KR20240070528A - 정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치 - Google Patents

정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치 Download PDF

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시아오웨이 리
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Abstract

본 출원은 정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치를 제공하며, 상기 정극 재료 조성물은 정극 활성 재료 및 옵션으로서의 정극 도전제를 포함하고, 상기 정극 활성 재료는 코어부 및 상기 코어부의 적어도 일부 표면에 위치하는 쉘부를 포함하며, 상기 코어부는 리튬 함유 인산염을 포함하고, 상기 쉘부는 탄소 재료를 포함하며, 상기 정극 활성 재료의 흑연화도를 g1로 기록하고, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 도전제의 질량 백분율을 w1로 기록하며, 10%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤1%이다. 본 출원의 전지는 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 가질 수 있다.

Description

정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치
본 출원은 전지 기술 분야에 속하며, 구체적으로 정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치에 관한 것이다.
근년래 전지는 수력, 화력, 풍력 및 태양광 발전소 등 에너지 저장 전력 시스템은 물론, 전동공구, 전기자전거, 전기오토바이, 전기자동차, 군사장비, 항공우주 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 전지의 적용 및 보급에 따라 이의 안전성 문제가 점점 더 주목받고 있다. 인산철리튬을 대표로 하는 리튬 함유 인산염은 안전 성능이 우수하고 가격이 저렴하며 원료 공급원이 풍부한 등 장점으로 인해 현재 가장 주목받고 있는 정극 활성 재료 중 하나이지만, 리튬 함유 인산염을 사용한 전지는 에너지 밀도가 비교적 낮고 배율 성능이 비교적 열등하다.
본 출원은 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있는 정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 실시형태의 제1 양태는 정극 활성 재료 및 옵션으로서의 정극 도전제를 포함하는 정극 재료 조성물을 제공하는 바, 상기 정극 활성 재료는 코어부 및 상기 코어부의 적어도 일부 표면에 위치하는 쉘부를 포함하고, 상기 코어부는 리튬 함유 인산염을 포함하며, 상기 쉘부는 탄소 재료를 포함하고, 상기 정극 활성 재료의 흑연화도를 g1로 기록하며, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 도전제의 질량 백분율을 w1로 기록하고, 10%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤1%이다.
발명자들은 연구를 통해, 정극 활성 재료의 흑연화도가 10%~50%이고 정극 재료 조성물 중 정극 도전제의 질량 백분율이 0%~1%일 때 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있다는 것을 발견하였다. 메커니즘이 명확하지 않으나 발명자들은 이때 리튬 이온과 전자의 이동 속도가 우수한 매칭을 구현할 수 있으므로, 전지의 분극을 감소시키고 전지의 내부 저항을 감소시켜 전지가 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있으며; 동시에, 이때의 정극의 반응 속도가 부극의 반응 속도와의 우수한 매칭을 용이하게 구현할 수 있으므로, 충전시 부극 일측에 리튬 이온이 과도하게 축적되어 부극측 전해액의 점도가 증가되고 리튬 이온의 전달이 느려지며 전지의 분극이 증가되는 문제를 최대한 방지할 수 있으며; 또한, 정극 도전제의 사용량이 감소된 후, 리튬 함유 인산염의 사용량이 더 높을 수 있으므로, 전지가 또한 높은 에너지 밀도를 갖도록 할 수 있는 것으로 간주된다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.8%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.6%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.4%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.6%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.4%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.2%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 25%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤0.2%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 25%≤g1≤50% 및 w1은 0%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 25%≤g1≤40% 및 w1은 0%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 25%≤g1≤35% 및 w1은 0%이다.
정극 활성 재료의 흑연화도 g1 및 정극 도전제의 질량 백분율 w1을 추가로 조절하여, 전지의 배율 성능에 영향을 미치지 않는 전제 하에 정극 도전제의 사용량을 더욱 감소시킬 수 있으므로, 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 활성 재료의 흑연화도 g1은 X선 회절법으로 얻어진다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 활성 재료의 분말 저항률은 0을 초과하고 30Ω·cm 이하이며, 선택적으로 0.5Ω·cm~10Ω·cm이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 활성 재료 중 탄소 원소의 질량 백분율은 0.5%~5%이며, 선택적으로 1%~3.5%이다.
탄소 원소의 질량 백분율이 상술한 범위 내에 있는 경우, 한편으로는 정극 활성 재료의 도전성을 향상시킬 수 있고, 다른 한편으로는 쉘부가 너무 두꺼워서 정극 활성 재료의 그램당 용량이 감소하는 것을 방지할 뿐만 아니라 정극 활성 재료의 비표면적이 너무 커서 정극 시트의 가공 성능에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50은 0.5μm~10μm이며, 선택적으로 1μm~4μm이다.
정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50이 상술한 범위 내에 있는 경우, 리튬 이온과 전자의 전달 성능을 향상시키는 데 도움이 되어, 전지의 사이클 성능 및 배율 성능을 더욱 향상시킬 수 있고; 또한 정극 시트가 높은 압축 밀도를 갖는 데 도움이 되어, 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 활성 재료의 3t 작용력 하에서의 분말 압축 밀도 ≥2.5g/cm3이다. 이로써, 전지의 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 된다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 리튬 함유 인산염은 인산철리튬, 인산망간철리튬, 및 상기 재료를 코팅 및/또는 도핑 개질하여 얻은 복합 재료로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 리튬 함유 인산염의 분자식은 LiFe1-x-yMnxMyPO4이고, 0≤x≤1, 0≤y<1이며, M은 Fe, Mn을 제외한 전이 금속 원소 및 비전이 금속 원소로부터 선택되는 하나 이상을 포함하고, 선택적으로 V, Nb, Ti, Co, Ni, Sc, Ge, Mg, Al, Zr, Mn, Hf, Ta, Mo, W, Ru, Ag, Sn 및 Pb로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 도전제는 초전도성 카본, 도전성 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 활성 재료의 질량 백분율 w2 ≥97.0%이며, 선택적으로 97.0%~98.2%이다. 이로써 높은 에너지 밀도의 전지를 얻을 수 있다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 재료 조성물은 정극 바인더 및/또는 정극 분산제를 더 포함한다. 정극 바인더는 정극 활성 재료 입자 사이 및 정극 활성 재료와 정극 집전체 사이의 접착을 개선하여 정극 시트가 양호한 전자 네트워크를 형성하도록 하는 데 사용된다. 정극 분산제는 정극 슬러리의 안정성을 개선하고 정극 필름층의 균열 위험을 감소시키기 위해 사용되고, 정극 도전제의 분산성을 개선할 수도 있다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 바인더의 질량 백분율 w3은 1%~3%이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 분산제의 질량 백분율 w4는 0%~0.5%이다.
본 출원의 제2 양태는 정극 집전체 및 상기 정극 집전체에 배치되는 정극 필름층을 포함하는 정극 시트를 제공하는 바, 상기 정극 필름층은 본 출원의 제1 양태의 정극 재료 조성물을 포함한다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 시트의 면밀도 ≥300mg/1540.25mm2이며, 선택적으로 ≥410mg/1540.25mm2이고, ≥450mg/1540.25mm2이며, ≥500mg/1540.25mm2이다.
현재, 선행 기술에서는 정극 시트의 코팅 중량이 증가함에 따라, 전지의 내부 저항을 악화시키지 않기 위해서는 정극 도전제의 사용량을 증가시킬 필요가 있는 것으로 간주한다. 그러나 발명자들은 연구 과정에서, 정극 필름층이 본 출원의 제1 양태의 정극 재료 조성물을 포함할 경우 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있고; 또한, 정극 시트의 코팅 중량이 증가함에 따라, 정극 도전제의 사용량을 증가시킬 필요가 없을 뿐만 아니라 정극 도전제의 사용량을 감소시키거나 심지어 정극 도전제를 제거할 수 있으며, 이때 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 뿐만 아니라 전지의 내부 저항 및 배율 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견하였다. 본 출원의 제1 양태의 정극 재료 조성물은 두꺼운 코팅 및/또는 높은 압축 밀도를 갖는 전지 시스템의 성능을 향상시키는 데 도움이 되고, 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 시트의 면밀도를 CW로 기록하고, 단위는 mg/1540.25mm2이며, 상기 정극 시트는 0≤100000×(w1/CW)≤3.4를 만족시키고, 선택적으로, 0≤100000×(w1/CW)≤1.8을 만족시킨다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 필름층의 두께 H는 70μm~145μm이며, 선택적으로 90μm~138μm이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 필름층의 두께를 H로 기록하고, 단위는 μm이며, 상기 정극 시트는 0≤100000×(w1/H)≤14을 만족시키고, 선택적으로, 0≤100000×(w1/H)≤11을 만족시킨다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 시트의 압축 밀도 PD ≥2.55g/cm3이며, 선택적으로 ≥2.58g/cm3이고, 보다 선택적으로 ≥2.60g/cm3이다. 이로써, 전지의 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 된다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 시트는 상기 정극 집전체와 상기 정극 필름층 사이에 위치하는 도전성 코팅층을 더 포함하여, 정극 필름층과 정극 집전체 사이의 접착력을 증가시킨다. 선택적으로, 상기 도전성 코팅층은 도전성 카본 블랙 및 바인더를 포함한다. 선택적으로, 상기 도전성 코팅층의 두께는 0을 초과하고 2μm 이하이다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 시트의 저항은 0.1Ω~1Ω이며, 선택적으로 0.1Ω~0.6Ω이다. 이로써 전지의 사이클 성능 및 배율 성능을 향상시키는 데 도움이 된다.
본 출원의 임의의 실시형태에서, 상기 정극 집전체의 두께는 10μm~18μm이다.
본 출원의 제3 양태는 정극 시트의 제조 방법을 제공하는 바, 상기 방법은 정극 슬러리를 공급하고, 상기 정극 슬러리를 정극 집전체의 적어도 하나의 표면에 코팅하며, 건조, 압축 공정을 통해 정극 시트를 얻는 단계를 포함하되, 상기 정극 슬러리는 본 출원의 제1 양태의 정극 재료 조성물 및 용매를 포함한다.
본 출원의 제4 양태는 본 출원의 제1 양태에 따른 정극 재료 조성물 또는 본 출원의 제2 양태에 따른 정극 시트 또는 본 출원의 제3 양태에 따른 제조 방법으로 제조된 정극 시트를 포함하는 전지를 제공한다.
본 출원의 제5 양태는 본 출원의 제4 양태에 따른 전지를 포함하는 전기 장치를 제공한다.
본 출원의 전지는 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 가질 수 있고, 본 출원의 전기 장치는 본 출원에서 제공되는 전지를 포함하므로 적어도 상기 전지와 동일한 장점을 갖는다.
본 출원의 실시예의 기술적 해결수단을 보다 명확하게 설명하기 위해, 아래에서는 본 출원의 실시예에서 사용해야 되는 도면을 간단히 설명할 것이다. 물론, 아래에서 설명되는 도면은 본 출원의 일부 실시형태일 뿐 당업자는 발명적 노력 없이 도면으로부터 다른 도면을 획득할 수 있다.
도 1은 본 출원의 전지 셀의 일 실시형태의 모식도이다.
도 2는 본 출원의 전지 셀의 일 실시형태의 분해 모식도이다.
도 3은 본 출원의 전지 모듈의 일 실시형태의 모식도이다.
도 4는 본 출원의 전지 팩의 일 실시형태의 모식도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전지 팩의 실시형태의 분해 모식도이다.
도 6은 본 출원의 전지를 전원으로서 포함하는 전기 장치의 일 실시형태의 모식도이다.
첨부된 도면에서, 도면은 실제 축척에 따라 그려질 필요가 없다.
아래에서는 첨부된 도면을 적절하게 참조하여 상세하게 설명함으로써, 본 출원에 따른 정극 재료 조성물, 정극 시트 및 이의 제조 방법, 전지 및 전기 장치의 실시형태를 구체적으로 공개한다. 그러나, 경우에 따라 불필요한 상세한 설명을 생략한다. 예를 들어, 공지 사항에 대한 상세한 설명 및 실제로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략되는 경우가 있다. 이는 아래 설명이 불필요하게 중복되는 것을 방지하고 당업자가 용이하게 이해하도록 하기 위한 것이다. 또한, 첨부 도면 및 아래 설명은 당업자가 본 출원을 충분히 이해하도록 제공되는 것이며, 특허청구범위에 기재된 주제를 한정하기 위한 것이 아니다.
본 출원에 공개된 “범위”는 하한 및 상한의 형태로 한정되고, 주어진 범위는 하나의 하한 및 하나의 상한의 선택에 의해 한정되며, 선택된 하한 및 상한은 특정 범위의 경계를 한정한다. 이러한 방식으로 한정된 범위는 끝점 값을 포함하거나 포함하지 않을 수 있으며 임의로 조합될 수 있다. 즉, 임의의 하한과 임의의 상한이 조합되어 하나의 범위를 형성할 수 있다. 예를 들어, 60~120 및 80~110의 범위가 특정 매개변수에 대해 나열되는 경우, 60~110 및 80~120의 범위도 고려되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 최소 범위 값 1과 2가 나열되고 최대 범위 값 3, 4, 5가 나열되면 1~3, 1~4, 1~5, 2~3, 2~4 및 2~5의 모든 범위가 예상된다. 본 출원에서, 달리 명시되지 않는 한, 수치 범위 “a~b”는 a와 b 사이의 임의의 실수 조합의 축약된 표현을 나타내며, 여기서 a와 b는 모두 실수이다. 예를 들어, 수치 범위 “0~5”는 “0~5” 사이의 모든 실수가 본 명세서에 나열되었음을 의미하고, “0~5”는 이러한 수치 값의 조합을 축약한 표현일 뿐이다. 또한, 특정 파라미터가 ≥2의 정수로 표현되는 경우, 해당 파라미터가 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 등 정수임을 공개한 것과 같다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 실시형태 및 선택적인 실시형태는 서로 조합하여 새로운 기술적 해결수단을 형성할 수 있고, 이러한 기술적 해결수단은 본 출원의 공개 내용에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 기술특징 및 선택적인 기술특징은 서로 조합하여 새로운 기술적 해결수단을 형성할 수 있고, 이러한 기술적 해결수단은 본 출원의 공개 내용에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원의 모든 단계는 순차적으로 또는 랜덤으로 수행될 수 있고, 바람직하게는 순차적으로 수행된다. 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a) 및 (b)를 포함한다는 것은, 상기 방법이 순차적으로 수행되는 단계 (a) 및 (b)를 포함할 수 있거나, 순차적으로 수행되는 단계 (b) 및 (a)를 포함할 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 상기에서 언급된 방법은 단계 (c)를 더 포함할 수 있다는 것은, 단계 (c)가 임의의 순서로 상기 방법에 추가될 수 있음을 나타내며, 예를 들어 상기 방법은 단계 (a), (b) 및 (c)를 포함할 수 있거나, 단계 (a), (c) 및 (b)를 포함할 수 있거나, 단계 (c), (a) 및 (b)를 포함할 수 있는 등이다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원에서 언급된 “포괄” 및 “포함”은 개방형 또는 폐쇄형을 의미한다. 예를 들어, “포괄” 및 “포함”은 나열되지 않은 다른 구성요소도 포괄 또는 포함하거나, 나열된 구성요소만 포괄 또는 포함함을 의미할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원에서 용어 “또는”은 포괄적인 것이다. 예를 들어 문구 “A 또는 B”는 “A, B 또는 A와 B 모두”를 의미한다. 보다 구체적으로, A가 참(또는 존재)이고 B가 거짓(또는 부재)인 조건; A가 거짓(또는 부재)이고 B가 참(또는 존재)인 조건; 또는 A와 B가 모두 참(또는 존재)인 조건 중 어느 하나는 모두 조건 “A 또는 B”를 충족한다.
본 출원에서, 용어 “복수”, “여러 개”, "여러 종류"는 2개 또는 2종류 이상을 의미한다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원에서 사용된 용어는 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 공지된 의미를 갖는다.
특별한 설명이 없는 한, 본 출원에서 언급된 각 매개변수의 값은 본 분야에 일반적으로 사용되는 다양한 시험 방법으로 측정될 수 있고, 예를 들어 본 출원에서 제공된 시험 방법에 따라 측정될 수 있다.
정극 활성 재료는 전지의 중요한 구성요소로서 전지의 성능에 결정적인 영향을 미친다. 인산철리튬을 대표로 하는 리튬 함유 인산염은 현재 가장 주목받고 있는 정극 활성 재료 중 하나이지만, 삼원계 정극 활성 재료와 비교하여 리튬 함유 인산염을 사용하는 전지는 에너지 밀도가 비교적 낮다. 리튬 함유 인산염을 사용하는 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위해, 일반적으로 사용되는 전략은 리튬 함유 인산염의 코팅 중량 및/또는 코팅 두께를 증가시키는 것이다. 그러나, 기존 연구에서는 리튬 함유 인산염의 전자 전도도 및 이온 전도도가 모두 비교적 낮으므로, 전지의 배율 성능이 비교적 열등하고, 리튬 함유 인산염의 코팅 중량 및/또는 코팅 두께가 증가함에 따라 전지의 배율 성능이 계속 저하하며, 이 기초상에서 도전제의 사용량을 감소시키면 전지의 성능, 특히 배율 성능의 저하를 가속화하고; 전지가 양호한 배율 성능을 갖도록 보장하기 위해, 도전제의 사용량을 증가시킬 필요가 있지만, 도전제의 사용량을 증가시킨 후 리튬 함유 인산염의 사용량이 감소하여 전지의 에너지 밀도가 감소하는 것으로 간주된다.
따라서, 현재 리튬 함유 인산염을 사용하는 전지는 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 효과적으로 가질 수 없다.
본 출원의 발명자들은 연구 과정에서, 리튬 함유 인산염의 흑연화도 및 도전제의 사용량을 합리적으로 조절하여 리튬 함유 인산염을 사용하는 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있다는 것을 발견하였다.
정극 재료 조성물
구체적으로, 본 출원의 실시형태의 제1 양태는 정극 재료 조성물을 제공한다.
상기 정극 재료 조성물은 정극 활성 재료 및 옵션으로서의 정극 도전제를 포함하며, 상기 정극 활성 재료는 코어부 및 상기 코어부의 적어도 일부 표면에 위치하는 쉘부를 포함하고, 상기 코어부는 리튬 함유 인산염을 포함하며, 상기 쉘부는 탄소 재료를 포함하고, 상기 정극 활성 재료의 흑연화도를 g1로 기록하며, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 도전제의 질량 백분율을 w1로 기록하고, 10%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤1%이다.
본 출원의 발명자들은 전지의 에너지 밀도 및 배율 성능을 심층적으로 연구하는 과정에서, 전지의 배율 성능 개선에 영향을 미치는 핵심 요인이 리튬 이온과 전자의 이동 속도의 매칭임을 발견하였다. 전지 충전시, 리튬 이온은 리튬 함유 인산염 벌크상(또는 결정 격자)에서 표면으로 이동하고, 외부 전기장의 작용 하에 전해액으로 진입하며, 전해액을 통해 부극 활성 재료(예를 들어, 흑연 등) 표면으로 이동한 후, 부극 활성 재료 내부(예를 들어, 흑연 층간에 삽입)로 진입한다. 아울러, 전자는 외부 전기 회로를 통해 정극에서 부극으로 흐른다. 전지 방전시, 리튬 이온은 부극 활성 재료에서 탈리하고, 외부 전기장의 작용 하에 전해액으로 진입하며, 전해액을 통해 정극 활성 재료 표면으로 이동한 후, 정극 활성 재료의 벌크상(또는 결정 격자)으로 진입한다. 아울러, 전자는 외부 전기 회로를 통해 부극에서 정극으로 흐른다. 따라서, 전지의 충방전 과정에서 리튬 이온과 전자의 공동 참여가 필요하다.
리튬 함유 인산염의 전자 전도도가 비교적 낮기 때문에, 도전성을 개선하기 위해, 현재 사용되는 전략은 주로 리튬 함유 인삼염의 표면에 무정형 탄소를 코팅하는 것이다. 무정형 탄소의 코팅은 한편으로는 리튬 함유 인산염의 도전성을 향상시킬 수 있고, 다른 한편으로는 전해액에 대한 리튬 함유 인산염의 침윤성을 증가시키고 전지의 분극을 감소시키며 리튬 이온의 이동 속도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 무정형 탄소의 도전성이 비교적 열등하기 때문에, 리튬 함유 인산염의 도전성에 대한 개선 효과는 제한적이고, 이로써 실제 적용에서 여전히 대량의 도전제를 사용해야 하며; 도전제의 사용량을 증가시킨 후 리튬 함유 인산염의 사용량이 감소하여 전지의 에너지 밀도가 감소하고, 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 가질 수 없도록 한다.
발명자들은 연구 과정에서, 흑연화도가 10% 이상인 정극 활성 재료를 선택하면 리튬 함유 인산염의 도전성을 향상시키고 전지의 배율 성능을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 발견하였다. 그러나, 발명자들은 추가 연구 과정에서 또한, 정극 활성 재료의 흑연화도가 높을수록 좋은 것이 아니고, 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 정극 활성 재료의 도전성이 우수하지만 전지의 배율 성능이 계속 개선되지 않으며, 충전 전류가 증가함에 따라 전지의 배율 성능이 상이한 정도로 감소하고; 동시에, 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 정극 시트의 압축 밀도가 감소하여 전지의 에너지 밀도가 감소하며; 또한, 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 전지의 사이클 성능이 저하한다는 것을 발견하였다.
가능한 원인은 하기와 같다: 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 도전성이 우수하므로, 정극의 반응 속도가 부극의 반응 속도보다 유의하게 클 수 있고, 충전시 부극 일측에 리튬 이온이 과도하게 축적되어 부극측 전해액의 점도가 증가되며 리튬 이온의 전달에 도움이 되지 않고 전지의 분극이 증가되며; 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 쉘부의 탄소 재료의 성능이 질적 변화가 발생할 수 있고, 이때 무정형 탄소는 흑연화 탄소(또는 결정질 탄소)로 전환되는 경향이 있다. 흑연화 탄소(또는 결정질 탄소)의 층간 간격이 비교적 작기 때문에, 리튬 함유 인산염의 표면에 코팅되는 경우 리튬 이온의 빠른 삽입과 탈리를 방해하고, 전지의 분극을 악화시켜, 전지의 배율 성능을 저하시키고, 특히 고배율 충전 성능을 저하시키며; 동시에, 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 탄소 재료의 나노 기공 구조가 적어지므로, 전해액에 대한 리튬 함유 인산염의 침윤성을 감소시키고, 리튬 이온의 이동 속도를 감소시키며, 이로써 전지의 분극을 더욱 악화시키고, 배율 성능에 영향을 미치며; 또한, 정극 활성 재료의 흑연화도가 50%를 초과한 후 리튬 이온의 탈리 및 삽입 과정에서 쉘부의 형태 변화가 비교적 크므로, 쉘부의 구조적 안정성을 저하시키고, 리튬 함유 인산염 표면에서 쉽게 떨어져 리튬 함유 인산염의 도전성을 감소시킬 뿐만 아니라 리튬 이온의 비가역적 소모를 증가시키고, 전지의 사이클 성능에 영향을 미친다.
이 밖에, 본 출원의 발명자들은 연구 중 또한, 정극 활성 재료의 흑연화도가 10%~50%인 경우, 높은 함량의 정극 도전제도 사용하면, 한편으로는 전지의 에너지 밀도를 감소시키고, 다른 한편으로는 전지의 배율 성능에 대한 개선에도 도움이 되지 않음을 발견하였다. 가능한 원인은 하기와 같다: 이때 정극의 반응 속도가 부극의 반응 속도보다 유의하게 클 수 있고, 충전시 부극 일측에 리튬 이온이 과도하게 축적되어 부극측 전해액의 점도가 증가하며 리튬 이온의 전달에 도움이 되지 않고 전지의 분극이 증가되며; 또한, 리튬 이온과 전자의 이동 속도가 매칭되지 않기 때문에, 전지 작동시 외부 전기 회로의 전자 이동 속도가 너무 빠르고, 전지 내부의 리튬 이온 이동 속도가 비교적 느려, 전지의 분극이 너무 크며, 전지의 충전 전류가 클수록 전지의 분극이 분명하고, 전지의 배율 성능, 특히 고배율 충전 성능도 나빠진다.
발명자들은 추가 연구에서, 정극 활성 재료의 흑연화도가 10%~50%이고 정극 재료 조성물 중 정극 도전제의 질량 백분율이 0%~1%일 때 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있다는 것을 발견하였다. 메커니즘이 명확하지 않으나 발명자들은 이때 리튬 이온과 전자의 이동 속도가 우수한 매칭을 구현할 수 있으므로, 전지의 분극을 감소시키고 전지의 내부 저항을 감소시켜 전지가 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있으며; 동시에, 정극의 반응 속도가 부극의 반응 속도와 우수한 매칭을 용이하게 구현할 수 있으므로, 충전시 부극 일측에 리튬 이온이 과도하게 축적되어 부극측 전해액의 점도가 증가되고 리튬 이온의 전달이 느려지며 전지의 분극이 증가되는 문제를 최대한 방지할 수 있으며; 또한, 정극 도전제의 사용량이 감소된 후, 리튬 함유 인산염의 사용량이 더 높을 수 있으므로, 전지가 또한 높은 에너지 밀도를 갖도록 할 수 있는 것으로 간주된다.
본 출원에서, 정극 활성 재료의 흑연화도는 정극 활성 재료의 쉘부의 탄소 재료의 흑연화도를 의미하고, 본 분야에 공지된 의미를 가지며, 본 분야에 공지된 기기 및 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어 JIS K 0131-1996, JB/T 4220-2011을 참조하고 X선 회절계를 사용하여 d002를 시험할 수 있으며, 공식 g=(0.344-d002)/(0.344-0.3354)×100%에 따라 정극 활성 재료의 흑연화도를 산출할 수 있다. 상기 공식에서, d002는 나노미터(nm)로 표시되는 정극 활성 재료 결정질 구조의 C (002) 결정면의 층간 간격이다. 시험기는 Bruker D8 Discover X선 회절계를 사용할 수 있다.
본 출원에서, 정극 재료 조성물 중 정극 도전제의 질량 백분율 w1이 0%인 경우, 정극 재료 조성물이 정극 도전제를 포함하지 않음을 나타낸다.
발명자들은 추가 연구 중 또한, 정극 활성 재료의 흑연화도 g1 및 정극 도전제의 질량 백분율 w1을 추가로 조절하여, 전지의 배율 성능에 영향을 미치지 않는 전제 하에 정극 도전제의 사용량을 더욱 감소시킬 수 있으므로, 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
일부 실시예에서, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.8%이다. 선택적으로, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.6%이다. 보다 선택적으로, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.4%이다.
일부 실시예에서, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.6%이다. 선택적으로, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.4%이다. 보다 선택적으로, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.2%이다.
일부 실시예에서, 25%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤0.2%이다.
일부 실시예에서25%≤g1≤50% 및 w1은 0%이다. 발명자들은 추가 연구 중 또한, 정극 활성 재료의 흑연화도 g1 및 정극 도전제의 질량 백분율 w1을 추가로 조절하여, 전지가 양호한 배율 성능을 갖도록 보장하는 전제 하에 정극 도전제를 제거할 수 있으므로, 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
일부 실시예에서, 25%≤g1≤40% 및 w1은 0%이다. 선택적으로, 25%≤g1≤35% 및 w1은 0%이다. 정극 활성 재료의 흑연화도 g1의 범위를 추가로 조절하여, 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖는 기초상에서 우수한 사이클 성능을 갖도록 할 수 있다. 가능한 원인은 하기와 같다: 이때의 쉘부의 층간 간격이 비교적 크고 구조적 안정성이 더 좋으며, 정극 시트의 전해액 침윤성을 향상시키고 리튬 이온의 이동 속도를 향상시키는 데 더욱 도움이 되어, 나아가 전지가 양호한 사이클 성능도 갖도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 활성 재료의 분말 저항률은 0을 초과하고 30Ω·cm 이하이며, 선택적으로 0.1Ω·cm~20Ω·cm이고, 0.2Ω·cm~15Ω·cm이며, 0.5Ω·cm~10Ω·cm이고, 0.5Ω·cm~8Ω·cm이며, 0.5Ω·cm~5Ω·cm이다.
본 출원에서, 정극 활성 재료의 분말 저항률은 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 본 분야에 공지된 방법으로 시험될 수 있다. 예시적인 시험 방법은 하기와 같다: 1~5g의 시험용 샘플을 칭량하고, 분말 저항계의 공급 챔버 깊이를 조정하며, 시험용 샘플을 공급 챔버에 첨가하고, 압력을 인가하며, 상이한 압력에서 정극 활성 재료의 분말 저항률을 기록하고, 압력이 계속 증가하고 분말 저항률 값이 더 이상 변하지 않을 때 시험을 정지하며, 이때의 분말 저항률 값을 정극 활성 재료의 분말 저항률로 기록한다. 시험기는 INITAL ENERGY SCIENCE&TECHNOLOGY의 PRCD 2100 분말 저항계를 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 활성 재료 중 탄소 원소의 질량 백분율은 0.5%~5%이고, 예를 들어, 상기 정극 활성 재료 중 탄소 원소의 질량 백분율은 0.5%, 0.8%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% 또는 위의 임의의 수치로 구성된 범위일 수 있으며, 선택적으로, 상기 정극 활성 재료 중 탄소 원소의 질량 백분율은 1%~4%, 1%~3.5%, 1%~3.2%, 1%~3%이다.
탄소 원소의 질량 백분율이 상술한 범위 내에 있는 경우, 한편으로는 정극 활성 재료의 도전성을 향상시킬 수 있고, 다른 한편으로는 쉘부가 너무 두꺼워서 정극 활성 재료의 그램당 용량이 감소하는 것을 방지할 뿐만 아니라 정극 활성 재료의 비표면적이 너무 커서 정극 시트의 가공 성능에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50은 0.5μm~10μm이고, 예를 들어, 상기 정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50은 0.5μm, 1μm, 1.5μm, 2μm, 2.5μm, 3μm, 3.5μm, 4μm, 4.5μm, 5μm, 5.5μm, 6μm, 6.5μm, 7μm, 7.5μm, 8μm, 8.5μm, 9μm, 9.5μm, 10μm 또는 위의 임의의 수치로 구성된 범위일 수 있다. 선택적으로, 상기 정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50은 0.5μm~8μm, 0.5μm~6μm, 0.5μm~4μm, 0.8μm~4μm, 1μm~4μm이다.
정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50이 상술한 범위 내에 있는 경우, 리튬 이온과 전자의 전달 성능을 향상시키는 데 도움이 되어, 전지의 사이클 성능 및 배율 성능을 더욱 향상시킬 수 있고; 또한 정극 시트가 높은 압축 밀도를 갖는 데 도움이 되어, 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 출원에서, 정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50은 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 재료 누적 부피 분포 백분율이 50%에 도달할 때 대응되는 입경을 나타내며, 본 분야에 공지된 기기 및 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어 GB/T 19077-2016을 참조하고 레이저 입도 분석기를 사용하여 측정될 수 있다. 시험기는 Mastersizer 2000E 레이저 입도 분석기를 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 활성 재료의 3t 작용력 하에서의 분말 압축 밀도는 ≥2.5g/cm3이다. 이로써, 전지의 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 된다.
본 출원에서, 정극 활성 재료의 분말 압축 밀도는 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 본 분야에 공지된 기기 및 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어 GB/T 24533-2009를 참조하고, 전자 압력 시험기로 측정될 수 있다. 시험기는 UTM7305 전자 압력 시험기를 사용할 수 있다. 예시적 시험 방법은 하기와 같다: 1g의 시험용 샘플을 칭량한 후, 바닥 면적이 1.327cm2인 몰드에서 3t로 가압하고, 30초 동안 압력을 유지하며, 압력을 해제하고, 10초 동안 유지한 후, 정극 활성 재료의 3t 작용력 하에서의 분말 압축 밀도를 기록하고 계산한다.
일부 실시예에서, 상기 정극 활성 재료의 그램당 용량 ≥157mAh/g이다. 이로써, 전지의 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 된다.
일부 실시예에서, 상기 리튬 함유 인산염은 인산철리튬, 인산망간철리튬, 및 상기 재료를 코팅 및/또는 도핑 개질하여 얻은 복합 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 리튬 함유 인산염의 분자식은 LiFe1-x-yMnxMyPO4일 수 있고, 0≤x≤1, 0≤y<1, 선택적으로, 0≤y≤0.1이며, M은 Fe, Mn을 제외한 전이 금속 원소 및 비전이 금속 원소로부터 선택되는 하나 이상을 포함하고, 선택적으로 V, Nb, Ti, Co, Ni, Sc, Ge, Mg, Al, Zr, Mn, Hf, Ta, Mo, W, Ru, Ag, Sn 및 Pb로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다. 예시로서, 상기 리튬 함유 인산염은 LiFePO4, LiMnPO4, LiFe1-x1Mnx1PO4(0<x1<1, 선택적으로, 0.5≤x1≤0.8)으로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 활성 재료의 질량 백분율 w2 ≥97.0%이며, 선택적으로 97.0%~98.2%이다. 이로써 높은 에너지 밀도의 전지를 얻을 수 있다.
본 출원은 정극 도전제의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 본 출원에 공지된 재료를 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 정극 도전제는 초전도성 카본, 도전성 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 재료 조성물은 정극 바인더를 더 포함할 수 있다. 정극 바인더는 정극 활성 재료 입자 사이 및 정극 활성 재료와 정극 집전체 사이의 접착을 개선하여 정극 시트가 양호한 전자 네트워크를 형성하도록 하기 위해 사용된다. 본 출원은 정극 바인더의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 예시로서, 상기 정극 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌-프로필렌 삼원계 공중합체, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 삼원계 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 및 불소 함유 아크릴레이트 수지로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 정극 재료 조성물 중 정극 도전제의 함량이 비교적 낮기 때문에, 정극 바인더의 함량을 감소시켜 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 바인더의 질량 백분율 w3은 0.5%~3%, 1%~3%, 1%~2.5%, 1%~2%일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 재료 조성물은 정극 분산제를 더 포함할 수 있다. 정극 분산제는 정극 슬러리의 안정성을 개선하고 정극 필름층의 균열 위험을 감소시키기 위해 사용되고, 정극 도전제의 분산성을 개선할 수도 있다. 본 출원은 정극 분산제의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 예를 들어 실제 요구사항에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. 예시로서, 상기 정극 분산제는 셀룰로오스계 화합물, 폴리알킬렌옥시드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세탈, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌술폰산, 폴리비닐클로라이드, 키토산, 전분, 폴리아크릴아미드, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드), 폴리(N,N-디메틸아크릴아미드), 폴리에틸렌이민, 폴리옥시에틸렌, 폴리(2-메톡시에톡시에틸렌), 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄클로라이드), 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌 중합체, 아크릴로니트릴/스티렌/아크릴레이트 중합체, 니트릴 고무 및 플루오로고무로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 분산제의 질량 백분율 w4는 0%~0.5%이며, 선택적으로 0을 초과하고 0.5% 이하일 수 있다. w4가 0%인 경우, 정극 재료 조성물에 정극 분산제가 포함되지 않음을 나타낸다.
일부 실시예에서, 상기 정극 재료 조성물은 또한 정극 바인더 및 정극 분산제를 동시에 포함할 수 있다.
[정극 활성 재료의 제조 방법]
일부 실시예에서, 정극 활성 재료 또는 이의 전구체, 유기 탄소원 및 다른 옵션으로서의 성분을 혼합한 후 보호 분위기에 놓고, 소결 온도 및/또는 소결 시간을 제어하거나, 소결 과정에서 흑연 촉매 등 보조제를 첨가하여 원하는 흑연화도를 갖는 정극 활성 재료를 얻을 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 소결 온도는 500℃~1200℃일 수 있고, 예를 들어 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ 또는 위의 임의의 수치로 구성된 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 소결 시간은 1h~20h일 수 있고, 예를 들어 1h, 2h, 3h, 4h, 5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10h, 11h, 12h, 13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h, 19h, 20h 또는 위의 임의의 수치로 구성된 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 보호 가스는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 출원은 유기 탄소원의 종류에 대해 특별히 한정하지 않는다. 일부 실시예에서, 상기 유기 탄소원은 탄화 가능한 유기물 및 이의 유도체를 포함하고, 예를 들어 전분, 자당, 포도당, 과당, 맥아당, 키토산, 구연산, 알칸, 올레핀, 알코올계, 에스테르계, 폴리머(예를 들어, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리피롤 등) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 흑연 촉매는 금속 또는 금속염, 예를 들어 니켈, 질산니켈 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 흑연 촉매는 고리형 구조를 갖는 탄화 가능한 유기물 및 이의 유도체를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 흑연 촉매는 나프탈렌, 페난트렌, 안트라센, 피렌, 페릴렌, 페로센, 디페닐포스핀 및 트리페닐메탄 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 흑연 촉매의 첨가량은 상기 정극 활성 재료 질량의 5% 이하이며, 선택적으로 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하이다.
일부 실시예에서, 정극 활성 재료의 제조 과정에서 필요에 따라 다른 성분을 첨가할 수 있고, 예를 들어 첨가제를 포함할 수 있어 쉘부가 탄소 재료 이외의 다른 성분을 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제는 리튬 이온 전달 성능을 개선하는 첨가제, 정극 활성 재료 계면 성능을 개선하는 첨가제와 같은 전지의 일부 성능을 개선하기 위한 성분일 수 있고, 이러한 첨가제는 본 출원의 주지를 손상시키지 않으면 된다.
정극 시트
본 출원의 실시형태의 제2 양태는 본 출원의 실시형태의 제1 양태의 정극 재료 조성물을 포함하는 정극 시트를 제공한다.
일부 실시예에서, 상기 정극 시트는 정극 집전체 및 상기 정극 집전체에 배치되는 정극 필름층을 포함하고, 상기 정극 필름층은 본 출원의 실시형태의 제1 양태의 정극 재료 조성물을 포함한다. 예를 들어, 상기 정극 집전체는 자체 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 가지고, 상기 정극 필름층은 상기 정극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 또는 둘에 배치된다.
일부 실시예에서, 상기 정극 필름층은 본 분야에 공지된 전지용 다른 정극 활성 재료를 더 포함할 수 있고, 예시로서, 상기 다른 정극 활성 재료는 리튬 함유 전이 금속 산화물 및 이의 개질 화합물로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 리튬 함유 전이 금속 산화물의 예시로는 리튬코발트 산화물, 리튬니켈 산화물, 리튬망간 산화물, 리튬니켈코발트 산화물, 리튬망간코발트 산화물, 리튬니켈망간 산화물, 리튬니켈코발트망간 산화물, 리튬니켈코발트알루미늄 산화물 및 이들 각각의 개질 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 시트의 면밀도 ≥300mg/1540.25mm2이며, 선택적으로 ≥410mg/1540.25mm2이고, ≥450mg/1540.25mm2이며, ≥500mg/1540.25mm2이다. 이로써, 전지의 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 된다.
현재, 선행 기술에서는 정극 시트의 코팅 중량이 증가함에 따라 전지의 내부 저항을 악화시키지 않기 위해서는 정극 도전제의 사용량을 증가시킬 필요가 있는 것으로 간주한다. 그러나 발명자들은 연구 과정에서, 정극 필름층이 본 출원의 실시형태의 제1 양태의 정극 재료 조성물을 포함할 경우 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있고; 또한, 정극 시트의 코팅 중량이 증가함에 따라 정극 도전제의 사용량을 증가시킬 필요가 없을 뿐만 아니라 정극 도전제의 사용량을 감소시키거나 심지어 정극 도전제를 제거할 수 있으며, 이때 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 뿐만 아니라 전지의 내부 저항 및 배율 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견하였다.
본 출원의 실시형태의 제1 양태의 정극 재료 조성물은 두꺼운 코팅 및/또는 높은 압축 밀도를 갖는 전지 시스템의 성능을 향상시키는 데 도움이 되고, 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 시트의 면밀도를 CW로 기록하고, 단위는 mg/1540.25mm2이며, 상기 정극 시트는 0≤100000×(w1/CW)≤3.4를 만족시키고, 선택적으로, 0≤100000×(w1/CW)≤2.4, 0≤100000×(w1/CW)≤1.8, 0≤100000×(w1/CW)≤1.5, 0≤100000×(w1/CW)≤1을 만족시킨다.
일부 실시예에서, 상기 정극 필름층의 두께 H는 70μm~145μm이며, 선택적으로 90μm~138μm이다.
일부 실시예에서, 상기 정극 필름층의 두께를 H로 기록하고, 단위는 μm이며, 상기 정극 시트는 0≤100000×(w1/H)≤14를 만족시키고, 선택적으로, 0≤100000×(w1/H)≤11, 0≤100000×(w1/H)≤8, 0≤100000×(w1/H)≤6을 만족시킨다.
일부 실시예에서, 상기 정극 시트의 압축 밀도 PD는 ≥2.55g/cm3이며, 선택적으로 ≥2.58g/cm3, ≥2.60g/cm3, ≥2.62g/cm3, ≥2.65g/cm3이다. 이로써, 전지의 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 된다.
본 출원에서, 정극 시트의 면밀도는 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 본 분야에 공지된 방법으로 시험될 수 있다. 예를 들어, 단면 코팅 및 냉간 압연된 정극 시트(양면 코팅된 정극 시트인 경우, 먼저 한 면의 정극 필름층을 닦아낼 수 있음)을 면적이 S1인 작은 웨이퍼로 다이 커팅하고, 칭량하여 M1로 기록한다. 그 후 상기 칭량된 정극 시트의 정극 필름층을 닦아내고, 정극 집전체의 중량을 칭량하여 M0으로 기록한다. 정극 시트의 면밀도=(M1-M0)/S1 이다.
본 출원에서, 정극 시트의 압축 밀도는 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 본 분야에 공지된 방법으로 시험될 수 있다. 정극 시트의 압축 밀도=정극 시트의 면밀도/정극 필름층의 두께 이다.
본 출원에서, 정극 필름층의 두께는 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 본 분야에 공지된 방법으로 시험될 수 있다. 예를 들어 나사 마이크로미터를 사용하여 측정할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 정극 시트는 상기 정극 집전체와 상기 정극 필름층 사이에 위치하는 도전성 코팅층을 더 포함하여 정극 필름층과 정극 집전체 사이의 접착력을 증가시킬 수 있다. 물론, 일부 실시예에서, 도전성 코팅층을 배치하지 않을 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 도전성 코팅층은 도전성 카본 블랙 및 바인더를 포함한다. 본 출원은 바인더의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 본 분야에 공지된 오일성 바인더를 사용할 수 있다. 예시로서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌-프로필렌 삼원계 공중합체, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 삼원계 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 도전성 코팅층의 두께는 0을 초과하고 2μm 이하이다.
일부 실시예에서, 상기 정극 시트의 저항은 0.1Ω~1Ω이며, 선택적으로 0.1Ω~0.8Ω, 0.1Ω~0.7Ω, 0.1Ω~0.6Ω이다. 이로써 전지의 사이클 성능 및 배율 성능을 향상시키는 데 도움이 된다.
본 출원에서, 정극 시트의 저항은 본 분야에 공지된 의미를 가지고, 본 분야에 공지된 기기 및 방법으로 시험될 수 있다. 예를 들어, 2-프로브 저항 측정기를 사용하여 시험한다. 예시로서, 하기와 같은 시험 방법에 따라 수행된다: 정극 시트의 세로 방향을 따라 4cm×25cm 샘플을 취하고, 2-프로브 저항 측정기를 켜 단일 포인트 모드를 선택하는 바, 입력 단자의 시험 면적 1540.25mm2, 병렬 샘플 수 20개, 압력 0.4t, 시간 간격 15s이며, 시험 샘플을 2개의 프로브 사이에 놓고, 먼저 소프트웨어의 작동 버튼을 클릭한 후 리버스 밸브를 아래로 움직이며, 15초 후 하나의 데이터가 자동으로 수집되고, 포인트를 변경할 때 시험 방법은 위와 같고, 20개 포인트를 시험하면 시험 샘플을 교체하고 시험을 계속한다. 상기 시험 결과의 평균 값을 정극 시트의 저항으로 사용한다.
일부 실시예에서, 상기 정극 집전체의 두께는 10μm~18μm일 수 있지만, 본 출원은 이에 한정되지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 정극 집전체는 금속박 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 상기 금속박의 예시로서, 알루미늄박을 사용할 수 있다. 상기 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 상기 고분자 재료 기재층의 적어도 하나의 표면에 형성되는 금속 재료층을 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 금속 재료는 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 고분자 재료 기재층은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS) 및 폴리에틸렌(PE) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
설명해야 할 것은, 본 출원에 따른 각 정극 시트의 매개변수(예를 들어, 면밀도, 압축 밀도, 두께 등)는 정극 집전체 일측의 정극 필름층의 매개변수를 의미한다. 정극 필름층이 정극 집전체의 양측에 배치될 경우, 임의의 일측의 정극 필름층 매개변수는 본 출원을 만족시키고, 즉 본 출원의 보호범위 내에 속하는 것으로 간주된다.
면밀도, 압축 밀도, 두께, 저항과 같은 상기 정극 시트의 매개변수를 측정할 경우, 새로 제조된 냉간 압연된 정극 시트를 직접 취하거나, 전지에서 정극 시트를 얻을 수 있다. 전지에서 정극 시트를 얻는 예시적인 방법은 하기와 같다: 전지를 완전 방전한 후 분해하여 정극 시트를 얻고, 정극 시트를 유기 용매(예를 들어, 디메틸 카보네이트)에 일정 시간(예를 들어, 72시간 이상) 동안 담근 후, 정극 시트를 꺼내어 특정 온도 및 시간 하에서 건조(예를 들어, 진공 오븐 80℃에서 6시간 이상 건조)시킨다.
정극 시트의 제조 방법
본 출원의 실시형태의 제3 양태는 본 출원의 실시형태의 제2 양태의 정극 시트를 제조할 수 있는 정극 시트의 제조 방법을 제공한다.
상기 제조 방법은, 정극 슬러리를 공급하고, 상기 정극 슬러리를 정극 집전체의 적어도 하나의 표면에 코팅하며, 건조, 압축 공정을 통해 정극 시트를 얻는 단계를 포함하되, 상기 정극 슬러리는 본 출원의 실시형태의 제1 양태의 정극 재료 조성물 및 용매를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 용매는 N-메틸피롤리돈(NMP)을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
전지
본 출원의 실시형태의 제4 양태는 전지를 제공한다.
본 출원의 실시예 또는 실시형태에 따른 전지는 하나 이상의 전지 셀을 포함하여 더 높은 전압 및 용량을 제공하는 단일 물리적 모듈을 의미한다. 예를 들어, 본 출원에 따른 전지는 전지 셀, 전지 모듈 또는 전지 팩 등을 포함할 수 있다. 전지 셀은 전지를 구성하는 최소 유닛으로 스스로 충방전 기능을 구현할 수 있다. 본 출원은 전지 셀의 형상에 대해 특별히 한정하지 않고, 원통형, 직사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 도 1은 일례로서의 직사각형 구조의 전지 셀(5)이다.
일부 실시예에서, 전지 셀은 전극 어셈블리를 포함하고, 단일 셀은 외포장 및 전해질을 더 포함할 수 있다. 전극 어셈블리는 통상적으로 정극 시트 및 부극 시트 등을 포함하고, 외포장은 상기 전극 어셈블리 및 전해질을 패키징하기 위해 사용될 수 있다. 외포장은 하드 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스와 같은 하드 케이스일 수 있다. 외포장은 파우치형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수도 있다. 상기 소프트 패키지의 재질은 플라스틱일 수 있고, 예를 들어 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리부틸렌숙시네이트(PBS) 중 하나 이상일 수 있다. 전극 어셈블리는 권취 공정 및/또는 적층 공정을 통해 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 외포장은 케이스(51) 및 커버 플레이트(53)를 포함할 수 있다. 케이스(51)는 바닥판과 바닥판에 연결되는 측판을 포함할 수 있고, 바닥판과 측판은 둘러싸여 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통하는 개구를 가지고, 커버 플레이트(53)는 상기 개구에 커버 배치되어 상기 수용 캐비티를 밀폐시킬 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 캐비티에 패키징된다. 전지 셀(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 개수는 하나 이상일 수 있고, 필요에 따라 조절될 수 있다.
본 출원의 일부 실시예에서, 전지 셀은 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함되는 전지 셀의 개수는 여러 개일 수 있으며, 구체적인 개수는 전지 모듈의 적용 및 용량에 따라 조절될 수 있다. 도 3은 일례로서의 전지 모듈(4)의 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 모듈(4)에서 복수의 전지 셀(5)은 전지 모듈(4)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열 배치될 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식에 따라 배열될 수도 있다. 추가적으로 체결구를 통해 상기 복수의 전지 셀(5)을 고정시킬 수 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 수용 공간을 갖는 하우징을 더 포함할 수 있고, 복수의 전지 셀(5)은 상기 수용 공간에 수용된다.
일부 실시예에서, 상기 전지 모듈은 또한 전지 팩으로 조립될 수 있고, 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 개수는 전지 팩의 적용 및 용량에 따라 조절될 수 있다. 도 4 및 도 5는 일 예시로서 전지 팩(1)의 모식도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 팩(1)에 전지 박스 및 전지 박스에 배치되는 복수의 전지 모듈(4)이 포함될 수 있다. 전지 박스는 상부 박스체(2) 및 하부 박스체(3)를 포함하고, 상부 박스체(2)는 하부 박스체(3)에 커버 배치되고 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성하기 위해 사용된다. 복수의 전지 모듈(4)은 임의의 방식에 따라 전지 박스에 배열될 수 있다.
[정극 시트]
본 출원에 따른 전지에 사용되는 정극 시트는 본 출원의 제2 양태의 어느 하나의 실시예에 따른 정극 시트이다. 이로써 본 출원에 따른 전지는 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 가질 수 있다.
[부극 시트]
일부 실시예에서, 상기 부극 시트는 부극 집전체 및 상기 부극 집전체의 적어도 하나의 표면에 배치되고 부극 활성 재료를 포함하는 부극 필름층을 포함한다. 예를 들어, 상기 부극 집전체는 자체 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 가지고, 상기 부극 필름층은 상기 부극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 또는 둘에 배치된다.
상기 부극 활성 재료는 본 분야에 공지된 전지용 부극 활성 재료를 사용할 수 있다. 예시로서, 상기 부극 활성 재료는 천연 흑연, 인조 흑연, 소프트 카본, 하드 카본, 규소계 재료, 주석계 재료 및 티탄산리튬 중 하나 이상을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 상기 규소계 재료는 단체 규소, 규소 산화물, 규소-탄소 복합체, 규소-질소 복합체 및 규소 합금 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 주석계 재료는 단체 주석, 주석 산화물 및 주석 합금 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 출원은 이러한 재료에 한정되지 않고, 전지의 부극 활성 재료로 사용될 수 있는 기존의 공지된 다른 재료를 사용할 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 부극 필름층은 옵션으로서 부극 도전제를 더 포함할 수 있다. 본 출원은 상기 부극 도전제의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 예시로서 상기 부극 도전제는 초전도성 카본, 도전성 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 부극 필름층은 옵션으로서 부극 바인더를 더 포함할 수 있다. 본 출원은 상기 부극 바인더의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 예시로서 상기 부극 바인더는 스티렌-부탄디엔 고무(SBR), 수용성 불포화 수지(SR-1B), 수성 아크릴 수지(예: 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴산(PMAA), 폴리아크릴산나트륨(PAAS)), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리비닐알코올(PVA), 알긴산나트륨(SA) 및 카르복시메틸키토산(CMCS) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 부극 필름층은 옵션으로서 다른 보조제를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 다른 보조제는 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(CMC), PTC 서미스터 재료와 같은 증점제를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 부극 집전체는 금속박 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 상기 금속박의 예시로서, 구리박을 사용할 수 있다. 상기 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 상기 고분자 재료 기재층의 적어도 하나의 표면에 형성되는 금속 재료층을 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 금속 재료는 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 고분자 재료 기재층은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS) 및 폴리에틸렌(PE) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 부극 필름층은 통상적으로 부극 슬러리를 부극 집전체에 코팅한 후 건조 및 냉간 압연을 통해 형성된 것이다. 상기 부극 슬러리는 통상적으로 부극 활성 재료, 선택적인 도전제, 선택적인 바인더 및 선택적인 다른 보조제를 용매에 분산시키고 균일하게 교반하여 형성된 것이다. 용매는 N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 탈이온수일 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
상기 부극 시트는 상기 부극 필름층을 제외한 다른 부가적 기능층을 배제하지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 본 출원에 따른 부극 시트는 상기 부극 집전체와 상기 부극 필름층 사이에 개재되고 상기 부극 집전체 표면에 배치되는 도전성 코팅층(예를 들어, 통상적으로 도전제 및 바인더로 구성됨)을 더 포함할 수 있고; 일부 실시예에서, 본 출원에 따른 부극 시트는 상기 부극 필름층 표면에 커버되는 보호층을 더 포함한다.
[전해질]
전해질은 정극 시트와 부극 시트 사이에서 이온을 전도하는 작용을 한다. 본 출원은 상기 전해질의 종류에 대해 구체적으로 한정하지 않고, 요구사항에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질은 고체 전해질 및 액체 전해질(즉, 전해액)로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전해질은 전해액을 사용하고, 상기 전해액은 전해질염 및 용매를 포함한다.
상기 전해질염은 육불화인산리튬(LiPF6), 사불화붕산리튬(LiBF4), 과염소산리튬(LiClO4), 육불화비산리튬(LiAsF6), 리튬 비스플루오로술포닐이미드(LiFSI), 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐이미드(LiTFSI), 리튬 트리플루오로메탄술포네이트(LiTFS), 리튬 디플루오로옥살레이트보레이트(LiDFOB), 리튬 비스옥살레이트보레이트(LiBOB), 리튬 디플루오로포스페이트(LiPO2F2), 리튬 디플루오로비스옥살레이트포스페이트(LiDFOP) 및 리튬 테트라플루오로옥살레이트포스페이트(LiTFOP)로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 용매의 종류에 대해 구체적으로 한정하지 않고, 실제 요구사항에 따라 선택할 수 있다. 일부 실시예에서, 예시로서, 상기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC), 메틸 포르메이트(MF), 메틸 아세테이트(MA), 에틸 아세테이트(EA), 프로필 아세테이트(PA), 메틸 프로피오네이트(MP), 에틸 프로피오네이트(EP), 프로필 프로피오네이트(PP), 메틸 부티레이트(MB), 에틸 부티레이트(EB), 1,4-부티롤락톤(GBL), 술포란(SF), 디메틸술폰(MSM), 에틸메틸 술폰(EMS) 및 디에틸 술폰(ESE)으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전해액은 옵션으로서 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제는 부극 성막 첨가제를 포함할 수 있고, 정극 성막 첨가제를 포함할 수도 있으며, 또한 예를 들어 전지 과충전 성능을 개선하는 첨가제, 전지 고온 성능을 개선하는 첨가제, 전지 저온 출력 성능을 개선하는 첨가제와 같은 전지의 일부 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 포함할 수 있다.
[세퍼레이터]
전해액을 사용하는 전지, 및 고체 전해질을 사용하는 일부 전지에는 세퍼레이터가 더 포함된다. 상기 세퍼레이터는 상기 정극 시트와 상기 부극 시트 사이에 배치되고, 주로 정극과 부극의 단락을 방지하는 작용을 하면서 활성 이온을 통과시킬 수 있다. 본 출원은 상기 세퍼레이터의 종류에 대해 특별히 한정하지 않고, 양호한 화학적 안정성 및 기계적 안정성을 갖는 임의의 공지된 다공성 구조의 세퍼레이터를 선택할 수 있다. 상기 세퍼레이터는 단층 필름일 수 있고, 다층 복합 필름일 수도 있다. 상기 세퍼레이터가 다층 복합 필름인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이하다.
일부 실시예에서, 세퍼레이터는 기재 필름 및 옵션으로서의 보호 코팅층을 포함할 수 있다. 기재 필름은 다공성 구조를 갖는 부직포, 필름 또는 복합 필름을 포함할 수 있고, 기재 필름의 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리이미드 중 하나 이상을 포함한다.
상기 기재 필름의 표면에 보호 코팅층을 배치하거나 배치하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 기재 필름의 적어도 하나의 표면에 보호 코팅층이 배치되고, 상기 보호 코팅층은 폴리머층 또는 무기물층일 수 있고, 폴리머와 무기물을 혼합하여 형성된 층일 수도 있다.
상기 무기물층은 무기 입자 및 바인더를 포함하고, 상기 무기 입자는 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화티타늄, 이산화하프늄, 산화주석, 이산화세륨, 산화니켈, 산화아연, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화이트륨, 탄화규소, 보에마이트, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘 및 황산바륨 중 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상기 폴리머층은 폴리머를 포함하고, 상기 폴리머의 재료는 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴레이트 중합체, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르 및 폴리비닐리덴디플루오라이드 중 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
[제조 방법]
본 출원에 따른 전지의 제조 방법은 공지되어 있다. 일부 실시예에서, 정극 시트, 세퍼레이터, 부극 시트 및 전해액을 조립하여 전지를 형성할 수 있다. 예시로서, 정극 시트, 세퍼레이터, 부극 시트를 권취 공정 및/또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리로 형성할 수 있으며, 전극 어셈블리를 외포장 내에 배치하고, 건조 후 전해액을 주입하며, 화성, 용량 등 공정을 통해 전지 셀을 얻는다. 복수의 전지 셀은 추가적으로 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 직병렬 연결을 통해 전지 모듈을 구성할 수도 있다. 복수의 전지 모듈은 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 직병렬 연결을 통해 전지 팩을 형성할 수도 있다. 일부 실시예에서, 복수의 전지 셀은 직접 전지 팩으로 구성할 수도 있다.
전기 장치
본 출원의 실시형태는 또한 전기 장치를 제공하며, 상기 전기 장치는 본 출원에 따른 전지를 포함한다. 상기 전지는 상기 전기 장치의 전원으로 사용될 수 있고, 상기 전기 장치의 에너지 저장 유닛으로 사용될 수도 있다. 상기 전기 장치는 이동 기기(예를 들어, 핸드폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등), 전기 자동차(예를 들어, 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 병렬형 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
상기 전기 장치는 이의 사용 요구사항에 따라 전지의 구체적인 유형, 예를 들어 전지 셀, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
도 6은 일례로서의 전기 장치의 모식도이다. 상기 전기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 병렬형 하이브리드 전기 자동차 등이다. 상기 전기 장치의 고출력 및 높은 에너지 밀도에 대한 요구사항을 충족시키기 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈을 전원으로 사용할 수 있다.
다른 예시로서 전기 장치는 핸드폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 상기 전기 장치는 통상적으로 가볍고 얇아야 하므로 전지 셀을 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 출원에 공개된 내용을 보다 구체적으로 설명하고, 이러한 실시예는 단지 설명적인 기술에 사용되는데, 본 출원에 공개되는 내용의 범위 내에서 다양한 수정 및 변경을 이루는 것은 당업자에게 있어서 자명한 것이기 때문이다. 달시 명시되지 않는 한, 하기 실시예에서 보고된 모든 부, 백분율 및 비율은 모두 중량을 기준으로 하고, 실시예에서 사용된 모든 시약은 상업적으로 구입 가능하거나 일반적인 방법에 따라 합성하여 획득할 수 있으며, 추가 처리 없이 직접 사용할 수 있고, 실시예에서 사용된 기기는 상업적으로 구입 가능하다.
정극 활성 재료의 제조
세척 및 건조된 인산철리튬 분말과 유기 탄소원 포도당을 분산제인 알코올의 보조 작용 하에 분쇄 매체를 통해 1시간 동안 분산시켜 균일하게 혼합하고, 인산철리튬 분말과 포도당의 비율을 80wt%:20wt% 내지 95wt%:5wt%로 조절하여, 최종 재료 중 탄소 원소의 함량을 0.7%~3.5% 사이로 제어할 수 있다. 그 후 분쇄된 분말을 두 부분으로 나누고, 한 부분은 건조 분말 상태로 직접 분쇄하고, 다른 부분은 일정량의 활석 가루 접착제를 첨가한 후 건조 분말 상태로 분쇄한다. 그 후 두 샘플을 혼합하고 2시간 동안 분쇄 및 분산시키며, 균일하게 혼합된 분말을 질소 분위기로 보호된 튜브 전기로에 넣고, 질소 유속을 0.02L/min으로 조절한 후, 2℃/min 승온 속도로 280℃로 승온시키고 2시간 동안 보온하여, 포도당을 용해시키고 충분히 탄화시켜, 탄소 재료의 충분한 코팅에 도움이 되도록 하며; 그 후 5℃/min으로 소결 온도 T로 승온시키고 상기 온도에서 보온 시간 t 동안 보온하며, 소결 온도 T 및 보온 시간 t를 조절하여 탄소 재료의 흑연화도를 조절하고, 종료 후 실온으로 냉각시켜, 상이한 흑연화도를 갖는 탄소 코팅된 인산철리튬을 얻는다.
하기와 같은 각 실시예 및 비교예에 사용되는 상이한 흑연화도의 탄소 코팅된 인산철리튬에 대응되는 소결 온도 T 및 보온 시간 t는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
[표 1]
실시예 1
정극 시트의 제조
정극 활성 재료 탄소 코팅된 인산철리튬(탄소 원소의 함량 1.5%, 흑연화도 15%, 분말 저항률 30Ω·cm, 분말 압축 밀도 2.5g/cm3), 도전제인 카본 블랙(Super P), 바인더인 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 분산제인 폴리비닐알코올을 97.4:0.4:2.0:0.2 질량비에 따라 적당량의 용매인 NMP 중에서 충분히 교반하고 혼합하여 균일한 정극 슬러리를 형성하고; 정극 슬러리를 정극 집전체인 알루미늄박(두께 15μm)의 표면에 균일하게 코팅한 후, 건조 및 냉간 압연을 통해 정극 시트를 얻는다. 정극 시트의 면밀도는 410mg/1540.25mm2이고, 압축 밀도는 2.6g/cm3이다.
정극 활성 재료의 흑연화도는 정극 활성 재료의 쉘부의 탄소 재료의 흑연화도를 의미하며, JIS K 0131-1996, JB/T 4220-2011을 참조하고 X선 회절계를 사용하여 d002를 시험할 수 있으며, 공식 g=(0.344-d002)/(0.344-0.3354)×100%에 따라 정극 활성 재료의 흑연화도를 산출할 수 있다. 상기 공식에서, d002는 나노미터(nm)로 표시되는 정극 활성 재료 결정질 구조의 C (002) 결정면의 층간 간격이다. 시험기는 Bruker D8 Discover X선 회절계를 사용할 수 있다.
정극 활성 재료의 분말 저항률은 하기 단계에 따라 측정될 수 있다: 1~5g의 시험용 샘플을 칭량하고, 분말 저항계의 공급 챔버 깊이를 조정하며, 시험용 샘플을 공급 챔버에 첨가하고, 압력을 인가하며, 상이한 압력에서 정극 활성 재료의 분말 저항률을 기록하고, 압력이 계속 증가하고 분말 저항률 값이 더 이상 변하지 않을 때 시험을 정지하며, 이때의 분말 저항률 값을 정극 활성 재료의 분말 저항률로 기록한다. 시험기는 INITAL ENERGY SCIENCE&TECHNOLOGY의 PRCD 2100 분말 저항계를 사용할 수 있다.
정극 활성 재료의 분말 압축 밀도는 GB/T 24533-2009를 참조하고, 전자 압력 시험기로 측정될 수 있다. 1g의 시험용 샘플을 칭량한 후, 바닥 면적이 1.327cm2인 몰드에서 3t로 가압하고, 30초 동안 압력을 유지하며, 압력을 해제하고, 10초 동안 유지한 후, 정극 활성 재료의 3t 작용력 하에서의 분말 압축 밀도를 기록하고 계산한다. 시험기는 UTM7305 전자 압력 시험기를 사용할 수 있다.
부극 시트의 제조
부극 활성 재료인 흑연, 바인더인 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 증점제인 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(CMC), 도전제인 카본 블랙(Super P)을 96.7:1.7:0.7:0.9 질량비에 따라 적당량의 용매인 탈이온수 중에서 충분히 교반하고 혼합하여 균일한 부극 슬러리를 형성하고; 부극 슬러리를 부극 집전체인 구리박(두께 6μm)의 표면에 코팅한 후, 건조 및 냉간 압연을 통해 부극 시트를 얻는다. 부극 시트의 면밀도는 180mg/1540.25mm2이고, 압축 밀도는 1.65g/cm3이다.
전해액의 제조
에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디에틸 카보네이트(DEC)를 1:1:1 부피비에 따라 혼합하여 유기 용매를 얻은 후, 충분히 건조된 LiPF6을 상기 유기 용매에 용해시켜 농도가 1mol/L인 전해액으로 조제한다.
전지의 제조
제조된 정극 시트와 부극 시트를 다이 커팅, 슬리팅한 후 세퍼레이터와 권취하여 전극 어셈블리를 형성하며, 그 후 열간 압착, 필름 코팅, 탭 용접, 어댑터 고정, 쉘 상단 커버 용접을 수행하며; 그 후 베이킹하여 수분을 제거하고, 상기 제조된 전해액을 주입하여 화성 및 용량 등 공정을 수행하며; 마지막으로 청색 필름을 코팅하여 전지(즉, 전지 셀)의 제조를 완료한다. 세퍼레이터는 정극 시트와 부극 시트 사이에 위치하고, 5μm의 폴리에틸렌 기재 필름 및 15μm의 Al2O3 코팅층을 포함한다.
실시예 2~7 및 비교예 2~6
전지의 제조 방법은 실시예 1과 유사한 바, 차이점은 사용되는 정극 활성 재료, 매개변수, 정극 활성 재료의 질량 백분율 w2, 도전제의 질량 백분율 w1이 상이한 것이며, 구체적인 매개변수는 표 1 및 표 2에 나타낸바와 같다.
실시예 18
전지의 제조 방법은 실시예 4와 유사한 바, 차이점은 정극 시트의 면밀도가 300mg/1540.25mm2이며, 압축 밀도가 2.6g/cm3이고; 부극 시트의 면밀도가 135mg/1540.25mm2이며, 압축 밀도가 1.65g/cm3인 것이다.
실시예 19
전지의 제조 방법은 실시예 4와 유사한 바, 차이점은 정극 시트의 면밀도가 500mg/1540.25mm2이며, 압축 밀도가 2.6g/cm3이고; 부극 시트의 면밀도가 225mg/1540.25mm2이며, 압축 밀도가 1.65g/cm3인 것이다.
비교예 1
전지의 제조 방법은 실시예 1과 유사한 바, 차이점은 무정형 탄소 코팅된 인산철리튬을 정극 활성 재료로 사용하며, 정극 활성 재료의 질량 백분율은 95.8%이고, 도전제의 질량 백분율은 2.0%인 것이다.
시험 부분
아래에서는 상기 제조된 전지 셀의 성능을 시험한다. 설명해야 할 것은 하기 성능 시험에서 제공되는 전지는 모두 전지 셀을 의미한다.
(1) 전지 부피 에너지 밀도 시험
전지의 부피 에너지 밀도(Wh/L)=(전지의 방전 용량×전지 방전 플랫폼 전압)/전지의 부피.
전지의 방전 용량은 하기 방법을 통해 측정된다. 25℃에서, 새로 제조된 전지를 1/3C 정전류로 3.65V까지 충전한 후, 1/3C 정전류로 2.0V까지 방전하여, 전지의 방전 용량을 얻었다.
전지 방전 플랫폼 전압은 전기화학적 반응이 균형을 이룰 때의 전위이고, 전지 시험기에서 얻을 수 있다.
전지의 부피는 배수법으로 시험하고, 시험 시 전지를 순수에 넣으며, 배출된 물의 부피가 전지의 부피이다.
(2) 전지 배율 성능 시험
25℃에서, 새로 제조된 전지를 각각 1/3C, 1C, 3C, 5C의 충전 배율 정전류로 전지의 상한 차단 전압(100% SOC에 해당함)까지 충전한 다음, 정전압으로 0.05C의 전류까지 충전하고, 1/3C의 정전류로 전지의 하한 차단 전압(0% SOC에 해당함)까지 방전하며, 이때 전지의 방전 에너지를 기록한다.
1/3C의 충전 배율 하에 얻은 전지의 방전 에너지는 100%이고, 1C, 3C, 5C 충전 배율 하에 전지의 방전 에너지 유지율을 산출한다.
(3) 전지의 직류 내부 저항 시험
25℃에서, 새로 제조된 전지를 1C의 정전류로 전지의 상한 차단 전압(100% SOC에 해당함)까지 충전한 다음, 정전압으로 0.05C의 전류까지 충전하고, 1C의 정전류로 전지의 하한 차단 전압(0% SOC에 해당함)까지 방전하며, 이때 방전 용량, 즉 전지의 초기 방전 용량을 기록하였다. 전지를 상기 방법에 따라 사이클 충방전 시험을 수행하고, 전지의 방전 용량이 전지의 초기 방전 용량의 80%로 감쇠될 때 시험을 정지한다.
25℃에서, 새로 제조된 전지 및 상기 사이클 용량이 초기 방전 용량의 80%로 감쇠된 전지에 대해 각각 직류 내부 저항 시험을 수행하고, 이로써 전지의 초기 직류 내부 저항 및 80% SOH까지 순환된 전지의 직류 내부 저항을 각각 얻는다.
전지의 직류 내부 저항은 하기 방법으로 시험되고, 전지 용량을 50% SOC로 조절한 후, 4C의 배율 펄스로 30초 동안 충전하여, 전지 펄스 충전 전후의 전압을 기록한다. 전지 충전 직류 내부 저항(mΩ)=(펄스 충전 종료 전압-펄스 충전 전 전압)/충전 전류.
(4) 정극 시트의 저항 시험
정극 시트의 저항은 본 분야에 공지된 기기 및 방법으로 시험될 수 있고, 예시로서, 하기 시험 방법에 따라 수행될 수 있다. 정극 시트의 세로 방향을 따라 4cm×25cm 샘플을 취하고, 2-프로브 저항 측정기를 켜 단일 포인트 모드를 선택하는 바, 입력 단자의 시험 면적 1540.25mm2, 병렬 샘플 수 20개, 압력 0.4t, 시간 간격 15s이며, 시험 샘플을 2개의 프로브 사이에 놓고, 먼저 소프트웨어의 작동 버튼을 클릭한 후 리버스 밸브를 아래로 움직이며, 15초 후 하나의 데이터가 자동으로 수집되고, 포인트를 변경할 때 시험 방법은 위와 같고, 20개 포인트를 시험하면 시험 샘플을 교체하고 시험을 계속한다. 상기 시험 결과의 평균 값을 정극 시트의 저항으로 사용한다.
시험시, 새로 제조된 정극 시트 및 상기 사이클 용량이 초기 방전 용량의 80%까지 감쇠된 전지에서 분리된 정극 시트에 대해 각각 저항 시험을 수행하고, 이로써 정극 시트의 초기 저항 및 80% SOH까지 순환된 전지의 정극 시트의 저항을 각각 얻었다.
전지에서 정극 시트를 얻는 예시적인 방법은 하기와 같다. 전지를 풀방전한 후 분리하여 정극 시트를 얻고, 디메틸 카보네이트(DMC)에 72시간 이상 담궈 세척하며, 정극 시트의 전해액 용매, 리튬염, 첨가제 등이 완전히 침출된 후, 정극 시트를 진공 오븐에 넣어 건조시켰다. 건조된 정극 시트를 상기 방법에 따라 저항 시험을 수행하였다.
[표 2]
[표 3]
표 3의 시험 결과를 종합하여 알 수 있다시피, 정극 활성 재료의 흑연화도가 10%~50%이고 정극 도전제의 질량 백분율이 0%~1%인 경우, 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있고, 특히 전지는 또한 양호한 고배율 충전 성능을 갖는다.
비교예 1~6은 모두 정극 활성 재료의 흑연화도가 10%~50%이고 및/또는 정극 도전제의 질량 백분율이 0%~1%인 조건을 만족시키지 못하므로, 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 가질 수 없도록 한다.
비교예 1은 무정형 탄소 코팅된 리튬 함유 인산염을 정극 활성 재료로 사용하고, 정극 시트의 면밀도가 비교적 높은 경우, 리튬 함유 인산염 자체의 도전성이 열등하기 때문에, 2%에 달하는 정극 도전제를 사용해도 정극은 우수한 도전성 네트워크를 형성할 수 없어 전지는 양호한 배율 성능을 가질 수 없으며; 또한, 정극 도전제의 사용량이 비교적 높기 때문에, 전지의 부피 에너지 밀도도 감소한다.
비교에 2는 흑연화도가 10% 미만인 탄소 코팅된 리튬 함유 인산염을 정극 활성 재료로 사용하고, 이로써 전지는 높은 에너지 밀도를 가질 수 있지만, 전지의 배율 성능이 비교적 열등하다. 비교예 3은 전지가 양호한 배율 성능을 갖도록 하기 위해 비교예 2의 기초상에서 1.5%에 달하는 정극 도전제를 첨가하므로, 전지의 부피 에너지 밀도를 유의하게 감소시키고, 3C 및 5C 충전 배율 하에 전지의 방전 에너지 유지율에 대한 개선도 제한적이다.
비교예 4는 흑연화도가 50%를 초과하는 탄소 코팅된 리튬 함유 인산염을 정극 활성 재료로 사용하고, 이때 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 가질 수 없도록 한다. 가능한 원인은 하기와 같다. 흑연화도가 50%를 초과한 후 정극 시트의 압축 밀도가 감소하여 전지의 에너지 밀도가 감소하고; 또한, 이때 정극의 반응 속도는 부극의 반응 속도보다 유의하게 클 수 있으며, 충전 시 부극 일측에 리튬 이온이 과도하게 축적되어 부극측 전해액의 점도가 증가되고 리튬 이온의 전달에 도움이 되지 않으며, 전지의 충전 전류가 클수록 배율 성능 저하가 분명하다. 실시예 1~7 및 비교예 4의 시험 결과를 종합하여 알 수 있다시피, 비교예 4의 1C 충전 배율 하의 방전 에너지 유지율이 실시예 1~7과 근접하지만, 실시예 1~7에 비해 비교예 4의 3C 및 5C 충전 배율 하의 방전 에너지 유지율이 유의하게 감소한다.
실시예 3~12 및 비교예 5의 시험 결과를 종합해보면, 탄소 코팅된 리튬 함유 인산염의 흑연화도가 25% 내지 50% 사이에 있는 경우, 정극 시트의 면밀도가 비교적 크지만 여전히 정극 도전제를 제거할 수 있으므로, 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 뿐만 아니라 전지가 양호한 배율 성능, 특히 우수한 고배율 충전 성능을 갖도록 할 수 있다. 또한 실시예 4, 8~12 및 비교예 5의 시험 결과를 종합하여 알 수 있다시피, 이때 정극 도전제의 사용량을 증가시켜도 전지의 배율 성능을 유의하게 향상시킬 수 없고, 정극 도전제의 사용량이 1%를 초과한 후 3C 및 5C 충전 배율 하에 전지의 방전 에너지 유지율을 크게 감소시킬 수 있다.
실시예 1~2, 실시예 13~17 및 비교예 6의 시험 결과를 종합하여 알 수 있다시피, 정극 활성 재료의 흑연화도가 비교적 낮은 경우, 정극 도전제를 제거할 수도 있고, 전지가 높은 에너지 밀도를 갖는 동시에 양호한 배율 성능도 갖도록 하지만, 정극 시트가 비교적 낮은 함량의 정극 도전제를 사용할 경우, 예를 들어 정극 도전제의 함량이 0% 초과 1% 이하, 선택적으로 0을 초과하고 0.4% 이하인 경우, 전지의 배율 성능, 특히 고배율 충전 성능을 더욱 향상시키는 데 도움이 된다. 그러나, 정극 도전제의 사용량이 1%를 초과한 후, 3C 및 5C 충전 배율 하에 전지의 방전 에너지 유지율은 유의하게 감소한다.
또한, 실시예 1, 실시예 9 및 실시예 14의 시험 결과를 종합하여 알 수 있다시피, 정극 도전제의 사용량이 동일한 경우, 일정 범위 내에서 탄소 코팅된 리튬 함유 인산염의 흑연화도를 향상시켜 전지의 배율 성능을 향상시키는 데 도움이 되지만, 탄소 코팅된 리튬 함유 인산염의 흑연화도가 추가적으로 증가되는 경우, 전지의 배율 성능, 특히 3C 및 5C 충전 배율 하에 전지의 방전 에너지 유지율이 감소될 수 있다. 따라서, 정극 활성 재료의 흑연화도 및 정극 도전제의 사용량을 합리적으로 조절하여 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 하는 데 도움이 되고, 특히 전지는 우수한 고배율 충전 성능을 가질 수 있다.
실시예 4 및 실시예 18~19의 시험 결과를 종합하여 알 수 있다시피, 정극 시트가 본 출원의 정극 재료 조합을 포함하는 경우, 정극 시트의 면밀도가 증가하여도 전지가 높은 에너지 밀도 및 양호한 배율 성능을 갖도록 할 수 있다. 또한 선행기술의 연구와 상이한 점은 정극 도전제의 사용량을 증가시킬 필요가 없고, 심지어 정극 도전제를 제거할 수 있다.
설명해야 할 것은, 본 출원은 상기 실시형태에 한정되지 않는다. 상기 실시형태는 예시일 뿐이고, 본 출원의 기술적 해결수단 범위 내에서 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용 효과를 발휘하는 실시형태는 모두 본 출원의 기술적 범위 내에 포함된다. 또한, 본 출원의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자가 생각해낼 수 있는 다양한 변형을 실시형태에 가할 수 있고, 실시형태의 일부 구성요소를 조합하여 이룬 다른 실시형태도 본 출원의 범위 내에 포함된다.
부호의 설명은 하기와 같다: 1: 전지 팩; 2: 상부 박스체; 3: 하부 박스체; 4: 전지 모듈; 5: 전지 셀; 51: 케이스; 52: 전극 어셈블리; 53: 커버 플레이트.

Claims (21)

  1. 정극 활성 재료 및 옵션으로서의 정극 도전제를 포함하는 정극 재료 조성물에 있어서,
    상기 정극 활성 재료는 코어부 및 상기 코어부의 적어도 일부 표면에 위치하는 쉘부를 포함하고, 상기 코어부는 리튬 함유 인산염을 포함하며, 상기 쉘부는 탄소 재료를 포함하고, 상기 정극 활성 재료의 흑연화도를 g1로 기록하며, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 도전제의 질량 백분율을 w1로 기록하고, 10%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤1%인 것인, 정극 재료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.8%이고, 선택적으로, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.6%이며, 보다 선택적으로, 15%≤g1≤48% 및 0%≤w1≤0.4%인 것인, 정극 재료 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.6%이고, 선택적으로, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.4%이며, 보다 선택적으로, 20%≤g1≤45% 및 0%≤w1≤0.2%인 것인, 정극 재료 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    25%≤g1≤50% 및 0%≤w1≤0.2%인 것인, 정극 재료 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    25%≤g1≤50% 및 w1은 0%이고, 선택적으로, 25%≤g1≤40% 및 w1은 0%이며, 보다 선택적으로, 25%≤g1≤35% 및 w1은 0%인 것인, 정극 재료 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 활성 재료의 흑연화도 g1은 X선 회절법으로 얻어지는 것인, 정극 재료 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 활성 재료의 분말 저항률은 0을 초과하고 30Ω·cm 이하이며, 선택적으로 0.5Ω·cm~10Ω·cm이고; 및/또는
    상기 정극 활성 재료 중 탄소 원소의 질량 백분율은 0.5%~5%이며, 선택적으로 1%~3.5%인 것인, 정극 재료 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 활성 재료의 평균 입경 Dv50은 0.5μm~10μm이며, 선택적으로 1μm~4μm이고; 및/또는
    상기 정극 활성 재료의 3t 작용력 하에서의 분말 압축 밀도는 2.5g/cm3 이상이며; 및/또는
    상기 리튬 함유 인산염은 인산철리튬, 인산망간철리튬, 및 상술한 재료를 코팅 및/또는 도핑 개질하여 얻은 복합 재료로부터 선택되는 하나 이상을 포함하고, 선택적으로, 상기 리튬 함유 인산염의 분자식은 LiFe1-x-yMnxMyPO4이며, 0≤x≤1, 0≤y<1이고, M은 Fe, Mn을 제외한 전이 금속 원소 및 비전이 금속 원소로부터 선택되는 하나 이상을 포함하며, 선택적으로 V, Nb, Ti, Co, Ni, Sc, Ge, Mg, Al, Zr, Mn, Hf, Ta, Mo, W, Ru, Ag, Sn 및 Pb로부터 선택되는 하나 이상을 포함하고; 및/또는
    상기 정극 도전제는 초전도성 카본, 도전성 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노섬유로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 정극 재료 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 활성 재료의 질량 백분율 w2는 97.0% 이상이며, 선택적으로 97.0%~98.2%인 것인, 정극 재료 조성물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 재료 조성물은 정극 바인더 및/또는 정극 분산제를 더 포함하고,
    선택적으로, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 바인더의 질량 백분율 w3은 1%~3%이며;
    선택적으로, 상기 정극 재료 조성물 중 상기 정극 분산제의 질량 백분율 w4는 0%~0.5%인 것인, 정극 재료 조성물.
  11. 정극 집전체 및 상기 정극 집전체에 배치되는 정극 필름층을 포함하는 정극 시트에 있어서,
    상기 정극 필름층은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 정극 재료 조성물을 포함하는, 정극 시트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정극 시트의 면밀도는 300mg/1540.25mm2 이상이며, 선택적으로 410mg/1540.25mm2 이상이고, 450mg/1540.25mm2 이상이며, 500mg/1540.25mm2인 것인, 정극 시트.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 정극 시트의 면밀도를 CW로 기록하고, 단위는 mg/1540.25mm2이며, 상기 정극 시트는 0≤100000×(w1/CW)≤3.4를 만족시키고, 선택적으로, 0≤100000×(w1/CW)≤1.8을 만족시키는 것인, 정극 시트.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 필름층의 두께 H는 70μm~145μm이며, 선택적으로 90μm~138μm인 것인, 정극 시트.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 필름층의 두께를 H로 기록하고, 단위는 μm이며, 상기 정극 시트는 0≤100000×(w1/H)≤14를 만족시키고, 선택적으로, 0≤100000×(w1/H)≤11을 만족시키는 것인, 정극 시트.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 시트의 압축 밀도 PD는 2.55g/cm3 이상이며, 선택적으로 2.58g/cm3 이상이고, 보다 선택적으로 2.60g/cm3 이상인 것인, 정극 시트.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 시트는 상기 정극 집전체와 상기 정극 필름층 사이에 위치하는 도전성 코팅층을 더 포함하고,
    선택적으로, 상기 도전성 코팅층은 도전성 카본 블랙 및 바인더를 포함하며;
    선택적으로, 상기 도전성 코팅층의 두께는 0을 초과하고 2μm 이하인 것인, 정극 시트.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극 시트의 저항은 0.1Ω~1Ω이며, 선택적으로 0.1Ω~0.6Ω이고; 및/또는
    상기 정극 집전체의 두께는 10μm~18μm인 것인, 정극 시트.
  19. 정극 시트의 제조 방법에 있어서,
    정극 슬러리를 공급하고, 상기 정극 슬러리를 정극 집전체의 적어도 하나의 표면에 코팅하며, 건조, 압축 공정을 통해 정극 시트를 얻는 단계를 포함하되, 상기 정극 슬러리는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 정극 재료 조성물 및 용매를 포함하는, 정극 시트의 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 정극 재료 조성물, 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항의 정극 시트 또는 제19항의 정극 시트의 제조 방법으로 제조되는 정극 시트를 포함하는, 전지.
  21. 제20항의 전지를 포함하는, 전기 장치.
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