KR20180023688A - Secondary Battery Comprising Electrode Having Thin Electrode Active Material Layer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 얇은 두께의 전극 활물질 층을 포함하는 전극을 구비한 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery having an electrode including a thin electrode active material layer.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.In recent years, the demand for environmentally friendly alternative energy sources has become an indispensable factor for the future, as the increase in the price of energy sources due to depletion of fossil fuels and the interest in environmental pollution are amplified. Various researches on power generation technologies such as nuclear power, solar power, wind power, and tidal power have been continuing, and electric power storage devices for more efficient use of such generated energy have also been attracting much attention.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.Particularly, as technology development and demand for mobile devices increase, the demand for batteries as energy sources is rapidly increasing. Recently, the use of secondary batteries as a power source for electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV) In addition, the use area has been expanded for use as a power auxiliary power source through a grid, and accordingly, a lot of researches on a battery that can meet various demands have been conducted.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.Typically, in terms of the shape of a battery, there is a high demand for a prismatic secondary battery and a pouch-type secondary battery which can be applied to products such as mobile phones with a small thickness, and has advantages such as high energy density, discharge voltage, There is a high demand for lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries.
이러한 전극을 포함하는 리튬 이차전지는 적용되는 디바이스의 용도 및 크기 등의 요소에 따라 다양해질 수 있으며, 일반적으로 550 Wh/L 내지 700 Wh/L 수준의 에너지 밀도 및 0.5C 내지 1.5C 정도 수준의 충방전 속도를 나타낸다.The lithium secondary battery including such an electrode can be varied depending on factors such as application and size of the applied device, and generally has an energy density of 550 Wh / L to 700 Wh / L and a level of about 0.5C to 1.5C Discharge rate.
그러나, 최근에는 상기 리튬 이차전지를 전원으로 사용하는 모바일 장치, 전기자동차 등의 수요가 증가함에 따라, 이러한 리튬 이차전지의 급속 충전에 대한 필요성이 점차 증가하고 있는 반면에, 상기 급속 충전에 대한 소비자의 요구를 충족시키기에는 만족스러운 성능을 발휘하지 못하고 있다.However, in recent years, as the demand for mobile devices, electric vehicles, and the like using the lithium secondary batteries as a power source has increased, the necessity for rapid charging of such lithium secondary batteries has been gradually increasing. On the other hand, It is not satisfactory to satisfy the requirements of the present invention.
특히, 이러한 문제점은 상기 리튬 이차전지를 구성하는 전극 재료의 소재적 특징에 기인하기도 한다.Particularly, such a problem is caused by the material characteristic of the electrode material constituting the lithium secondary battery.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.Generally, a lithium secondary battery has a structure in which an electrode assembly having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is embedded in a battery case together with an electrolyte solution.
이때, 상기 양극 또는 음극과 같은 전극은 소정의 입자 형태로 이루어진 전극 활물질을 도전재 및 바인더와 함께 용매에 혼합하여, 상기 제조된 전극 합제를 슬롯 다이 코팅 방식과 같은 슬러리 코팅 방식을 이용해 집전체 상에 도포함으로써 전극 활물질 층을 형성함으로써 제조된다.At this time, the electrode such as the anode or the cathode may be formed by mixing an electrode active material having a predetermined particle shape with a conductive material and a binder in a solvent, and then preparing the electrode mixture using a slurry coating method such as a slot die coating method, To form an electrode active material layer.
특히, 상기 전극 활물질은 입경 분포가 최소 0.5 마이크로미터 내지 최대 100 마이크로미터의 가우스 분포를 나타내는 분말로 이루어져 있으며, 이에 따라, 상기 전극 활물질을 포함하는 전극 활물질 층은 집전체 상에 코팅되는 경우, 100 마이크로미터 이상의 두꺼운 두께를 갖게 된다.Particularly, the electrode active material is composed of powder having a particle size distribution of a Gaussian distribution of at least 0.5 micrometer to a maximum of 100 micrometers. Accordingly, when the electrode active material layer including the electrode active material is coated on the current collector, It will have a thicker thickness than micrometer.
그러나, 이러한 전극 활물질 층은 상기 100 마이크로미터 이상의 두께를 가질 경우, 집전체에 인접한 부위에 대한 전해액의 함침성이 저하되고, 이온의 이동 경로가 길어짐에 따라, 상기 이차전지의 입출력 특성을 저하시킴으로써, 결과적으로 충전 속도를 저하시키는 주요한 원인으로 작용할 수 있다.However, when the electrode active material layer has a thickness of 100 micrometers or more, impregnation of the electrolytic solution to a portion adjacent to the current collector is lowered, and as the ion migration path becomes longer, the input / output characteristics of the secondary battery are lowered , And as a result, can serve as a major cause for lowering the charging speed.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a technique capable of fundamentally solving such problems.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극 활물질 입자들의 입경이 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터이고, 상기 전극 활물질 입자들을 포함하는 전극 활물질 층의 두께를 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터로 구성함으로써, 상기 전극 활물질 층의 얇은 두께로 인해, 이차전지의 입출력 특성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 이차전지의 충방전 속도를 보다 향상시킬 수 있으며, 급속 충전시, 전극 표면에서의 리튬-플레이팅을 방지해, 수명 특성 저하를 방지할 수 있는 동시에, 상기 전극 활물질 입자들의 입경 분포를 균일하게 구성함으로써, 상기 입경 분포에 따른 변수들을 보다 용이하게 제어할 수 있으므로, 소망하는 성능을 발휘하기 위한 이차전지의 설계 역시, 보다 용이해질 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application have conducted intensive research and various experiments and have found that the particle size of the electrode active material particles is 1 micrometer to 5 micrometers and the thickness of the electrode active material layer including the electrode active material particles is The input / output characteristics of the secondary battery can be improved owing to the thinness of the electrode active material layer, thereby making it possible to further improve the charging / discharging speed of the secondary battery, It is possible to prevent lithium-plating on the surface of the electrode and to prevent deterioration in lifetime characteristics, and to uniformly control the particle size distribution of the electrode active material particles, Therefore, the design of the secondary battery for achieving the desired performance can also be made easier And have completed the present invention.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는,According to an aspect of the present invention, there is provided a secondary battery comprising:
둘 이상의 전극들 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지로서, A secondary battery comprising an electrode assembly having a structure in which a separation membrane is interposed between two or more electrodes,
상기 전극들은 전극 활물질 입자들을 포함하는 전극 활물질 층이 집전체 상에 도포되어 있는 구조로 이루어져 있고,Wherein the electrodes have a structure in which an electrode active material layer including electrode active material particles is coated on a current collector,
상기 전극 활물질 입자들은 입경이 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터이며,The electrode active material particles have a particle diameter of 1 micrometer to 5 micrometers,
상기 집전체 상에 도포되어 있는 전극 활물질 층의 두께는 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터인 구조일 수 있다.The thickness of the electrode active material layer applied on the current collector may be a thickness of 5 micrometers to 15 micrometers.
따라서, 상기 전극 활물질 층의 얇은 두께로 인해, 이차전지의 입출력 특성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 이차전지의 충방전 속도를 보다 향상시킬 수 있다.Therefore, due to the thinness of the electrode active material layer, the input / output characteristics of the secondary battery can be improved and the charge / discharge speed of the secondary battery can be further improved.
만일, 상기 전극 활물질 입자들의 입경이 1 마이크로 미만일 경우에는, 상기 전극 활물질 입자들의 입경이 지나치게 작아져, 전해액과 부반응이 일어남에 따라 작동 효율이 저하되거나, 전지의 용량이 저하되는 요인으로 작용할 수 있다.If the particle size of the electrode active material particles is less than 1 micro-meter, the particle size of the electrode active material particles becomes excessively small, and as a side reaction with the electrolyte occurs, the operation efficiency decreases or the capacity of the battery decreases. .
이와 반대로, 상기 전극 활물질 입자들의 입경이 5 마이크로미터를 초과할 경우에는, 상기 전극 활물질 입자들의 입경이 지나치게 커져, 소망하는 두께 범위로 전극 활물질 층을 용이하게 형성할 수 없으며, 전지의 작동간 나타나는 전류의 입출력 특성 내지 충방전 특성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.On the contrary, when the particle size of the electrode active material particles exceeds 5 micrometers, the particle size of the electrode active material particles becomes too large, the electrode active material layer can not be easily formed in a desired thickness range, There is a problem that the input / output characteristics of the current as well as the charge / discharge characteristics may be degraded.
또한, 상기 전극 활물질 입자들의 입경이 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터의 작은 입경으로 이루어짐으로써, 비교적 비용을 절약할 수 있는 액상 코팅 방식을 사용함에도 불구하고, 얇은 두께로 전극 활물질 층을 구성할 수 있다.In addition, since the electrode active material particles have a small particle diameter of 1 micrometer to 5 micrometers, the electrode active material layer can be formed to have a thin thickness despite the use of a liquid coating method which can save a relatively small amount of money .
또한, 상기 전극 활물질 층의 두께가 5 마이크로미터 미만일 경우에는, 이차전지의 용량이 저하될 수 있고, 이와 반대로 상기 전극 활물질 층의 두께가 15 마이크로미터를 초과하는 경우에는, 상기 전극 활물질 층의 얇은 두께에 따른 본원발명의 효과를 발휘하지 못할 수 있고, 급속 충전시, 전극 표면에서 리튬이 석출되는 리튬-플레이팅 현상으로 인해, 수명 특성이 저하될 수 있다.In addition, when the thickness of the electrode active material layer is less than 5 micrometers, the capacity of the secondary battery may be decreased. On the contrary, when the thickness of the electrode active material layer is more than 15 micrometers, The effect of the present invention depending on the thickness may not be exhibited and the lifetime characteristics may be deteriorated due to the lithium-plating phenomenon in which lithium precipitates on the electrode surface at the time of rapid charging.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 활물질 입자들은 평균 입경을 기준으로 ±10% 이내의 입경 분포를 나타내는 구조일 수 있다.In one specific example, the electrode active material particles may have a structure showing a particle diameter distribution within ± 10% based on the average particle diameter.
만일, 상기 전극 활물질 입자들의 입경 분포가 평균 입경을 기준으로 ±10%를 초과할 경우에는, 상기 입자들 사이의 공극으로 인해, 이차전지의 에너지 밀도가 저하될 수 있으며, 상기 입경에 따라 변화할 수 있는 전극 활물질 입자들의 물리화학적 특성을 용이하게 제어할 수 없으므로, 이차전지의 용이한 설계가 어려워질 수 있다.If the particle size distribution of the electrode active material particles exceeds ± 10% based on the average particle diameter, the energy density of the secondary battery may be lowered due to the gap between the particles, The physicochemical properties of the electrode active material particles can not be easily controlled, so that it is difficult to easily design the secondary battery.
따라서, 상기 전극 활물질 입자들은 평균 입경을 기준으로 ±10% 이내의 입경 분포를 나타냄으로써, 상기 입경 분포에 따른 변수들을 보다 용이하게 제어할 수 있으며, 이에 따라 소망하는 성능을 발휘하기 위한 이차전지의 설계 역시, 보다 용이하게 수행할 수 있다.Therefore, the electrode active material particles have a particle size distribution within ± 10% based on the average particle size, so that the parameters according to the particle size distribution can be more easily controlled, and accordingly, The design can also be performed more easily.
또한, 상기 전극 활물질 층은 평균 두께를 기준으로 ±10% 이내의 두께 분포를 나타내는 구조일 수 있다.The electrode active material layer may have a thickness distribution within ± 10% based on the average thickness.
만일, 상기 전극 활물질 층의 두께 분포가 ±10%를 초과할 경우에는, 국부적인 용량 특성 및 입출력 특성의 차이가 발생할 수 있으며, 이로 인해, 이차전지의 전기화학적 성능에 대한 조절이 용이하지 않을 수 있다.If the thickness distribution of the electrode active material layer is more than ± 10%, there may be a difference in the local capacitance characteristics and the input / output characteristics, which may make it difficult to control the electrochemical performance of the secondary battery. have.
한편, 상기 전극 활물질 층은 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터의 얇은 두께로 집전체 상에 도포될 있는 것이라면, 그 도포 방식이 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 비용적인 측면을 고려하였을 때, 슬롯 다이 코팅 방식 또는 그라비아 코팅 방식과 같은 액상 코팅 방식에 의해 집전체 상에 도포될 수 있으며, 보다 상세하게는, 그라비아 코팅 방식에 의해 집전체 상에 도포될 수 있다.On the other hand, if the electrode active material layer is applied on the current collector with a thin thickness of 5 micrometers to 15 micrometers, the coating method is not limited to a great extent, Can be applied on the current collector by a liquid coating method such as a die coating method or a gravure coating method, and more specifically, it can be applied on a current collector by a gravure coating method.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 전극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조로 이루어질 수 있다.In one specific example, the electrode assembly may have a structure in which a plurality of electrodes cut in a predetermined size unit are sequentially stacked with a separator interposed therebetween.
더욱 구체적으로, 본원발명의 이차전지는 충방전 특성이 향상됨으로써, 급속 충전이 가능한 구조일 수 있다. More specifically, the secondary battery of the present invention can have a structure capable of rapid charging by improving the charge / discharge characteristics.
이때, 상기 전극조립체가 시트형의 양극, 음극 및 분리막이 적층된 상태에서 권취된 젤리-롤(jelly-roll) 구조로 이루어진 경우에는, 하나의 양극 탭과 하나의 음극 탭만을 포함하게 되며, 이로 인해, 이차전지의 충전 속도가 감소함에 따라, 소망하는 급속 충전의 효과를 발휘할 수 없거나, 전류의 이동 경로인 전극 탭의 면적이 지나치게 작아, 상기 급속 충전 과정에서 전극 탭 부위의 저항이 증가하게 됨으로써, 이차전지가 열화되는 등 안전성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.In this case, when the electrode assembly is formed of a jelly-roll structure in which the positive electrode, negative electrode, and separator are stacked in a sheet form, only one positive electrode tab and one negative electrode tab are included. , The desired rapid charging effect can not be exhibited as the charging speed of the secondary battery decreases and the area of the electrode tab that is the current path of the current is too small to increase the resistance of the electrode tab portion during the rapid charging process, There is a problem that safety may be deteriorated due to deterioration of the secondary battery.
이에 따라, 본 발명에 따른 전극조립체는 복수의 전극 탭들을 포함할 수 있는 구조로서, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 전극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조로 이루어질 수 있다.Accordingly, the electrode assembly according to the present invention may include a plurality of electrode taps, and may have a structure in which a plurality of electrodes cut in a predetermined size unit are sequentially stacked with a separator interposed therebetween.
그러나, 본 발명에 따른 전극조립체의 구조는 이차전지의 충전 속도를 충분히 향상시켜, 소망하는 급속 충전의 효과를 발휘할 수 있는 동시에, 상기 급속 충전에 따른 안전성 저하의 문제점을 방지할 수 있도록, 복수의 전극 탭들을 포함하는 구조라면, 그 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 상기 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 전극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조의 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조로 이루어지거나, 상기 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 전극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조의 단위셀들을 분리판을 개재한 상태에서 순차적으로 적층 및 라미네이션(lamination)한 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.However, the structure of the electrode assembly according to the present invention can sufficiently improve the charging speed of the secondary battery and can exhibit the desired rapid charging effect, and at the same time, The structure of the electrode assembly is not limited thereto. Specifically, the electrode assembly may include a plurality of electrodes cut out in units of a predetermined size, which are sequentially stacked with a separator interposed therebetween, And the electrode assembly has a structure in which a plurality of electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween, May be sequentially laminated and laminated in a state interposed therebetween.
한편, 상기 전극은 전극 활물질 층이 소망하는 범위의 얇은 두께로 형성될 수 있는 것이라면, 그 극성이 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는 양극 또는 음극일 수 있고, 보다 상세하게는 하나의 전극조립체에서 양극과 음극 모두 상기 얇은 두께를 갖는 전극 활물질 층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.The electrode is not limited in its polarity, but may be a positive electrode or a negative electrode, in particular, if the electrode active material layer can be formed to have a desired thickness in a desired range. More specifically, Both the positive electrode and the negative electrode may have a structure including the electrode active material layer having a small thickness.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체의 N/P ratio는 1.0 내지 1.5의 범위 내에서 조절되는 구조일 수 있다.In one specific example, the N / P ratio of the electrode assembly may be adjusted within a range of 1.0 to 1.5.
만일, 상기 전극조립체의 N/P ratio가 1.0 미만일 경우에는, 음극의 용량이 양극의 용량에 비해 작아져, 음극 활물질의 종류에 따라, 상세하게는, 음극 활물질로서 탄소계 물질을 사용하는 경우, 음극 표면에 리튬 화합물이 생성됨으로써, 가역 용량이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.If the N / P ratio of the electrode assembly is less than 1.0, the capacity of the negative electrode becomes smaller than the capacity of the positive electrode. Therefore, depending on the type of the negative electrode active material, A lithium compound is generated on the surface of the negative electrode, thereby causing a problem that the reversible capacity is reduced.
이와 반대로, 상기 전극조립체의 N/P ratio가 1.5를 초과하는 경우에는, 양극의 용량이 음극의 용량에 비해 지나치게 작은 경우로서, 음극의 용량이 불필요하게 많아져, 비효율적인 전극의 낭비를 초래할 수 있다.On the contrary, when the N / P ratio of the electrode assembly exceeds 1.5, the capacity of the anode is excessively small as compared with the capacity of the cathode, and the capacity of the cathode becomes unnecessarily large, which may lead to waste of the inefficient electrode have.
또한, 상기 전극조립체의 N/P ratio가 조절되는 범위가 지나치게 좁은 경우에는, 전극 활물질 층의 얇은 두께로 인해, 상기 N/P ratio를 좁은 범위 내로 조절하기가 용이하지 않을 수 있다.In addition, when the N / P ratio of the electrode assembly is too narrow, it may not be easy to adjust the N / P ratio within a narrow range due to the thinness of the electrode active material layer.
한편, 상기 전극조립체의 에너지 밀도는 350 Wh/L 내지 400 Wh/L일 수 있다.Meanwhile, the energy density of the electrode assembly may range from 350 Wh / L to 400 Wh / L.
만일, 상기 전극조립체의 에너지 밀도가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 작은 경우에는, 이차전지로서 충분한 용량 및 수명 특성과 같은 전기화학적 성능을 소망하는 정도로 발휘하지 못할 수 있고, 이와 반대로 상기 전극조립체의 에너지 밀도가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 큰 경우에는, 전극 활물질 층의 두께가 필연적으로 두꺼워질 수 밖에 없어, 소망하는 급속 충전 성능을 발휘하지 못할 수 있다.If the energy density of the electrode assembly is too small or too small, the electrochemical performance such as sufficient capacity and lifetime characteristics of the secondary battery may not be exhibited to a desired extent. On the contrary, the energy density of the electrode assembly Exceeds the above range and is excessively large, the thickness of the electrode active material layer necessarily becomes thick, and the desired rapid charging performance may not be exhibited.
하나의 구체적인 예에서, 상기 이차전지는 5C 이상의 충전 속도를 나타낼 수 있다.In one specific example, the secondary battery may exhibit a charging rate of 5 C or higher.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 종래의 이차전지는 입경 분포가 가우스 분포를 갖는 전극 활물질 입자를 슬롯 다이 코팅 방식과 같은 액상 코팅 방식으로 코팅함으로써, 상기 전극 활물질 입자를 포함하는 전극 활물질 층이 두껍게 형성되며, 이에 따라, 0.5C 내지 1.5C의 낮은 충방전 속도를 나타낸다.As described above, in the conventional secondary battery, the electrode active material layer containing the electrode active material particles is formed thick by coating the electrode active material particles having a Gaussian distribution of the particle size distribution with a liquid coating method such as a slot die coating method. Accordingly, it exhibits a low charge / discharge rate of 0.5C to 1.5C.
반면에, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 활물질 층이 소정의 입경 범위에서 균일한 입경 분포를 갖는 전극 활물질 입자를 포함함으로써, 얇은 두께로 구성됨으로써, 입출력 특성을 향상시켜, 상기 종래의 이차전지에 비해, 우수한 충전 속도를 나타낼 수 있으며, 상세하게는, 상기 이차전지는 5C 이상, 보다 상세하게는, 5C 내지 100C의 충전 속도를 나타낼 수 있다.On the other hand, the secondary battery according to the present invention has the electrode active material layer including the electrode active material particles having a uniform particle size distribution in a predetermined particle size, thereby being formed into a thin thickness, thereby improving the input / output characteristics, The secondary battery may exhibit a charging rate of 5C or more, more specifically, a charging rate of 5C to 100C.
그러나, 본 발명에 따른 이차전지의 충전 속도가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 전극 활물질 입자의 입경 내지 상기 전극 활물질 층의 두께를 조절하는 경우, 100C 이상, 보다 상세하게는, 200C 이상의 충전 속도를 나타낼 수도 있음은 물론이다.However, the charging speed of the secondary battery according to the present invention is not limited thereto, and when the particle size of the electrode active material particle or the thickness of the electrode active material layer is adjusted, a charging speed of 100 C or more, more specifically 200 C or more Of course it is possible.
한편, 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.The secondary battery may be a lithium secondary battery such as a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery having advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability, although the secondary battery is not particularly limited in its kind .
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다. Generally, a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.The positive electrode is prepared, for example, by coating a mixture of a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector, and then drying the mixture. Optionally, a filler may be further added to the mixture.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is usually added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component which assists in bonding of the active material and the conductive material and bonding to the current collector, and is usually added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture containing the cathode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for suppressing the expansion of the anode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.The negative electrode is manufactured by applying and drying a negative electrode active material on a negative electrode collector, and if necessary, the above-described components may be selectively included.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.Examples of the negative electrode active material include carbon such as non-graphitized carbon and graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1 ), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn x Me 1-x Me 'y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, Halogen, 0 < x < Lithium metal; Lithium alloy; Silicon-based alloys; Tin alloy; SnO, SnO 2, PbO, PbO 2, Pb 2 O 3, Pb 3 O 4, Sb 2 O 3, Sb 2 O 4, Sb 2 O 5, GeO, GeO 2, Bi 2 O 3, Bi 2 O 4, and Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separation membrane and the separation film are interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 고에너지 밀도의 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.Further, in one specific example, in order to improve the safety of a high energy density cell, the separation membrane and / or the separation film may be an organic / inorganic composite porous SRS (Safety-Reinforcing Separators) separator.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.The SRS separator is manufactured by using inorganic particles and a binder polymer on the polyolefin-based separator substrate as an active layer component. In addition to the pore structure contained in the separator substrate itself, the SRS separator is formed by interstitial volume between inorganic particles And has a uniform pore structure.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다. The use of such an organic / inorganic composite porous separator has the advantage of suppressing an increase in thickness of the cell due to swelling at the time of chemical conversion compared with the case of using a conventional separator, When a gelable polymer is used when liquid electrolyte is impregnated, it can also be used as an electrolyte.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.In addition, the organic / inorganic composite porous separator can exhibit excellent adhesion characteristics by controlling the contents of the inorganic particles and the binder polymer in the separator, so that the cell assembly process can be easily performed.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The inorganic particles are not particularly limited as long as they are electrochemically stable. That is, the inorganic particles usable in the present invention are not particularly limited as long as the oxidation and / or reduction reaction does not occur in the operating voltage range of the applied battery (for example, 0 to 5 V based on Li / Li +). Particularly, when inorganic particles having an ion-transporting ability are used, the ion conductivity in the electrochemical device can be increased and the performance can be improved. Therefore, it is preferable that the ionic conductivity is as high as possible. In addition, when the inorganic particles have a high density, it is difficult to disperse the particles at the time of coating, and there is a problem of an increase in weight during the production of the battery. In the case of an inorganic substance having a high dielectric constant, dissociation of an electrolyte salt, for example, a lithium salt, in the liquid electrolyte also contributes to increase ionic conductivity of the electrolyte.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The nonaqueous electrolyte solution containing a lithium salt is composed of a polar organic electrolyte and a lithium salt. As the electrolytic solution, a non-aqueous liquid electrolytic solution, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte and the like are used.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the nonaqueous liquid electrolytic solution include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate Nonionic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like can be used.
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, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, Polymers containing ionic dissociation groups, and the like can be used.
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, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.For the purpose of improving the charge-discharge characteristics and the flame retardancy, the non-aqueous liquid electrolyte may contain, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, N, N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride and the like are added It is possible. In some cases, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability, or a carbon dioxide gas may be further added to improve high-temperature storage characteristics.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기와 같은 전지팩 및 디바이스는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.The present invention also provides a battery pack including the secondary battery and a device including the battery pack. Since the battery pack and the device are known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein. do.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극 활물질 입자들의 입경이 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터이고, 상기 전극 활물질 입자들을 포함하는 전극 활물질 층의 두께를 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터로 구성함으로써, 상기 전극 활물질 층의 얇은 두께로 인해, 이차전지의 입출력 특성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 이차전지의 충방전 속도를 보다 향상시킬 수 있으며, 급속 충전시, 전극 표면에서의 리튬-플레이팅을 방지해, 수명 특성 저하를 방지할 수 있는 동시에, 상기 전극 활물질 입자들의 입경 분포를 균일하게 구성함으로써, 상기 입경 분포에 따른 변수들을 보다 용이하게 제어할 수 있으므로, 소망하는 성능을 발휘하기 위한 이차전지의 설계 역시, 보다 용이해질 수 있는 효과가 있다.As described above, the secondary battery according to the present invention is characterized in that the particle size of the electrode active material particles is 1 micrometer to 5 micrometers, the thickness of the electrode active material layer including the electrode active material particles is 5 micrometers to 15 micrometers Output characteristics of the secondary battery can be improved owing to the thinness of the electrode active material layer and thus the charging / discharging speed of the secondary battery can be further improved, and at the time of rapid charging, the lithium- It is possible to prevent plating from deteriorating the life characteristic and to control the parameters according to the particle size distribution more easily by making the particle size distribution of the electrode active material particles uniform, The design of the secondary battery for the secondary battery can be made easier.
도 1은 실험예 1에 따른 용량 유지율을 측정하여 나타낸 그래프이다;
도 2는 종래의 카본계 음극 활물질의 로딩량에 따른 리튬-플레이팅(Li-plating) SOC를 나타낸 그래프이다;
도 3은 실험예 2에 따른 용량 유지율을 측정하여 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the measurement of the capacity retention rate according to Experimental Example 1;
2 is a graph showing a Li-plating SOC according to a loading amount of a conventional carbonaceous anode active material;
FIG. 3 is a graph showing the capacity retention rate measured according to Experimental Example 2. FIG.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be further described with reference to Examples of the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.
<실시예 1>≪ Example 1 >
입자들의 평균 입경이 5 마이크로미터이고, 상기 평균 입경을 기준으로, ㅁ10% 이내의 입경 분포를 나타내는 카본계 음극 활물질 입자들을 포함하는 음극 활물질 층이, 15 마이크로미터의 두께로 구리 호일에 도포된 음극을 제조하였다. 양극 활물질로서, 리튬 코발트 산화물을 포함하는 양극을 사용하고, EC : DMC : DEC = 1 : 2 : 1 인 용매에 1M의 LiPF6가 들어있는 전해액을 사용하여 모노셀을 제조하였다.A negative electrode active material layer containing carbon based negative electrode active material particles having an average particle diameter of 5 micrometers and having a particle size distribution of 10% or less based on the average particle diameter was coated on a copper foil with a thickness of 15 micrometers Thereby preparing a negative electrode. A monocell was prepared using an electrolyte containing 1 M of LiPF 6 in a solvent of EC: DMC: DEC = 1: 2: 1, using a positive electrode containing lithium cobalt oxide as the positive electrode active material.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
음극 활물질로서, 입자들의 평균 입경이 15 마이크로미터인 카본계 음극 활물질 입자들을 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 모노셀을 제조하였다.The same monocell as Example 1 was prepared, except that carbon negative active material particles having an average particle size of 15 micrometers were used as the negative active material.
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
음극 활물질 층이 30 마이크로미터의 두께로 형성되도록 도포한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 모노셀을 제조하였다.The same monocells as in Example 1 were prepared, except that the negative active material layer was formed to a thickness of 30 micrometers.
<실험예 1><Experimental Example 1>
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조한 모노셀들을 20C/1C로 충전 및 방전을 반복한 후, 사이클 횟수에 따른 용량 유지율을 측정하여, 그 결과를 도 1에 나타내었다.The mono cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were charged and discharged at 20 C / 1 C, and the capacity retention rate was measured according to the number of cycles. The results are shown in FIG.
도 1을 참조하면, 실시예 1의 경우, 사이클 횟수가 반복될수록, 용량 유지율이 급격히 저하되는 비교예 1 및 2와 달리, 용량 유지율의 변화가 매우 적게 변화됨을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be seen that, in the case of Example 1, unlike Comparative Examples 1 and 2, in which the capacity retention rate is sharply lowered as the cycle number is repeated, the change in the capacity retention rate changes very little.
구체적으로, 비교예 1은 음극 활물질 층의 두께가 얇음에도 불구하고, 실시예 1에 비해 평균 입경이 상대적으로 큰 음극 활물질 입자들을 사용함으로써, 사이클이 진행될수록 입출력 특성이 저하되고, 이에 따라, 음극 내에서 리튬 이온의 인터칼레이션이 원활하게 이루어질 수 없어, 상기 리튬-플레이팅으로 인한 급격한 용량 유지율 저하가 발생하는 반면에, 실시예 1은 평균 입경이 상대적으로 작은 음극 활물질 입자들을 사용함으로써, 사이클이 진행되더라도, 음극에서 발생하는 리튬-플레이팅으로 인한 용량 유지율 저하를 효과적으로 예방할 수 있다.Specifically, in Comparative Example 1, although the thickness of the negative electrode active material layer is small, the use of the negative electrode active material particles having an average particle diameter relatively larger than that in Example 1 causes the input / output characteristics to decrease as the cycle progresses, Intercalation of lithium ions can not be smoothly carried out in the lithium secondary battery, and the capacity retention rate is drastically lowered due to the lithium-plating. On the other hand, in Example 1, by using the negative electrode active material particles having relatively small average particle diameters, It is possible to effectively prevent a decrease in the capacity retention rate due to lithium-plating caused in the negative electrode.
한편, 일반적인 카본계 음극 활물질의 로딩량에 대한 리튬-플레이팅 SOC를 나타낸 도 2의 그래프를 참조하면, 일반적인 카본계 음극 활물질을 사용한 음극의 경우, 5C의 급속 충전 조건에서, 상기 음극 활물질의 로딩량이 증가할수록, 양극으로부터 전해진 리튬 이온이 음극 내에 신속하게 인터칼레이션될 수 없으므로, 보다 낮은 SOC에서 상기 음극의 표면에 리튬이 석출되는 리튬-플레이팅 현상이 쉽게 발생함을 확인할 수 있다.2 showing a lithium-plating SOC with respect to a loading amount of a general carbon type negative electrode active material, in the case of a negative electrode using a general carbon type negative electrode active material, under loading conditions of 5C, the loading of the negative electrode active material The lithium ion transferred from the anode can not be rapidly intercalated in the cathode, and thus lithium-plating phenomenon in which lithium precipitates on the surface of the cathode at a lower SOC is easily generated.
이에 대해, 도 1을 다시 참조하면, 실시예 1은 비교예 2에 비해, 음극 활물질 층이 상대적으로 얇은 두께로 구성되어 있어, 음극에서 리튬 이온의 인터칼레이션이 신속하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해, 급속 충전에도 불구하고, 우수한 수명 특성을 발휘할 수 있다.Referring back to FIG. 1, in Example 1, the negative electrode active material layer is formed to have a relatively thin thickness as compared with Comparative Example 2, so that intercalation of lithium ions can be performed rapidly in the negative electrode, , It is possible to exhibit excellent lifetime characteristics despite rapid charging.
<실시예 2>≪ Example 2 >
음극 활물질로서, 입자들의 평균 입경이 3 마이크로미터인 리튬 티타늄 산화물(LTO) 입자들을 사용하고, 음극 활물질 층이 9 마이크로미터의 두께로 형성되도록 도포한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 모노셀을 제조하였다.Except that lithium-titanium oxide (LTO) particles having an average particle diameter of 3 micrometers were used as the negative electrode active material and the negative active material layer was formed so as to have a thickness of 9 micrometers, .
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
음극 활물질로서, 입자들의 평균 입경이 10 마이크로미터인 리튬 티타늄 산화물(LTO) 입자들을 사용하고, 음극 활물질 층이 10 마이크로미터의 두께로 형성되도록 도포한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 모노셀을 제조하였다.Except that lithium-titanium oxide (LTO) particles having an average particle size of 10 micrometers were used as the negative electrode active material and the negative active material layer was formed so as to have a thickness of 10 micrometers, .
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
음극 활물질로서, 입자들의 평균 입경이 3 마이크로미터인 리튬 티타늄 산화물(LTO) 입자들을 사용하고, 음극 활물질 층이 30 마이크로미터의 두께로 형성되도록 도포한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 모노셀을 제조하였다.Except that lithium-titanium oxide (LTO) particles having an average particle size of 3 micrometers were used as the negative electrode active material and the negative active material layer was formed so as to have a thickness of 30 micrometers, .
<실험예 2><Experimental Example 2>
상기 실시예 2, 비교예 3 및 4에서 제조한 모노셀들을 20C/1C로 충전 및 방전을 반복한 후, 사이클 횟수에 따른 용량 유지율의 변화를 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The monocells prepared in Example 2, Comparative Examples 3 and 4 were repeatedly charged and discharged at 20 C / 1 C, and the change in the capacity retention rate according to the number of cycles was measured. The results are shown in FIG.
도 3을 참조하면, 실시예 2의 경우, 평균 입경이 미세한 음극 활물질 입자을 사용해, 얇은 두께로 음극 활물질 층을 형성함으로써, 평균 입경이 상대적으로 큰 음극 활물질을 포함하는 비교예 3 및 음극 활물질 층의 두께가 상대적으로 두꺼운 비교예 4에 비해, 우수한 용량 유지율을 발휘함에 따라, 상대적으로 높은 전압을 나타냄을 확인할 수 있다.3, in the case of Example 2, the negative electrode active material layer having a small average particle size was used to form the negative electrode active material layer, thereby obtaining a comparative example 3 including the negative electrode active material having a relatively large average particle diameter, As compared with Comparative Example 4 in which the thickness is relatively thick, it can be confirmed that a relatively high voltage is exhibited as the capacity retention ratio is exerted.
따라서, 상기 전극 활물질 입자들의 평균 입경 및 상기 전극 활물질 입자들을 포함하는 전극 활물질 층의 두께를 특정 범위로 구성하는 경우, 더욱 최적의 효과를 발휘할 수 있으며, 상세하게는 상기 전극 활물질 입자의 입경은 5 마이크로미터 이하이고, 상기 전극 활물질 층의 두께는 15 마이크로미터 이하인 것이 가장 바람직함을 확인할 수 있다.Therefore, when the average particle size of the electrode active material particles and the thickness of the electrode active material layer including the electrode active material particles are set to a specific range, more optimal effects can be exhibited. Specifically, the particle size of the electrode active material particles is 5 Micrometer, and the thickness of the electrode active material layer is most preferably 15 micrometers or less.
이상 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.
Claims (14)
상기 전극들은 전극 활물질 입자들을 포함하는 전극 활물질 층이 집전체 상에 도포되어 있는 구조로 이루어져 있고,
상기 전극 활물질 입자들은 입경이 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터이며,
상기 집전체 상에 도포되어 있는 전극 활물질 층의 두께는 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이차전지.A secondary battery comprising an electrode assembly having a structure in which a separation membrane is interposed between two or more electrodes,
Wherein the electrodes have a structure in which an electrode active material layer including electrode active material particles is coated on a current collector,
The electrode active material particles have a particle diameter of 1 micrometer to 5 micrometers,
Wherein the thickness of the electrode active material layer coated on the current collector is 5 micrometers to 15 micrometers.
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KR1020160109446A KR20180023688A (en) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | Secondary Battery Comprising Electrode Having Thin Electrode Active Material Layer |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP3796424A1 (en) * | 2019-09-18 | 2021-03-24 | Industrial Technology Research Institute | Fast charging lithium-ion battery |
US12057565B2 (en) | 2019-07-29 | 2024-08-06 | Lg Energy Solution, Ltd. | Jelly-roll type electrode assembly having anode in which anode mixtures containing active material with different composition are formed on both sides of electrode current collector, secondary battery comprising the same, and device comprising secondary battery |
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2016
- 2016-08-26 KR KR1020160109446A patent/KR20180023688A/en not_active Application Discontinuation
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