WO2015016554A1 - 상이한 전극재 층들을 포함하는 전극 및 리튬 이차전지 - Google Patents

상이한 전극재 층들을 포함하는 전극 및 리튬 이차전지 Download PDF

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lithium
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김경호
엄인성
권지윤
하회진
김일홍
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode and a lithium secondary battery comprising different electrode material layers.
  • a secondary battery is composed of an electrode assembly composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, in a stacked or wound state, embedded in a battery case of a metal can or laminate sheet, and then injected or impregnated with an electrolyte.
  • Such secondary batteries use Mn-rich positive electrode active materials as positive electrode active materials.
  • the Mn-rich active material has high Mn-O content and low conductivity, the battery containing the Mn-rich active material has a low output, and particularly has a low output even at a low temperature.
  • 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 electrode material layer may include a first electrode material layer and a second electrode material layer different from each other in the electrode active material.
  • the electrode according to the present invention can increase the low-temperature output and energy density by including the first electrode material layer and the second electrode material layer different from each other in the electrode active material.
  • the first electrode material layer may be formed on one surface of the current collector, and the second electrode material layer may be formed on the other surface of the current collector.
  • the electrode material layer on one surface of the current collector may include a laminated structure of the first electrode material layer and the second electrode material layer.
  • the electrode material layer on the other surface of the current collector may include a laminated structure of the first electrode material layer and the second electrode material layer.
  • the laminated structure of the electrode material layer on the other surface of the current collector may have a structure symmetrical with the laminated structure of the electrode material layer on one surface of the current collector, based on the current collector.
  • the first electrode material layer may be formed on one surface of the current collector, and the second electrode material layer may be formed on the first electrode material layer.
  • the thickness of the first electrode material layer may be in the range of 30 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, and the thickness of the second electrode material layer may be in the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the first electrode material layer may be formed on a portion of one surface of the current collector, and the second electrode material layer may be formed on another portion of one surface of the current collector that does not overlap the portion.
  • the area ratio of the first electrode material layer and the second electrode material layer may be in a range of 3: 7 or more to 9: 1 or less.
  • the second electrode material layer may have a structure covering the first electrode material layer.
  • the value obtained by subtracting the thickness of the first electrode material layer from the thickness of the second electrode material layer may be in a range of 1 ⁇ m or more to 300 ⁇ m or less.
  • the first electrode material layer or the second electrode material layer are the first electrode material layer or the second electrode material layer.
  • At least one compound selected from the group consisting of a compound represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (2), and a compound represented by the following formula (3) may be included.
  • M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi Is;
  • A is -1 or -divalent one or more anions.
  • M is at least one selected from the group consisting of Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn and bicycle transition metals;
  • A is at least one selected from the group consisting of anions of PO 4 , BO 3 , CO 3 , F and NO 3 ,
  • M '' is at least one selected from Al, Mg, and Ti,
  • X is at least one selected from F, S and N,
  • the first electrode material layer includes, as an electrode active material, at least one lithium metal oxide selected from a compound represented by Formula (1) and a compound represented by Compound (2), and the second electrode material layer is As the electrode active material, lithium metal phosphate represented by the formula (3) may be included.
  • the present invention also provides a lithium secondary battery comprising the electrode as a positive electrode.
  • the lithium secondary battery may include a carbon-based material and / or Si as a negative electrode active material.
  • the lithium secondary battery may be a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, or a lithium polymer battery.
  • the electrode may be an anode or a cathode, and may be manufactured by a manufacturing method including the following processes.
  • Preparing a binder solution by dispersing or dissolving the binder in a solvent
  • Preparing an electrode slurry by mixing the binder solution with an electrode active material and a conductive material;
  • the method may further include drying the rolled electrode.
  • the binder solution manufacturing process is a process of preparing a binder solution by dispersing or dissolving a binder in a solvent.
  • the binder may be all binders known in the art, and specifically, a fluorine resin binder, styrene-butadiene including polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) Rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, rubber-based binder including styrene-isoprene rubber, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, cellulose-based binder including regenerated cellulose, poly It may be a mixture or copolymer of one or two or more binders selected from the group consisting of alcohol-based binders, polyethylene, polyolefin-based binders including polypropylene, polyimide-based binders, polyester-based binders, mussel adhesives, and silane-based binders. .
  • the solvent may be selectively used according to the type of the binder.
  • an organic solvent such as isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water, and the like may be used.
  • PVdF may be dispersed / dissolved in NMP (N-methyl pyrrolidone) to prepare a binder solution for the positive electrode, and SBR (Styrene-Butadiene Rubber) / CMC (Carboxy Methyl Cellulose) may be used. It is also possible to prepare a binder solution for the negative electrode by dispersing / dissolving in.
  • NMP N-methyl pyrrolidone
  • SBR Styrene-Butadiene Rubber
  • CMC Carboxy Methyl Cellulose
  • An electrode slurry may be prepared by mixing / dispersing an electrode active material and a conductive material in the binder solution.
  • the electrode slurry thus prepared may be transferred to a storage tank and stored until the coating process.
  • an electrode slurry can be stirred continuously.
  • the electrode active material may be a positive electrode active material or a negative electrode active material.
  • the electrode active material may include a lithium metal oxide having a spinel structure represented by the following formula (1) as a cathode active material.
  • M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi Is;
  • A is -1 or -divalent one or more anions.
  • the maximum substitution amount of A may be less than 0.2 mol%, and in a specific embodiment of the present invention, A may be at least one anion selected from the group consisting of halogen, S and N, such as F, Cl, Br, and I.
  • the bonding strength with the transition metal is excellent and the structural transition of the compound is prevented, so that the life of the battery can be improved.
  • the amount of substitution of the anion A is too large (t ⁇ 0.2), it is not preferable because the life characteristics are lowered due to the incomplete crystal structure.
  • the oxide of Formula (1) may be a lithium metal oxide represented by the following Formula (2).
  • the lithium metal oxide may be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 or LiNi 0.4 Mn 1.6 O 4 .
  • 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 ⁇ z ⁇ 8); 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 , Metal oxides such as Bi 2 O 5 ;
  • the electrode active material may include a lithium metal oxide as a negative electrode active material, and the lithium metal oxide may be represented by the following general formula (3).
  • 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 0.8 Ti 2.2 O 4 , Li 2.67 Ti 1.33 O 4 , LiTi 2 O 4 , Li 1.33 Ti 1.67 O 4 , Li 1.14 Ti 1.71 O 4, or the like. However, it is not limited only to these.
  • the lithium metal oxide may be Li 1.33 Ti 1.67 O 4 or LiTi 2 O 4 .
  • Li 1.33 Ti 1.67 O 4 has a spinel structure with little change in crystal structure during charge and discharge and excellent reversibility.
  • the lithium metal oxide can be produced by a production method known in the art, for example, can be produced by a solid phase method, hydrothermal method, sol-gel method and the like.
  • the lithium metal oxide may be in the form of secondary particles in which primary particles are aggregated.
  • the particle diameter of the secondary particles may be 200 nm to 30 ⁇ m.
  • the particle diameter of the secondary particles is less than 200 nm, since a large amount of solvent is required in the negative electrode slurry production process, productivity is lowered and it is not preferable because it is difficult to control the water content. If the particle diameter of the secondary particles is more than 30 ⁇ m, the diffusion rate of lithium ions is low, and thus it is difficult to realize high output, which is not preferable.
  • the lithium metal oxide may be included in more than 50% by weight or less than 100% by weight relative to the weight of the entire negative electrode active material.
  • the content of the lithium titanium oxide is 100% by weight based on the total weight of the negative electrode active material, it means a case in which the negative electrode active material is composed of only lithium titanium oxide.
  • the conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • Examples of the conductive agent 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.
  • Filler may be selectively added to the electrode slurry as necessary.
  • the filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • examples of the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, etc. can be used.
  • the process of coating the electrode slurry on the current collector is a process of coating the electrode slurry on the current collector in a predetermined pattern and a constant thickness by passing through a coater head.
  • the method of coating the electrode slurry on the current collector the method of distributing the electrode slurry on the current collector and then uniformly dispersed using a doctor blade, die casting, comma coating ), Screen printing, and the like.
  • the electrode slurry may be bonded to the current collector by pressing or lamination after molding on a separate substrate.
  • the current collector is not particularly limited as long as it has high 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.
  • the positive electrode current collector may form fine concavities and convexities on the surface to strengthen the bonding strength of the positive 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 positive electrode current collector may be a metal current collector including aluminum
  • the negative electrode current collector may be a metal current collector including copper.
  • the electrode current collector may be a metal foil, and may be an aluminum (Al) foil or a copper (Cu) foil.
  • the drying process is a process of removing the solvent and water in the slurry to dry the slurry coated on the metal current collector, in a specific embodiment, is dried within 1 day in a vacuum oven of 50 to 200 °C.
  • a cooling process may be further included, and the cooling process may be slow cooling to room temperature so that the recrystallized structure of the binder is well formed.
  • the electrode may be compressed into a desired thickness by passing it between two hot-rolled rolls. This process is called a rolling process.
  • the preheating process is a process of preheating the electrode before it is introduced into the roll in order to increase the compression effect of the electrode.
  • the electrode after the rolling process is completed as described above may be dried within a day in a vacuum oven at 50 to 200 °C as a range satisfying the temperature of the melting point or more of the binder.
  • the rolled electrode may be cut to a constant length and then dried.
  • a cooling process may be further included, and the cooling process may be slow cooling to room temperature so that the recrystallized structure of the binder is well formed.
  • the polymer membrane is a separator that separates between the positive electrode and the negative electrode.
  • the solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as the separator.
  • the separator 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.
  • olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheet or nonwoven fabric made of glass fiber or polyethylene; Kraft paper or the like is used.
  • Typical examples currently on the market include Celgard series (Celgard R 2400, 2300 (manufactured by Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (manufactured by Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (Tonen or Entek).
  • a gel polymer electrolyte may be coated on the separator to increase battery stability.
  • Representative examples of such gel polymers include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, and the like.
  • the electrode stack may include a jelly-roll electrode assembly (or wound electrode assembly), a stacked electrode assembly (or a stacked electrode assembly), or a stack & folding electrode assembly having a structure known in the art.
  • the stack & folding type electrode assembly is a method of folding or winding a separator sheet after arranging unit cells having a structure in which a separator is interposed between an anode and a cathode on a separator sheet. It can be understood as a concept including a stack & folding type electrode assembly to be manufactured.
  • the electrode laminate may include an electrode laminate having a structure in which any one of an anode and a cathode is laminated by a method such as thermal fusion in a state in which the anode and the cathode are laminated in a structure interposed between the separators.
  • non-aqueous electrolyte a non-aqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
  • nonaqueous electrolyte examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethylmethyl carbonate.
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers 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 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 has a nitride, halides, sulfates, such as Li, such as S-SiS 2 can 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 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4 phenyl lithium borate, imide and the like can be used.
  • 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 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (
  • 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 in order to improve high temperature storage characteristics, a carbon dioxide gas may be further included, and fluoro-ethylene carbonate), propene sultone (PRS), and fluoro-propylene carbonate (FPC).
  • the present invention also provides a battery pack comprising the lithium secondary battery as a unit cell.
  • the present invention also provides a device which uses the battery pack as an energy source.
  • the device may be selected from the group consisting of a mobile phone, a portable computer, a smartphone, a smart pad, a netbook, a light electronic vehicle (LEV), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • a mobile phone a portable computer
  • smartphone a smartphone
  • smart pad a netbook
  • a light electronic vehicle LUV
  • an electric vehicle a hybrid electric vehicle
  • a plug-in hybrid electric vehicle a power storage device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electrode according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 100 includes a current collector 130, a first electrode material layer 110, and a second electrode material layer 120.
  • the first electrode material layer 110 is formed on the bottom surface of the current collector 130, and the second electrode material layer 120 is formed on the top surface of the current collector 130.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • the first electrode material layer 210 is formed on the top surface of the current collector 230, and the second electrode material layer 220 is formed on the top surface of the first electrode material layer 210. Formed.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • the first electrode material layer 310 is formed on the upper right side of the current collector 330, and the second electrode material layer 320 is formed on the upper left side of the current collector 330. Formed.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • the first electrode material layer 410 is formed on a part of the top surface of the current collector 430, and the second electrode material layer 420 is the top of the first electrode material layer 410. While covering the surface, it is formed in another part of the upper surface of the current collector 430.
  • the electrode according to the present invention can increase the low-temperature output and energy density by including the first electrode material layer and the second electrode material layer different from each other in the electrode active material.

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Abstract

본 발명은 전류 집전체 및 상기 전류 집전체 상에 형성되는 전극재 층을 포함하고, 상기 전극재 층은 전극 활물질이 서로 상이한 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 제공한다.

Description

상이한 전극재 층들을 포함하는 전극 및 리튬 이차전지
본 발명은 상이한 전극재 층들을 포함하는 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지 케이스에 내장한 다음 전해질을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.
이 같은 이차전지는 양극 활물질로서, Mn-rich 양극 활물질이 사용된다. 하지만, Mn-rich 활물질은 Mn-O 함유량이 많아서 도전성이 낮으므로, Mn-rich 활물질을 포함하는 전지는 출력이 낮고, 특히 저온에서는 더욱 출력이 낮은 단점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 새로운 전극 및 리튬 이차전지의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 저온 출력 및 에너지 밀도가 증가된 전극 및 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극은,
전류 집전체; 및 상기 전류 집전체 상에 형성되는 전극재 층;을 포함하고,
상기 전극재 층은, 전극 활물질이 서로 상이한 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층을 포함하고 있을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극은, 전극 활물질이 서로 상이한 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층을 포함함으로써, 저온 출력 및 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
상기 제 1 전극재 층은, 전류 집전체의 일면에 형성되고, 상기 제 2 전극재 층은, 전류 집전체의 타면에 형성되어 있을 수 있다.
전류 집전체의 일면의 전극재 층은, 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층의 적층 구조를 포함하고 있을 수 있다.
전류 집전체의 타면의 전극재 층은, 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층의 적층 구조를 포함하고 있을 수 있다.
상기 전류 집전체의 타면의 전극재 층의 적층 구조는, 전류 집전체를 기준으로, 전류 집전체의 일면의 전극재 층의 적층 구조와 대칭인 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 제 1 전극재 층은, 전류 집전체의 일면에 형성되고, 상기 제 2 전극재 층은, 상기 제 1 전극재 층 상에 형성되어 있을 수 있다.
제 1 전극재 층의 두께는, 30 ㎛ 이상 내지 300 ㎛ 이하의 범위 내일 수 있고, 제 2 전극재 층의 두께는, 1 ㎛ 이상 내지 300 ㎛ 이하의 범위 내일 수 있다.
상기 제 1 전극재 층은, 전류 집전체의 일면의 일부에 형성되어 있을 수 있고, 상기 제 2 전극재 층은, 상기 일부와 겹치지 않는 전류 집전체의 일면의 다른 부분에 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전극재 층과 상기 제 2 전극재 층의 면적 비는, 3 : 7 이상 내지 9 : 1 이하의 범위 내일 수 있다.
상기 제 2 전극재 층은, 상기 제 1 전극재 층을 덮는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
제 2 전극재 층의 두께에서 제 1 전극재 층의 두께를 뺀 값은, 1 ㎛ 이상 내지 300 ㎛ 이하의 범위 내일 수 있다.
상기 제 1 전극재 층 또는 제 2 전극재 층은,
전극 활물질로서, 하기 화학식 (1)로 표현되는 화합물, 하기 화학식 (2)로 표현되는 화합물, 및 하기 화학식 (3)으로 표현되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 각각 포함하고 있을 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.
(1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’ (2)
상기 식에서,
M’은 MnaMb이고;
M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
0<x<1; 0<y≤0.02; 0<y’≤0.02; 0.5≤a≤1.0; 0≤b≤0.5; a + b = 1 이다.
Li1+a Fe1-x M''x(PO4-b) Xb (3)
상기 식에서,
M''은 Al, Mg 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상이고,
X는 F, S 및 N 중에서 선택된 1종 이상이며,
-0.5≤a≤+0.5, 0≤x≤0.5, 0≤b≤0.1이다.
상기 제 1 전극재 층은, 전극 활물질로서, 상기 화학식 (1)로 표현되는 화합물 및 상기 화합물(2)로 표현되는 화합물 중에서 선택되는 하나 이상의 리튬 금속 산화물을 포함하고, 상기 제 2 전극재 층은, 전극 활물질로서, 상기 화학식 (3)으로 표현되는 리튬 금속 인산화물을 포함하고 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극을 양극으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 리튬 이차전지는, 음극 활물질로서, 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함하고 있을 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, 리튬 이온 전지일 수 있고, 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있고, 리튬 폴리머 전지일 수 있다.
상기 전극은, 양극 또는 음극일 수 있고, 하기의 과정들을 포함하는 제조방법으로 제조할 수 있다.
상기 전극 제조방법은,
바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정;
상기 바인더 용액과 전극 활물질 및 도전재를 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 과정;
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정;
전극을 건조하는 과정; 및
전극을 일정한 두께로 압축하는 과정을 포함한다.
경우에 따라서는, 압연한 전극을 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 바인더 용액 제조 과정은, 바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정이다.
상기 바인더는, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는불소 수지계 바인더, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더, 폴리 알코올계 바인더, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더, 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 홍합 접착제, 실란계 바인더로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2 종 이상의 바인더들의 혼합물이거나 공중합체일 수 있다.
상기 용매는, 바인더의 종류에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 예를 들어, 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등의 유기 용매와 물 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 구체적인 실시예로서, PVdF를 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 분산/용해시켜 양극용 바인더 용액을 제조할 수도 있고, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)/CMC(Carboxy Methyl Cellulose)를 물에 분산/용해시켜 음극용 바인더 용액을 제조할 수도 있다.
전극 활물질 및 도전재를 상기 바인더 용액에 혼합/분산시켜서 전극 슬러리를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극 슬러리는, 저장 탱크로 이송하여 코팅 과정 이전까지 보관할 수 있다. 상기 저장 탱크 내에서는, 전극 슬러리가 굳는 것을 방지하기 위하여, 계속하여 전극 슬러리를 교반할 수 있다.
상기 전극 활물질은, 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 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-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 비제한적인 실시예에서, 상기 전극 활물질은 양극 활물질로서, 하기 화학식 (1)로 표현되는 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.
A의 최대 치환량은 0.2 몰%미만일 수 있으며, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 A는 F, Cl, Br, I 과 같은 할로겐, S 및 N으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 음이온일 수 있다.
이러한 음이온들의 치환에 의해 전이금속과의 결합력이 우수해지고 화합물의 구조 전이가 방지되기 때문에, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 반면에, 음이온 A의 치환량이 너무 많으면(t≥0.2) 불완전한 결정구조로 인해 오히려 수명 특성이 저하되므로 바람직하지 않다.
구체적으로, 상기 화학식 (1)의 산화물은 하기 화학식 (2)로 표시되는 리튬 금속 산화물일 수 있다.
LixNiyMn2-yO4 (2)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이다.
보다 구체적으로, 상기 리튬 금속 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4 일 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≤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, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예예서, 상기 전극 활물질은 음극 활물질로서, 리튬 금속 산화물을 포함할 수 있고, 상기 리튬 금속 산화물은 바람직하게는 하기 화학식 (3)으로 표시될 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 (3)의 산화물은 하기 화학식 (4)로 표시될 수 있다.
LiaTibO4 (4)
상기 식에서, 0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5 이다.
상기 리튬 금속 산화물은 Li0.8Ti2.2O4, Li2.67Ti1.33O4, LiTi2O4, Li1.33Ti1.67O4, Li1.14Ti1.71O4 등일 수 있다. 다만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 비제한적인 실시예에서, 상기 리튬 금속 산화물은Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4일 수 있다. Li1.33Ti1.67O4는 충방전시 결정 구조의 변화가 적고 가역성이 우수한 스피넬 구조를 가진다.
상기 리튬 금속 산화물은 당해 업계에서 공지된 제조방법으로 제조할 수 있고, 예를 들어, 고상법, 수열법, 졸-겔 법 등으로 제조할 수 있다.
상기 리튬 금속 산화물은 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태일 수 있다.
상기 2 차 입자의 입경은 200 nm 내지 30 ㎛ 일 수 있다.
2차 입자의 입경이 200 nm 미만이면, 음극 슬러리 제조공정에서 많은 양의 용매를 필요로 하기 때문에 생산성이 저하되고, 수분의 함량을 제어하기 어려우므로 바람직하지 않다. 2차 입자의 입경이 30 ㎛ 초과인 경우에는, 리튬 이온의 확산 속도가 느려서 고출력을 구현하기 어려우므로 바람직하지 않다.
상기 리튬 금속 산화물은 전체 음극 활물질의 중량 대비 50 중량% 이상 내지 100 중량% 이하로 포함되어 있을 수 있다.
리튬 티타늄 산화물의 함량이 전체 음극 활물질 중량 대비 100 중량% 인 경우는, 리튬 티타늄 산화물만으로 음극 활물질이 구성되어 있는 경우를 의미한다.
상기 도전제는, 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 전극 슬러리에는, 필요에 따라 충진제 등이 선택적으로 추가될 수 있다. 상기 충진제는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질 등이 사용될 수 있다.
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정은, 전극 슬러리를 코터(coater) 헤드를 통과시켜 정해진 패턴 및 일정한 두께로 집전체 상에 코팅하는 과정이다.
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 방법은, 전극 슬러리를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 방법, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법 등을 들 수 있다. 또한, 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 전극 슬러리를 집전체와 접합시킬 수도 있다.
상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 구체적으로, 양극 집전체는, 알루미늄을 포함하는 금속 집전체일 수 있고, 음극 집전체는, 구리를 포함하는 금속 집전체일 수 있다. 상기 전극 집전체는 금속 호일일 수 있고, 알루미늄(Al) 호일 또는 구리(Cu) 호일일 수 있다.
상기 건조 공정은, 금속 집전체에 코팅된 슬러리를 건조하기 위하여 슬러리 내의 용매 및 수분을 제거하는 과정으로, 구체적인 실시예에서, 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1 일 이내로 건조한다.
상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 바인더의 재결정 조직이 잘 형성되도록 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다.
코팅 과정이 끝난 전극의 용량 밀도를 높이고 집전체와 활물질들 간의 접착성을 증가시키기 위해서, 고온 가열된 2개의 롤 사이로 전극을 통과시켜 원하는 두께로 압축할 수 있다. 이 과정을 압연과정이라 한다.
상기 전극을 고온 가열된 2개의 롤 사이로 통과시키기 전에, 상기 전극은 예열될 수 있다. 상기 예열 과정은, 전극의 압축 효과를 높이기 위해서 롤로 투입되기 전에 전극을 예열하는 과정이다.
상기와 같이 압연 과정이 완료된 전극은, 바인더의 융점 이상의 온도를 만족하는 범위로서 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1일 이내로 건조할 수 있다. 압연된 전극은 일정한 길이로 절단된 후 건조될 수도 있다.
상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 바인더의 재결정 조직이 잘 형성되도록 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다.
상기 고분자 막은, 양극과 음극 사이를 격리시키는 분리막이고, 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 분리막은 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; 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.
경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등을 들 수 있다.
상기 전극 적층체는, 당해 업계에서 공지된 구조의 젤리-롤형 전극조립체(또는 권취형 전극조립체), 스택형 전극조립체(또는 적층형 전극조립체) 또는 스택 ＆ 폴딩형 전극조립체를 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 스택 ＆ 폴딩형 전극조립체는, 분리막 시트 상에 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 단위셀을 배열한 후, 분리막 시트를 접거나(folding) 권취(winding)하는 방법으로 제조하는 스택 ＆ 폴딩형 전극조립체를 포함하는 개념으로 이해할 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체는, 양극과 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재된 구조로 적층된 상태에서 열융착 등의 방법으로 접합(laminate)되어 있는 구조의 전극 적층체를 포함할 수 있다.
상기 비수계 전해질로는 비수 전해질, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해질로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 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 중합체 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, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해질에는 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), FPC(fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 에너지 원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 구체적으로, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극(100)은 전류 집전체(130)와, 제 1 전극재 층(110)과, 제 2 전극재 층(120)으로 이루어져 있다.
제 1 전극재 층(110)은 전류 집전체(130)의 하단면에 형성되어 있고, 제 2 전극재 층(120)은 전류 집전체(130)의 상단면에 형성되어 있다.
도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 전극재 층(210)은 전류 집전체(230)의 상단면에 형성되어 있고, 제 2 전극재 층(220)은 제 1 전극재 층(210)의 상단면에 형성되어 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 전극재 층(310)은 전류 집전체(330)의 우측 상단면에 형성되어 있고, 제 2 전극재 층(320)은 전류 집전체(330)의 좌측 상단면에 형성되어 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 전극재 층(410)은 전류 집전체(430)의 상단면의 일부에 형성되어 있고, 제 2 전극재 층(420)은 제 1 전극재 층(410)의 상단면을 덮으면서, 전류 집전체(430)의 상단면의 다른 일부에 형성되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극은, 전극 활물질이 서로 상이한 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층을 포함함으로써, 저온 출력 및 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 전류 집전체; 및 상기 전류 집전체 상에 형성되는 전극재 층;을 포함하고,
    상기 전극재 층은, 전극 활물질이 서로 상이한 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극재 층은, 전류 집전체의 일면에 형성되고, 상기 제 2 전극재 층은, 전류 집전체의 타면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 제 1 항에 있어서, 전류 집전체의 일면의 전극재 층은, 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층의 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  4. 제 3 항에 있어서, 전류 집전체의 타면의 전극재 층은, 제 1 전극재 층과 제 2 전극재 층의 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전류 집전체의 타면의 전극재 층의 적층 구조는, 전류 집전체를 기준으로, 전류 집전체의 일면의 전극재 층의 적층 구조와 대칭인 것을 특징으로 하는 전극.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 전극재 층은, 전류 집전체의 일면에 형성되고, 상기 제 2 전극재 층은, 상기 제 1 전극재 층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  7. 제 6 항에 있어서, 제 1 전극재 층의 두께는, 30 ㎛ 이상 내지 300 ㎛ 이하의 범위 내이고, 제 2 전극재 층의 두께는, 1 ㎛ 이상 내지 300 ㎛ 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극재 층은, 전류 집전체의 일면의 일부에 형성되고, 상기 제 2 전극재 층은, 상기 일부와 겹치지 않는 전류 집전체의 일면의 다른 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 전극재 층과 상기 제 2 전극재 층의 면적 비는, 3 : 7 이상 내지 9 : 1 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 전극재 층은, 상기 제 1 전극재 층을 덮는 것을 특징으로 하는 전극,.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 2 전극재 층의 두께에서 제 1 전극재 층의 두께를 뺀 값은, 1 ㎛ 이상 내지 300 ㎛ 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극재 층 또는 제 2 전극재 층은, 전극 활물질로서, 하기 화학식 (1)로 표현되는 화합물, 하기 화학식 (2)로 표현되는 화합물, 및 하기 화학식 (3)으로 표현되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 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.
    (1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’ (2)
    상기 식에서,
    M’은 MnaMb이고;
    M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
    0<x<1; 0<y≤0.02; 0<y’≤0.02; 0.5≤a≤1.0; 0≤b≤0.5; a + b = 1 이다.
    Li1+a Fe1-x M''x(PO4-b) Xb (3)
    상기 식에서,
    M''은 Al, Mg 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상이고,
    X는 F, S 및 N 중에서 선택된 1종 이상이며,
    -0.5≤a≤+0.5, 0≤x≤0.5, 0≤b≤0.1이다.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 전극재 층은, 전극 활물질로서, 상기 화학식 (1)로 표현되는 화합물 및 상기 화합물(2)로 표현되는 화합물 중에서 선택되는 하나 이상의 리튬 금속 산화물을 포함하고, 상기 제 2 전극재 층은, 전극 활물질로서, 상기 화학식 (3)으로 표현되는 리튬 금속 인산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전극을 양극으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 음극 활물질로서, 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  17. 제 14 항에 따른 리튬 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 16 항에 따른 전지팩을 에너지원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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