KR101218538B1 - 이차전지용 전극 - Google Patents

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KR101218538B1
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Abstract

본 발명은 전극 활물질과 도전재가 바인더에 의해 집전체에 결합되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제공한다. 따라서, 이러한 이차전지용 전극은, 일반적인 전기화학 소자의 사용 온도 구간에서는 전지 성능을 저해하지 않으면서도 온도 상승으로 인해 발화, 폭발이 나타나기 이전 구간에서 저항이 급격하게 상승하여 발화, 폭발에 이르는 것을 방지할 수 있으며, 전기화학 소자의 안전성을 근본적으로 향상시켜 전지의 사이클 특성이 우수한 이차전지를 제공한다.

Description

이차전지용 전극 {Electrode for Secondary Battery}
본 발명은 이차전지용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극 활물질과 도전재가 바인더에 의해 집전체에 결합되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 방법을 들 수 있다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
높은 에너지 밀도라 함은 에너지의 축적에 따라 보다 높은 위험성에 노출될 수 있음을 의미하는 바, 에너지 밀도가 높을수록 발화, 폭발 등의 위험 및 강도가 높아지게 된다.
이에, 많은 연구자들에 의해 끊임없이 에너지의 축적과 축적된 에너지의 위험성을 해결하고 안전성을 확보하기 위한 연구가 지속되고 다양한 시도가 있었으나, 아직까지는 충분한 성과를 거두었다고 하기에는 부족한 실정이다.
집적된 에너지의 분출에서 기인하는 발화, 폭발 등의 위험을 막아주기 위한 방법으로는 안전한 재료나 첨가제의 사용 등 여러 가지 방법이 있을 수 있지만, 근본적으로 발화, 폭발 등이 일어나기 전에 전지를 구동 불가능한 상태로 만들어주는 것이 위험성을 예방하기 위한 최선의 대책이라 할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명에서는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시에 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 나타내는 물질을 바인더로서 사용하는 기술을 제안한다.
현재 사용되고 있는 이차전지에는 온도 상승에 따라 저항이 증가하는 특성을 갖는 PTC 소자를 안전소자로 포함하는 경우가 많다. 이러한 PTC 소자는 주로 전지셀과 보호회로부재의 회로 상에 전기적으로 연결된 구조로 장착된다.
그러나, PTC 소자를 전기적 연결 상태로 장착하기 위해서는 장착 공간이 필요하므로 경박단소의 전지 수요에 부응하기 어렵고, 전체적으로 작은 구조의 이차전지에 PTC 소자를 전기적으로 연결하여야 하므로 조립 공정이 복잡해지는 문제점을 초래한다.
더욱이, 회로상에 위치하는 PTC 소자는 내부 저항을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 고출력 전지에서는 사용하기 어려울 뿐만 아니라, 전지셀로부터 전달되는 열에 의해 반응하는 방식이므로, 열 발생의 근원인 전지셀의 온도 변화에 민감하게 반응하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 전지의 제반 성능을 저해하지 않으면서도 발화/폭발을 방지하고 안전성을 위한 새로운 개념의 안전 수단 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같은 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시에 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 바인더를 개발하기에 이르렀고, 이러한 바인더를 사용하는 경우, 전지의 제반 성능을 저해하지 않으면서 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 활물질과 도전재가 바인더에 의해 집전체에 결합되어 있는 이차전지용 전극으로서, 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 가지는 것으로 구성되어 있다.
일반적인 이차전지용 전극의 경우, 전지 성능의 저하를 막기 위하여 활물질, 도전재, 집전체를 연결하는 바인더를 사용하였는데, 사용하는 바인더는 폴리머로서 전도도가 매우 낮아 전극에 많이 함유될수록 전지 성능을 저감시키게 되는 문제점이 있지만, 반대로 전극 구성요소들의 결착력이 떨어질 경우에도 전지 성능에 문제를 일으키게 되므로, 종래 바인더의 경우, 결착력을 유지하는데 초점을 두어 개발되어 왔다.
반면에, 본 발명에서는 기존의 바인더가 가지는 결착력이라는 특성 이외에도 바인더 자체의 물성에 기반하여 안전성 향상을 기할 수 있는 구성을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 둘 이상의 온도 구간에서 저항 변화를 가져오는 바인더를 사용함으로써, 일반적인 온도 구간에서는 바인더의 기본 성질인 결착력을 유지하여 전지의 성능 저하에 영향을 미치지 않으며, 전지의 안전성 문제가 발생하는 온도 구간에서는 저항을 급격하게 상승시켜 전지의 안전성을 향상시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 전기화학 반응이 직접 일어나는 전극에 포함되는 바인더가 상기와 같은 특성을 가지므로, 일반적으로 전지의 비정상적 발열 반응이나 국부적 반응에 정확하고 신속한 반응을 나타낼 수 있다.
경우에 따라서는, 특정 온도 이상에서 저항을 증가시켜 주는 첨가제를 활용하는 방안을 고려할 수도 있지만, 첨가제는 첨가량에 따라 전지의 용량을 감소시킨다는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다.
상기 전지의 정상적인 작동 온도 범위는 전지의 구성 및 종류에 따라 다소 달라질 수 있으며, 예를 들어, 그것의 상한 범위가 60 내지 100℃일 수 있다. 일반적으로, 이차전지가 Nail, crush 등의 외부 충격, hot box 등의 열 충격, micro short 등의 내부 단락에 의한 비정상적 환경에 노출되게 되면, 단락이 일어나게 되고, 그러한 과정에서 상기 온도 범위 이상으로 전기적 발열 현상이 초래되어, 급격한 온도 상승이 일어나게 된다.
구체적으로, 이 발열량은 I2R로 나타낼 수 있으며, 외부 전원과 단절되어 있는 전지는 내부에 축적되어 있는 전기적 에너지의 이동에 의해서 I 값이 한정되며, 이는 저항에 의해서 달라질 수 있다. 더욱이, 순간적인 전기 이동량이 많을 경우 급격한 온도 상승을 초래하게 되고, 이는 온도가 전지를 구성하는 발열 요소들의 활성화 에너지를 초과하게 될 경우 발화, 폭발이라는 문제점을 일으키게 된다.
따라서, 전지가 비정상적 환경에 노출되는 문제가 발생할 경우에도, 전기적 발열이 소정의 온도 구간에서 제한될 수 있다면 전지를 근본적으로 안전한 상태로 만들어 주는 것이 가능하다.
이러한 측면에서, 본 발명은 상기와 같은 바인더에 의해 정상적인 작동 온도 범위 이상으로의 온도 상승 시 급격한 저항 증가에 의해 전류를 단전시킴으로써, 더 이상의 발열 현상을 방지하여 전지의 안전성을 향상시킨다.
본 발명에 따르면, 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 갖는다.
종래의 이차전지에 사용되고 있는 바인더로서 PVdF 등과 같은 불소계 폴리머 역시 온도 상승에 의해 저항이 증가하는 특성을 가지고 있다. 그러나, 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상의 온도 구간에서 한차례 저항이 증가하는 것 만으로는 안전성 확보를 위한 효율적인 단전 효과를 발휘하기 어렵다. 예를 들어, 전지의 온도가 급격히 상승할 때 저항 증가 현상이 신속하게 후행되기 어려울 수 있다. 따라서, 종래의 이차전지는 상기와 같은 바인더를 사용함에도 불구하고 온도 상승에 따른 별도의 안전소자를 추가로 장착하고 있는 실정이다.
반면에, 본 발명의 바인더는 온도 상승시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가를 유발하므로, 이러한 문제점을 근본적으로 해결하고 있다.
급격한 저항 증가가 유발되는 온도 구간은 둘 이상이면 온도 구간의 수가 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 두 개의 저항 증가 온도 구간을 포함하는 형태일 수 있다. 이 경우, 이차전지의 전반적인 특성을 고려할 때, 130~150℃의 첫번째 온도 구간과 160~180℃의 두번째 온도 구간일 수 있다.
상기 급격한 저항 증가는 온도 상승에 따른 저항 증가의 기울기 구배(gradient)가 상기 안전성 문제가 발생하는 온도 구간에서 적어도 1.5배 이상, 바람직하게는 2배 이상으로 증가하는 크기일 수 있다. 상기 기울기 구배의 증가가 1.5배 미만이면, 저항 증가로 인한 전지의 안전성을 확보하기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다. 상기 기울기 구배의 증가는 각각의 온도 구간에서 모두 적용되며, 그것의 상한 값은 특별히 제한되지 않는다.
바인더의 종류는 상기와 같은 특정을 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 바인더는 둘 이상 바인더들의 혼합물이고 각각 바인더들이 서로 다른 온도 구간에서 융점을 가진 물질일 수 있다. 일반적으로 고상 물질은 융용 상태로의 변환 과정에서 저항이 급격히 증가하는 특성을 가지므로, 상기와 같이 서로 다른 온도 구간에 융점을 가진 바인더들의 혼합물은 각각의 온도 구간에서 급격한 저항 증가를 유발할 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 바인더는 둘 이상의 온도 구간에서 각각 상변화를 일으키는 물질일 수 있다. 일반적으로 상변화(phase transfer)시 물질의 특성 변화로 저항이 변할 수 있으므로, 상기와 같이 각각의 온도 구간에서 상변화를 일으키고 그러한 상변화에 의해 저항이 증가하는 물질은 본 발명의 바인더에 사용될 수 있다.
이러한 상변화를 일으키는 물질은 그것의 종류가 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 첫번째 온도 구간에서 유리전이온도를 나타내고 두번째 온도 구간에서 융점을 나타냄으로써, 각각의 상변화를 일으키는 고분자 수지일 수 있다.
따라서, 상기 고분자 수지는 바인더로서 전지의 정상적인 작동 온도 범위에서는 전극 구성 성분들을 결착시키는 역할을 하며, 둘 이상의 온도 구간에서는 각각 상변화를 일으켜 저항이 급격하게 증가됨으로써 온도 상승으로 인한 전지의 발화, 폭발이 일어나는 문제점을 방지하여, 전지의 안전성을 확보하는 역할을 동시에 수행하는 물성을 가진다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 바인더를 포함하고 있으므로, 일반적인 전기화학 소자의 사용 온도 구간에서는 전지 성능을 저해하지 않으면서도 온도 상승으로 인해 발화, 폭발이 나타나기 이전에 저항이 증가하여 발화, 폭발에 이르는 것을 방지할 수 있으며, 전지의 안전성을 근본적으로 향상시켜 사이클 특성이 우수하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은 양극일 수도 있고 음극일 수도 있다.
이차전지용 전극은, 일반적으로 전극 활물질, 집전체, 도전재 등으로 구성되어 있으며, 추가적으로 점도 조절제, 충진제가 더 포함될 수 있다.
양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재, 바인더 등의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 바인더 등의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조된다.
상기 전극에서 집전체는 활물질의 전기화학적 반응에서 전자의 이동이 일어나는 부위로서, 전극의 종류에 따라 양극 집전체와 음극 집전체가 존재한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
이들 집전체들은 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 전극에서 전극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 전극의 종류에 따라 양극 활물질과 음극 활물질이 존재한다.
상기 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 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 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 ~ 30 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 나노튜브나 플러렌 등의 탄소 유도체, 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 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 보조성분으로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
본 발명은 또한 상기 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지, 바람직하게는, 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 리튬 이차전지는 일반적으로 전극 외에도 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질을 더 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 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, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)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 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 특히 우수한 안전성이 요구되고 높은 레이트 특성 등이 요구되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원으로 바람직하게 사용될 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 (16)

  1. 전극 활물질과 도전재가 바인더에 의해 집전체에 결합되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 가지고 있고, 상기 온도 구간에서 각각 상변화를 일으키는 물질이며, 상기 둘 이상의 온도 구간 중 첫번째 온도 구간에서 유리전이온도를 나타내고, 두번째 온도 구간에서 융점을 나타내는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지의 정상적인 작동 온도 범위는 상한 범위가 60 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 바인더는 둘 이상의 바인더들의 혼합물이고, 상기 바인더들은 서로 다른 온도 구간에서 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극에는 점도 조절제 및/또는 충진제가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 집전체는 3 내지 200 ㎛의 두께를 가지며 표면에 미세한 요철을 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 활물질은 리튬 전이금속 산화물 분말 또는 탄소 분말인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 제 1 항에 따른 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 전극 활물질과 도전재가 바인더에 의해 집전체에 결합되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 가지고 있고, 상기 급격한 저항 증가가 일어나는 온도 구간은 130~150℃의 첫번째 온도 구간과 160~180℃의 두번째 온도 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  15. 전극 활물질과 도전재가 바인더에 의해 집전체에 결합되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 바인더는 전지의 정상적인 작동 온도 범위 이상으로 온도 상승 시 적어도 둘 이상의 온도 구간에서 급격한 저항 증가가 일어나는 특성을 가지고 있고, 상기 온도 상승에 따른 저항 증가의 기울기 구배(gradient)가 상기 온도 구간에서 적어도 1.5배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 기울기 구배가 상기 온도 구간에서 적어도 2배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
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KR20030042387A (ko) * 2001-11-22 2003-05-28 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지 및 그 제조방법
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