KR101772416B1 - 그래핀 코팅층을 가진 집전체를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

그래핀 코팅층을 가진 집전체를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 적층되어 있는 리튬 이차전지로서, 상기 리튬 이차전지는 양극 활물질이 도포되어 있는 하나 이상의 양극 집전체과 음극 활물질이 도포되어 있는 하나 이상의 음극 집전체로 구성된 집전체들을 포함하고 있고, 상기 집전체들 중의 적어도 하나의 집전체는 일면 또는 양면에 형성되는 활물질과의 계면에 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.

Description

그래핀 코팅층을 가진 집전체를 포함하는 리튬 이차전지 {Lithium Secondary Battery Comprising Current Collector Having Graphene Coating Layer}
본 발명은 그래핀 코팅층을 가진 집전체를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
한편, 이차전지의 성능을 증가시키기 위하여 여러 가지 방법들이 시도되고 있는데, 이러한 방법 가운데 하나로, 활물질의 양을 증가시키기 위한 방법들에 대한 연구가 진행되고 있다.
이와 관련하여, 도 1은 종래 사용되고 있는 활물질이 도포된 집전체의 단면을 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 전극 집전체(111)의 일면에는 활물질(121)이 도포되어 있는 바, 상기 도포된 활물질(121)의 두께(a)는 150 ㎛ 내지 200 ㎛이며, 집전체의 두께(b)는 20 ㎛ 내지 40 ㎛이다.
그러나, 종래 사용되던 전극 집전체를 동일하게 사용하면서 활물질의 양을 증가시키면 전지의 두께 증가가 필연적으로 요구되는 바, 전지의 두께 증가를 방지하면서 충전 용량을 증가시키기 위해서 집전체의 두께를 얇게 형성하기 위한 방법을 고려할 수 있다.
그러나, 일반적으로 집전체의 두께는 전지의 사용 용도에 따라 결정되는데, 음극 집전체로 사용되는 구리 호일의 경우, 전해동박이 사용되는 바, 소형 전지의 경우에는 얇은 동박을, 중대형 디바이스의 경우에는 두꺼운 동박을 사용한다. 이는 방전시의 전류 흐름에 따라 결정되는 것인 바, 중대형 디바이스의 경우에는 high rate 방전을 하기 때문에 순간적으로 집전체(동박)에 많은 양의 전류가 흘러 들어가는데, 이 때 동박의 두께가 얇으면 전류의 흐름이 원활하지 않아 전지의 특성을 구현하기 어렵다.
이와 같은, 전극 집전체의 두께를 더 얇게 줄임에도 불구하고 전류의 흐름을 원활하게 하여 기존의 전기적 특성을 유지할 수 있는 동시에, 중대형 디바이스에도 사용이 가능한 고효율의 이차전지에 대한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 얇은 두께의 집전체에 그래핀 코팅층을 형성하는 경우에도, 그래핀의 얇은 두께 및 뛰어난 전기적 특성으로 인하여 집전체의 전체적인 두께가 얇아짐에도 불구하고 전기전도성 등의 성능이 유지되는 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
또한, 집전체의 전체적인 두께 감소로 인하여 도포되는 활물질의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 집전체 두께의 감소에 따른 저항 감소의 효과도 얻을 수 있는 바, 고용량 및 고효율의 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 적층되어 있는 리튬 이차전지로서,
상기 리튬 이차전지는 양극 활물질이 도포되어 있는 하나 이상의 양극 집전체와 음극 활물질이 도포되어 있는 하나 이상의 음극 집전체로 구성된 집전체들을 포함하고 있고,
상기 집전체들 중의 적어도 하나의 집전체는 일면 또는 양면에 형성되는 활물질과의 계면에 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 포함되는 집전체에 형성된 그래핀 코팅층의 성분인 그래핀이란, 탄소 원자로 이루어진 육각형 벌집모양 구조를 층층이 쌓아올린 구조의 그라파이트에서 한 층을 떼어낸 것으로서, 두께가 0.2 nm 내지 0.3 nm에 불과한 매우 얇은 막이다. 이와 같은, 그래핀은 얇은 두께에 불구하고 전기전도도, 전자 이동 속도, 강도 및 열전도성 등이 우수하며 물리적/화학적 안정성이 매우 높은 물질이다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스에 사용되는 전극 집전체의 두께를 더 얇게 줄일 수 있는 동시에 전류의 흐름을 원활하게 하여 기존의 전기적 특성을 유지함으로써, 중대형 디바이스에도 사용이 가능한 고효율의 이차전지를 개발하기 위하여, 본 발명과 같이 집전체의 일면 또는 양면에 형성되는 활물질과의 계면에 그래핀 코팅층을 형성하는 경우에는, 얇은 두께의 집전체를 사용하더라도 그래핀 자체의 얇은 두께 및 뛰어난 전기적 특성으로 인하여 전기적 성능을 유지할 수 있다.
또한, 집전체의 전체적인 두께 감소로 인하여 활물질의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 집전체 두께의 감소에 따른 저항도 감소되는 바, 고용량 및 고효율의 리튬 이차전지를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 집전체는 당해 전지에 전기화학적 변화를 유발하지 않고 안정성이 높아야 한다. 집전체가 부식되는 경우, 전지 사이클이 반복됨에 따라 충분한 집전능력을 발휘할 수 없으므로 전지의 수명을 단축시키게 되기 때문이다.
하나의 구체적인 예로서, 상기 집전체 가운데 양극 집전체는 탄소, 알루미늄 및 티탄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이거나 또는 그것의 둘 이상의 합금으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 그것의 합금으로 이루어진 것일 수 있다.
하나의 구체적인 예로서, 리튬 이차전지는 충방전 과정에서 리튬의 삽입 및 탈리가 이루어지는데, 음극 활물질의 비가역 용량으로 인한 문제를 해결하기 위하여 음극 활물질의 도포량을 양극 활물질의 도포량보다 두껍게 할 필요가 있는 바, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체는 음극 집전체인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지를 구성하는 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체는, 상기에서 설명한 바와 같은 그래핀의 특성상 집전체의 두께를 얇게 하더라도 물리적/화학적 성능이 떨어지지 않기 때문에 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 비해 상대적으로 더 얇게 형성이 가능하다. 구체적으로 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체의, 그래핀 코팅층을 제외한 두께는 1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있으며, 구체적으로는 5 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있으며 더욱 구체적으로는 10 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체와 그래핀 코팅층이 없는 집전체의 두께가 다르고, 사용되는 활물질의 종류에 따라 충방전 효율에 차이가 있기 때문에, 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체에 도포된 전극 활물질의 양과 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 도포된 전극 활물질의 양이 서로 다를 수 있다.
구체적으로, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체는 상기와 같이 상대적으로 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 비하여 두께가 얇기 때문에 그에 대한 효과로서 도포된 전극 활물질의 양의 증가가 가능한 바, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체에는 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 비해 상대적으로 전극 활물질의 도포량이 더 많을 수 있다.
상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체에 도포된 전극 활물질의 양은 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 도포된 활물질의 양을 기준으로 105% 내지 130%일 수 있으며, 구체적으로는 110% 내지 130%일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 115% 내지 125%일 수 있다.
본 발명에 따른 집전체로서, 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체는 집전체와 그래핀 코팅층과의 접착력이 떨어지는 문제가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 집전체의 일면 또는 양면에 형성되는 활물질과의 계면에, 집전체와 그래핀 코팅층과의 접착력을 향상하기 위한 돌기들이 형성되어 있을 수 있다. 한편, 상기 그래핀 코팅층의 두께가 매우 얇기 때문에, 상기 돌기들은 그래핀 코팅층의 높이보다 높게 형성될 수 있는 바, 그래핀 코팅층에 도포되는 활물질과 그래핀 코팅층과의 접착력을 향상시키는 데에도 도움을 주는 구조일 수 있다.
상기 그래핀 코팅층의 코팅 방법에는 특별한 제한이 없으나, 일반적인 금속의 코팅법으로서 도금법, 도포법, 졸겔법 등의 습식 코팅법, 스퍼터링, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅 등의 방법이 사용될 수 있으며, 구체적으로는 고순도, 저비용 및 대량생산이 가능하다는 장점이 있는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 법에 의해 그래핀 코팅층을 형성할 수 있다. 또 다른 구체적인 그래핀 코팅 방법으로서, 그래파이트(Graphite)의 산화-환원 반응을 통해 콜로이달 상태의 그래핀을 집전체에 도포하는 방법을 이용할 수 있다.
구체적으로, 상기 그래파이트의 산화-환원 반응을 통한 코팅법이란, 층상 구조로 되어 있는 그래파이트는 양쪽이 개방되어 있는 구조이기 때문에, 상기 그래파이트에 산을 넣고 반응을 시키면 산화그래핀을 형성하게 되는 바, 상기 산화그래핀에 환원제를 가하면, 그래파이트의 층분리가 일어나면서 콜로이달 상태의 검정색 물처럼 변한 한 개의 층으로 이루어진 그래핀을 얻을 수 있는데, 이와 같은 방법으로 생산된 콜로이달 상태의 그래핀을 집전체에 직접 도포하여 그래핀이 코팅된 집전체를 얻는 방법이다.
상기 콜로이달 상태의 그래핀을 집전체에 코팅하는 방법으로, 일반적으로 스핀 코팅법(spin-coating)을 사용하나, 젤리-롤형 전극조립체의 경우에는 이와 같은 방법의 코팅을 형성하는 것이 불가능하기 때문에, 집전체에 콜로이달 상태의 그래핀을 도포하여 건조한 후 압착하는 방법으로 그래핀 코팅층을 형성할 수 있다.
한편, 상기 양극과 음극 사이에 분리막 시트가 개재되어 구성된 전극조립체로서, 상기 전극조립체는 전지셀의 성능 저하 없이, 전지케이스로부터 양극 또는 음극에 이르는 하나 이상의 홀이 형성된 구조라면, 크게 제한되는 것은 아니며, 구체적으로, 분리막 시트가 개재되어 있는 양극시트와 음극시트가 권취되어 있는 구조의 젤리-롤형 전극조립체, 분리막이 개재된 상태로 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 적층되어 있는 스택형 전극조립체, 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리막 시트 위에 권취되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체, 또는 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 라미네이션-스택형 전극조립체일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 전해액의 형태에 따라, 액체 전해액을 그대로 포함하고 있는 리튬 이온 전지, 액체 전해액이 젤과 같은 형태로 포함되어 있는 리튬 이온 폴리머 전지, 및 고체 전해질의 리튬 폴리머 전지로 분류되기도 한다. 특히, 리튬 이온 폴리머 전지(또는 젤 폴리머 전지)는 액체 전해액에 비하여 누액 가능성이 낮아 안전성이 높고, 전지 형상의 초박화 및 경량화가 가능하다는 등의 많은 장점을 가지고 있어서 그것의 사용량이 증가하고 있다.
상기와 같은 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩에 단위전지로도 사용될 수 있다.
상기 디바이스의 바람직한 예로는 모바일 전자기기, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 종래에 사용되던 집전체에 비하여 더 얇은 두께의 집전체 위에, 그 자체의 두께가 매우 얇고 뛰어난 전기적 특성을 갖는 그래핀 코팅층이 형성되어 있기 때문에, 그래핀 코팅층이 형성된 집전체의 전체적인 두께가 얇아짐에도 불구하고 우수한 물리적/화학적 성능이 유지되는 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체를 사용함으로써, 집전체의 감소된 두께에 해당하는 만큼의 활물질 도포량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 집전체의 두께 감소에 따른 저항 감소의 효과도 얻을 수 있는 바, 고용량 및 고효율의 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 종래에 사용된 집전체를 나타낸 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명에 따른 하나의 집전체를 나타낸 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명에 따른 다른 하나의 집전체를 나타낸 단면 모식도이다; 및
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 하나의 집전체를 나타낸 단면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 집전체의 단면을 모식적으로 나타내고 있다.
본 발명에 따른 전극 집전체의 예로 음극 활물질이 도포된 음극 집전체가 바람직한 바, 도 2에 따르면, 본 발명에 따른 음극 집전체(112)는 음극 활물질(122)이 도포되어 있고, 상기 집전체(112)가 상기 활물질(122)과 대면하는 일면에 형성된 활물질과의 계면에는 그래핀 코팅층(131)이 형성되어 있다. 상기 그래핀 코팅층(131)은 탄소 원자 1개의 두께로 이루어진 매우 얇은 막으로서, 전기전도도 등이 매우 향상된 층인 바, 도 1에 도시된 종래의 집전체(111) 및 활물질(121) 사이에 별도의 코팅층이 형성되어 있지 않은 집전체와 비교할 때, 상기 그래핀 코팅층(131)이 형성된 집전체(112)의 두께(b’)는 그래핀 코팅층이 없는 집전체(111)의 두께(b)에 비해 매우 얇게 형성될 수 있다.
또한, 상기 그래핀 코팅층(131)이 형성된 집전체(112)의 두께가 얇아진 만큼 활물질 도포량의 증가가 가능한 바, 상기 그래핀 코팅층(131)이 형성된 집전체(112)에 도포된 활물질(122)의 두께(a’)는 그래핀 코팅층이 없는 집전체(111)에 도포된 활물질(121)의 두께(a)에 비해 더 두껍게 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 하나의 집전체의 단면을 모식적으로 나타내고 있다.
도 3을 참조하면, 상기 집전체(212)는 집전체의 양면에 그래핀 코팅층(231)이 형성되어 있는 바, 상기 집전체(212)의 양면에 형성된 활물질과의 계면에 그래핀 코팅층(231)이 형성되어 있으며, 상기 그래핀 코팅층(231)의 외측면으로서, 상기 집전체와 대면하는 면의 반대편 외면에는 활물질층들(222)이 형성되어 있다. 상기와 같이, 도 3에 도시된 집전체는 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 바, 전지의 충방전 용량의 증가를 위한 구조로서 도 2에 도시된 집전체에 비하여 더욱 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 집전체의 단면을 모식적으로 나타내고 있다.
도 4를 참조하면, 그래핀 코팅층(331)이 형성되어 있는 집전체(312)에는, 상기 집전체(312)에 대한 그래핀 코팅층(331)의 접착력을 향상시키기 위한 돌기(313)들이 형성되어 있다. 상기 돌기(313)들의 높이(c)는, 매우 얇은 그래핀 코팅층의 두께(d)로 인하여, 그래핀 코팅층의 높이보다 높게 형성될 수 있는 바, 상기 돌기로 인하여 집전체(312)에 대한 그래핀 코팅층(331)의 접착력 향상뿐만 아니라, 그래핀 코팅층에 도포되는 활물질(322)과 그래핀 코팅층(331)과의 접착력을 향상시키는 데에도 도움을 줄 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 적층되어 있는 리튬 이차전지로서,
    상기 리튬 이차전지는 양극 활물질이 도포되어 있는 하나 이상의 양극 집전체와 음극 활물질이 도포되어 있는 하나 이상의 음극 집전체로 구성된 집전체들을 포함하고 있고,
    상기 집전체들 중의 적어도 하나의 집전체는 일면 또는 양면에 형성된 활물질과의 계면에 그래핀 코팅층이 형성되어 있으며,
    상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체는 음극 집전체이고,
    상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체의 두께는 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 비해 상대적으로 더 얇으며,
    상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체에는 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 비해 상대적으로 전극 활물질의 도포량이 더 많고,
    상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체에는 집전체에 대한 그래핀 코팅층의 접착력 향상을 위한 돌기가 형성되어 있으며,
    상기 그래핀 코팅층은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 집전체는 탄소, 알루미늄 및 티탄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이거나 또는 그것의 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 그것의 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체의 두께는 1 ㎛ 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 그래핀 코팅층이 형성되어 있는 집전체에 도포된 전극 활물질의 양은 그래핀 코팅층이 없는 집전체에 도포된 활물질의 양을 기준으로 105% 내지 130%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 그래핀 코팅층은 그래파이트(Graphite)의 산화-환원 반응을 통해 콜로이달 상태의 그래핀을 집전체에 도포하는 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극은, 분리막 시트가 개재되어 있는 양극시트와 음극시트가 권취되어 있는 구조의 젤리-롤형 전극조립체, 분리막이 개재된 상태로 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 적층되어 있는 스택형 전극조립체, 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리막 시트에 위에 권취되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체, 또는 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 라미네이션-스택형 전극조립체 가운데 어느 하나를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  14. 제 1 항에 따른 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  15. 제 1 항에 따른 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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KR102751884B1 (ko) * 2018-03-30 2025-01-09 주식회사 엘지에너지솔루션 전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지
CN109301164A (zh) * 2018-09-10 2019-02-01 深圳市比克动力电池有限公司 多维锂离子电池负极片及其制备方法
KR102438851B1 (ko) * 2019-03-25 2022-09-07 한국전자기술연구원 다층구조체 및 그의 접합방법
WO2022019698A1 (ko) * 2020-07-24 2022-01-27 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬-황 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지
CN114204038B (zh) * 2021-12-07 2024-01-26 远景动力技术(江苏)有限公司 集流体及其应用
KR102690519B1 (ko) * 2022-04-04 2024-08-05 한국기계연구원 레이저를 이용한 그래핀 제조 방법 및 그래핀 복합재를 포함하는 이차전지
CN121511507A (zh) * 2024-03-31 2026-02-10 宁德新能源科技有限公司 二次电池和电子装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013140770A (ja) * 2011-12-28 2013-07-18 Qinghua Univ 集電体、それを利用した電気化学電池用電極及び電気化学電池

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