극층의 길이보다 길어, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부 및 하부가 각각 피라미드 형상을 이룬다. 아울러, 도 5에 도시된 전극 조립체와 같이 상부와 하부가 대칭을 이루는 경우는, 하부의 전극 조립체도 상부의 전극 조립체와 같은 형상으로 위치시켜 먼저 등방가압을 한 후에 다시 뒤집어 순차 적층시키는 것이 바람직할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 전극 구성을 통해 쇼트 현상을 방지 또는 최소화할 수만 있다면, 전극 조립체는 특별한 제한 없이 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 도 5를 기준으로 단위셀(1개의 음극층(100) + 1개의 양극층(200))을 상부와 하부 각각에서 제거한 전극 조립체도 일 실시 형태로 제공한다. 또한, 본 발명은 도 5를 기준으로 단위셀(1개의 음극층(100) + 1개의 양극층(200))을 상부와 하부 중 어느 한 곳에서만 제거한 전극 조립체도 일 실시 형태로 제공한다. 또한, 본 발명은 도 5를 기준으로 별도의 단위셀(1개의 음극층 + 1개의 양극층)을 상부와 하부 각각에 더 포함한 전극 조립체도 일 실시 형태로 제공한다. 또한, 본 발명은 도 5를 기준으로 단위셀(1개의 음극층 + 1개의 양극층)을 상부와 하부 중 어느 한 곳에만 더 포함한 전극 조립체도 일 실시 형태로 제공한다. 그리고, 이상의 다른 실시 형태에서 또한, 앞서 도 3 및 4를 참조하며 설명한 내용들이 동일하게 적용됨은 당연하다 할 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 이차전지에 대하여 설명한다. 상기 이차전지는 이상에서 설명한 본 발명의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수납 케이스를 포함한다. 그리고, 상기 이차전지는 용도에 특별한 제한을 두지 않는다. 상기 이차전지는 전극 조립체를 파우치 등의 수납 케이스 내부에 수용할 수 있는 모든 전지일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지에서 양극은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 과립 형태로 포함할 수 있다. 이 중, 양극 활물질로는 리튬 이온 이차전지의 양극 활물질로 사용 가능한 것이면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 양극 활물질은 하나 이상의 전이금속을 포함하는 리튬 전이금속 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, Li2MnO3, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2(O<y<1), LiCo1-yMnyO2, LiNi1-yMnyO2(O<y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4(0<z<2), LiMn2-zCozO4(0<z<2) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 예시할 수 있다.
또한, 상기 바인더는 파우더 상태의 미립자인 양극 활물질 및 도전재와 함께 혼합되어 각 성분들을 결합시켜 입자의 성장을 돕는다. 예를 들어, 황화물계 고체 전해질은 수분과 접촉 시 H2S 가스를 발생시키는 등 수분에 민감한 특성을 가지기 때문에, 과립을 형성할 때부터 최대한 수분을 배제하는 것이 바람직하다. 상기 바인더는 유기계 바인더일 수 있고, 상기 유기계 바인더는 유기 용매, 특히 N-메틸피롤리돈(NMP)에 용해 또는 분산되는 바인더를 의미하고, 물을 용매 또는 분산매체로 하는 수계 바인더와는 구분된다. 예를 들어, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무 및 불소 고무로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이차전지에서 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질, 고분자계 고체 전해질 및 산화물계 고체 전해질 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있고, 황화물계 고체 전해질만을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 황화물계 고체 전해질은 리튬염을 포함한 것일 수 있고, 상기 리튬염은 이온화 가능한 리튬염으로서 Li+X-로 표현될 수 있다. 이러한 리튬염의 음이온으로는 특별히 제한되지 않으나 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.
또한, 상기 황화물계 고체 전해질은 황(S)을 함유하고 주기율표 제1족 또는 제2족에 속하는 금속의 이온 전도성을 갖는 것으로서, Li-P-S계 유리나 Li-P-S계 유리 세라믹을 포함할 수 있다. 이러한 황화물계 고체 전해질의 비제한적인 예로는 Li2S-P2S5, Li2S-LiI-P2S5, Li2S-LiI-Li2O-P2S5, Li2S-LiBr-P2S5, Li2S-LiCl-P2S5, Li2S-Li2O-P2S5, Li2S-Li3PO4-P2S5, Li2S-P2S5-P2O5, Li2S-P2S5-SiS2, Li2S-P2S5-SnS, Li2S-P2S5-Al2S3, Li2S-GeS2 및 Li2S-GeS2-ZnS 등을 들 수 있으며, 상기 황화물계 고체 전해질은 이 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 고체 전해질은 일반적인 리튬 이차전지에서의 분리막과 같은 역할(즉, 음극과 양극을 전기적으로 절연하는 동시에 리튬 이온을 통과시키는 역할)을 병행할 수 있다. 한편, 상기 이차전지는 필요에 따라 액체 전해질까지 포함하여 반(Semi)고체 전지로 활용될 수 있으며, 이 경우에는 별도의 고분자 분리막이 더 필요할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지에서 음극은 리튬 이온 이차전지에 사용 가능한 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 활물질은 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn,Fe,Pb,Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물; 등에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한 것일 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 전력저장용 시스템; 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예 1] 이차전지의 제조
도 3에 도시된 것과 같이, 양극 집전체를 사이에 두고 양측 각각에 양극 활물질층이 구비된 양극층의 상부와 하부 각각에 음극층이 위치하고, 양극층과 음극층의 사이 각각에 고체 전해질층이 위치한 피라미드 형상의 C-타입 바이셀(bicell)을 제조하였다. 이때, 하부 양극 활물질층의 길이가 상부 양극 활물질층의 길이보다 길고, 상부 음극층의 길이는 하부 양극 활물질층의 길이와 동일하고, 하부 음극층의 길이는 하부 양극 활물질층의 길이보다 길게 구성하였다. 이어서, 상기 바이셀을 금속 플레이트상에 배치시킨 후 등방가압(WIP)하였다.
[비교예 1] 이차전지의 제조
도 1에 도시된 것과 같이, 양극 집전체를 사이에 두고 양측 각각에 양극 활물질층이 구비된 양극층의 상부와 하부 각각에 음극층이 위치하고, 양극층과 음극층의 사이 각각에 고체 전해질층이 위치한 통상의 C-타입 바이셀을 제조하였다. 이때, 하부 양극 활물질층의 길이와 상부 양극 활물질층의 길이는 동일하고, 상부 음극층의 길이와 하부 음극층의 길이는 동일하고, 음극층의 길이는 양극 활물질층의 길이보다 길게 구성하였다. 이어서, 상기 바이셀을 금속 플레이트상에 배치시킨 후 등방가압(WIP)하였다.
[실험예 1] 전지 충방전 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차전지를 아래의 조건으로 충방전시키며 전지의 상태를 관찰하였고, 이와 더불어 전지의 수명특성 및 용량을 평가하였다. 이때, 평가 온도는 25 ℃로 하였다.
[충방전 조건]
0.1C 2사이클(cycle), 0.1C/0.33C 1사이클, 0.1C/0.5C 1사이클, 0.1C/1C 1사이클, 0.1C/0.1C 1사이클, 0.1C/0.33C 사이클 반복 (전압범위: 4.25V-3V)
상기와 같이 전지를 충방전시키며 전지의 상태를 관찰한 결과, 상기 실시예 1에서 제조된 전지는 정상 작동함을 확인한 반면, 상기 비교예 1에서 제조된 전지는 충전 중 쇼트(short) 현상이 발생하여 전지가 불완전하게 작동하는 것을 확인할 수 있었다. 도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이차전지의 수명특성 및 용량을 비교 대조한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 비교예 1에서 제조된 전지는 쇼트 현상으로 인하여 충방전 자체가 정상적으로 이루어지 않았고, 반면 실시예 1에서 제조된 전지는 쇼트 현상 없이 구동되었기 때문에 정상적인 충방전이 가능하였다. 따라서, 전극 조립체 내지 전지가 본 발명과 같은 전극 형태를 포함하면, 통상의 전지와 달리 구동 중 쇼트 현상이 나타나지 않고, 이에 따라 전지의 성능 또한 개선됨을 알 수 있다.
10, 100: 음극층 (100a: 음극 집전체, 100b: 음극 활물질층)
20, 200: 양극층 (200a: 양극 집전체, 200b: 제1 양극 활물질층, 200c: 제2 양극 활물질층)
30, 300: 금속 플레이트
20, 200: 양극층 (200a: 양극 집전체, 200b: 제1 양극 활물질층, 200c: 제2 양극 활물질층)
30, 300: 금속 플레이트
Claims (9)
- 음극 집전체의 양측에 음극 활물질층이 구비된 음극층; 및 양극 집전체를 사이에 두고 양측 각각에 제1 양극 활물질층과 제2 양극 활물질층이 구비된 양극층;이 번갈아 적층되고 이들의 사이 각각에 고체 전해질층;이 개재된 전극 조립체에 있어서,
상기 양극층에서 양극 집전체 중심선을 기준으로 양극 집전체 양말단 방향으로 연장된 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 길이가 서로 다르고,
이 중 상대적으로 길이가 짧은 제1 양극 활물질층에 마주하는 음극 활물질층의 길이가, 상대적으로 길이가 긴 제2 양극 활물질층의 길이 대비 동일하거나 더 짧은 것을 특징으로 하는 전극 조립체. - 청구항 1에 있어서, 상기 제1 양극 활물질층에 마주하는 음극 활물질층의 길이가, 상기 제1 양극 활물질층의 길이 대비 동일하거나 더 긴 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제2 양극 활물질층과 마주하는 음극 활물질층의 길이가, 상기 제2 양극 활물질층의 길이 대비 동일하거나 더 긴 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 음극 집전체의 양측에 구비된 음극 활물질층은 길이가 동일한 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 양극 활물질층에 마주하는 음극 활물질층과 상기 제2 양극 활물질층은 등방가압된 이후에도 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 청구항 5에 있어서, 상기 제2 양극 활물질층과 제1 양극 활물질층의 길이 비가 1 : 0.3 내지 0.9인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 청구항 5에 있어서, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부 및 하부로 가면서 적층된 음극층의 길이는 점차 짧아지고,
상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부 및 하부로 가면서 적층된 양극층의 길이도 점차 짧아지는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체. - 청구항 7에 있어서, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층의 길이가 나머지 음극층의 길이 및 양극층의 길이보다 길어, 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 음극층을 기준으로 상부 및 하부가 각각 피라미드 형상을 이루는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 청구항 1의 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수납 케이스;를 포함하는 이차전지.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220130634A KR20240050793A (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 |
| PCT/KR2023/014934 WO2024080638A1 (ko) | 2022-10-12 | 2023-09-26 | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220130634A KR20240050793A (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240050793A true KR20240050793A (ko) | 2024-04-19 |
Family
ID=90669633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220130634A KR20240050793A (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240050793A (ko) |
| WO (1) | WO2024080638A1 (ko) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102011679B1 (ko) * | 2015-08-11 | 2019-08-19 | 주식회사 엘지화학 | 양면에 활물질의 로딩량이 상이한 전극판을 포함하는 전극조립체 |
| JP6962287B2 (ja) * | 2018-07-30 | 2021-11-05 | トヨタ自動車株式会社 | 全固体電池及びその製造方法 |
| KR20200070895A (ko) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | 주식회사 엘지화학 | 전극조립체 및 그 전극조립체를 내장한 이차전지 및 그 이차전지를 내장한 전지 팩 |
| EP3916871A4 (en) * | 2019-01-23 | 2023-01-25 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | ALL SOLID-SOLID BATTERY, AND METHOD OF MAKING THE SAME |
| JP2021027044A (ja) * | 2019-08-05 | 2021-02-22 | Tdk株式会社 | 全固体電池 |
-
2022
- 2022-10-12 KR KR1020220130634A patent/KR20240050793A/ko unknown
-
2023
- 2023-09-26 WO PCT/KR2023/014934 patent/WO2024080638A1/ko unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024080638A1 (ko) | 2024-04-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102170305B1 (ko) | 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지용 전극 | |
| KR102182683B1 (ko) | 고분자 전해질을 포함하는 전극의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 전극 | |
| KR102268077B1 (ko) | 리튬 이차전지 및 이의 제조 방법 | |
| KR102538143B1 (ko) | 전고체 전지 제조 방법 | |
| KR102504868B1 (ko) | 고체 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지 | |
| KR102260429B1 (ko) | 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전고체 전지 | |
| KR20160037518A (ko) | 가압부를 포함하는 원통형 전지 및 이의 제조 방법 | |
| KR20190005290A (ko) | 비대칭 노치가 형성된 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지 | |
| CN113728482B (zh) | 固体电解质复合材料和包括其的全固态电池电极 | |
| KR20210059662A (ko) | 고체 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지 | |
| KR20140079290A (ko) | 이차 전지 | |
| KR102550614B1 (ko) | 전고체 전지용 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지 | |
| KR102363963B1 (ko) | 리튬 이차전지 | |
| EP3654415A1 (en) | Electrode not having current collector and secondary battery comprising same | |
| KR20210043434A (ko) | 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지의 제조방법 | |
| KR102070907B1 (ko) | 충방전 시 발생하는 가스를 수용할 수 있는 잉여부를 포함하는 전지셀 | |
| KR102082467B1 (ko) | 집전체 중심 부위에 높은 활물질 로딩량을 가지는 전극을 포함하는 전극조립체 | |
| KR101914746B1 (ko) | 가압부를 포함하는 원통형 전지 및 이의 제조 방법 | |
| WO2024080638A1 (ko) | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 | |
| KR20210124086A (ko) | 전고체 전지 및 상기 전고체 전지를 제조하는 방법 | |
| KR102644100B1 (ko) | 전고체 전지 및 이의 제조 방법 | |
| KR102413379B1 (ko) | 고체 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지 | |
| WO2024080639A1 (ko) | 전고체 전지의 제조방법 | |
| KR101307772B1 (ko) | 이차전지 제조방법 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지 | |
| KR102302258B1 (ko) | 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지용 전극 |