KR102606262B1 - Secondary cell improved alignment - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 형성되는 세퍼레이터를 포함하여 형성되되, 상기 양극과 음극의 일면 및 세퍼레이터는 단차가 형성되어, 외력에 의한 상기 양극과 음극 및 세퍼레이터의 상호 분리를 방지하는 정합성이 개선된 이차전지에 관한 것이다.The present invention includes an anode, a cathode, and a separator formed between the anode and the cathode, wherein one side of the anode and the cathode and the separator have a step to prevent mutual separation of the anode, the cathode, and the separator due to external force. It relates to a secondary battery with improved consistency.
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지의 스태킹 공정에서 발생되는 정렬 정합성을 개선시키기 위하여 전극 및 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터가 변형된 형상으로 형성되는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to secondary batteries, and more specifically, to secondary batteries in which an electrode and a separator that physically separates the electrodes are formed in a modified shape in order to improve alignment that occurs during the stacking process of the secondary battery.
이차전지는 크게 양극, 음극 및 두 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터로 구성되며, 양극활물질인 리튬 이온은 양극과 음극을 이동함에 따라 충전 및 방전이 수행된다. 일 예로, 리튬 이온 이차전지의 경우, 방전 시에는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하고, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동한다. 양극에 사용되는 전극 물질은 금속 이온이 쉽게 이동할 수 있는 공간을 포함하는 결정 구조를 지니며, 산화와 환원이 될 수 있는 금속 이온이 포함된다는 특징을 가지고 있다. 음극으로 이용되는 전극물질은 리튬 금속 또는 흑연 등이 있으며, 리튬티탄 결정이나 실리콘-흑연 복합물을 음극으로 사용하여 성능을 개선시키는 사례도 종종 발표되고 있다.Secondary batteries are largely composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator that physically separates the two electrodes, and lithium ions, which are the positive electrode active material, are charged and discharged as they move between the positive electrode and the negative electrode. For example, in the case of a lithium ion secondary battery, lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode when discharging, and lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode when charging. The electrode material used in the anode has a crystal structure that contains a space where metal ions can easily move, and has the characteristic of containing metal ions that can be oxidized and reduced. Electrode materials used as cathodes include lithium metal or graphite, and cases of improving performance by using lithium titanium crystals or silicon-graphite composites as cathodes are often published.
이와 같이 전극을 구성하는 물질 자체를 다른 물질로 치환시킴으로 인하여 전반적인 전지의 성능을 개선할 수 있다. 그러나 물질을 치환시킨다 하더라도 종래의 리튬이온 이차전지가 채택하는 구조에 따른 문제점은 여전이 남아있을 수밖에 없으며, 이를 극복하기는 어려운 실정이다.In this way, the overall battery performance can be improved by replacing the material that makes up the electrode with another material. However, even if the material is replaced, problems due to the structure adopted by conventional lithium-ion secondary batteries inevitably remain, and it is difficult to overcome them.
도 1은 종래의 이차전지를 도시한 예시도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 이차전지를 구성하는 양극 및 음극과 이를 분리하는 세퍼레이터는 평평한 판 형상으로 적층되는 구조로 형성된다.FIG. 1 is an exemplary diagram showing a conventional secondary battery. As shown in FIG. 1, the positive and negative electrodes constituting the conventional secondary battery and the separator separating them are formed in a structure in which they are stacked in the shape of a flat plate.
그러나 이러한 종래의 구조는 이차전지를 제조하는 스태킹(Stacking) 공정 또는 젤리-롤(Jelly-roll) 공정에서의 이송 중이나, 주액 후 이송 중 발생되는 작은 충격에도 전극의 정렬이 흐트러지는 현상이 발생하는 문제가 있다.However, this conventional structure causes a phenomenon in which the alignment of the electrodes is disturbed even by small shocks that occur during transport in the stacking process or jelly-roll process of manufacturing secondary batteries, or during transport after injection. there is a problem.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 외부 충격에 의한 양극 및 음극 전극의 얼라인먼트 정합성이 저하되는 문제를 해결한 이차전지를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a secondary battery that solves the problem of deterioration of alignment consistency of positive and negative electrodes due to external shock.
본 발명의 다른 목적은 높은 에너지밀도를 구현함과 동시에 수명 등의 내구성 성능 저하가 개선되며, 금속 이온의 방향성 증대로 인한 이온 전도도의 개선을 통하여 전체적인 배터리의 성능 또한 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a secondary battery that achieves high energy density, improves durability performance such as lifespan, and improves overall battery performance by improving ion conductivity due to increased directionality of metal ions.
본 발명에 따른 이차전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 세퍼레이터;를 포함하여 형성되되, 상기 양극과 음극의 일면 및 상기 세퍼레이터는 단차가 형성되어, 외력에 의한 상기 양극, 상기 음극 및 상기 세퍼레이터의 상호 분리를 방지하고, 상기 양극, 상기 음극 또는 이들의 내부에는 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재가 삽입되어 형성되며, 하기 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 한다.
하기 관계식 2에서, DS1은 상기 제1기재에 형성되는 홀의 크기이며, DA는 양극 또는 음극 내의 활물질 입자의 크기이다.
[관계식 2]
DS1 > DA The secondary battery according to the present invention includes a positive electrode; cathode; and a separator formed between the anode and the cathode, wherein one surface of the anode and the cathode and the separator have a step formed to prevent mutual separation of the anode, the cathode, and the separator due to external force. , It is formed by inserting the anode, the cathode, or a mesh-type first substrate with a plurality of holes formed therein, and is characterized by satisfying the following relational expression 2.
In the following equation 2, D S1 is the size of the hole formed in the first substrate, and DA is the size of the active material particles in the positive or negative electrode.
[Relational Expression 2]
D S1 > D A
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극의 일면은 단차진 돌출부가 형성되고, 상기 양극 및 상기 음극의 타면은 상기 돌출부와 대응되는 형상의 함몰부가 형성되며, 상기 세퍼레이터는 상기 양극과 상기 음극의 일면 및 타면과 대응되는 형상으로 형성되어, 상기 양극과 상기 음극 및 상기 세퍼레이터의 체결력을 강화하는 것일 수 있다.In one example of the present invention, one surface of the anode and the cathode is formed with a stepped protrusion, the other surface of the anode and the cathode is formed with a depression having a shape corresponding to the protrusion, and the separator is formed with the anode and the cathode. It may be formed in a shape corresponding to one side and the other side of the cathode to strengthen the fastening force between the anode, the cathode, and the separator.
본 발명의 일 예에 따른 이차전지는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다. 하기 관계식 1에서, T1은 상기 양극 또는 상기 음극의 두께이며, T2는 상기 돌출부 또는 함몰부를 포함하는 단차부의 두께이다.A secondary battery according to an example of the present invention may satisfy the following relational equation 1. In the following relational equation 1, T 1 is the thickness of the anode or the cathode, and T 2 is the thickness of the step including the protrusion or depression.
[관계식 1][Relationship 1]
0.1 < T2/T1 < 0.50.1 < T 2 /T 1 < 0.5
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 돌출부 및 함몰부는 상기 양극과 상기 음극의 일면 또는 타면의 중심부에 형성될 수 있다.In one example of the present invention, the protrusion and depression may be formed at the center of one or the other surface of the anode and the cathode.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 돌출부 및 함몰부는 상기 양극과 상기 음극의 일면 또는 타면에 복수 개가 형성될 수 있다.In one example of the present invention, a plurality of protrusions and depressions may be formed on one or the other surface of the anode and the cathode.
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본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극, 상기 음극 또는 이들의 내부에는 제2기재가 더 삽입될 수 있다.In one example of the present invention, a second substrate may be further inserted into the anode, the cathode, or the interior thereof.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2기재는 홀이 형성되지 않은 평판형일 수 있다.In one example of the present invention, the second substrate may be a flat plate with no holes formed.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1기재 및 상기 제2기재는 상호 교번하여 이격 배치될 수 있다.In one example of the present invention, the first substrate and the second substrate may be alternately arranged to be spaced apart from each other.
본 발명에 따른 이차전지는 종래 발명과는 다른 구조를 채택함으로써, 스태킹(Stacking) 공정이나 젤리-롤(Jelly-roll) 공정 등을 비롯하여, 외부의 충격이 가해지더라도 이차전지의 각 구성요소들의 얼라인먼트를 유지하는데 용이한 효과가 있다.The secondary battery according to the present invention adopts a different structure from the conventional invention, so that the alignment of each component of the secondary battery is maintained even when external shock is applied, including the stacking process or the jelly-roll process. It is effective in maintaining .
또한 본 발명에 따른 이차전지는 양극에서 금속 이온이 통과할 수 있는 면적을 증대 및 이온 전도성 향상에 의해 배터리의 전반적인 성능이 개선된 효과가 있다.In addition, the secondary battery according to the present invention has the effect of improving the overall performance of the battery by increasing the area through which metal ions can pass through the anode and improving ion conductivity.
아울러 본 발명에 따른 이차전지는 복수의 홀이 형성된 기재가 사용됨에 따라, 이차전지의 이온 전도도가 우수하고, 따라서 배터리의 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the secondary battery according to the present invention uses a substrate with a plurality of holes, the ionic conductivity of the secondary battery is excellent, and thus the performance of the battery can be maximized.
나아가 본 발명에 따른 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.Furthermore, the secondary battery according to the present invention can have the above-mentioned effects and at the same time have the above-mentioned effects as the mesh-type first substrate and the plate-type second substrate can be alternately disposed between each active material layer inside the positive electrode and/or negative electrode. It can be manufactured by preventing the active material slurry from flowing down as much as possible during the manufacturing process, thereby providing excellent overall performance.
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.Even if the effect is not explicitly mentioned in the present invention, the effect described in the specification expected by the technical features of the present invention and the inherent effect thereof are treated as if described in the specification of the present invention.
도 1은 종래의 이차전지에 대한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 3은 종래의 이차전지에 외력이 가해졌을 시의 단면을 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 외력이 가해졌을 시의 단면을 도시한 예시도이다.
도 5는 종래의 이차전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 이온이 이동하는 경로를 각각 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 삽입되는 제1기재를 도시한 평면도이다.Figure 1 is an exemplary diagram of a conventional secondary battery.
Figure 2 is a cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an example diagram showing a cross section when an external force is applied to a conventional secondary battery.
Figure 4 is an exemplary diagram showing a cross section when an external force is applied to a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is an exemplary diagram showing the path along which ions move in a conventional secondary battery and a secondary battery according to an embodiment of the present invention, respectively.
Figure 6 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a plan view showing a first substrate inserted into a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 정합성이 개선된 이차전지를 상세히 설명한다.Hereinafter, a secondary battery with improved compatibility according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
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.The drawings described in this specification are provided as examples to enable the idea of the present invention to be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the presented drawings and may be embodied in other forms, and the drawings may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention.
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.Unless otherwise defined, the technical and scientific terms used in this specification have the meanings commonly understood by those skilled in the art to which this invention pertains, and the gist of the present invention is summarized in the following description and accompanying drawings. Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.The singular form of the terms used in this specification may be interpreted to also include the plural form unless otherwise specified.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별 다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.The unit of % used without special mention in this specification means weight% unless otherwise defined.
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.The 'layer' referred to herein means that each material forms a continuum and has a relatively small thickness compared to the width and length. Accordingly, each component should not be interpreted as a two-dimensional flat plane by the 'layer' referred to in this specification.
본 발명에 따른 이차전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 형성되는 세퍼레이터;를 포함하여 형성되되, 상기 양극과 음극의 일면 및 상기 세퍼레이터는 단차가 형성되어, 외력에 의한 상기 양극, 상기 음극 및 상기 세퍼레이터의 상호 분리를 방지하는 것을 특징으로 한다.The secondary battery according to the present invention includes a positive electrode; cathode; and a separator formed between the anode and the cathode, wherein one surface of the anode and the cathode and the separator have a step formed to prevent mutual separation of the anode, the cathode, and the separator due to external force. It is characterized by
종래의 이차전지는 기재와 세퍼에티어 모두 평평한 형상을 가짐에 따라, 외력에 의해 양극, 음극, 세퍼레이터 등의 각 구성요소들의 배열이 흐트러져 정합성이 떨어지는 단점이 있었다.Conventional secondary batteries have a disadvantage in that both the base material and the separator have a flat shape, and thus the arrangement of each component, such as the anode, cathode, and separator, is disturbed by external forces, resulting in poor consistency.
하지만 본 발명에서는 양극, 음극 및 세퍼레이터에 단차가 형성되어 이들 단차가 서로 맞물려 결합된 구조를 가짐에 따라, 강한 충격에도 배열이 흐트러지지 않는 우수한 정합성을 가지는 효과가 있다.However, in the present invention, steps are formed in the anode, cathode, and separator, and these steps have a structure in which the steps are interlocked and combined, so that there is an effect of excellent alignment that does not disturb the arrangement even after a strong impact.
바란직한 일 에에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극의 일면은 단차진 돌출부가 형성되고, 상기 양극 및 상기 음극의 타면은 상기 돌출부와 대응되는 형상의 함몰부가 형성되며, 상기 세퍼레이터는 상기 양극과 상기 음극의 일면 및 타면과 대응되는 형상으로 형성되어, 상기 양극과 상기 음극 및 상기 세퍼레이터의 체결력을 강화하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment, one surface of the anode and the cathode is formed with a stepped protrusion, the other surface of the anode and the cathode is formed with a depression having a shape corresponding to the protrusion, and the separator is formed between the anode and the cathode. It may be formed in a shape corresponding to one side and the other side to strengthen the fastening force between the anode, the cathode, and the separator.
본 발명의 일 예에 따른 이차전지는 하기 관계식 1을 만족하는 것이 바람직할 수 있다. 하기 관계식 1에서, T1은 상기 양극 또는 상기 음극의 두께이며, T2는 상기 돌출부 또는 함몰부를 포함하는 단차부의 두께이다.It may be desirable for the secondary battery according to an example of the present invention to satisfy the following relational equation 1. In the following relational equation 1, T 1 is the thickness of the anode or the cathode, and T 2 is the thickness of the step including the protrusion or depression.
[관계식 1][Relationship 1]
0.1 < T2/T1 < 0.50.1 < T 2 /T 1 < 0.5
상기 관계식 1을 만족할 경우, 강한 충격에도 배열이 흐트러지지 않는 우수한 정합성을 가지면서, 세퍼레이터의 지나친 면적 증가에 의한 전극 내 활물질의 부피 감소에 따른 성능 저하를 실질적으로 방지할 수 있다.When the above relational expression 1 is satisfied, it is possible to substantially prevent performance degradation due to a decrease in the volume of the active material in the electrode due to an excessive increase in the area of the separator, while having excellent consistency in which the arrangement is not disturbed even under strong impact.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 돌출부 및 함몰부는 상기 양극과 상기 음극의 일면 또는 타면의 중심부에 형성될 수 있다. 또한 상기 돌출부 및 함몰부는 상기 양극과 상기 음극의 일면 또는 타면에 복수 개가 형성될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.In one example of the present invention, the protrusion and depression may be formed at the center of one or the other surface of the anode and the cathode. Additionally, a plurality of protrusions and depressions may be formed on one or the other surface of the anode and the cathode. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is of course not limited thereto.
일반적으로, 양극 또는 음극을 포함하는 전극은 활물질층 및 기재(집전체)를 포함하며, 구체적으로, 집전체의 일면 또는 일면과 타면 상에 활물질층이 코팅되어 제조된 것일 수 있다. 이때 상기 활물질층이 양극활물질층일 경우 양극, 상기 활물질층이 음극활물질층일 경우 음극으로 사용된다.Generally, an electrode including a positive or negative electrode includes an active material layer and a base material (current collector). Specifically, it may be manufactured by coating an active material layer on one side or one side and the other side of the current collector. At this time, if the active material layer is a positive electrode active material layer, it is used as an anode, and if the active material layer is a negative electrode active material layer, it is used as a negative electrode.
본 발명에서, 양극, 음극 및 세퍼레이터에 단차를 형성하는 방법은 그 구조를 가질 수 있도록 하는 방법이라면 제한되지 않으며, 일 예를 들어 설명하면, 활물질층 제조를 위한 활물질 슬러리를 기재에 도포하고 상기 도포된 활물질 슬러리를 프레스하여 활물질층을 형성할 시, 프레스의 접촉면에 두께 방향으로 깊이 편차를 두어, 프레스 공정에서 활물질층에 양각 또는 음각의 단차부를 형성할 수 있다. 세퍼레이터의 경우, 세퍼레이터의 제조 과정에서 단차부가 미리 형성되도록 하여 단차부가 형성된 세퍼레이터를 그대로 사용할 수 있다. In the present invention, the method of forming steps in the anode, cathode, and separator is not limited as long as it can have the structure. As an example, an active material slurry for producing an active material layer is applied to a substrate and the applied When forming an active material layer by pressing the active material slurry, a depth difference in the thickness direction is created on the contact surface of the press, so that a positive or negative step can be formed in the active material layer during the pressing process. In the case of a separator, the step portion is formed in advance during the manufacturing process of the separator, so that the separator with the step portion formed can be used as is.
본 발명에 따른 이차전지는 양극, 음극 또는 이들의 내부에 후술하는 제1기재 또는 제1기재와 제2기재가 집전체로서 삽입된 구조를 가질 수 있으며, 이는 다음과 같다.The secondary battery according to the present invention may have a structure in which a positive electrode, a negative electrode, or a first substrate, which will be described later, or a first substrate and a second substrate, which will be described later, are inserted as a current collector, as follows.
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 삽입될 수 있다. 이때 상기 제2기재는 상기 제1기재와는 달리, 실질적으로 홀이 형성되지 않은 평판형이 바람직할 수 있다.The lithium ion secondary battery according to the present invention includes a positive electrode; cathode; and a separator formed between the anode and the cathode, comprising: a mesh-type first substrate having a plurality of holes formed inside the anode, the cathode, or the cathode; and a second description may be inserted. At this time, unlike the first substrate, the second substrate may preferably be a flat plate with no holes substantially formed.
본 발명의 일 양태에 있어서, 양극, 음극 또는 양극과 음극의 내부에 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재와, 제2기재가 삽입되어 존재할 수 있음에 따라, 에너지밀도 향상에 따른 이온 전도성 저하, 수명 저하, 출력 저하 등의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.In one aspect of the present invention, a mesh-type first substrate with a plurality of holes formed inside the anode, the cathode, or the anode and the cathode, and the second substrate may be inserted, thereby lowering the ionic conductivity due to the increase in energy density. , it has the effect of minimizing performance degradation such as reduced lifespan and reduced output.
상세하게, 본 발명의 일 양태에 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.In detail, the lithium ion secondary battery according to one aspect of the present invention effectively induces contact between the active materials in each electrode when a mesh-type first substrate having a plurality of holes is inserted into the positive electrode, the negative electrode, or the positive electrode and the negative electrode. Although the average thickness of the secondary battery can be reduced, the movement of lithium ions and their directionality can be significantly improved. In addition, when a second substrate is further inserted into the anode, the cathode, or the anode and the cathode, that is, when a mesh-type first substrate with a plurality of holes formed therein and a flat second substrate are inserted, the above While retaining the above-mentioned effects, during the manufacturing process of secondary batteries, the molding efficiency in the active material slurry coating process for manufacturing the active material layer is significantly increased, and the overall performance, such as lifespan and output, of the final manufactured secondary battery can be further improved. You can. That is, the effect of increasing efficiency in the manufacturing process, which can prevent disadvantages such as the active material slurry flowing down due to the second substrate inserted into the electrode during the coating process of the active material slurry during the manufacturing process of the secondary battery, and the final manufactured secondary battery accordingly. There is a performance improvement effect.
상기 복수의 홀이 형성된 상기 제1기재가 양극 또는 음극을 포함하는 전극의 내부에 삽입되어 존재할 수 있음에 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.As the first substrate having the plurality of holes may be inserted into an electrode including an anode or a cathode, the first substrate may partially function as a separator, thereby reducing the thickness of the separator. And, as a result, the energy density can be significantly improved. In particular, when the thickness of the separator is reduced by this means, that is, in the present invention, a means in which a first substrate with a plurality of holes is inserted into the electrode is applied to reduce the thickness of the separator, so that the thickness of the separator can be reduced. Compared to the case where conventional means of simply reducing the volume of the separator, etc. are used, there is an effect of minimizing performance degradation such as lifespan and output.
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.The second substrate may be formed to be spaced apart from the first substrate, and an active material layer may exist between them in contact with the first substrate. The electrode including the anode or cathode mentioned in this specification may include active material particles, a binder, a conductive material, etc., and the active material particles and the conductive material are bound by the binder to form a layer. At this time, the above-described first and second substrates are inserted into the layer or exist between the layers, and each substrate is spaced apart from each other.
본 발명의 일 예에 따른 리튬 이온 이차전지는 하기 관계식 2를 만족할 수 있다. 하기 관계식 2에서, DS1은 상기 제1기재에 형성되는 홀의 크기이며, DA는 양극 또는 음극 내의 활물질 입자의 크기이다.A lithium ion secondary battery according to an example of the present invention may satisfy the following relational equation 2. In the following equation 2, D S1 is the size of the hole formed in the first substrate, and DA is the size of the active material particles in the positive or negative electrode.
[관계식 2][Relational Expression 2]
DS1 > DA D S1 > D A
상기 관계식 2를 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.When the above relational expression 2 is satisfied, there is an effect of effectively inducing contact between active materials in the electrode and making the movement path of lithium ions more smooth. As a specific example, the average size of the hole may be 1 to 50 ㎛, preferably 3 to 50 ㎛, and more preferably 5 to 50 ㎛, but this is only described as an early preferred example, and the present invention It is not limited. Also generally, active material particles may have a diameter of 3 to 20 ㎛.
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.In one example of the present invention, the plurality of holes formed in the first substrate may be formed perpendicular to the lower surface of the first substrate, or may be inclined at a certain angle with respect to the lower surface of the first substrate, as the case may be. can be formed. If this is satisfied, that is, as the movement path of lithium ions through the first substrate is formed into a vertical channel or a near-vertical channel, performance degradation problems such as lowered ion conductivity, lowered lifespan, and lowered output due to increased energy density can be seen. It can be minimized.
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.In one example of the present invention, the first substrate and the second substrate may be alternately arranged to be spaced apart from each other. If this is satisfied, performance degradation such as reduced ion conductivity, reduced lifespan, and reduced output due to increased energy density can be further minimized.
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.In an example of the present invention, the first substrate and the second substrate may be arranged independently of each other, and the second substrate may be arranged between the plurality of first substrates. Additionally, in one example of the present invention, the first substrate and the second substrate may be arranged independently of each other, and the first substrate may be arranged between the plurality of second substrates. In one example of the present invention, the centers of the holes of the first substrate disposed at the top and the holes of the first substrate disposed at the bottom may be formed to be staggered. If this is satisfied, disadvantages such as active material slurry flowing during the coating process of the active material slurry during the manufacturing process of the secondary battery can be further prevented, resulting in the effect of increasing efficiency in the manufacturing process and thereby improving the performance of the final manufactured secondary battery. It can be improved.
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.In one embodiment of the present invention, the positive electrode includes: a first positive electrode active material layer; Second positive electrode active material layer; and the first substrate and the second substrate formed between the first cathode active material layer and the second cathode active material layer, wherein the cathode includes: a first cathode active material layer; a second negative electrode active material layer; and the first substrate and the second substrate formed between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer. In a more specific embodiment, the positive electrode includes: a first positive electrode active material layer; The first substrate; Second positive electrode active material layer; The second substrate; Third positive electrode active material layer; The first substrate; and a fourth cathode active material layer; It may be a cathode laminate stacked in this order, and the cathode includes: a first cathode active material layer; The first substrate; a second negative electrode active material layer; The second substrate; a third negative electrode active material layer; The first substrate; and a fourth negative electrode active material layer; may be a negative electrode laminate stacked in this order. At this time, each substrate may be positioned spaced apart from each other. If this is satisfied, the movement path of lithium ions can be further improved.
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.A lithium ion secondary battery according to another example of the present invention includes a first positive electrode active material layer including a first substrate in which a plurality of holes are formed in the thickness direction from top to bottom; second base; a second positive electrode active material layer including the first substrate; A separator that physically separates the anode and cathode; A first negative electrode active material layer including the first substrate; The second substrate; and a second negative electrode active material layer including the first substrate; Can be placed in order.
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.In an example of the present invention, a plurality of the first substrate may be included in the first positive electrode active material layer, the second positive electrode active material layer, the first negative electrode active material layer, and the second negative electrode active material layer, and the plurality of first substrates may be included. The first substrates may be spaced apart from each other.
전술한 바와 같이, 역시 상기 제1기재가 복수로 전극 내부에 형성될 수 있음에 따라 종래와 비교하여 이차전지의 성능을 보다 향상시킬 수 있으면서 이차전지의 전체 두께가 두꺼워지는 문제를 최소화할 수 있다.As described above, since a plurality of the first substrate can be formed inside the electrode, the performance of the secondary battery can be further improved compared to the prior art, and the problem of increasing the overall thickness of the secondary battery can be minimized. .
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.In addition, in one example of the present invention, the plurality of first substrates included in the same layer and divided into a base layer disposed at the top and a base layer disposed at the bottom include a hole and a bottom of the first substrate disposed at the top. The centers of the holes of the first substrate disposed in may be formed to be crossed with each other.
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.The first and second substrates are not particularly limited as long as they have conductivity without substantially causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, copper, nickel, titanium, calcined carbon, or Examples include surface treatment of aluminum or stainless steel with carbon, nickel, titanium, silver, etc. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
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.The average thickness of the first substrate and the second substrate may be within a range that can be used as a secondary battery within a range that can achieve the purpose of the present invention, and for example, may be 3 to 500 ㎛ independently of each other. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
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.The separator (membrane) is interposed between the anode and the cathode, and a thin insulating film with high ion permeability and mechanical strength may be used. At this time, the separator may have micropores, the diameter of which may generally be 0.01 to 10 ㎛. Examples of such separators include olefin-based polymers such as chemical-resistant and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fiber or polyethylene may be used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
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.The average thickness of the active material layer may be within a range that can be used as a secondary battery within a range that can achieve the purpose of the present invention, and may be, for example, 10 to 200 ㎛. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
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.As described above, as the first substrate having a plurality of holes is inserted into the electrode including the anode or cathode, the first substrate partially functions as a separator, thereby further reducing the thickness of the separator. Accordingly, energy density can be significantly improved, and performance degradation such as lifespan and output can be minimized compared to the case where conventional means of simply reducing the volume of substrates and separators for high-capacity design are used. There is an effect. At this time, the average thickness of the separator may be the average thickness of a conventional separator, and the performance is significantly superior even at a smaller average thickness. For example, it may be 5 to 300 ㎛. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is of course not limited thereto.
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.The active material layer serves to provide lithium ions or absorb/release lithium ions, and since this corresponds to a known technology, there is no limitation, and known literature may be referred to. Specifically, the active material layer may include an active material, a conductive material, and a binder. When the active material is a positive electrode active material, it is used as a positive electrode active material layer, and when the active material is a negative electrode active material, it is used as a negative electrode active material layer. As a specific example, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may be manufactured by coating a positive electrode active material slurry and a negative electrode active material slurry, respectively, and each active material slurry may include an active material, a conductive material, and a binder, and in some cases, It may further contain a solvent. This active material slurry can be coated on a substrate through processes such as applying, drying, and pressing to form a coating layer, which is an active material layer, and can be used as a positive or negative electrode.
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.The positive electrode active material may be any material used in a lithium ion secondary battery, and may include, for example, layered compounds such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or compounds substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxide with the formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (where x = 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, x = 0.01 to 0.3); Chemical formula LiMn 2 - x M Lithium manganese complex oxide expressed as Cu or Zn); Lithium manganese composite oxide with a spinel structure expressed as LiNi x Mn 2-x O 4 ; LiMn 2 O 4 in which part of Li in the chemical formula is replaced with an alkaline earth metal ion; disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 etc. may be mentioned, but it is not limited to these alone.
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.The negative electrode active material includes, for example, carbon such as non-graphitized carbon and graphitic carbon; Li x Fe 2 O 3 ( 0≤x≤1 ), Li x WO 2 (0≤x≤1 ) , Sn : Al, B, P, Si, elements of groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogen; metal complex oxides such as 0<x≤1;1≤y≤3;1≤z≤8); lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloy; tin-based alloy; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni based materials and the like can be mentioned, but are not limited to these alone.
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.The conductive material can typically be added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the active material slurry including the active material. These conductive materials are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
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.The binder is a component that assists in the bonding of the active material and the conductive material and the bonding to the current collector, and can typically be added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the active material slurry containing the active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, and polyethylene. , polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butyrene rubber, fluorine rubber, and various copolymers. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, these are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 양극과 음극은 상호 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터에 의해 분리 된다. Figure 2 is a cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 2, the anode and cathode are separated by a separator that physically separates the electrodes from each other.
이때 상기 양극은 상기 양극의 하면에 별도의 제1돌출부가 형성될 수 있다. 상기 제1돌출부는 상기 양극의 하면과 상기 음극의 상면 사이의 체결을 견고히 하기 위함이며, 이를 위하여 상기 제1돌출부와 결합하는 상기 음극의 상면에는 제2함몰부가 형성될 수 있다.At this time, the positive electrode may have a separate first protrusion formed on the lower surface of the positive electrode. The first protrusion is intended to strengthen the connection between the lower surface of the anode and the upper surface of the cathode. To this end, a second depression may be formed on the upper surface of the cathode coupled to the first protrusion.
상기 제2함몰부는 상기 제1돌출부가 삽입될 수 있는 구조라면 따로 한정하지 않으나, 상기 양극 및 음극의 체결력을 최대화하기 위하여 상기 제1돌출부와 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.The second depression is not particularly limited as long as it has a structure into which the first protrusion can be inserted, but is preferably formed in a shape corresponding to the first protrusion in order to maximize the fastening force between the anode and the cathode.
이와 마찬가지로 상기 음극의 하면 또한 별도의 제2돌출부가 형성될 수 있고, 상기 제2돌출부는 상기 음극의 하면과 상기 양극의 상면 사이의 체결을 강화할 수 있다. 역시 상기 제2돌출부와 결합하는 상기 양극의 상면에는 제1함몰부가 형성될 수 있는데, 상기 제1함몰부는 체결력을 최대화하기 위하여 상기 제2돌출부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.Likewise, a separate second protrusion may be formed on the lower surface of the negative electrode, and the second protrusion may strengthen the connection between the lower surface of the negative electrode and the upper surface of the positive electrode. Also, a first depression may be formed on the upper surface of the anode coupled to the second protrusion, and the first depression may be formed in a shape corresponding to the second protrusion to maximize fastening force.
이때 상기 양극 및 음극의 두께(T1)와 상기 복수의 돌출부 및 함몰부의 두께(T2)의 비(T2/T1)는 0.1 내지 0.5 범위 내의 값을 갖게 됨으로써, 이차전지의 성능을 더욱 개선시킬 수 있다.At this time, the ratio (T 2 /T 1 ) between the thickness of the anode and the cathode (T 1 ) and the thickness (T 2 ) of the plurality of protrusions and depressions has a value within the range of 0.1 to 0.5, thereby further improving the performance of the secondary battery. It can be improved.
상기 복수의 돌출부 및 함몰부에 의하여 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 상기 세퍼레이터 또한 상기 복수의 돌출부 및 함몰부와 대응되는 형상의 단차부가 형성된다.The separator interposed between the anode and the cathode is formed by the plurality of protrusions and depressions, and a step portion having a shape corresponding to the plurality of protrusions and depressions is formed.
상기 단차부는 종래의 이차전지에서는 관찰할 수 없는 부분으로써, 상기 단차부로 인하여 상기 세퍼레이터의 전반적인 길이가 증가하게 된다. 이는 상기 양극 및 음극을 이동하는 이온의 전도도에 대한 성능개선과 관련이 있으며, 이에 관한 기술은 도 4를 설명하는 부분에서 후술한다.The step portion is a part that cannot be observed in a conventional secondary battery, and the overall length of the separator increases due to the step portion. This is related to performance improvement in the conductivity of ions moving between the anode and cathode, and technology related to this will be described later in the description of FIG. 4.
또한 상기 양극 및 음극의 내부에 삽입되는 양극 제1기재 및 음극 제1기재는 두께 방향으로 홀이 형성되는 메쉬 타입의 기재가 사용될 수 있으며, 이 역시 이온 전도도의 경로를 개선한다는 장점을 보유한다.In addition, the first anode substrate and the first cathode substrate inserted into the anode and the cathode may be mesh-type substrates with holes formed in the thickness direction, which also has the advantage of improving the path of ion conductivity.
도 3 및 도 4는 종래의 이차전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 외력이 가해졌을 시의 단면을 각각 도시한 예시도이다. 도 3은 종래의 이차전지에 일정 방향의 외력이 가해졌을 시의 변화를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 이차전지에 도 3에 도시된 것과 동일한 외력이 가해졌을 시의 변화를 도시한 것이다.Figures 3 and 4 are illustrations showing cross-sections when an external force is applied to a conventional secondary battery and a secondary battery according to an embodiment of the present invention, respectively. Figure 3 shows the change when an external force in a certain direction is applied to a conventional secondary battery, and Figure 4 shows the change when the same external force as shown in Figure 3 is applied to the secondary battery according to the present invention. will be.
먼저 도 3에 도시된 것처럼, 종래의 이차전지는 상기 세퍼레이터의 두께 방향과 수직으로 외력이 가해질 경우, 상기 양극 또는 음극이 가해진 외력의 방향으로 이동하게 되어 정렬이 흐트러질 수 있다. 이는 상기 양극 또는 음극 전극이 단판으로 평평한 형상으로 이루어져 있기 때문에 나타날 수 있는 형상으로, 이차전지의 스태킹 공정이나 젤리-롤 공정 이송 중, 또는 주액 후 이송 중인 경우에는 도 3과 같이 작은 충격에도 상기 양극 및 음극의 얼라인먼트가 부정합될 가능성이 크다.First, as shown in FIG. 3, when an external force is applied perpendicular to the thickness direction of the separator in a conventional secondary battery, the positive or negative electrode may move in the direction of the applied external force, causing the alignment to be disturbed. This is a shape that can occur because the anode or cathode electrode is made of a single plate in a flat shape. During the stacking process or jelly-roll process of secondary batteries, or during transport after injection, the anode is damaged even by a small impact as shown in FIG. 3. And there is a high possibility that the alignment of the cathode is misaligned.
이에 반해 본 발명에 따른 이차전지는 도 3과 같이 동일한 방향에서 외력이 가해질 경우에도 상기 양극 및 음극 전극의 정렬이 흐트러지지 않는다. 이는 도 2를 설명하는 부분에서 상기한 것과 같이, 상기 양극, 음극 및 세퍼레이터는 평평한 형상에 단순히 적층되는 것이 아니라 상기 복수의 돌출부, 복수의 함몰부 및 세퍼레이터 단차부에 의해 삽입되어 결합되는 구조를 가지는 것에 기인한다.On the other hand, in the secondary battery according to the present invention, the alignment of the positive and negative electrodes is not disturbed even when an external force is applied in the same direction as shown in FIG. 3. As mentioned above in the description of FIG. 2, the anode, cathode, and separator are not simply stacked in a flat shape, but have a structure in which they are inserted and combined by the plurality of protrusions, the plurality of depressions, and the separator step portion. It is due to
도 4에 도시된 것처럼, 도 3의 경우와 동일한 외력이 가해진다면, 상기 복수의 돌출부에 형성되는 반작용 힘에 의해 상기 양극 및 음극의 정렬이 유지될 수 있다.As shown in FIG. 4 , if the same external force as in the case of FIG. 3 is applied, the alignment of the anode and the cathode can be maintained by the reaction force formed on the plurality of protrusions.
도 5는 종래의 이차전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 이온 이동 경로를 각각 도시한 예시도이다. (a)는 종래의 이차전지의 이온이 이동하는 경로를 개념화하여 도시한 것이고, (b)는 본 발명에 따른 이차전지의 이온이 이동하는 경로를 개념화하여 도시한 것이다.Figure 5 is an exemplary diagram showing the ion movement path of a conventional secondary battery and a secondary battery according to an embodiment of the present invention, respectively. (a) conceptualizes and illustrates the path along which ions move in a conventional secondary battery, and (b) conceptualizes and illustrates the path along which ions move in a secondary battery according to the present invention.
우선 종래의 이차전지는 이온이 통과하는 상기 세퍼레이터가 평평한 형상으로써, 상기 양극 및 음극과 접하는 부분에서 이온의 통과가 이루어지기 때문에 (b)에 도시된 본 발명의 구조에 비하여 이온 전도성이 저하될 수 있다.First, in conventional secondary batteries, the separator through which ions pass is flat, and ions pass through the portion in contact with the positive and negative electrodes, so ion conductivity may be lowered compared to the structure of the present invention shown in (b). there is.
반면에 본 발명에 따른 이차전지는 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 양극 및 음극에 형성되는 복수의 돌출부 및 함몰부에 의하여 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 상기 세퍼레이터 또한 단차부가 형성되기 때문에, 이온이 통과할 수 있는 상기 세퍼레이터의 면적이 종래에 비해 증가하여, 이온 방향성 및 경로가 개선되어 이차전지의 성능이 현저히 향상될 수 있다.On the other hand, in the secondary battery according to the present invention, as shown in (b), the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode also has a step portion formed by a plurality of protrusions and depressions formed on the positive electrode and the negative electrode, The area of the separator through which ions can pass is increased compared to the prior art, and the ion directionality and path are improved, thereby significantly improving the performance of the secondary battery.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 삽입되는 제1기재를 도시한 평면도이다. 이와 같이 본 발명은 상기한 실시예 이외의 다른 실시예의 구조를 채택할 수 있으며, 도 6과 같이 상기 양극 및 음극의 내부에 삽입되는 기재를 복수 개로 삽입하여 성능을 개선시킬 수 있으며, 이때 전극에 삽입되는 기재는 제1기재 및 제2기재로 두 가지 종류의 기재가 삽입될 수 있다.Figure 6 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention, and Figure 7 is a plan view showing a first substrate inserted into the secondary battery according to another embodiment of the present invention. As such, the present invention can adopt the structure of other embodiments other than the above-described embodiment, and the performance can be improved by inserting a plurality of substrates inserted into the anode and cathode as shown in FIG. 6. In this case, the electrode Two types of substrates can be inserted: first substrates and second substrates.
두께 방향으로 복수의 홀이 형성되는 메쉬 타입의 제1기재와 종래 이차전지의 전극에 삽입되는 형태의 제2기재가 상기 양극 및 음극 내부에 배치될 수 있으며, 상기 제1기재는 복수의 홀을 형성함에 따라 기재의 상하부에 접하는 활물질층간 접촉을 극대화함으로써, 보다 자유로운 리튬이온의 이동이 가능하다.A first substrate of a mesh type with a plurality of holes formed in the thickness direction and a second substrate of a type inserted into the electrode of a conventional secondary battery may be disposed inside the positive and negative electrodes, and the first substrate has a plurality of holes. By maximizing the contact between the active material layers in contact with the top and bottom of the substrate as it is formed, freer movement of lithium ions is possible.
이는 리튬이온이 양극 및 음극을 포함하는 전극 내부를 이동함에 있어서 저항을 최소화시킬 수 있음에 따라, 이온 전도도가 향상되고, 따라서 이차전지의 전반적인 성능을 높일 수 있다.This can minimize resistance as lithium ions move inside electrodes including the positive and negative electrodes, thereby improving ionic conductivity and thus improving the overall performance of the secondary battery.
또한 상기 제2기재는 이차전지의 제조 과정 시 상기 메쉬 타입의 제1기재에서 전극을 구성하는 활물질층 형성을 위한 활물질 슬러리가 한쪽으로 쏠리거나 흐르는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 상기 제1기재와 상기 제2기재를 상기 양극 및 음극 내부에서 번갈아가며 배치함에 따라, 활물질층 형성 시 활물질 슬러리가 흘러내리는 현상을 방지할 수 있다.In addition, the second substrate can prevent the active material slurry for forming the active material layer constituting the electrode in the mesh-type first substrate from being tilted to one side or flowing during the manufacturing process of the secondary battery. That is, by arranging the first substrate and the second substrate alternately inside the anode and the cathode, it is possible to prevent the active material slurry from flowing down when forming the active material layer.
1 : 종래 이차전지의 양극, 2 : 종래 이차전지의 음극,
3 : 종래 이차전지의 세퍼레이터, 10 : 양극,
11 : 제1돌출부, 12 : 제1함몰부,
13 : 양극 제2기재, 14 : 양극 제1기재,
15 : 양극 제1기재 홀, 20 : 음극,
21 : 제2돌출부, 22 : 제2함몰부,
23 : 음극 제2기재, 24 : 음극 제1기재,
30 : 세퍼레이터, 31 : 단차부,
T1 : 전극의 두께, T2 : 돌출부의 두께1: positive electrode of a conventional secondary battery, 2: negative electrode of a conventional secondary battery,
3: separator of conventional secondary battery, 10: positive electrode,
11: first protrusion, 12: first depression,
13: second anode substrate, 14: first anode substrate,
15: anode first substrate hole, 20: cathode,
21: second protrusion, 22: second depression,
23: second cathode substrate, 24: first cathode substrate,
30: separator, 31: step portion,
T 1 : Thickness of electrode, T 2 : Thickness of protrusion
Claims (10)
상기 양극, 상기 음극 또는 이들의 내부에는 복수의 홀이 형성된 메쉬형 제1기재가 삽입되어 형성되며,
하기 관계식 2를 만족하는 이차전지.
[관계식 2]
DS1 > DA
(상기 관계식 2에서, DS1은 상기 제1기재에 형성되는 홀의 크기이며, DA는 양극 또는 음극 내의 활물질 입자의 크기이다)
anode; cathode; and a separator formed between the anode and the cathode, wherein one surface of the anode and the cathode and the separator have a step formed to prevent mutual separation of the anode, the cathode, and the separator due to external force. ,
It is formed by inserting the anode, the cathode, or a mesh-type first substrate with a plurality of holes formed therein,
A secondary battery that satisfies the following relational expression 2.
[Relational Expression 2]
D S1 > D A
(In the above equation 2, D S1 is the size of the hole formed in the first substrate, and DA is the size of the active material particles in the positive or negative electrode)
상기 양극 및 상기 음극의 일면은 단차진 돌출부가 형성되고,
상기 양극 및 상기 음극의 타면은 상기 돌출부와 대응되는 형상의 함몰부가 형성되며,
상기 세퍼레이터는 상기 양극과 상기 음극의 일면 및 타면과 대응되는 형상으로 형성되어, 상기 양극과 상기 음극 및 상기 세퍼레이터의 체결력을 강화하는 이차전지.According to paragraph 1,
One surface of the anode and the cathode is formed with a stepped protrusion,
The other surfaces of the anode and the cathode are formed with depressions of a shape corresponding to the protrusions,
The separator is formed in a shape corresponding to one side and the other side of the positive electrode and the negative electrode, and strengthens the fastening force of the positive electrode, the negative electrode, and the separator.
하기 관계식 1을 만족하는 이차전지.
[관계식 1]
0.1 < T2/T1 < 0.5
(상기 관계식 1에서, T1은 상기 양극 또는 상기 음극의 두께이며, T2는 상기 돌출부 또는 함몰부를 포함하는 단차부의 두께이다)According to paragraph 2,
A secondary battery that satisfies the following relational expression 1.
[Relationship 1]
0.1 < T 2 /T 1 < 0.5
(In the above relational expression 1, T 1 is the thickness of the anode or the cathode, and T 2 is the thickness of the step including the protrusion or depression)
상기 돌출부 및 함몰부는 상기 양극과 상기 음극의 일면 또는 타면의 중심부에 형성되는 이차전지.According to paragraph 3,
A secondary battery wherein the protrusions and depressions are formed at the center of one or the other side of the positive electrode and the negative electrode.
상기 돌출부 및 함몰부는 상기 양극과 상기 음극의 일면 또는 타면에 복수 개가 형성되는 이차전지.According to paragraph 3,
A secondary battery in which a plurality of the protrusions and depressions are formed on one side or the other side of the positive electrode and the negative electrode.
상기 양극, 상기 음극 또는 이들의 내부에는 제2기재가 더 삽입되는 이차전지.According to paragraph 1,
A secondary battery in which a second substrate is further inserted into the positive electrode, the negative electrode, or the interior thereof.
상기 제2기재는 홀이 형성되지 않은 평판형인 이차전지.According to clause 8,
The second substrate is a flat secondary battery in which no holes are formed.
상기 제1기재 및 상기 제2기재는 상호 교번하여 이격 배치되는 이차전지.According to clause 8,
A secondary battery in which the first substrate and the second substrate are arranged alternately and spaced apart from each other.
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