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KR102195731B1 - 전극 구조체 및 이를 채용한 리튬 전지 - Google Patents

전극 구조체 및 이를 채용한 리튬 전지 Download PDF

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KR102195731B1
KR102195731B1 KR1020140061161A KR20140061161A KR102195731B1 KR 102195731 B1 KR102195731 B1 KR 102195731B1 KR 1020140061161 A KR1020140061161 A KR 1020140061161A KR 20140061161 A KR20140061161 A KR 20140061161A KR 102195731 B1 KR102195731 B1 KR 102195731B1
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Abstract

전극 구조체 및 이를 채용한 리튬 전지가 개시된다. 상기 전극 구조체는, 양극, 음극, 제1 세퍼레이터 및 제1 세퍼레이터와 두께를 달리하는 제2 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체로서, 상기 양극 및 상기 음극은 로딩량을 달리하는 활물질층을 포함한다. 상기 전극 구조체를 채용함으로써, 리튬 전지의 고율 특성, 수명 특성 등을 향상시킬 수 있다.

Description

전극 구조체 및 이를 채용한 리튬 전지{Electrode structure and lithium battery including the same}
전극 구조체 및 이를 채용한 리튬 전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 활물질을 포함한 양극과 음극 사이에 전해액을 충전시킨 상태에서, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생산한다.
구체적으로, 상기 리튬 이차 전지는 각형, 원통형, 파우치형 등의 형상을 갖는 전지 케이스에 전극 구조체를 삽입 후, 전해액을 주입하여 완성된다. 상기 전극 구조체는, 그 구조에 따라, 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취한 젤리롤(jelly-roll) 타입(권취형) 및 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 세퍼레이터가 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택(stack) 타입(적층형)으로 구분된다.
상기 리튬 이차 전지는 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 소형 및 대용량화가 가능하다는 장점이 있다. 이에 따라, 디지털 카메라, 모바일 기기, 노트북, 컴퓨터 등의 소형 첨단 기기, 하이브리드 전기자동차, 플러그인 하이브리드 전기자동차 및 전기자동차(HEV, PHEV, EV)를 통칭하는 xEV 및 대용량의 에너지 저장 장치(energy storage system: ESS)의 에너지원으로 많이 이용되고 있다.
따라서, 상기 리튬 전지의 장점을 가지면서, 고율 특성 및 수명 특성이 더욱 개선되어 다양한 분야에 적용 가능한 리튬 전지의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은 리튬 전지의 율속 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 전극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 전극 구조체를 채용한 리튬 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에서는,
양극, 음극, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체로서,
상기 양극이, 양극 집전체; 상기 양극 집전체의 제1면에 배치된 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체의 제2면에 배치된 제2 양극 활물질층;을 포함하고,
상기 음극이, 음극 집전체; 상기 음극 집전체의 제1면에 배치된 제1 음극 활물질층; 및 상기 음극 집전체의 제2면에 배치된 제2 음극 활물질층;을 포함하며,
상기 제2 양극 활물질층의 로딩량이 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량보다 크고, 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량이 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량보다 크며, 상기 제1 세퍼레이터는 상기 제2 양극 활물질층과 상기 제1 음극 활물질층 사이에 배치되고, 상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층 중 적어도 하나의 외면에 배치되며, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 두께가 상이한 리튬 전지용 전극 구조체가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터의 두께가 상기 제2 세퍼레이터의 두께보다 두꺼울 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극 구조체는 젤리롤(jelly-roll) 타입 또는 스택(stack) 타입일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비가 1 초과 4 이하이고, 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 1 초과 4 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비가 1.1 내지 2.5이고, 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 1.1 내지 2.5일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비와 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량이 4 mg/cm2 내지 40 mg/cm2이고, 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량이 2 mg/cm2 내지 20 mg/cm2일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층의 밀도가 동일하고, 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 상기 제1 양극 활물질층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 밀도가 3.0 g/cc 내지 4.2 g/cc이고, 상기 제1 양극 활물질층의 두께가 10㎛ 내지 110㎛이고, 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 상기 제1 양극 활물질층의 두께의 1 배 초과 4 배 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층의 밀도가 동일하고, 상기 제1 음극 활물질층의 두께가 상기 제2 음극 활물질층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 음극 활물질층의 밀도가 1.3 g/cc 내지 1.8 g/cc이고, 상기 제2 음극 활물질층의 두께가 15㎛ 내지 130㎛이고, 상기 제1 음극 활물질층의 두께가 상기 제2 음극 활물질층의 두께의 1 배 초과 4 배 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 동일하고, 상기 제2 양극 활물질층의 밀도가 상기 제1 양극 활물질층의 밀도보다 더 크고, 상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층의 두께가 동일하고, 상기 제1 음극 활물질층의 밀도가 상기 제2 음극 활물질층의 밀도보다 더 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터의 두께가 상기 제2 세퍼레이터의 두께의 1.02 배 내지 3 배일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 세퍼레이터의 두께가 5 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는, 상기 전극 구조체를 포함하는 리튬 전지가 제공된다.
일 구현예에 따른 전극 구조체는 집전체 양면에 로딩량을 달리하는 활물질층을 배치시킨 비대칭 음극 및 비대칭 양극을 포함하고, 음극과 양극 사이에 배치되는 세퍼레이터의 두께를 달리함으로써, 전극의 저항을 감소시켜 리튬 전지의 율속 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 리튬 전지 구조체의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 양극을 나타낸 개략도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 제2 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량의 비(이하, "비대칭도")별 대칭 양극에 대한 비대칭 양극의 저항비(이하 "저항 비율")을 도시한 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 젤리롤 타입의 전극 구조체의 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 스택 타입의 전극 구조체의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 하기에서 사용된 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
일반적으로 양극 또는 음극의 제조 시 집전체의 양면 상에 단위 면적 당 활물질의 양이 동일하도록 도포한다. 이 때, 단위 면적 당 활물질의 양을 "로딩량(loading level)"이라고 하며, 따라서 상기 로딩량은 압연(roll press) 공정과는 무관한 인자이다.
도 1은 일반적인 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 상기 전극은 음극 또는 양극일 수 있다. 도 1을 참조하면, 전극(10)은 집전체(12) 양면에 동일한 로딩량을 갖는 활물질층(14, 16)이 배치된 구조를 갖는다.
그런데, 상기 동일한 로딩량을 갖는 활물질층이 형성된 집전체를 포함하는 음극 또는 양극을 세퍼레이터와 함께 권취하는 경우, 권취 중심(권심)에서는 곡률 반경이 작아, 권심을 향하는 활물질층이 압력에 의해 뭉치거나 또는 탈리되는 등의 문제점이 있었다. 또한, 상기 권심을 향하는 활물질층은 전해액의 소모 속도가 빨라, 집전체의 양면에 형성된 활물질층들의 불균형이 야기되어, 전지의 율속 특성, 수명 특성 등이 저하되는 경우가 있어왔다.
이에 본 발명자들은 집전체 양면에 도포되는 활물질층의 로딩량을 달리하는, 비대칭 음극과 비대칭 양극, 및 두께가 상이한 복수 개의 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체를 완성하여, 율속 특성, 수명 특성 등이 향상된 전지를 구현하였다.
구체적으로, 일 측면에 따른 전극 구조체는, 양극, 음극, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체로서, 상기 양극은, 양극 집전체; 상기 양극 집전체의 제1면에 배치된 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체의 제2면에 배치된 제2 양극 활물질층;을 포함하며, 상기 음극은, 음극 집전체; 상기 음극 집전체의 제1면에 배치된 제1 음극 활물질층; 및 상기 음극 집전체의 제2면에 배치된 제2 음극 활물질층;을 포함하고, 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량은 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량보다 크고, 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량은 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량보다 크며, 상기 제1 세퍼레이터는 상기 제2 양극 활물질층과 상기 제1 음극 활물질층 사이에 배치되고, 상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층 중 적어도 하나의 외면에 배치되며, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 두께가 서로 다르다.
상기 제2 양극 활물질층의 로딩량은 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량보다 크고, 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량은 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량보다 큰 경우, 로딩량이 동일한 경우에 비하여 전지의 저항이 낮아질 수 있어, 전지의 율속 특성이 향상될 수 있다.
상기 전극 구조체는 젤리롤(jelly-roll) 타입 또는 스택(stack) 타입일 수 있다.
젤리롤 타입의 전극 구조체의 경우, 예를 들어, 상기 제2 세퍼레이터를 제2 음극 활물질층의 외면에 배치시킨 후, 제1 양극 활물질층/ 양극 집전체/ 제2 양극 활물질층/ 제1 세퍼레이터/ 제1 음극 활물질층/ 음극 집전체/ 제2 음극 활물질층/ 제2 세퍼레이터의 순서로 적층 적층된 단위 구조물을, 상기 양극/음극 집전체의 제1면이 권취된 전극 구조체의 권심을 향하고, 상기 양극/음극 집전체의 제2면이 권취된 전극 구조체의 최외각을 향하도록 권취시킨 구조를 가질 수 있다.
반대로, 상기 젤리롤 타입의 전극 구조체는 상기 제2 세퍼레이터를 제2 음극 활물질층의 외면에 배치시킨 상기 단위 구조물을, 상기 양극/음극 집전체의 제2면이 권취된 전극 구조체의 권심을 향하고, 상기 양극/음극 집전체의 제1면이 권취된 전극 구조체의 최외각을 향하도록 권취시킨 구조를 가질 수도 있다.
또한, 젤리롤 타입의 전극 구조체에서, 상기 제2 세퍼레이터를 제1 양극 활물질층의 외면에 배치시킨 후, 제2 세퍼레이터/ 제1 양극 활물질층/ 양극 집전체/ 제2 양극 활물질층/ 제1 세퍼레이터/ 제1 음극 활물질층/ 음극 집전체/ 제2 음극 활물질층의 순서로 적층된 단위 구조물을 마찬가지로 권취 방향을 달리하여 권취시킬 수도 있다.
스택 타입의 전극 구조체의 경우, 예를 들어, 상기 제2 세퍼레이터를 제2 음극 활물질층의 외면에 배치시킨 후, 제1 양극 활물질층/ 양극 집전체/ 제2 양극 활물질층/ 제1 세퍼레이터/ 제1 음극 활물질층/ 음극 집전체/ 제2 음극 활물질층/ 제2 세퍼레이터의 순서로 적층된 단위 구조물을 복수 개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
또한, 스택 타입의 전극 구조체에서, 상기 제2 세퍼레이터를 제1 양극 활물질층의 외면에 배치시킨 후, 제2 세퍼레이터/ 제1 양극 활물질층/ 양극 집전체/ 제2 양극 활물질층/ 제1 세퍼레이터/ 제1 음극 활물질층/ 음극 집전체/ 제2 음극 활물질층의 순서로 적층된 단위 구조물을 복수 개 적층시키는 것도 가능하다.
상기 전극 구조체에서, 로딩량이 큰 활물질층(제2 양극 활물질층과 제1 음극 활물질층)끼리 마주보며, 로딩량이 작은 활물질층(제1 양극 활물질층과 제2 음극 활물질층)끼리 마주본다. 상기 구조를 갖는 경우, 마주보는 양극활물질층과 음극 활물질층의 균형이 이루어져, 율속 특성 및 수명 특성이 향상될 수 있다.
상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비는 1 초과 4 이하이고, 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비는 1 초과 4 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비는 1.1 내지 2.5이고, 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비는 1.1 내지 2.5일 수 있다.
상기 범위에서, 전극 내 전해액의 저항이 낮아지면서, 우수한 전기화학 반응성이 구현될 수 있다. 또한, 상기 젤리롤 타입의 전극 구조체의 경우, 권심을 향하는 제1 양극 활물질층이 압력에 의해 뭉치거나 또는 탈리되지 않을 수 있다. 더욱이, 제1 양극 활물질층이 권취된 전극 구조체의 권심을 향하도록 배치되는 경우, 양극과 음극의 용량비(N/P(negative electrode capacity/ positive electrode capacity) ratio), 구체적으로 양극과 음극의 대향 면적에 대한 용량비가 1보다 크게 설계됨으로써, 음극으로 리튬이 석출(deposition)될 가능성이 적어져 안전성이 우수한 전지가 제조될 수 있다.
상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비는 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비와 동일할 수 있다. 따라서, 양극 활물질층과 이에 대향하는 음극 활물질층의 용량비를 1.05 내지 1.5로 유지하여, 마주보는 양극과 음극의 용량 불균형으로 인한 리튬 석출 방지할 수 있다.
상기 제1 양극 활물질층의 로딩량은 4 mg/cm2 내지 40 mg/cm2일 수 있고, 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량은 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량의 1.1 내지 2.5 배로 조절될 수 있다. 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량은 2 mg/cm2 내지 20 mg/cm2일 수 있고, 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량은 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량의 1.1 내지 2.5 배로 조절될 수 있다. 상기 범위에서, 높은 율속 특성 및 개선된 수명 특성이 발현될 수 있고, 권취의 용이성이 확보될 수 있다.
상기 로딩량은 활물질층의 밀도 또는 활물질층의 두께를 달리하여 변화시킬 수 있다. 여기서, 용어 "활물질층의 밀도"는 활물질층의 부피당 질량을 의미하는 것으로, 합제밀도(mixture density)라고도 불리며, 압연 공정시 극판이 눌리는 정도를 나타내는 척도를 의미한다.
예를 들어, 상기 활물질층의 밀도가 동일한 경우, 활물질층의 두께를 두껍께 하여 로딩량을 증가시킬 수 있다. 이 때, 제1 활물질층과 제2 활물질층의 로딩량의 비와 두께의 비는 동일할 수 있다.
선택적으로, 상기 활물질층의 두께가 동일한 경우, 상기 활물질층의 밀도를 높여 로딩량을 증가시킬 수 있다. 이 때, 제1 활물질층과 제2 활물질층의 로딩량의 비와 밀도의 비는 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층의 밀도는 서로 동일하고, 상기 제2 양극 활물질층의 두께는 상기 제1 양극 활물질층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 밀도는 각각 3.0 g/cc 내지 4.2 g/cc이고, 상기 제1 양극 활물질층의 두께는 10㎛ 내지 110㎛이며, 상기 제2 양극 활물질층의 두께는 상기 제1 양극 활물질층의 두께의 1 배 초과 4배 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 상기 제1 양극 활물질층의 두께의 1.1 배 초과 2.5 배 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층의 밀도는 서로 동일하고, 상기 제1 음극 활물질층의 두께는 상기 제2 음극 활물질층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 음극 활물질층 및 제2 음극 활물질층의 밀도는 각각 1.3 g/cc 내지 1.8 g/cc이고, 상기 제2 음극 활물질층의 두께는 15㎛ 내지 130㎛이고, 상기 제1 음극 활물질층의 두께가 상기 제2 음극 활물질층의 두께의 1 배 초과 4 배 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 음극 활물질층의 두께가 상기 제2 음극 활물질층의 두께의 1.1 배 초과 2.5 배 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층의 두께는 동일하여, 상기 제2 양극 활물질층의 밀도는 상기 제1 양극 활물질층의 밀도보다 더 크고, 상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층의 두께는 동일하여, 상기 제1 음극 활물질층의 밀도는 상기 제2 음극 활물질층의 밀도보다 더 클 수 있다. 상기 양극 활물질층 및 상기 음극 활물질층의 두께 및 밀도의 범위는 전술한 바와 같다.
도 2a는 일 실시예에 따른 양극을 나타낸 개략도이고, 도 2b는 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 개략도이다.
도 2a를 참조하면, 상기 양극(20)은 양극 집전체(22); 상기 양극 집전체(22)의 제1면에 배치된 제1 양극 활물질층(24); 및 상기 양극 집전체(22)의 제2면에 배치된 제2 양극 활물질층(26);을 포함한다. 상기 제1 양극 활물질층(24) 및 제2 양극 활물질층(26)의 밀도가 동일한 경우, 도 2a와 같이 상기 제2 양극 활물질층(26)의 두께를 상기 제1 양극 활물질층의 두께(24)보다 더 두껍게 하여, 상기 제2 양극 활물질층(26)의 로딩량이 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량(24)보다 더 크도록 조절할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 음극(30)은 음극 집전체(32); 상기 음극 집전체(32)의 제1면에 배치된 제1 음극 활물질층(34); 및 상기 음극 집전체(32)의 제2면에 배치된 제2 음극 활물질층(36);을 포함한다. 마찬가지로, 상기 제1 음극 활물질층(34) 및 제2 음극 활물질층(36)의 밀도가 동일한 경우, 상기 제1 음극 활물질층(34)의 두께를 상기 제2 음극 활물질층의 두께(36)보다 더 두껍게 하여, 상기 제1 음극 활물질층(34)의 로딩량이 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량(36)보다 더 크도록 조절할 수 있다.
상기 양극 또는 음극 내 전해액의 저항은 하기 식 1로서 표현할 수 있다:
<식 1>
R = ρLτ/Aε
(여기서, ρ= 비저항, L= 활물질층의 두께, τ= 굴곡도, A= 극판의 면적, ε= 공극률임)
이 때, 도 1에서 보는 바와 같이, 집전체 양면 상에 배치된 활물질층의 두께(L)가 동일한 양극(이하 "대칭 양극")의 경우, 상기 대칭 양극 내 전해액의 저항은 하기 식 2로서 표현될 수 있다:
<식 2>
R = ρLτ/2Aε
(여기서, ρ= 비저항, L= 활물질층의 두께, τ= 굴곡도, A= 극판의 면적, ε= 공극률임)
반면에, 도 2a에서 보는 바와 같이, 집전체 일면에 제1 양극 활물질층의 두께(L1)가 제2 양극 활물질층의 두께(L2)보다 작고, 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 밀도가 동일하여, 제1 양극 활물질층의 로딩량이 제2 양극 활물질층의 로딩량보다 작은 양극(이하, "비대칭 양극")의 경우, 상기 비대칭 양극 내 전해액의 저항은 하기 식 3으로서 표현될 수 있고, 제2 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량의 비(이하, "비대칭도")에 따른 대칭 양극에 대한 비대칭 양극의 저항비(이하 "저항 비율")는 도 3으로서 나타낼 수 있다:
<식 3>
R = ρL1L2τ/(L1+L2)Aε
(여기서, 2L= L1+L2이고, ρ= 비저항, L= 양극 활물질층의 두께, L1= 제1 양극 활물질층의 두께, L2= 제2 양극 활물질층의 두께, τ= 굴곡도, A= 극판의 면적, ε= 공극률임)
따라서, 도 3에서 보는 바와 같이, 저항을 변화시킬 수 있는 다른 요인을 배제하였을 때, 비대칭 양극 내 전해액의 저항은 대칭 양극 내 전해액의 저항보다 낮으며, 비대칭도가 작아질수록, 즉 로딩량의 차이가 클수록, 비대칭 양극의 전해액의 저항값이 낮아짐을 알 수 있다.
구체적으로, 비대칭도가 0.4(제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비가 2.5)인 경우, 비대칭 양극 내 전해액의 저항은 대칭 양극 내 전해액의 저항의 80% 정도로 낮아지게 된다. 따라서. 비대칭 양극이 대칭 양극에 비하여 전해액의 저항이 낮아질 수 있음을 대략적으로 확인할 수 있다.
상기 비대칭 양극 내 전해액의 저항에 대한 데이터는 음극에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터의 두께는 상기 제2 세퍼레이터의 두께보다 두꺼울 수 있다. 따라서, 로딩량이 큰 활물질층(제2 양극 활물질층과 제1 음극 활물질층) 사이에 두께가 두꺼운 상기 제1 세퍼레이터가 배치될 수 있고, 로딩량이 작은 활물질층(제1 양극 활물질층과 제2 음극 활물질층) 사이에 두께가 얇은 상기 제2 세퍼레이터가 배치될 수 있다. 상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 종류는 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
상기 구조를 갖는 경우, 상기 전극 구조체를 포함하는 전지는 안전성이 향상될 수 있다. 이는, 로딩량이 큰 음극 쪽에서는 리튬의 석출 확률이 높아, 전지의 내부 단락 가능성 또한 높아질 수 있는데, 상기 로딩량이 큰 음극 쪽에 두꺼운 세퍼레이터가 배치됨으로써 내부 단락이 방지될 수 있기 때문이다. 또한, 세퍼레이터의 비대칭으로 인하여 전해액의 저항 또한 낮아질 수 있다. 세퍼레이터 내에서의 전해액 저항 또한 상기 식 1 내지 식 3에 의한 원리가 동일하게 적용될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 젤리롤 타입의 전극 구조체의 단면도이며, 우측의 그림은 단면의 일부를 확대한 것이다.
도 4를 참조하면, 젤리롤 타입의 전극 구조체(60)는 양극(20), 제1 세퍼레이터(42), 음극(30) 및 제2 세퍼레이터(44)의 순서로 적층되어 권취된 구조를 가질 수 있다. 상기 양극(20)과 상기 음극(30)의 접촉을 피하기 위하여, 권취 시 상기 제1 세퍼레이터(42) 및 상기 제2 세퍼레이터(44)의 길이를 상기 양극(20) 또는 상기 음극(30)보다 길게 할 수 있다.
구체적으로, 상기 집전체의 제1면, 즉 권취된 전극 구조체의 권심을 향하는 면에 제1 양극 활물질층 및 제1 음극 활물질층이 배치되고, 상기 집전체의 제2면, 즉 권취된 전극 구조체의 최외각을 향하는 면에 제2 양극 활물질층 및 제2 음극 활물질층이 배치된 구조를 가질 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전극 구조체(60)는, 권심(50)에서 최외각 방향으로 볼 때, 제1 양극 활물질층(24)/ 양극 집전체(22)/ 제2 양극 활물질층(26)/ 제1 세퍼레이터(42)/ 제1 음극 활물질층(34)/ 음극 집전체(32)/ 제2 음극 활물질층(36)/ 제2 세퍼레이터(44)의 순서로 반복되어 배치된 구조를 가질 수 있다.
따라서, 로딩량이 큰 제2 양극 활물질층(26)은, 제2 세퍼레이터(44)보다 두께가 두꺼운 제1 세퍼레이터(42)를 사이에 두고, 로딩량의 큰 제1 음극 활물질층(34)과 마주보도록 배치되고, 로딩량이 작은 제2 음극 활물질층(36)은 제2 세퍼레이터(44)를 사이에 두고, 로딩량의 작은 제1 양극 활물질층(24)과 마주보도록 배치될 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 권심(50)에서 최외각 방향으로 볼 때, 곡률 반경이 커짐에 따라, 음극은 마주보는 양극보다 큰 면적을 갖게 되어, N/P ratio가 안정화될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 스택 타입의 전극 구조체의 단면도이며, 아래쪽의 그림은 단면의 일부를 확대한 것이다.
도 5를 참조하면, 스택 타입의 전극 구조체(70)는 양극(20), 제1 세퍼레이터(42), 음극(30) 및 제2 세퍼레이터(44)의 순서로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 스택 타입의 전극 구조체(70)는 상기 적층된 구조가 복수 개 적층될 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 구조체(70)는, 제1 양극 활물질층(24)/ 양극 집전체(22)/ 제2 양극 활물질층(26)/ 제1 세퍼레이터(42)/ 제1 음극 활물질층(34)/ 음극 집전체(32)/ 제2 음극 활물질층(36)/ 제2 세퍼레이터(44)의 순서로 배치된 구조를 복수 개 가질 수 있다.
따라서, 로딩량이 큰 제2 양극 활물질층(26)은 제2 세퍼레이터(44)보다 두께가 두꺼운 제1 세퍼레이터(42)를 사이에 두고, 로딩량의 큰 제1 음극 활물질층(34)과 마주보도록 배치되고, 로딩량이 작은 제2 음극 활물질층(36)은 제2 세퍼레이터(44)를 사이에 두고, 로딩량의 작은 제1 양극 활물질층(24)과 마주보도록 배치될 수 있다.
상기 제1 세퍼레이터(42)의 두께는 상기 제2 세퍼레이터(44)의 두께의 1.02 배 내지 3배일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 세퍼레이터(42)의 두께는 상기 제2 세퍼레이터(44)의 두께의 1.5 배 내지 2.6배일 수 있다. 상기 범위에서, 전지의 율속 특성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 제2 세퍼레이터(44)의 두께가 5㎛ 내지 40㎛일 수 있다. 상기 범위에서, 통상의 세퍼레이터의 두께와 비교했을 때, 상기 제1 세퍼레이터(42)의 두께의 증가분만큼 상기 제2 세퍼레이터(44)의 두께가 얇아질 수 있어, 전극조립체 내에 활물질층의 함량이 높아져서, 전지의 용량이 확보될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 전지는 상술한 전극 구조체를 포함한다.
이하, 전술한 리튬 전지의 제조 방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 양극은 다음과 같이 제조될 수 있다.
양극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 용매에 분산시켜 양극 활물질 조성물을 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 400 중량부를 사용할 수 있다. 상기 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.
이후, 상기 양극 활물질 조성물을 양극 집전체의 양면에 도포하되, 한 면이 다른 면에 비하여 로딩량이 크게 도포하고, 상기 도포는 집전체상에 상기 양극 활물질 조성물을 직접 코팅하거나, 또는 별도의 지지체 상에 상기 양극 활물질 조성물을 캐스팅 한 후 상기 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 집전체 상에 라미네이션하여 이루어 질 수 있다.
그 다음, 상기 양극 활물질 조성물이 도포된 집전체를 건조 후 압연하여, 상기 양극 집전체의 양면에 각각 제1 양극 활물질층, 및 상기 제1 양극 활물질층 보다 로딩량이 큰 제2 양극 활물질층을 배치함으로써, 양극을 제조할 수 있다.
다음으로, 음극은 다음과 같이 제조될 수 있다.
음극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 용매에 분산시켜 음극 활물질 조성물을 제조할 수 있다. 상기 용매는 전술한 바와 같은, 양극의 제조에 사용된 용매를 사용할 수 있다.
이후, 상기 음극 활물질 조성물을 음극 집전체의 양면에 도포하되, 한 면이 다른 면에 비하여 로딩량이 크게 도포하고, 상기 도포는 집전체상에 상기 음극 활물질 조성물을 직접 코팅하거나, 또는 별도의 지지체 상에 상기 음극 활물질 조성물을 캐스팅 한 후 상기 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 집전체 상에 라미네이션하여 이루어 질 수 있다.
그 다음, 상기 음극 활물질 조성물이 도포된 집전체를 건조 후 압연하여, 상기 음극 집전체의 양면에 각각 제1 음극 활물질층, 및 상기 제1 음극 활물질층 보다 로딩량이 작은 제2 음극 활물질층을 배치함으로써, 음극을 제조할 수 있다.
상기 로딩량은 상기 활물질층의 밀도 또는 상기 활물질층의 두께를 달리하여 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 활물질층의 밀도가 동일한 경우, 상기 활물질층의 로딩량을 증가시키기 위해, 활물질층의 두께를 증가시킬 수 있다.
또는, 상기 활물질층의 두께가 동일한 경우, 상기 활물질층의 로딩량을 증가시키기 위해, 활물질층의 밀도를 증가시킬 수 있다. 상기 활물질층의 밀도는 압연 시, 집전체 양면에 대한 누르는 압연 롤의 온도를 달리하여 조절할 수 있다.
상기 양극 활물질로는, 당해 기술 분야에서 양극 활물질로서 통상적으로 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bBbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 -αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 -αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 -αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 -αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.
예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1 -xMnxO2x(0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0≤ x ≤0.5, 0≤ y ≤0.5), FePO4 등이다.
상기 음극 활물질은 당해 기술분야에서 리튬전지의 음극 활물질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소재로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.
예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.
상기 탄소재는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 양극 및/또는 음극에 사용되는 바인더로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리벤지미다졸, 폴리이미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아닐린, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌술폰, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 조합이 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 바인더의 함량은 음극 활물질의 역할을 할 수 있는 금속나노입자, 탄소계 재료 및 티탄 함유 산화물의 합 100 중량부를 기준으로, 1 내지 50 중량부, 예를 들어 1 내지 30 중량부, 예를 들어 1 내지 20 중량부, 또는 예를 들어 1 내지 15 중량부일 수 있다. 상기 바인더는 상기 금속나노입자와 집전체와의 결합, 상기 티탄 함유 산화물과 집전체와의 결합, 상기 금속나노입자와 도전재와의 결합 등에 조력할 수 있다.
상기 양극 및/또는 음극에 사용되는 도전재로는, 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 예로 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 도전재의 함량은 적당하게 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 양극 또는 음극 활물질 대 도전재의 중량비는 99:1 내지 90:10 범위일 수 있다. 상기 도전재는 상기 금속나노입자, 탄소계 재료 및 티탄 함유 산화물에 도전 통로를 제공하여 전기전도성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 양극 및/또는 음극에 사용되는 집전체로는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 니켈, 티탄, 및 스테인레스 스틸 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다. 상기 알루미늄, 구리, 니켈, 스테리인레스 스틸 등의 소재 표면에는 니켈, 구리, 알루미늄, 티탄, 금, 은, 백금, 팔라듐 등의 코팅 성분으로 전기도금 또는 이온 증착하여 표면처리하거나, 이들 코팅 성분의 나노입자를 딥 또는 압착 등의 방법을 통하여 상기 주 소재의 표면에 코팅처리한 것을 기재로 사용할 수도 있다. 또한, 상기 집전체는 비도전성의 재료로 이루어진 베이스에 위와 같은 도전성 소재를 피복한 형태로 구성될 수도 있다.
상기 집전체는 그 표면에 미세한 요철 구조가 형성된 것일 수 있는데, 이와 같은 요철 구조는 기재 상에 코팅될 활물질층과의 접착력을 높일 수 있다. 상기 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 상기 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 상기 양극과 상기 음극 사이에 세퍼레이터를 배치시켜, 전극 구조체를 제조한다.
상기 젤리롤 타입의 전극 구조체는 다음과 같이 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극, 상기 제1 세퍼레이터, 상기 음극 및 상기 제2 세퍼레이터의 순서로 배치시키거나, 또는 제2 세퍼레이터, 상기 음극, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 양극 순서로 배치시킨 단위 구조물을 권취함으로써, 젤리롤 타입의 전극 구조체를 제조할 수 있다.
선택적으로, 제2 세퍼레이터, 상기 양극, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 음극의 순서로 배치시키거나, 또는 상기 음극, 상기 제1 세퍼레이터, 상기 양극 및 상기 제2 세퍼레이터의 순서로 배치시킨 단위 구조물을 권취함으로써, 젤리롤 타입의 전극 구조체를 제조할 수 있다.
상기 스택 타입의 전극 구조체는 다음과 같이 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 양극, 상기 제1 세퍼레이터, 상기 음극 및 상기 제2 세퍼레이터의 순서로 배치시키거나, 또는 제2 세퍼레이터, 상기 음극, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 양극 순서로 배치시킨 단위 구조물을 복수 개 적층하여, 스택 타입의 전극 구조체를 제조할 수 있다.
선택적으로, 제2 세퍼레이터, 상기 양극, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 음극의 순서로 배치시키거나, 또는 상기 음극, 상기 제1 세퍼레이터, 상기 양극 및 상기 제2 세퍼레이터의 순서로 배치시킨 단위 구조물을 복수 개 적층하여, 스택 타입의 전극 구조체를 제조할 수 있다. 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 적합하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 그 조합물 중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직조 형태여도 무방하다. 상기 세퍼레이터는 일반적으로 기공 직경이 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 5 ㎛ 내지 300 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 전극 구조체를 전지 케이스에 삽입하여, 리튬 전지를 제조한다.
구체적으로, 상기 전극 구조체를 전지 케이스에 수납될 수 있는 형상으로 압축한 후, 각형, 원통형, 파우치형 등의 전지 케이스에 삽입할 수 있다. 이후, 전지 케이스의 전해액 주입구를 통하여 전해질을 주입하여, 리튬 전지를 제조할 수 있다.
상기 전해질은, 비수계 전해질과 리튬염으로 이루어질 수 있다. 비수계 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 감마-부틸로 락톤(GBL), 1,2-디메톡시에탄(DME), 테트라하이드로푸란(THF), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드(DMSO), 1,3-디옥소란(DOL), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 또는 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 또는 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 리튬 클로로보레이트, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 또는 이미드 등의 물질이 하나 이상 사용될 수 있다.
또한, 상기 전해액에는 음극 표면에 SEI층을 형성하고 이를 유지시키기 위하여 비닐렌 카보네이트(VC), 카테콜 카보네이트(CC) 등을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 과충전을 방지하기 위하여 n-부틸페로센, 할로겐 치환된 벤젠 등의 리독스-셔틀(redox-shuttle)형 첨가제을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 사이클로헥실벤젠, 비페닐 등의 피막 형성용 첨가제를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 전도 특성을 향상시키기 위하여 크라운 에테르계 화합물 등의 양이온 수용체(cation receptor) 및 붕소계 화합물 등의 음이온 수용체(anion receptor)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 난연제로서 트리메틸 포스페이트(TMP), 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트(TFP), 헥사메톡시사이클로트리포스파젠(HMTP) 등의 포스페이트계 화합물을 첨가할 수 있다.
필요에 따라, 상기 전해질은 전극 표면에 안정된 SEI층 또는 피막 형성을 도와 리튬 전지의 안전성을 보다 더 개선시킬 수 있도록, 예를 들어 트리스(트리메틸실릴) 포스페이트(TMSPa), 리튬 디플루오로옥살레이토보레이트(LiFOB), 프로판설톤(PS), 숙시토니트릴(SN), LiBF4, 예컨대 아크릴, 아미노, 에폭시, 메톡시, 에톡시, 비닐 등과 같이 실록산 결합을 형성할 수 있는 관능기를 갖는 실란 화합물, 헥사메틸디실라잔 등의 실라잔 화합물 등, 구체적으로 예를 들어 프로판설톤(PS), 숙시토니트릴(SN), LiBF4 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 전해질을 제조할 수 있다.
상기 리튬 전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지에 사용될 수 있을뿐만 아니라, 다수의 전지를 포함하는 중대형 디바이스 전지 모듈의 단위 전지로도 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 예로는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 xEV; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템; 등을 들 수 있지만, 이들로서 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 리튬 전지는 고출력, 고전압 및 고온 구동이 요구되는 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
(리튬 이차 전지의 제조)
실시예 1
1) 양극의 제조
양극 활물질로서 평균 입경이 10㎛인 LiCoO2(유미코어사 제조), 도전재로서 Denka Black(덴카사 제조), 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 97.45: 1.2: 1.35의 중량비로 혼합하고, 점도를 조절하기 위하여 용매 N-메틸피롤리돈을 고형분의 함량이 60 중량%가 되도록 첨가하여, 양극 활물질 조성물을 제조하였다.
통상의 방법을 사용하여, 15 ㎛ 두께의 알루미늄 집전체 양면에 상이하게 상기 양극 활물질 조성물을 도포하였다. 그 다음, 상기 양극 활물질층 조성물이 도포된 집전체를 고온에서 건조한 후, 120℃에서 다시 한번 건조 및 압연하여, 집전체의 양면에 각각 53㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 21.07 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제1 양극 활물질층 및 65㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 25.75 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제2 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하였다.
2) 음극의 제조
음극 활물질로서 평균 입경이 20㎛인 흑연(BTR사 제조), 및 바인더 및 증점제로서 SBR(제온사 제조)과 CMC(일본제지공업사 제조)를 98:2의 중량비로 혼합하고, 점도를 조절하기 위하여 용매 N-메틸피롤리돈을 고형분의 함량이 60 중량%가 되도록 첨가하여, 음극 활물질 조성물을 제조하였다.
통상의 방법을 사용하여, 15㎛ 두께의 구리 집전체 양면에 상이하게 상기 음극 활물질 조성물을 도포하였다. 그 다음, 상기 음극 활물질층 조성물이 도포된 집전체를 상온에서 건조한 후, 120℃에서 다시 한번 건조 및 압연하여, 집전체의 양면에 각각 77㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 12.52 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제1 음극 활물질층 및 63㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 10.24 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제2 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조하였다.
3) 젤리롤형 전극 구조체의 제조
제1 세퍼레이터로서 20㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름(셀가드사 제조)을 준비하고, 제2 세퍼레이터로서 12㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름(셀가드사 제조)을 준비하였다. 그 다음, 상기 제2 양극 활물질층과 제1 음극 활물질층 사이에 제1 세퍼레이터를 배치하고, 상기 제2 음극 활물질층의 외면에 제2 세퍼레이터를 배치 후, 상기 수득된 양극, 상기 제1 세퍼레이터, 상기 수득된 음극 및 상기 제2 세퍼레이터 순서로 배치시킨 구조물(제1 양극 활물질층/Al/제2 양극 활물질층/제1 세퍼레이터/제1 음극 활물질층/Cu/제 2 음극 활물질층/제2 세퍼레이터)을 권취하여, 젤리롤형 전극 구조체를 제조하였다.
4) 리튬 이차 전지의 제조
상기 제조된 전극 구조체를 각형 케이스에 내장하고, 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 및 디메틸카보네이트(DMC)를 1:1:1의 부피비로 혼합한 용매에 1.3 M LiPF6의 리튬염이 첨가된 전해액을 주입하여 각형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 2
집전체의 양면에 각각 47㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 18.73 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제1 양극 활물질층 및 71㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 28.09 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제2 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하고, 집전체의 양면에 각각 84㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 13.66 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제1 음극 활물질층 및 56㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 9.10 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제2 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 3
집전체의 양면에 각각 36㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 14.41 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제1 양극 활물질층 및 82㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 32.41 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제2 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하고, 집전체의 양면에 각각 97㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 15.76 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제1 음극 활물질층 및 43㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 7 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제2 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 4
집전체의 양면에 각각 30㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 11.91 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제1 양극 활물질층 및 88㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 34.91 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제2 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하고, 집전체의 양면에 각각 104㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 16.97 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제1 음극 활물질층 및 36㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 5.79 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제2 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 5
집전체의 양면에 각각 24㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 9.36 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제1 양극 활물질층 및 94㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 37.46 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 제2 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하고, 집전체의 양면에 각각 112㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 18.21 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제1 음극 활물질층 및 28㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 4.55 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 제2 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 6
제1 세퍼레이터로서 23㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비하고, 제2 세퍼레이터로서 9㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 7
제1 세퍼레이터로서 21㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비하고, 제2 세퍼레이터로서 11㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 8
제1 세퍼레이터로서 18㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비하고, 제2 세퍼레이터로서 14㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1 ( 집전체 양면에 로딩량이 동일한 활물질층이 형성된 전지)
집전체의 양면 모두에 59㎛의 두께, 3.96g/cc의 밀도, 23.41 mg/cm2의 로딩량, 19%의 공극률을 갖는 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하고, 집전체의 양면 모두에 70㎛의 두께, 1.64g/cc의 밀도, 11.38 mg/cm2의 로딩량, 24%의 공극률을 갖는 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 2 (로딩량이 큰 양극활물질층과 로딩량이 작은 음극 활물질층이 마주보며 권취된 전지)
상기 젤리롤형 전극 구조체 제조시, 그 다음, 상기 제1 양극 활물질층과 상기 제1 음극 활물질층 사이 및 제2 음극 활물질층 외면에 각각 세퍼레이터를 배치하고, 상기 수득된 양극, 상기 세퍼레이터, 상기 수득된 음극 및 상기 세퍼레이터 순서로 배치시킨 구조물(제2 양극 활물질층/Al/제1 양극 활물질층/세퍼레이터/제1 음극 활물질층/Cu/제 2 음극 활물질층/세퍼레이터)을 권취하여, 젤리롤형 전극 구조체를 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 3 (양극과 음극의 로딩량 비대칭 비율이 다른 경우)
음극으로서 실시예 5에서 수득된 음극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 4 ( 집전체 양면에 로딩량이 상이하나, 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터의 두께가 동일한 경우)
제1 및 제2 세퍼레이터로서 16㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 필름을 준비한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다.
( 평가예 1: 전지의 저항 측정)
상기 실시예 1-8 및 비교예 1-4에서 제조된 리튬 이차 전지에 대하여, 충전 상태(State of charge: SOC)50%에서 저항을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
제2 양극 활물질층
로딩량/
제1 양극 활물질층
로딩량		 제1 음극 활물질층
로딩량/
제2 음극 활물질층
로딩량		 제1 세퍼레이터의
두께/
제2 세퍼레이터의
두께		 전지 저항 (ohm)
실시예 1 1.22 1.22 1.67 0.32
실시예 2 1.50 1.50 1.67 0.31
실시예 3 2.25 2.25 1.67 0.31
실시예 4 2.93 2.93 1.67 0.33
실시예 5 4.00 4.00 1.67 0.34
실시예 6 1.22 1.22 2.56 0.29
실시예 7 1.22 1.22 1.91 0.31
실시예 8 1.22 1.22 1.29 0.32
비교예 1 1 1 1.67 0.36
비교예 2 1.22 1.22 1.67 0.73
비교예 3 1.22 4.00 1.67 0.52
비교예 4 1.22 1.22 1 0.35
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 집전체 양면의 활물질 로딩량 및 제1 및 제2 세퍼레이터의 두께가 다른 실시예 1 내지 8에 따른 전지가, 제1 및 제2 세퍼레이터의 두께가 다르나 집전체 양면의 활물질 로딩량은 동일한 비교예 1에 따른 전지에 비하여, 전지의 저항이 낮음을 알 수 있다. 상기 결과는, 전극의 총두께의 변화 없이도 전지의 저항을 낮춰, 고출력을 나타낼 수 있음을 나타낸다.
또한, 로딩량이 큰 양극활물질층이 로딩량이 작은 음극활물질층과 마주보는 비교예 2에 따른 전지와 양극과 음극의 로딩량 비대칭 비율이 다른 비교예 3에 따른 전지는 마주보는 양극 및 음극의 불균형으로 전지의 저항이 높음을 알 수 있다.
또한, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 두께가 동일한 비교예 4에 따른 전지에 비하여, 실시예 1에 따른 전지의 저항이 더 낮음을 알 수 있다.
( 평가예 2: 고율 특성 평가)
상기 실시예 1-10 및 비교예 1-3에서 제조된 전지를 4.35 V CC(constant current)/CV(constant voltage) 0.05C 컷오프 충전한 후, 0.2C의 충방전 속도로 (2.75V)에서 컷오프 방전하는 사이클을 1회 수행 후, 0.5C 충전 후 방전속도를 1.0C, 및 3.0C 로 각각 변화시켜, C-rate별 방전 용량을 측정하였다.
표 2에서 보는 바와 같이, 집전체 양면의 활물질 로딩량 및 제1 및 제2 세퍼레이터의 두께가 다른 실시예 1 내지 8에 따른 전지는, 제1 및 제2 세퍼레이터의 두께가 다르나 집전체 양면의 활물질 로딩량이 동일한 비교예 1에 따른 전지에 비하여, 1.0C 레이트의 용량 유지율은 큰 차이가 없으나, 3.0C 레이트의 방전 용량이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 특히, 제1 양극 활물질층에 대한 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비 및 제2 음극 활물질층에 대한 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 1.1 내지 2.5이내의 범위인 경우, 전지의 고율 특성이 향상되었다. 이는, 구현 가능한 시간 당 전지의 용량이 증가됨을 의미하므로, 출력 특성이 개선됨을 나타낸다.
또한, 제2 세퍼레이터의 두께에 대한 제1 세퍼레이터의 두께의 비가 1.5 내지 2.6인 경우, 제2 세퍼레이터의 두께에 대한 제1 세퍼레이터의 두께의 비가 동일한 경우에 비하여, 3.0C 레이트의 방전 용량이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 이는, 낮은 저항으로 율속 특성이 향상되었기 때문이다.
반면에, 양극 활물질층이 로딩량이 작은 음극 활물질층과 마주보는 비교예 2에 따른 전지 및 양극과 음극의 로딩량의 비율을 달리하는 비교예 3에 따른 전지는 3.0C에서의 방전 용량을 측정할 수 없었다.
( 평가예 3: 고율 수명 특성 평가)
상기 실시예 1-8 및 비교예 1-3에서 제조된, 상기 리튬 이차 전지를 25℃에서 1.0C rate의 전류로 전압이 4.3V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.3V를 유지하면서 전류가 1.0C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 이어서, 방전 시에 전압이 2.5V에 이를 때까지 6.0C의 정전류로 방전하는 사이클을 50회까지 반복하였다.
상기 전지의 용량 유지율(CRR: capacity retention rate)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 여기서, 용량 유지율은 하기 수학식 1로 정의된다.
<수학식 1>
용량유지율[%] = [각 사이클에서의 방전용량/1st 사이클에서의 방전용량]×100
표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 8에 따라 제조된 전지는, 비교예에 따라 제조된 전지에 비하여 높은 율속에서 용량 유지율이 개선되었다. 이는, 저항의 감소 및 N/P ratio의 안정화에 따른 결과로 여겨진다.
반면에, 로딩량이 큰 양극 활물질층이 로딩량이 작은 음극 활물질층과 마주보는 비교예 2에 따른 전지 및 양극과 음극의 로딩량의 비율을 달리하는 비교예 3에 따른 전지는 고율에서의 수명 특성이 저하되었다. 이는, N/P ratio가 안정되지 않음에 기인한 결과이다.
( 평가예 4: 관통 특성 평가)
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 관통 시험을 아래와 같이 실시하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
관통 시험은 내·외부 충격에 의해 내부 단락을 일으키는 경우를 모의한 시험이다. 상기 제조된 리튬 이차 전지를 표준 환경에서 충전(0.5 C로 4.2 V, 0.05 C cutoff) 후, 약 10분 이상 (72 시간까지 가능) 휴지 후, 직경 3 mm 못(nail)을 사용하여, 속도 60 mm/초로 전지의 중심부를 완전히 관통하여 실시하였다. 이 때 발화 정도에 따라 L1 내지 L5로 표시하여 하기 표 1에 나타내었다.
*전지 안전성 평가 기준
L1 : 누액 , L2 : 200℃ 미만 발열, L3 : 200℃ 이상 발열, L4 : 발화, 및 L5 : 폭발
율속 특성 고율 수명 특성 안전성 평가
1C 방전 용량
(mAh)		 3C 방전 용량
(mAh)		 50 사이클에서의
용량 유지율(%)		 1회 2회 3회
실시예 1 361 132 68 L3 L3 L4
실시예 2 360 134 69 L3 L3 L4
실시예 3 359 157 72 L3 L3 L4
실시예 4 351 159 64 L3 L3 L4
실시예 5 347 153 62 L3 L3 L4
실시예 6 361 134 71 L3 L3 L4
실시예 7 361 138 73 L3 L3 L4
실시예 8 361 131 66 L3 L3 L4
비교예 1 360 122 58 L3 L4 L4
비교예 2 103 15 잔존용량
거의 없어,
측정 불가		 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가
비교예 3 153 28 잔존용량
거의 없어,
측정 불가		 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가
비교예 4 361 128 65 L4 L4 L4
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 집전체 양면의 활물질 로딩량뿐 아니라, 제1 및 제2 세퍼레이터의 두께를 달리함으로써, 구체적으로 로딩량이 높은 양극 및 음극 활물질층 사이에 두꺼운 세퍼레이터를 배치함으로써, 비교예에 따른 전지와 달리, 내부 단락이 방지되어 전지의 안전성이 확보됨을 확인할 수 있었다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 전극 12: 집전체
14, 16: 전극 활물질층 20: 양극
22: 양극 집전체 24: 제1 양극 활물질층
26: 제2 양극 활물질층 30: 음극
32: 음극 집전체 34: 제1 음극 활물질층
36: 제2 음극 활물질층 42: 제1 세퍼레이터
44: 제2 세퍼레이터 50: 권취 중심
60: 젤리롤 타입의 전극 구조체 70: 스택 타입의 전극 구조체

Claims (15)

  1. 양극, 음극, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체로서,
    상기 양극이, 양극 집전체; 상기 양극 집전체의 제1면에 배치된 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체의 제2면에 배치된 제2 양극 활물질층;을 포함하고,
    상기 음극이, 음극 집전체; 상기 음극 집전체의 제1면에 배치된 제1 음극 활물질층; 및 상기 음극 집전체의 제2면에 배치된 제2 음극 활물질층;을 포함하며,
    상기 제2 양극 활물질층의 로딩량이 상기 제1 양극 활물질층의 로딩량보다 크고, 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량이 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량보다 크며,
    상기 제1 세퍼레이터는 상기 제2 양극 활물질층과 상기 제1 음극 활물질층 사이에 배치되고,
    상기 제2 세퍼레이터는 상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층 중 적어도 하나의 외면에 배치되며,
    상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 두께가 상이하며,
    상기 제1 세퍼레이터의 두께가 상기 제2 세퍼레이터의 두께보다 두꺼우며,
    상기 양극이 전극 롤의 최외곽에 위치할 경우 제2 세퍼레이터가 극판 군의 바깥쪽에 배치되어 권취되는 리튬 전지용 전극 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 구조체는 젤리롤(jelly-roll) 타입 또는 스택(stack) 타입인 리튬 전지용 전극 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비가 1 초과 4 이하이고,
    상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 1 초과 4 이하인 리튬 전지용 전극 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비가 1.1 내지 2.5이고,
    상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 1.1 내지 2.5인 리튬 전지용 전극 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제2 양극 활물질층의 로딩량의 비와 상기 제2 음극 활물질층의 로딩량에 대한 상기 제1 음극 활물질층의 로딩량의 비가 동일한 리튬 전지용 전극 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질층의 로딩량이 4 mg/cm2 내지 40 mg/cm2이고,
    상기 제2 음극 활물질층의 로딩량이 2 mg/cm2 내지 20 mg/cm2인 리튬 전지용 전극 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층의 밀도가 동일하고, 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 상기 제1 양극 활물질층의 두께보다 더 두꺼운 리튬 전지용 전극 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 밀도가 3.0 g/cc 내지 4.2 g/cc이고,
    상기 제1 양극 활물질층의 두께가 10 ㎛ 내지 110 ㎛이며, 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 상기 제1 양극 활물질층의 두께의 1 배 초과 4 배 이하인 리튬 전지용 전극 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층의 밀도가 동일하고, 상기 제1 음극 활물질층의 두께가 상기 제2 음극 활물질층의 두께보다 더 두꺼운 리튬 전지용 전극 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 음극 활물질층의 밀도가 1.3 g/cc 내지 1.8 g/cc이고,
    상기 제2 음극 활물질층의 두께가 15 ㎛ 내지 130 ㎛이며, 상기 제1 음극 활물질층의 두께가 상기 제2 음극 활물질층의 두께의 1 배 초과 4 배 이하인 리튬 전지용 전극 구조체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질층 및 상기 제2 양극 활물질층의 두께가 동일하고, 상기 제2 양극 활물질층의 밀도가 상기 제1 양극 활물질층의 밀도보다 더 크고,
    상기 제1 음극 활물질층 및 상기 제2 음극 활물질층의 두께가 동일하고, 상기 제1 음극 활물질층의 밀도가 상기 제2 음극 활물질층의 밀도보다 더 큰 리튬 전지용 전극 구조체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터의 두께가 상기 제2 세퍼레이터의 두께의 1.02 배 내지 3 배인 리튬 전지용 전극 구조체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터의 두께가 5 ㎛ 내지 40 ㎛인 리튬 전지용 전극 구조체.
  15. 제1항 및 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 전극 구조체를 포함하는 리튬 전지.
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