WO2013157863A1 - 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
WO2013157863A1
WO2013157863A1 PCT/KR2013/003282 KR2013003282W WO2013157863A1 WO 2013157863 A1 WO2013157863 A1 WO 2013157863A1 KR 2013003282 W KR2013003282 W KR 2013003282W WO 2013157863 A1 WO2013157863 A1 WO 2013157863A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
secondary battery
conductive material
metal oxide
coated
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/003282
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이민희
박태진
김대홍
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to JP2015503136A priority Critical patent/JP6169679B2/ja
Priority to EP13777846.0A priority patent/EP2816640B1/en
Priority to CN201380016203.3A priority patent/CN104205426A/zh
Publication of WO2013157863A1 publication Critical patent/WO2013157863A1/ko
Priority to US14/489,894 priority patent/US9786916B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention is a secondary battery electrode and a secondary battery comprising the electrode mixture comprising an electrode active material, a binder and a conductive material is applied to the current collector, the conductive material is coated on the current collector to a thickness of 1 to 80 ⁇ m, Electrode mixture is applied on the conductive material coating layer, and relates to a secondary battery electrode and a secondary battery comprising the same, characterized in that to improve the electrical conductivity.
  • lithium ion secondary batteries use a lithium cobalt composite oxide for the positive electrode and a graphite-based material for the negative electrode.
  • a spinel-structured lithium nickel-based metal oxide is used for the positive electrode.
  • Researches on using lithium titanium oxide or the like as a negative electrode active material have been much progressed.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application after repeated in-depth studies and various experiments, as described later, when coating a conductive material having a predetermined thickness on the current collector, and then applying the electrode mixture on the conductive material coating layer, It was confirmed that the desired effect can be achieved, and the present invention was completed.
  • the present invention is an electrode for secondary batteries in which an electrode mixture including an electrode active material, a binder, and a conductive material is applied to a current collector, wherein a conductive material is coated on the current collector to a thickness of 1 to 80 ⁇ m, and the conductive material is coated. Electrode mixture is applied on the layer, to provide an electrode for secondary batteries, characterized in that to improve the electrical conductivity.
  • Electrode for secondary battery according to the present invention is first coated with a conductive material on the current collector, the electrode mixture is applied, thereby helping to facilitate the electron transfer between the current collector and the electrode active material, thereby improving the electrical conductivity Not only can the internal resistance of the battery be reduced, but the rate characteristic can also be improved.
  • Such a conductive material is not limited as long as it is known in the art as a material that can improve the electrical conductivity, but in detail, one or two or more selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes, graphene, and conductive polymers. Can be.
  • the conductive polymer may be polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polythiophene, poly (p-phenylene vinylene), poly (p-phenylene; p-phenylene), poly One or two selected from the group consisting of (thienylene vinylene), poly (ethylenedioxythiophene), ethylenedioxythiophene, polyisothianaphthence, poly (p-phenylenesulfide; p-phenylenesulfide) It may be more than, but may be one or two or more selected from the group consisting of polyanilyl, polypyrrole, poly acetylene and poly thiophene in detail.
  • the thickness of the coating layer may be 1 to 80 ⁇ m as described above, in detail may be 20 to 70 ⁇ m, more specifically 30 to 60 ⁇ m.
  • the coating layer may be applied with a coating area of 40 to 90% based on the total area of the current collector, and in detail, may be applied with an area of 50 to 80%. If the thickness of the coating layer is too thin or the coating area is too small, it is difficult to expect the improvement of the bonding strength due to the formation of the conductive polymer layer. On the contrary, if the coating layer is too thick or the coating area is large, the internal resistance increases and the performance of the battery is increased. Can be degraded.
  • the coating layer may be formed by applying a mixture containing a conductive polymer on the current collector and then drying.
  • the coating method of the coating layer is not particularly limited and may be various, a typical example may be a spray coating method.
  • the mixture may include a surfactant or the like so that the conductive polymer can be easily adhered to the surface of the current collector, and the conductive polymer and the surfactant may be, for example, in a solution such as NMP. It can be prepared by melting.
  • the electrode may be a cathode including a cathode and / or an anode active material.
  • the positive electrode for a secondary battery is manufactured by applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector, then drying and pressing, and optionally adding a filler to the mixture.
  • the positive electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • stainless steel and aluminum Nickel, titanium, calcined carbon, or a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of aluminum or stainless steel may be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • M is Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, At least one element selected from the group consisting of Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi;
  • A is -1 or -divalent one or more anions.
  • the lithium metal oxide may be represented by the following Chemical Formula 2 in more detail.
  • the lithium metal oxide may be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 or LiNi 0.4 Mn 1.6 O 4 .
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is prepared by coating, drying and pressing the negative electrode active material on the negative electrode current collector, and optionally, the conductive material, binder, filler, etc. may be further included as necessary.
  • the negative electrode current collector is generally made of a thickness of 3 ⁇ 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1;1 ⁇ y ⁇ 3;1 ⁇ z8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as poly
  • M ' is at least one element selected from the group consisting of Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al and Zr; a and b are 0.1 ⁇ a ⁇ 4; Determined according to the oxidation number of M 'in the range of 0.2 ⁇ b ⁇ 4; c is determined depending on the oxidation number in the range of 0 ⁇ c ⁇ 0.2; A is -1 or -divalent one or more anions.
  • the oxide of Formula 3 may be represented by the following formula (4).
  • the lithium metal oxide may be Li 1.33 Ti 1.67 O 4 or LiTi 2 O 4 .
  • LTO lithium titanium oxide
  • the electron structure of the LTO itself may be low, and thus the electrode structure may be the same as described above.
  • the present invention provides a secondary battery having a structure in which a lithium salt-containing electrolyte is impregnated into an electrode assembly having a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m ⁇ m, thickness is generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • a separator for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the lithium salt-containing electrolyte solution is composed of an electrolyte solution and a lithium salt, and the electrolyte solution, but non-aqueous organic solvent, organic solid electrolyte, inorganic solid electrolyte and the like are used, but are not limited thereto.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymerizers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 —LiI-LiOH, Li 3 PO 4 —Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. .
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. Carbonate), PRS (Propene sultone) may be further included.
  • a lithium salt such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2
  • a lithium salt is a linear form of cyclic carbonate of EC or PC, which is a highly dielectric solvent, and DEC, DMC, or EMC, which is a low viscosity solvent.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte can be prepared by adding to a mixed solvent of carbonate.
  • the present invention also provides a battery module including the secondary battery as a unit cell, and provides a battery pack including the battery module.
  • the battery pack may be used as a power source for medium and large devices requiring high temperature stability, long cycle characteristics, high rate characteristics, and the like.
  • Examples of the medium-to-large device include a power tool that is driven by an electric motor; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; Power storage systems and the like, but is not limited thereto.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like
  • Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; Power storage systems and the like, but is not limited thereto.
  • FIG. 2 is a graph measuring a resistance change rate according to SOC (state of charge) during charging of a secondary battery according to Experimental Example 2.
  • Carbon was applied to the entire area of the aluminum current collector to form a 30 nm thick carbon layer. Thereafter, 95% by weight of lithium titanium oxide (negative electrode active material), 2.5% by weight of Super-P (conductor) and 2.5% by weight of PVdF (binder) were added to NMP to prepare a negative electrode mixture, and the current collector on which the carbon layer was formed It was coated on to prepare a negative electrode for a secondary battery.
  • lithium titanium oxide negative electrode active material
  • Super-P conductor
  • PVdF binder
  • a negative electrode for a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that carbon was coated on an aluminum current collector to form a carbon layer having a thickness of 50 nm.
  • a negative electrode for a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that no carbon layer was formed on the aluminum current collector.
  • An electrode assembly was prepared using an anode coated with a cathode mixture prepared by addition and a porous separator made of polypropylene. Thereafter, the electrode assembly was placed in a pouch and the lead wires were connected. Then, an ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solution having a volume ratio of 1: 1 dissolved in 1 M LiPF 6 salt was injected into the electrolyte. It sealed and assembled the lithium secondary battery. The change rate of resistance according to SOC (state of charge) during discharge of the secondary battery was measured and shown in FIG. 1.
  • An electrode assembly was prepared using an anode coated with a cathode mixture prepared by addition and a porous separator made of polypropylene. Thereafter, the electrode assembly was placed in a pouch and the lead wires were connected. Then, an ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solution having a volume ratio of 1: 1 dissolved in 1 M LiPF 6 salt was injected into the electrolyte. It sealed and assembled the lithium secondary battery. A resistance change rate according to SOC (state of charge) during charging of the secondary battery is measured and shown in FIG. 2.
  • the electrode for secondary batteries according to the present invention is coated with a conductive material on a current collector to a predetermined thickness, and the electrode mixture including an electrode active material, a binder and a conductive material is coated on the conductive material coating layer, Since the electrical conductivity is improved to decrease the internal resistance of the battery, excellent rate characteristics can be exhibited.

Abstract

본 발명은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 집전체 상에 전도성 물질이 1 내지 80 ㎛의 두께로 코팅되고, 상기 전도성 물질 코팅 층 위에 전극 합제가 도포되어, 전기 전도도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

전극 및 이를 포함하는 이차전지
본 발명은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지로서, 집전체 상에 전도성 물질이 1 내지 80 ㎛의 두께로 코팅되고, 상기 전도성 물질 코팅 층 위에 전극 합제가 도포되어, 전기 전도도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
종래의 리튬 이온 이차전지는 양극에 리튬 코발트 복합산화물을 사용하고 음극에 흑연계 재료를 사용하는 것이 일반적이지만, 최근에는 종래 사용하는 재료를 벗어나, 스피넬 구조의 리튬 니켈계 금속 산화물을 양극에 사용하거나, 리튬 티타늄 산화물 등을 음극 활물질로 사용하는 것에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극의 리튬 이온이 음극으로 삽입되고 탈리되는 과정을 반복하면서 충전과 방전이 진행된다. 전극 활물질의 종류에 따라 전지의 이론 용량은 차이가 있으나, 대체로 사이클이 진행됨에 따라 충전 및 방전 용량이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 현상은 전지의 충전 및 방전이 진행됨에 따라 발생하는 전극의 부피 변화에 의해 전극 활물질간 또는 전극 활물질과 집전체 사이가 분리되어 상기 활물질이 그 기능을 다하지 못하게 되는 것에 가장 큰 원인이 있다. 또한, 삽입 및 탈리되는 과정에서 음극에 삽입된 리튬 이온이 제대로 빠져 나오지 못하여 음극의 활성점이 감소하게 되고, 이로 인해 사이클이 진행됨에 따라 전지의 충방전 용량 및 수명 특성이 감소하기도 한다.
따라서, 활물질과 집전체 사이의 접착력을 확보하여 전지의 용량을 향상시키면서도, 우수한 전기 전도성을 나타내어 전지의 제반 성능을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 집전체 상에 소정의 두께를 가지는 전도성 물질을 코팅한 뒤, 상기 전도성 물질 코팅층 위에 전극 합제를 도포하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 집전체 상에 전도성 물질이 1 내지 80 ㎛의 두께로 코팅되고, 상기 전도성 물질 코팅 층 위에 전극 합제가 도포되어, 전기 전도도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은 집전체 상에 전도성 물질이 먼저 코팅된 후, 전극 합제가 도포되어, 전도성 물질이 집전체와 전극 활물질 간의 전자이동이 원활하게 이루어지도록 도와주므로, 전기 전도도를 향상시켜 전지의 내부 저항이 감소할 수 있을 뿐만 아니라, 레이트 특성 또한 향상될 수 있다.
이러한 전도성 물질은 전기 전도도를 향상시켜줄 수 있는 물질로 당업계에 알려진 것이라면 제한이 없으나, 상세하게는 흑연, 카본 나노 튜브, 그래핀(graphene), 및 도전성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
이 경우, 상기 도전성 고분자는 고분자는 폴리 아닐린, 폴리 피롤, 폴리 아세틸렌, 폴리 티오펜, 폴리(p-페닐렌 비닐렌; p-phenylene vinylene), 폴리 (p-페닐렌; p-phenylene), 폴리(티에닐렌 비닐렌; thienylene vinylene), 폴리(에틸렌디옥시티오펜; ethylenedioxythiophene), 폴리아소티아나프텐스(polyisothianaphthence), 폴리(p-페닐렌설파이드; p-phenylenesulfide)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 상세하게는 폴리 아닐릴, 폴리 피롤, 폴리 아세틸렌 및 폴리 티오펜으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 코팅층의 두께는 앞서 설명한 바와 같이 1 내지 80 ㎛일 수 있으나, 상세하게는 20 내지 70 ㎛일 수 있고, 더욱 상세하게는 30 내지 60 ㎛일 수 있다. 코팅층은 집전체 전체 면적을 기준으로 40 내지 90 %의 코팅 면적으로 도포될 수 있고, 상세하게는 50 내지 80 %의 면적으로 도포될 수 있다. 이러한 코팅층의 두께가 너무 얇거나 코팅 면적이 적으면, 도전성 고분자 층의 형성에 따른 결합력 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 코팅층이 너무 두텁거나 코팅 면적이 크면, 내부 저항 상승의 폭이 커져 전지의 성능이 저하될 수 있다.
하나의 예에서, 상기 코팅층은 도전성 고분자를 포함하는 혼합물을 집전체상에 도포한 후 건조하는 것으로 형성될 수 있다. 이때, 코팅층의 도포방법은 특별히 제한되지 않고 다양할 수 있으며, 대표적인 예로는 스프레이 코팅법을 들 수 있다. 또한, 상기 혼합물은 도전성 고분자 이외에, 도전성 고분자가 집전체의 표면에 용이하게 밀착될 수 있도록 계면활성제 등을 포함할 수 있으며, 상기 도전성 고분자와 계면활성제 등을, 예를 들어, NMP 등의 용액에 녹이는 것으로 제조될 수 있다.
상기 전극은 양극 활물질을 포함하는 양극 및/또는 음극 활물질을 포함하는 음극일 수 있다.
이차전지용 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 상세하게는 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 금속 산화물을 포함할 수 있다.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고, M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며; A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
상기 리튬 금속 산화물은 더욱 상세하게는, 하기 화학식 2으로 표시될 수 잇다.
LixNiyMn2-yO4 (2)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이다.
상기 리튬 금속 산화물은 좀 더 상세하게는 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4일 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 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≤≤z8) 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 등을 사용할 수 있으나, 상세하게는 하기 화학식 3로 표시되는 리튬 금속 산화물을 사용할 수 있다.
LiaM'bO4-cAc (3)
상기 식에서, M'은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이고; a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M'의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며; c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고; A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
상기 화학식 3의 산화물은 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.
LiaTibO4 (4)
더욱 상세하게는 상기 리튬 금속 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 음극 활물질로 리튬 티타늄 산화물(LTO)를 사용하는 경우, LTO 자체의 전자 전도도가 낮으므로 상기와 같은 전극 구조일 수 있다. 또한, 이 경우, LTO의 높은 전위로 인하여 상대적으로 고전위를 가지는 LiNixMn2-xO4(x = 0.01 ~ 0.6 임)의 스피넬 리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 이차전지를 제공한다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 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); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 실험예 1에 따른 이차전지의 방전시 SOC(state of charge)에 따른 저항 변화율을 측정한 그래프이다; 및
도 2 은 실험예 2에 따른 이차전지의 충전시 SOC(state of charge)에 따른 저항 변화율을 측정한 그래프이다.
<실시예 1>
탄소를 알루미늄 집전체의 전체 면적에 도포하여 30 nm 두께의 탄소 층을 형성하였다. 그 후 리튬 티타튬 산화물(음극 활물질) 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 NMP에 첨가하여 음극 합제를 제조하여, 상기 탄소 층이 형성된 집전체 상에 도포하여 이차전지용 음극을 제조하였다.
<실시예 2>
탄소를 알루미늄 집전체상에 도포하여 50 nm 두께의 탄소 층을 형성한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 음극을 제조하였다.
<비교예 1>
알루미늄 집전체 상에 탄소 층을 형성하지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 음극을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 음극과 LiNi0.5Mn1.5O4(양극 활물질) 90 중량%, Super-P(도전제) 5 중량% 및 PVdF(결합제) 5 중량%를 NMP에 첨가하여 제조한 양극 합제를 코팅한 양극 및 폴리프로필렌으로 제조된 다공성 분리막을 사용하여 전극조립체를 제조하였다. 그 후, 상기 전극조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1 M의 LiPF6 염이 녹아있는 부피비 1 : 1의 에틸렌카보네이트(EC)와 다이메틸카보네이트(DMC) 용액을 전해질로 주입한 다음, 밀봉하여 리튬 이차전지를 조립하였다. 이러한 이차전지의 방전시 SOC(state of charge)에 따른 저항 변화율을 측정하여 하기 도 1에 나타내었다.
도 1에 따르면, 실시예 1 및 2의 전지는 비교예 1의 전지와 비교하여 SOC 50% 기준 저항이 감소한 것을 알 수있다.
<실험예 2>
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 음극과 LiNi0.5Mn1.5O4(양극 활물질) 90 중량%, Super-P(도전제) 5 중량% 및 PVdF(결합제) 5 중량%를 NMP에 첨가하여 제조한 양극 합제를 코팅한 양극 및 폴리프로필렌으로 제조된 다공성 분리막을 사용하여 전극조립체를 제조하였다. 그 후, 상기 전극조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1 M의 LiPF6 염이 녹아있는 부피비 1 : 1의 에틸렌카보네이트(EC)와 다이메틸카보네이트(DMC) 용액을 전해질로 주입한 다음, 밀봉하여 리튬 이차전지를 조립하였다. 이러한 이차전지의 충전시 SOC(state of charge)에 따른 저항 변화율을 측정하여 하기 도 2에 나타내었다.
도 2에 따르면, 실시예 1 및 2의 전지는 비교예 1의 전지와 비교하여 SOC 50% 기준 저항이 감소한 것을 알 수있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 집전체 상에 전도성 물질이 소정의 두께로 코팅되고, 상기 전도성 물질 코팅 층 위에 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 도포되므로, 전기 전도도가 향상되어 전지 내부 저항이 감소하므로 우수한 레이트 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 집전체 상에 전도성 물질이 1 내지 80 ㎛의 두께로 코팅되고, 상기 전도성 물질 코팅 층 위에 전극 합제가 도포되어, 전기 전도도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 물질은 흑연, 카본 나노 튜브, 그래핀(graphene), 및 도전성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 도전성 고분자는 폴리 아닐린, 폴리 피롤, 폴리 아세틸렌 및 폴리 티오펜으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  4. 제 1 항에 있어서 상기 전도성 물질의 코팅 두께는 20 내지 70 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  5. 제 4 항에 있어서 상기 전도성 물질의 코팅 두께는 30 내지 60 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 물질의 코팅층은 집전체 전체 면적을 기준으로 40 내지 90 %의 코팅 면적으로 도포되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 양극 또는 음극, 양극 및 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질로 하기 화학식 1로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 금속 산화물을 포함하는 이차전지용 전극:
    LixMyMn2-yO4-zAz (1)
    상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고,
    M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
    A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 2으로 표시되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극:
    LixNiyMn2-yO4 (2)
    상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이다.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 음극은 하기 화학식 3로 표시되는 리튬 금속 산화물을 포함하는 이차전지용 전극:
    LiaM'bO4-cAc (3)
    상기 식에서, M'은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이다.
    a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M'의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며;
    c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고;
    A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극:
    LiaTibO4 (4)
    상기 식에서, 0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5 이다.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 15 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
PCT/KR2013/003282 2012-04-18 2013-04-18 전극 및 이를 포함하는 이차전지 WO2013157863A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015503136A JP6169679B2 (ja) 2012-04-18 2013-04-18 電極及びそれを含む二次電池
EP13777846.0A EP2816640B1 (en) 2012-04-18 2013-04-18 Electrode and secondary battery including same
CN201380016203.3A CN104205426A (zh) 2012-04-18 2013-04-18 电极和包含所述电极的二次电池
US14/489,894 US9786916B2 (en) 2012-04-18 2014-09-18 Electrode and secondary battery including the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120040519 2012-04-18
KR10-2012-0040519 2012-04-18

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/489,894 Continuation US9786916B2 (en) 2012-04-18 2014-09-18 Electrode and secondary battery including the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013157863A1 true WO2013157863A1 (ko) 2013-10-24

Family

ID=49383741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/003282 WO2013157863A1 (ko) 2012-04-18 2013-04-18 전극 및 이를 포함하는 이차전지

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9786916B2 (ko)
EP (1) EP2816640B1 (ko)
JP (1) JP6169679B2 (ko)
KR (2) KR20130117721A (ko)
CN (1) CN104205426A (ko)
WO (1) WO2013157863A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013254585A (ja) * 2012-06-05 2013-12-19 Denso Corp 非水電解液二次電池
KR102058113B1 (ko) * 2015-11-23 2019-12-23 주식회사 엘지화학 접착력이 개선된 리튬 이차전지용 전극 및 이의 제조방법
DE102015224040A1 (de) * 2015-12-02 2017-06-08 Robert Bosch Gmbh Hybridisierte Elektrode für einen Hybridsuperkondensator
KR101979678B1 (ko) * 2016-03-21 2019-05-17 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 집전체의 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 전극 집전체를 포함하는 전극
CN108604670B (zh) * 2016-09-09 2021-03-26 株式会社Lg化学 用于制造二次电池用电极的方法以及由该方法得到的电极
US11217846B2 (en) * 2017-03-16 2022-01-04 Eaglepicher Technologies, Llc Electrochemical cell
KR102314029B1 (ko) * 2017-03-30 2021-10-18 주식회사 엘지에너지솔루션 고로딩 전극의 제조 방법
US11283064B2 (en) 2017-12-27 2022-03-22 Lg Energy Solution, Ltd. Lithium secondary battery
WO2022035531A2 (en) * 2020-07-14 2022-02-17 Celgard, Llc Secondary battery with improved battery separator
WO2023038474A1 (ko) * 2021-09-09 2023-03-16 주식회사 엘지에너지솔루션 전기화학소자용 전극 및 이를 구비한 전기화학소자

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080015162A (ko) * 2006-08-14 2008-02-19 주식회사 엘지화학 도전성 고분자가 균일한 패턴으로 코팅되어 있는 양극 및이를 포함하고 있는 이차전지
US20090263707A1 (en) * 2008-04-16 2009-10-22 Buckley James P High Energy Lithium Ion Secondary Batteries
JP2011081931A (ja) * 2009-10-05 2011-04-21 Hitachi Maxell Ltd リチウムイオン二次電池
KR20110097719A (ko) * 2010-02-24 2011-08-31 주식회사 엘지화학 고용량의 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101120437B1 (ko) * 2006-10-23 2012-03-13 주식회사 엘지화학 도전성 고분자가 균일한 패턴으로 코팅되어 있는 음극 및이를 포함하고 있는 이차전지

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5262254A (en) * 1993-03-30 1993-11-16 Valence Technology, Inc. Positive electrode for rechargeable lithium batteries
US5588971A (en) * 1994-10-19 1996-12-31 Arthur D. Little, Inc. Current collector device and method of manufacturing same
JP2000195523A (ja) * 1998-12-24 2000-07-14 Kao Corp 非水系二次電池
JP5030123B2 (ja) 2000-02-29 2012-09-19 株式会社豊田中央研究所 リチウム二次電池
JP4197237B2 (ja) * 2002-03-01 2008-12-17 パナソニック株式会社 正極活物質の製造方法
US6908711B2 (en) * 2002-04-10 2005-06-21 Pacific Lithium New Zealand Limited Rechargeable high power electrochemical device
FR2890241B1 (fr) 2005-08-25 2009-05-22 Commissariat Energie Atomique Materiau d'electrode positive haute tension de structure spinelle a base de nickel et de manganese pour accumulateurs au lithium
JP5292676B2 (ja) * 2006-06-07 2013-09-18 日産自動車株式会社 双極型電池用電極
CN101174685A (zh) 2007-10-26 2008-05-07 中南大学 一种锂离子电池正极或负极极片及其涂布方法
KR101494435B1 (ko) 2008-01-15 2015-02-23 삼성전자주식회사 전극, 리튬 전지, 전극 제조 방법 및 전극 코팅용 조성물
CN102046742A (zh) * 2008-06-02 2011-05-04 大日精化工业株式会社 涂敷液、电极板制造用涂敷液、底涂剂及其用途
KR101657146B1 (ko) 2008-12-12 2016-09-13 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 하이브리드 나노―탄소 층을 갖는 삼차원 배터리
US20120237824A1 (en) * 2009-09-25 2012-09-20 Daikin Industries, Ltd. Positive electrode current collector laminate for lithium secondary battery
US20120135306A1 (en) 2010-03-29 2012-05-31 Hiroshi Temmyo Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery
KR101322693B1 (ko) 2010-08-27 2013-10-25 주식회사 엘지화학 케이블형 이차전지
CN102104140A (zh) 2010-12-29 2011-06-22 常州华科新能源科技有限公司 动力电池电极及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080015162A (ko) * 2006-08-14 2008-02-19 주식회사 엘지화학 도전성 고분자가 균일한 패턴으로 코팅되어 있는 양극 및이를 포함하고 있는 이차전지
KR101120437B1 (ko) * 2006-10-23 2012-03-13 주식회사 엘지화학 도전성 고분자가 균일한 패턴으로 코팅되어 있는 음극 및이를 포함하고 있는 이차전지
US20090263707A1 (en) * 2008-04-16 2009-10-22 Buckley James P High Energy Lithium Ion Secondary Batteries
JP2011081931A (ja) * 2009-10-05 2011-04-21 Hitachi Maxell Ltd リチウムイオン二次電池
KR20110097719A (ko) * 2010-02-24 2011-08-31 주식회사 엘지화학 고용량의 양극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2816640A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP2816640B1 (en) 2018-02-28
EP2816640A1 (en) 2014-12-24
CN104205426A (zh) 2014-12-10
EP2816640A4 (en) 2015-08-26
KR101793270B1 (ko) 2017-11-02
JP2015515722A (ja) 2015-05-28
US20150004487A1 (en) 2015-01-01
US9786916B2 (en) 2017-10-10
JP6169679B2 (ja) 2017-07-26
KR20130117721A (ko) 2013-10-28
KR20150035881A (ko) 2015-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016148383A1 (ko) 다층 구조 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2015016563A1 (ko) 전해액과 반응을 방지하기 위한 코팅층을 포함하는 전극
WO2013157806A1 (ko) 리튬 이차전지용 전극의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
WO2013157863A1 (ko) 전극 및 이를 포함하는 이차전지
WO2016089099A1 (ko) 저온 성능이 향상된 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2013122352A1 (ko) 수계 바인더를 포함하는 음극을 구비한 리튬 이차전지
WO2012144785A2 (ko) 양극 활물질 및 그것을 포함한 리튬 이차전지
WO2013157883A1 (ko) 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2015053478A1 (ko) 규소계 화합물을 포함하는 이차전지
WO2013157856A1 (ko) 다층구조 전극 및 그 제조방법
WO2014073898A1 (ko) 이차전지 제조 방법
WO2014073833A1 (ko) 이차전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지
WO2013157832A1 (ko) 리튬 이차전지용 전극의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
WO2013157854A1 (ko) 성능이 우수한 리튬 이차전지
WO2014196816A1 (ko) 신규한 이차전지
WO2013157867A1 (ko) 레이트 특성이 향상된 리튬 이차전지
WO2015141997A1 (ko) 양극 활물질과 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2015012640A1 (ko) 에너지 밀도가 향상된 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2015016506A1 (ko) 에너지 밀도가 향상된 전극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2013157811A1 (ko) 리튬 이차전지용 전극의 제조 방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
WO2016209014A1 (ko) 리튬 이차전지의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 리튬 이차전지
KR101495302B1 (ko) 다층구조 전극 및 그 제조방법
WO2013157862A1 (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2015016568A1 (ko) 안전성이 강화된 리튬 이차전지
WO2014073897A1 (ko) 이차전지 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13777846

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013777846

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015503136

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE