WO2021020853A1 - 집전체의 양면에 서로 다른 조성의 활물질을 포함하는 음극 합제들이 형성되어 있는 음극을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지, 및 이차전지를 포함하는 디바이스 - Google Patents

집전체의 양면에 서로 다른 조성의 활물질을 포함하는 음극 합제들이 형성되어 있는 음극을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지, 및 이차전지를 포함하는 디바이스 Download PDF

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Definitions

  • the secondary battery is an electric vehicle (EV), hybrid electric vehicle (HEV), plug-in hybrid electric vehicle that is proposed as a solution to air pollution such as existing gasoline vehicles and diesel vehicles that use fossil fuels. It is also attracting attention as a power source such as (Plug-in HEV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid electric vehicle
  • plug-in hybrid electric vehicle plug-in hybrid electric vehicle
  • EV electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • Secondary batteries as power sources such as EVs and HEVs are mainly nickel hydride metal (Ni-MH) secondary batteries, but in recent years, studies using lithium secondary batteries with high energy density, high discharge voltage and output stability have been actively conducted. And some have been commercialized.
  • Ni-MH nickel hydride metal
  • the lithium secondary battery is a cylindrical battery and a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and a pouch-type battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch-shaped case of an aluminum laminate sheet. Classified.
  • the electrode assembly built into the battery case has a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator are interposed between the positive electrode and the negative electrode, and is a power generating device capable of charging and discharging, and a separator is formed between the positive electrode and the negative electrode in a long sheet type coated with an active material
  • a jelly-roll type wound with an interposition a stack type in which a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked in a state interposed on a separator, and a full cell consisting of electrodes of different polarities on both sides (for example, a positive electrode-separator- A unit cell such as a cathode) or a bi-cell (eg, anode-separator-cathode-separator-anode) composed of electrodes of different polarities on both sides is placed on a long sheet-shaped separator and wound into a stack-folding type.
  • the jelly-roll type electrode assembly (hereinafter,'jelly-roll') is easy to manufacture and has high energy per weight, and the market for EVs and HEVs using the jelly-roll as a power source Together, the demand for cylindrical secondary batteries is increasing rapidly.
  • the positive electrode and the negative electrode are generally manufactured by coating an electrode mixture containing an active material on both surfaces of each current collector, and the winding surface is the top surface and the opposite surface is the back surface. At this time, the top surface and the back surface are bound to have different stresses generated by winding.
  • the same active material composition was coated on the top surface and the back surface according to loading, and specifically, in the case of a negative electrode using a mixture of artificial graphite and natural graphite as a negative electrode active material, separation of the coating layer from the side end in the longitudinal direction on the back surface There was a problem that occurred.
  • the negative electrode mixture thus desorbed acts as an impurity inside the secondary battery, causing a problem of deteriorating secondary battery performance.
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art and technical problems that have been requested from the past.
  • an object of the present invention is to prevent the negative electrode mixture of the jelly-roll type electrode assembly from being detached from the negative electrode mixture due to winding by forming a negative electrode mixture containing active materials of different compositions on both sides of the negative electrode current collector.
  • an electrode assembly capable of improving output, capacity, and life characteristics of a secondary battery including the same.
  • Another object of the present invention is to further maximize the above effect by solving problems such as lithium precipitation by adjusting the N/P ratio of the negative electrode and the positive electrode.
  • the negative electrode includes negative electrode mixtures formed on both sides of the negative electrode current collector, respectively, in the negative electrode current collector.
  • artificial graphite is natural in the active material of the first anode mixture coated on the first side.
  • a jelly-roll type electrode assembly in which more natural graphite is contained than artificial graphite in an active material of the second negative electrode mixture that is more than graphite and is coated on the second surface.
  • the jelly-roll type electrode assembly according to the present invention unlike the prior art, by coating a negative electrode mixture containing a negative electrode active material of different composition on the first and second surfaces of the negative electrode current collector, the second winding to the outside.
  • a negative electrode mixture containing a negative electrode active material of different composition By increasing the adhesion of the negative electrode mixture on the surface to the current collector to prevent the negative electrode mixture from being detached from both sides, the output, capacity, and life characteristics of a secondary battery including the same may be improved.
  • first negative electrode mixture and the second negative electrode mixture in addition to the natural graphite and artificial graphite, include, for example, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, and activated carbon.
  • Carbon and graphite materials other than graphite and artificial graphite include Metals such as Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti, etc., which can be alloyed with lithium, and compounds containing these elements; Composites of metals and compounds thereof and carbon and graphite materials; It may further include lithium-containing nitride.
  • artificial graphite and natural graphite are contained in an amount of 61 to 99% by weight: 1 to 39% by weight
  • the active material of the second negative electrode mixture includes artificial graphite and Natural graphite may be included in an amount of 1 to 39% by weight: 61 to 99% by weight based on the weight.
  • artificial graphite and natural graphite may be included in an amount of 70 to 99% by weight: 1 to 30% by weight, respectively, and the active material of the second negative electrode mixture includes artificial graphite and Natural graphite may be contained in an amount of 1 to 30% by weight: 70 to 99% by weight, respectively, and most specifically, the first negative electrode mixture is an active material, artificial graphite and natural graphite, based on the weight of 75 to 85 Weight%: 15 to 25% by weight, and in the active material of the second negative electrode mixture, artificial graphite and natural graphite may be contained in 15 to 25% by weight: 75 to 85% by weight based on the weight.
  • the active material included in the first negative electrode mixture and the second negative electrode mixture may be composed of natural graphite and artificial graphite having the above composition.
  • the natural graphite which exhibits excellent adhesion, can sufficiently secure a mechanically interlocking effect of adhesion between particles through a binder as the specific surface area increases, from 2 m 2 /g to 8 m 2 /g It may be, and specifically, it may be 2.1 m 2 /g to 4 m 2 /g.
  • artificial graphite may have a specific surface area (BET) of 0.5 m 2 /g to 5 m 2 /g, and specifically, 0.6 m 2 /g to 4 m 2 /g.
  • the specific surface area can be measured by a Brunauer-Emmett-Teller (BET) method.
  • BET Brunauer-Emmett-Teller
  • it can be measured by the BET 6-point method by the nitrogen gas adsorption flow method using a pore distribution analyzer (Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini).
  • the shape of the natural graphite is not limited, and may be flake graphite, vein graphite, or amorphous graphite, and in detail, lump graphite or earth graphite, more specifically, As the contact area between the particles increases, the adhesion area increases, and thus the adhesion is improved. Therefore, it is preferable that the tap density or bulk density is large, and the crystal grain orientation of natural graphite is preferable to exhibit anisotropy, and thus it may be earthy graphite.
  • the shape of the artificial graphite is not limited, and may be a powder, flake, block, plate, or rod, but in detail, in order to exhibit the best output characteristics, the shorter the moving distance of lithium ions, the better.
  • the degree of orientation of the crystal grains of the artificial graphite is preferably isotropic, and thus, in detail, it may be a flake shape, a plate shape, and more specifically a flake shape.
  • the tap density of the natural graphite may be 0.9 g/cc to 1.3 g/cc, and in detail, it may be 0.92 g/cc to 1.15 g/cc, and the tap density of artificial graphite is 0.7 g/cc to 1.1 g/ cc may be, in detail, may be 0.8 g/cc to 1.05 g/cc.
  • the tap density is obtained by putting 50 g of a precursor into a 100 cc tapping cylinder using a measuring device JV-1000 from COPLEY, and then tapping 3000 times.
  • first negative electrode mixture and the second negative electrode mixture may further include a conductive material and a binder.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the battery as a conventionally known conductive material.
  • carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, Carbon blacks such as lamp black and summer black Carbon black, Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • the binder is not limited as long as it is a component that aids in the bonding of the active material and the conductive material and the bond to the current collector, and for example, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, Hydroxypropylcellulose, recycled cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber , May be each selected from various copolymers.
  • polyvinylidene fluoride polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, Hydroxypropylcellulose, recycled cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated
  • the conductive material and the binder respectively, based on the total weight of the first negative electrode mixture or the second negative electrode mixture, 0.1 to 30% by weight, specifically, 0.5 to 5% by weight, more specifically, 1 to 3 It may be included in weight percent.
  • the binder may be included in the same amount in the first negative electrode mixture and the second negative electrode mixture, and in different contents, specifically, in a larger amount in the second negative electrode mixture formed on the second side wound outside. May be included.
  • each of the first negative electrode mixture and the second negative electrode mixture may optionally further include a filler.
  • the filler is selectively used as a component that suppresses the expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical changes to the battery, and examples thereof include olefin-based polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fiber and carbon fiber are used.
  • the negative electrode current collector is generally manufactured to a thickness of 3 to 200 ⁇ m, and is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel , Titanium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. may be used.
  • At least one of the first and second surfaces of the negative electrode may have a non-coated portion to which the negative electrode mixture is not applied to the negative electrode current collector, and a negative electrode tab may be attached to the non-coated portion.
  • the negative electrode tab may be attached by ultrasonic fusion, but the method is not limited thereto, and various tab attachment techniques may be applied.
  • the uncoated portion may be formed at a winding start point or an intermediate portion in the length direction among both ends in the length direction of the sheet-shaped cathode, and the position thereof is not limited and may be variously selected.
  • the positive electrode may have a structure in which a positive electrode mixture including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder is formed on both surfaces of a positive electrode current collector, respectively.
  • a positive electrode mixture including positive electrode active materials having different compositions may be formed on both surfaces of the positive electrode current collector.
  • an active material having better adhesion may be included on a surface wound to the outside, like the negative electrode. It goes without saying that a positive electrode mixture including the positive electrode active material of the same composition may be formed.
  • the positive electrode current collector is generally manufactured to have a thickness of 3 to 200 ⁇ m, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • stainless steel, aluminum, nickel, Titanium, and one selected from among those surface-treated with carbon, nickel, titanium or silver on the surface of aluminum or stainless steel may be used, and in detail, aluminum may be used.
  • the current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
  • the specific types of the conductive material and the binder are as described in the negative electrode, and the content thereof is 0.1 to 30% by weight, specifically, 0.5 to 5% by weight, based on the total weight of the positive electrode mixture in each positive electrode mixture, More specifically, it may be included in 1 to 3% by weight.
  • the content of the binder may be included in the same amount in each of the positive electrode mixture formed on both sides of the positive electrode current collector, and may be included in a larger amount in the positive electrode mixture formed on the side wound to the outside.
  • the positive electrode mixture may further include a filler, as described in the negative electrode.
  • an uncoated portion to which a positive electrode mixture is not applied may be formed on one or both surfaces of the positive electrode current collector, and a positive electrode tab may be attached to the uncoated portion.
  • the positive electrode tab may be attached by ultrasonic welding, but the method is not limited thereto, and various tab attachment techniques may be applied.
  • the uncoated portion may be formed at a winding start point or an intermediate portion in the length direction among both ends in the length direction of the sheet-shaped anode, and the position thereof is not limited and may be variously selected.
  • an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used as the separator having a long sheet structure interposed between the anode and the cathode.
  • the pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 ⁇ m, and the thickness is generally 5 to 300 ⁇ m.
  • Examples of such separation membranes include olefin-based polymers such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity; Sheets or non-woven fabrics made of glass fiber or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the N/P ratio of the electrode assembly manufactured as described above may be 1 or more (N/P ratio ⁇ 1), and in detail, the N/P ratio is 1 or more and 1.5 or less (1 ⁇ N/P ratio ⁇ 1.5).
  • the N/P raito is a ratio of the capacity per unit area of the cathode and the anode, and may be calculated as (capacity per unit area of the cathode)/(capacity per unit area of the anode) x 100.
  • the capacity per unit area of the electrode refers to a value obtained by dividing the theoretical discharge capacity (mAh) for each electrode in the battery by the electrode area (cm 2 ).
  • the present invention by controlling the N/P ratio within the above range, it is possible to prevent deterioration of life characteristics due to precipitation of lithium on the negative electrode and increase the stability of the secondary battery.
  • the N/P ratio can be adjusted by adjusting the capacity per unit area of the negative electrode and the capacity per unit area of the positive electrode, and for example, can be satisfied by adjusting the area ratio, thickness ratio, and specific surface area of the active material of each negative electrode mixture. .
  • the positive electrode had a capacity per unit area of the positive electrode material mixture formed on the one surface of the positive electrode collector 4.300mAh / cm 2 to 4.400mAh / cm 2, the cathode unit of the negative electrode material mixture formed on the one surface of the negative electrode collector
  • the capacity per area may be 4.500mAh/cm 2 to 4.600mAh/cm 2 .
  • a secondary battery having a structure in which the jelly-roll type electrode assembly is impregnated with a lithium-containing non-aqueous electrolyte and is embedded in a cylindrical or rectangular metal battery case. That is, the secondary battery may be a lithium secondary battery.
  • the lithium-containing non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt.
  • non-aqueous electrolyte solution examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyl Lo lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc (franc), 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolone, formamide, dimethylformamide, dioxolone, aceto Nitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid tryster, trimethoxy methane, dioxolone derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative , Tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl propionate, ethyl propionate, and other aprotic organic
  • the lithium salt is a material that is good soluble 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, (CF 3 SO 2) 2NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide .
  • an organic solid electrolyte an inorganic solid electrolyte, or the like may be used.
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, ions
  • a polymer or the like containing a sex dissociation group can be used.
  • Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 may be used.
  • non-aqueous electrolytes include pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexaphosphate triamide for the purpose of improving charge/discharge properties and flame retardancy.
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included in order to improve high-temperature storage characteristics.
  • the lithium secondary battery can be used as a power source for a device, and the device includes a mobile phone, a portable computer, a smart phone, a tablet PC, a smart pad, a netbook, a light electronic vehicle (LEV), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a plug-in. It may be selected from a hybrid electric vehicle and a power storage device.
  • a mobile phone a portable computer, a smart phone, a tablet PC, a smart pad, a netbook, a light electronic vehicle (LEV), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a plug-in. It may be selected from a hybrid electric vehicle and a power storage device.
  • LEV light electronic vehicle
  • plug-in plug-in
  • the jelly-roll type electrode assembly according to the present invention is manufactured by forming a negative electrode mixture including negative active materials of different compositions on both surfaces of a negative electrode current collector, and specifically, a first surface wound inside
  • a negative electrode mixture containing a large amount of artificial graphite on the side and a large amount of natural graphite on the second side wound to the outside By forming a negative electrode mixture containing a large amount of artificial graphite on the side and a large amount of natural graphite on the second side wound to the outside, the output, capacity, and lifespan of the secondary battery including the same were improved by preventing the separation of the outer negative electrode mixture. Can exert the effect of.
  • FIG. 1 is a schematic view of a vertical cross-sectional view of a jelly-roll type electrode assembly before winding according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a jelly-roll type electrode assembly (hereinafter, “jelly-roll”) according to an embodiment of the present invention before winding.
  • the jelly-roll type electrode assembly 100 has a structure in which a separator 130 is interposed between a sheet-shaped anode 110 and a cathode 120 and is wound in the direction of an arrow.
  • the positive electrode 110 has positive electrode mixtures 112 and 113 formed on both surfaces of the positive electrode current collector 111, and the negative electrode 120 has negative electrode mixtures 122 and 123 formed on both surfaces of the negative electrode current collector 121. Is formed.
  • the negative electrode 120 includes a first negative electrode mixture 122 coated on a first surface, which is a surface wound inward based on a winding direction, that is, a winding direction, and a second material coated on the second surface, which is a surface wound outward. It includes 2 negative electrode mixture 123.
  • artificial graphite as an active material is included in an amount of 70% by weight or more based on the total weight of the active material, and in the second negative electrode mixture 122, as a chemical substance, natural graphite accounts for the total weight of the active material. It is included in an amount of 70% by weight or more.
  • the negative electrode 120 has an uncoated portion on at least one surface of the first or second surface of the negative electrode current collector 121 to which the negative electrode mixture is not applied, and a negative electrode tab 124 is attached to the uncoated portion, and the positive electrode Similarly to the negative electrode 120, the uncoated portion 110 is formed on one surface of the positive electrode current collector 111 to which the positive electrode mixture is not applied, and a positive electrode tab 114 is attached to the uncoated portion.
  • the jelly-roll type electrode assembly 100 having the structure shown in FIG. 1 is wound in the direction of the arrow, that is, the jelly-roll type electrode assembly having a wound structure is completed.
  • LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 is used as a positive electrode active material, and a conductive material (carbon black) and a binder (PVdF) are each NMP (N-methyl-2- pyrrolidone) and mixed to prepare a positive electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 30% by weight: 70% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are used in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 10% by weight: 90% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are mixed in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 20% by weight: 80% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are mixed in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 90% by weight and 10% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are mixed in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 80% by weight and 20% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are used in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 70% by weight: 30% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are used in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the negative electrode active material a mixture of 50% by weight: 50% by weight of artificial graphite and natural graphite is used, and the mixture, a conductive material (carbon black), and a binder (PVdF) are used in a weight ratio of 98:1:1 to NMP (N -methyl-2-pyrrolidone) and mixed to prepare a negative electrode mixture.
  • a conductive material carbon black
  • PVdF binder
  • the positive electrode mixture prepared in Preparation Example 1 was coated on both sides of an aluminum foil having a thickness of 15 ⁇ m at a loading amount of 4.320 mAh/cm 2 , and then rolled and dried to prepare a positive electrode.
  • the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 3 was coated on one side of a 10 ⁇ m-thick copper foil at a loading amount of 4.566mAh/cm 2 , and the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 5 was applied to the other side of the copper foil at 4.566mAh/cm 2. After coating with the loading amount of, it was rolled and dried to prepare a negative electrode.
  • a separator having a long sheet structure of polyethylene was interposed between the negative electrode and the positive electrode, and as shown in FIG. 1, a jelly-roll type electrode assembly was prepared by winding the surface on which the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 5 was formed to be the winding inner surface.
  • the jelly-roll type electrode assembly is housed in a cylindrical battery case, ethyl carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1:1:1, and containing 1 M LiPF 6 as a lithium salt.
  • a cylindrical secondary battery was manufactured by adding a non-aqueous electrolyte.
  • the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 4 was coated on one side of a copper foil having a thickness of 10 ⁇ m at a loading amount of 4.566mAh/cm 2 , and the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 6 was applied to the other side of the copper foil at 4.566mAh/cm 2. After coating with a loading amount of, rolling and drying to prepare a negative electrode, and wound up so that the side on which the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 6 is formed is the winding inner surface, a jelly-roll type electrode assembly was prepared. In a later step, a cylindrical secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 2 was coated on one side of a 10 ⁇ m-thick copper foil at a loading amount of 4.566mAh/cm 2 , and the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 7 was applied to the other side of the copper foil at 4.566mAh/cm 2. After coating with a loading amount of, rolling and drying to prepare a negative electrode, and wound up so that the side on which the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 7 is formed is the winding inner surface, a jelly-roll type electrode assembly was prepared. In a later step, a cylindrical secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • the negative electrode mixture prepared in Preparation Example 8 was coated on both sides of a 10 ⁇ m-thick copper foil at a loading amount of 4.566 mAh/cm 2 , and then rolled and dried to prepare a negative electrode, and the negative electrode and prepared in Preparation Example 1 A separator of a long sheet structure of polyethylene was interposed between the positive electrodes and wound to prepare a jelly-roll type electrode assembly. In the next step, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • the secondary batteries each prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were repeated 140 times under a condition of 1.0C in a voltage range of 2.5V to 4.2V and energy was measured to determine the energy retention rate (%) compared to the initial cycle. It was measured, and the results are shown in FIG. 3 below.
  • the energy is the product of the capacity times the average discharge voltage of the battery.

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Abstract

시트형의 양극과 음극 사이에 긴 시트 구조의 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체의 양면에 각각 음극 합제가 형성되어 있으며, 상기 음극 집전체에서, 전극조립체를 형성하기 위한 권취시 내측으로 감기는 면을 제 1 면, 외측으로 감기는 면을 제 2 면이라고 할 때, 제 1 면에 코팅되는 제 1 음극 합제는 활물질로서 인조 흑연이 활물질 전체 중량을 기준으로 70중량% 이상으로 포함되며, 제 2 면에 코팅되는 제 2 음극 합제는 활물질로서, 천연 흑연이 활물질 전체 중량을 기준으로 70중량% 이상으로 포함되는 젤리-롤형 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지, 및 이차전지를 포함하는 디바이스를 제공한다.

Description

집전체의 양면에 서로 다른 조성의 활물질을 포함하는 음극 합제들이 형성되어 있는 음극을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지, 및 이차전지를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 7월 29일자 한국 특허 출원 제10-2019-0091863호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 집전체의 양면에 서로 다른 조성의 활물질을 포함하는 음극 합제들이 형성되어 있는 음극을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지, 및 이차전지를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 또한, 이차전지는 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
따라서, 이차전지 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 이차전지와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
이러한 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되는 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 양면이 서로 다른 극성의 전극으로 이루어진 풀셀(예를 들어, 양극-분리막-음극) 또는 양면이 서로 다른 극성의 전극으로 이루어진 바이셀(예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극)과 같은 유닛셀을 긴 시트형의 분리막 상에 위치시킨 후 권취한 스택-폴딩형으로 분류된다.
그 중 젤리-롤형 전극조립체(이하, ‘젤리-롤’)는 제조가 용이하고 중량당 에너지가 높은 특성을 가지고 있는 바, 상기 젤리-롤을 동력원으로 사용하는 EV, HEV에 대한 시장의 확대와 함께 원통형 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있는 실정이다.
한편, 상기 양극 및 음극은 일반적으로 각각의 집전체의 양면에 활물질을 포함하는 전극 합제가 도포되어 제조되며, 감기는 면이 탑(Top)면, 반대면이 백(back)면이 된다. 이때, 상기 탑면과 백면은 권취에 따라 발생하는 응력이 다를 수 밖에 없게 된다.
그러나, 종래에는 상기 탑면과 백면에 동일한 활물질 조성을 로딩에 맞춰 코팅하였고, 구체적으로, 인조흑연 및 천연흑연의 혼합물을 음극 활물질로 사용하는 음극의 경우, 백면에서는 길이방향의 측면 단부에서 코팅층의 탈리가 발생되는 문제가 있었다.
또한, 이와 같이 탈리된 음극 합제는 이차전지 내부에서 불순물로 작용하여 이차전지 성능을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
따라서, 상기 문제점들을 해결하여 출력, 용량 및 수명 특성이 개선된젤리-롤형 전극조립체에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 젤리-롤형 전극조립체의 음극을, 음극 집전체의 양면에 서로 다른 조성의 활물질을 포함하는 음극 합제가 도포된 구성으로 함으로써, 권취에 따른 음극 합제의 탈리를 방지하여 이를 포함하는 이차전지의 출력, 용량, 및 수명 특성을 개선시킬 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한, 음극과 양극의 N/P ratio를 조절함으로써 리튬 석출 등의 문제를 해결하여 상기 효과를 더욱 극대화하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면,
시트형의 양극과 음극 사이에 긴 시트 구조의 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체의 양면에 각각 음극 합제가 형성되어 있으며, 상기 음극 집전체에서, 전극조립체를 형성하기 위한 권취시 내측으로 감기는 면을 제 1 면, 외측으로 감기는 면을 제 2 면이라고 할 때, 상기 제 1 면에 코팅되는 제 1 음극 합제의 활물질에는 인조 흑연이 천연 흑연보다 많이 포함되며, 제 2 면에 코팅되는 제 2 음극 합제의 활물질에는 천연 흑연이 인조 흑연보다 많이 포함되는 젤리-롤형 전극 조립체를 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체는, 종래와 달리, 음극 집전체의 제 1 면과 제 2 면에 서로 다른 조성의 음극 활물질을 포함하는 음극 합제가 코팅됨으로써, 외측으로 감기는 제 2 면의 음극 합제의 집전체에의 접착력을 높여 양측에서의 음극 합제의 탈리를 방지함으로써 이를 포함하는 이차전지의 출력, 용량, 및 수명 특성을 개선시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 음극 합제와 제 2 음극 합제는, 상기 천연 흑연 및 인조 흑연 외에, 예를 들어, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 천연 흑연 및 인조 흑연 외의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 더 포함할 수 있다.
이때, 상세하게는 제 1 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 61~99 중량% : 1~39중량%로 포함되며, 상기 제 2 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 1~39중량% : 61~99중량%로 포함될 수 있다.
더욱 상세하게는 제 1 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 각각 70~99 중량% : 1~30중량%로 포함될 수 있으며, 제 2 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 각각 1~30중량% : 70~99중량%로 포함될 수 있고, 가장 상세하게는, 제 1 음극 합제는 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 75~85 중량% : 15~25중량%로 포함되며, 상기 제 2 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 15~25중량% : 75~85중량%로 포함될 수 있다.
보다 구체적으로는, 제 1 음극 합제 및 제 2 음극 합제에 포함되는 활물질은 상기와 같은 조성의 천연 흑연 및 인조 흑연으로 구성될 수 있다.
이는 인조 흑연은, 출력 특성과 수명 특성이 우수한 반면, 천연 흑연은 접착력이 우수하기 때문이다. 보다 구체적으로, 내측으로 감기는 제 1 면에 형성되는 제 1 음극 합제에는 응력이 덜 작용하게 되므로, 탈리의 문제가 적은 바, 출력, 용량, 및 수명 특성이 우수한 인조 흑연을 다량 함유하게 하고, 외측으로 감기는 제 2 면에 형성되는 제 2 음극 합제는 응력이 보다 강하게 작용하게 되므로, 탈리가 쉽게 이루어질 수 있음을 고려하여, 접착력이 강한 천연 흑연을 다량으로 포함하게 하여 종래 문제를 해결할 수 있다.
여기서, 우수한 접착력을 나타내는 상기 천연 흑연은, 비표면적이 클수록 바인더를 통한 입자간 접착의 기계적 상호결합 효과(Mechanically interlocking effect)를 충분히 확보할 수 있는 바, 2 m 2/g 내지 8 m 2/g일 수 있고, 상세하게는, 2.1 m 2/g 내지 4 m 2/g일 수 있다. 반면, 인조 흑연은 비표면적(BET)이 0.5 m 2/g 내지 5 m 2/g일 수 있고, 상세하게는, 0.6 m 2/g 내지 4 m 2/g일 수 있다.
상기 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller; BET)법으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 기공분포 측정기(Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini)를 사용하여 질소 가스 흡착 유통법에 의해 BET 6 점법으로 측정할 수 있다.
상기 천연 흑연의 형상은 한정되지 아니하고, 인상 흑연(flake graphite), 괴상 흑연(vein graphite), 또는 토상 흑연(amorphous graphite)일 수 있고, 상세하게는, 괴상 흑연 또는 토상 흑연, 더욱 상세하게는, 입자간의 접촉 면적이 커지면 접착면적이 커지고 이로 인해 접착력이 향상되기 때문에 탭 밀도 또는 벌크 밀도가 큰 것이 바람직하고, 천연 흑연의 결정립 배향도가 이방성을 나타내는 것이 바람직하므로, 토상 흑연일 수 있다.
한편, 상기 인조 흑연의 형상은 한정되지는 아니하고, 분말상, 플레이크상, 블록상, 판상, 또는 봉상일 수 있으나, 상세하게는, 가장 우수한 출력 특성을 나타내기 위해서는 리튬 이온의 이동거리가 짧을수록 좋고, 전극 방향으로의 이동거리가 짧기 위해서는 인조 흑연의 결정립 배향도가 등방성을 나타내는 것이 바람직하므로, 상세하게는 플레이크상, 또는 판상, 더욱 상세하게는 플레이크상일 수 있다.
상기 천연 흑연의 탭 밀도는 0.9 g/cc 내지 1.3g/cc일 수 있고, 상세하게는 0.92 g/cc 내지 1.15g/cc 일 수 있으며, 인조 흑연의 탭 밀도는 0.7 g/cc 내지 1.1g/cc일 수 있고, 상세하게는 0.8 g/cc 내지 1.05g/cc 일 수 있다.
여기서, 상기 탭 밀도는 COPLEY사의 JV-1000 측정기기를 이용하여 100cc 태핑용 실린더에 전구체를 50g을 넣은 후 3000회 태핑을 가하여 구한다.
상기 범위를 벗어나, 탭 밀도가 너무 작은 경우 입자간의 접촉면적이 충분하지 않아 접착력 특성이 저하 되고, 큰 경우에는 전극의 만곡성(tortuosity) 저하 및 전해액 젖음성(wet-ability)이 저하되어 충방전시의 출력특성이 저하되는 문제가 있는 바, 바람직하지 않다.
한편, 상기 제 1 음극 합제 및 제 2 음극 합제는 도전재, 및 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 도전재는, 종래 공지된 도전재로서 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는, 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분이라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등에서 각각 선택될 수 있다.
이때, 도전재, 및 바인더는 각각, 제 1 음극 합제, 또는 제 2 음극 합제 전체 중량을 기준으로, 0.1 내지 30중량%, 상세하게는, 0.5 내지 5 중량%, 더욱 상세하게는, 1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
이때, 상기 함량 범위에서 바인더는 제 1 음극 합제와 제 2 음극 합제에 동일한 함량으로 포함될 수 있으며, 상이한 함량, 구체적으로, 외측으로 감기는 제 2 면에 형성되는 제 2 음극 합제에 더 많은 함량으로 포함될 수도 있다.
더 나아가, 상기 제 1 음극 합제 및 제 2 음극 합제에는 각각 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극 집전체는, 일반적으로 3 ~ 200 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
또한, 상기 음극의 제 1 면 및 제 2 면 중 적어도 일면에는 음극 집전체에 음극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부에는 음극 탭이 부착되어 있을 수 있다.
상기 음극 탭은, 초음파 융착에 의해 부착되어 있을 수 있으나, 상기 방식에 제한되는 것은 아니며, 다양한 탭 부착 기술이 적용될 수 있다.
상기 무지부는 시트형의 음극에서 길이 방향의 양단 중 권취 시작점 또는 길이 방향의 중간부에 형성될 수 있으며, 그 위치는 한정되지 아니하고, 다양하게 선택될 수 있다.
한편, 상기 양극은, 양극 집전체의 양면에 각각 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 양극 합제가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 양극 역시, 음극과 마찬가지로, 양극 집전체의 양면에 서로 다른 조성의 양극 활물질을 포함하는 양극 합제가 형성될 수 있다. 이때, 음극과 동일하게 외측으로 감기는 면에 접착력이 더 좋은 활물질이 포함될 수 있다. 동일한 조성의 양극 활물질을 포함하는 양극 합제가 형성될 수 있음도 물론이다.
상기 양극 집전체는, 일반적으로 3 ~ 200 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 점착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO 2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO 2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li 1+xMn 2-xO 4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO 3, LiMn 2O 3, LiMnO 2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li 2CuO 2); LiV 3O 8, LiV 3O 4, V 2O 5, Cu 2V 2O 7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi 1-xM xO 2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn 2-xM xO 2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li 2Mn 3MO 8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn 2O 4; 디설파이드 화합물; Fe 2(MoO 4) 3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재 및 바인더의 구체적인 종류는 상기 음극에서 설명한 바와 같으며, 그 함량은, 각각의 양극 합제 내에서 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30중량%, 상세하게는, 0.5 내지 5 중량%, 더욱 상세하게는, 1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
한편, 바인더의 함량은 양극 집전체의 양면에 형성된 양극 합제에 각각 동일한 함량으로 포함될 수 있으며, 외측으로 감기는 면에 형성된 양극 합제에 더 많은 함량으로 포함될 수도 있다.
또한, 양극 합제는 상기 음극에서 설명한 바와 같이, 충진제가 더 포함될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에는 양극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부에는 양극 탭이 부착되어 있을 수 있다.
상기 양극 탭은, 초음파 융착에 의해 부착되어 있을 수 있으나, 상기 방식에 제한되는 것은 아니며, 다양한 탭 부착 기술이 적용될 수 있다.
상기 무지부는 시트형의 양극에서 길이 방향의 양단 중 권취 시작점 또는 길이 방향의 중간부에 형성될 수 있으며, 그 위치는 한정되지 아니하고, 다양하게 선택될 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에 개재되는 긴 시트 구조의 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 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
한편, 상기와 같이 제조되는 전극조립체의 N/P ratio은 1이상(N/P ratio ≥ 1)일 수 있고, 상세하게는 N/P ratio은 1 이상 내지 1.5 이하(1≤N/P ratio≤1.5)일 수 있다.
상기 N/P raito는 음극과 양극의 단위면적당 용량비로서, (음극의 단위면적당 용량)/(양극의 단위면적당 용량) x 100으로 계산될 수 있다.
상기 전극의 단위면적당 용량이란, 전지에서 각각의 전극에 대한 이론 방전 용량(mAh)를 전극 면적(cm 2)으로 나눈 값을 의미한다.
본 발명에 따르면, 상기 N/P ratio를 상기 범위로 제어함으로써 음극에의 리튬 석출에 따른 수명 특성의 열화 방지와 이차전지의 안정성을 높일수 있다.
상기 음극과 양극의 단위면적당 용량비가 상기 범위를 벗어나, N/P ratio가 1 이하인 경우, 리튬 석출에 의해 수명 열화가 발생하고, 안전성이 심각하게 위협 받게 된다.
상기 N/P ratio는 음극의 단위면적당 용량과 양극의 단위면적당 용량을 조절하여 조절할 수 있으며, 예를 들어, 각각의 음극 합제의 면적비, 두께비, 및 활물질의 비표면적 등을 조절하여 만족시킬 수 있다.
상세하게는, 상기 양극은 양극 집전체의 일면에 형성되는 양극 합제의 단위면적당 용량이 4.300mAh/cm 2 내지 4.400mAh/cm 2이고, 상기 음극은 음극 집전체의 일면에 형성되는 음극 합제의 단위면적당 용량이 4.500mAh/cm 2 내지 4.600mAh/cm 2일 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한, 상기 젤리-롤형의 전극조립체가 리튬 함유 비수계 전해액에 함침된 상태로 원통형 또는 각형의 금속전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지가 제공된다. 즉, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 리튬 함유 비수계 전해액은 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로퓨란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10Cl 10, LiPF 6, LiCF 3SO 3, LiCF 3CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3SO 3Li, CF 3SO 3Li, (CF 3SO 2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
경우에 따라서는 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수도 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 애지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li 3N, LiI, Li 5NI 2, Li 3N-LiI-LiOH, LiSiO 4, LiSiO 4-LiI-LiOH, Li 2SiS 3, Li 4SiO 4, Li 4SiO 4-LiI-LiOH, Li 3PO 4-Li 2S-SiS 2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N, N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
상기 원통형 또는 각형의 금속전지케이스의 구조는 당업계에 개시되어 있는 바, 본 명세서에서는 그에 대한 설명을 생략한다.
상기 리튬 이차전지는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체는, 음극 집전체의 양면에 서로 다른 조성의 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 형성하여 제조되고, 구체적으로, 내측으로 감기는 제 1 면에는 인조 흑연을 다량으로, 외측으로 감기는 제 2 면에는 천연 흑연을 다량으로 포함하는 음극 합제를 각각 형성시킴으로써, 외측 음극 합제의 탈리를 방지하여 이를 포함하는 이차전지의 출력, 용량, 및 수명 개선의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 음극과 양극의 N/P ratio를 조절하여, 리튬 석출에 따른 수명 열화를 방지하고, 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 권취전 수직 단면도의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 3에 따른 결과를 나타낸 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체(이하, ‘젤리-롤’)의 권취전 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체(100)는 시트형의 양극(110) 및 음극(120) 사이에 분리막(130)이 개재된 상태로 화살표 방향으로 권취되는 구조이다.
양극(110)은 양극 집전체(111)의 양면에 양극 합제들(112, 113)이 형성되어 있고, 음극(120)은 음극 집전체(121)의 양면에 음극 합제들(122, 123)이 형성되어 있다.
여기서, 음극(120)은, 권취 방향, 즉, 감기는 방향을 기준으로 내측으로 감기는 면인 제 1 면에 코팅되는 제 1 음극 합제(122) 및 외측으로 감기는 면인 제 2 면에 코팅되는 제 2 음극 합제(123)를 포함한다.
이때, 제 1 음극 합제(122)에는, 활물질로서 인조 흑연이 활물질 전체 중량을 기준으로 70중량% 이상으로 포함되고, 제 2 음극 합제(122)에는, 화물질로서, 천연 흑연이 활물질 전체 중량을 기준으로 70중량% 이상으로 포함된다.
또한, 음극(120)은 음극 집전체(121)의 제 1 면 또는 제 2 면 적어도 일면에 음극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되고, 무지부에는 음극 탭(124)가 부착되어 있으며, 양극(110)도 음극(120)과 마찬가지로, 양극 집전체(111)의 일면에 양극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되어 있고, 무지부에는 양극 탭(114)이 부착되어 있다.
도 1에 도시한 구조의 젤리-롤형 전극조립체(100)가 화살표 방향으로 감겨, 즉, 권취되어 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체가 완성된다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
양극 합제의 제조
양극 활물질로서 LiNi 1/3Mn 1/3Co 1/3O 2을 사용하고, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 각각 97: 1.5: 1.5의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 양극 합제를 제조하였다.
<제조예 2>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 30중량%: 70중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<제조예 3>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 10중량%: 90중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<제조예 4>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 20중량%: 80중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<제조예 5>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 90중량%: 10중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<제조예 6>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 80중량%: 20중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<제조예 7>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 70중량%: 30중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<제조예 8>
음극 합제의 제조
음극 활물질로서, 인조 흑연 및 천연 흑연이 50중량%: 50중량%로 혼합된 혼합물을 사용하고, 혼합물, 도전재(carbon black), 바인더(PVdF)를 98 : 1 : 1의 중량비로 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조하였다.
<실시예 1>
양극의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 양극 합제를 15 ㎛ 두께의 알루미늄 호일의 양면에 각각 4.320mAh/cm 2의 로딩량으로 코팅한 후 압연 및 건조하여 양극을 제조하였다.
음극의 제조
상기 제조예 3에서 제조된 음극 합제를 10 ㎛ 두께의 구리 호일의 일면에 4.566mAh/cm 2 의 로딩량으로 코팅하고, 제조예 5에서 제조된 음극 합제를 구리 호일의 타면에 4.566mAh/cm 2의 로딩량으로 코팅한 후 압연 및 건조하여 음극을 제조하였다.
젤리-롤형 전극조립체의 제조
상기 음극과 양극 사이에 폴리에틸렌의 긴 시트 구조의 분리막을 개재하고, 도 1과 같이, 제조예 5에서 제조된 음극 합제가 형성된 면이 권취 내면이 되도록 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하였다.
이차전지의 제조
상기 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 전지케이스에 수납하고, 에틸 카보네이트와 디메틸 카보네이트와 에틸메틸 카보네이트가 부피비를 기준으로 1:1:1으로 혼합되어 있고, 리튬염으로 1 M의 LiPF 6를 포함하고 있는 비수 전해액을 첨가하여 원통형 이차전지를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 제조예 4에서 제조된 음극 합제를 10 ㎛ 두께의 구리 호일의 일면에 4.566mAh/cm 2의 로딩량으로 코팅하고, 제조예 6에서 제조된 음극 합제를 구리 호일의 타면에 4.566mAh/cm 2 의 로딩량으로 코팅한 후 압연 및 건조하여 음극을 제조하고, 제조예 6에서 제조된 음극 합제가 형성된 면이 권취 내면이 되도록 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하였다. 이후 단계에서는 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제조하였다.
<실시예 3>
상기 제조예 2에서 제조된 음극 합제를 10 ㎛ 두께의 구리 호일의 일면에 4.566mAh/cm 2의 로딩량으로 코팅하고, 제조예 7에서 제조된 음극 합제를 구리 호일의 타면에 4.566mAh/cm 2의 로딩량으로 코팅한 후 압연 및 건조하여 음극을 제조하고, 제조예 7에서 제조된 음극 합제가 형성된 면이 권취 내면이 되도록 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하였다. 이후 단계에서는 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 제조예 8에서 제조된 음극 합제를 10 ㎛ 두께의 구리 호일의 양면에 각각 4.566mAh/cm 2의 로딩량으로 코팅한 후 압연 및 건조하여 음극을 제조하고, 상기 음극과 제조예 1에서 제조된 양극 사이에 폴리에틸렌의 긴 시트 구조의 분리막을 개재하고, 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하였다. 이후 단게에서는, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1> (출력 특성)
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 각각 제조된 이차전지들을 2.5 V 내지 4.2 V 전압 영역에서 0.1C의 전류조건으로 활성화 과정을 거친뒤, C-rate (충전-레이트)별, D-rate(방전-레이트)별 용량을 측정하여 그 결과를 하기 도 2에 도시하였다.
도 2를 참조하면, 실시예들의 출력특성이 비교예 1보다 우수한 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> (수명 특성)
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 각각 제조된 이차전지들을 2.5V 내지 4.2V의 전압 범위에서 1.0C의 조건으로 사이클을 140회 반복하면서 에너지를 측정하여 초기 사이클 대비 에너지 유지율(%)을 측정하고, 그 결과를 하기 도 3에 나타내었다.
여기서, 에너지는 용량에 전지의 평균 방전전압을 곱한 것이다.
도 3을 참조하면 비교예 1 대비 실시예 1 내지 3의 에너지 유지율이 우수한 특성을 보인다.
<실험예 3>
상기 실험예 2에서 100 사이클이 지난 실시예 1의 이차전지와 비교예 1의 이차전지를 분해하여 음극에서의 음극 합제 탈리를 확인하였고, 그 결과 사진을 하기 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 비교예 1의 경우, 음극에서 길이방향으로 양측 단부에서 합제의 탈리가 일어난 것을 확인할 수 있다. 탈리부분을 명확히 볼 수 있도록 검정색 배경으로 촬영하였다.
반면, 실시예 1 의 경우, 음극에서 음극 합제의 탈리가 일어나지 않았음을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 시트형의 양극과 음극 사이에 긴 시트 구조의 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서,
    상기 음극은 음극 집전체의 양면에 각각 음극 합제가 형성되어 있으며, 상기 음극 집전체에서, 전극조립체를 형성하기 위한 권취시 내측으로 감기는 면을 제 1 면, 외측으로 감기는 면을 제 2 면이라고 할 때,
    상기 제 1 면에 코팅되는 제 1 음극 합제의 활물질에는 인조 흑연이 천연 흑연보다 많이 포함되며,
    제 2 면에 코팅되는 제 2 음극 합제의 활물질에는 천연 흑연이 인조 흑연보다 많이 포함되는 젤리-롤형 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 61~99 중량% : 1~39중량%로 포함되며, 상기 제 2 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 1~39중량% : 61~99중량%로 포함되는 젤리-롤형 전극조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 70~99 중량% : 1~30중량%로 포함되며, 상기 제 2 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 1~30중량% : 70~99중량%로 포함되는 젤리-롤형 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 75~85 중량% : 15~25중량%로 포함되며, 상기 제 2 음극 합제의 활물질에는, 인조 흑연 및 천연 흑연이 중량을 기준으로 15~25중량% : 75~85중량%로 포함되는 젤리-롤형 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 음극 합제와 제 2 음극 합제에 포함되는 활물질은 천연 흑연 및 인조 흑연으로 구성되는 젤리-롤형 전극 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 음극 합제 및 제 2 음극 합제는 도전재, 및 바인더를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 도전재 및 바인더는 각각의 음극 합제 내에서 음극 합제 전체 중량을 기준으로, 1 중량% 내지 3 중량%로 포함되는 젤리-롤형 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 음극의 제 1 면 및 제 2 면 중 적어도 일면에는 음극 집전체에 음극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부에는 음극 탭이 부착되어 있는 젤리-롤형 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체의 양면에 각각 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 양극 합제가 형성되어 있는 젤리-롤형 전극조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 양극 합제에 포함되는 도전재 및 바인더는 각각의 양극 합제 내에서 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 3 중량%로 포함되는 젤리-롤형 전극조립체.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에는 양극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부에는 양극 탭이 부착되어 있는 젤리-롤형 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 N/P ratio ≥ 1인 젤리-롤형 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체의 일면에 형성되는 양극 합제의 단위면적당 용량이 4.300mAh/cm 2 내지 4.400mAh/cm 2이고, 상기 음극은 음극 집전체의 일면에 형성되는 음극 합제의 단위면적당 용량이 4.500mAh/cm 2 내지 4.600mAh/cm 2인 젤리-롤형 전극조립체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 젤리-롤형 전극조립체가 리튬 함유 비수계 전해액에 함침된 상태로 원통형 또는 각형의 금속전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 이차전지.
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