KR20220156659A - 집전체, 해당 집전체를 포함하는 전기화학 디바이스 및 전자 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 출원은 집전체, 해당 집전체를 포함하는 전기화학 디바이스 및 전자 디바이스를 제공하는 바, 집전체는 고분자 기재 및 도전성 재료를 포함하고, 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 10 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이고, 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 30 Ω·cm이다. 본 출원의 집전체는 양호한 산화 내성, 환원 내성, 이온절연 능력, 기계적 강도, 열안전성을 구비하고, 쌍극성 전기화학 디바이스의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 코스트가 더 낮고, 대규모 생산에 더 적합하다.

Description

집전체, 해당 집전체를 포함하는 전기화학 디바이스 및 전자 디바이스

본 출원은 전기화학 분야에 관한 것으로, 상세하게는, 집전체, 해당 집전체를 포함하는 전기화학 디바이스 및 전자 디바이스에 관한 것이다.

리튬이온 전지는 큰 비에너지, 높은 작동 전압, 낮은 자기 방전율, 소형, 경량 등 특점을 가지므로, 소비전자 분야에 널리 응용되고 있다. 전기 자동차 및 휴대용 전자 디바이스가 고속도로 발전함에 따라, 리튬이온 전지의 성능에 대한 사람들의 요구 사항이 점점 높아지고 있는 바, 예를 들면, 리튬이온 전지가 더 높은 에너지 밀도, 안전성, 사이클 성능 등을 구비할 것을 요구한다.

그러나, 리튬이온 전지는, 그 자체가 고유하는 전기화학 체계의 제한에 의해 한정되어, 통상적으로 단일 전지의 작동 전압은 5 V를 초과하기 어렵다. 하지만, 리튬이온 전지의 실제 응용에서는, 고전압의 응용 시나리오, 예를 들면, 전기 자동차(EV, Electric vehicle), 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System) 등 응용 시나리오들이 많이 수요된다.

리튬이온 전지의 출력 전압을 향상시키기 위하여, 선행 기술에서는 통상적으로 외부의 도선을 통해 복수 개의 리튬이온 전지를 직렬 연결하는데, 이러한 직렬 연결 방식은, 각 리튬이온 전지의 개체 간의 용량 차이로 인해, 직렬 연결 후의 리튬이온 전지 전체의 에너지 밀도(ED)의 저하를 초래하므로, 리튬이온 전지의 응용 범위를 제한하고 있다.

본 출원은, 리튬이온 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위하여, 집전체, 상기 집전체를 포함하는 전기화학 디바이스 및 전자 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적인 기술적 수단은 하기와 같다.

본 출원의 제1 측면에서, 본 출원은 집전체를 제공하는 바, 해당 집전체는 고분자 기재 및 도전성 재료를 포함하고, 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 10 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이며, 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 30 Ω·cm이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 10% 내지 70%를 차지한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 도전성 재료는 1차원 도전성 재료 또는 2차원 도전성 재료 중 적어도 1종을 포함하고, 상기 1차원 도전성 재료의 길이 방향 또는 상기 2차원 도전성 재료의 평면 방향과 집전체 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 30°이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 5 내지 4000이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 집전체의 두께는 2 ㎛ 내지 500 ㎛이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 도전성 재료의 일단 또는 양단은 상기 고분자 기재의 표면에서 노출된다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 1차원 도전성 재료의 길이는 0.1 ㎛ 내지 200 ㎛이고, 직경은 2 nm 내지 500 nm이며, 비표면적은 5 m²/g 내지 2000 m²/g이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 2차원 도전성 재료의 길이는 2 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 6 nm 내지 20 ㎛이며, 비표면적은 0.5 m²/g 내지 1000 m²/g이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 집전체는 하기 특징 중 적어도 하나를 만족한다. 즉,

(a) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 50 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm인 것;

(b) 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 1 Ω·cm인 것;

(c) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 100 내지 1000인 것;

(d) 상기 도전성 재료와 상기 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 10°인 것;

(e) 상기 집전체의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛인 것;

(f) 상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 20% 내지 60%를 차지하는 것이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 집전체는 하기 특징 중 적어도 하나를 만족한다. 즉,

(a) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 100 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm인 것;

(b) 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 0.05 Ω·cm인 것;

(c) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 200 내지 600인 것;

(d) 상기 집전체의 두께는 5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것;

(e) 상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 40% 내지 50%를 차지하는 것;

(f) 상기 집전체의 인장강도는 80 MPa 내지 100 MPa인 것이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 도전성 재료는 탄소 재료 또는 금속 재료 중 적어도 1종을 포함한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 탄소 재료는 단일벽 탄소나노 튜브, 다중벽 탄소나노 튜브, 도전성 탄소섬유, 도전성 카본 블랙, 풀러린(Fullerene), 도전성 흑연 또는 그래핀 중 적어도 1종을 포함한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 금속 재료는 Ni, Ti, Ag, Au, Pt 또는 스테인리스강 및 이들의 합금 중 적어도 1종을 포함한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 고분자 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아미드이미드, 폴리카보네이트, 고리형 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리메틸렌나프탈렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프로필렌카보네이트, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-클로로트리플루오로에틸렌), 실리콘 수지, 비닐론(vinylon), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에테르니트릴, 폴리우레탄, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리술폰 또는 이들 물질의 유도체 중 적어도 1종을 포함한다.

본 출원의 제2 측면에서, 본 출원은 전기화학 디바이스를 제공하는 바, 해당 전기화학 디바이스는 적어도 2개의 전극 구성 소자 및 상기 어느 한 실시형태에 따른 집전체를 포함하는 바, 상기 집전체는 두 전극 구성 소자 사이에 위치한다.

본 출원의 제3 측면에서, 본 출원은 전자 디바이스를 제공하는 바, 해당 전자 디바이스는 상기 제2 측면에 따른 전기화학 디바이스를 포함한다.

본 출원에서, 용어 "배향도"는 1차원 도전성 재료의 길이 방향 또는 2차원 도전성 재료의 평면 방향과 집전체 Z 방향의 끼인각으로 나타낸다.

용어 "단일방향의 통류율"은,

로 나타내는 바, 여기서, R0은 샘플의 X-Y 면의 양측과 똑바로 마주하는 두 금속 실린더 전극 간의 임피던스이고, L1은 금속 실린더 전극이 X-Y 면을 따라 제 1 차 수평이동 후 최초 위치와의 거리이며, R1은 제 1 차 수평이동 후 두 금속 실린더 전극 간의 임피던스이고, L2는 동일한 금속 실린더 전극이 X-Y 면을 따라 제2 차 수평이동 후 최초 위치와의 거리이며, R2는 제2 차 수평이동 후 두 금속 실린더 전극 간의 임피던스이고, H는 샘플 두께이다.

본 출원에서 제공되는 집전체, 해당 집전체를 포함하는 전기화학 디바이스 및 전자 디바이스는, 한편으로는, 집전체 중의 고분자 기재가 양호한 산화 내성, 환원 내성, 이온절연 능력, 기계적 강도, 열안전성을 구비하고, 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률이 0.01 Ω·cm 내지 30 Ω·cm이고, 따라서 본 출원의 집전체를 구비한 쌍극성 전기화학 디바이스는 Z방향에서 우수한 전자전도 능력을 구비하며, 또한 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 10 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이고, XY 면내 전체의 전류밀도가 한층 더 균일하게 분포되도록 하여, 나아가 극편의 상이한 위치의 충방전 일치성이 더 향상되도록 하여, 전기화학 디바이스의 장기적이고 안정적인 사이클에 더욱 유리하고; 다른 한편으로는, 고분자 기재의 밀도가 한층 더 작으므로, 쌍극성 전기화학 디바이스 전체의 비활성물질 함량을 감소시킬 수 있어, 쌍극성 전기화학 디바이스의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며; 기존의 금속박 집전체와 비교하여 볼 때, 본 출원의 집전체는 코스트가 더 낮고, 대량 생산에 더 적합하다. 또한, 본 출원은 단일체 전기화학 디바이스의 고전압 출력을 구현하였으며, 기존의 복수 개의 전기화학 셀을 하나의 전기화학 디바이스로 직렬 연결하는 형식에 비하여, 일부 포장재료의 부피와 중량을 절약하여, 에너지 밀도를 향상시켰으며, 더불어 전기화학 디바이스의 전체적 제조 프로세스를 간략화시키고, 제조 코스트를 감소시킬 수 있다.

본 출원과 선행기술의 기술적 해결방안을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서는 실시예 및 선행기술에서 사용이 필요되는 도면을 간략히 소개한다. 이하에서 설명되는 도면은 단지 본 출원의 일부 실시예일 뿐이고, 본 출원이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 창조적인 노동을 하지 않는 전제하에서 이러한 도면에 따라 기타 기술적 해결방안을 더 얻을 수 있는 것은 분명하다.
도 1은 본 출원의 일 실시형태에 따른 집전체의 개략도이고;
도 2는 본 출원의 다른 일 실시형태에 따른 집전체의 개략도이고;
도 3은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전기화학 디바이스의 개략도이고;
도 4는 본 출원에서 네 개의 프로브를 이용한 방법으로 쌍극성 집전체의 X-Y 면내 방향의 전기 저항률을 측정하는 개략도이고;
도 5는 본 출원에서 쌍극성 집전체의 단일방향의 통류율을 측정하는 개략도이다.

이하에서는, 본 출원의 목적, 기술적 해결방안 및 이점이 보다 명확하게 이해될 수 있도록 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 출원을 더욱 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 단지 본 출원의 일부 실시예일 뿐, 전부의 실시예가 아닌 것은 분명하다. 본 출원의 실시예에 기초하여, 본 출원이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들이 창조적인 노동을 하지 않는 전제하에서 획득된 기타 모든 기술적 해결방안들도 본 출원의 보호 범위에 속한다.

설명이 필요한 바로는, 본 출원의 실시를 위한 구체적인 내용에서, 리튬이온 전지를 전기화학 디바이스로 하는 예로서 본 출원을 설명하였으나, 본 출원의 전기화학 디바이스는 리튬이온 전지에 한정되지 않는다.

쌍극성 리튬이온 전지는 일종 신규 리튬이온 전지로서, 복수 개의 코어 내에서 직렬 연결하는 방식으로 하나의 리튬이온 전지를 이루어, 리튬이온 전지의 출력 전압을 향상시켰다. 이러한 리튬이온 전지에 사용되는 집전체는 쌍극성 집전체이고, 여기서, 쌍극성 집전체의 일측은 양극 활성물질에 접촉하고, 다른 일측은 음극 활성물질에 접촉하는데, 이는 집전체가 산화 내성, 환원 내성을 갖는 것을 요구하므로, 쌍극성 집전체는 통상적으로 알루미늄/구리 복합박 등 금속박이다. 그러나, 기존의 쌍극성 리튬이온 전지는 통상적으로 하기와 같은 문제점이 존재한다. 즉, 한편으로는, 알루미늄/구리 복합박 금속간의 계면 접합이 약하여, 쌍극성 리튬이온 전지의 사이클 안전성에 불리하고; 다른 한편으로는, 금속박의 가격이 상대적으로 높아, 쌍극성 리튬이온 전지의 제조 코스트를 증가시켰다.

또한, 기존의 쌍극성 집전체는 다층 금속 복합 집전체를 포함할 수도 있는 바, 이러한 집전체는 통상적으로 Cu박과 Al박을 직접 복합시켜 얻어진 것으로, 어느 정도의 산화 내성과 환원 내성을 갖고 있으나, 금속 간 계면의 접합이 약하고, 집전체 두께의 박층화를 실현하기 어려운 등 문제가 존재한다.

이에 감안하여, 본 출원은 집전체를 제공하는 바, 해당 집전체는 고분자 기재 및 도전성 재료를 포함하고, 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 10 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이며, 그 어떤 이론에도 한정됨이 없이, 이로써 집전체의 X-Y면내 전체의 전류밀도가 균일하게 분포되도록 하고, 나아가 극편의 상이한 위치의 충방전 일치성을 향상시켜, 리튬이온 전지의 장기적이고 안정적인 사이클에 유리하며; 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률이 0.01 Ω·cm 내지 30 Ω·cm인 것으로, 집전체가 Z 방향에서 우수한 전자전도 능력을 갖도록 한다.

본 출원에서, 상기 고분자 기재는 박막일 수 있고, 상세하게는, 고분자 재료로 제조된 박막일 수 있으며, 관련된 고분자 기재의 세부 사항은 이하에서 예시한다. 상기 Z 방향은 집전체의 두께 방향을 지칭하고, 상기 X-Y 면은 상기 Z 방향에 수직되는 평면을 지칭하며, 상기 X-Y 면내 방향은 Z 방향에 수직되면서, X-Y 면에 평행되는 임의의 방향을 지칭한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 10% 내지 70%를 차지하고, 바람직하게는, 20% 내지 60%를 차지하고, 더 바람직하게는, 40% 내지 50%를 차지한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 도전성 재료는 1차원 도전성 재료 또는 2차원 도전성 재료 중 적어도 1종을 포함할 수 있는 바, 여기서, 상기 1차원 도전성 재료의 길이 방향 또는 상기 2차원 도전성 재료의 평면 방향과 집전체 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 30°이고, 즉, 도전성 재료의 배향도가 0° 내지 30°이다.

본 출원에서, 1차원 도전성 재료는 스트립형, 막대형의 도전성 재료일 수 있고, 2차원 도전성 재료는 시트형의 도전성 재료일 수 있다. 1차원 도전성 재료의 길이 방향 또는 2차원 도전성 재료의 평면 방향과 집전체 Z 방향의 끼인각이 0° 내지 30°인 경우, 집전체가 Z 방향에서 우수한 전자전도 능력을 갖도록 할 수 있으며, 또한, 집전체가 X-Y 면 방향에서 상대적으로 낮은 전자전도 능력을 갖도록 하여, 집전체의 X-Y면내 전체 전류밀도가 더욱 균일하게 분포되도록 하고, 나아가 극편의 상이한 위치의 충방전 일치성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 출원의 실시형태에 따른 집전체의 개략도이고, 도 1에서 도시한 바와 같이, 1차원 도전성 재료는 고분자 기재에 감입될 수 있으며, 또한, 해당 1차원 도전성 재료의 길이 방향과 집전체의 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 30°이고, 바람직하게는, 0° 내지 10°이며, 더 바람직하게는, 3° 내지 10°이다.

도 2는 본 출원의 다른 일 실시형태에 따른 집전체의 개략도이고, 도 2에서 도시한 바와 같이, 2차원 도전성 재료도 고분자 기재에 감입될 수 있으며, 또한, 해당 2차원 도전성 재료의 길이 방향과 집전체의 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 30°이고, 바람직하게는, 0° 내지 10°이며, 더 바람직하게는, 3° 내지 10°이다.

또한, 상기 1차원 도전성 재료 또는 2차원 도전성 재료의 일단 또는 양단은 상기 고분자 기재의 표면에서 노출될 수 있다. 집전체는 양쪽 면을 구비하고, 도 1과 도 2에서 도시한 바와 같이, A면과 B면으로 표시되며, 이해 할 수 있는 바로는, 집전체의 A면의 임의의 한 점 M에서 고분자 기재의 밖으로 노출되는 도전성 재료가 존재할 수 있고, 이럴 경우 집전체의 B면의 다른 한 점 N에서도 고분자 기재의 밖으로 노출되는 도전성 재료가 존재할 수 있고, 점 M와 점 N 사이는 고분자 기재 내의 도전성 재료를 통해 연결되어, 집전체 A면과 B면 사이의 전기 연결을 실현한다. 고분자 기재 내의 도전성 재료는 고분자 기재를 관통하는 1차원 또는 2차원 도전성 재료일 수도 있고, 복수 개의 1차원 또는 2차원 도전성 재료가 상호 연결된 후, A면과 B면 사이의 전기 연결을 형성하는 것일 수도 있다.

본 출원의 일 실시형태에서, 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 5 내지 4000이고, 이로써 집전체가 Z 방향에서 우수한 전자전도 능력을 갖도록 하고, 집전체가 X-Y 면 방향에서 상대적으로 낮은 전자전도 능력을 갖도록 하며, 집전체의 X-Y 면내 전체 전류 밀도가 균일하게 분포되도록 한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 집전체의 단일방향의 통류율은 5.4 내지 4240이고, 이로써 집전체가 Z 방향에서 우수한 전자전도 능력을 갖도록 하고, 집전체가 X-Y 면 방향에서 상대적으로 낮은 전자전도 능력을 갖도록 하며, 집전체의 X-Y 면내 전체 전류 밀도가 균일하게 분포되도록 한다.

집전체의 두께에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 본 출원의 일 실시형태에서, 집전체의 두께는 2 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있고, 바람직하게는, 5 내지 50 ㎛이고, 더 바람직하게는, 5 ㎛ 내지 20 ㎛이다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 바람직하게는, 50 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이고, 더 바람직하게는, 100 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이며, 이로써 집전체의 X-Y 면내 전체 전류 밀도가 더욱 균일하게 분포되도록 하고; 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 바람직하게는, 0.01 Ω·cm 내지 1 Ω·cm이고, 더 바람직하게는, 0.01 Ω·cm 내지 0.05 Ω·cm이며, 이로써, 집전체가 Z 방향에서 더 우수한 전자전도 능력을 갖도록 한다.

본 출원의 일 실시형태에서, 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은, 바람직하게는, 100 내지 1000이고, 더 바람직하게는, 200 내지 600이며, 이로써 집전체가 Z 방향에서 더 우수한 전자전도 능력을 갖도록 하고, 집전체가 X-Y 면 방향에서 상대적으로 낮은 전자전도 능력을 갖도록 하여, 집전체의 X-Y 면내 전체 전류 밀도가 더욱 균일하게 분포되도록 한다.

1차원 도전성 재료의 사이즈에 대하여 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 1차원 도전성 재료의 길이는 0.1 ㎛ 내지 200 ㎛이고, 직경은 2 nm 내지 500 nm이며, 비표면적은 5 m²/g 내지 2000 m²/g이다.

예를 들면, 1차원 도전성 재료 중, 탄소나노 튜브의 직경은 통상적으로 2 nm 내지 30 nm이고, 길이는 0.1 nm 내지 200 ㎛이며, 비표면적은 100 m²/g 내지 2000 m²/g이고; 도전성 탄소섬유(VGCF)의 직경은 통상적으로 30 nm 내지 500 nm이고, 길이는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛이며, 비표면적은 5 m²/g 내지 100 m²/g이다.

2차원 도전성 재료의 사이즈에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 2차원 도전성 재료의 길이는 2 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 6nm 내지 20 ㎛이며, 비표면적은 0.5 m²/g 내지 1000 m²/g이다.

예를 들면, 2차원 도전성 재료 중, 그래핀의 평균 길이는 50 nm 내지 20 um이고; 시트의 층수는 통상적으로 1층 내지 15층이고, 두께로 환산하면 0.4 nm 내지 6 nm이며; 비표면적은 10 m²/g 내지 1000 m²/g이며; 도전성 흑연의 박편의 두께는 0.3 ㎛ 내지 20 ㎛이고, 직경은 2 ㎛ 내지 10 ㎛이며, 비표면적은 0.5 m²/g 내지 10 m²/g이다.

도전성 재료에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 상기 도전성 재료는 탄소 재료 또는 금속 재료 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 또한, 본 출원의 도전성 재료는 우수한 도전성을 갖고, 그의 전기 저항률은 통상적으로 10^-4 Ω·m 미만이다.

상기 탄소 재료에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 상기 탄소 재료는 단일벽 탄소나노 튜브, 다중벽 탄소나노 튜브, 도전성 탄소섬유, 도전성 카본 블랙(예를 들면 아세틸렌 블랙), 풀러린(fullerene), 도전성 흑연 또는 그래핀 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.

상기 금속 재료에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 상기 금속 재료는 Ni, Ti, Ag, Au, Pt 또는 스테인리스강 및 이들의 합금 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 재료는 그의 물리적 형태를 변화시키기만 하면 1차원 또는 2차원 재료일 수 있고, 예를 들면, 1차원 금속 재료는 선형의 Ni, Ti 등 금속일 수 있고, 2차원 금속 재료는 박편형(또는 면형태)의 Ni, Ti 등 금속일 수 있다.

상기 고분자 기재에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 상기 고분자 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아미드이미드, 폴리카보네이트, 고리형 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리메틸렌나프탈렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프로필렌카보네이트, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-클로로트리플루오로에틸렌), 실리콘 수지, 비닐론(vinylon), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에테르니트릴, 폴리우레탄, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리술폰 또는 이들 물질의 유도체 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 이해할 수 있는 바로는, 상기 고분자 기재 자체는 이온에 대해 불활성적이다. 즉, 이온은 상기 고분자 기재를 통과하기 어렵다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 집전체의 인장강도는 80 Mpa 내지 100 Mpa이고, 그의 기계적 강도는 우수하여, 해당 집전체를 포함하는 쌍극성 리튬이온 전지가 양호한 안전성을 갖도록 한다.

기존의 집전체에 비해, 본 출원의 집전체는, 하기와 같은 유리한 효과를 갖는다. 즉,

본 출원의 집전체는 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 10 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이고, 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률이 0.01 Ω·cm 내지 30 Ω·cm이므로, 본 출원의 집전체를 구비한 리튬이온 전지는 우수한 Z 방향의 전자전도 능력을 구비하며, X-Y 면내 전체 전류 밀도가 더욱 균일하게 분포되며, 극편의 상이한 위치의 충방전 일치성을 더 향상시켜, 쌍극성 리튬이온 전지의 장기적이고 안전적인 사이클에 더욱 유리하다.

금속 집전체에 비해, 본 출원의 집전체 내의 고분자 기재의 밀도가 더 낮으므로, 쌍극성 리튬이온 전지 내의 전체 비활성 물질의 비율을 감소시켜, 쌍극성 전기화학 디바이스의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

기존의 금속 집전체에 비해, 본 출원의 집전체는 기계적 남용의 경우, 예를 들면, 못박기, 충돌, 압출의 경우, 도전성 부스러기가 생성하는 확률이 더 작고, 기계 파손 표면에 대한 포장 효과가 더 훌륭하므로, 상기 기계적 남용 경우의 안전 한계를 개선하고, 쌍극성 리튬이온 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

기존의 금속 집전체, 예를 들면, 기존의 스테인리스강 집전체 또는 티타늄 집전체에 비해, 본 출원의 집전체는, 코스트가 더 낮고, 대규모 생산에 더 적합하다.

본 출원은 전기화학 디바이스를 더 제공하는 바, 해당 전기화학 디바이스는 적어도 2개의 전극 구성 소자 및 상기 어느 한 실시형태에 따른 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 두 전극 구성 소자 사이에 위치하며, 이로써, 적어도 2개의 전극 구성 소자가 본 출원의 집전체를 포함하는 쌍극성 전극 내에서 직렬 연결하는 것으로, 쌍극성 리튬이온 전지를 형성하여, 더욱 높은 작동 전압을 갖도록 할 수 있다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 전기화학 디바이스는 적어도 2개의 전극 구성 소자 및 상기 어느 한 실시형태에 따른 집전체를 포함하는 바, 상기 집전체는 두 전극 구성 소자 사이에 위치하고, 상기 집전체에서 탭을 인출할 수 있으며, 인출된 탭은 전기화학 디바이스의 전압을 감시하는데 사용된다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 전기화학 디바이스는 적어도 2개의 전극 구성 소자와 쌍극성 극편을 포함하고, 상기 쌍극성 극편은 2개의 전극 구성 소자 사이에 위치하며, 상기 쌍극성 극편은, 상기 어느 한 실시형태에 따른 집전체, 그리고 상기 집전체의 양면에 코팅된 양극 활성물질층과 음극 활성물질층을 포함한다.

상기 쌍극성 극편은 상기 집전체의 양면에 각각 양극 활성물질과 음극 활성물질을 도포하여 얻어진 것일 수 있음을 보아 낼 수 있고, 이로써, 전기화학 디바이스에 전극 활성물질이 더 많이 함유되도록 하여, 전기화학 디바이스의 에너지 밀도를 향상시킨다.

본 출원의 일 실시형태에서, 상기 전기화학 디바이스는 적어도 2개의 전극 구성 소자와 쌍극성 극편을 포함하고, 상기 쌍극성 극편은 2개의 전극 구성 소자 사이에 위치하며, 상기 쌍극성 극편은 상기 어느 한 실시형태에 따른 집전체, 상기 집전체의 양면에 코팅된 밑코팅층, 그리고 상기 집전체의 양면에 코팅된 양극 활성물질층과 음극 활성물질층을 포함한다.

밑코팅층의 작용은 집전체와 활성물질 간의 접착 성능을 개선하는 것이고, 또한 집전체와 활성물질 간의 전자전도 능력을 향상시킬 수 있다.

상기 밑코팅층은 통상적으로 도전성 카본 블랙, 스티렌부타디엔고무 및 탈이온수를 혼합하여 형성된 슬러리를 집전체에 코팅하고, 건조하여 얻어진 것이고, 쌍극성 집전체의 양면의 밑코팅층은 동일하거나 상이할 수 있다. 양극 활성물질층, 음극 활성물질층, 양극 밑코팅층 및 음극 밑코팅층의 제조 공정은 하기 실시예에서 예시된다.

도 3은 본 출원의 실시형태에 따른 전기화학 디바이스의 개략도이고, 도 3에서 도시한 바와 같이, 쌍극성 집전체(300)는 해당 전기화학 디바이스를 각각 제1 전극 구성 소자(100)와 제2 전극 구성 소자(200)인 두 개의 전극 구성 소자로 나누고, 여기서, 제1 전극 구성 소자(100)은 도 3에서의 위에서 아래로의 순서에 따라 음극(101), 제1 음극 활성재층(102), 제1 분리막(103), 제1 양극 활성물질층(104), 및 쌍극성 집전체(300)의 일부분을 포함하고; 제2 전극 구성 소자(200)는 도 3에서의 아래에서 위로의 순서에 따라 양극(201) 제2 양극 활성물질층(202), 제2 분리막(203), 제2 음극 활성재층(204), 및 쌍극성 집전체(300)의 다른 일부분을 포함한다. 또한, 전기화학 디바이스는 해당 전기화학 디바이스가 2개의 독립된 챔버 구조를 형성하도록 밀봉재(400)를 통해 밀봉할 수 있고, 2개의 챔버는 각각 제1전극 구성 소자(100)와 제2 전극 구성 소자(200)에 대응된다.

본 출원은 전자 디바이스를 더 제공하는 바, 해당 전자 디바이스는 본 출원의 실시예에서 제공되는 전기화학 디바이스를 포함한다.

본 출원에서 제공되는 전기화학 디바이스는, 본 출원에서 제공되는 집전체를 그의 전극 구성 소자 간의 분리판으로 사용할 수 있음은 물론, 본 출원에서 제공되는 집전체를 그의 전극 구성 소자 내부의 집전체로도 사용할 수 있다. 본 출원에서의 분리판은, 2개의 전극 구성 소자 간의 분리 유닛을 지칭한다.

본 출원의 양극 극편은, 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 양극 극편은 통상적으로 양극 집전체와 양극 활성물질을 포함한다. 여기서, 상기 양극 집전체는 특별히 제한되지 않는 바, 해당 분야에서 공지된 임의의 양극 집전체일 수 있고, 예를 들면, 알루미늄박, 알루미늄 합금박 또는 복합 집전체 등일 수 있다. 상기 양극 활성물질은 특별히 제한되지 않는 바, 선행기술의 임의의 양극 활성물질일 수 있고, 상기 활성물질은 NCM811, NCM622, NCM523, NCM111, NCA, 리튬철인산화물, 리튬코발트산화물, 리튬망간산화물, 리튬망간철인산화물 또는 리튬티타늄산화물 중 적어도 1종을 포함한다.

본 출원에 따른 음극 극편은 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 것이라면. 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 음극 극편은 일반적으로 음극 집전체와 음극 활성재층을 포함한다. 여기서, 음극 집전체는 특별히 제한되지 않는 바, 해당 분야에서 공지된 임의의 음극 집전체, 예를 들면, 구리박, 알루미늄박, 알루미늄 합금박 및 복합 집전체 등을 사용할 수 있다. 음극 활성재층은, 음극 활성재을 포함하고, 음극 활성재는 특별히 제한되지 않는 바, 해당 분야에서 공지된 임의의 음극 활성재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 인조흑연, 천연흑연, 메조페이스 카본 마이크로 비즈, 소프트카본, 하드카본, 실리콘, 실리콘카본, 리튬티타늄산화물 등 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.

본 출원에서의 전해액은 특별히 제한되지 않는 바, 해당 분야에서 공지된 임의의 전해액을 사용할 수 있고, 예를 들면, 젤 상태, 고체 상태 및 액체 상태 중 어느 1종일 수 있고, 예를 들면, 액체상태의 전해액은 리튬염과 비수용매를 포함할 수 있다.

리튬염은 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는 바, 해당 분야에서 공지된 임의의 리튬염을 사용할 수 있다. 예를 들면, 리튬염은 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF₆), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF₄), 리튬디플루오로포스페이트(LiPO₂F₂), 리튬비스트리플루오로메틸설포닐이미드 LiN(CF₃SO₂)₂ (LiTFSI), 리튬비스플루오로설포닐이미드 Li(N(SO₂F)₂) (LiFSI), 리튬비스옥살라토보레이트 LiB(C₂O₄)₂ (LiBOB) 또는 리튬디플루오로옥살라토보레이트 LiBF₂(C2O₄) (LiDFOB) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬염은 LiPF₆를 선택하여 사용할 수 있다.

비수용매는, 본 출원의 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 비수용매는 카보네이트 화합물, 카르복실레이트 화합물, 에테르 화합물, 니트릴 화합물 또는 기타 유기 용매 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.

예를 들면, 카보네이트 화합물은 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 메틸에틸카보네이트(EMC), 디프로필카보네이트(DPC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트(EPC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐에틸렌카보네이트(VEC), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 1,2-디플루오로에틸렌카보네이트, 1,1-디플루오로에틸렌카보네이트, 1,1,2-트리플루오로에틸렌카보네이트, 1,1,2,2-테트라플루오로에틸렌카보네이트, 1-플루오로-2-메틸에틸렌카보네이트, 1-플루오로-1-메틸에틸렌카보네이트, 1,2-디플루오로-1-메틸에틸렌카보네이트, 1,1,2-트리플루오로-2-메틸에틸렌카보네이트 또는 트리플루오로메틸에틸렌카보네이트 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.

본 출원에서의 분리막은 특별히 제한되지 않는 바, 예를 들면, 분리막은 본 출원의 전해액에 대해 안정적인 재료로 이루어진 중합체 또는 무기물 등을 포함한다.

예를 들면, 분리막은 기재층과 표면처리층을 포함할 수 있다. 기재층은 다공질 구조를 갖는 부직포, 필름 또는 복합 필름일 수 있고, 기재층의 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리이미드로부터 선택되는 적어도 1종일 수 있다. 선택적으로, 폴리프로필렌 다공질 필름, 폴리에틸렌 다공질 필름, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에틸렌 부직포 또는 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 다공질 복합필름을 사용할 수 있다. 선택적으로, 기재층의 적어도 한 표면에 표면처리층이 설치되어 있고, 표면처리층은 중합체층 또는 무기물층일 수도 있고, 중합체와 무기물을 혼합하여 이루어진 층일 수도 있다.

예를 들면, 무기물층은 무기입자 및 바인더를 포함하고, 상기 무기입자는 특별히 제한되지 않는 바, 예를 들면, 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화티타늄, 산화하프늄, 산화주석, 이산화세륨, 산화니켈, 산화아연, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화이트륨, 탄화규소, 베마이트, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘 및 황산바륨으로부터 선택되는 적어도 1종일 수 있다. 상기 바인더는 특별히 제한되지 않는 바, 예를 들면, 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리헥사플루오로프로필렌으로부터 선택되는 1종 또는 복수 종의 조합일 수 있다. 중합체층에는 중합체가 포함되어 있고, 중합체의 재료는 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴레이트 중합체, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리비닐리덴플루오라이드 또는 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌) 중 적어도 1종을 포함한다.

본 출원은 상기 어느 한 실시형태에 따른 상기 집전체의 제조 방법을 더 제공하는 바, 해당 방법은, 하기 단계를 포함한다. 즉,

고분자 재료층을 제조하는 단계: 스테인리스강 기판 표면에서 정전기에 의한 스프레이 코팅법으로 고분자 재료 한 층을 스프레이 코팅하는 바, 고분자 재료층의 두께는 2 ㎛ 내지 800 ㎛이다.

고분자 재료층을 가열하는 단계: 얻어진 고분자 재료층을 250℃ 내지 300℃로 가열하여, 고분자 재료층을 연화시킨다.

도전성 재료를 감입하는 단계: 정전기 플로킹 공법(Electrostatic Flocking)을 이용하여, 1차원 또는 2차원 도전성 재료를 고분자 재료층 표면에 수직되는 방향으로 고분자 재료층에 감입시키고, 고분자 재료층의 연화 상태를 유지시킨다.

고분자 재료층에 대해 과열 롤링을 수행하는 단계: 얻어진 고분자 재료층에 대해 과열 롤링을 수행하는 것으로, 고분자 재료층의 표면이 평활하고, 두께가 일치하도록 하는 바, 여기서, 과열 온도는 상기 가열 온도보다 10℃ 내지 20℃ 높고, 롤링을 수행한 후의 고분자 재료층의 두께는 2 ㎛ 내지 500 ㎛이다.

집전체를 제조하는 단계: 스크레이퍼로 얻어진 고분자 재료층을 스테인리스강 기판의 표면에서 떼어내고, 권취하여 집전체를 얻는다.

본 출원의 일 실시형태에서, 정전기에 의한 스프레이 코팅법을 이용하여, 제조하여 얻어진, 도전성 재료가 감입된 고분자 재료층 표면에 고분자 재료 한 층을 더 스프레이 코팅하고, 고분자 재료층의 연화 상태를 유지한 후, 과열 롤링을 수행할 수도 있다. 고분자 재료 한 층을 더 스프레이 코팅하는 목적은, 도전성 재료가 고분자 재료층에 더 잘 감입되도록 하기 위한 것이고, 물론, 해당 층 고분자 재료의 두께를 합리적으로 컨트롤하는 것을 통해, 도전성 재료의 단부가 고분자 재료층에서 노출되도록 할 수 있다.

정전기 플로킹 공법에 대하여, 본 출원의 발명 목적을 달성할 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는 바, 예를 들면, 정전기 플로킹 시의 외부 전계 강도가 5 kV 내지 500kV이며, 이로써 도전성 재료가 고분자 재료층에 쏘아넣어질 때의 속도를 컨트롤하여(외부 전계가 크면 클수록, 도전성 재료의 속도가 크다), 도전성 재료가 고분자 재료층의 일면으로부터 진입한 후, 그의 "입사 단부"가 해당 고분자 박막의 다른 일면에서 노출되도록 한다.

정전기 스프레이 코팅 공법에 대하여, 고분자 재료층 한 층을 얻을 수 있는 것이라면, 본 출원에서는 특별히 제한하지 않는다. 본 출원에서 제조된 집전체는 쌍극성 집전체로서 쌍극성 극편에 응용될 수 있다. 본 출원의 전극 구성 소자는, 본 출원의 목적을 실현할 수 있는 것이라면, 특별히 제한하지 않고, 선행기술의 임의의 전극 구성 소자를 사용할 수 있는 바, 예를 들면, 적층 시트형 전극 구성 소자 또는 권취형 전극 구성 소자를 사용할 수 있다. 전극 구성 소자는 일반적으로 양극 극편, 음극 극편 및 분리막을 포함한다.

이하에서는, 실시예 및 비교예를 예시하여, 본 출원의 실시형태에 대해 더 상세하게 설명한다. 각 시험 및 평가는 이하에 기재된 방법에 따라 수행한다. 또한, 특별히 명시하지 않은 한, "부", "%"는 중량을 기준으로 한다.

실시예 1

<쌍극성 극편의 제조>

<쌍극성 집전체의 제조>

단계 a: 정전기에 의한 스프레이 코팅법으로, 스테인리스강 기판 표면에 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 입자 한 층을 스프레이 코팅하는 바, PET층 의 두께는 20 ㎛이다.

단계 b: 얻어진 PET층이 연화되도록 260℃로 가열한다.

단계 c: 정전기 플로킹법을 이용하여, 1차원 도전성 재료인 다중벽 탄소나노 튜브(MWCNT)를 PET층 표면에 수직되는 방향으로 PET층에 감입시키고, 상기 PET층이 연화 상태에 처하도록 260℃를 유지하고, 여기서, 정전기 플로킹 시 외부의 전계 강도는 50 kV이다.

단계 d: 정전기에 의한 스프레이 코팅법을 이용하여, 단계 c에서 얻어진 도전성 재료가 감입된 PET층 표면에 PET입자 한 층을 더 스프레이 코팅하고, 상기 PET층이 연화 상태에 처하도록 260℃를 유지하고, 여기서, 다시 한번 스프레이 코팅한 후에 얻어진 PET층 두께는 30 ㎛이다.

단계 e: PET층 표면이 평활하고, 두께가 일치하도록, 단계 d에서 얻어진 PET층에 대해 과열 롤링을 수행하는 바, 여기서, 과열 온도는 270℃이다.

단계 f: 스크레이퍼로 단계 e에서 얻어진 PET층을 스테인리스강 기판 표면에서 떼어내고, 권취하여 쌍극성 집전체를 얻는다. 집전체의 도전성 재료의 배향도는 5°이고, 도전성 재료는 집전체의 질량부의 30%를 차지하며, 두께는 20 ㎛이다.

<쌍극성 극편 중 음극 활성물질층의 제조>

음극 활성재 흑연(Graphite), 도전성 카본 블랙(Super P), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 중량비 96 : 1.5 : 2.5에 따라 혼합시킨 후, 탈이온수(H₂O)를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 70%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 쌍극성 집전체의 한쪽 면에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜, 음극 활성물질층을 얻고, 음극 활성물질층의 두께는 130 ㎛이다.

<쌍극성 극편 중 양극 활성물질층의 제조>

양극 활성물질인 리튬코발트산화물(LiCoO₂), 도전성 카본 블랙(Super P), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 중량비 97.5 : 1.0 : 1.5에 따라 혼합시킨 후, N-메틸피롤리돈(NMP)을 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 75%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 쌍극성 집전체의 다른 한 면에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 90℃ 조건에서 건조시켜, 양극 활성물질층을 얻고, 여기서, 양극 활성물질층의 두께는 110 ㎛이다.

상기 단계를 완성하여 쌍극성 극편을 얻고, 해당 극편은 41 mm × 61 mm의 규격으로 절단하여 사용을 위해 대기시킨다.

<음극 극편의 제조>

음극 활성재인 흑연(Graphite), 도전성 카본 블랙(Super P), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 중량비 96 : 1.5 : 2.5에 따라 혼합시킨 후, 탈이온수를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 70%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반하며, 슬러리를 두께가 10 ㎛인 구리박의 한 표면에 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜, 코팅층 두께가 150 ㎛이고 음극 활성재층이 단일면에 코팅된 음극 극편을 얻은 후, 해당 음극 극편의 다른 한 표면에 상술한 코팅 단계를 반복하여, 음극 활성재층이 양면에 코팅된 음극 극편을 얻는다. 음극 극편을 41 mm × 61 mm의 규격으로 절단시키고 탭을 용접하여 사용을 위해 대기시킨다.

<양극 극편의 제조>

양극 활성물질인 리튬코발트산화물(LiCoO₂), 도전성 카본 블랙(Super P), PVDF를 중량비 97.5 : 1.0 : 1.5에 따라 혼합시킨 후, NMP을 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 75%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 두께가 12 ㎛인 알루미늄박의 한 표면에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 90℃ 조건에서 건조시켜, 코팅층의 두께가 100 ㎛인 양극 극편을 얻은 후, 해당 양극 극편의 다른 한 표면에 상기 단계를 반복하여, 양극 활성물질층이 양면에 코팅된 양극 극편을 얻는다. 양극 극편을 38 mm × 58 mm의 규격으로 절단하고 탭을 용접한 후, 사용을 위해 대기시킨다.

<전해액의 제조>

건조한 아르곤 가스 분위기 속에서, 유기 용매인 에틸렌 카보네이트(EC), 메틸에틸카보네이트(EMC) 및 디에틸카보네이트(DEC)를 질량비 30 : 50 : 20에 따라 혼합시킨 후, 유기 용매에 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF₆)를 첨가하여 용해시키고 균일하게 혼합하여, 전해액을 얻고, 여기서, 전해액 중 LiPF₆의 몰 농도는 1.15 mol/L이다.

<전극 구성 소자의 제조>

<제1전극 구성 소자의 제조>

두께가 15 ㎛인 폴리에틸렌(PE) 필름을 격리막으로 선택하여 사용하고, 음극 극편의 양면에 각각 1개의 양극 극편을 설치하고, 양극 극편과 음극 극편 사이에 한 층의 격리막을 설치하여, 적층 시트를 이룬 후, 전반 적층 시트의 네 모서리를 확실하게 고정시켜, 제1 전극 구성 소자를 얻는다.

<제2 전극 구성 소자의 제조>

두께가 15 ㎛인 폴리에틸렌(PE) 필름을 격리막으로 선택 사용하고, 양극 극편의 양면에 각각 한 장의 음극 극편을 설치하고, 양극 극편과 음극 극편 사이에 한 층의 격리막을 설치하여, 적층 시트를 이룬 후, 전반 적층 시트의 네 모서리를 확실하게 고정시켜, 제2 전극 구성 소자를 얻는다.

<쌍극성 리튬이온 전지의 제조>

<쌍극성 전극 구성 소자의 제조>

펀치에 의해 피트 성형되고, 두께가 90 ㎛인 알루미늄 플라스틱 필름의 피트 면을 위로 향하도록 설치하고, 제1 전극 구성 소자를 알루미늄 플라스틱 필름의 피트 속에 넣어, 제1전극 구성 소자의 양극 극편이 위로 향하게 한 후, 쌍극성 극편의 음극 활성재층을 아래로 향하는 자세로, 제1 전극 구성 소자 위에 설치하여, 제1 전극 구성 소자의 양극 극편과 쌍극성 극편의 음극 활성재층이 서로 대응되도록 한 후, 프레스하여 제1 조립 소자를 얻는다.

제1 조립 소자에 대하여, 그의 쌍극성 극편의 양극 활성물질층을 위로 향하게 하고, 제2 전극 구성 소자의 음극 극편을 아래로 향하는 자세로, 쌍극성 극편 위에 설치하여, 제2 전극 구성 소자의 음극 극편과 쌍극성 극편의 양극 활성물질층을 서로 대응되도록 한 후, 펀치에 의해 피트 성형되고, 두께가 90 ㎛인 다른 하나의 알루미늄 플라스틱 필름을 피트 면이 아래로 향하는 자세로 제2 전극 구성 소자를 덮고, 열 프레스의 방식으로 2개의 알루미늄 플라스틱 필름을 열밀봉하여, 제1 전극 구성 소자와 제2 전극 구성 소자를 쌍극성 극편으로 분리시켜, 쌍극성 전극 구성 소자를 얻는다. 해당 쌍극성 전극 구성 소자는 2개의 독립된 챔버를 구비하는 바, 여기서, 제1 전극 구성 소자는 제1 챔버에 대응되고, 제2 전극 구성 소자는 제2 챔버에 대응된다.

<전극 구성 소자의 전해액 주입 및 밀봉 포장>

쌍극성 전극 구성 소자의 2개의 챔버에 각각 전해액을 주입한 후 밀봉 포장하고, 제1 챔버 내의 양극탭과 제2 챔버 내의 음극탭을 직렬 연결로 도통시켜, 쌍극성 리튬이온 전지를 얻고, 해당 쌍극성 리튬이온 전지의 2개의 챔버 간에 이온 교환이 없다.

실시예 2 내지 3

도전성 재료의 배향도가 각각 10°와 20°인 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

실시예 4

도전성 재료의 배향도가 30°이고, 도전성 재료가 집전체의 질량부의 10%를 차지하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

실시예 5

도전성 재료의 배향도가 3°이고, 도전성 재료가 집전체의 질량부의 70%를 차지하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

실시예 6

도전성 재료의 배향도가 3°이고, 도전성 재료가 집전체의 질량부의 10%를 차지하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

실시예 7

도전성 재료의 배향도가 30°이고, 도전성 재료가 집전체의 질량부의 70%를 차지하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

실시예 8

도전성 재료가 그래핀인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 9

도전성 재료가 VGCF인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 10

고분자 재료가 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 11

고분자 재료가 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 12

쌍극성 집전체의 두께가 500 ㎛인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 13

쌍극성 집전체의 두께가 2 ㎛인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 14

쌍극성 집전체의 두께가 10 ㎛인 것을 제외하고, 나머지는 실시예 2와 동일하다.

실시예 15

도전성 재료가 집전체의 질량부의 50%를 차지하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예 14와 동일하다.

실시예 16

쌍극성 극편 중 음극 밑코팅층과 양극 밑코팅층을 증가시키는 것을 제외하고, 나머지는 실시예 15와 동일하다.

<쌍극성 극편 중 음극 밑코팅층의 제조>

도전성 카본 블랙(Super P), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 질량비 95 : 5에 따라 혼합시키고, 탈이온수(H₂O)를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 80%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 쌍극성 집전체의 한쪽 면에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜, 음극 밑코팅층을 얻으며, 음극 밑코팅층의 두께는 5 ㎛이다.

<쌍극성 극편 중 음극 활성물질층의 제조>

음극 활성재인 흑연(Graphite), 도전성 카본 블랙(Super P), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 중량비 96 : 1.5 : 2.5에 따라 혼합시킨 후, 탈이온수(H₂O)를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 70%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 슬러리를 음극 밑코팅층에 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜, 음극 활성물질층을 얻으며, 음극 활성물질층의 두께는 120 ㎛이다.

<쌍극성 극편 중 양극밑코팅층 의 제조>

도전성 카본 블랙(Super P), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 중량비 97 : 3에 따라 혼합시키고, 탈이온수(H₂O)를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 85%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 슬러리를 쌍극성 집전체의 다른 한 면에 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜, 양극 밑코팅층을 얻는다.

<쌍극성 극편 중 양극 활성물질층의 제조>

양극 활성물질인 리튬코발트산화물(LiCoO₂), 도전성 카본 블랙(Super P), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 중량비 97.5 : 1.0 : 1.5에 따라 혼합시킨 후, N-메틸피롤리돈(NMP)을 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 75%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 양극 밑코팅층에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 90℃ 조건에서 건조시켜, 양극 활성물질층을 얻고, 양극 활성물질층의 두께는 100 ㎛이다.

상기 단계를 완성하여 쌍극성 극편을 얻고, 쌍극성 극편의 두께는 245 ㎛이다. 해당 극편을 41 mm × 61 mm 규격으로 절단시켜 사용을 위해 대기시킨다.

실시예 17

음극 밑코팅층과 양극 밑코팅층의 제조 공정이 실시예 16과 상이하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예 16과 동일하다.

<쌍극성 극편 중 음극밑코팅층의 제조>

폴리피롤(PPy), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 질량비 95 : 5에 따라 혼합시키고, 탈이온수(H₂O)를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 80%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 쌍극성 집전체의 한 면에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜, 음극 밑코팅층을 얻고, 음극 밑코팅층의 두께는 3 ㎛이다.

<쌍극성 극편 중 양극 밑코팅층의 제조>

폴리피롤(PPy), 스티렌부타디엔고무(SBR)를 중량비 97 : 3에 따라 혼합시키고, 탈이온수(H₂O)를 용매로 하여 첨가하여, 고형분 함량이 85%인 슬러리로 조제하고, 균일하게 교반한다. 쌍극성 집전체의 다른 한 면에 슬러리를 균일하게 코팅하고, 110℃ 조건에서 건조시켜,양극 밑코팅층을 얻는다.

실시예 18

음극 밑코팅층과 양극 밑코팅층의 제조 공정이 실시예 16과 상이하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예 16과 동일하다.

<쌍극성 극편 중 음극밑코팅층의 제조>

화학 기상 증착(PVD)법으로 쌍극성 집전체의 한 면에 Cu 도금층 한 층을 제조하여, 음극 밑코팅층을 얻고, 음극 밑코팅층의 두께는 1 ㎛이다.

<쌍극성 극편 중 양극 활성물질층의 제조>

PVD법으로 쌍극성 집전체의 한쪽 면에 Al 도금층 한 층을 제조하여, 양극 밑코팅층을 얻고, 양극 밑코팅층의 두께는 1 ㎛이다.

실시예 19

쌍극성 리튬이온 전지의 제조 공정이 실시예 17과 상이하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예 17과 동일하다.

쌍극성 리튬이온 전지의 제조 공정은, 하기와 같다, 즉,

제1 쌍극성 극편, 제1 분리막, 제2 쌍극성 극편 및 제2 분리막을 순서에 따라 적층시키고, 제1 쌍극성 극편의 양극 활성물질층과 제2 쌍극성 극편의 음극 활성물질층은 서로 근접되며, 전해액의 주입구를 확보하면서 극편의 주위에 실런트를 도포한 다음, 적층된 극편과 분리막을 전극 구성 소자로 권취하고, 실런트 경화 및 상부 측을 밀봉한 후, 전해액을 전극 구성 소자에 주입하고, 전해액의 주입이 완료된 후, 확보한 전해액의 주입구를 밀봉시켜, 쌍극성 리튬이온 전지를 얻는다.

비교예 1

쌍극성 집전체는 Cu/Al박 복합 집전체를 사용하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

Cu/Al 복합 집전체의 두께는 20 ㎛이다.

비교예 2

쌍극성 집전체는 스테인리스강박 집전체를 사용하는 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

스테인리스강박 집전체의 두께는 20 ㎛이다.

비교예 3

쌍극성 집전체는 0차원 구조의 도전성 재료와 고분자 기재를 복합시켜 얻어진 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

쌍극성 집전체에서 0차원 구조의 도전성 재료는 점상 카본 블랙 입자이고, 고분자 기재는 PET 기재이며, 점상 카본 블랙 입자는 3차원으로 분포된 베이스체 내에 배향성이 없이 균일하게 분산되고, 쌍극성 집전체의 두께는 약 50 ㎛이다.

비교예 4

쌍극성 집전체는 1차원 구조의 도전성 재료와 고분자 기재를 복합시켜 얻어진 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

쌍극성 집전체에서, 1차원 구조의 도전성 재료는 MWCNT이고, 고분자 기재는 PET기재이며, MWCNT는 3차원으로 분포된 베이스체 내에 배향성이 없이 균일하게 분산되며, 쌍극성 집전체의 두께는 약 50 ㎛이다.

비교예 5

쌍극성 집전체는 2차원 구조의 도전성 재료와 고분자 기재를 복합시켜 얻어진 것을 제외하고, 나머지는 실시예1과 동일하다.

쌍극성 집전체에서, 2차원 구조의 도전성 재료는 그래핀이고, 고분자 기재는 PET 기재이며, 그래핀은 3차원으로 분포된 베이스체 내에 배향성이 없이 균일하게 분산되며, 쌍극성 집전체의 두께는 약 50 ㎛이다.

<성능 테스트>

하기 방법을 사용하여 각 실시예 및 각 비교예에서 제조된 쌍극성 집전체, 쌍극성 리튬이온 전지에 대해 테스트를 수행한다.

쌍극성 집전체 내 도전성 재료의 배향도 테스트:

쌍극성 집전체(SEM)의 주사 전자 현미경에 의한 단면도를 획득하는 바, 여기서, 쌍극성 집전체의 단면은 플라즈마 절단 및 연마를 통해 얻고, 도면을 통해 섬유(1차원 도전성 재료) 또는 나노 시트(2차원 도전성 재료)와 Z 방향의 끼인각을 측정하며, 어느 도면이든 적어도 절반의 1차원 또는 2차원 도전성 재료가 각도의 요구 사항을 만족하면 된다.

쌍극성 집전체 내 Z 방향의 전기 저항률 테스트:

10 cm × 10 cm의 쌍극성 집전체 샘플을 취하여, 쌍극성 집전체의 A면과 B면을 면적이 일정한 두 금속 클램핑 플레이트로 고정시키고, 클램핑 플레이트 면적은 쌍극성 집전체와 동일하고, 두 클램핑 플레이트 간에 0.1 V의 전압을 가하고, 두 클램핑 플레이트 간의 전류 값을 측정한 후, 저항 값 R을 산출하고, 하기 공식에 의해 전기 저항률을 산출하는 바,

식 중, R은 저항 값을 표시하고, S는 쌍극성 집전체의 면적을 표시하며, L는 쌍극성 집전체의 두께를 표시하다.

쌍극성 집전체 중 X-Y 면내 방향의 전기 저항률 테스트:

도 4에 도시한 바와 같이, 4 프로브법을 사용하여 측정한다. 즉, 쌍극성 집전체의 표면에 4개의 금속 프로브를 한 직선으로 배열하고, 일정한 압력(일반적으로 2 N임)으로 샘플 표면에 압력을 가하며, a, d 두 위치에서 프로브를 통과하는 전류 I를 측정하고, b, c프로브 간의 전압차이 V를 탐지한 경우, 재료 전기 저항률은, 하기와 같은 바,

식 중, 프로브 계수

이고, 여기서, 프로브 a와 b, b와 c, c와 d의 간격은 각각 S ₁ , S ₂ , S ₃ 이다. 프로브 계수 C를 얻으면, 쌍극성 집전체 중 X-Y 면내 방향의 전기 저항률을 측정할 수 있다.

쌍극성 집전체의 단일방향의 통류율 테스트:

단계 A - 도 5에 도시한 바와 같이, 쌍극성 집전체 샘플 양측의 서로 마주하는 위치에 각각 하나의 면적이 S인 금속 실린더 전극(도면 중 번호 ①의 전극, 일반적으로 S는 약 1 cm²임)을 설치하고, 멀티미터를 사용하여 두 전극 간의 임피던스를 측정하여, R0로 기록하고;

단계 B - 1개의 금속 실린더 전극을 거리 L1(도면 중 번호 ②의 전극이 처한 위치)만큼 수평이동하고, 멀티미터를 사용하여 두 전극 간의 임피던스를 측정하여, R1로 기록하고, 여기서,

이고, H는 샘플의 두께이며;

단계 C - 상기 금속 실린더 전극을 단계 B와 동일한 방향에 따라, 거리 L2(도면 중 번호 ③의 전극이 처한 위치)만큼 계속 수평이동하고, 멀티미터를 사용하여 두 전극 간의 임피던스를 측정하여, R2로 기록하고, 여기서, L2＞4000 H이고, H는 샘플의 두께이며,

이며;

단계 D - 하기 공식에 따라 쌍극성 집전체의 단일방향의 통류율을 측정한다. 즉,

이다.

쌍극성 집전체의 두께 테스트:

나선형 마이크로 미터를 사용하여 쌍극성 집전체의 두께를 측정한다.

쌍극성 집전체의 인장강도 테스트:

쌍극성 집전체 샘플을 적당한 사이즈(예를 들면, 100 mm × 10 mm임)의 조각으로 절단하고, 인장력 측정기를 사용하여 샘플의 인장강도를 측정한다.

집전체에서의 도전성 재료의 질량 분율 테스트는, 테스트 방법 1 또는 테스트 방법 2를 사용한다.

테스트 방법 1:

10 cm Х 10 cm의 쌍극성 집전체 샘플을 취하여, 무게를 칭량 후 중량을 M0으로 기록하고; 적합한 용매를 골라, 쌍극성 유체 내의 고분자 기재를 용해시키고, 그 중의 도전성 재료 입자를 여과에 의해 얻는다. 사용되는 용매는, 쌍극성 집전체 내의 고분자 기재를 용해시킬 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는 바, 여과하여 얻어진 도전성 재료 입자를 세척하고 건조시키고, 무게를 칭량한 후 중량을 M1로 기록하면, 집전체 내 도전성 재료의 질량 분율은

이다.

테스트 방법 2:

10 cm × 10 cm인 쌍극성 집전체 샘플을 취하여, 무게를 칭량한 후 중량을 M0으로 기록하고; 왕수를 사용하여 쌍극성 유체 내의 도전성 재료를 용해시키고, 그 중의 고분자 기재를 여과에 의해 얻고; 고분자 기재를 세척하고 건조시키고, 무게를 칭량한 후, M2로 기록하면, 집전체 내 도전성 재료의 질량 분율은

이다.

02 C방전 에너지 밀도 테스트:

비교예 1의 리튬이온 전지에 대하여, 0.5 C으로 4.45 V까지 충전시킨 다음, 0.025 C까지 정전압으로 충전시키고, 5분 동안 정치시킨 후, 0.2 C으로 3.0 V까지 방전시킨다.

비교예 1을 제외한 기타 비교예과 실시예에 대하여, 0.5 C으로 8.90 V까지 충전한 다음, 0.025 C까지 정전압으로 충전시키고, 5분 동안 정치시킨 후, 0.2 C으로 6.0 V까지 방전시킨다.

하기 공식에 의해 02 C 방전 에너지 밀도를 측정한다.

.

사이클 테스트:

비교예 1의 리튬이온 전지에 대하여, 테스트 온도는 25℃ 이고, 0.5 C으로 4.45 V까지 정전류로 충전시키고, 0.025 C까지 정전압으로 충전시키며, 5분 동안 정치시킨 후, 0.5 C으로 3.0 V까지 방전시키는 바, 이 단계에서 얻어진 용량을 초기 용량으로 하고, 0.5 C 충전 / 0.5 C 방전의 사이클로 50회 더 테스트한 후, 리튬이온 전지의 용량이 초기 용량과의 비의 값을 산출한다.

비교예 1을 제외한 기타 비교예 및 실시예에 대하여, 테스트 온도는 25℃ 이고, 0.5 C으로 8.9 V까지 정전류 충전을 행하고, 0.025 C까지 정전압으로 충전시키며, 5분 동안 정치시킨 후, 0.5 C으로 6.0 V까지 방전시키는 바, 이 단계에서 얻어지는 용량을 초기 용량으로 하고, 0.5 C 충전 / 0.5 C 방전의 사이클로 50회 더 테스트한 후, 리튬이온 전지의 용량이 초기 용량과의 비의 값을 산출한다.

2 C / 02 C 방전 에너지 밀도 테스트:

우선, 02 C 방전 에너지 밀도를 테스트하며, 테스트 방법은 상술한 02 C 방전 에너지 밀도 테스트 방법과 동일하고, 2 C 방전 에너지 밀도를 측정한 후, 2 C 방전 에너지 밀도가 02 C 방전 에너지 밀도와의 비의 값을 산출한다.

여기서, 2 C 방전 에너지 밀도 테스트 방법은 하기와 같다. 즉,

비교예 1의 리튬이온 전지에 대하여, 0.5 C으로 4.45 V까지 충전시키고, 0.025 C까지 정전압으로 충전시키며, 5분 동안 정치시킨 후, 2 C으로 3.0 V까지 방전시킨다.

비교예 1을 제외한 기타 비교예과 실시예에 대하여, 0.5 C으로 8.90 V까지 충전시키고, 0.025 C까지 정전압으로 충전시키며, 5분 동안 정치시킨 후, 2 C으로 6.0 V까지 방전시킨다.

하기 공식에 의해 02 C 방전 에너지 밀도를 산출한다.

못박기 합격 테스트:

비교예 1의 리튬이온 전지에 대하여, 우선 0.05 C의 배율로 전압이 4.45 V가 될 때까지 정전류로 충전시켜, 정격 전압에 도달하도록 한 후, 전류가 0.025 C이 될 때까지 정전압으로 충전시켜, 차단 전류에 도달하도록 하여, 전지가 풀충 상태에 도달하도록 하여, 테스트 전의 전지 겉모양을 기록한다.

비교예 1을 제외한 기타 비교예과 실시예에 대하여, 측정 대상인 리튬이온 전지를 0.05 C의 배율로, 전압이 8.90 V가 될 때까지 정전류로 충전시켜, 정격 전압에 도달하고록 하고, 뒤어어 전류가 0.025 C이 될 때까지 정전압으로 충전시켜, 차단 전류에 도달하도록 하여, 전지가 풀충전 상태에 도달하도록 하여, 테스트 전의 전지 겉모양을 기록한다.

25 ± 3℃ 의 환경 속에서 전지에 대해 못박기 테스트를 수행하고, 강철 못의 직경은 4 mm이고, 천공 속도는 30 mm/s이며, 못박기 위치는 각각 Al 탭(Tab) 측의 전기화학 셀의 가장자리에서 15 mm 떨어진 위치 및 Ni Tab 측의 전기화학 셀 가장자리에서 15 mm 떨어진 위치이고, 테스트를 3.5 min 수행하거나 코어 표면 온도가 50℃ 로 하강된 후에 테스트를 중지하고, 10개의 리튬이온 전지를 한 그룹으로 하여, 테스트 공정에서 전지 상태를 관찰하며, 전지의 미연소, 미폭발을 판단 기준으로 하여, 합격률이 90%보다 크거나 같으면 못박기 테스트에 합격된 것으로 한다.

각 실시예와 비교예의 제조 파라미터 및 테스트 결과는 하기 표 1에서 표시한 바와 같다.

[표 1] 각 실시예와 비교예의 제조 파라미터 및 테스트 결과

실시예 1 내지 19 및 비교예 1 내지 2에서 보아낼 수 있듯이, 본 출원의 쌍극성 집전체를 구비한 리튬이온 전지의 02 C방전 에너지 밀도의 증가 폭이 뚜렷하다.

실시예 1 내지 19 및 비교예 1 내지 5에서 보아낼 수 있듯이, 본 출원의 쌍극성 집전체를 구비한 리튬이온 전지의 사이클 용량 유지율의 증가 폭이 뚜렷하다.

실시예 1 내지 3, 5 내지 11, 13 내지 19 및 비교예 3 내지 5에서 보아낼 수 있듯이, 기존의 고분자 쌍극성 집전체의 리튬이온 전지(예를 들면, 비교예 3 내지 5)에 비해, 본 출원의 쌍극성 집전체를 구비한 리튬이온 전지의 방전 에너지 밀도의 증가 폭이 뚜렷하다.

실시예 1 내지 19 및 비교예 1과 2에서 보아낼 수 있듯이, 기존의 금속박 쌍극성 집전체의 리튬이온 전지(예를 들면, 비교예 1과 2)에 비해, 본 출원의 쌍극성 집전체를 구비한 리튬이온 전지의 못박기 합격 상황이 뚜렷하게 개선되었다.

실시예 4에서 보아낼 수 있듯이, 도전성 재료의 배향도, 쌍극성 집전체의 Z 방향의 전기 저항률, 및 집전체 내 도전성 재료의 질량 분율은 공동으로 리튬이온 전지의 방전 에너지 밀도에 영향줄 수 있다

실시예 12 내지 14에서 보아낼 수 있듯이, 쌍극성 집전체의 두께는 리튬이온 전지의 방전 에너지 밀도에 영향줄 수 있으나, 실시예 12의 방전 에너지 밀도가 비교예 1 및 2와 접근하는 것으로 보면, 영향 정도가 크지 않다는 것을 표명한다.

또한 실시예 12 내지 14에서 보아낼 수 있듯이, 쌍극성 집전체의 두께가 증가됨에 따라, 리튬이온 전지의 못박기 합격 수량이 향상되었다.

표 1에서 보아낼 수 있듯이, 실시예 17은 가장 바람직한 실시예이고; 실시예 19는, 실시예 17과 상이한 전극 구성 소자 구조를 사용하여 설계를 하였으나, 마찬가지로 우수한 성능을 얻을 수도 있었다.

상술한 내용은 본 출원의 바람직한 실시예일 뿐, 본 출원의 보호 범위를 제한하려는 것이 아니다. 본 출원의 정신 및 원칙 내에서의 모든 수정, 동등 교체, 개진 등은 모두 본 출원의 보호범위 내에 포함된다.

Claims (16)

1. 집전체에 있어서,
   고분자 기재 및 도전성 재료를 포함하고,
   상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 10 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm이고, 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 30 Ω·cm인, 집전체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 10% 내지 70%를 차지하는, 집전체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 재료는 1차원 도전성 재료 또는 2차원 도전성 재료 중 적어도 1종을 포함하고, 상기 1차원 도전성 재료의 길이 방향 또는 상기 2차원 도전성 재료의 평면 방향과 집전체 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 30°인, 집전체.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 5 내지 4000인, 집전체.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 집전체의 두께는 2 ㎛ 내지 500 ㎛인, 집전체.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 재료의 일단 또는 양단은 상기 고분자 기재의 표면에서 노출되는, 집전체.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 1차원 도전성 재료의 길이는 0.1 ㎛ 내지 200 ㎛이고, 직경은 2 nm 내지 500 nm이며, 비표면적은 5 m²/g 내지 2000 m²/g인, 집전체.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 2차원 도전성 재료의 길이는 2 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 6 nm 내지 20 ㎛이며, 비표면적은 0.5 m²/g 내지 1000 m²/g인, 집전체.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 집전체는,
   (a) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 50 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm인 것;
   (b) 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 1 Ω·cm인 것;
   (c) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 100 내지 1000인 것;
   (d) 상기 도전성 재료와 상기 Z 방향의 끼인각은 0° 내지 10°인 것;
   (e) 상기 집전체의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛인 것; 및
   (f) 상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 20% 내지 60%를 차지하는 것
   중 적어도 하나를 만족하는, 집전체.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전체는,
    (a) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률은 100 Ω·cm 내지 1000 Ω·cm인 것;
    (b) 상기 집전체의 Z 방향에서의 전기 저항률은 0.01 Ω·cm 내지 0.05 Ω·cm인 것;
    (c) 상기 집전체의 X-Y 면내 방향에서의 전기 저항률이 Z 방향에서의 전기 저항률과의 비의 값은 200 내지 600인 것;
    (d) 상기 집전체의 두께는 5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것;
    (e) 상기 도전성 재료는 상기 집전체의 질량의 40% 내지 50%를 차지하는 것; 및
    (f) 상기 집전체의 인장강도는 80 MPa 내지 100 MPa인 것
    중 적어도 하나를 만족하는, 집전체.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 재료는 탄소 재료 또는 금속 재료 중 적어도 1종을 포함하는, 집전체.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소 재료는 단일벽 탄소나노 튜브, 다중벽 탄소나노 튜브, 도전성 탄소섬유, 도전성 카본 블랙, 풀러린(fullerene), 도전성 흑연 또는 그래핀 중 적어도 1종을 포함하는, 집전체.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 재료는 Ni, Ti, Ag, Au, Pt 또는 스테인리스강 중 적어도 1종을 포함하는, 집전체.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아미드이미드, 폴리카보네이트, 고리형 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리메틸렌나프탈렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프로필렌카보네이트, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-클로로트리플루오로에틸렌), 실리콘 수지, 비닐론(vinylon), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에테르니트릴, 폴리우레탄, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리술폰 또는 이들 물질의 유도체 중 적어도 1종을 포함하는, 집전체.
15. 전기화학 디바이스에 있어서,
    제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 집전체를 포함하는, 전기화학 디바이스.
16. 전자 디바이스에 있어서,
    제 15 항에 따른 전기화학 디바이스를 포함하는, 전자 디바이스.

Images