WO2018164402A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지 Download PDF

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mesh electrode
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손주희
남정규
서준원
양정엽
엄혜리
이정두
한다운
한주형
홍석헌
김잔디
박봉경
송현화
최솔
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Definitions

  • It relates to an electrode assembly and a lithium battery comprising the same.
  • secondary batteries are batteries that can be charged and discharged, and are widely used in the field of small high-tech electronic devices such as digital cameras, mobile devices, and notebook computers.
  • small high-tech electronic devices such as digital cameras, mobile devices, and notebook computers.
  • medium and large batteries is also being made.
  • development of high-capacity and safe secondary batteries is in progress due to the spread of electric vehicles (EVs).
  • EVs electric vehicles
  • secondary batteries examples include nickel-cadmium batteries, nickel-metal hydride batteries, nickel-hydrogen batteries, and lithium secondary batteries.
  • lithium secondary batteries can be used for high-power EVs by connecting several in series, and have higher operating voltage and superior energy density per unit weight than nickel-cadmium batteries or nickel-metal hydride batteries. Usage is on the rise.
  • One aspect of the present invention is to provide a stacked electrode assembly in which an electrode including a mesh electrode current collector is disposed on the top and / or bottom of the electrode assembly.
  • Another aspect of the present invention is to provide a lithium battery having high capacity and energy density by employing the stacked electrode assembly.
  • a bottom electrode disposed at a bottom of the electrode assembly
  • a top electrode disposed on the top of the electrode assembly
  • At least one unit stack disposed between the lowermost electrode and the uppermost electrode and having a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
  • the bottom electrode or the top electrode is provided with a stacked electrode assembly which is an electrode including a mesh electrode current collector.
  • a lithium battery comprising the stacked electrode assembly.
  • the lithium battery may include a stacked electrode assembly in which an electrode including a mesh electrode current collector is disposed on the top and / or bottom of the electrode assembly, thereby having increased capacity and improved energy density.
  • 1 to 4 are cross-sectional views showing the structure of an electrode assembly according to different embodiments.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a thickness reducing effect of a negative electrode including a mesh electrode current collector, compared to a negative electrode including a non-porous electrode current collector.
  • 6 to 8 are cross-sectional views illustrating structures of electrode assemblies according to different embodiments.
  • 9 to 11 are cross-sectional views illustrating a negative electrode including a mesh electrode current collector, which is applicable to an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for explaining formation of a cathode including a mesh electrode current collector.
  • 13A to 13D are photographs of various types of mesh electrode current collectors.
  • FIG. 14 is a photograph of a mesh electrode current collector having a different number or opening ratio of openings.
  • FIG. 15 is a view showing an electrode including an electrode current collector having a three-dimensional opening in the form of a metal foam as a comparative example of the present invention.
  • a bottom electrode disposed at a bottom of the electrode assembly
  • a top electrode disposed on the top of the electrode assembly
  • At least one unit stack disposed between the lowermost electrode and the uppermost electrode and having a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
  • the bottom electrode or the top electrode is provided with a stacked electrode assembly which is an electrode including a mesh electrode current collector.
  • both the bottom electrode and the top electrode may be electrodes including the mesh electrode current collector.
  • the electrode including the mesh electrode current collector may include an electrode active material positioned on one surface of the mesh electrode current collector.
  • the electrode including the mesh electrode current collector may include an electrode active material positioned on both surfaces of the mesh electrode current collector.
  • the electrode including the mesh electrode current collector may have an asymmetric shape in which the thickness of the electrode active material positioned on one surface and the thickness of the electrode active material positioned on the other surface are different from each other.
  • the electrode including the mesh electrode current collector may further include an electrode active material positioned in an opening of the mesh electrode current collector.
  • the electrode not including the mesh electrode current collector may include a non-porous electrode current collector and an electrode active material disposed on at least one surface of the electrode current collector.
  • the unit stack may have a structure of a bi-cell stacked in the order of a cathode, a separator, a cathode, a separator, and a cathode (or an anode, a separator, a cathode, a separator, and an anode).
  • the mesh electrode current collector may have a form of a metal mesh in which a plurality of openings are two-dimensionally arranged.
  • the mesh electrode current collector is aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni ), Copper (Cu), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), silver (Ag), tungsten (W), platinum (Pt), stainless use stainless (SUS) and combinations thereof It may include at least one.
  • the thickness of the mesh electrode current collector may be 10 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the electrode including the mesh electrode current collector includes an electrode active material located on one surface of the mesh electrode current collector, and the number of openings (ppi) of the mesh electrode current collector is inch. 30) or more, or the aperture ratio of the mesh electrode current collector may be 40% or less.
  • the electrode including the mesh electrode current collector includes an electrode active material located on both sides of the mesh electrode current collector, the number of openings (ppi) of the mesh electrode current collector, the inch (inch) 30 or less per opening, or the opening ratio of the mesh electrode current collector may be 40% or more.
  • a lithium battery including the stacked electrode assembly is provided.
  • a lithium battery is completed by inserting an electrode assembly into a case having a shape of a square, a cylinder, a pouch, or the like, and then injecting an electrolyte solution.
  • the electrode assembly comprises a jelly-roll type (a winding type) and a plurality of positive and negative electrodes having a predetermined size wound between a long sheet-like anode and a cathode through a separator. It may be classified into a stack type (stacked type) which is sequentially stacked so that a separator is interposed therebetween.
  • the outermost electrode that is, the electrode positioned at the top or bottom thereof, may generate an unreacted region in which intercalation / deintercalation of lithium ions does not occur, thereby increasing irreversible capacity.
  • Increasing the irreversible capacity lowers the life characteristics of the lithium battery, so minimization of the irreversible capacity is required.
  • the irreversible capacity is reduced and the energy density is increased. It was confirmed that the battery can be implemented.
  • a bottom electrode disposed at a bottom of the electrode assembly;
  • a top electrode disposed on the top of the electrode assembly;
  • At least one unit stack disposed between the lowermost electrode and the uppermost electrode and having a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
  • a separator disposed between the bottom electrode and the unit stack, and the unit stack and the top electrode.
  • the lowermost electrode or the uppermost electrode is an electrode including a mesh electrode current collector.
  • the electrode may be an anode or a cathode, and electrodes sequentially stacked around the separator may have different polarities.
  • the electrode assembly may have a structure in which the anode, the separator, and the cathode are stacked in this order, or the cathode, the separator, and the anode are stacked.
  • both the bottom electrode and the top electrode may be electrodes including the mesh electrode current collector.
  • the electrode including the mesh electrode current collector of the electrode assembly may further include an electrode active material positioned in an opening of the mesh electrode current collector.
  • the mesh electrode current collector is distinguished from a plain current collector without opening such as a foil-like thin plate, and has a current collector having a plurality of openings arranged two-dimensionally in a sheet-like substrate.
  • An electrode including the mesh electrode current collector may have a structure in which an electrode active material is positioned in an opening of the mesh electrode current collector.
  • other electrodes other than the electrode including the mesh electrode current collector in the electrode assembly may be a non-porous electrode current collector, for example, a non-porous electrode current collector such as a metal sheet and at least one surface of the electrode current collector. It may include an electrode active material disposed in. That is, in the electrode that does not include the mesh electrode current collector, the electrode active material and the current collector are sequentially stacked, and the electrode active material and the current collector have boundaries that are clearly distinguished from each other in the stacking order, so that the inside of the mesh electrode current collector is opened.
  • the structure is different from that of an electrode including a mesh electrode current collector having a structure in which a negative electrode active material or a positive electrode active material is positioned.
  • the irreversible capacity is increased by the lowermost or uppermost electrode. Therefore, in order to solve this problem, it may be considered to use an electrode in which the active material is not disposed at the bottom or the top thereof, that is, an electrode in which the active material is disposed only on one surface of the current collector. In the rolling process, bending of the electrode plate may occur.
  • the unit stack may have a full-cell structure stacked in the order of an anode, a separator, and a cathode (or a cathode, a separator, and an anode).
  • the unit stack may have a bi-cell structure in which a cathode, a separator, an anode, a separator, and a cathode (or an anode, a separator, a cathode, a separator, and an anode) are stacked in this order.
  • the electrode assembly 100 includes a bottom electrode, a top electrode, and one unit stack u1 disposed between the bottom electrode and the top electrode, and referring to FIG. 4.
  • the electrode assembly 100 includes a bottom electrode, a top electrode, and two unit stacks u1 and u2 disposed between the bottom electrode and the top electrode.
  • the lowermost electrode of the electrode assembly 100 may be a cathode 50 including a mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 includes a negative electrode 50 / separator 10 / positive electrode 20, a separator 10, a negative electrode 30, a separator 10, and a positive electrode 20 including a mesh electrode current collector 51. ) May have a structure in which the unit stack u1 / separator 10 / cathode 30 are sequentially stacked.
  • the electrode assembly 100 may include a positive electrode 40 / a separator 10 / a negative electrode 30, a separator 10, a positive electrode 20, and a separator including a mesh electrode current collector. 10) and the unit stack u1 / separator 10 / the anode 20 in which the cathode 30 is sequentially stacked may also have a structure in which the cathode 20 is sequentially stacked.
  • the electrode assembly 100 may be stacked to face electrodes having different polarities with respect to the separator 10.
  • the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 may include a mesh electrode current collector 51 and a negative electrode active material 55 formed on both surfaces of the mesh electrode current collector 51.
  • the positive electrode 20 may include a non-porous positive electrode current collector 22 and a positive electrode active material 24 disposed on both sides of the positive electrode current collector, and the negative electrode 30 may include a non-porous negative electrode current collector 32. It may include a negative electrode active material 34 disposed on both sides of the negative electrode current collector.
  • the top electrode of the electrode assembly 100 may be a cathode 50 including a mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 includes a unit stack in which a cathode 30 / a separator 10 / an anode 20, a separator 10, a cathode 30, a separator 10, and an anode 20 are sequentially stacked ( u1) / separator 10 / the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 may have a stacked structure sequentially.
  • the electrode assembly 100 includes a positive electrode 20 / separator 10 / negative electrode 30, a separator 10, a positive electrode 20, a separator 10, and a negative electrode 30. It may also have a structure in which the positive electrode 40 including the sequentially stacked unit stack u1 / separator 10 / mesh electrode current collector is sequentially stacked.
  • both the bottom electrode and the top electrode of the electrode assembly 100 may be a cathode 50 including a mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 includes a negative electrode 50 / separator 10 / positive electrode 20, a separator 10, a negative electrode 30, a separator 10, and a positive electrode 20 including a mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 may include a positive electrode 40 / a separator 10 / a negative electrode 30, a separator 10, a positive electrode 20, and a separator including a mesh electrode current collector. 10) and the cathode 40 including the unit stack u1 / separator 10 / mesh electrode current collector in which the cathode 30 is sequentially stacked may also be sequentially stacked.
  • the electrode assembly 100 includes a cathode 40 including a mesh electrode current collector 51 and a cathode 40 including a mesh electrode current collector 41 as a lowermost electrode and an uppermost electrode.
  • Two unit stacks u1 and u2 may be included.
  • the electrode assembly 100 includes a negative electrode 50 / separator 10 / positive electrode 20, a separator 10, a negative electrode 30, a separator 10, and a positive electrode 20 including a mesh electrode current collector 51.
  • the anode 40 including the (u2) / separator 10 / mesh electrode current collector 41 may be sequentially stacked.
  • the positive electrode 40 including the mesh electrode current collector 41 may include a mesh electrode current collector 41 and a positive electrode active material 45 formed on both surfaces of the mesh electrode current collector 41.
  • the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 may include a mesh electrode current collector 51 and a negative electrode active material 55 formed on both surfaces of the mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 may include a positive electrode 40 / a separator 10 / a negative electrode 30, a separator 10, a positive electrode 20, and a separator including a mesh electrode current collector. 10) and the unit stack (u1) / separator 10 / anode 20, the separator 10, the cathode 30, the separator 10 and the anode 20 is sequentially stacked It may also have a structure in which the negative electrode 50 including the unit stack (u2) / separator 10 / mesh electrode current collector is stacked in this order.
  • FIG. 1 to 4 illustrate an electrode assembly including only one or two unit stacks u1 and u2, an electrode assembly including three or more unit stacks is also possible.
  • the electrode assembly may be employed.
  • the electrode assembly may be employed. In addition to the reduction of the irreversible capacity of one battery as well as the reduced thickness it can be expected to increase the capacity and energy density of the battery.
  • FIG. 5 is a view illustrating a thickness reducing effect of the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51, compared to the negative electrode 30 including the non-porous electrode current collector 32.
  • the negative electrode including the mesh electrode current collector 51 can be reduced to approximately one half level.
  • the reaction region in which the actual lithium ion reaction occurs is the positive electrode ( Since it is limited to one surface of the electrode current collector 32 facing each other, even if the thickness 50 of the negative electrode including the mesh electrode current collector 51 is reduced to half, the performance of the entire battery is not affected.
  • FIG. 5 illustrates a thickness reduction effect of the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 compared to the negative electrode 30 including the non-porous electrode current collector 32, but the non-porous electrode current collector is illustrated in FIG. 5.
  • the anode 40 including the mesh electrode current collector 41 as compared to the anode 20 including the whole 22, the same thickness reduction effect is obtained.
  • both the bottom electrode and the top electrode of the electrode assembly 100 may be a cathode 50 ′ including a mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 includes a negative electrode 50 ′ / separator 10 / positive electrode 20, a separator 10, a negative electrode 30, a separator 10, and a positive electrode including a mesh electrode current collector 51.
  • the cathode 50 ′ including the unit stack u1, the separator 10, and the mesh electrode current collector 51, which are sequentially stacked 20, may be sequentially stacked.
  • the negative electrode 50 'including the mesh electrode current collector 51 shown in FIGS. 6 and 7 is different from the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 shown in FIG. It includes a negative electrode active material 55 located on one surface of the whole (51). That is, the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 illustrated in FIG. 3 includes the negative electrode active material 55 positioned on both surfaces of the mesh electrode current collector 51, but FIGS. 6 and 7.
  • the negative electrode 50 'including the mesh electrode current collector 51 of the negative electrode 50 includes a negative electrode active material 55 positioned on one surface of the mesh electrode current collector 51.
  • the negative electrode active material 55 is disposed on the inner surface of the mesh electrode current collector 51 or the inner surface of the mesh electrode current collector 51 facing the unit stack u1. Is formed. In the embodiment of FIG. 7, the negative electrode active material 55 is formed on the outer surface of the mesh electrode current collector 51 or on the outer surface opposite to the unit stack u1.
  • the mesh electrode current collector 51 is formed.
  • the negative electrode active material 55 formed on one surface of the inner side or the outer side may act in both directions of the mesh electrode current collector 51. That is, the negative electrode active material 55 formed on the outer surface of the mesh electrode current collector 51 that does not directly face the positive electrode 20 of the unit stack u1 is also equivalent to the negative electrode active material 55 formed on the inner surface. Can participate in the electrochemical reaction.
  • the negative electrode active material 55 formed on the inner surface of the mesh electrode current collector 51 directly faces the positive electrode of the unit stack u1 without going through the opening of the mesh electrode current collector 51. It may be more advantageous to increase the battery capacity.
  • the mesh electrode current collector 51 may be disposed relatively inside of the negative electrode active material 55 to avoid direct short circuit with a case (not shown) and may be more advantageous in terms of safety.
  • the electrode assembly 100 includes a positive electrode 40 / a separator 10 / a negative electrode 30, a separator 10, a positive electrode 20, and a separator including a mesh electrode current collector. 10) and the positive electrode 40 including the unit stack (u1) / separator 10 / mesh electrode current collector in which the negative electrode 30 is sequentially stacked may have a structure in which the electrode stacked sequentially, wherein, the mesh electrode
  • the positive electrode 40 including the current collector may include a positive electrode active material 45 formed on one surface of the inner surface facing the unit stack u1 or the outer surface opposite to the unit stack u1. .
  • both the bottom electrode and the top electrode of the electrode assembly 100 may be a cathode 50 ′′ including a mesh electrode current collector 51.
  • the electrode assembly 100 includes a negative electrode 50 ′′ / separator 10 / positive electrode 20, a separator 10, a negative electrode 30, a separator 10, and a positive electrode including a mesh electrode current collector 51.
  • the negative electrode 50 ′′ including the unit stack u1, the separator 10, and the mesh electrode current collector 51 in which the 20 is sequentially stacked may be sequentially stacked.
  • the negative electrode 50 ′′ including the mesh electrode current collector illustrated in FIG. 8 is the same as that of the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 illustrated in FIG. 3. It includes a negative electrode active material 55 located on both sides.
  • the thicknesses t1 and t2 of the negative electrode active materials 55 formed on the inner side and the outer side of the mesh electrode current collector 51 are different from each other.
  • the thickness t1 of the negative electrode active material 55 formed on the inner side facing the unit stack u1 of the mesh electrode current collector 51 is a unit stack of the mesh electrode current collector 51. It may be formed thicker than the thickness t2 of the negative electrode active material 55 formed on the outer surface opposite to (u1). That is, in the embodiment of FIG. 8, the negative electrode 50 ′′ including the mesh electrode current collector 51 is formed on the inner side and the outer side, respectively, and has a negative active material 55 having different thicknesses t1 and t2. It can be formed into an asymmetric structure including).
  • the negative electrode active material 55 is formed on both surfaces of the mesh electrode current collector 51 to improve the adhesion between the negative electrode active material 55 and the mesh electrode current collector 51, the positive electrode 20 of the unit stack u1 is provided.
  • the positive electrode 20 of the unit stack u1 is provided.
  • the negative electrode active material 55 on any one surface of the mesh electrode current collector 51, for example, an inner side surface thereof.
  • the negative electrode active material 55 can penetrate through the opening of the mesh electrode current collector 51 and seep into the outer surface of the mesh electrode current collector 51.
  • the negative electrode active materials 55 having different thicknesses t1 and t2 formed by using screen printing may be formed by pressing them on both sides of the mesh electrode current collector 51 and bonding them together.
  • FIG. 8 only the cathode 50 ′′ including the mesh electrode current collector 51 is illustrated. However, the technical features described above may be equally applied to the anode 40 including the mesh electrode current collector 41. Can be.
  • FIGS. 9 to 11 are cross-sectional views schematically illustrating cathodes 150, 250, and 350 including mesh electrode current collectors 52 and 53, which are applicable to a stacked electrode assembly according to an exemplary embodiment.
  • the cathodes 150, 250 and 350 including the mesh electrode current collectors 52 and 53 may include two or more mesh electrode current collectors 52 and 53 spaced apart from each other.
  • the cathodes 150, 250, and 350 including the mesh electrode collectors 52 and 53 may be two or more mesh electrode collectors 52 and 53 spaced apart from each other and parallel to each other in the thickness direction of the cathodes 150, 250 and 350. It may include.
  • the overall electrical conductivity of the cathodes 150, 250 and 350 may be improved, and the anode active material 55 may be more firmly fixed. Can be. Improvements in electrical conductivity can lead to improvements in power and capacity.
  • At least two different mesh electrode current collectors 52 and 53 among the different mesh electrode current collectors 52 and 53 configured in one cathode 150, 250 and 350 may have openings at different positions or have different aperture ratios. It can be formed to have. For example, different mesh electrode current collectors 52, 53 disposed in one cathode 150, 250, 350 may be opened at different positions so as to supplement or supplement electrical conductivity with each other in one cathode 150, 250, 350. Or have different aperture ratios. For example, the adhesive force with the electrode active material 55 can be improved by the mesh electrode current collector 52 having a relatively low aperture ratio, and the mesh electrode current collector 53 having a relatively high aperture ratio can be used for a plurality of times.
  • the electrode active material 55 By accommodating the electrode active material 55 in the opening, it is possible to supplement the electrical conductivity while reducing the loading amount of the electrode active material 55 by including two or more mesh electrode current collectors 52 and 53.
  • the mesh electrode current collector 52 having a relatively low aperture ratio
  • the mesh is dense so that the electrode active material 55 is not filled well
  • the mesh electrode current collector 53 having a relatively high aperture ratio
  • one cathode 150, 250 may include two different mesh electrode current collectors 52, 53, and in the embodiment of FIG. 11, one cathode 350.
  • the silver may include three different mesh electrode current collectors 52 and 53.
  • the two mesh electrode current collectors 52, 53 have openings at different positions or are mutually different. It can have a different aperture ratio. For example, as shown in FIG.
  • the mesh electrode current collector 53 having a relatively high aperture ratio is disposed on both sides, so that the entire cathode ( 350 may have a symmetrical structure and may have symmetrical electrical conductivity along the thickness direction of the cathode 350.
  • FIG. 12 is a schematic view for explaining formation of a cathode 50 including a mesh electrode current collector 51.
  • the mesh electrode current collector 51 may be formed in the form of a metal mesh in which a plurality of openings are arranged two-dimensionally, and with respect to both surfaces of the mesh electrode current collector 51,
  • the negative electrode 50 may be formed by press bonding the two negative electrode active materials 55 formed by screen printing in a direction facing each other.
  • the mesh electrode current collector 51 may be formed in a form in which a plurality of strands of metal wires extending in two different directions are woven together. That is, the mesh electrode current collector 51 may have a generally flat plate-like structure, but may not have a completely flat shape but may have a woven fabric shape.
  • the mesh electrode current collector 51 formed as described above may have a plurality of bends in both directions, and may increase adhesion to the electrode active material 55 formed on both surfaces of the mesh electrode current collector 51.
  • the mesh electrode current collector 51 is placed in a bath (not shown) containing a slurry for forming the negative electrode active material 55.
  • the method of forming the negative electrode active material 55 collectively on both surfaces of the mesh electrode collector 51 by immersion is also possible.
  • a coating method of coating the negative electrode active material 55 on one surface of the mesh electrode current collector 51 may be applied. It may be.
  • FIG. 12 only the formation of the cathode 50 including the mesh electrode current collector 51 is illustrated. However, the technical features described above may be equally applied to the anode 40 including the mesh electrode current collector 41. Can be.
  • 13A to 13D are photographs of various types of mesh electrode current collectors.
  • the mesh electrode current collector of the present invention may have a form woven into a wire mesh structure as shown in FIG. 13A, or may have a form woven into a fabric shape as shown in FIG. 13B.
  • the mesh electrode current collector of the present invention may have a form in which a plurality of openings are perforated on a single thin sheet as shown in FIG. 13C.
  • the mesh electrode current collector of the present invention may have irregularly shaped openings as shown in FIG. 13D.
  • the mesh electrode current collector having an irregularly shaped opening may be provided in the form of a nonwoven fabric.
  • the mesh electrode current collector of the present invention may include various types of regular openings as shown in FIGS. 13A to 13C, or may include irregularly openings as shown in FIG. 13D.
  • the mesh electrode current collectors 41 and 51 may have a form in which a plurality of openings are two-dimensionally arranged in a sheet-like substrate as a whole.
  • the mesh electrode current collectors 41 and 51 may have a shape of a metal mesh.
  • the mesh electrode current collectors 41 and 51 may include aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), and cobalt (Co). , Nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), silver (Ag), tungsten (W), platinum (Pt), stainless use stainless (SUS) and their It may include at least one selected from a combination, or may consist of at least one.
  • the mesh electrode current collector 51 When the electrode including the mesh electrode current collector 51 is the cathode 50, the mesh electrode current collector 51 includes a Cu metal mesh, and the electrode including the mesh electrode current collector 41 is an anode ( In the case of 40), the mesh electrode current collector 41 may include an Al metal mesh.
  • the mesh electrode current collector 41 when the electrode including the mesh electrode current collector 51 is the cathode 50, the mesh electrode current collector 51 is a Cu metal mesh, and the electrode includes the mesh electrode current collector 41.
  • the mesh electrode current collector 41 In the case of the anode 40, the mesh electrode current collector 41 may be an Al metal mesh.
  • the thickness of the mesh electrode current collectors 41 and 51 may be 10 ⁇ m to 500 ⁇ m. Specifically, for example, the thickness of the mesh electrode current collector (41, 51) may be 50 ⁇ m to 500 ⁇ m. Specifically, for example, the thickness of the mesh electrode current collectors 41 and 51 may be 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the electrodes 40 and 50 including the mesh electrode current collectors 41 and 51 having the thickness range are employed at the lowermost and / or uppermost portions, the irreversible capacity of the battery can be reduced.
  • the mesh electrode current collectors 41 and 51 may include an opening in an appropriate range for reducing irreversible capacity and realizing a desired battery capacity.
  • FIGS. 14A to 14F are a photograph of a mesh electrode current collector having a different number or opening ratio of openings.
  • the opening size, the number of openings, and the opening ratio of each mesh electrode current collector shown in FIGS. 14A to 14F are shown in Table 1 below.
  • Opening size (inch) Opening Count (ppi) Aperture ratio (%) (a) 1/32 20 52 (b) 1/50 30 41 (c) 1/64 40 36 (d) 0.009 60 31 (e) 0.007 80 31 (f) 0.005 100 30
  • the opening size (inch) means the diameter of the opening or the length of the diagonal
  • the opening number means the number of openings (ppi, pore per inch) per inch (inch). 14
  • the number of openings per inch (ppi) gradually increases from the left side (a) to the right side (f), and the aperture ratio decreases.
  • ppi openings per inch
  • the number or opening ratio of the openings of the mesh electrode current collectors 41 and 51 may include the electrodes 40 and 50 having an electrode active material formed on one surface of the mesh electrode current collectors 41 and 51, and the mesh electrode current collector 41.
  • the first and second electrodes 51 and 51 may be designed to have different ranges from the electrodes 40 and 50 having the electrode active material formed on both surfaces thereof.
  • the electrode active material may include the electrode electrode current collectors 41 and 51 having a relatively high opening ratio (the number of relatively small openings). It can maintain the adhesive force with.
  • the mesh electrode current collectors 41 and 51 having a high aperture ratio (the number of relatively small openings) can increase the loading amount of the electrode active material penetrating into the opening.
  • the electrode active materials formed on both surfaces of the mesh electrode current collectors 41 and 51 may be closely connected to each other through an opening of the mesh electrode current collectors 41 and 51 sufficiently formed to promote an electrochemical reaction. More specifically, as in the embodiment of FIGS.
  • the electrodes 40 and 50 including the mesh electrode current collectors 41 and 51 are located on both sides of the mesh electrode current collectors 41 and 51.
  • the number of openings ppi of the mesh electrode current collectors 41 and 51 is 30 or less per inch or the mesh electrode current collectors 41 and 51.
  • the opening ratio of may be 40% or more.
  • the mesh electrode current collectors 41 and 51 having a relatively low aperture ratio (the number of relatively large openings). It is advantageous to include a good adhesion force with the electrode active material. More specifically, as shown in the embodiments of FIGS. 6 and 7, an electrode active material (eg, a cathode 50 ′) including the mesh electrode current collector 51 is positioned on one surface of the mesh electrode current collector 51. ex.When the negative electrode active material 55 is included, the number of openings (ppi) of the mesh electrode current collector 51 is 30 or more per inch, or the aperture ratio of the mesh electrode current collector 51 is 40. It may be less than or equal to%.
  • the mesh electrode current collector 41, 51 low aperture ratio mesh electrode current collector has a number of openings (ppi) of 30 or more per inch or the aperture ratio of the mesh electrode current collectors 41, 51 is 40% or less.
  • the whole) can maintain the favorable adhesive force with an electrode active material, and can comprise both the electrodes 40 and 50 in which the electrode active material was arrange
  • a mesh electrode current collector (41,51 mesh aperture current collector having a high aperture ratio) of which the number of openings (ppi) is 30 or less per inch or the aperture ratio of the mesh electrode current collector is 40% or more is meshed.
  • the electrodes 40 and 50 may be advantageous to configure the electrodes 40 and 50 in which the electrode active materials are disposed on both surfaces of the electrode current collectors 41 and 51 to maintain good adhesion with the electrode active materials. This is because when the electrode having the electrode active material is disposed only on one surface of the mesh electrode current collectors 41 and 51 with the mesh electrode current collectors 41 and 51 having a relatively high aperture ratio, the adhesive force with the electrode active material may be degraded.
  • an electrode eg, cathodes 150, 250 and 350
  • two different mesh electrode current collectors 52 and 53 may be used. Since the electrode active material can be fixed well by using the electrode, even if the mesh electrode current collector (52,53 high aperture ratio mesh electrode current collector) having a relatively small number of openings or a relatively high aperture ratio, The electrode on which the active material is disposed can be configured.
  • FIG. 15 shows, as a comparative example of the present invention, an electrode 5 including an electrode current collector 2 having three-dimensional pores in the form of metal foam and an electrode active material 4 penetrated into pores of the electrode current collector 2.
  • the electrode 5 of this type since the overall thickness of the electrode 5 is limited by the electrode current collector 2 in the form of a metal foam, the electrode including the mesh electrode current collectors 41 and 51 in the embodiment of the present invention. It has a relatively thick thickness compared to (40, 50).
  • the loading amount of the electrode active material 4 is limited to the volume corresponding to the fine pores of the electrode current collector 2 in the form of metal foam. While the volume is increased by the electrode collector 2 in the form of a relatively thick metal foam, the loading amount of the electrode active material 4 is limited to the volume of the fine pores, thereby limiting the energy density per the same volume and the energy density is relatively To decrease.
  • the positive electrode 40 including the mesh electrode current collector 41 may be manufactured as follows.
  • the mesh electrode current collector 41 is prepared.
  • a positive electrode active material composition may be prepared by mixing a positive electrode active material, a binder, and optionally a conductive material as a electrode active material in a solvent.
  • the prepared positive electrode active material composition is formed into a layer structure by screen printing and pressed on both sides of the mesh electrode current collector to be bonded or immersed in a bath of the positive electrode active material composition or formed by coating or the like, and then dried to form a mesh.
  • the positive electrode 40 including the electrode current collector 41 may be manufactured.
  • any material commonly used in the art may be used.
  • Li a A 1 - b B b D 2 in the above formula, 0.90 ⁇ a ⁇ 1, and 0 ⁇ b ⁇ 0.5
  • Li a E 1 - b B b O 2 - in the above formula, 0.90 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 0.5, 0 ⁇ c ⁇ 0.05) c D c
  • LiE 2 - b B b O 4 - in the above formula, 0 ⁇ b ⁇ 0.5, 0 ⁇ c ⁇ 0.05) c D c
  • Li a Ni 1- b- c Co b B c D ⁇ (wherein 0.90 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 0.5, 0 ⁇ c ⁇ 0.05, and 0 ⁇ ⁇ 2); Li a Ni 1 -b- c Co
  • A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof
  • B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements or combinations thereof
  • D is O, F, S, P, or a combination thereof
  • E is Co, Mn, or a combination thereof
  • F is F, S, P, or a combination thereof
  • G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof
  • Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof
  • I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof
  • J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
  • LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x 1, 2), LiNi 1 - x Mn x O 2x (0 ⁇ x ⁇ 1), LiNi 1- x- y Co x Mn y O 2 (0 ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ 0.5), FePO 4 and the like.
  • the binder used in the positive electrode active material composition is a component that assists in the bonding between the positive electrode active material and the conductive material, and the positive electrode active material and the current collector, and is added in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the binder may be added in the range of 1 to 30 parts by weight, 1 to 20 parts by weight, or 1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the binder is polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene chloride, polybenzimidazole, polyimide, polyvinylacetate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxide Roxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyaniline, acrylonitrile butadiene styrene, phenolic resin, epoxy resin, polyethylene Terephthalate, polytetrafluoroethylene, polyphenylsulfide, polyamideimide, polyetherimide, polyethylenesulfone, polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polybutylene terephthalate, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) , Sulfonated EPDM, styrene butadiene
  • any one generally used in a lithium battery may be used, and examples thereof include carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber; Metal materials such as metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum and silver; Conductive materials containing conductive polymers such as polyphenylene derivatives or mixtures thereof can be used.
  • the content of the conductive material can be appropriately adjusted. For example, the weight ratio of the cathode active material and the conductive material may range from 99: 1 to 90:10.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • acetone water and the like
  • the solvent may be used in an amount of 1 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. When the content of the solvent is within the above range, the operation for forming the active material is easy.
  • the negative electrode 50 including the mesh electrode current collector 51 the same method as the positive electrode 40 including the mesh electrode current collector 41 is used except that the negative electrode active material is used as the electrode active material. It can be prepared as.
  • the negative electrode active material composition the same binder, conductive material, and solvent may be used as the positive electrode.
  • any material commonly used in the art may be used.
  • it may include one or more selected from the group consisting of lithium metal, metal alloyable with lithium, transition metal oxide, non-transition metal oxide, and carbon material.
  • the metal alloyable with lithium may be Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y alloy (Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, Rare earth elements or combinations thereof, not Si), Sn-Y alloys (Y is an alkali metal, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements or combinations thereof, Sn is Or the like).
  • the transition metal oxide may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, or the like.
  • the non-transition metal oxide may be SnO 2 , SiO x (0 ⁇ x ⁇ 2), or the like.
  • the carbon material may be crystalline carbon, amorphous carbon or a mixture thereof.
  • the crystalline carbons include graphite such as amorphous, plate, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon or hard carbon, mesophase pitch carbide. And fired coke.
  • the positive electrode 20 is manufactured by molding the prepared positive electrode active material composition into a predetermined shape or by applying the non-porous positive electrode current collector 22 to form the positive electrode active material 24 on at least one surface of the current collector.
  • the negative electrode 30 may be manufactured by molding the prepared negative electrode active material composition into a predetermined shape or by applying the non-porous negative electrode current collector 32 to form the negative electrode active material 34 on at least one surface of the current collector. Can be.
  • the non-porous positive electrode and negative electrode current collectors 22 and 32 are not particularly limited as long as they each have high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • it may be made of at least one material selected from aluminum, copper, nickel, titanium, and stainless steel.
  • the surface of the material such as aluminum, copper, nickel, stainless steel, or the like may be surface treated by electroplating or ion deposition with a coating component such as nickel, copper, aluminum, titanium, gold, silver, platinum, palladium, or the like.
  • Nanoparticles may be used as a base material coated on the surface of the main material through a dip or compression method.
  • the current collector may be configured in the form of coating the conductive material as described above on a base made of a non-conductive material.
  • the current collector may have a fine concavo-convex structure formed on a surface thereof, and the concave-convex structure may increase adhesion with an active material to be coated on a substrate.
  • the current collector may generally have a thickness of 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the stacked electrode assembly may be manufactured by sequentially stacking the bottom electrode / separator / one or more unit stacks / separator / top electrode.
  • the positive electrode active material used for each positive electrode may be the same or different, and the negative electrode active material used for each negative electrode may also be the same or different.
  • the separator any of those conventionally used in lithium batteries can be used. In particular, it is suitable that it is low resistance to the ion migration of electrolyte, and is excellent in electrolyte-moisture capability.
  • a material selected from glass fiber, polyester, teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, and combinations thereof may be nonwoven or woven.
  • the separator may have an opening diameter of 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the separator may have a thickness of about 5 ⁇ m to about 300 ⁇ m. Within this range, it is possible to secure safety by internal short circuiting while minimizing the reduction of the capacity of the battery per unit volume.
  • the thickness of the separator may be 8 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the stacked electrode assembly may be placed in a case having a shape of a rectangle, a cylinder, or the like, and then injected with an electrolyte to manufacture a lithium battery.
  • the electrolyte may include a non-aqueous electrolyte and a lithium salt.
  • a non-aqueous electrolyte a non-aqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, and the like can be used.
  • nonaqueous electrolyte examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl.
  • EMC Methyl carbonate
  • GBL gamma-butylo lactone
  • DME 1,2-dimethoxyethane
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polylysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, or ionic dissociation groups. To the polymer can be used.
  • the lithium salt may be used as long as it is commonly used in lithium batteries, and may 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, C 4 F 9 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, lithium chloro borate, lower
  • One or more materials such as aliphatic lithium carbonate, lithium phenyl borate, or imide may be used.
  • the electrolyte may include vinylene carbonate (VC), catechol carbonate (CC), etc. to form and maintain the SEI layer on the surface of the cathode.
  • the electrolyte may include a redox-shuttle type additive such as n-butyl ferrocene, halogen substituted benzene, etc. to prevent overcharging.
  • the electrolyte may include an additive for forming a film, such as cyclohexylbenzene or biphenyl.
  • the electrolyte may include a cation receptor such as a crown ether compound and anion receptor such as a boron compound to improve conduction properties.
  • the electrolyte may add phosphate-based compounds such as trimethyl phosphate (TMP), tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFP), and hexamethoxycyclotriphosphazene (HMTP) as flame retardants.
  • TMP trimethyl phosphate
  • TFP tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate
  • HMTP hexamethoxycyclotriphosphazene
  • the electrolyte may be used to form a stable SEI layer or film on the electrode surface to further improve the safety of the lithium battery, for example tris (trimethylsilyl) phosphate (TMSPa), lithium difluorooxalatoborate (LiFOB), propanesultone (PS), succitonitrile (SN), LiBF 4 such as silane compounds having functional groups capable of forming siloxane bonds, such as acrylic, amino, epoxy, methoxy, ethoxy, vinyl, hexa
  • silazane compounds such as methyldisilazane and the like may further include additives such as propanesultone (PS), succitonitrile (SN) and LiBF 4 .
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2, and the like, are cyclic carbonates of EC or PC, which are highly dielectric solvents, and linear carbonates of DEC, DMC, or EMC, which are low viscosity solvents. It can be added to a mixed solvent of to prepare an electrolyte.
  • the lithium battery may be used in an electric vehicle (EV) because of its excellent life characteristics and high rate characteristics.
  • EV electric vehicle
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicle
  • the lithium battery may be used in electric bicycles, power tools, and all other applications requiring high power, high voltage, and high temperature driving.
  • the lithium battery may be a lithium secondary battery.
  • Cu metal mesh was prepared as a mesh electrode collector.
  • 98% by weight of the negative electrode active material graphite (manufactured by Shanghai Shanshan Co., Ltd.) and 2% by weight of the binder SBR (manufactured by Zeon) were mixed in the solvent N-methylpyrrolidone to prepare a negative electrode active material composition.
  • the prepared negative electrode active material composition was coated on both sides of the Cu metal mesh, and dried to prepare a negative electrode.
  • the positive electrode active material LiCoO 2 manufactured by Umicore
  • conductive material carbon black product name ECP, Lion
  • binder PVdF product name Solef, Solvay
  • solvent N-methylpyrrolidone It mixed in the inside and prepared the positive electrode active material composition.
  • the prepared active material composition was coated, dried, and pressed on both sides of an aluminum foil current collector having a thickness of 15 ⁇ m to prepare a positive electrode having a thickness of 120 ⁇ m.
  • a negative electrode active material composition was prepared by mixing 98% by weight of the negative electrode active material graphite (manufactured by Shanghai Shanshan Co., Ltd.) and 2% by weight of the binder SBR (manufactured by Zeon) in solvent N-methylpyrrolidone.
  • the prepared active material composition was coated, dried, and pressed on both surfaces of a copper foil current collector having a thickness of 10 ⁇ m to prepare a negative electrode having a thickness of 145 ⁇ m.
  • a separator made of a polyethylene (PE) film (manufactured by Toray Co., Ltd.) was prepared, and as shown in FIG. 3, a negative electrode, a separator, a positive electrode, a separator, a negative electrode, a separator, The electrode assembly was manufactured by stacking in the order of the cathode including the prepared positive electrode, the separator and the prepared mesh electrode current collector.
  • PE polyethylene
  • LiPF 6 lithium in a solvent in which ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a volume ratio of 1: 1: 1.
  • the pouch-type lithium secondary battery was manufactured by injecting an electrolyte to which salt was added.
  • Cu metal mesh was prepared as a mesh electrode collector.
  • two different mesh electrode current collectors having openings at different positions or different opening ratios were prepared as the mesh electrode current collectors.
  • the current collector 53 was prepared.
  • the negative electrode active material graphite (manufactured by Shanghai Shanshan Co., Ltd.) and 2% by weight of the binder SBR (manufactured by Zeon) were mixed in the solvent N-methylpyrrolidone to prepare a negative electrode active material composition.
  • the prepared negative electrode active material composition was coated on the Cu metal mesh, and dried to prepare a negative electrode.
  • the negative electrode active material composition is first coated on the mesh electrode current collector 52 having a relatively low aperture ratio of 100 openings per inch (ppi), the number of openings per inch thereon (ppi)
  • the mesh electrode current collector 52 having a relatively high aperture ratio of 40) is disposed, and then the negative electrode active material composition is secondarily coated.
  • the positive electrode and the negative electrode were prepared in the same manner as in Example 1.
  • a separator made of a polyethylene (PE) film (manufactured by Toray Co., Ltd.) was prepared, and as shown in FIG. 3, a negative electrode, a separator, a positive electrode, a separator, a negative electrode, a separator, The electrode assembly was manufactured by stacking in the order of the cathode including the prepared positive electrode, the separator and the prepared mesh electrode current collector.
  • PE polyethylene
  • LiPF 6 lithium in a solvent in which ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed in a volume ratio of 1: 1: 1.
  • the pouch-type lithium secondary battery was manufactured by injecting an electrolyte to which salt was added.
  • a lithium battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a negative electrode was manufactured using a Cu foil current collector instead of the negative electrode including the mesh electrode current collector.
  • the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples were subjected to a constant current up to a charging cutoff voltage of 4.3 V at a current of 0.2 C at 25 ° C.
  • the battery was charged in a constant current mode (CC mode) and charged in a constant voltage mode (CV mode) until the current reached 0.05C rate while maintaining a voltage of 4.3V. Subsequently, it discharged in the constant current mode of 0.2C to the discharge termination voltage of 3.0V. Then, the capacity and energy density of the lithium secondary batteries prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples were measured and shown in Table 2 below.
  • the energy density can be expressed as follows.
  • Electrode including mesh electrode current collector Capacity (mAh) Energy Density (Wh / L) Example 1 One Bottom and top electrodes 79 360
  • Example 2 One Bottom and top electrodes 79 343 Comparative example One none 75 300
  • the present invention can be applied to a battery as an energy source capable of charging and discharging and various devices using the battery as a driving power source.

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Abstract

상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극; 상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극; 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 단위 적층체; 및 상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 적층형 전극 조립체가 개시된다. 상기 적층형 전극 조립체의 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극으로서 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극을 채용하여, 리튬 전지의 용량 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지
전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지에 관한 것이다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 이차 전지는 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서 디지털 카메라, 모바일 기기, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 중대형 전지 개발 또한 이루어지고 있는데, 특히 전기 자동차(EV)의 보급으로 고용량의 안전한 이차 전지의 개발이 진행 중이다.
이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 수 개를 직렬로 연결하여 고출력의 EV용으로 사용될 수 있는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성이 우수하여 사용이 증가되는 추세이다.
따라서, 고용량을 나타내면서 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지에 대한 요구가 있다.
본 발명의 일 측면은 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극을 전극 조립체의 최상부 및/또는 최하부에 배치한 적층형 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 적층형 전극 조립체를 채용함으로써, 용량 및 에너지 밀도가 높은 리튬 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면,
적층형 전극 조립체로서,
상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극;
상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극;
상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 하나 이상의 단위 적층체; 및
상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 적층형 전극 조립체를 포함하는 리튬 전지가 제공된다.
일 구현예에 따른 상기 리튬 전지는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극을 상기 전극 조립체의 최상부 및/또는 최하부에 배치한 적층형 전극 조립체를 포함함으로써, 증가된 용량 및 개선된 에너지 밀도를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 4는 서로 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는, 비다공성(non-porous) 전극 집전체를 포함하는 음극 대비, 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극의 두께 감소 효과를 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 서로 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 적용 가능한, 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극을 나타낸 단면도이다.
도 12는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극의 형성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 13a 내지 도 13d는 다양한 형태의 메쉬 전극 집전체의 사진들이다.
도 14는 서로 다른 오프닝의 개수 또는 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체의 사진이다.
도 15는 본 발명의 비교예로서, 메탈 폼 형태의 3차원적인 오프닝을 갖는 전극 집전체를 포함하는 전극을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 측면에서는,
적층형 전극 조립체로서,
상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극;
상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극;
상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 하나 이상의 단위 적층체; 및
상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체가 제공된다. 일 실시예에 따르면, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 모두가 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 일면 상에 위치된 전극 활물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 양면 상에 위치된 전극 활물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 일면 상에 위치된 전극 활물질의 두께와, 타면 상에 위치된 전극 활물질의 두께가 서로 상이한 비대칭 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝 내에 위치한 전극 활물질을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하지 않는 전극은 비다공성(non-porous) 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 배치된 전극 활물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단위 적층체는 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터 및 음극 (또는 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 바이셀(bi-cell)의 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체는 다수의 오프닝이 2차원적으로 배열된 메탈 메쉬(metal mesh)의 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 은(Ag), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS(Steel use stainless) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체의 두께는 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 일면 상에 위치한 전극 활물질을 포함하고, 상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝의 개수(ppi)가, 인치(inch) 당 30개 이상이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체의 개구율이 40% 이하 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은 상기 메쉬 전극 집전체의 양면 상에 위치한 전극 활물질을 포함하고, 상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝의 개수(ppi)가, 인치(inch) 당 30개 이하이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체의 개구율이 40% 이상 일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 적층형 전극 조립체를 포함하는 리튬 전지가 제공된다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 하기에서 사용된 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
일반적으로 리튬 전지는 각형, 원통형, 파우치형 등의 형상을 갖는 케이스에 전극 조립체를 삽입 후, 전해액을 주입하여 완성된다. 상기 전극 조립체는, 그 구조에 따라, 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취한 젤리롤(jelly-roll) 타입(권취형) 및 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 그 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재되도록 순차적으로 적층한 스택(stack) 타입(적층형)으로 구분될 수 있다.
상기 적층형 전극 조립체에서, 최외각 즉, 최상부 또는 최하부에 위치되는 전극은 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 일어나지 않는 미반응 영역이 생성되어 비가역 용량이 증가될 수 있다. 상기 비가역 용량의 증가는 리튬 전지의 수명 특성을 저하하므로 비가역 용량의 최소화가 요구된다.
이에, 비가역 용량을 최소화할 수 있는 방법을 검토한 결과, 상기 적층형 전극 조립체의 최상부 및/또는 최하부 전극을 전극 조립체의 내부에 위치된 전극들과 다르게 구성함으로써, 비가역 용량이 감소되고 에너지 밀도가 증가된 전지를 구현할 수 있음을 확인하였다.
이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
일 측면에 따른 적층형 전극 조립체는,
상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극; 상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극; 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 하나 이상의 단위 적층체; 및 상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극이다.
여기서, 전극은 양극 또는 음극일 수 있고, 상기 세퍼레이터를 중심으로 순차적으로 적층되는 전극들은 상이한 극성을 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 음극 순으로 적층되거나, 음극, 세퍼레이터, 양극 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 모두가 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극일 수 있다.
상기 전극 조립체 중 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 메쉬 전극 집전체의 오프닝 내에 위치한 전극 활물질을 더 포함할 수 있다.
여기서, 메쉬 전극 집전체는 포일(foil) 형태의 박판과 같은 오프닝이 없는 플레인(plain) 집전체와는 구분되는 것으로, 시트 형태의 기재 내에 2차원적으로 배열되어 있는 다수의 오프닝들을 갖는 집전체를 지칭한다. 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝 내에 전극 활물질이 위치되어 있는 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 전극 조립체 중 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극 외의 다른 전극들은 비다공성(non-porous) 전극 집전체, 예를 들어 금속 박판과 같은 비다공성 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 배치된 전극 활물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하지 않는 전극은 전극 활물질과 집전체가 순차적으로 적층되며, 전극 활물질과 집전체가 적층 순서대로 서로 명확하게 구분되는 경계를 가지므로, 메쉬 전극 집전체의 오프닝 내부에 음극 활물질 또는 양극 활물질이 위치되어 있는 구조를 갖는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극과는 그 구조를 달리한다.
상기 메쉬 전극 집전체를 포함하지 않는 전극만으로 구성된 적층형 전극 조립체의 경우, 전술한 바와 같이, 최하부 또는 최상부 전극에 의하여 비가역 용량이 증가하게 된다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 최하부 또는 최상부에는 활물질이 배치되어 있지 않은 전극, 즉, 집전체의 일면에만 활물질이 배치된 전극을 사용하는 것을 고려할 수 있으나, 상기 집전체의 일면에만 활물질이 배치된 전극은 압연 공정시 극판이 휘는 만곡 현상이 발생할 수 있다.
반면에, 상기와 같이, 최하부 또는 최상부 전극에 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극을 사용한 전지의 경우, 상기 극판 만곡 현상이 일어나지 않으면서도 최상부 또는 최하부 전극에 의한 용량 감소가 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하지 않는 전극만으로 구성된 적층형 전극 조립체를 채용한 전지에 비하여, 전지의 용량 및 에너지 밀도가 증가될 수 있다.
상기 단위 적층체는 양극, 세퍼레이터 및 음극(또는 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 풀 셀(full-cell) 구조를 가질 수 있다.
다르게는, 상기 단위 적층체는 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터 및 음극 (또는 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 바이셀(bi-cell)의 구조를 가질 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 전극 조립체(100)는 최하부 전극, 최상부 전극 및 상기 최하부 전극과 상기 최상부 전극 사이에 배치된 하나의 단위 적층체(u1)를 포함하고, 도 4를 참조하면, 상기 전극 조립체(100)는 최하부 전극, 최상부 전극 및 상기 최하부 전극과 상기 최상부 전극 사이에 배치된 두 개의 단위 적층체(u1,u2)를 포함한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최하부 전극은 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 음극(30)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 양극(20)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
이때, 상기 전극 조립체(100)는 상기 세퍼레이터(10)를 중심으로 상이한 극성을 갖는 전극끼리 마주보도록 적층될 수 있다.
상기 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)은, 메쉬 전극 집전체(51)와, 상기 메쉬 전극 집전체(51)의 양면에 형성된 음극 활물질(55)을 포함할 수 있다. 상기 양극(20)은 비다공성 양극 집전체(22)와 상기 양극 집전체의 양면에 배치된 양극 활물질(24)을 포함할 수 있고, 상기 음극(30)은 비다공성 음극 집전체(32)와 상기 음극 집전체의 양면에 배치된 음극 활물질(34)을 포함할 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최상부 전극은 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 음극(30) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 양극(20) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최하부 전극 및 최상부 전극 모두 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다. 다만, 제조 비용적인 측면과 안정성 측면에서 전극 조립체(100)의 최하부 전극 및 최상부 전극을 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)으로 형성하는 것이 유리할 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)는 최하부 전극 및 최상부 전극으로 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50) 및 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)과 2 개의 단위 적층체(u1, u2)를 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u2) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)은, 메쉬 전극 집전체(41)와, 상기 메쉬 전극 집전체(41)의 양면에 형성된 양극 활물질(45)을 포함할 수 있고, 상기 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)은, 메쉬 전극 집전체(51)와, 상기 메쉬 전극 집전체(51)의 양면에 형성된 음극 활물질(55)을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u2) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
상기 도 1 내지 도 4에는 하나 또는 두 개의 단위 적층체(u1,u2)만을 포함하는 전극 조립체를 도시하였으나, 3 개 이상의 단위 적층체들을 포함하는 전극 조립체 또한 가능하다.
이상에서 설명된 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 상기 최하부 전극 및/또는 최상부 전극이 메쉬 전극 집전체(41,51)를 포함하는 전극(40,50)으로 마련되면, 이러한 전극 조립체를 채용한 전지의 비가역 용량 감소뿐만 아니라 두께 감소로 인하여 전지의 용량 증가 및 에너지 밀도 향상 효과를 기대할 수 있다.
도 5는, 비다공성(non-porous) 전극 집전체(32)를 포함하는 음극(30) 대비, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 두께 감소 효과를 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 비다공성 전극 집전체(32)의 양면에 일정한 두께(t)의 음극 활물질(34)을 형성한 음극(30)과 비교할 때, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 두께(t`)는 대략 1/2 수준으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 비다공성 전극 집전체(32)의 양면에 음극 활물질(34)을 형성한 음극(30)이, 전극 조립체의 최외각에 배치되면, 실제 리튬 이온 반응이 일어나는 반응 영역은, 양극(미도시)과 대면하는 전극 집전체(32)의 일면으로 제한되므로, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극의 두께(50)를 절반 수준으로 줄이더라도 전체 전지의 성능에는 영향이 없다.
도 5에는 비다공성 전극 집전체(32)를 포함하는 음극(30) 대비, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 두께 감소 효과를 보여주는 도면이 도시되어 있으나, 비다공성 전극 집전체(22)를 포함하는 양극(20) 대비, 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)의 경우에도 동일한 두께 감소 효과가 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극 조립체(100)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도면들을 참조하면, 상기 전극 조립체(100)의 최하부 전극 및 최상부 전극 모두 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50`)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50`) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50`)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50`)은, 도 3에 도시된 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)과 달리, 메쉬 전극 집전체(51)의 일면 상에 위치하는 음극 활물질(55)을 포함한다. 즉, 도 3에 도시된 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)은, 메쉬 전극 집전체(51)의 양면 상에 위치하는 음극 활물질(55)을 포함하나, 도 6 및 도 7의 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50`)은, 메쉬 전극 집전체(51)의 일면 상에 위치하는 음극 활물질(55)을 포함한다.
보다 구체적으로, 도 6의 실시형태에서는, 메쉬 전극 집전체(51)의 내측면, 또는 단위 적층체(u1)와 마주하는 메쉬 전극 집전체(51)의 내측면에, 음극 활물질(55)이 형성된다. 도 7의 실시형태에서는, 메쉬 전극 집전체(51)의 외측면, 또는 단위 적층체(u1)와 반대되는 외측면에, 음극 활물질(55)이 형성된다.
도 6 및 도 7의 실시형태에서는, 메쉬 전극 집전체(51)의 오프닝을 통하여 음극 활물질(55)이 메쉬 전극 집전체(51)의 양면을 향하여 개방되어 있으므로, 메쉬 전극 집전체(51)의 내측면 또는 외측면의 어느 일면에 형성된 음극 활물질(55)은 메쉬 전극 집전체(51)의 양면 방향으로 작용할 수 있다. 즉, 단위 적층체(u1)의 양극(20)과 직접적으로 마주하지 않는, 메쉬 전극 집전체(51)의 외측면에 형성된 음극 활물질(55)도, 내측면에 형성된 음극 활물질(55)과 동등하게 전기 화학 반응에 참여할 수 있다.
도 6의 실시형태에서, 메쉬 전극 집전체(51)의 내측면에 형성된 음극 활물질(55)은 메쉬 전극 집전체(51)의 오프닝을 통하지 않고 단위 적층체(u1)의 양극과 직접 마주하므로, 전지 용량의 증가에 보다 유리할 수 있다. 도 7의 실시형태에서, 메쉬 전극 집전체(51)는 음극 활물질(55) 보다 상대적으로 내측에 배치되어 케이스(미도시)와의 직접적인 단락을 피할 수 있고 안전성 측면에서 보다 유리할 수 있다.
한편, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있고, 이때, 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40)은, 단위 적층체(u1)와 마주하는 내측면 또는 단위 적층체(u1)와 반대되는 외측면의 어느 일면 상에 형성된 양극 활물질(45)을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도면들을 참조하면, 상기 전극 조립체(100)의 최하부 전극 및 최상부 전극 모두 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50``)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50``) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(u1) / 세퍼레이터(10) / 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50``)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
도 8에 도시된 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극(50``)은, 도 3에 도시된 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)과 같이, 메쉬 전극 집전체(51)의 양면 상에 위치하는 음극 활물질(55)을 포함한다. 그러나, 도 8의 실시형태에서는, 상기 메쉬 전극 집전체(51)의 내측면 및 외측면에 각각 형성된 음극 활물질(55)의 두께(t1,t2)가 서로 상이하다. 예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(51) 중 단위 적층체(u1)와 마주하는 내측면에 형성된 음극 활물질(55)의 두께(t1)는, 상기 메쉬 전극 집전체(51) 중 단위 적층체(u1)와 반대되는 외측면에 형성된 음극 활물질(55)의 두께(t2) 보다 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 도 8의 실시형태에서, 상기 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50``)은, 각각 내측면과 외측면에 형성되고 서로 다른 두께(t1,t2)의 음극 활물질(55)을 포함하는 비대칭 구조로 형성될 수 있다.
메쉬 전극 집전체(51)의 양면으로 음극 활물질(55)이 형성되어 음극 활물질(55)과 메쉬 전극 집전체(51)의 접착력을 향상시킬 수 있으면서도, 단위 적층체(u1)의 양극(20)과 직접 마주하는 메쉬 전극 집전체(51)의 내측면에 상대적으로 두꺼운 음극 활물질(55)을 형성함으로써, 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 8의 실시형태에서, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50``)의 형성에 대해, 메쉬 전극 집전체(51)의 어느 일면, 예를 들어, 내측면에 음극 활물질(55)을 도포하면서 소정의 압력을 작용함으로써, 음극 활물질(55)이 메쉬 전극 집전체(51)의 오프닝을 통하여 침투하고 메쉬 전극 집전체(51)의 외측면으로 스며들도록 할 수 있다. 또는 스크린 프린팅을 이용하여 형성된 서로 다른 두께(t1,t2)의 음극 활물질(55)을 메쉬 전극 집전체(51)의 양면에 대해 프레스 하여 접합시키는 방식으로 형성될 수도 있다.
도 8에서는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50``)에 대해서만 도시하였으나, 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)에 대해서도 이상에서 설명된 기술적 특징이 동일하게 적용될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극 조립체에 적용 가능한, 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함하는 음극(150,250,350)을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함하는 음극(150,250,350)은, 서로에 대해 이격된 두 개 이상의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함하는 음극(150,250,350)은, 음극(150,250,350)의 두께 방향으로 서로에 대해 이격되고 서로 나란한 두 개 이상의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함할 수 있다. 이렇게 하나의 음극(150,250,350) 내에 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체(52,53)가 구성됨으로써, 음극(150,250,350)의 전체적인 전기 전도도가 향상될 수 있고, 음극 활물질(55)을 보다 견고하게 고정시킬 수 있다. 전기 전도도의 향상은 출력 및 용량의 향상으로 이어질 수 있다. 하나의 음극(150,250,350) 내에 구성되는 서로 다른 메쉬 전극 집전체(52,53) 중 적어도 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체(52,53)는, 서로 다른 위치에 오프닝을 갖거나 또는 서로 다른 개구율을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 음극(150,250,350) 내에서 전기 전도도를 서로 보충 내지 보완할 수 있도록, 하나의 음극(150,250,350) 내에 배치되는 서로 다른 메쉬 전극 집전체(52,53)는 서로 다른 위치에 오프닝을 갖거나 또는 서로 다른 개구율을 가질 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 낮은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52)에 의해 전극 활물질(55)과의 접착력을 향상시킬 수 있으며, 상대적으로 높은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(53)에 의해 다수의 오프닝 내에 전극 활물질(55)을 수용함으로써 두 개 이상의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함함에 따른 전극 활물질(55)의 로딩 양에 영향을 줄이면서도 전기 전도도를 보충할 수 있다. 또한, 상대적으로 낮은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52)의 경우에는 메쉬가 촘촘하여 전극 활물질(55)이 잘 채워지지 않고, 상대적으로 높은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(53)의 경우에는, 전극 활물질(55)이 잘 고정되지 않고 오프닝을 통하여 빠져나갈 수 있으므로, 서로 다른 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52,53)를 조합함으로써, 서로의 특성을 보완할 수 있다.
도 9 및 도 10의 실시형태에서, 하나의 음극(150,250)은, 서로 다른 2 개의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함할 수 있고, 도 11의 실시형태에서, 하나의 음극(350)은, 서로 다른 3 개의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함할 수 있다. 도 11의 실시형태에서, 하나의 음극(350)에 구성되는 3 개의 메쉬 전극 집전체(52,53) 중에서 두 개의 메쉬 전극 집전체(52,53)는 서로 다른 위치에 오프닝을 갖거나 또는 서로 다른 개구율을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11에서 볼 수 있듯이, 상대적으로 낮은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52)를 중심으로, 상대적으로 높은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(53)가 양편으로 배치되어, 전체 음극(350) 구조가 대칭적으로 형성될 수 있고, 음극(350)의 두께 방향을 따라 대칭적인 전기 전도도를 가질 수 있다.
도 9 내지 도 11에서는 서로 다른 두 개 이상의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함하는 음극(50)에 대해서만 도시하였으나, 서로 다른 두 개 이상의 메쉬 전극 집전체를 포함하는 양극(40)에 대해서도 이상에서 설명된 기술적 특징이 동일하게 적용될 수 있다.
도 12는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 형성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도면을 참조하면, 메쉬 전극 집전체(51)는 다수의 오프닝이 2차원적으로 배열된 메탈 메쉬(metal mesh)의 형태로 형성될 수 있고, 이러한 메쉬 전극 집전체(51)의 양면에 대해, 스크린 프린팅으로 형성된 두 층의 음극 활물질(55)을 서로 마주하는 방향으로 프레스 접합하는 방식으로 음극(50)을 형성할 수 있다. 여기서, 메쉬 전극 집전체(51)는 서로 다른 두 방향으로 연장되는 다수 가닥의 금속 와이어가 서로 엮어진 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 메쉬 전극 집전체(51)는 대체로는 평편한 판 상의 구조를 갖지만, 완전히 플랫한 형태로 형성되지 않고, 직물 형상으로 직조된 형태를 가질 수 있다. 이렇게 형성된 메쉬 전극 집전체(51)는 양면 방향으로 다수의 굴곡을 가질 수 있으며, 메쉬 전극 집전체(51)의 양면에 형성되는 전극 활물질(55)과의 접착력을 높일 수 있다.
상기 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 형성을 위한 또 다른 방식으로, 음극 활물질(55)을 형성하기 위한 슬러리가 수용된 욕조(미도시) 내에 메쉬 전극 집전체(51)를 침지시켜서 메쉬 전극 집전체(51)의 양면에 일괄적으로 음극 활물질(55)을 형성하는 방식도 가능하다.
또한, 메쉬 전극 집전체(51)의 일면에 음극 활물질(55)이 형성된 음극(50)의 형성을 위해, 메쉬 전극 집전체(51)의 일면에 음극 활물질(55)을 코팅하는 코팅 방식이 적용될 수도 있다.
도 12에서는 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 형성에 대해서만 도시하였으나, 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)에 대해서도 이상에서 설명된 기술적 특징이 동일하게 적용될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 다양한 형태의 메쉬 전극 집전체의 사진들이다.
본 발명의 메쉬 전극 집전체는, 도 13a와 같이 철망 구조로 엮어진 형태를 가질 수 있고, 또는 도 13b와 같이 직물 형상으로 직조된 형태를 가질 수도 있다. 또한, 본 발명의 메쉬 전극 집전체는, 도 13c와 같이, 단일 박판 시트 상에 다수의 오프닝들이 천공되어 있는 형태를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 메쉬 전극 집전체는 도 13d와 같이, 불규칙적인 형태의 오프닝들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 불규칙적인 형태의 오프닝을 갖는 메쉬 전극 집전체는 부직포 형태로 마련될 수 있다.
본 발명의 메쉬 전극 집전체는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 바와 같이 다양한 형태의 규칙적인 오프닝을 포함하거나 또는 도 13d에 도시된 바와 같이, 불규칙적인 형태의 오프닝을 포함할 수 있다.
상기 메쉬 전극 집전체(41,51)는 전체적으로 시트 형태의 기재 내에 다수의 오프닝이 2차원적으로 배열된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)는 메탈 메쉬(metal mesh)의 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)는, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 은(Ag), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS(Steel use stainless) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 전극이 음극(50)일 경우 상기 메쉬 전극 집전체(51)는 Cu 메탈 메쉬를 포함하고, 상기 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 전극이 양극(40)일 경우 상기 메쉬 전극 집전체(41)는 Al 메탈 메쉬를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 전극이 음극(50)일 경우, 상기 메쉬 전극 집전체(51)는 Cu 메탈 메쉬이고, 상기 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 전극이 양극(40)일 경우, 상기 메쉬 전극 집전체(41)는 Al 메탈 메쉬일 수 있다.
예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 두께는 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 두께는 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 두께는 50㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 상기 두께 범위를 갖는 메쉬 전극 집전체(41,51)를 포함하는 전극(40,50)을 최하부 및/또는 최상부에 채용할 경우 전지의 비가역 용량을 줄일 수 있다.
상기 메쉬 전극 집전체(41,51)는 비가역 용량 감소 및 원하는 전지의 용량의 구현을 위해 적절한 범위의 오프닝을 포함할 수 있다.
도 14는 서로 다른 오프닝의 개수 또는 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체의 사진이다. 도 14의 (a) 내지 (f)에서 보여주는 각각의 메쉬 전극 집전체에 대한 오프닝 크기, 오프닝 개수, 개구율은 이하의 표 1과 같다.
오프닝 크기(inch) 오프닝 개수(ppi) 개구율(%)
(a) 1/32 20 52
(b) 1/50 30 41
(c) 1/64 40 36
(d) 0.009 60 31
(e) 0.007 80 31
(f) 0.005 100 30
상기 표 1에서, 오프닝 크기(inch)는 오프닝의 직경 또는 대각선의 길이를 의미하고, 오프닝 개수는 인치(inch) 당 오프닝의 개수(ppi, pore per inch)를 의미한다. 도 14에서 왼쪽의 (a)에서 오른쪽의 (f)로 가면서 점차로 인치(inch) 당 오프닝의 개수(ppi)는 증가하며, 개구율은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
메쉬 전극 집전체에서 인치(inch) 당 오프닝의 개수(ppi)가 증가한다는 것은, 작은 사이즈의 오프닝이 촘촘하게 배치된다는 것을 의미하는 것이고, 이는 그만큼 개구율이 감소한다는 것을 의미한다.
상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 오프닝의 개수 내지는 개구율은, 해당 메쉬 전극 집전체(41,51)의 일면에 전극 활물질이 형성된 전극(40,50)과, 해당 메쉬 전극 집전체(41,51)의 양면에 전극 활물질이 형성된 전극(40,50)에서 서로 다른 범위로 설계될 수 있다.
메쉬 전극 집전체(41,51)의 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극의 경우에는 상대적으로 높은 개구율(상대적으로 적은 오프닝의 개수)을 갖는 메쉬 전극 집전체(41,51)를 포함하더라도, 전극 활물질과의 접착력을 유지할 수 있다. 또한, 전극 활물질의 고정에 문제가 없는 한도에서, 메쉬 전극 집전체(41,51)는 높은 개구율(상대적으로 적은 오프닝의 개수)을 갖는 것이, 오프닝 내로 침투되는 전극 활물질의 로딩 양을 늘릴 수 있고, 메쉬 전극 집전체(41,51)의 양면에 형성된 전극 활물질이 충분하게 형성된 메쉬 전극 집전체(41,51)의 오프닝을 통하여 서로 긴밀하게 연결되어 전기 화학 반응을 촉진할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3 및 도 4의 실시형태와 같이, 메쉬 전극 집전체(41,51)를 포함하는 전극(40,50)이, 메쉬 전극 집전체(41,51)의 양면 상에 위치한 전극 활물질(45,55)을 포함할 때, 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 오프닝의 개수(ppi)는, 인치(inch) 당 30개 이하이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 개구율은 40% 이상 일 수 있다.
메쉬 전극 집전체(41,51)의 일면에 전극 활물질을 포함하는 전극(40,50)의 경우에는, 상대적으로 낮은 개구율(상대적으로 많은 오프닝의 개수)을 갖는 메쉬 전극 집전체(41,51)를 포함하는 것이 전극 활물질과의 양호한 접착력을 유지하는데 유리하다. 보다 구체적으로, 도 6 및 도 7의 실시형태와 같이, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 전극(ex. 음극 50`)이, 메쉬 전극 집전체(51)의 일면 상에 위치한 전극 활물질(ex. 음극 활물질 55)을 포함할 때, 상기 메쉬 전극 집전체(51)의 오프닝의 개수(ppi)는, 인치(inch) 당 30개 이상이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체(51)의 개구율은 40% 이하 일 수 있다.
달리 말하면, 오프닝의 개수(ppi)가 인치(inch) 당 30개 이상이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체(41,51)의 개구율이 40% 이하인 메쉬 전극 집전체(41,51 낮은 개구율의 메쉬 전극 집전체)는, 전극 활물질과의 양호한 접착력을 유지할 수 있으므로, 메쉬 전극 집전체(41,51)의 양면이나 일면에 전극 활물질이 배치된 전극(40,50)을 모두 구성할 수 있다. 반면에, 오프닝의 개수(ppi)가 인치(inch) 당 30개 이하이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체의 개구율이 40% 이상인 메쉬 전극 집전체(41,51 높은 개구율의 메쉬 전극 집전체)는, 메쉬 전극 집전체(41,51)의 양면에 전극 활물질이 배치된 전극(40,50)을 구성하는 것이 전극 활물질과의 양호한 접착력을 유지하는데 유리할 수 있다. 상대적으로 높은 개구율의 메쉬 전극 집전체(41,51)로, 메쉬 전극 집전체(41,51)의 일면에만 전극 활물질이 배치된 전극을 구성하면, 전극 활물질과의 접착력이 떨어질 수 있기 때문이다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 서로 다른 두 개 이상의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 포함하는 전극(ex. 음극 150,250,350)에서는, 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체(52,53)를 이용하여 전극 활물질을 양호하게 고정할 수 있으므로, 상대적으로 적은 개수의 오프닝을 갖거나 또는 상대적으로 높은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52,53 높은 개구율의 메쉬 전극 집전체)라도, 일면에 전극 활물질이 배치된 전극을 구성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 비교예로서, 메탈 폼 형태의 3차원적인 기공을 갖는 전극 집전체(2)와 전극 집전체(2)의 기공 내에 침투된 전극 활물질(4)을 포함하는 전극(5)을 나타낸 도면이다. 이러한 형태의 전극(5)에서는 전극(5)의 전체 두께가 메탈 폼 형태의 전극 집전체(2)에 의해 제한되므로, 본 발명의 실시형태에서 메쉬 전극 집전체(41,51)를 포함하는 전극(40,50)에 비해 상대적으로 두꺼운 두께를 갖게 된다. 또한, 전극 활물질(4)의 로딩 양이 메탈 폼 형태의 전극 집전체(2)의 미세한 기공에 해당되는 체적으로 제한된다. 상대적으로 두꺼운 메탈 폼 형태의 전극 집전체(2)에 의해 부피가 증가하는 반면에, 전극 활물질(4)의 로딩 양은 미세한 기공의 체적으로 제한되므로, 동일한 체적당의 에너지 밀도를 제한되고 에너지 밀도가 상대적으로 감소하게 된다.
이하, 상기 리튬 전지의 제조 방법을 살펴보기로 한다.
상기 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)은 다음과 같이 제조될 수 있다.
먼저, 메쉬 전극 집전체(41)를 준비한다. 다음으로, 전극 활물질로서 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 용매 중에 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조할 수 있다. 상기 제조된 양극 활물질 조성물을 스크린 프린팅으로 층 구조로 형성하고 메쉬 전극 집전체 상에 양면으로 프레스 하여 접합하거나, 또는 양극 활물질 조성물의 욕조 내에 침지시키거나 또는 코팅 등의 방식으로 형성한 후 건조하여 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)을 제조할 수 있다.
상기 양극 활물질 조성물에 사용되는 양극 활물질로서 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bBbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 -αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3- f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.
예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1 - xMnxO2x(0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), FePO4 등이다.
상기 양극 활물질 조성물에 사용되는 바인더는, 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 양극 활물질과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 예를 들어 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 1 내지 20 중량부, 또는 1 내지 15 중량부의 범위로 바인더를 첨가할 수 있다. 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리벤지미다졸, 폴리이미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아닐린, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌술폰, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 도전재로는 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 예로 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 도전재의 함량은 적당하게 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질 및 도전재의 중량비는 99:1 내지 90:10 범위일 수 있다.
상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부를 사용할 수 있다. 상기 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질을 형성하기 위한 작업이 용이하다.
한편, 메쉬 전극 집전체(51)를 포함하는 음극(50)의 경우에는, 전극 활물질로서 음극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는 상기 메쉬 전극 집전체(41)를 포함하는 양극(40)과 동일한 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 음극 활물질 조성물에서 바인더, 도전재 및 용매는 양극의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다.
상기 음극 활물질로서 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소재로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru,Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu,Ag, Au,Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.
예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.
상기 탄소재는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
다음으로, 양극(20)은 상기 제조된 양극 활물질 조성물을 일정한 형상으로 성형하거나, 비다공성 양극 집전체(22)에 도포하여, 집전체의 적어도 일면에 양극 활물질(24)을 형성시키는 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 음극(30)은 상기 제조된 음극 활물질 조성물을 일정한 형상으로 성형하거나, 비다공성 음극 집전체(32)에 도포하여, 집전체의 적어도 일면에 음극 활물질(34)을 형성시키는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 비다공성 양극 및 음극 집전체(22, 32)는 각각 독립적으로 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 니켈, 티탄, 및 스테인레스 스틸 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다. 상기 알루미늄, 구리, 니켈, 스테리인레스 스틸 등의 소재 표면에는 니켈, 구리, 알루미늄, 티탄, 금, 은, 백금, 팔라듐 등의 코팅 성분으로 전기도금 또는 이온 증착하여 표면처리하거나, 이들 코팅 성분의 나노입자를 딥 또는 압착 등의 방법을 통하여 상기 주 소재의 표면에 코팅처리한 것을 기재로 사용할 수도 있다. 또한, 상기 집전체는 비도전성의 재료로 이루어진 베이스에 위와 같은 도전성 소재를 피복한 형태로 구성될 수도 있다. 상기 집전체는 그 표면에 미세한 요철 구조가 형성된 것일 수 있는데, 이와 같은 요철 구조는 기재 상에 코팅될 활물질과의 접착력을 높일 수 있다. 상기 집전체는 일반적으로 10 ㎛ 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 전술된 실시예에 따라, 최하부 전극/ 세퍼레이터 / 하나 이상의 단위 적층체 / 세퍼레이터 / 최상부 전극을 순차적으로 적층하여 적층형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이때, 각각의 양극에 사용된 양극 활물질은 동일하거나 상이할 수 있고, 각각의 음극에 사용된 음극 활물질 또한 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 세퍼레이터로는, 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 적합하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 그 조합물 중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직조 형태여도 무방하다. 상기 세퍼레이터는 오프닝 직경이 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 세퍼레이터의 두께는 5 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서 단위 부피당 전지의 용량 감소를 최소화 하면서도 내부 단락에 의한 안전성을 확보할 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터의 두께는 8 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
이후, 상기 적층형 전극 조립체를 각형, 원통형 등의 형상을 갖는 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하여 리튬 전지를 제조할 수 있다.
이때 전해질은, 비수계 전해질과 리튬염으로 이루어질 수 있다. 비수계 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 감마-부틸로 락톤(GBL), 1,2-디메톡시에탄(DME), 테트라하이드로푸란(THF), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드(DMSO), 1,3-디옥소란(DOL), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란유도체, 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, 폴리리신, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 또는 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, C4F9SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 리튬 클로로보레이트, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 또는 이미드 등의 물질이 하나 이상 사용될 수 있다.
또한, 상기 전해액에는 음극 표면에 SEI층을 형성하고 이를 유지시키기 위하여 비닐렌 카보네이트(VC), 카테콜 카보네이트(CC) 등을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 과충전을 방지하기 위하여 n-부틸페로센, 할로겐 치환된 벤젠 등의 리독스-셔틀(redox-shuttle)형 첨가제을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 사이클로헥실벤젠, 비페닐 등의 피막 형성용 첨가제를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 전도 특성을 향상시키기 위하여 크라운 에테르계 화합물 등의 양이온 수용체(cation receptor) 및 붕소계 화합물 등의 음이온 수용체(anion receptor)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 난연제로서 트리메틸 포스페이트(TMP), 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트(TFP), 헥사메톡시사이클로트리포스파젠(HMTP) 등의 포스페이트계 화합물을 첨가할 수 있다.
필요에 따라, 상기 전해질은 전극 표면에 안정된 SEI층 또는 피막 형성을 도와 리튬 전지의 안전성을 보다 더 개선시킬 수 있도록, 예를 들어 트리스(트리메틸실릴) 포스페이트(TMSPa), 리튬 디플루오로옥살레이토보레이트(LiFOB), 프로판설톤(PS), 숙시토니트릴(SN), LiBF4, 예컨대 아크릴, 아미노, 에폭시, 메톡시, 에톡시, 비닐 등과 같이 실록산 결합을 형성할 수 있는 관능기를 갖는 실란 화합물, 헥사메틸디실라잔 등의 실라잔 화합물 등, 구체적으로 예를 들어 프로판설톤(PS), 숙시토니트릴(SN), LiBF4 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 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 전해질을 제조할 수 있다.
상기 리튬 전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 상기 리튬전지는 고출력, 고전압 및 고온 구동이 요구되는 전기 자전거, 전동 공구, 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.
상기 리튬 전지는 리튬 이차 전지일 수 있다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
(메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극의 제조)
메쉬 전극 집전체로서 Cu 메탈 메쉬를 준비하였다. 또한, 음극 활물질 흑연(상해샨샨사 제조) 98 중량% 및 바인더 SBR(Zeon사 제조) 2 중량%를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 음극 활물질 조성물을 상기 Cu 메탈 메쉬 상에 양면으로 도포하고, 이를 건조 하여 음극을 제조하였다.
(양극의 제조)
양극 활물질 LiCoO2 (Umicore사 제조) 97.5 중량%, 도전재 카본블랙(제품명 ECP, Lion사 제조) 1중량% 및 바인더 PVdF(제품명 Solef, Solvay사 제조) 1.5 중량% 를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 활물질 조성물을 두께가 15 ㎛인 알루미늄 포일(foil) 집전체의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 120㎛ 두께의 양극을 제조하였다.
(음극의 제조)
음극 활물질 흑연(상해샨샨사 제조) 98 중량% 및 바인더 SBR (Zeon사 제조) 2 중량%를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 활물질 조성물을 두께가 10㎛인 구리 포일 집전체의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 145 ㎛ 두께의 음극을 제조하였다.
(전극 조립체의 제조)
폴리에틸렌(PE) 필름 (Toray사 제조)으로 이루어진 세퍼레이터를 준비하고, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 제조된 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터, 제조된 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터 및 제조된 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극 순으로 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
(리튬 이차 전지의 제조)
상기 전극 조립체를 파우치형 케이스에 내장한 후, 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 및 디메틸카보네이트(DMC)를 1:1:1의 부피비로 혼합한 용매에 1.3 M LiPF6의 리튬염이 첨가된 전해질을 주입하여 파우치형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 2
(서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극의 제조)
메쉬 전극 집전체로서 Cu 메탈 메쉬를 준비하였다. 이때, 상기 메쉬 전극 집전체로서 서로 다른 위치에 오프닝을 갖거나 또는 서로 다른 개구율을 갖는, 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체를 준비하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 인치당 오프닝의 개수(ppi)가 100개인 상대적으로 낮은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52)와 인치당 오프닝의 개수(ppi)가 40개인 상대적으로 높은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(53)를 준비하였다.
또한, 음극 활물질 흑연(상해샨샨사 제조) 98 중량% 및 바인더 SBR(Zeon사 제조) 2 중량%를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 음극 활물질 조성물을 상기 Cu 메탈 메쉬 상에 도포하고, 이를 건조 하여 음극을 제조하였다. 이때, 도 9를 참조하면, 인치당 오프닝의 개수(ppi)가 100개인 상대적으로 낮은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52) 위에 음극 활물질 조성물을 1차 코팅한 후, 그 위에 인치당 오프닝의 개수(ppi)가 40개인 상대적으로 높은 개구율을 갖는 메쉬 전극 집전체(52)를 배치한 다음에, 음극 활물질 조성물을 2차 코팅하였다. 이외에, 양극 및 음극은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(전극 조립체의 제조)
폴리에틸렌(PE) 필름 (Toray사 제조)으로 이루어진 세퍼레이터를 준비하고, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 제조된 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터, 제조된 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터 및 제조된 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극 순으로 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
(리튬 이차 전지의 제조)
상기 전극 조립체를 파우치형 케이스에 내장한 후, 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 및 디메틸카보네이트(DMC)를 1:1:1의 부피비로 혼합한 용매에 1.3 M LiPF6의 리튬염이 첨가된 전해질을 주입하여 파우치형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예
상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 음극 대신, Cu포일 집전체를 사용하여 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 전지를 제조하였다.
평가예: 리튬 전지의 용량 및 에너지 밀도 측정
비가역 용량이 감소되는 지 여부를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 2, 및 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지를 25℃에서 0.2C rate의 전류로 4.3V의 충전 종지 전압(charging cutoffvoltage)까지 정전류 모드(constant currentmode: CC mode)로 충전하고, 4.3V의 전압을 유지하면서 전류가 0.05C rate가 될 때까지 정전압 모드(constant voltage mode: CV mode)로 충전하였다. 이어서, 3.0V의 방전 종지 전압까지 0.2C의 정전류 모드로 방전하였다. 이후, 상기 실시예 1 및 2와 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지의 용량 및 에너지 밀도를 측정하여 이를 이하 표 2에 나타내었다.
여기서, 에너지 밀도는, 이하와 같이 나타내질 수 있다.
Figure PCTKR2018002239-appb-I000001
단위 적층체의 수 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극 용량(mAh) 에너지 밀도(Wh/L)
실시예 1 1 최하부 전극 및 최상부 전극 79 360
실시예 2 1 최하부 전극 및 최상부 전극 79 343
비교예 1 없음 75 300
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 최하부 전극 및 최상부 전극이 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극인 실시예 1 및 2의 경우, 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극이 없는 경우(비교예)에 비하여 용량 및 에너지 밀도 모두가 우수함을 알 수 있다.
본 발명은, 충전 및 방전이 가능한 에너지원으로서의 배터리 및 배터리를 구동 전원으로 사용하는 다양한 기기에 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 적층형 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극;
    상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극;
    상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 하나 이상의 단위 적층체; 및
    상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
    상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 모두가 상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 일면 상에 위치된 전극 활물질을 더 포함하는 적층형 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 양면 상에 위치된 전극 활물질을 더 포함하는 적층형 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 일면 상에 위치된 전극 활물질의 두께와, 타면 상에 위치된 전극 활물질의 두께가 서로 상이한 비대칭 형태를 갖는 적층형 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝 내에 위치한 전극 활물질을 더 포함하는 적층형 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 전극의 두께 방향을 따라 서로에 대해 이격된 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체를 포함하는 적층형 전극 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체는 서로 다른 위치에 오프닝을 포함하는 적층형 전극 조립체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 개의 메쉬 전극 집전체는 서로 다른 개구율을 갖는 적층형 전극 조립체.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 전극의 두께 방향을 따라 서로에 대해 이격된 서로 다른 3 개의 메쉬 전극 집전체를 포함하고,
    상기 서로 다른 3 개의 메쉬 전극 집전체 중에서 적어도 두 개의 메쉬 전극 집전체는 서로 다른 위치의 오프닝이나 서로 다른 개구율을 갖는 적층형 전극 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하지 않는 전극은, 비다공성(non-porous) 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 배치된 전극 활물질을 포함하는 적층형 전극 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단위 적층체는 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터 및 음극 (또는 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 바이셀(bi-cell)의 구조를 갖는 적층형 전극 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체는 다수의 오프닝이 2차원적으로 배열된 메탈 메쉬(metal mesh)의 형태를 갖는 적층형 전극 조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체는, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 은(Ag), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS(Steel use stainless) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 적층형 전극 조립체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체의 두께는 10㎛ 내지 500㎛인 적층형 전극 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 일면 상에 위치한 전극 활물질을 포함하고,
    상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝의 개수(ppi)가 인치(inch) 당 30개 이상이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체의 개구율이 40% 이하인 적층형 전극 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 전극 집전체를 포함하는 전극은, 상기 메쉬 전극 집전체의 양면 상에 위치한 전극 활물질을 포함하고,
    상기 메쉬 전극 집전체의 오프닝의 개수(ppi)가 인치(inch) 당 30개 이하이거나 또는 상기 메쉬 전극 집전체의 개구율이 40% 이상인 적층형 전극 조립체.
  18. 제1 내지 17항에 따른 상기 적층형 전극 조립체를 포함하는 리튬 전지.
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