KR20220153273A - 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체는 집전체, 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성되는 제1 활물질 층, 상기 제1 활물질 층 상에 형성되는 제2 활물질 층 및 상기 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층 사이에 배치되며 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층보다 낮은 저항을 갖는 전도성 중개층을 포함한다. 상기 전도성 중개층에 의해 상기 활물질 층의 두께 방향으로의 전기 전도성이 향상되어, 전극 구조체의 저항이 감소될 수 있으며, 리튬 이온의 확산 경로를 줄임으로써 전극의 출력 특성을 향상시킬 수 있고, 목표 출력에 도달하는 전극의 로딩량을 더 높게 설계하여 전극 생산성을 개선할 수 있다.

Description

전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE STRUCTURE AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드늄 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 작동 전압, 에너지 밀도, 충전 속도, 경량화 등의 측면에서 유리한 리튬 이차 전지가 활발히 연구 개발되고 있다.
예를 들면, 상기 리튬 이차 전지가 전기 자동차와 같은 고출력 기기에 적용되는 경우, 보다 높은 용량 및 에너지의 발생이 요구되며 이 경우 전극에 포함되는 활물질의 밀도, 비용량 역시 증가될 필요가 있다. 이 경우, 상대적으로 이차 전지의 안전성이 약화될 수 있다. 한편, 이차 전지의 안전성을 높이는 경우, 전극의 저항이 상승하고 출력 측면에서 불리할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 트레이드-오프(trade-off) 관계에 있는 고출력(또는 저저항) 및 안전성 특성들을 함께 향상시키기 위한 방법 개발이 필요하다.
예를 들면, 한국공개특허공보 제10-2016-0019246호에서 같이, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 방법들이 개발되고 있으나, 고출력, 저저항 특성을 함께 만족시키는 기술개발이 보다 연구될 필요가 있다.
한국공개특허 제10-2016-0019246호
본 발명의 일 과제는 전기적 특성 및 기계적 안전성이 함께 향상된 전극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 전기적 특성 및 기계적 안전성이 함께 향상된 전극 구조체를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따르면, 집전체, 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성되는 제1 활물질 층, 상기 제1 활물질 층 상에 적층되는 제2 활물질 층 및 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층 사이에 배치되며 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층보다 낮은 저항을 갖는 전도성 중개층을 포함하는 이차 전지용 전극 구조체가 제공된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 집전체와 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층의 상면 및 측면을 감싸는 것일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층의 상면 및 일 측면을 감싸는 것일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제2 활물질 층의 저면 및 측면을 감싸는 것일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 활물질 층은 복수의 제1 활물질 패턴층들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 패턴층들 사이의 공간을 채우며 상기 집전체와 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 활물질 층 상에 적층된 제3 활물질 층을 더 포함하고, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층 사이에 배치된 제1 부분, 및 상기 제2 활물질 층 및 상기 제3 활물질 층 사이에 배치된 제2 부분을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 연결하며, 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층의 측벽들을 따라 연장하는 제3 부분을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 금속 또는 탄소 계열 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 탄소 나노 튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층 표면을 노출시키는 개구부들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층은 스트라이프 패턴 구조, 메쉬 구조 또는 네트워크 구조를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 리튬 금속 복합 산화물을 포함하는 양극 및 상기 양극과 대향하는 음극을 포함하며, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 상술한 이차 전지용 전극 구조체를 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.
예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체는 집전체, 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성되는 제1 활물질 층, 상기 제1 활물질 층 상에 형성되는 제2 활물질 층 및 상기 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층 사이에 배치되며 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층보다 낮은 저항을 갖는 전도성 중개층을 포함한다. 상기 전도성 중개층에 의해 상기 활물질 층의 두께 방향으로의 전기 전도성이 향상되어, 전극 구조체의 저항이 감소될 수 있으며, 리튬 이온의 확산 경로를 줄임으로써 전극의 출력 특성을 향상시킬 수 있고, 목표 출력에 도달하는 전극의 로딩량을 더 높게 설계하여 전극 생산성을 개선할 수 있다.
도 1 내지 5는 예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6 및 7은 예시적인 실시예들에 따른 전도성 중개층을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 집전체, 상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성되는 제1 활물질 층, 상기 제1 활물질 층 상에 형성되는 제2 활물질 층 및 상기 제1 및 제2 활물질 층 사이에 배치되며 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 전극 활물질 층보다 낮은 저항을 갖는 전도성 중개층을 포함하는 전극 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상기 전극 구조체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1 내지 5는 예시적인 실시예들에 따른 전극 구조체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전극 구조체(10)는 집전체(50), 집전체(50)의 적어도 일면 상에 형성되는 제1 활물질 층(60), 제1 활물질 층(60) 상에 형성되는 제2 활물질 층(80) 및 상기 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80) 사이에 배치되는 전도성 중개층(70)을 포함할 수 있다.
집전체(50)는 이차 전지의 전압 범위에서 반응성이 없으며, 전극 활물질의 도포 및 접착이 용이한 금속 재질을 포함할 수 있다. 집전체(50)는 예를 들면, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 집전체(50)의 표면은 카본으로 표면 처리될 수도 있다.
예를 들면, 집전체(50)가 양극 집전체로 제공되는 경우 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 집전체(50)가 음극 집전체(135)로 제공되는 경우, 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
제1 활물질 층(60)은 예를 들면 집전체(50)의 상면 및 하면 상에 형성될 수 있다. 제2 활물질 층(30)은 제1 활물질 층(60) 상에 형성될 수 있다. 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)은 활물질 입자 및 바인더를 포함할 수 있다.
예를 들면, 전극 구조체(10)가 리튬 이차 전지의 양극으로 제공될 수도 있으며, 상기 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)은 양극 활물질로 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬-전이금속 복합 산화물 입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 니켈(Ni)을 포함하며, 코발트(Co) 또는 망간(Mn) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)은 양극 활물질의 성분과 조성이 동일할 수도 있으며, 상이할 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 활물질 층(60)은 니켈의 함량이 높은 고니켈계 리튬 산화물을 주로 포함하여 이차 전지의 용량 및 출력 특성을 높이고, 제2 활물질 층(80)은 니켈의 함량이 낮은 양극 활물질을 주로 포함하여 전극의 안정성을 확보할 수 있다.
전극 구조체(10)는 리튬 이차 전지의 음극으로 제공될 수도 있으며, 상기 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)은 흑연계 활물질 및 실리콘계 활물질을 포함할 수 있다.
상기 흑연계 활물질은 인조 흑연, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재질 입자를 포함할 수 있다. 비정질 탄소의 예로서 하드카본, 코크스, 메조카본 마이크로비드(mesocarbon micro bead: MCMB), 메조페이즈 피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등을 들 수 있다. 결정질 탄소의 예로서 천연흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등과 같은 흑연계 탄소를 들 수 있다. 상기 활물질 입자는 상기 탄소 재질 입자와 함께, 리튬 또는 리튬 합금을 더 포함할 수도 있다.
상기 실리콘계 활물질은 규소(Si), 실리콘 합금(silicon alloy), SiOx(0<x<2) 또는 리튬 화합물이 포함된 SiOx(0<x<2)를 포함할 수 있다. Li 화합물이 포함된 SiOx는 리튬 실리케이트를 포함하는 SiOx일 수 있다. 리튬 실리케이트는 SiOx(0<x<2) 입자의 적어도 일부에 존재할 수 있으며, 예를 들면, SiOx(0<x<2) 입자의 내부 및/또는 표면에 존재할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 리튬 실리케이트는 Li2SiO3, Li2Si2O5, Li4SiO4, Li4Si3O8 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 규소-탄소 복합물질을 포함할 수도 있다. 상기 규소-탄소계 활물질은 예를 들면, 실리콘 카바이드(SiC), 또는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 실리콘-탄소 입자를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)은 음극 활물질의 성분과 조성이 동일할 수도 있으며, 상이할 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 활물질 층(60)은 탄소계 활물질을 주로 포함하여 이차 전지의 수명/안정성 특성을 높이고, 제2 활물질 층(80)은 실리콘계 활물질을 음극 활물질로 주로 포함하여 음극 표면에서부터 리튬화를 촉진하여 이차 전지의 고용량 특성을 충분히 구현하도록 할 수 있다.
바인더는 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔러버(SBR) 등의 수계 바인더 및 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제의 조합(SBR/CMC)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전극 구조체(10)가 양극(100)으로 제공되는 경우 바인더는 PVDF 계열 바인더를 포함할 수 있다. 전극 구조체(10)가 음극(130)으로 제공되는 경우 SBR/CMC 바인더를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)에 있어서, 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 활물질 입자들의 양을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.
상기 전도성 중개층(70)은 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)과 집전체(50) 사이에서의 전극 내 리튬 이온 확산 경로를 감소시키고, 전자 이동을 촉진하여 이차 전지의 출력을 개선할 수 있다. 이를 위하여 전도성 중개층(70)은 제1 및 제2 활물질 층(102, 103)보다 저항이 낮은 것이 바람직하다.
상기 전도성 중개층(70)은 금속 계열 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구리, 산화구리, 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 전극 활물질의 구동 전위 내에서 안전한 금속 물질 또는 금속 복합물을 포함할 수 있다. 상기 금속 계열 물질 외에 탄소 계열 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소 계열 물질을 포함할 수 있다.
상기 전도성 중개층(70)은 상기 금속 계열 물질 및/또는 탄소 계열 물질에 상술한 제1 활물질 층(60) 또는 제2 활물질 층(80)을 형성하는 활물질을 포함할 수 있다. 상기 활물질을 포함하는 경우 코팅 공정 등을 통해 전도성 중개층(70)을 보다 용이하게 형성할 수 있다
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층(70)은 집전체(50)와 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 전도성 중개층(70)은 상기 제1 활물질 층(60)의 상면 및 측면을 감싸도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전도성 중개층(70)은 상기 제1 활물질 층(60)의 상면 및 일 측면을 감싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 중개층(70)은 전극 탭(Tab)이 형성되는 방향에 위치하는 제1 활물질 층(60)의 측면만을 감싸도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전도성 중개층(70)은 상기 제2 활물질 층(80)의 저면 및 측면을 감싸도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1 활물질 층은 복수의 제1 활물질 패턴층들을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 전도성 중개층(70)은 상기 제1 활물질 패턴층들 사이의 공간을 채우며 상기 집전체(50)와 접촉하도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이 전극 구조체(10)는 상기 제2 활물질 층(80) 상에 적층된 제3 활물질 층(90)을 더 포함하고, 전도성 중개층(70)은 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80) 사이에 배치된 제1 부분(70a), 및 제2 활물질 층(80) 및 제3 활물질 층(90) 사이에 배치된 제2 부분(70b)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층(70)은 제1 부분(70a) 및 제2 부분(70b)을 연결하며, 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)의 측벽들을 따라 연장하는 제3 부분(70c)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 것과 같은 방식으로 제3 활물질 층 상에 전도성 중개층(70)과 활물질 층을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층(70)은 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)의 두께 방향으로 전자 이동 통로를 형성할 수 있다.
도 6 및 도 7은 예시적인 실시예들에 따른 전도성 중개층(70)의 평면도를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 전도성 중개층(70)은 제1 활물질 층(60) 표면을 노출시키는 개구부들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 중개층(70)은 스트라이프 패턴, 메쉬 구조 또는 네트워크 구조를 갖는 것일 수 있다.
상기 개구부의 형상은 이에 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 일자, 십자, 원, 타원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 줄무늬 형태, 그물 형태, 허니컴 형태 등 다양한 형상으로 구비될 수 있다. 이와 같은 개구부를 구비함으로써, 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80)이 직접 밀착되도록 하여 전극의 구조적 안정성을 향상시키면서 동시에 전극의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따르면 제1 활물질 층(60) 및 제2 활물질 층(80) 사이에 전도성 중개층(70)를 배치함에 따라, 전극 구조체(10)의 두께 방향으로 전도성을 향상시키고, 전극 내 리튬 이온의 확산 경로와 저항을 감소시킬 수 있으며, 이차 전지의 전극 밀도 및 출력/용량을 향상시킬 수 있다.
도 8 및 도 9는 각각 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다. 예를 들면, 도 8은 도 7에 표시된 I-I' 라인을 따라 리튬 이차 전지의 두께 방향으로 절단한 단면도이다.
도 8 및 도 9에서 평면 상에서 서로 수직하게 교차하는 두 방향을 제1 방향 및 제2 방향으로 정의한다. 예를 들면, 상기 제1 방향은 리튬 이차 전지의 길이 방향, 상기 제2 방향은 리튬 이차 전지의 너비 방향일 수 있다.
한편, 설명의 편의를 위해 도 8에서 양극 및 음극의 도시는 생략되었다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 리튬 이차 전지는 전극 조립체(150) 및 전극 조립체(150)를 수용하는 케이스(160)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(150)는 전극 구조체(10)를 포함하는 제1 전극(100) 및 상기 제1 전극(100)과 물리적으로 분리되고 대향하며, 반대 극성을 나타내는 제2 전극(130)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 전극(100) 및 제2 전극(130)은 각각 도 1 내지 6을 참조로 설명한 전극 구조체(10)와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성 및 구조를 포함할 수 있다. 제1 전극(100) 및 제2 전극(130) 중 적어도 하나는 상술한 전극 구조체(10)를 포함할 수 있다.
도 9에서 제1 전극 활물질 층(110) 및 제2 전극 활물질 층(140)은 적어도 어느 하나가 상술한 제1 활물질 층(60), 전도성 중개층(70) 및 제2 활물질 층(80)을 포함할 수 있으며, 설명의 편의를 위해 이에 대한 각각의 도시는 생략되었다.
예를 들면, 제1 전극(100) 및 제2 전극(130)은 각각 상기 이차 전지의 양극 및 음극으로 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 전극(100)이 양극을 형성하고, 제2 전극(130)이 음극을 형성하는 경우, 제2 전극(130)의 면적 및/또는 부피는 제1 전극(100)보다 클 수 있다. 이에 따라, 양극으로 제공되는 제1 전극(100)으로부터 생성된 리튬 이온이 예를 들면, 중간에 석출되지 않고 제2 전극(130)으로 원활히 이동될 수 있다.
제1 전극(100) 및 제2 전극(130) 사이에는 분리막(120)이 개재될 수 있다. 분리막(120)은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 상기 분리막은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.
분리막(120)은 제1 전극(100) 및 제2 전극(130) 사이에서 상기 제2 방향으로 연장하며, 상기 이차 전지의 두께 방향을 따라 폴딩되어 권취될 수 있다. 이에 따라, 분리막(120)을 통해 복수의 제1 전극들(100) 및 제2 전극들(130)이 상기 두께 방향으로 적층될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 전극(100), 제2 전극(130) 및 분리막(120)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 전극 셀들이 적층되어 예를 들면, 젤리 롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding) 등을 통해 전극 조립체(150)를 형성할 수 있다.
전극 조립체(150)는 케이스(160) 내에 수용되며, 전해질이 함께 케이스(160)내로 주입될 수 있다. 케이스(160)는 예를 들면, 파우치(pouch), 캔 등을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
각 전극 셀에 속한 제1 전극 집전체(105) 및 제2 전극 집전체(135)로부터 각각 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 돌출되어 케이스(160)의 일 측부까지 연장될 수 있다. 상기 전극 탭들은 케이스(160)의 상기 일측부와 함께 융착되어 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 전극 리드(제1 전극 리드(107) 및 제2 전극 리드(127))와 연결될 수 있다.
도 8에서는 제1 전극 리드(107) 및 제2 전극 리드(137)가 리튬 이차 전치 또는 케이스(160)의 동일한 측부에 형성되는 것으로 도시되었으나, 서로 반대 측부에 형성될 수도 있다.
예를 들면, 제1 전극 리드(107)는 케이스(160)의 상기 일단부에 형성되며, 제2 전극 리드(137)는 케이스(160)의 상기 타단부에 형성될 수 있다.
리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
음극 활물질로 천연 흑연 92 중량%, 스티렌부타디엔러버(SBR)계 바인더 1.5 중량%, 증점제로 CMC 1.5 중량%, 도전재로 플레이크 타입 비정질 흑연 5 중량%를 사용하여 활물질 혼합물을 형성하고, 고르게 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 이를 구리 집전체 위에 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 제1 활물질 층을 형성하였다. 상기 제1 활물질 층 상에 카본나노튜브를 첨가한 페이스트를 코팅 및 건조하여 전도성 중개층을 집전체와 연결되도록 형성하였다. 이때, 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층의 상면 및 측면을 감싸도록 형성하였다. 이후, 상기 제1 활물질 층을 형성한 음극 슬러리를 전도성 중개층 상에 다시 코팅, 건조 및 프레스하여 제2 활물질 층을 형성하여 음극을 제조하였다.
실시예 2
제1 활물질 층의 상면과 탭이 연결되는 방향의 측면을 감싸도록 전도성 중개층을 형성하는 것 외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 음극을 제조하였다.
실시예 3
제2 활물질 층 형성 후, 제2 활물질 층 측면을 감싸도록 전도성 중개층을 형성하는 것 외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 음극을 제조하였다.
실시예 4
제1 활물질 층에 집전체가 노출되는 복수의 패턴층을 형성하고, 상기 패턴층 사이의 공간을 채우도록 전도성 중개층을 형성하는 것 외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 음극을 제조하였다.
실시예 5
실시예 1의 제2 활물질 층 상에 금속 계열 입자, 카본 나노 튜브 및 그래핀 혼합물을 코팅 및 건조하여 추가적으로 전도성 중개층을 형성하고, 상기 전도성 중개층 상에 제2 활물질 층과 동일한 방식으로 제3 활물질 층을 형성하여 음극을 제조하였다.
실시예 6
제1 활물질 층상에 전도성 중개층을 스트라이프 패턴으로 형성한 뒤, 제2 활물질 층을 형성한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 음극을 제조하였다.
비교예 1
비교예에서는 집전체 상에 제1 활물질 층만을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
실험예: 음극의 저항 평가
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 음극에 대해 각각 전극 벌크(bulk) 저항을 측정하였다.
구체적으로, 전체 두께가 동일하게 제조된 각각의 음극을 두께 방향으로 5개의 지점들을 펀칭한 후 최하부의 전극을 최상부로 옮기면서 5회 저항을 측정하였다. 측정값 중 최대, 최소 측정값을 제외하고 나머지 측정값들을 평균하여 전극 저항을 측정하였다. 전극 저항은 HIOKI의 전극 저항 측정기(4-probe)를 사용하여 측정하였다.
개선율은 비교예 1의 전극 저항 값을 기준으로 하기 식 1을 통해 계산하였다.
[식 1]
개선율(%) = ((Rref - Rex) / Rref) x 100
(상기 식 1에서, Rref은 비교예 1의 전극 저항 값이고, Rex는 각 실시예의 전극 저항 값임.)
측정결과는 하기의 표 1에 나타낸다.
구분 전극 저항
(mΩ)		 개선율
(%)
실시예 1 0.090 25.0
실시예 2 0.090 25.0
실시예 3 0.088 26.7
실시예 4 0.083 30.8
실시예 5 0.085 29.2
실시예 6 0.088 26.7
비교예 1 0.120 -
10: 전극 구조체 50: 집전체
60: 제1 활물질 층 70: 전도성 중개층
80: 제2 활물질 층 100: 제1 전극
105: 제1 전극 집전체 110: 제1 전극 활물질 층
120: 분리막 130: 제2 전극
135: 제2 전극 집전체 140: 제2 전극 활물질 층
150: 전극 조립체 160: 케이스
170: 적층 단위

Claims (14)

  1. 집전체;
    상기 집전체의 적어도 일면 상에 형성되는 제1 활물질 층;
    상기 제1 활물질 층 상에 적층되는 제2 활물질 층; 및
    상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층 사이에 배치되며 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층보다 낮은 저항을 갖는 전도성 중개층을 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 집전체와 접촉하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층의 상면 및 측면을 감싸는, 이차 전지용 전극 구조체.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층의 상면 및 일 측면을 감싸는, 이차 전지용 전극 구조체.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제2 활물질 층의 저면 및 측면을 감싸는, 이차 전지용 전극 구조체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 활물질 층은 복수의 제1 활물질 패턴층들을 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 패턴층들 사이의 공간을 채우며 상기 집전체와 접촉하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 활물질 층 상에 적층된 제3 활물질 층을 더 포함하고,
    상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층 사이에 배치된 제1 부분, 및 상기 제2 활물질 층 및 상기 제3 활물질 층 사이에 배치된 제2 부분을 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 연결하며, 상기 제1 활물질 층 및 상기 제2 활물질 층의 측벽들을 따라 연장하는 제3 부분을 더 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 중개층은 금속 또는 탄소계열 물질을 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 전도성 중개층은 탄소 나노 튜브 또는 그래핀 중 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 중개층은 상기 제1 활물질 층 표면을 노출시키는 개구부들을 포함하는, 이차 전지용 전극 구조체.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 전도성 중개층은 스트라이프 패턴 구조, 메쉬 구조 또는 네트워크 구조를 갖는, 이차 전지용 전극 구조체.
  14. 리튬 금속 복합 산화물을 포함하는 양극; 및
    상기 양극과 대향하는 음극을 포함하며,
    상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는 청구항 1에 따른 이차 전지용 전극 구조체를 포함하는, 리튬 이차 전지.
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