KR102560559B1 - 복수 기재를 갖는 리튬 이온 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 형성되어 두 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터를 포함하여 형성되되, 상기 양극 및/또는 음극의 내부에는 복수의 홀이 형성되는 메쉬 타입의 제1기재 및 제2기재가 삽입되는 것을 특징으로 하는 복수 기재가 적용된 리튬 이온 이차전지에 관한 것이다.

Description

복수 기재를 갖는 리튬 이온 이차전지{Lithium ion secondary cell having multiple substrates}
본 발명은 리튬 이온 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 수명 및 출력 성능 개선을 위해 복수의 기재가 적용된 고용량 리튬 이온 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차전지는 에너지 밀도가 비교적 높고, 사용하지 않을 시에도 자가방전이 적게 일어나기 때문에 휴대 전자제품에 많이 적용되어 왔으며, 최근 전기자동차 등 대용량 전력 요구 제품에 적용이 확대되면서 고용량 리튬 이온 이차전지의 필요성이 대두되고 있다.
구체적으로, 리튬 이온 이차전지는 크게 양극, 음극 및 두 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터로 구성되며, 양극활물질인 리튬 이온은 양극과 음극을 이동함에 따라 충전 및 방전이 수행된다. 즉, 방전 시에는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하고, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동한다.
종래 리튬 이온의 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 위치하여 이들을 물리적으로 분리시키며, 이 상태에서 리튬 이온의 이동이 이루어진다. 통상적으로, 양극활물질이 도포된 기재(집전체)를 포함하는 양극과 음극활물질이 도포된 기재(집전체)를 포함하는 음극이 리튬 이온 이차전지의 내부에 전극 당 한 장씩 형성되어 구성된다.
일반적으로, 이차전지의 높은 에너지밀도를 도출하기 위해 기재와 세퍼레이트의 부피를 단순히 감소시키는 설계를 채택할 경우, 그에 따른 열화 현상이 발생하며, 이 열화 현상은 이차전지의 전체적인 성능을 저하시켜 수명과 출력 효율을 현저히 저하시키는 문제가 발생한다.
한국등록특허공보 제10-1394273호 (2014.05.07)
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 높은 에너지밀도를 구현함과 동시에 수명 및 출력 등의 성능 저하가 개선된 리튬 이온 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리튬 이온의 방향성 증대로 인한 이온 전도도의 개선을 통하여 전체적인 배터리의 성능 또한 향상된 리튬 이온 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지는, 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 세퍼레이터;를 포함하는 것으로, 상기 양극, 음극 또는 이들의 내부에는, 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재; 및 제2기재;가 삽입되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2기재는 홀이 형성되지 않은 평판형일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 리튬 이온 이차전지는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다. 하기 관계식 1에서, DS1은 상기 제1기재에 형성되는 홀의 크기이며, DA는 양극 또는 음극 내의 활물질 입자의 크기이다.
[관계식 1]
DS1 > DA
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재에 형성되는 복수의 홀은, 상기 제1기재의 하면에 대하여 수직으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재에 형성되는 복수의 홀은, 상기 제1기재의 하면에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 상호 교번하여 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 서로 독립적으로 복수로 배치될 수 있으며, 복수의 상기 제1기재 사이에 상기 제2기재가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상부에 배치되는 제1기재의 홀 및 하부에 배치되는 제1기재의 홀의 중심은 상호 엇갈려 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 서로 독립적으로 복수로 배치될 수 있으며, 복수의 상기 제2기재 사이에 상기 제1기재가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극은, 제1양극활물질층; 제2양극활물질층; 및 상기 제1양극활물질층과 상기 제2양극활물질층 사이에 형성되는 상기 제1기재와 상기 제2기재;를 포함하는 양극적층체일 수 있으며, 상기 음극은, 제1음극활물질층; 제2음극활물질층; 및 상기 제1음극활물질층과 상기 제2음극활물질층 사이에 형성되는 상기 제1기재와 상기 제2기재;를 포함하는 음극적층체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극은, 제1양극활물질층; 상기 제1기재; 제2양극활물질층; 상기 제2기재; 제3양극활물질층; 상기 제1기재; 및 제4양극활물질층;이 순서대로 적층되는 양극적층체일 수 있으며, 상기 음극은, 제1음극활물질층; 상기 제1기재; 제2음극활물질층; 상기 제2기재; 제3음극활물질층; 상기 제1기재; 및 제4음극활물질층;이 순서대로 적층되는 음극적층체일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 리튬이온 이차전지는, 상부에서 하부로 복수의 홀이 두께방향으로 형성되는 제1기재를 포함하는 제1양극활물질층; 제2기재; 상기 제1기재를 포함하는 제2양극활물질층; 양극 및 음극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터; 상기 제1기재를 포함하는 제1음극활물질층; 상기 제2기재; 및 상기 제1기재를 포함하는 제2음극활물질층; 순서로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1양극활물질층, 상기 제2양극활물질층, 상기 제1음극활물질층 및 상기 제2음극활물질층에 상기 제1기재가 복수로 포함될 수 있으며, 상기 복수의 제1기재는 서로 이격할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 동일 층에 포함되어 상부에 배치되는 기재층과 하부에 배치되는 기재층으로 구분되는 상기 복수의 제1기재는, 상부에 배치되는 상기 제1기재의 홀과 하부에 배치되는 상기 제1기재의 홀의 중심이 상호 엇갈려서 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지는 양극 및/또는 음극 사이에 특정 구조를 가지는 다수의 기재가 삽입됨으로써, 우수한 이온 전도성을 가지며, 높은 에너지밀도를 구현함과 동시에 수명 및 출력 등의 성능 저하가 개선된 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지는 양극 및/또는 음극 내부에서 각 활물질층 사이에 메쉬형의 제1기재 및 평판형의 제2기재가 번갈아가며 배치될 수 있음에 따라, 전술한 효과를 가짐과 동시에 제조 과정 시 활물질 슬러리가 흘러내리는 것을 최대한 방지하여 제조될 수 있으며, 따라서 전반적인 성능이 우수한 효과가 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 종래의 이차전지에 대한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 이차전지에 삽입되는 제1기재를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온이 제1기재를 통과하는 상태의 단면을 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 단면도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 복수 기재를 갖는 리튬 이온 이차전지를 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별 다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서 언급되는 '층'은 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라 본 명세서에서 언급되는 '층'에 의해, 각 구성요소가 2 차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지는, 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 세퍼레이터;를 포함하는 것으로, 상기 양극, 음극 또는 이들의 내부에는, 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재; 및 제2기재;가 삽입되는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 제2기재는 상기 제1기재와는 달리, 실질적으로 홀이 형성되지 않은 평판형이 바람직할 수 있다.
일반적으로, 양극 및/또는 음극은 활물질층 및 기재(집전체)를 포함하며, 상기 활물질층이 양극활물질층일 경우 양극, 상기 활물질층이 음극활물질층일 경우 음극으로 사용된다.
본 발명에서는 양극, 음극 또는 양극과 음극의 내부에 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재와, 제2기재가 삽입되어 존재함에 따라, 에너지밀도 향상에 따른 이온 전도성 저하, 수명 저하, 출력 저하 등의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지는 양극, 음극 또는 양극과 음극의 내부에 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재가 삽입될 경우, 각 전극 내의 활물질간 접촉을 효과적으로 유도하여 이차전지의 평균두께를 감소시킬 수 있음에도 리튬 이온의 이동 및 이의 방향성을 현저히 향상시킬 수 있다. 또한 상기 양극, 음극 또는 양극과 음극의 내부에 제2 기재가 더 삽입될 경우, 즉, 상기 내부에 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재와 평판형의 제2 기재가 삽입될 경우, 상기의 전술한 효과를 그대로 가지면서, 이차전지의 제조 과정 시, 활물질층의 제조를 위한 활물질 슬러리 코팅 과정에서의 성형 효율이 현저히 증가하여 최종 제조된 이차전지의 수명, 출력 등의 전반적인 성능이 보다 향상될 수 있다. 즉, 이차 전지의 제조 과정 중 활물질 슬러리의 코팅 과정에서 전극에 삽입된 제2기재에 의해 활물질 슬러리가 흘러내리는 등의 단점을 방지할 수 있는 제조 공정상 효율 증가 효과 및 이에 따른 최종 제조된 이차전지의 성능 향상 효과가 있다.
상기 복수의 홀이 형성된 상기 제1기재가 양극 또는 음극을 포함하는 전극 내부에 삽입되어 존재함에 따라, 상기 제1기재가 세퍼레이터의 역할을 일부 포함함으로써, 세퍼레이터의 두께를 보다 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 에너지 밀도를 현저히 향상시킬 수 있다. 특히 이러한 수단으로 세퍼레이터의 두께를 감소시킬 경우, 즉, 본 발명에서는 복수의 홀이 형성된 제1기재가 전극 내에 삽입되는 수단이 적용되어 세퍼레이터의 두께를 감소시킬 수 있음에 따라, 고용량 설계를 위한 기재, 세퍼레이터 등의 부피를 단순히 감소시키는 종래의 일반적인 수단이 사용된 경우와 비교하여 수명, 출력 등의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
상기 제2기재는 상기 제1기재와 이격하여 형성될 수 있으며, 이들 사이에는 활물질층이 접하여 존재할 수 있다. 본 명세서에서 언급되는 양극 또는 음극을 포함하는 전극은 활물질 입자, 바인더, 도전재 등을 포함할 수 있으며, 활물질 입자 및 도전재는 바인더에 의해 결착되어 층을 형성하게 된다. 이때 전술한 제1기재 및 제2기재가 상기 층 내에 삽입되어 존재하거나, 상기 층들 사이에 존재하며, 각 기재들은 서로 이격한 상태로 존재한다.
본 발명의 일 예에 따른 리튬 이온 이차전지는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다. 하기 관계식 1에서, DS1은 상기 제1기재에 형성되는 홀의 크기이며, DA는 양극 또는 음극 내의 활물질 입자의 크기이다.
[관계식 1]
DS1 > DA
상기 관계식 1을 만족할 경우, 전극 내의 활물질간 접촉을 효과적으로 유도하여 리튬 이온의 이동 경로를 보다 원활하게 할 수 있는 효과가 있다. 구체적인 일 예로, 상기 홀의 평균크기는 1 내지 50 ㎛, 바람직하게는 3 내지 50 ㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 50 ㎛일 수 있으나, 이른 바람직할 수 있는 일 예로서 설명한 것일 뿐, 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한 일반적으로, 활물질 입자는 3~20 ㎛의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재에 형성되는 복수의 홀은, 상기 제1기재의 하면에 대하여 수직으로 형성될 수 있거나, 경우에 따라 상기 제1기재의 하면에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 이를 만족할 경우, 즉, 제1기재를 통하여 리튬 이온의 이동 경로가 수직채널 또는 수직에 가까운 채널로 형성됨에 따라, 에너지밀도 향상에 따른 이온 전도성 저하, 수명 저하, 출력 저하 등의 성능 저하 문제를 보다 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 상호 교번하여 이격 배치될 수 있다. 이를 만족할 경우, 에너지밀도 향상에 따른 이온 전도성 저하, 수명 저하, 출력 저하 등의 성능 저하를 보다 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 서로 독립적으로 복수로 배치될 수 있으며, 복수의 상기 제1기재 사이에 상기 제2기재가 배치될 수 있다. 또한 본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 서로 독립적으로 복수로 배치될 수 있으며, 복수의 상기 제2기재 사이에 상기 제1기재가 배치될 수 있다. 본 발명의 일 예에 있어서, 상부에 배치되는 제1기재의 홀 및 하부에 배치되는 제1기재의 홀의 중심은 상호 엇갈려 형성될 수 있다. 이를 만족할 경우, 이차 전지의 제조 과정 중 활물질 슬러리의 코팅 과정에서 활물질 슬러리가 흘러내리는 등의 단점을 더욱 방지할 수 있어 제조 공정상 효율 증가 효과 및 이에 따른 최종 제조된 이차전지의 성능 향상 효과가 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극은, 제1양극활물질층; 제2양극활물질층; 및 상기 제1양극활물질층과 상기 제2양극활물질층 사이에 형성되는 상기 제1기재와 상기 제2기재;를 포함하는 양극적층체일 수 있으며, 상기 음극은, 제1음극활물질층; 제2음극활물질층; 및 상기 제1음극활물질층과 상기 제2음극활물질층 사이에 형성되는 상기 제1기재와 상기 제2기재;를 포함하는 음극적층체일 수 있다. 보다 구체적인 일 실시예에 있어서, 상기 양극은, 제1양극활물질층; 상기 제1기재; 제2양극활물질층; 상기 제2기재; 제3양극활물질층; 상기 제1기재; 및 제4양극활물질층;이 순서대로 적층되는 양극적층체일 수 있으며, 상기 음극은, 제1음극활물질층; 상기 제1기재; 제2음극활물질층; 상기 제2기재; 제3음극활물질층; 상기 제1기재; 및 제4음극활물질층;이 순서대로 적층되는 음극적층체일 수 있다. 이때 각 기재들은 서로 이격하여 위치할 수 있다. 이를 만족할 경우, 리튬 이온의 이동 경로가 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 일 예에 따른 리튬이온 이차전지는, 상부에서 하부로 복수의 홀이 두께방향으로 형성되는 제1기재를 포함하는 제1양극활물질층; 제2기재; 상기 제1기재를 포함하는 제2양극활물질층; 양극 및 음극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터; 상기 제1기재를 포함하는 제1음극활물질층; 상기 제2기재; 및 상기 제1기재를 포함하는 제2음극활물질층; 순서로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1양극활물질층, 상기 제2양극활물질층, 상기 제1음극활물질층 및 상기 제2음극활물질층에 상기 제1기재가 복수로 포함될 수 있으며, 상기 복수의 제1기재는 서로 이격할 수 있다.
전술한 바와 같이, 역시 상기 제1기재가 복수로 전극 내부에 형성됨으로써 종래와 비교하여 이차전지의 성능을 보다 향상시킬 수 있으면서 이차전지의 전체 두께가 두꺼워지는 문제를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 일 예에 있어서, 동일 층에 포함되어 상부에 배치되는 기재층과 하부에 배치되는 기재층으로 구분되는 상기 복수의 제1기재는, 상부에 배치되는 상기 제1기재의 홀과 하부에 배치되는 상기 제1기재의 홀의 중심이 상호 엇갈려서 형성될 수 있다.
상기 제1기재 및 제2기재는 당해 전지에 화학적 변화를 실질적으로 유발하지 않으면서 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제1기재 및 상기 제2기재의 평균두께는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 이차전지로 사용 가능한 정도의 범위를 가지면 무방하며, 예컨대 서로 독립적으로 3 내지 500 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 세퍼레이터(분리막)은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 이때 세퍼레이터는 미세 기공을 가질 수 있으며, 이의 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛일 수 있다. 이러한 세퍼레이터로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 세퍼레이터의 역할을 겸할 수도 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 활물질층의 평균두께는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 이차전지로 사용 가능한 정도의 범위를 가지면 무방하며, 예컨대 10 내지 200 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
전술한 바와 같이, 복수의 홀이 형성된 상기 제1기재가 양극 또는 음극을 포함하는 전극 내부에 삽입되어 존재함에 따라, 상기 제1기재가 세퍼레이터의 역할을 일부 포함함으로써, 세퍼레이터의 두께를 보다 감소시킬 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도를 현저히 향상시킬 수 있으며, 고용량 설계를 위한 기재, 세퍼레이터 등의 부피를 단순히 감소시키는 종래의 일반적인 수단이 사용된 경우와 비교하여 수명, 출력 등의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 이때 세퍼레이터의 평균두께는 종래의 세퍼레이터의 평균두께이어도 무방하고, 보다 작은 평균두께에서도 상기 성능이 현저히 우수한 효과가 있으며, 예컨대 5 내지 300 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 활물질층은 리튬 이온을 제공하거나 리튬 이온을 흡/방출 할 수 있는 역할을 하는 것으로, 이는 기 공지된 기술에 해당하므로, 제한되지 않으며, 공지된 문헌을 참고하면 무방하다. 구체적으로, 활물질층은 활물질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있고, 상기 활물질이 양극활물질일 경우 양극활물질층으로 사용되며, 상기 활물질이 음극활물질일 경우 음극활물질층으로 사용된다. 구체적인 일 예로, 상기 양극활물질층 및 상기 음극활물질층은 각각 양극활물질 슬러리 및 음극활물질 슬러리의 코팅에 의해 제조될 수 있으며, 각 활물질 슬러리는 활물질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있으며, 경우에 따라 용매를 더 포함할 수 있다. 이러한 활물질 슬러리를 기재에 도포, 건조, 프레싱 등의 공정을 통해 코팅하여 활물질층인 코팅층을 형성함으로써, 양전극 또는 음전극으로 사용될 수 있다.
상기 양극활물질은 리튬 이온 이차전지에서 사용되는 것이라면 무방하며, 예컨대 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x = 0 ~ 0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga, x = 0.01 ~ 0.3)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta, x = 0.01 ~ 0.1) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 음극활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me : Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 활물질을 포함한 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 1 내지 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 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. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 활물질을 포함하는 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 양극과 음극의 내부에는 복수의 기재가 형성된다. 이때 전극에 삽입되는 기재는 두 종류의 기재가 삽입된다. 구체적으로, 상기 기재의 두께 방향으로 복수의 홀이 형성되는 메쉬 타입의 제1기재와, 종래 이차전지의 전극에 삽입되었던 형태의 제2기재가 상기 양극 및 음극의 각 내부에 배치된다.
이때 상기 양극에 형성되는 상기 제1기재 및 제2기재 상에는 리튬산화물이 포함된 양극활물질 슬러리가 도포되어 양극활물질층이 형성되고, 상기 음극에 형성되는 상기 제1기재 및 제2기재 상에는 음극활물질이 포함된 음극활물질 슬러리가 도포되어 음극활물질층이 형성된다. 상기 음극활물질은 우수한 안전성 및 낮은 전자 화학적 반응성을 가지는 흑연 및 열처리에 강한 하드카본 등이 사용된다. 상기 하드카본으로 형성되었을 시에는 기존 흑연에 비해 이차전지의 충전 측면에서 우수한 성능을 얻을 수 있다.
상기 제1기재 및 제2기재가 전극의 내부에 삽입 배치되는 상기 양극 및 음극은 세퍼레이터에 의해 서로 분리된다. 상기 세퍼레이터는 상기 양극 및 음극을 물리적으로 분리함으로써, 내부의 미세한 구멍을 통해 이온만을 이동시켜 전하의 흐름이 가능하도록 한다. 상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 안전성이 뛰어난 물질로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 이차전지에 삽입되는 제1기재를 도시한 평면도이고, 도 4는 리튬 이온이 상기 제1기재를 통과하는 상태의 단면을 도시한 예시도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 내부에 배치되는 상기 제1기재는 상기 복수의 홀에 의해 상기 제1기재 상부 및 하부에 접하는 활물질간 접촉을 효과적으로 유도하여 리튬 이온이 보다 자유롭게 이동할 수 있도록 수직채널을 제공한다.
이때 상기 제1기재의 복수의 홀은 각 전극 내의 활물질 입자보다 크게 형성된다. 활물질 입자는 통상적으로 3~20 ㎛일 수 있음에 따라, 상기 각 홀은 이보다 크면 무방하며, 일 예로 5~50 ㎛ 범위 내의 직경을 가질 수 있다.
이는 상기 제1기재가 메쉬 타입의 형상으로 형성됨에 따라 활물질간 접촉을 효과적으로 유도하여 리튬 이온의 방향성을 증대시키고, 이온이 전도되는 경로를 개선시킴에 따라 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지 전체의 성능이 개선된다.
이때 상기 제1기재에 형성되는 복수의 홀은 상기 제1기재의 하면에 대하여 수직으로 형성될 수 있다. 또한 경우에 따라서는 상기 복수의 홀이 상기 제1기재의 하면에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성될 수도 있다.
또한 상기 제1기재는 박막 형상으로 전극 내부에 배치될 수 있으며, 이로 인하여 복수의 기재가 전극 내부에 형성됨으로써 이차전지 전반적인 두께가 두꺼워지는 현상 또한 미연에 방지할 수 있다.
상기 양극 및 음극의 내부에 삽입 배치되는 상기 제1기재 및 제2기재는 서로 번갈아가며 배치될 수 있으며, 이는 전극 제조 시 상기 메쉬 타입의 제1기재의 복수의 홀을 통하여 통과될 수 있는 활물질 슬러리가 흘러내리는 현상을 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지는 메쉬 타입의 제1기재와 평면형 타입의 제2기재가 함께 적용됨에 따라, 제조 공정상 성형이 우수할 뿐만 아니라, 최종 제조된 이차전지의 수명과 출력 등의 성능을 현저히 개선되는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 단면도이다.
구체적으로, 도 5에서, 양극 및 음극의 내부에 배치되는 기재는 복수의 홀이 형성된 제1기재 및 제조 시 활물질 슬러리의 이탈을 방지하는 제2기재로 형성될 수 있다.
이때 복수의 상기 제2기재 사이에는 복수의 상기 제1기재가 배치됨으로 인하여 실시예 1의 경우보다 전극 내부에 더 많은 복수의 기재가 배치될 수 있다. 이는 이온전도도를 한층 더 향상시킬 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 복수의 제1기재에 형성되는 복수의 홀의 중심을 서로 엇갈리게 배치시킬 수 있다.
이때도 역시 상기 제1기재는 박막 형상으로 전극 내부에 배치될 수 있으며, 이로 인하여 복수의 기재가 전극 내부에 형성됨으로써 이차전지 전반적인 두께가 두꺼워지는 현상 또한 미연에 방지할 수 있다.
1 : 종래 이차전지의 양극, 2 : 종래 이차전지의 음극,
3 : 종래 이차전지의 세퍼레이터, 10 : 양극,
20 : 음극, 30 : 세퍼레이터,
100 : 제1기재 , 110 : 홀,
200 : 제2기재,

Claims (13)

  1. 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 세퍼레이터;를 포함하는 리튬 이온 이차전지로,
    상기 양극, 음극 또는 이들의 내부에는,
    복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재; 및
    홀이 형성되지 않은 평판형인 제2기재;가 삽입되고,
    상기 제1기재 및 상기 제2기재는 상호 교번하여 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    하기 관계식 1을 만족하는 리튬 이온 이차전지.
    [관계식 1]
    DS1 > DA
    (상기 관계식 1에서, DS1은 상기 제1기재에 형성되는 홀의 크기이며, DA는 양극 또는 음극 내의 활물질 입자의 크기이다)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1기재에 형성되는 복수의 홀은,
    상기 제1기재의 하면에 대하여 수직으로 형성되는 리튬 이온 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1기재에 형성되는 복수의 홀은,
    상기 제1기재의 하면에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성되는 리튬 이온 이차전지.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1기재 및 상기 제2기재는 서로 독립적으로 복수로 배치되며,
    복수의 상기 제1기재 사이에 상기 제2기재가 배치되는 리튬 이온 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상부에 배치되는 제1기재의 홀 및 하부에 배치되는 제1기재의 홀의 중심은 상호 엇갈려 형성되는 리튬 이온 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1기재 및 상기 제2기재는 서로 독립적으로 복수로 배치되며,
    복수의 상기 제2기재 사이에 상기 제1기재가 배치되는 리튬 이온 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양극은,
    제1양극활물질층; 상기 제1기재; 제2양극활물질층; 상기 제2기재; 제3양극활물질층; 상기 제1기재; 및 제4양극활물질층;
    이 순서대로 적층되는 양극적층체이며,
    상기 음극은,
    제1음극활물질층; 상기 제1기재; 제2음극활물질층; 상기 제2기재; 제3음극활물질층; 상기 제1기재; 및 제4음극활물질층;
    이 순서대로 적층되는 음극적층체인 리튬 이온 이차전지.
  11. 상부에서 하부로 복수의 홀이 두께방향으로 형성되는 제1기재를 포함하는 제1양극활물질층;
    홀이 형성되지 않은 평판형인 제2기재;
    상기 제1기재를 포함하는 제2양극활물질층;
    양극 및 음극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터;
    상기 제1기재를 포함하는 제1음극활물질층;
    상기 제2기재; 및
    상기 제1기재를 포함하는 제2음극활물질층;
    순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 복수 기재를 갖는 리튬이온 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1양극활물질층, 상기 제2양극활물질층, 상기 제1음극활물질층 및 상기 제2음극활물질층에 상기 제1기재가 복수로 포함되며,
    상기 복수의 제1기재는 서로 이격하는 리튬이온 이차전지.
  13. 제11항에 있어서,
    동일 층에 포함되어 상부에 배치되는 기재층과 하부에 배치되는 기재층으로 구분되는 상기 복수의 제1기재는,
    상부에 배치되는 상기 제1기재의 홀과 하부에 배치되는 상기 제1기재의 홀의 중심이 상호 엇갈려서 형성되는 리튬이온 이차전지.
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