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KR101636115B1 - 리튬 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지 Download PDF

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KR101636115B1
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김기태
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 바이셀 구조의 단위셀을 포함하는 전극조립체에 관한 것으로, 적어도 제1 양극, 제2 양극 및 제3 양극으로 구성되는 바이셀에 있어서, 상기 제1 양극 및 제3 양극에 포함된 제1 양극활물질이 제2 양극에 포함된 제2 양극활물질과 서로 상이한 물질인 것이 특징인 전극조립체에 관한 것이다.
본 발명은 서로 상이한 양극활물질을 조합함으로써 한 종류의 양극활물질을 사용할 때의 단점 및 한계를 보완할 수 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다.

Description

리튬 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Electrode assembly for lithium secondary battery and lithium secondary battery}
본 발명은 바이셀 구조의 단위셀을 포함하는 전극조립체에 관한 것으로, 적어도 제1 양극, 제2 양극 및 제3 양극으로 구성되는 바이셀에 있어서, 상기 제1 양극 및 제3 양극에 포함된 제1 양극활물질이 제2 양극에 포함된 제2 양극활물질과 서로 상이한 물질인 것이 특징인 전극조립체에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬이차전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차 (HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차 (PHEV), 배터리 전기자동차 (BEV), 전기자동차 (EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬이차전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.
리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지로 분류되며, 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다.
한편, 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 구조에 따라 크게 젤리-롤형 (권취형)과 스택형 (적층형)으로 구분된다.
젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에서는 바람직하게 사용될 수 있지만 각형 또는 파우치형 전지에 적용할 때에는 국부적으로 응력이 집중되어 전극 활물질이 박리되거나 충방전 과정에서 반복되는 수축 및 팽창 현상에 의해 전지의 변형을 유발할 수 있다는 문제가 있다.
반면에 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 전극조립체로서 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀 (full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀 (bi-cell)을 긴 길이의 연속적인 분리 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택 & 폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
종래의 소형전지에 사용되는 리튬이온이차전지는 양극에 층상 구조 (layered structure)의 리튬 코발트 복합산화물 (LCO: lithium cobalt oxide)을 사용하고 음극에 흑연계 재료를 사용하는 것이 일반적이다.
리튬 코발트 복합산화물의 경우, 현재 가장 많이 사용되고 있는 양극활물질인 만큼 완벽한 층상 구조를 가지면 높은 이온 전도도를 가지지만, 코발트가 매우 비싸고 높은 온도에서의 부반응으로 안전성 측면이나 배터리 수명에 있어서 약점이 있다.
따라서, 리튬 코발트 복합산화물의 안전성 문제를 개선하기 위하여 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간산화물과 리튬 함유 니켈산화물 (LiNiO2)의 사용이 고려되어 왔으며, 최근에는 고용량의 재료로서 층상 구조의 리튬 망간 산화물에 필수 전이금속으로 Mn을 리튬을 제외한 다른 전이 금속들보다 다량으로 첨가하는 층상구조의 리튬 망간 산화물에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 리튬 망간 복합산화물의 경우, 고온에서 보존시 전해액의 영향에 의해 망간이 전해액으로 용출되어 전지 특성을 퇴화시키므로 이를 방지하기 위한 개선책이 필요하다. 또한, 기존의 리튬 코발트 복합산화물이나 리튬 니켈 복합산화물에 비하여 단위 중량당 용량이 작은 단점이 있으므로, 전지 중량당 용량의 증가에 한계가 있고 이를 개선하는 전지의 설계가 병행되어야 한다.
한편, 양극활물질로 사용되는 LFP (lithium iron phosphate oxide)는 안정된 산화 상태를 가지고 있어 구조적으로 안정되어 있고 안전하다. 가격 또한 저렴하고 전력 밀도 (power density)가 좋은 편이며 장수명도 구현할 수 있어 장점이 많지만 LCO계 양극활물질에 비하여 레이트 (rate) 특성이 낮고 고용량 셀 구현이 어렵다는 단점도 있다.
특히 중대형 디바이스의 전원으로 사용하기 위해서는 고용량을 가지면서 레이트 특성이 높고 안전성이 개선된 리튬 이차 전지에 대한 요구가 계속되고 있는데, 전술한 바와 같이, 종래 알려진 리튬 이차 전지의 양극활물질 재료들의 단독 사용에는 단점 및 한계가 있어, 이들 재료를 혼합 또는 조합하여 양극활물질로 이용하는 연구가 수행되고 있다.
본 발명은 바이셀 구조의 단위셀을 포함하는 전극조립체에 있어서, 서로 상이한 양극활물질을 조합함으로써 한 종류의 양극활물질을 사용할 때의 단점 및 한계를 보완할 수 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 바이셀 구조의 단위셀을 포함하는 전극조립체로서,
상기 바이셀은 적어도 제1 양극, 제2 양극 및 제3 양극으로 구성되며,
상기 제1 양극 및 제3 양극에 포함된 활물질은 제1 양극활물질로서 동일하고, 상기 제1 양극활물질은 제2 양극에 포함된 제2 양극활물질과 서로 상이한 물질인 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
이때 상기 제1 양극 및 제2 양극 사이에는 분리막이 개재된 상태로 제1 음극이 위치하고, 상기 제2 양극 및 제3 양극 사이에는 분리막이 개재된 상태로 제2 음극이 위치한다.
상기 바이셀의 최소 적층 구조는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극일 수 있다.
상기 제1 양극활물질은 하기 화학식 1의 화합물이고, 제2 양극활물질은 하기 화학식 2의 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Li1 + aFe1 - bMb(PO4 -c)Xc
상기 화학식 1에서,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn, S 및 Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소이고,
X는 F, S 및 N 중에서 선택된 1종 이상의 원소이며,
-0.5≤a≤+0.5, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.1이다.
[화학식 2]
Li1 +a[NixCoyMnzMv]O2
상기 화학식 2에서,
M은 Al, Ga, In, P, S, Zr 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고;
-0.5≤a≤+0.5, 0≤x≤0.8, 0≤y≤0.4, 0≤z≤0.4, 0≤v≤0.1, x+y+z+v=1이다.
또한, 상기 제1 양극활물질은 상기 화학식 1 및 화학식 2의 화합물의 혼합물이고, 제2 양극활물질은 상기 화학식 2의 화합물일 수 있다.
상기 제1 양극활물질은 LiFePO4이고, 제2 양극활물질은 LiCoO2일 수 있다.
한편, 제1 양극활물질과 제2 양극활물질은 도포 두께는 동일할 수도 있고 상이할 수 있는데, 제1 양극활물질의 도포 두께가 제2 양극활물질의 도포 두께보다 두꺼울 수도 얇을 수도 있다.
예컨대, 제1 양극활물질이 화학식 1의 화합물이고, 제2 양극활물질이 화학식 2의 화합물인 경우, 제1 양극활물질의 도포 두께는 제2 양극활물질의 도포 두께와 동일하거나 제2 양극활물질의 도포 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.
한편, 제1 양극활물질이 화학식 1의 화합물 및 화학식 2의 화합물의 혼합물이고, 제2 양극활물질이 화학식 2의 화합물인 경우, 제1 양극활물질의 도포 두께는 제2 양극활물질의 도포 두께와 동일하거나 제2 양극활물질의 도포 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 이 경우 제1 양극활물질의 도포 두께는 제2 양극활물질의 도포 두께의 0.1~1배일 수 있다.
상기 제1 양극활물질은 제1 양극 및 제3 양극을 구성하는 양극 집전체의 한 면에 도포되고, 상기 제2 양극활물질은 제2 양극을 구성하는 양극 집전체의 양면에 도포될 수도 있으며,
상기 제1 양극활물질은 제1 양극 및 제3 양극을 구성하는 양극 집전체의 양면에 도포되고, 상기 제2 양극활물질은 제2 양극을 구성하는 양극 집전체의 양면에 도포될 수도 있다.
상기 제2 양극은 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 제2 양극들 사이에는 분리막과 음극이 개재된다.
또한, 본 발명은 복수 개의 단위셀이 적층되어 이루어지는 이차전지로서, 상기 단위셀 전술한 본 발명의 바이셀인 이차전지를 제공한다.
상기 단위 셀은 스택형 전극조립체 또는 스택 & 폴딩형 전극조립체일 수 있다.
본 발명의 전극조립체는 양극활물질로서 리튬 코발트 복합 산화물과 함께 리튬 철 인산화물을 조합하여 사용함으로써 현재 가장 많이 사용되고 있는 양극활물질인 리튬 코발트 복합산화물이 안정성이나 배터리 수명 측면에서 가지고 있는 단점을 보완할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 바이셀 구조의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 바이셀을 이용하여 구성한 중첩식 리튬이차전지의 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 단, 첨부된 도면은 본 발명의 구현예를 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본원 발명의 바이셀 전극 조립체의 일례를 나타낸 것으로, 제1 양극 (110)/분리막 (310)/제1 음극 (210)/분리막 (310)/제2 양극 (130)/분리막 (310)/제2 음극 (220)/분리막 (310)/제3 양극 (120)의 구조로 적층되어 있다.
본 발명에서는 이러한 바이셀 구조에 있어서, 최외곽에 위치하는 제1 양극 (110) 및 제3 양극 (120)의 양극집전체 (112, 122)에 도포된 활물질이 제1 양극활물질 (114, 124)로서 서로 동일하고, 이들 제1 양극활물질 (114, 124)은 제2 양극 (130)의 양극집전체 (132)에 도포된 제2 양극활물질 (134)과는 서로 상이한 물질이다.
이때 상기 제1 양극활물질 (114, 124)로는 전술한 화학식 1과 같은 LFO계 물질을 사용할 수 있으며, 제2 양극활물질 (134)로는 전술한 화학식 2와 같은 LCO계 물질을 사용할 수 있지만, 제1 양극활물질 (114, 124)과 제2 양극활물질 (134)이 서로 상이한 물질이라면 특별히 제한되지는 않는다.
또한, 상기 제1 양극활물질 (114, 124)로는 화학식 1의 LFO계 물질과 화학식 2의 LCO계 물질을 혼합하여 사용하고, 제2 양극활물질 (134)로는 전술한 화학식 2와 같은 LCO계 물질을 사용할 수도 있다.
한편, 상기 제1 양극활물질 (114, 124)과 제2 양극활물질 (134)은 도포 두께가 상이할 수 있는데, 제1 양극활물질 (114, 124)로 LFO계 물질을 사용하고, 제2 양극활물질 (134)로 LCO계 물질을 사용할 경우에는 제1 양극활물질 (114, 124)의 두께 (T1)가 제2 양극활물질 (134)의 두께 (T2)보다 더 두껍거나 동일한 것이 바람직하다. 한편, 제1 양극활물질 (114, 124)로 LFO계 물질 및 LCO계 물질의 혼합물을 사용하고, 제2 양극활물질 (134)로 LCO계 물질을 사용할 경우에는 제1 양극활물질 (114, 124)의 두께 (T1)가 제2 양극활물질 (134)의 두께 (T2)보나 얇거나 동일한 것이 바람직하다. 그러나 제1 양극활물질 (114, 124)의 두께 (T1) 및 제2 양극활물질 (134)의 두께 (T2)는 특별히 제한되는 것이 아니라 서로 동일할 수도 상이할 수도 있다.
또한, 도 1에는 제1 양극활물질 (114, 124)이 양극 집전체 (112, 122)의 양면에 도포되어 있으나, 양극 집전체 (112, 122)의 일면에 도포될 수도 있다.
도 2는 전술한 도 1에서와 같은 바이셀 (100)들을 복수 개 분리막으로 말아서 적층한 구조를 개시한다. 이때 도 2에 개시된 바이셀들은 모두 도 1에서와 같은 본 발명의 바이셀 (100)이지만 반드시 모두 본 발명의 바이셀 (100)일 필요는 없고 본 발명의 바이셀 (100)이 하나 이상 포함되어 있으면 된다.
[실시예]
양극활물질로서 LiFePO4, 도전제인 카본블랙, 결착제인 PVDF를 85:10:5의 중량 비율로 유기용매인 NMP와 혼합하여 제1 양극 슬러리를 제조하고, 이를 알루미늄 호일에 2~250 ㎛ 두께로 도포하여, 바이셀의 최외각에 위치하는 제1 양극 및 제3 양극을 각각 제조하였다.
다음, 양극활물질로서 LiCoO2를 도전제인 카본블랙, 결착제인 PVDF를 85:10:5의 중량 비율로 유기용매인 NMP와 혼합하여 제2 양극 슬러리를 제조하고, 이를 다른 알루미늄 호일에 20~250 ㎛ 두께로 도포하여 바이셀 내부에 위치하는 제2 양극을 제조하였다. 내부 양극 (제2 양극)의 경우 바이셀 적층 구조에 따라 복수 개 제조할 수 있다.
음극집전체로 사용되는 구리 호일에 음극 활물질로서 그라파이트를 포함하는 음극 슬러리를 도포하여 음극을 제조하였다. 음극의 경우도 바이셀 적층 구조에 따라 복수 개 제조하였다.
상기와 같이 제조된 양극과 음극을 이용하되, LiFePO4를 도포한 제1 및 제3 양극을 최외곽에 위치하도록 하고, 그 사이에 분리막과 음극 및 내부 양극을 적층시켜 바이셀을 제조하였다.
예컨대 상기 제조된 바이셀의 구조는 [(최외곽)양극/분리막/음극/분리막/(내부)양극/분리막/음극/분리막/(최외곽)양극]; [(최외곽)양극/분리막/음극/분리막/(내부)양극/분리막/음극/분리막/(내부)양극/분리막/음극/분리막/(최외곽)양극]; 또는 [(최외곽)양극/분리막/음극/분리막/(내부)양극/분리막/음극/분리막/(내부)양극/분리막/음극/분리막/(내부)양극/분리막/음극/분리막/(최외곽)양극]과 같은 구조로서 내부 양극의 수에는 특별히 제한은 없다.
상기 제조된 다양한 바이셀을 양극과 음극이 서로 대면하도록 적절히 배열하는 방식으로 긴 길이의 연속적인 분리필름 상에 위치시키고, 스택 & 폴딩 방식으로 전극조립체를 제작하고, 제작된 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
[비교예]
상기 실시예에 있어서, 최외곽에 위치하는 2개의 양극에 LiFePO4를 포함하는 양극 슬러리를 도포하는 대신, 내부 양극과 동일하게 LiCoO2를 포함하는 양극 슬러리를 동일한 두께로 도포하여 바이셀 구조의 모든 양극이 LiCoO2를 포함하는 바이셀 구조를 제작한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방식으로 이차전지를 제조하였다.
100: 바이셀 구조의 전극조립체
110: 제1 양극
120: 제3 양극
130: 제2 양극
112, 122, 132: 양극 집전체
114, 124: 제1 양극활물질
134: 제2 양극활물질
210: 제1 음극
220: 제2 음극
214, 224: 음극활물질
310: 분리막

Claims (15)

  1. 바이셀 구조의 단위셀을 포함하는 전극조립체로서,
    상기 바이셀은 적어도 제1 양극, 제2 양극 및 제3 양극으로 구성되며,
    상기 제1 양극 및 제3 양극에 포함된 활물질은 제1 양극활물질로서 동일하고, 상기 제1 양극활물질은 제2 양극에 포함된 제2 양극활물질과 서로 상이한 물질이며,
    상기 제1 양극 및 제2 양극 사이에는 분리막이 개재된 상태로 제1 음극이 위치하고,
    상기 제2 양극 및 제3 양극 사이에는 분리막이 개재된 상태로 제2 음극이 위치하며,
    상기 바이셀의 최소 적층 구조는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극이고,
    상기 제1 양극활물질은 LiFePO4이고, 제2 양극활물질은 LiCoO2이거나,
    상기 제1 양극활물질은 LiFePO4 및 LiCoO2의 혼합물이고, 제2 양극활물질은 LiCoO2인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
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  7. 청구항 1에 있어서,
    제1 양극활물질과 제2 양극활물질은 도포 두께가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 양극활물질은 LiFePO4이고, 제2 양극활물질은 LiCoO2인 경우에, 제1 양극활물질의 도포 두께는 제2 양극활물질의 도포 두께와 동일하거나 제2 양극활물질의 도포 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 양극활물질은 LiFePO4 및 LiCoO2의 혼합물이고, 제2 양극활물질은 LiCoO2인 경우에, 제1 양극활물질의 도포 두께는 제2 양극활물질의 도포 두께와 동일하거나 제2 양극활물질의 도포 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제1 양극활물질의 도포 두께는 제2 양극활물질의 도포 두께의 0.1~1배인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 양극활물질은 제1 양극 및 제3 양극을 구성하는 양극 집전체의 한 면에 도포되고, 상기 제2 양극활물질은 제2 양극을 구성하는 양극 집전체의 양면에 도포되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 양극활물질은 제1 양극 및 제3 양극을 구성하는 양극 집전체의 양면에 도포되고, 상기 제2 양극활물질은 제2 양극을 구성하는 양극 집전체의 양면에 도포되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 양극은 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 제2 양극들 사이에는 분리막과 음극이 개재되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 복수 개의 단위셀이 적층되어 이루어지는 이차전지로서,
    상기 단위셀은 청구항 1의 바이셀인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 단위 셀은 스택형 전극조립체 및 스택 & 폴딩형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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