KR20230054657A - 리튬 이온 전지 - Google Patents

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KR20230054657A
KR20230054657A KR1020237001692A KR20237001692A KR20230054657A KR 20230054657 A KR20230054657 A KR 20230054657A KR 1020237001692 A KR1020237001692 A KR 1020237001692A KR 20237001692 A KR20237001692 A KR 20237001692A KR 20230054657 A KR20230054657 A KR 20230054657A
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청화 푸
천천 장
용황 예
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컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
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Abstract

본 발명은 음극 극판, 분리막, 양극 극판을 권취 방향으로 권취하여 형성된 권취 구조를 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다. 상기 권취 구조는 호 형상의 절곡부를 포함하며, 상기 음극 극판은 음극재층을 포함하고, 절곡부의 상기 음극재층의 표면에는 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층이 설치되며, 상기 반응층은 리튬 저장재를 포함한다.

Description

리튬 이온 전지
본 발명은 리튬 전지 기술분야에 관한 것으로, 특히 리튬 이온 전지, 및 이를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 높은 사이클 성능, 고전압, 낮은 자가 방전 및 경량 등 이점을 갖고 있어 노트북, 디지털 카메라, 휴대폰 및 시계와 같은 휴대용 전자 제품에 널리 사용된다. 다양한 휴대용 전자 제품의 광범위한 적용에 따라 리튬 이온 전지의 성능, 특히 리튬 이온 전지의 에너지 밀도 및 사이클 성능 등에 대한 사람들의 요구 사항이 갈수록 높아지고 있다.
현재의 리튬 이온 전지는 일반적으로 권취 구조로 설계된다. 전지의 사이클 과정에서, 전지의 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 수행된다. 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하는 과정에서, 전지의 권취 구조의 한계로 인해 셀의 절곡부, 내륜에 간극이 존재하여 전지의 음극과 양극의 용량비가 셀의 다른 위치보다 낮아진다.
양극의 리튬 이온이 음극에 너무 많이 인터칼레이션되며, 음극은 리튬 이온을 인터칼레이션할 수 있는 용량이 충분하지 않아 내륜의 음극이 양극으로 둘러싸인 영역에 과다한 리튬 이온이 석출되고, 이러한 음극의 리튬 석출은 전지의 사이클 성능을 심각하게 저하시킨다.이렇게 석출된 리튬은 덴드라이트 형태로 형성되어 분리막을 천공하여, 양극과 음극을 연결시켜 단락을 초래하여 심각한 안전사고를 일으킬 수 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 안출된 것으로, 권취형 셀 극판, 특히 절곡부에서 발생하는 리튬 덴드라이트를 제거하고, 셀 모서리의 리튬 석출 문제를 개선하며, 리튬 이온 전지의 사이클 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이온 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 양태는 음극 극판, 분리막, 양극 극판을 권취 방향으로 권취하여 형성된 권취 구조를 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다. 상기 권취 구조는 호 형상의 절곡부를 포함하며, 상기 음극 극판은 음극재층을 포함하고, 절곡부의 상기 음극재층의 표면에는 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층이 설치되며, 상기 반응층은 리튬 저장재를 포함한다.
음극재층의 표면에 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층을 설치함으로써, 절연층은 리튬 덴드라이트를 물리적으로 분리할 수 있고, 절연층이 리튬 덴드라이트에 의해 천공된 경우에도 절연층 표면에 위치한 반응층은 리튬 덴드라이트와 반응하여 리튬 덴드라이트를 제거할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 반응층의 두께 d는,
Figure pct00001
를 만족시키고,
바람직하게는, 상기 반응층의 두께 d는,
Figure pct00002
를 만족시키며,
보다 바람직하게는, 상기 상기 반응층의 두께 d는,
Figure pct00003
을 만족시킨다.
여기서,
h1는 단층 음극재층의 두께이고, 단위는 μm이며;
h2는 단층 양극재층의 두께이고, 단위는 μm이며;
h3는 분리막의 두께이고, 단위는 μm이며;
x는 절곡부에서 음극재층과 양극재층 사이의 거리이고, 단위는 μm이며;
q는 절곡부에서 단층 음극 활물질층의 용량이고, 단위는 mAh이며;
a는 절곡부에서 단층 음극 활물질층의 면적이고, 단위는 cm2이며;
m1은 반응층의 그램 용량이고, 단위는 mAh/g이며;
ρ는 반응층의 밀도이고, 단위는 g/cm3이며;
d는 단위가 μm이다.
반응층의 두께가 상기 관계식을 만족하도록 함으로써, 반응층은 절연층을 천공하여 통과한 리튬 덴드라이트와 충분히 반응할 수 있어 리튬 이온 전지의 사이클 성능 및 안전성을 향상시킨다.
일부 실시형태에서, 상기 리튬 저장재는 흑연(인조 흑연 또는 천연 흑연일 수 있음), 홑원소 규소, 산화규소, 일산화규소, 산화주석, 산화구리 및 산화아연 중 적어도 하나를 포함한다.
이러한 반응층을 사용함으로써, 절연층이 리튬 덴드라이트에 의해 천공된 경우, 상기 리튬 덴드라이트가 반응층과 잘 반응하여 리튬 덴드라이트를 제거하고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 절연층은 산화알루미늄, 베마이트, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화리튬, 산화규소, 산화코발트, 산화니켈, 산화아연, 산화갈륨, 산화게르마늄, 산화이트륨, 산화스트론튬, 산화바륨 및 산화몰리브덴 중 적어도 하나를 포함한다.
이러한 절연층을 사용함으로써, 물리적 작용에 의해 장벽을 형성하여 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 절연층의 두께는 1 내지 10 μm, 바람직하게는 2 내지 4 μm이다.
공정에서 절연층의 두께를 1 μm 이하로 만드는 것은 쉽지 않다. 절연층의 두께의 상한은 특별히 한정되지 않으나, 비용 측면에서 상한을 10 μm로 설정할 수 있으며, 이 경우 리튬 덴드라이트를 물리적으로 분리시키는 작용을 충분히 발휘할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 절연층의 영률은 6 GPa 이상, 바람직하게는 6 내지 30 GPa이다.
절연층의 영률을 6 GPa 이상으로 설정함으로써 리튬 덴드라이트를 물리적으로 분리시키는 작용을 충분히 발휘할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 반응층의 그램 용량은 300 내지 5000 mAh/g, 바람직하게는 1000 내지 4000 mAh/g이다.
반응층의 그램 용량을 300 내지 5000 mAh/g으로 설정함으로써, 리튬 덴드라이트가 더 잘 흡수될 수 있고, 반응층이 차지하는 부피를 감소시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 반응층의 입자 크기는 0.1 내지 6 μm, 바람직하게는 0.1 내지 2 μm이고, 상기 절연층의 입자 크기는 0.1 내지 10 μm, 바람직하게는 0.1 내지 4 μm이다.
반응층의 입자 크기를 0.1 내지 6 μm로 설정하고, 절연층의 입자 크기를 0.1 내지 10 μm로 설정함으로써, 각 층을 균일하게 형성할 수 있어 리튬 석출을 방지하기 위한 반응층 및 절연층 각각의 작용이 더 잘 발휘된다.
본 발명의 제2 양태는 또한 본 발명의 제1 양태에 따른 리튬 이온 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 제3 양태는 또한 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명의 제4 양태는 또한 본 발명의 제1 양태에 따른 리튬 이온 전지, 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 모듈 또는 본 발명의 제3 양태에 따른 전지 팩으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 권취 구조의 절곡 위치에 리튬 덴드라이트가 형성되어 분리막이 천공되고 이로 인해 전지의 단락 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 권취 구조의 절곡 위치에 리튬 덴드라이트가 형성된 경우, 절연층은 물리적 작용을 통해 장벽을 형성하여 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다. 리튬 석출량이 너무 많아 리튬 덴드라이트가 더 성장하여 절연층을 천공하는 경우, 반응층은 이와 반응하여 절연층을 통과하는 리튬 덴드라이트의 일부를 제거함으로써, 리튬 이온 전지의 사이클 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
음극재층의 표면에 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층을 설치함으로써, 절연층은 리튬 덴드라이트를 물리적으로 분리할 수 있고, 절연층이 리튬 덴드라이트에 의해 천공된 경우에도 절연층 표면에 위치한 반응층은 리튬 덴드라이트와 반응하여 리튬 덴드라이트를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지의 권취형 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 어셈블리의 절곡부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지의 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 모듈의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 팩의 분해도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지가 전원으로 사용되는 전기 장치의 개략도이다.
도 9a는 본 발명의 시험예 1에 따른 리튬 이온 전지의 500 사이클 후 절곡부의 전자현미경 사진이다. 도 9b는 비교시험예 1에 따른 리튬 이온 전지의 500 사이클 후 절곡부의 전자현미경 사진이다.
도 10a는 본 발명의 시험예 2에 따른 리튬 이온 전지를 1 사이클 후 반응층 및 절연층 부위를 인시튜 현미경으로 관찰한 사진이다. 도 10b는10 사이클 후 사진이다. 도 10c는 100 사이클 후 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 적절히 참조하여 본 발명의 리튬 이온 전지 및 그 제조 방법, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 구체적으로 개시하는 실시형태를 상세히 설명한다. 그러나, 경우에 따라 불필요한 상세한 설명을 생략한다. 예를 들어, 공지 사항에 대한 상세한 설명 및 실제로 동일한 구조에 대한 중복되는 설명은 생략되는 경우가 있다. 이는 하기 설명이 불필요하게 길어지는 것을 방지하고 당업자가 용이하게 이해하도록 하기 위한 것이다. 또한, 첨부 도면 및 하기 설명은 당업자가 본 발명을 충분히 이해하도록 제공되는 것이며, 특허청구범위에 기재된 주제를 한정하기 위한 것이 아니다.
본 발명에 개시된 "범위"는 하한 및 상한의 형태로 한정되고, 주어진 범위는 하나의 하한 및 하나의 상한의 선택에 의해 한정되며, 선택된 하한 및 상한은 특정 범위의 경계를 한정한다. 이러한 방식으로 한정된 범위는 끝점 값을 포함하거나 포함하지 않을 수 있으며 임의로 조합될 수 있다. 즉, 임의의 하한과 임의의 상한이 조합되어 하나의 범위를 형성할 수 있다. 예를 들어, 60 내지 120 및 80 내지 110의 범위가 특정 매개변수에 대해 나열되는 경우, 60 내지 110 및 80 내지 120의 범위도 고려되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 최소 범위 값 1과 2가 나열되고 최대 범위 값 3, 4, 5가 나열되면 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 3, 2 내지 4 및 2 내지 5의 모든 범위가 예상된다. 본 발명에서, 달리 명시되지 않는 한, 수치 범위 "a 내지 b"는 a와 b 사이의 실수 조합의 축약된 표현을 나타내며, 여기서 a와 b는 모두 실수이다. 예를 들어, 수치 범위 "0 내지 5"는 "0 내지 5" 사이의 모든 실수가 본 명세서에 나열되었음을 의미하고 "0 내지 5"는 이러한 수치 값의 조합을 축약한 표현일 뿐이다. 또한, 특정 파라미터가 2 이상의 정수로 표현되는 경우, 해당 파라미터가 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 등 정수임을 개시한 것과 같다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 실시형태 및 선택적인 실시형태는 서로 조합되어 새로운 기술적 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 기술특징 및 선택적인 기술특징은 서로 조합되어 새로운 기술적 해결 수단을 형성할 수 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명의 모든 단계는 순차적으로 수행될 수 있고 랜덤으로 수행될 수 있으며, 순차적으로 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a) 및 (b)를 포함하고, 이는 상기 방법이 순차적으로 수행되는 단계 (a) 및 (b)를 포함할 수 있으며 순차적으로 수행되는 단계 (b) 및 (a)를 포함할 수도 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 언급된 상기 방법은 단계 (c)를 더 포함할 수 있고, 이는 단계 (c)가 상기 방법에 임의의 순서로 추가될 수 있다는 것을 나타내는 바, 예를 들어, 상기 방법은 단계 (a), (b) 및 (c)를 포함할 수 있고, 단계 (a), (c) 및 (b)를 포함할 수도 있으며, 단계 (c), (a) 및 (b) 등을 포함할 수도 있다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 언급된 "포괄" 및 "포함"은 개방형 및 폐쇄형을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 "포괄" 및 "포함"은 나열되지 않은 다른 성분을 더 포괄하거나 포함할 수 있고, 나열된 성분만 포괄하거나 포함할 수 있음을 나타낸다.
특별한 설명이 없는 한, 본 발명에서 용어 "또는"은 포괄적인 것이다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 "A, B, 또는 A 및 B 양자"를 나타낸다. 보다 구체적으로, A는 참(또는 존재)이고 B는 거짓(또는 부재)이며; A는 거짓(또는 부재)이고 B는 참(또는 존재)이며; 또는 A 및 B는 모두 참(또는 존재)인 조건 중 어느 하나는 조건 "A 또는 B"를 모두 만족시킨다.
본 발명의 제1 양태는 리튬 이온 전지를 제공한다. 본 발명의 리튬 이온 전지는 음극 극판, 분리막, 양극 극판을 권취 방향으로 권취하여 형성된 권취 구조를 포함하고, 상기 권취 구조는 호 형상의 절곡부를 포함한다. 상기 음극 극판은 음극재층을 포함하고, 절곡부의 상기 음극재층의 표면에는 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층이 설치되며, 상기 반응층은 리튬 저장재를 포함한다.
리튬 이온 전지가 권취 구조를 적용하는 경우, 상기 권취 구조의 원호형 절곡부의 간극으로 인해 리튬 석출이 발생하기 쉽고, 이와 같이 석출된 리튬으로 형성된 리튬 덴드라이트가 과도하게 성장하여 분리막을 천공할 수 있다. 본 발명의 리튬 이온 전지는 절곡부의 음극재층의 표면에 절연층을 설치함으로써, 절연층은물리적으로 리튬 덴드라이트를 분리하고, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하여 리튬 덴드라이트가 분리막을 천공하는 것을 방지할 수 있다. 상기 절연층의 표면에 반응층을 더 설치함으로써, 리튬 덴드라이트가 과도하게 성장하여 절연층을 천공하는 경우, 상기 반응층은 리튬 덴드라이트와 반응하여 리튬 덴드라이트를 제거할 수 있으며, 이리 하여, 리튬 덴드라이트가 분리막을 천공하는 것을 추가로 방지할 수 있다.
상기 반응층의 두께 d는,
Figure pct00004
를 만족시키고,
여기서, h1는 단층 음극재층의 두께이고, 단위는 μm이며;
h2는 단층 양극재층의 두께이고, 단위는 μm이며;
h3는 분리막의 두께이고, 단위는 μm이며;
x는 절곡부에서 음극재층과 양극재층 사이의 거리이고, 단위는 μm이며;
q는 절곡부에서 단층 음극 활물질층의 용량이고, 단위는 mAh이며;
a는 절곡부에서 단층 음극 활물질층의 면적이고, 단위는 cm2이며;
m1은 반응층의 그램 용량이고, 단위는 mAh/g이며;
p는 반응층의 밀도이고, 단위는 g/cm3이며;
d는 단위가 μm이다.
반응층의 두께가 상기 관계식을 만족하도록 함으로써, 반응층이 절연층을 천공하여 통과한 리튬 덴드라이트와 충분히 반응할 수 있어 리튬 이온 전지의 사이클 성능 및 안전성을 향상시킨다.
보다 바람직하게는, 반응층의 두께 d는,
Figure pct00005
를 만족시킨다.
보다 더 바람직하게는, 반응층의 두께 d는,
Figure pct00006
을 만족시킨다.
또한, 코팅 공정 및 비용 측면에서 고려하면 반응층의 두께 d의 상한은 200 μm인 것이 바람직하다.
상기 반응층에 사용될 수 있는 리튬 저장재는 리튬 덴드라이트와 화학적으로 반응하여 리튬 덴드라이트가 분리막을 천공하는 것을 방지할 수 있는 재료이면 되며, 예를 들어 음극재층과 동일한 활물질을 사용할 수 있다. 리튬 덴드라이트와 반응할 수 있는 이러한 재료는 예를 들어 흑연, 홑원소 규소, 산화규소, 일산화규소, 산화주석, 산화구리 및 산화아연 중 적어도 하나를 열거할 수 있다. 여기서, 리튬 덴드라이트와 가역적으로 반응할 수 있는 재료가 바람직하며, 예를 들어 흑연, 홑원소 규소, 산화규소 및 일산화규소를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 홑원소 규소 또는 일산화규소를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 절연층을 통과하여 반응층에 의해 제거되는 리튬 덴드라이트를 형성하는 리튬 이온은 전체 전지에서 차지하는 비중이 너무 많지 않기 때문에 반응층이 리튬 덴드라이트와 비가역적으로 반응하는 재료일지라도 용량에 대한 영향도 아주 작다. 이러한 비가역적 재료는 예를 들어 금속 리튬과 LiM 합금을 형성할 수 있는 산화주석, 산화구리 및 산화아연 등이 있으며, 이러한 재료는 리튬의 더 나은 증착을 돕는다.
이러한 반응층을 사용함으로써, 절연층이 리튬 덴드라이트에 의해 천공되어 리튬 덴드라이트가 절연층을 통과하는 경우, 상기 리튬 덴드라이트는 반응층과 잘 반응하여 리튬 덴드라이트를 제거하고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 리튬 이온 전지에 사용 가능한 절연층으로서, 산화알루미늄, 베마이트, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화리튬, 산화규소, 산화코발트, 산화니켈, 산화아연, 산화갈륨, 산화게르마늄, 산화이트륨, 산화스트론튬, 산화바륨 및 산화몰리브덴 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 베마이트, 산화알루미늄 및 산화지르코늄을 포함한다.
이러한 절연층을 사용함으로써, 물리적 작용에 의해 장벽을 형성하여 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하고, 전지 사용 과정에서 발생하는 리튬 덴드라이트가 분리막을 천공하는 것을 방지할 수 있어 리튬 이온 전지의 안전성이 향상된다.
상기 절연층의 두께는 1 내지 10 μm, 바람직하게는 2 내지 4 μm이다.
공정에서 절연층의 두께를 1 μm 이하로 만드는 것은 쉽지 않다. 절연층의 두께의 상한은 특별히 한정되지 않으나, 비용 측면에서 상한을 10 μm로 설정할 수 있으며, 이 경우 리튬 덴드라이트를 물리적으로 분리시키는 작용을 충분히 발휘할 수 있다.
상기 절연층의 영률은 6 GPa 이상, 바람직하게는 6 내지 30 GPa이다.
절연층의 영률을 6 GPa 이상으로 설정함으로써 리튬 덴드라이트를 물리적으로 분리시키는 작용을 충분히 발휘할 수 있다.
상기 반응층의 그램 용량은 300 내지 5000 mAh/g, 바람직하게는 1000 내지 4000 mAh/g이다.
반응층의 그램 용량을 300 내지 5000 mAh/g으로 설정함으로써, 리튬 덴드라이트와 더 잘 반응하여 리튬 덴드라이트를 제거하고, 반응층이 차지하는 부피를 감소시킬 수 있다.
상기 반응층의 입자 크기는 0.1 내지 6 μm, 바람직하게는 0.1 내지 2 μm이고, 상기 절연층의 입자 크기는 0.1 내지 10 μm, 바람직하게는 0.1 내지 5 μm이다.
반응층의 입자 크기를 0.1 내지 6 μm으로 설정하고, 절연층의 입자 크기를 0.1 내지 10 μm으로 설정함으로써, 각 층을 균일하게 형성할 수 있어 리튬 석출을 방지하기 위해 반응층 및 절연층 각각의 작용이 더 잘 발휘된다.
본 발명의 제2 양태는 또한 본 발명의 제1 양태에 따른 리튬 이온 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 제3 양태는 또한 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명의 제4 양태는 또한 본 발명의 제1 양태에 따른 리튬 이온 전지, 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 모듈 또는 본 발명의 제3 양태에 따른 전지 팩으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기 장치를 제공한다.
또한, 이하에서는 도면을 적절히 참조하여 본 발명의 리튬 이온 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전기 장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시형태에서는 리튬 이온 전지를 제공한다.
리튬 이온 전지는 양극 극판, 음극 극판, 전해질 및 분리막을 포함한다. 전지의 충방전 과정에서 활성 이온은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 반복한다. 전해질은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 분리막은 양극 극판과 음극 극판 사이에 설치되어 주로 양극과 음극 사이의 단락을 방지하는 작용을 하는 동시에 이온을 통과시킬 수 있다.
［양극 극판］
양극 극판은 양극 집전체 및 양극 집전체의 적어도 일면에 설치된 양극재층을 포함한다.
예시로서, 양극 집전체는 그 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 양극 집전체의 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 또는 둘 모두에 양극재층이 설치된다.
일부 실시형태에서, 상기 양극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 호일은 알루미늄 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 기재층 및 고분자 재료 기재층의 적어도 일면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 등)를 고분자 재료 소지(예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등의 소지) 상에 형성함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극재층은 본 기술분야에 공지된 전지용 양극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 양극 활물질은 올리빈(olivine) 구조의 리튬 함유 인산염, 리튬 전이금속 산화물 및 이들 각각의 변성 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이들 재료에 한정되지 않으며, 전지용 양극 활물질로서 사용될 수 있는 다른 통상적인 재료도 사용될 수 있다. 이러한 양극 활물질은 단독으로 사용되거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 여기서, 리튬 전이 금속 산화물의 예로는 리튬 코발트 산화물(예를 들어, LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(예를 들어, LiNiO2), 리튬 망간 산화물(예를 들어, LiMnO2, LiMn2O4), 리튬 니켈 코발트 산화물, 리튬 망간 코발트 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(예를 들어, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333으로 약칭할 수도 있음), LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523으로 약칭할 수도 있음), LiNiO. 5Co0.25Mn0.25O2(NCM211로 약칭할 수도 있음), LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622로 약칭할 수도 있음), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811으로 약칭할 수도 있음), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(예를 들어, LiNi0.85Co0.15Al0.05O2) 및 이의 변성 화합물 중 하나이상이 포함되나 이에 한정되지 않는다. 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염의 예로는 인산철리튬(예를 들어, LiFePO4(LFP로 약칭할 수도 있음)), 인산철리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간리튬(예를 들어, LiMnPO4), 인산망간리튬과 탄소의 복합 재료, 인산망간철리튬, 인산망간철리튬과 탄소의 복합재료 중 적어도 하나가 포함되나 이에 한정되지 않는다.
일부 실시형태에서, 양극재층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-프로필렌 삼원공중합체, 비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 삼원공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 및 불소 함유 아크릴레이트 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극재층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 예시로서, 상기 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 양극 극판은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 다른 성분과 같은 양극 극판 제조를 위한 상술한 성분을 용매(예를 들어, N-메틸피롤리돈)에 분산시켜 양극 슬러리를 형성하고, 양극 슬러리를 양극 집전체에 코팅한 후, 건조, 냉간 압착 등의 공정을 거쳐 양극 극판을 얻는 방식을 통해 제조될 수 있다.
［음극 극판］
음극 극판은 음극 집전체 및 음극 집전체의 적어도 일면에 설치된 음극재층을 포함한다.
예시로서, 음극 집전체는 그 자체의 두께 방향으로 대향하는 2개의 표면을 구비하고, 음극 집전체에서 대향하는 2개의 표면 중 임의의 하나 또는 둘 모두에 음극재층이 설치된다.
절곡부에 위치한 음극재층의 표면에는 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층이 설치된다.
예시로서, 절연층 및 반응층은 권취 후 외측을 향한 음극재층의 표면에 위치한다.
일부 실시형태에서, 상기 음극 집전체는 금속 호일 또는 복합 집전체를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 호일은 구리 호일을 사용할 수 있다. 복합 집전체는 고분자 재료 베이스층과 고분자 재료 소지의 적어도 일면에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 복합 집전체는 금속 재료(구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 등)를 고분자 재료 소지(예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE) 등 기재) 상에 형성함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극재층은 본 기술분야에 공지된 전지용 음극 활물질을 사용할 수 있다. 예시로서, 음극 활물질은 인조 흑연, 천연 흑연, 소프트카본, 하드카본, 실리콘계 재료, 주석계 재료 및 티탄산리튬 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 재료는 홑원소 규소, 규소 산화물(산화규소, 일산화규소 등), 규소 탄소 복합물, 규소 질소 복합물 및 규소 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 상기 주석계 재료는 원소 주석, 주석 산화물(산화주석) 및 주석 합금 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 그러나 본 발명은 이러한 재료에 한정되지 않으며, 전지의 음극 활물질로 사용 가능한 다른 통상적인 재료도 사용할 수 있다. 이러한 음극 활물질은 단독으로 사용하거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극재층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 스티렌부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산나트륨(PAAS), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리비닐 알코올(PVA), 알긴산나트륨(SA), 폴리메타크릴산(PMAA), 및 카르복시메틸 키토산(CMCS) 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극재층은 선택적으로 도전제를 더 포함할 수 있다. 도전제는 초전도성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극재층은 선택적으로 증점제(예를 들어, 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC-Na)) 등과 같은 기타 보조제를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극재층을 제조할 때 분산제를 또한 사용할 수 있다. 분산제는 분산 균일성 및 코팅 특성을 향상시키기 위해 사용되며, 고분자 분산제와 같이 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 분산제일 수 있다. 고분자 분산제는 폴리비닐 알코올; 아세틸기, 술포기, 카르복실기, 카르보닐기, 아미노기와 같은 히드록실기 이외의 관능기를 갖는 변성 폴리비닐 알코올; 다양한 염에 의해 변성, 기타 음이온 또는 양이온 변성, 알데히드류를 통해 아세탈 변성된 폴리비닐 알코올계 수지; 또는 각종 (메트)아크릴계 폴리머; 에틸렌성 불포화 탄화수소 유래의 폴리머; 각종 셀룰로오스 수지 등 또는 이들의 공중합체를 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 고분자 분산제는 단독으로 사용하거나 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 흑연, 산화규소, 일산화규소, 산화주석, 산화구리 및 산화아연을 포함하는 재료 중 적어도 하나의 재료가 반응층에 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 절연층에는 산화알루미늄, 베마이트, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화리튬, 산화규소, 산화코발트, 산화니켈, 산화아연, 산화갈륨, 산화게르마늄, 산화이트륨, 산화스트론튬, 산화바륨, 산화몰리브덴을 포함하는 재료 중 적어도 하나의 재료가 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 음극 극판은 다음의 방법에 의해 제조된다. 음극 활물질, 도전제, 바인더 및 임의의 다른 성분과 같은 음극 극판을 제조하기 위한 성분을 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 음극 슬러리를 형성한다. 상기 절연층 형성 재료, 분산제, 바인더 및 임의의 다른 성분을 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 절연층용 슬러리를 형성하되, 여기서 분산제 및 바인더는 상기 열거한 재료를 사용할 수 있다. 상기 반응층 형성용 재료, 분산제, 바인더 및 임의의 다른 성분을 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 반응층용 슬러리를 형성하되, 여기서 분산제 및 바인더는 상기 열거한 재료를 사용할 수 있다. 음극 슬러리를 음극 집전체에 코팅하여 건조시킨 후, 권취 방식에 따라 계산된 절곡부 위치에 절연층용 슬러리 및 반응층용 슬러리를 순차적으로 코팅하고, 건조, 냉간 압착 등 공정을 거쳐 음극 극판을 얻는다.
여기서, 절연층용 슬러리 및 반응층용 슬러리의 코팅은 일체 성형 코팅법 또는 2차 코팅법을 사용할 수 있다. 일체 성형 코팅법은 예를 들어 이중 그라비아 코팅 장치를 압출 코터에 장착하고 절연층용 슬러리 및 반응층용 슬러리를 음극재층용 슬러리와 함께 코팅 장치에 로딩하며, 연속 압출 코팅 방식으로 음극재층용 슬러리를 형성하고, 회분식 그라비아 코팅법으로 절연층용 슬러리 및 반응층용 슬러리를 형성한다. 2차 코팅법에서, 먼저 음극 극판에 음극재층을 형성한 후, 절곡부의 위치를 결정하고, 절곡부를 통과할 때 2차 그라비아 코팅 방식으로 그라비아 롤을 이용하여 코팅한다.
［전해질］
전해질은 양극 극판과 음극 극판 사이에서 이온 전달 작용을 한다. 본 발명은 전해질의 종류에 대해 구체적으로 한정하지 않는 바, 필요에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 액체, 젤 또는 모두 고체일 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해질은 전해액을 사용한다. 상기 전해액은 전해질 염 및 용매를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전해질 염은 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 테트라플루오로보레이트, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로비산염, 리튬 비스플루오로술폰이미드, 리튬 비스트리플루오로메탄술폰이미드, 리튬 트리플루오로메탄술포네이트, 리튬 디플루오로포스페이트, 리튬 디플루오로옥살레이트 붕산염, 리튬 디옥살레이트 붕산염, 리튬 디플루오로비스옥살레이트 포스페이트 및 리튬 테트라플루오로옥살레이트 포스페이트 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 메틸 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 1,4-부티로락톤, 술포란, 디메틸 술폰, 메틸 에틸 술폰 및 디에틸 술폰 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전해액은 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 음극 성막 첨가제, 양극 성막 첨가제를 포함할 수 있고, 전지의 과충전 성능을 개선하기 위한 첨가제, 전지의 고온 또는 저온 성능을 개선하기 위한 첨가제와 같은 전지의 특정 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
［분리막］
본 발명에서, 리튬 이온 전지는 분리막을 더 포함하며, 여기서 양극 극판, 음극 극판 및 분리막은 권취 공정을 통해 권취 구조의 전극 어셈블리로 제조된다. 본 발명은 분리막의 종류에 대해 특별한 제한이 없으며, 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 우수한 공지된 다공성 구조의 분리막을 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 분리막의 재료는 유리 섬유, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 분리막은 단층 필름 또는 다층 복합 필름일 수 있으며 특별히 한정되지 않는다. 분리막이 다층 복합 필름인 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지는 외부 포장을 포함할 수 있다. 상기 외부 포장은 상기 전극 어셈블리 및 전해질을 패키징하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지의 외부 포장은 경질 플라스틱 케이스, 알루미늄 케이스, 스틸 케이스 등과 같은 경질 케이스일 수 있다. 리튬 이온 전지의 외부 포장은 가방형 소프트 패키지와 같은 소프트 패키지일 수도 있다. 소프트 패키지의 재질은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 숙시네이트 등과 같은 플라스틱일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이온 전지의 권취형 전지 어셈블리의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 음극 극판(102), 상기 분리막(103) 및 상기 양극 극판(101)은 권취 방향으로 권취되어 권취 구조를 형성하고, 권취 구조는 절곡부(A) 및 평면부(B)를 포함한다. 도 1에서, 절곡부(A)에서 음극 극판(102)의 음극재층에는 외측을 향한 표면에 절연층(106)이 형성되고, 절연층(106)의 외측 표면에는 반응층(104)이 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 셀의 절곡부를 확대하여 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 절곡부에서, 음극재층과 분리막을 사이에 두고 음극재층 외측에 위치한 양극재층 사이에는 간극이 존재하고, 상기 간극을 x로 나타낸다.
본 발명은 리튬 이온 전지의 형상에 대해 특별히 한정하지 않는 바, 원기둥형, 사각형 또는 다른 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 3은 하나의 예시적인 사각형 구조의 리튬 이온 전지(5)를 도시한다.
일부 실시형태에서, 도 4를 참조하면, 외부 포장은 케이스(51) 및 커버판(53)을 포함할 수 있다. 여기서, 케이스(51)는 바닥판과 바닥판에 연결된 측판을 포함할 수 있고, 바닥판과 측판은 둘러싸여 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통하는 개구를 구비하고, 커버판(53)은 상기 수용 캐비티를 밀폐하기 위해 상기 개구에 씌움 설치될 수 있다. 양극 극판, 음극 극판 및 분리막은 권취 공정 또는 적층 공정을 통해 전극 어셈블리(52)로 형성될 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 캐비티 내에 패키징된다. 전극 어셈블리(52)에는 전해액이 침윤되어 있다. 리튬 이온 전지(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 개수는 하나 이상일 수 있고, 당업자가 구체적인 필요에 따라 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 리튬 이온 전지는 전지 모듈로 조립될 수 있고, 전지 모듈에 포함된 리튬 이온 전지의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 구체적인 수는 당업자가 전지 모듈의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 5는 하나의 예시적인 전지 모듈(4)을 도시한다. 도 5를 참조하면, 전지 모듈(4)에서, 다수의 리튬 이온 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향에 따라 순차적으로 배열 설치될 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식에 따라 배열될 수도 있다. 또한, 상기 다수의 리튬 이온 전지(5)는 체결구에 의해 고정될 수 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 다수의 리튬 이온 전지(5)가 수용되는 수용 공간이 있는 케이스를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 전지 모듈은 또한 전지 팩으로 조립될 수 있고, 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 구체적인 수는 당업자가 전지 팩의 응용 및 용량에 따라 선택할 수 있다.
도 6 및 도 7은 하나의 예시적인 전지 팩(1)을 도시한다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 전지 팩(1)은 전지 박스 및 전지 박스에 설치된 다수의 전지 모듈(4)을 포함할 수 있다. 전지 박스는 상부 박스 바디(2) 및 하부 박스 바디(3)를 포함하며, 상부 박스 바디(2)는 하부 박스 바디(3)에 씌움 설치되어, 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 다수의 전지 모듈(4)은 임의의 방식에 따라 전지 박스에 배열될 수 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명에서 제공되는 리튬 이온 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩 중 하나 이상을 포함하는 전기 장치를 더 제공한다. 상기 리튬 이온 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩은 상기 장치의 전원으로 사용될 수 있으며, 상기 전기 장치의 에너지 저장 유닛으로 사용될 수 있다. 상기 전기 장치는 모바일 장치(예를 들어, 핸드폰, 노트북 컴퓨터 등), 전기 자동차(예를 들어, 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상기 전기 장치는 사용 필요에 따라 리튬 이온 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
도 8은 하나의 예시적인 전기 장치를 도시한다. 상기 전기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 상기 전기 장치용 리튬 이온 전지의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 요구 사항을 충족시키 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈을 사용할 수 있다.
다른 예로서, 장치는 핸드폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등일 수 있다. 상기 장치는 통상적으로 가볍고 얇고 가벼운 것이 요구되며, 리튬 이온 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 아래에 설명되는 실시예는 예시적인 것으로 본 발명을 해석하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님을 이해해야 할 것이다. 실시예에 특정 기술이나 조건이 명시되지 않은 경우 본 기술분야의 문헌에 설명된 기술이나 조건, 또는 제품 설명서에 따라 수행한다. 제조업체가 명시되지 않은 시약이나 기기는 시중에서 구할 수 있는 통상적인 제품이다.
실시예 1-1
1, 전지 셀의 제조
1) 양극 극판의 제조:
양극 활물질인 LiNi0.55Co0.05Mn0.4O2, 도전제인 초전도성 카본 블랙 SP 및 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 96 : 1.2 : 2.8의 질량비로 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)에 분산시키고 균일하게 혼합하여 양극 슬러리를 얻는다. 양극 슬러리를 49 μm의 두께로 양극 집전체 알루미늄 호일에 균일하게 코팅한 후, 건조, 냉간 압착, 슬리팅, 절단을 거쳐 양극 극판을 얻었다.
2) 분리막의 제조:
10 μm의 폴리에틸렌 필름을 분리막으로 선택하여 사용하였다.
3) 음극 극판의 제조:
절연층에 사용되는 베마이트 슬러리는 다음과 같은 방법으로 제조된다. 입경이 0.5 μm인 베마이트, 폴리비닐 알코올 분산제, 폴리스티렌-아크릴레이트계 에멀젼 바인더의 경우, 각 원료를 96.5 : 0.5 : 3의 질량비로 취한다. 탈이온수를 용매로 사용하고, 교반기에 첨가하여 교반 및 분산시켜 고형분이 45%인 슬러리를 얻었다.
반응층에 사용되는 일산화규소 슬러리는 다음과 같은 방법으로 제조된다. 입경이 1 μm인 일산화규소, 폴리비닐 알코올 분산제, 폴리스티렌-아크릴레이트계 에멀젼 바인더의 경우, 각 원료를 96.5 : 0.5 : 3의 질량비로 취한다. 탈이온수를 용매로 사용하고, 교반기에 첨가하여 교반 및 분산시켜 고형분이 45%인 슬러리를 얻었다.
음극 활물질인 흑연, 도전제인 초전도성 카본 블랙 SP, 바인더인 SBR 및 증점제인 CMC-Na를 96 : 1 : 1 : 2의 질량비로 용매인 탈이온수에 분산시키고 균일하게 혼합하여 음극 슬러리를 얻었다. 음극 집전체 구리 호일에 음극 슬러리를 65 μm의 두께로 균일하게 도포한 후 건조시켜 음극재층이 있는 극판을 얻었다.
이어서, 제1 내륜 절곡부 즉 최내륜의 절곡부의 위치를 계산하고, 제조된 베마이트 슬러리를 사용하여 상기 위치에 베마이트 코팅층을 코팅 두께 2 μm로 코팅한다. 그 다음, 제조된 일산화규소 슬러리를 사용하여 일산화규소 코팅층을 코팅 두께 27 μm로 코팅하고, 건조, 냉간 압착, 슬리팅, 절단하여 음극 극판을 얻었다. 여기서, 반응층의 그램 용량은 2350 mAh/g이고, 반응층 재료의 밀도는 1.82 g/cm3이다.
4) 전해액의 제조
에틸렌카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC) 및 디에틸카보네이트(DEC)를 1 : 1 : 1의 부피비로 혼합하여 유기 용매를 얻은 후, 충분히 건조된 리튬 염 LiPF6을 혼합된 유기 용매에 용해시켜 농도가 1 mol/L인 전해액으로 조제하였다.
5) 전지 셀의 제조:
상기 양극 극판, 분리막, 음극 극판을 순차적으로 적층하고 분리막을 양극 극판과 음극 극판 사이에 위치시켜 분리 작용을 하며, 권취하여 셀을 제조한다. 그 다음, 베어 셀을 외부 포장 케이스에 넣고, 건조시킨 후 전해액을 주입하고, 진공 패키징, 정치, 화학형성, 성형 등 공정을 거쳐 전지 셀을 얻었다.
여기서, 권취 후 음극재층과 양극재층 사이의 간극, 절곡부의 음극재층 용량, 절곡부의 음극재층 면적은 표 1에 나타낸 바와 같다.
2, 전지 셀의 성능 테스트
전지를 제조한 후 전지의 자가 방전 상황을 측정하였다. 여기서, 전지의 자가 방전은 시간 당 전지의 전압 강하를 나타내는 자가 방전율로 평가된다. 자가 방전율을 통해 전지의 전지 내 단락 상황을 반영하는 데, 단락이 심각할 수록 자가 방전율의 값이 커진다.
구체적으로, 실시예 1-1에서 얻어진 전지 셀을 25℃에서0.33C의 정전류로 4.25 V까지 충전하고, 4.25 V의 정전압에서 0.05C까지 충전한 후, 0.33C의 정전류로 2.8 V까지 방전시켜 이를 일 사이클로 설정하였다. 특정 사이클(본 실시예에서는 각각 300 사이클, 500 사이클, 1000 사이클)로 사이클링 후, 전지를 4.25 V로 만충전하고, 24시간 동안 방치하여 전지의 탈분극화를 수행하였으며, 24시간 동안 방치한 후, 전지의 전압 V1을 측정하였다. 48시간 동안 더 방치한 후, 전지의 V2를 테스트하였다.
전지의 자가 방전율(mV/h) = (V2-V1)/48
또한, 사이클링 과정에서 전지에 불이 붙거나 연기가 나면 전지 불량으로 판정하였다.
실시예 1-2 내지 실시예 1-9
반응층의 두께를 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예 1-1
절연층 및 반응층을 설치하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예 1-2
반응층을 설치하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예 1-3
절연층을 설치하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예 1-4
반응층의 두께를 표 2와 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-8 및 비교예 1-1 내지 비교예 1-4에서 얻어진 리튬 이온 전지에 대해 성능 테스트를 수행하였으며 테스트 결과를 표 1 및 표 2에 함께 기재하였다.
Figure pct00007
Figure pct00008
실시예 2-1 내지 실시예 2-4 및 비교예 2-1 내지 비교예 2-3
음극재층과 양극재층 사이의 간극을 400 μm로 설정하고, 반응층의 두께를 표 3과 같이 변경하거나, 절연층 및/또는 반응층을 설치하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-4 및 비교예 2-1 내지 비교예 2-3에서 얻어진 리튬 이온 전지에 대해 성능 테스트를 수행하였으며 테스트 결과를 표 3에 함께 기록하였다.
Figure pct00009
실시예 3-1 내지 실시예 3-9
반응층 및/또는 절연층의 재료를 표 4와 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
상기 실시예 3-1 내지 실시예 3-9에서 얻어진 리튬 이온 전지에 대해 성능 테스트를 수행하였으며 테스트 결과를 표 4에 함께 기록하였다.
Figure pct00010
실시예 4-1 내지 실시예 4-5
절연층의 두께를 표 5와 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
상기 실시예 4-1 내지 실시예 4-5에서 얻어진 리튬 이온 전지에 대해 성능 테스트를 수행하여 테스트 결과를 표 5에 함께 기록하였다.
각 파라미터 실시예 4-1 실시예 4-2 실시예 4-3 실시예 4-4 실시예 4-5
음극재층의 두께h1(μm) 65 65 65 65 65
양극재층의 두께h2(μm) 49 49 49 49 49
분리막의 두께h3(μm) 10 10 10 10 10
음극재층과 양극재층 사이의 간극x(μm) 200 200 200 200 200
절곡부의 음극재층 용량q(mAh) 6.62 6.62 6.62 6.62 6.62
절곡부의 음극재층 면적a(cm2) 1.69 1.69 1.69 1.69 1.69
반응층의 그램 용량m1(mAh/g) 2350 2350 2350 2350 2350
반응층 재료의 밀도
Figure pct00011
(g/cm3)		 1.82 1.82 1.82 1.82 1.82
반응층의 두께 d(μm) 27 27 27 27 27
절연층의 두께(μm) 2 1 4 7 10
300 사이클 자가 방전(mV/h) 0.228 0.248 0.228 0.227 0.213
500 사이클 자가 방전(mV/h) 0.219 0.229 0.237 0.234 0.216
1000 사이클 자가 방전(mV/h) 0.353 0.383 0.332 0.351 0.313
불량 상황 아니오 아니오 아니오 아니오 아니오
실시예 5-1 내지 실시예 5-3 및 비교예 5
실시예 5-1에서, 내륜으로부터 제1 절곡부(표 6에 절곡부1로 기록됨), 제2 절곡부(표 6에 절곡부2로 기록됨) 및 제3 절곡부(표 6에 절곡부3으로 기록됨)에 각각 절연층 및 반응층을 설치하고, 음극재층과 양극재층 사이의 간극을 표 6에 기재된 바와 같이 설정한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
실시예 5-2에서, 제1 절곡부 및 제2 절곡부에 각각 절연층 및 반응층을 설치한 것을 제외하고는 실시예 5-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
실시예 5-3에서, 제1 절곡부에만 절연층 및 반응층을 설치한 것을 제외하고는 실시예 5-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예 5에서, 절연층 및 반응층을 설치하지 않은 것을 제외하고는 실시예 5-1과 동일한 방법으로 리튬 이온 전지를 제조하였다.
상기 실시예 5-1 내지 실시예 5-3 및 비교예 5에서 얻어진 리튬 이온 전지에 대해 성능 테스트를 수행하였으며 테스트 결과를 표 6에 함께 기록하였다.
Figure pct00012
시험예 1 및 비교 시험예 1
상기 실시예 1-1 및 비교예 1-1의 제조 방법에 따라 시험예 1 및 비교 시험예 1의 리튬 이온 전지를 각각 제조하고, 성능 테스트 조건에 따라 500 사이클 사이클링 후, 주사전자현미경에 의해 절곡부의 리튬 덴드라이트를 관찰하였다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 시험예 1의 리튬 이온 전지의 절곡부에는 소량의 리튬 덴드라이트만 나타났으며, 도 9b에 도시된 바와 같이, 비교 시험예 1의 리튬 이온 전지의 절곡부에는 다량의 리튬 덴드라이트가 나타났다.
시험예 2
상기 실시예 1-1의 제조 방법에 따라 시험예 2의 리튬 이온 전지를 각각 제조하고, 성능 테스트 조건에 따라 충방전 사이클을 수행하였으며, 각각 1 사이클, 10 사이클, 100 사이클 사이클링 후, 인시튜 현미경으로 리튬 덴드라이트의 발생 상황을 관찰하였다.
도 10a 내지 도 10c에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 리튬 덴드라이트가 절연층을 통과한 후, 덴드라이트가 더 이상 성장하지 않고, 또한 반응층의 색상이 변화하여 리튬 덴드라이트가 반응층과 반응함을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않음에 유의해야 한다. 상술한 실시형태는 예시일 뿐이며, 본 발명의 기술적 해결방안 범위 내에서 기술적 사상과 동일한 구성을 갖고 동일한 작용 및 효과를 발휘하는 실시형태는 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자가 착상할 수 있는 다양한 변형을 실시형태로 가할 수 있고, 실시형태의 구성 요소 중 일부를 조합하여 구성된 다른 형태도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
A: 절곡부
B: 평면부
101: 양극 극판
102: 음극 극판
103: 분리막
104: 반응층
106: 절연층
x: 절곡부에서 음극재층과 양극재층 사이의 거리
1: 전지 팩
2: 상부 박스 바디
3: 하부 박스 바디
4: 전지 모듈
5: 리튬 이온 전지
51: 케이스
52: 전극 어셈블리
53: 탑 커버 어셈블리

Claims (11)

  1. 리튬 이온 전지로서,
    음극 극판, 분리막, 양극 극판을 권취 방향으로 권취하여 형성된 권취 구조를 포함하고, 상기 권취 구조는 호 형상의 절곡부를 포함하며,
    상기 음극 극판은 음극재층을 포함하고, 절곡부의 상기 음극재층의 표면에는 절연층 및 상기 절연층의 표면에 위치하는 반응층이 설치되며, 상기 반응층은 리튬 저장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응층의 두께 d는,
    Figure pct00013
    를 만족시키고,
    바람직하게는, 상기 반응층의 두께 d는,
    Figure pct00014
    를 만족시키며,
    보다 바람직하게는, 상기 반응층의 두께 d는,
    Figure pct00015
    을 만족시키고,
    h1는 단층 음극재층의 두께이고, 단위는 μm이며;
    h2는 단층 양극재층의 두께이고, 단위는 μm이며;
    h3는 분리막의 두께이고, 단위는 μm이며;
    x는 절곡부에서 음극재층과 양극재층 사이의 거리이고, 단위는 μm이며;
    q는 절곡부에서 단층 음극 활물질층의 용량이고, 단위는 mAh이며;
    a: 절곡부에서 단층 음극 활물질층의 면적이고, 단위는 cm2이며;
    m1은 반응층의 그램 용량이고, 단위는 mAh/g이며;
    p는 반응층의 밀도이고, 단위는 g/cm3이며;
    d는 단위가 μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리튬 저장재는 흑연, 홑원소 규소, 산화규소, 일산화규소, 산화주석, 산화구리 및 산화아연 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층은 산화알루미늄, 베마이트, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화리튬, 산화규소, 산화코발트, 산화니켈, 산화아연, 산화갈륨, 산화게르마늄, 산화이트륨, 산화스트론튬, 산화바륨, 산화몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 1 내지 10 μm, 바람직하게는 2 내지 4 μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층의 영률은 6GPa 이상, 바람직하게는 6 내지 30 GPa인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응층의 그램 용량은 300 내지 5000 mAh/g, 바람직하게는 1000 내지 4000 mAh/g인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응층의 입자 크기는 0.1 내지 6 μm, 바람직하게는 0.1 내지 2 μm이고,
    상기 절연층의 입자 크기는 0.1 내지 10 μm, 바람직하게는 0.1 내지 4 μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.
  9. 전지 모듈로서,
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  10. 전지 팩으로서,
    제9항에 따른 전지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  11. 전기 장치로서,
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이온 전지, 제9항에 따른 전지 모듈 또는 제10항에 따른 전지 팩으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
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