WO2023200080A1 - 상태 추정이 용이한 리튬 이차전지 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a lithium secondary battery that can easily determine the state of charge of the battery.
  • secondary batteries have been widely applied not only to small devices such as portable electronic devices, but also to medium-to-large devices such as battery packs of hybrid vehicles or electric vehicles or power storage devices.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator, an electrolyte, and a multilayer exterior material that protects them as a body.
  • This secondary battery can be used in the form of a battery module equipped with a plurality of cells.
  • High capacity is achieved by using nickel metal oxide as a cathode active material.
  • lithium iron phosphate which has an olivine structure, is a promising active material with excellent structural stability, excellent lifespan characteristics, and excellent safety in all aspects, including overcharge and overdischarge.
  • lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) has excellent high-temperature stability due to the strong binding force of PO 4 and is cheaper than the above-mentioned LiCoO 2 , LiNiO 2 , or LiMn 2 O 4 because it contains iron, which is abundant and inexpensive. And because it has low toxicity, it has little impact on the environment.
  • lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) does not change significantly and is constant in voltage during charging and discharging, making it difficult to estimate the state of charge (SOC) of the secondary battery, and thus the use of secondary batteries. There is a problem that it is not easy to manage the power of the device.
  • LiFePO 4 lithium iron phosphate
  • the purpose of the present invention is to provide a lithium secondary battery that includes lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as a positive electrode active material, has high battery safety, and makes it easy to estimate the state of charge of the battery.
  • lithium iron phosphate LiFePO 4
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • the first positive electrode composite layer in contact with the surface of the positive electrode current collector includes a first positive electrode active material containing an iron phosphate compound represented by the following Chemical Formula 1 and a second positive electrode active material containing a lithium complex metal oxide represented by the following Chemical Formula 2,
  • the n-1 positive electrode mixture layers disposed on the first positive electrode mixture layer provide a positive electrode for a lithium secondary battery containing a first positive electrode active material containing an iron phosphate compound represented by Chemical Formula 1:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb , Mg, B, and Mo, at least one element selected from the group consisting of,
  • X is one or more selected from the group consisting of P, Si, S, As and Sb,
  • a 0 ⁇ a ⁇ 0.5
  • M 2 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and It is one or more elements selected from the group consisting of Mo,
  • the concentration of the second positive electrode active material may tend to decrease as the first positive electrode compound layer progresses from the surface in contact with the positive electrode current collector to the other surface.
  • the second positive electrode active material may be included in less than 10% by weight based on the weight of the entire positive electrode composite layer.
  • the total thickness of the positive electrode mixture layer may be 50 ⁇ m to 300 ⁇ m, and the thickness of the first positive electrode mixture layer among the positive electrode mixture layers may be 10% to 60% of the total thickness of the positive electrode mixture layer.
  • the positive electrode when applied to a secondary battery, may have a voltage change of 5 mV to 60 mV per 1% of SOC in the range of 30 to 70% of SOC; And/or it may have a voltage change of 0.1 mV to 60 mV per 1% of SOC in the range of 65 to 95% of SOC.
  • the anode according to the invention described above cathode; And it provides an electrode assembly for a lithium secondary battery including a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the negative electrode includes a negative electrode mixture layer on the negative electrode current collector, and the negative electrode mixture layer is made of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, hard carbon, soft carbon, carbon fiber, carbon black, carbon nanotubes, fullerene, and activated carbon. , may include one or more carbon-based negative electrode active materials among acetylene black and Ketjen black.
  • a lithium secondary battery including an electrolyte composition injected into a battery case together with an electrode assembly is provided.
  • the type of the lithium secondary battery is not particularly limited, but may specifically be a prismatic secondary battery.
  • the cathode for a lithium secondary battery according to the present invention contains a first cathode active material containing an iron phosphate compound and a second cathode active material containing a lithium complex metal oxide in a multi-layered cathode composite layer to determine the state of charge (SOC) of the secondary battery. Since a relatively large voltage deviation can be realized, there is an advantage in that the state of charge (SOC) can be easily estimated and/or measured with high reliability when using a secondary battery.
  • SOC state of charge
  • the positive electrode for a lithium secondary battery contains a small amount of lithium composite metal oxide in the first positive electrode composite layer adjacent to the positive electrode current collector among the plurality of positive electrode composite layers, so that heat generated by the lithium composite metal oxide can be easily released to the outside. This has the effect of further improving the safety of secondary batteries.
  • Figure 1 is a graph showing the voltage change according to the state of charge (SOC) of a lithium secondary battery (negative electrode active material: graphite) containing lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as a positive electrode active material.
  • SOC state of charge
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing the structure of a positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • the first positive electrode composite layer in contact with the surface of the positive electrode current collector includes a first positive electrode active material containing an iron phosphate compound represented by the following Chemical Formula 1 and a second positive electrode active material containing a lithium complex metal oxide represented by the following Chemical Formula 2,
  • the n-1 positive electrode mixture layers disposed on the first positive electrode mixture layer provide a positive electrode for a lithium secondary battery containing a first positive electrode active material containing an iron phosphate compound represented by Chemical Formula 1:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb , Mg, B, and Mo, at least one element selected from the group consisting of,
  • X is one or more selected from the group consisting of P, Si, S, As and Sb,
  • a 0 ⁇ a ⁇ 0.5
  • M 2 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and It is one or more elements selected from the group consisting of Mo,
  • the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode current collector and a positive electrode composite layer with a multi-layer structure in which two or more individual composite layers are stacked on the positive electrode current collector.
  • the positive electrode mixture layer has a structure in which n (where n ⁇ 2) individual positive electrode mixture layers are stacked on a positive electrode current collector.
  • the positive electrode mixture layer laminated on the surface in contact with the positive electrode current collector is the first positive electrode mixture layer
  • the second positive electrode mixture layer to the nth positive electrode mixture layer are sequentially laminated on the first positive electrode mixture layer to form a positive electrode current collector.
  • n individual anode composite layers are located.
  • the positive electrode composite layer has a structure of two or more layers
  • the number of layers is not particularly limited, but specifically, it is 2 to 10 layers; 2nd to 8th floors; 2nd to 6th floors; Or it could be the 2nd or 4th floor.
  • the present invention can improve the energy density of the electrode while preventing a decrease in the manufacturing efficiency of the positive electrode by adjusting the number of stacks of the positive electrode composite layer within the above range, and at the same time, heat generated during charging and discharging of the battery can be effectively discharged to the outside.
  • the positive electrode composite layer is manufactured by applying, drying, and pressing a slurry containing a positive electrode active material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions during charging and discharging of the battery, and the positive electrode active material is of different types in each layer. and/or may be included in amount.
  • the first positive electrode mixture layer in contact with the surface of the positive electrode current collector is a first positive electrode active material containing an iron phosphate compound represented by the following Formula 1 and a lithium complex metal oxide represented by the following Formula 2.
  • 2 cathode active materials, and the n-1 cathode mixture layers disposed on the first cathode composite layer include a first cathode active material including an iron phosphate compound represented by Chemical Formula 1:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb , Mg, B, and Mo, at least one element selected from the group consisting of,
  • X is one or more selected from the group consisting of P, Si, S, As and Sb,
  • a 0 ⁇ a ⁇ 0.5
  • M 2 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and It is one or more elements selected from the group consisting of Mo,
  • the iron phosphate compound represented by Formula 1 has an olivine structure and has the best structural stability, so it is a promising active material with excellent lifespan characteristics and excellent safety in all aspects, including overcharge and overdischarge.
  • the iron phosphate compound has excellent high-temperature stability due to the strong binding force of PO 4 and is cheaper than the above-mentioned LiCoO 2 , LiNiO 2 , or LiMn 2 O 4 because it contains iron, which is abundant and inexpensive in resources. Because it has low toxicity, it has little impact on the environment.
  • iron phosphate compounds do not change significantly and are constant in voltage during charging and discharging, making it difficult to estimate the state of charge (SOC) of secondary batteries, making power management of devices using secondary batteries difficult.
  • SOC state of charge
  • the positive electrode according to the present invention includes an iron phosphate compound represented by Chemical Formula 1 with an olivine crystal structure having excellent stability throughout the positive electrode mixture layer as a first positive electrode active material, and a first positive electrode mixture layer in contact with the positive electrode current collector.
  • the state of charge (SOC) of the battery can be easily measured with high reliability while increasing the stability of the lithium secondary battery,
  • SOC state of charge
  • the heat generated by the lithium composite metal oxide can be easily dissipated to the outside, thereby improving the safety of the secondary battery. There is an effect.
  • the iron phosphate compound represented by Formula 1 is a lithium phosphate containing iron, and may be doped with another transition metal (M 1 ) depending on the case.
  • the iron phosphate compound may include LiFePO 4 , LiFe 0.8 Mn 0.2 PO 4 , LiFe 0.5 Mn 0.5 PO 4 , etc.
  • the lithium composite metal oxide represented by Formula 2 is a metal oxide containing nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) along with lithium, and in some cases, is doped with other transition metals (M 2 ). It can have a shape.
  • the lithium composite metal oxide is Li(Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 )O 2 , Li(Ni 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 )O 2 , Li(Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 )O 2 , Li(Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 )O 2 , Li(Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.1 Zr 0.1 )O 2 , Li(Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.15 Zr 0.05 )O 2 and Li(Ni 0.7 Co 0.1 Mn 0.1 Zr 0.1 )O 2 It may include one or more species selected from the group consisting of.
  • the first positive electrode active material may have an average particle size of 0.5 to 5 ⁇ m, specifically 0.5 to 1.0 ⁇ m; 0.8 to 1.2 ⁇ m; 1.0 to 2.0 ⁇ m; 1.5 to 3.0 ⁇ m; Alternatively, it may have an average particle size of 2.0 to 3.0 ⁇ m.
  • the first positive electrode active material is uniformly dispersed throughout the n positive electrode mixture layers, and the position of the positive electrode mixture layer is changed from the first positive electrode mixture layer in contact with the positive electrode current collector to the nth positive electrode mixture layer furthest from the positive electrode current collector. As the change occurs, the average particle size of the first positive electrode active material contained in each positive electrode composite layer may tend to decrease.
  • the first positive electrode active material included in the first positive electrode mixture layer may have an average particle size of 1.2 to 1.9 ⁇ m
  • the first positive electrode active material included in the nth positive electrode mixture layer (however, n ⁇ 2) may have an average particle size of 0.5 to 1.9 ⁇ m. It may have an average particle size of 0.9 ⁇ m.
  • the first positive electrode active material included in the first positive electrode mixture layer may have an average particle size of 1.2 to 1.9 ⁇ m
  • the first positive electrode active material included in the second positive electrode mixture layer may have an average particle size of 0.5 to 0.9 ⁇ m.
  • the first positive electrode active material included in the first positive electrode mixture layer may have an average particle size of 1.5 to 1.9 ⁇ m
  • the first positive electrode active material included in the second positive electrode mixture layer may have an average particle size of 1.1 to 1.4 ⁇ m.
  • the first positive electrode active material included in the third positive electrode composite layer may have an average particle size of 0.5 to 0.9 ⁇ m.
  • the present invention can increase the ion mobility of the positive electrode by adjusting the average particle size of the first positive electrode active material contained in the individual positive electrode composite layer to decrease as it progresses from the adjacent position to the most spaced position in the positive electrode current collector, and at the same time, the positive electrode.
  • the adhesion between the current collector and the positive electrode composite layer can be improved.
  • the second cathode active material containing the lithium complex metal oxide represented by Formula 2 may be contained only in the first cathode mixture layer, but may be included in less than 10% by weight based on the weight of the entire cathode mixture layer, and specifically, the entire cathode mixture layer.
  • the present invention controls the content of the second cathode active material contained in the first cathode composite layer to the above range with respect to the total weight of the cathode composite layer, so that the voltage change of the cathode according to the battery charging state is not sufficiently implemented due to the insignificant content. It is possible to prevent the SOC estimation reliability from being lowered, and excessive heat generation at the positive electrode during charging and discharging due to an excessive amount of the second positive electrode active material can be prevented.
  • the second positive electrode active material may have a structure dispersed within the first positive electrode mixture layer, and the concentration of the second positive electrode active material may tend to change in the thickness direction of the first positive electrode mixture layer. Specifically, the concentration of the second positive electrode active material may tend to decrease as the first positive electrode mixture layer progresses from the surface in contact with the positive electrode current collector to the surface in contact with the second positive electrode mixture layer formed on the first positive electrode mixture layer, where 'concentration decreases' may mean that the content or content ratio of the second positive electrode active material decreases based on the total weight of the corresponding positive electrode composite layer.
  • the second cathode active material may be mixed with the first cathode active material, which has a small voltage change depending on the state of charge (SOC), in the first cathode composite layer, and may function to increase the voltage difference according to the state of charge (SOC).
  • the second positive electrode active material has a structure in which its concentration increases the closer it is to the positive electrode current collector inside the first positive electrode composite layer, so that not only can the voltage deviation by state of charge (SOC) be expressed with higher reliability, but also the battery's Since the heat generated by the second positive electrode active material during charging and discharging can be easily transferred to the positive electrode current collector, there is an advantage in that heat generation at the positive electrode can be easily controlled.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention has the above-described configuration, so that not only is the safety of the battery high, but it can also implement a large voltage change depending on the state of charge, so it has the advantage of making it easy to estimate the state of the battery (SOC).
  • the positive electrode when applied to a secondary battery, may exhibit a voltage change of 5 mV to 60 mV per 1% of SOC in the range of 30 to 70% SOC at 25°C, specifically 10 mV to 50 mV; 20mV to 50mV; 30mV to 50mV; 35 mV to 45 mV; 40mV to 48 mV; Alternatively, it may represent a voltage change of 42 mV to 45 mV.
  • the positive electrode when applied to a secondary battery containing graphite as a negative electrode active material, it may exhibit a voltage change of 43.1 mV to 44.0 mV per 1% of SOC in the range of 30 to 70% of SOC at 25°C.
  • the positive electrode when applied to a secondary battery, can exhibit a voltage change of 0.1 mV to 60 mV per 1% of SOC in the range of 65 to 95% SOC at 25°C, specifically 0.1 mV to 40 mV; 0.1 mV to 20 mV; 0.1 mV to 10 mV; 1 mV to 10 mV; 2.5 mV to 10 mV; Alternatively, it may represent a voltage change of 3.0 mV to 7.0 mV.
  • the positive electrode when applied to a secondary battery containing graphite as a negative electrode active material, it may exhibit a voltage change of 2.5 mV to 9 mV per 1% of SOC in the range of 65 to 95% SOC at 25°C.
  • the positive electrode according to the present invention When applied to a secondary battery, the positive electrode according to the present invention has a large voltage difference as described above for each section of the state of charge (SOC), so that the state of charge of the battery can be easily estimated and/or measured with high reliability, so it can be used in a secondary battery.
  • SOC state of charge
  • the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention may further include a conductive material, binder, and other additives in the positive electrode composite layer, if necessary.
  • the first and second positive electrode active materials contained in each positive electrode mixture layer may be included in an amount of 85 parts by weight or more, specifically, 90 parts by weight or more, 93 parts by weight, or 95 parts by weight or more based on the weight of each positive electrode mixture layer. You can.
  • the conductive material is used to improve the electrical performance of the anode, and those commonly used in the industry can be applied, but specifically, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Denka black, and Ketjen black. , Super-P, channel black, furnace black, lamp black, summer black, graphene, and carbon nanotubes.
  • the conductive material may be included in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on the weight of each positive electrode mixture layer, and specifically, 0.1 to 4 parts by weight; 2 to 4 parts by weight; 1.5 to 5 parts by weight; 1 to 3 parts by weight; 0.1 to 2 parts by weight; Alternatively, it may be included in 0.1 to 1 part by weight.
  • the binder serves to bind the positive electrode active material, positive electrode additive, and conductive material to each other, and any binder that has this function may be used without particular restrictions.
  • the binder includes polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-co-HFP), polyvinylidenefluoride (PVdF), polyacrylonitrile, and polymethyl methacryl. It may contain one or more resins selected from the group consisting of polymethylmethacrylate and copolymers thereof.
  • the binder may include polyvinylidenefluoride.
  • the binder may be included in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the weight of each positive electrode composite layer, and specifically, 2 to 8 parts by weight; Alternatively, it may contain 1 to 5 parts by weight of the conductive material.
  • the total thickness of the positive electrode mixture layer is not particularly limited, but may be specifically 50 ⁇ m to 300 ⁇ m, more specifically 100 ⁇ m to 200 ⁇ m; 80 ⁇ m to 150 ⁇ m; 120 ⁇ m to 170 ⁇ m; 150 ⁇ m to 300 ⁇ m; 200 ⁇ m to 300 ⁇ m; Or it may be 150 ⁇ m to 190 ⁇ m.
  • the thickness of the first positive electrode compound layer in contact with the positive electrode current collector may be adjusted to a certain range.
  • the thickness of the first positive electrode mixture layer may be 10% to 60% of the total thickness of the positive electrode mixture layer, and more specifically, 10% to 40% of the total thickness of the positive electrode mixture layer; 30% to 50%; 10% to 20%; Or it may be 40% to 60%.
  • the present invention not only prevents the energy density of the electrode from being reduced by adjusting the total and individual thicknesses of the positive electrode compound layer within the above range, but also can achieve high adhesion between the positive electrode current collector and the positive electrode compound layer.
  • the positive electrode current collector provided in the positive electrode can be one that has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, etc. can be used, and in the case of aluminum or stainless steel, surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can also be used.
  • the average thickness of the current collector can be appropriately applied in the range of 5 to 500 ⁇ m considering the conductivity and total thickness of the positive electrode to be manufactured.
  • the anode according to the invention described above cathode; And it provides an electrode assembly for a lithium secondary battery including a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the electrode assembly for a lithium secondary battery according to the present invention is equipped with the positive electrode of the present invention described above and can implement a large voltage deviation for each state of charge (SOC) of the secondary battery, so that the state of charge (SOC) can be easily determined with high reliability when using the secondary battery. Not only can it be estimated and/or measured, but the heat generated by the lithium composite metal oxide can be easily released to the outside, which has the advantage of further improving the safety of the secondary battery.
  • SOC state of charge
  • the positive electrode has the same structure as the positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention described above, a description of the detailed structure is omitted.
  • the negative electrode has a negative electrode mixture layer manufactured by applying, drying, and pressing a negative electrode active material on a negative electrode current collector in the same manner as the positive electrode, and optionally additional conductive materials, binders, and other electrolyte additives as needed. It can be included.
  • the negative electrode active material may be one commonly used in the industry, but specifically, natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, hard carbon, soft carbon, carbon fiber, carbon black, carbon nanotubes, fullerene, activated carbon. , may include one or more carbon-based negative electrode active materials among acetylene black and Ketjen black.
  • the negative electrode mixture layer may provide adhesion to the negative electrode current collector and may include a binder so that the negative electrode active material, conductive material, and other additives can be bonded to each other.
  • binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and carboxymethylcellulose ( CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-co-HFP vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer
  • CMC carboxymethylcellulose
  • EPDM ethylene-propy
  • Examples include butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, and various copolymers thereof, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used.
  • the binder may be included in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the weight of the negative electrode mixture layer, and specifically, 2 to 8 parts by weight; Alternatively, it may contain 1 to 5 parts by weight of the conductive material.
  • the negative electrode mixture layer may have an average thickness of 100 ⁇ m to 200 ⁇ m, specifically 100 ⁇ m to 180 ⁇ m, 100 ⁇ m to 150 ⁇ m, 120 ⁇ m to 200 ⁇ m, 140 ⁇ m to 200 ⁇ m, or 140 ⁇ m to 140 ⁇ m. It can have an average thickness of 160 ⁇ m.
  • the negative electrode may include a negative electrode current collector having high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • a negative electrode current collector having high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • copper, stainless steel, nickel, titanium, calcined carbon, etc. can be used as the negative electrode current collector, and in the case of copper or stainless steel, surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used.
  • the negative electrode current collector can form fine irregularities on the surface to strengthen the bonding force with the negative electrode active material, and can come in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics. possible.
  • the average thickness of the negative electrode current collector may be appropriately applied in the range of 3 to 500 ⁇ m considering the conductivity and total thickness of the negative electrode being manufactured.
  • the separator is sandwiched between the anode and the cathode, and a thin insulating film with high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the separator is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, and specifically includes chemical resistant and hydrophobic polypropylene; glass fiber; Alternatively, sheets or non-woven fabrics made of polyethylene, etc. may be used, and in some cases, a composite separator in which inorganic particles/organic particles are coated with an organic binder polymer on a porous polymer substrate such as the sheet or non-woven fabric may be used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the pore diameter of the separator may be on average 0.01 to 10 ⁇ m, and the thickness may be 5 to 300 ⁇ m on average.
  • a lithium secondary battery including an electrolyte composition injected into a battery case together with an electrode assembly is provided.
  • the lithium secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly including the positive electrode of the present invention described above, and the electrode assembly may have a structure that is inserted into the battery case together with the electrolyte composition.
  • the electrolyte composition includes, but is not limited to, organic liquid electrolyte, inorganic liquid electrolyte, solid polymer electrolyte, gel-type polymer electrolyte, solid inorganic electrolyte, and molten inorganic electrolyte that can be used when manufacturing a lithium secondary battery.
  • the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
  • the organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
  • the organic solvent includes ester solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, ⁇ -butyrolactone, and ⁇ -caprolactone; Ether-based solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; Ketone-based solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (propylene carbonate) Carbonate-based solvents such as PC); Alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; nitriles such as R-CN (R is a C2 to C20 straight-
  • carbonate-based solvents are preferable, and cyclic carbonates (e.g., ethylene carbonate or propylene carbonate, etc.) with high ionic conductivity and high dielectric constant that can improve the charge/discharge performance of the battery, and low-viscosity linear carbonate-based compounds ( For example, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, etc.) are more preferable.
  • cyclic carbonate and chain carbonate in a volume ratio of about 1:1 to 9 can result in excellent electrolyte performance.
  • the lithium salt may be used without particular limitation as long as it is a compound that can provide lithium ions used in lithium secondary batteries.
  • the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN( C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 .
  • LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 may be used.
  • the concentration of the lithium salt can be used within the range of 0.1M to 2.0M.
  • the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so excellent electrolyte performance can be achieved and lithium ions can move effectively.
  • the electrolyte includes, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity; or pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexanoic acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N -One or more additives such as substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride may be further included. At this time, the additive may be included in an amount of 0.1% to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
  • haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate for the purpose of improving battery life characteristics, suppress
  • the lithium secondary battery containing the positive electrode according to the present invention stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics, and capacity maintenance rate, and is therefore used in portable devices such as mobile phones, laptop computers, digital cameras, and hybrid electric vehicles (hybrid electric vehicles). It is useful in the field of electric vehicles such as electric vehicle (HEV).
  • HEV electric vehicle
  • the lithium secondary battery according to the present invention is not limited in appearance depending on the use of the battery, and the shape can be adopted according to a case commonly used in the industry.
  • the lithium secondary battery may be a battery including a cylindrical or square-shaped battery case using a can, a pouch-shaped battery, or a coin-shaped battery case.
  • the lithium secondary battery may be a prismatic secondary battery including a prismatic can as a battery case.
  • N-methylpyrrolidone solvent was injected into a homo mixer, and LiFePO 4 (hereinafter referred to as 'LFP') as the first cathode active material and the second cathode active material were used to form the first to third cathode mixture layers.
  • LiFePO 4 hereinafter referred to as 'LFP'
  • 'NCM' average particle size: about 2 ⁇ m
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • the slurry prepared to form each positive electrode composite layer was prepared to contain 48.5 parts by weight of the positive electrode active material, 1 part by weight of the conductive material, and 0.5 parts by weight of the binder based on solid content, and the first and second positive electrode active materials included in each slurry
  • the content ratio (unit: parts by weight) and the average particle size (unit: ⁇ m) of the first positive electrode active material were adjusted as shown in Table 1.
  • an aluminum sheet (average thickness: 12 ⁇ m) as a positive electrode current collector, sequentially cast the slurry for forming the first to third positive electrode composite layers prepared previously on the prepared aluminum sheet, and then dry in a vacuum oven at 130°C.
  • a positive electrode was manufactured by rolling. At this time, the total thickness of the rolled positive electrode mixture layer was 150 ⁇ m, and the thickness of the individual positive electrode mixture layers was 50 ⁇ m for the three-layer structure and 75 ⁇ m for the two-layer structure.
  • a negative electrode active material in which natural graphite and artificial graphite are mixed at a weight ratio of 1:1, mix 97 parts by weight of the negative electrode active material and 3 parts by weight of styrene butadiene rubber (SBR) with water to form a negative electrode slurry, and then use a negative electrode current collector. It was cast on a phosphor copper sheet. The thin copper plate on which the cathode slurry was cast was dried in a vacuum oven at 130°C and rolled to prepare a cathode. At this time, the thickness of the negative electrode mixture layer was 130 ⁇ m.
  • SBR styrene butadiene rubber
  • An electrode assembly was manufactured by opposing the manufactured cathode to the anode prepared in each of the examples and comparative examples as shown in Table 2 below, and interposing a separator made of 18 ⁇ m polypropylene between them.
  • Each manufactured electrode assembly was inserted into a prismatic battery case, an electrolyte composition was injected into the battery case, and the case was sealed to manufacture a prismatic lithium secondary battery.
  • Example 7 Anode prepared in Example 1
  • Example 8 Anode prepared in Example 2
  • Example 9 Anode prepared in Example 3
  • Example 10 Anode prepared in Example 4
  • Example 11 Anode prepared in Example 5
  • Example 12 Anode prepared in Example 6 Comparative Example 4 Anode prepared in Comparative Example 1 Comparative Example 5 Anode prepared in Comparative Example 2 Comparative Example 6 Anode prepared in Comparative Example 3
  • the surface of the positive electrode composite layer of the positive electrode prepared in Examples and Comparative Examples was attached to a slide glass using double-sided tape. Double-sided tape was also attached to the surface of the positive electrode current collector, and a part of it (10 mm or less from the end of the adhesive surface) was removed and attached to a 25 mm ⁇ 100 mm PET film in the longitudinal direction. Then, insert the slide glass into the lower holder of the UTM equipment (LLOYD Instrument LF Plus), insert the PET film portion attached to the positive electrode current collector into the upper holder of the UTM equipment, and apply force at 180° at 300 mm/min at 25°C. The force required to peel the positive electrode current collector and the positive electrode mixture layer (positive electrode current collector-positive electrode mixture layer adhesion) was measured. The results are shown in Table 3 below.
  • the lithium secondary batteries manufactured in Examples and Comparative Examples were charged and discharged three times each, the voltage according to SOC was measured, and the voltage deviation that occurred when SOC changed by 1% was calculated for each section. At this time, the charge and discharge were performed three times at a 0.1C rate with a cutoff potential of 2.8V and a maximum charge voltage of 3.6V.
  • the voltage deviation is a first section including SOC 30 to 55%; a second section containing 30-70% SOC; and SOC 65-95% were calculated for the third section, and the results are shown in Table 3 below.
  • the positive electrode for lithium secondary batteries according to the present invention has excellent battery safety and the state of charge (SOC) can be easily estimated and/or measured.
  • the positive electrode of the example according to the present invention has a high adhesion between the positive electrode current collector and the positive electrode composite layer of 49 gf/mm or more, and the internal and external temperatures of the battery when overcharged are low at less than 55°C and less than 41°C, respectively. This means that the safety of the secondary battery including the positive electrode is high.
  • the voltage change per 1% SOC in the second section including 50% state of charge (SOC) of the anodes of the example increased to 43.1 mV or more.
  • the voltage change per 1% of SOC in the first and third sections, where the voltage difference due to change in state of charge (SOC) is small is 11.8 each. It was confirmed that there was a large voltage deviation of more than mV and more than 2.9 mV. This means that the state of charge (SOC) of the battery can be easily estimated with high confidence.
  • the positive electrode according to the present invention can implement a large voltage deviation for each state of charge (SOC) of a secondary battery, the state of charge (SOC) can be easily estimated and/or measured with high reliability when applied to a secondary battery. It can be seen that the safety of the secondary battery is further improved because the heat generated by the lithium composite metal oxide can be easily released to the outside.

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 상기 양극은 다층 구조의 양극 합재층에 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질과 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 함께 함유하여 이차전지의 충전 상태(SOC)별로 큰 전압 편차를 구현할 수 있으므로 이차전지의 적용 시 충전 상태(SOC)를 높은 신뢰도로 쉽게 추정 및/또는 측정할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 리튬 이차전지용 양극은 복수의 양극 합재층 중 양극 집전체와 인접한 제1 양극 합재층에 리튬 복합 금속 산화물을 소량 함유함으로써 리튬 복합 금속 산화물로 인해 발생된 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있으므로 이차전지의 안전성이 보다 향상되는 효과가 있다.

Description

상태 추정이 용이한 리튬 이차전지
본 발명은 전지의 충전 상태를 쉽게 판단할 수 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2022. 04. 13일자 대한민국 특허 출원 제10-2022-0045864호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개신된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 적용되고 있다.
이차전지는 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체와 전해액을 포함하고, 이들을 보호하는 다층 외장재를 몸체로 포함하고, 이러한 이차전지는 복수의 셀을 장착한 전지 모듈 형태로 사용될 수 있다.
이러한 이차전지를 중대형 장치에 적용하기 위해서는 높은 에너지 밀도가 요구되므로 Ni 함량이 60% 이상인 LiNiaCobMncO2(0.6≤a≤0.9, a+b+c=1), 층상 구조의 리튬 니켈 금속 산화물을 양극활물질로서 사용함으로써 고용량을 구현하고 있다.
그러나, 리튬 니켈 금속 산화물에서 니켈의 함량 증가에 따른 구조 안정성의 저하에 기인하는 전지 특성의 저하, 특히 고온의 환경에서의 전지 특성 열화와 열 안정성의 감소가 심각하게 발생하는 것이 문제되어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
한편, 올리빈(olivin) 구조를 갖는 리튬인산철(LiFePO4)은 구조적 안정성이 가장 우수하기 때문에, 수명 특성이 우수하고, 과충전 및 과방전을 비롯한 모든 안전성에서 우수한 장점이 있는 유망한 활물질이다. 특히, 리튬인산철(LiFePO4)은 PO4의 강한 결합력으로 인해 고온 안정성이 우수하고, 자원적으로 풍부하고 저가인 철을 포함하기 때문에 상술한 LiCoO2, LiNiO2, 또는 LiMn2O4 보다 저가이며, 독성도 낮기 때문에 환경에 부여되는 영향도 적다.
그러나, 리튬인산철(LiFePO4)은 도 1에 나타낸 바와 같이 충방전 시 전압의 변화가 크지 않고 일정하므로 이차전지의 충전 상태(state of charge, SOC)를 추정하는데 어렵고, 이에 따라 이차전지를 사용하는 장치의 전원 관리가 쉽지 않은 문제가 있다.
따라서, 양극활물질로서 리튬인산철(LiFePO4)을 포함하여 전지의 안전성이 높을 뿐만 아니라 전지의 충전 상태 추정이 용이한 기술의 개발이 요구되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 공개특허 제10-2020-0024980호
대한민국 공개특허 제10-2014-0017470호
이에, 본 발명의 목적은 양극활물질로서 리튬인산철(LiFePO4)을 포함하여 전지의 안전성이 높으면서 전지의 충전 상태 추정이 용이한 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
양극 집전체 상에 n개(단, n≥2)의 양극 합재층이 위치하되,
양극 집전체 표면에 맞닿는 제1 양극 합재층은 하기 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질 및 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 포함하고,
상기 제1 양극 합재층 상에 배치되는 n-1개의 양극 합재층은 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다:
[화학식 1]
LiFeaM1 1-aXO4
[화학식 2]
Lix[NiyCozMnwM2 v]O2
상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
X는 P, Si, S, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며,
a 는 0≤a≤0.5이고,
M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이며,
x, y, z, w 및 v는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<1, 0≤z≤1, 0≤w≤1, 0≤v≤0.1이되, y+z+w+v=1이다.
이때, 상기 제1 양극 합재층은 양극 집전체와 맞닿는 면에서 타면으로 진행됨에 따라 제2 양극활물질의 농도가 감소하는 경향을 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 양극활물질은 전체 양극 합재층의 중량에 대하여 10 중량% 미만으로 포함될 수 있다.
아울러, 상기 양극 합재층의 총 두께는 50㎛ 내지 300㎛일 수 있고, 양극 합재층 중 제1 양극 합재층의 두께는 양극 합재층 총 두께의 10% 내지 60%일 수 있다.
나아가, 상기 양극은 이차전지에 적용 시 SOC 30~70% 범위에서 SOC 1%당 5mV 내지 60 mV의 전압 변화량을 가질 수 있으며; 및/또는 SOC 65~95% 범위에서 SOC 1%당 0.1mV 내지 60 mV의 전압 변화량을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 리튬 이차전지용 전극 조립체를 제공한다.
여기서, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 합재층을 포함하고, 상기 음극 합재층은 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 하드 카본, 소프트 카본, 탄소섬유, 카본 블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄, 아세틸렌블랙 및 케첸블랙 중 1종 이상의 탄소계 음극활물질을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 전극 조립체;
상기 전극 조립체가 삽입되는 전지 케이스; 및
전극 조립체와 함께 전지 케이스에 주입되는 전해질 조성물을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
여기서, 상기 리튬 이차전지는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 각형 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 다층 구조의 양극 합재층에 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질과 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 함께 함유하여 이차전지의 충전 상태(SOC)별로 큰 전압 편차를 구현할 수 있으므로 이차전지의 사용 시 충전 상태(SOC)를 높은 신뢰도로 쉽게 추정 및/또는 측정할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 리튬 이차전지용 양극은 복수의 양극 합재층 중 양극 집전체와 인접한 제1 양극 합재층에 리튬 복합 금속 산화물을 소량 함유함으로써 리튬 복합 금속 산화물로 인해 발생된 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있으므로 이차전지의 안전성이 보다 향상되는 효과가 있다.
도 1은 리튬인산철(LiFePO4)을 양극활물질로 포함하는 리튬 이차전지(음극활물질: 흑연)의 충전 상태(SOC)에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
리튬 이차전지용 양극
본 발명은 일실시예에서,
양극 집전체 상에 n개(단, n≥2)의 양극 합재층이 위치하되,
양극 집전체 표면에 맞닿는 제1 양극 합재층은 하기 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질 및 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 포함하고,
상기 제1 양극 합재층 상에 배치되는 n-1개의 양극 합재층은 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다:
[화학식 1]
LiFeaM1 1-aXO4
[화학식 2]
Lix[NiyCozMnwM2 v]O2
상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
X는 P, Si, S, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며,
a 는 0≤a≤0.5이고,
M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이며,
x, y, z, w 및 v는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<1, 0≤z≤1, 0≤w≤1, 0≤v≤0.1이되, y+z+w+v=1이다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 양극 집전체와 상기 양극 집전체 상에 2개 이상의 개별 합재층이 적층된 다층 구조의 양극 합재층을 포함한다.
구체적으로, 상기 양극 합재층은 n개(단, n≥2)의 개별 양극 합재층이 양극 집전체 상에 적층된 구조를 갖는다. 이때, 양극 집전체에 맞닿는 면에 적층되는 양극 합재층은 제1 양극 합재층이고, 상기 제1 양극 합재층 상에는 제2 양극 합재층 내지 제n 양극 합재층이 순차적으로 적층되어 양극 집전체 상에 n개의 개별 양극 합재층이 위치하게 된다.
상기 양극 합재층은 2층 이상의 구조를 갖는다면 층수가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 2층 내지 10층; 2층 내지 8층; 2층 내지 6층; 또는 2층 4층일 수 있다. 본 발명은 양극 합재층의 적층 수를 상기 범위로 조절함으로써 양극의 제조 효율 저하를 방지하면서 전극의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며 동시에 전지의 충방전 시 발생된 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.
또한, 상기 양극 합재층은 전지의 충방전 시 가역적으로 리튬 이온의 인터칼레이션과 디인터칼레이션이 가능한 양극활물질 함유 슬러리를 도포, 건조 및 가압하여 제조되는데, 상기 양극활물질은 각 층에 상이한 종류 및/또는 함량으로 포함될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 양극은 양극 집전체 표면에 맞닿는 제1 양극 합재층은 하기 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질 및 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 포함하고, 상기 제1 양극 합재층 상에 배치되는 n-1개의 양극 합재층은 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질을 포함한다:
[화학식 1]
LiFeaM1 1-aXO4
[화학식 2]
Lix[NiyCozMnwM2 v]O2
상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
X는 P, Si, S, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며,
a 는 0≤a≤0.5이고,
M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이며,
x, y, z, w 및 v는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<1, 0≤z≤1, 0≤w≤1, 0≤v≤0.1이되, y+z+w+v=1이다.
상기 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물은 올리빈(olivin) 구조를 가져 구조적 안정성이 가장 우수하기 때문에, 수명 특성이 우수하고, 과충전 및 과방전을 비롯한 모든 안전성에서 우수한 장점이 있는 유망한 활물질이다. 특히, 상기 인산철 화합물은 PO4의 강한 결합력으로 인해 고온 안정성이 우수하고, 또한 자원적으로 풍부하고 저가인 철을 포함하기 때문에 상술한 LiCoO2, LiNiO2, 또는 LiMn2O4 보다 저가이며, 독성도 낮기 때문에 환경에 부여되는 영향도 적다. 반면, 인산철 화합물은 충방전 시 전압의 변화가 크지 않고 일정하므로 이차전지의 충전 상태(state of charge, SOC) 추정이 어려워 이차전지를 사용하는 장치의 전원 관리가 쉽지 않은 문제가 있다.
이에, 본 발명에 따른 양극은 양극 합재층 전반에 안정성이 우수한 올리빈(Olivine) 결정구조의 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 제1 양극활물질로서 포함하면서, 양극 집전체와 맞닿는 제1 양극 합재층에 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 더 포함하는 구성을 가짐으로써, 리튬 이차전지의 안정성을 높이면서 전지의 충전 상태(SOC)를 높은 신뢰도로 쉽게 측정할 수 있고, 동시에 복수의 양극 합재층 중 양극 집전체와 인접한 제1 양극 합재층에 리튬 복합 금속 산화물을 소량 함유함으로써 리튬 복합 금속 산화물로 인해 발생된 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있으므로 이차전지의 안전성이 보다 향상되는 효과가 있다.
여기서, 상기 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물은 철을 포함하는 리튬 인산화물로서, 경우에 따라서 다른 전이금속(M1)이 도핑된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 인산철 화합물은 LiFePO4, LiFe0.8Mn0.2PO4, LiFe0.5Mn0.5PO4 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물은 리튬과 함께 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)을 포함하는 금속 산화물로서, 경우에 따라서는 다른 전이금속(M2)이 도핑된 형태를 가질 수 있다. 구체적인 예에서, 보다 구체적으로, 상기 리튬 복합 금속 산화물은 Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2, Li(Ni0.7Co0.15Mn0.15)O2, Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2, Li(Ni0.9Co0.05Mn0.05)O2, Li(Ni0.6Co0.2Mn0.1Zr0.1)O2, Li(Ni0.6Co0.2Mn0.15Zr0.05)O2 및 Li(Ni0.7Co0.1Mn0.1Zr0.1)O2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 제1 양극활물질은 0.5 내지 5㎛의 평균 입도를 가질 수 있으며, 구체적으로는 0.5 내지 1.0㎛; 0.8 내지 1.2㎛; 1.0 내지 2.0㎛; 1.5 내지 3.0㎛; 또는 2.0 내지 3.0㎛의 평균 입도를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 양극활물질은 n개의 양극 합재층 전반에 균일하게 분산되되, 양극 집전체와 맞닿는 제1 양극 합재층에서 양극 집전체와 가장 이격된 제n 양극 합재층으로 양극 합재층의 위치가 변화됨에 따라 각 양극 합재층에 함유된 제1 양극활물질의 평균 입도가 감소하는 경향을 가질 수 있다.
구체적으로, 제1 양극 합재층에 포함된 제1 양극활물질은 1.2 내지 1.9㎛의 평균 입도를 가질 수 있으며, 제n 양극 합재층 (단, n≥2)에 포함된 제1 양극활물질은 0.5 내지 0.9㎛의 평균 입도를 가질 수 있다.
하나의 예로서, 제1 양극 합재층에 포함된 제1 양극활물질은 1.2 내지 1.9㎛의 평균 입도를 가질 수 있으며, 제2 양극 합재층에 포함된 제1 양극활물질은 0.5 내지 0.9㎛의 평균 입도를 가질 수 있다.
다른 하나의 예로서, 제1 양극 합재층에 포함된 제1 양극활물질은 1.5 내지 1.9㎛의 평균 입도를 가질 수 있고, 제2 양극 합재층에 포함된 제1 양극활물질은 1.1 내지 1.4㎛의 평균 입도를 가질 수 있으며, 제3 양극 합재층에 포함된 제1 양극활물질은 0.5 내지 0.9㎛의 평균 입도를 가질 수 있다.
본 발명은 양극 집전체에서 인접한 위치에서 가장 이격된 위치로 진행됨에 따라 개별 양극 합재층에 함유된 제1 양극활물질의 평균 입도가 감소하도록 조절함으로써 양극의 이온 이동도를 증가시킬 수 있으며, 동시에 양극 집전체와 양극 합재층 간의 접착력을 개선할 수 있다.
또한, 상기 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질은 제1 양극 합재층에만 함유되되, 전체 양극 합재층의 중량에 대하여 10 중량% 미만으로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 전체 양극 합재층 중량에 대하여 0.1 내지 9.9 중량%; 0.5 내지 8.0 중량%; 0.5 내지 6.0 중량%; 0.1 내지 5.0 중량%; 0.1 내지 3.0 중량%; 1.0 내지 3.0 중량%; 2.5 내지 5.0 중량%; 4.0 내지 8.0 중량%; 또는 6.0 내지 9.9 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명은 제1 양극 합재층에 함유되는 제2 양극활물질의 함량을 전체 양극 합재층 중량에 대하여 상기와 같은 범위로 제어함으로써 미미한 함량으로 인해 전지 충전 상태에 따른 양극의 전압 변화가 충분히 구현되지 않아 SOC 추정 신뢰도가 저하되는 것을 방지할 수 있고, 과량의 제2 양극활물질로 인해 충방전 시 양극에서 발열이 심하게 발생되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 상기 제2 양극활물질은 제1 양극 합재층 내부에 분산된 구조를 갖되, 제1 양극 합재층의 두께 방향으로 제2 양극활물질의 농도가 변화되는 경향을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 양극 합재층은 양극 집전체와 맞닿는 면에서 제1 양극 합재층에 형성된 제2 양극 합재층과 맞닿는 면으로 진행됨에 따라 제2 양극활물질의 농도가 감소하는 경향을 나타낼 수 있으며, 여기서 '농도가 감소한다'란 제2 양극활물질의 함량 또는 함량 비율이 해당 양극 합재층의 전체 중량을 기준으로 감소함을 의미할 수도 있다.
상기 제2 양극활물질은 제1 양극 합재층에서 충전 상태(SOC)에 따른 전압 변화가 작은 제1 양극활물질과 혼합되어 충전 상태(SOC)별 전압 편차를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 제2 양극활물질은 제1 양극 합재층 내부에서 양극 집전체와 가까운 위치일수록 그 농도가 높아지는 구성을 가짐으로써 충전 상태(SOC)별 전압편차를 보다 높은 신뢰도로 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 충방전 시 제2 양극활물질로 인해 발생되는 열을 양극 집전체로 용이하게 전달할 수 있으므로 양극에서의 발열을 쉽게 제어할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 상술된 구성을 가짐으로써 전지의 안전성이 높을 뿐만 아니라 충전 상태에 따른 큰 전압 변화를 구현할 수 있으므로, 전지의 상태 추정(SOC)이 용이한 이점이 있다.
구체적으로, 상기 양극은 이차전지에 적용 시 25℃, SOC 30~70% 범위에서 SOC 1%당 5mV 내지 60 mV의 전압 변화량을 나타낼 수 있으며, 구체적으로는 10mV 내지 50 mV; 20mV 내지 50 mV; 30mV 내지 50 mV; 35mV 내지 45 mV; 40mV 내지 48 mV; 또는 42mV 내지 45 mV의 전압 변화량을 나타낼 수 있다.
하나의 예로서, 상기 양극은 음극활물질로서 흑연을 포함하는 이차전지에 적용되는 경우, 25℃, SOC 30~70% 범위에서 SOC 1%당 43.1 mV 내지 44.0 mV의 전압 변화량을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 양극은 이차전지에 적용 시 25℃, SOC 65~95% 범위에서 SOC 1%당 0.1mV 내지 60 mV의 전압 변화량을 나타낼 수 있으며, 구체적으로는 0.1mV 내지 40 mV; 0.1mV 내지 20 mV; 0.1mV 내지 10 mV; 1mV 내지 10 mV; 2.5mV 내지 10 mV; 또는 3.0mV 내지 7.0 mV의 전압 변화량을 나타낼 수 있다.
하나의 예로서, 상기 양극은 음극활물질로서 흑연을 포함하는 이차전지에 적용되는 경우, 25℃, SOC 65~95% 범위에서 SOC 1%당 2.5 mV 내지 9 mV의 전압 변화량을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 양극은 이차전지에 적용 시 충전 상태(SOC)의 구간 별로 상기와 같은 큰 전압 편차를 가짐으로써 전지의 충전 상태를 높은 신뢰도로 용이하게 추정 및/또는 측정할 수 있으므로 이차전지를 사용하는 장치의 전원 관리가 편리한 이점이 있으며, 상기 전압 변화량은 음극활물질의 종류에 따라 그 변화량이 상이할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 필요에 따라서 양극 합재층에 도전재, 바인더, 기타 첨가제 등을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 각 양극 합재층에 함유된 제1 및 제2 양극활물질은 각 양극 합재층 중량 기준 85 중량부 이상 포함될 수 있으며, 구체적으로는 90 중량부 이상, 93 중량부 이상 또는 95 중량부 이상 포함될 수 있다.
또한, 상기 도전재는 양극의 전기적 성능을 향상시키기 위해 사용되는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 적용할 수 있으나, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 수퍼-P, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 그래핀 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 도전재는 각 양극 합재층 중량 기준 0.1~5 중량부로 포함할 수 있고, 구체적으로는 0.1~4 중량부; 2~4 중량부; 1.5~5 중량부; 1~3 중량부; 0.1~2 중량부; 또는 0.1~1 중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 바인더는 양극활물질, 양극 첨가제 및 도전재가 서로 결착되게 하는 역할을 수행하며, 이러한 기능을 갖는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVdF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVdF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지를 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride)를 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 바인더는 각 양극 합재층 중량 기준 1~10 중량부로 포함할 수 있고, 구체적으로는 2~8 중량부; 또는 도전재 1~5 중량부로 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 양극 합재층의 총 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 50㎛ 내지 300㎛일 수 있으며, 보다 구체적으로는 100㎛ 내지 200㎛; 80㎛ 내지 150㎛; 120㎛ 내지 170㎛; 150㎛ 내지 300㎛; 200㎛ 내지 300㎛; 또는 150㎛ 내지 190㎛일 수 있다.
또한, 양극 합재층을 구성하는 개별 양극 합재층 중 양극 집전체와 맞닿는 제1 양극 합재층은 그 두께가 일정 범위로 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 양극 합재층의 두께는 양극 합재층의 총 두께의 10% 내지 60%일 수 있으며, 보다 구체적으로는 양극 합재층 총 두께의 10% 내지 40%; 30% 내지 50%; 10% 내지 20%; 또는 40% 내지 60%일 수 있다.
본 발명은 양극 합재층의 총 두께 및 개별 두께를 상기 범위로 조절함으로써 전극의 에너지 밀도가 저감되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 양극 집전체와 양극 합재층간의 높은 접착력을 구현할 수 있다.
나아가, 상기 양극에 구비된 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리된 것을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 집전체의 평균 두께는 제조되는 양극의 도전성과 총 두께를 고려하여 5~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.
리튬 이차전지용 전극 조립체
또한, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 리튬 이차전지용 전극 조립체를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 전극 조립체는 상술된 본 발명의 양극을 구비하여 이차전지의 충전 상태(SOC)별로 큰 전압 편차를 구현할 수 있으므로 이차전지의 사용 시 충전 상태(SOC)을 높은 신뢰도로 쉽게 추정 및/또는 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 복합 금속 산화물로 인해 발생된 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있으므로 이차전지의 안전성이 보다 향상되는 이점이 있다.
여기서, 상기 양극은 상술된 본 발명의 리튬 이차전지용 양극과 구성이 동일하므로 세부 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 상기 음극은 양극과 동일한 방식으로, 음극 집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되는 음극 합재층을 구비하며, 필요에 따라 도전재, 바인더, 기타 전해액 첨가제 등을 선택적으로 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 음극활물질은 당업계에서 통상적으로 사용하는 것을 적용할 수 있으나, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 하드 카본, 소프트 카본, 탄소섬유, 카본 블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄, 아세틸렌블랙 및 케첸블랙 중 1종 이상의 탄소계 음극활물질을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 음극 합재층은 음극 집전체와의 접착력을 구현하는 한편, 음극활물질와 도전재, 기타 첨가제 등이 서로 결착될 수 있도록 바인더를 포함할 수 있다. 이러한 바인더로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 음극 합재층 중량 기준 1~10 중량부로 포함할 수 있고, 구체적으로는 2~8 중량부; 또는 도전재 1~5 중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극 합재층은 100㎛ 내지 200㎛의 평균 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 100㎛ 내지 180㎛, 100㎛ 내지 150㎛, 120㎛ 내지 200㎛, 140㎛ 내지 200㎛ 또는 140㎛ 내지 160㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.
이와 더불어, 상기 음극은 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 음극 집전체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 집전체로서 구리, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 구리나 스테리인레스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리된 것을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질과의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 음극 집전체의 평균 두께는 제조되는 음극의 도전성과 총 두께를 고려하여 3~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.
나아가, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로는, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌; 유리섬유; 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는, 상기 시트나 부직포와 같은 다공성 고분자 기재에 무기물 입자/유기물 입자가 유기 바인더 고분자에 의해 코팅된 복합 분리막이 사용될 수도 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 아울러, 상기 분리막의 기공 직경은 평균 0.01~10 ㎛이고, 두께는 평균 5~300 ㎛일 수 있다.
리튬 이차전지
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 전극 조립체;
상기 전극 조립체가 삽입되는 전지 케이스; 및
전극 조립체와 함께 전지 케이스에 주입되는 전해질 조성물을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상술된 본 발명의 양극을 포함하는 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체는 전해질 조성물과 함께 전지 케이스에 삽입되는 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 전극 조립체는 상술된 본 발명의 전극 조립체와 구성이 동일하므로 세부 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 상기 전해질 조성물은 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 사이클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화 수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1~9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
또한, 상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다.
아울러, 상기 리튬염의 농도는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로에틸렌 카보네이트 등과 같은 할로알킬렌 카보네이트계 화합물; 또는 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 용량 유지율을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.
나아가, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 전지의 용도에 따라 외형에 제한이 없으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 케이스에 의해 형태가 채택될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬 이차전지는 캔을 사용한 원통형 또는 각형이나 파우치형 또는 코인형의 전지 케이스를 포함하는 전지일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 리튬 이차전지는 전지 케이스로서 각형 캔을 포함하는 각형 이차전지일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~6 및 비교예 1~3. 리튬 이차전지용 양극의 제조
호모 믹서(homo mixer)에 N-메틸피롤리돈 용매를 주입하고, 제1 양극 합재층 내지 제3 양극 합재층을 구성하기 위하여 제1 양극활물질로서 LiFePO4 (이하, 'LFP'), 제2 양극활물질로서 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (이하, 'NCM', 평균 입도: 약 2㎛), 도전재로서 카본블랙 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 각각 투입하였다. 그런 다음, 3,000rpm에서 60분 동안 혼합하여 제1 양극 합재층 형성용 슬러리, 제2 양극 합재층 형성용 슬러리 및 제3 양극 합재층 형성용 슬러리를 각각 준비하였다.
이때, 각 양극 합재층을 형성하기 위해 준비된 슬러리는 고형분 기준 양극활물질 48.5 중량부, 도전재 1 중량부 및 바인더 0.5 중량부를 포함하도록 준비되었으며, 각 슬러리에 포함된 제1 양극활물질 및 제2 양극활물질의 함량 비율 (단위: 중량부) 및 제1 양극활물질의 평균 입도(단위: ㎛)는 표 1에 나타낸 바와 같이 조절되었다.
양극 집전체로서 알루미늄 박판(평균 두께: 12㎛)을 준비하고, 준비된 알루미늄 박판에 앞서 제조된 제1 내지 제3 양극 합재층 형성용 슬러리를 순차적으로 캐스팅한 후, 130℃ 진공오븐에서 건조시킨 후 압연하여 양극을 제조하였다. 이때, 압연된 양극 합재층의 총 두께는 150㎛였으며, 개별 양극 합재층의 두께는 3층 구조의 경우 50㎛이고, 2층 구조의 경우 75㎛이였다.
합재층
구조		 제1 양극 합재층 제2 양극 합재층 제3 양극 합재층
NCM 함량 LFP 함량 LFP 입도 LFP 함량 LFP 입도 LFP 함량 LFP 입도
실시예 1 2층 5 45 1.5 50 1.2 - -
실시예 2 3층 1.5 48.5 1.5 50 1.2 50 0.8
실시예 3 3층 7.5 42.5 1.5 50 1.2 50 0.8
실시예 4 3층 13.5 36.5 1.5 50 1.2 50 0.8
실시예 5 3층 22.5 27.5 1.5 50 1.2 50 0.8
실시예 6 3층 7.5 42.5 1.2 50 1.2 50 1.2
비교예 1 1층 100 - - - - - -
비교예 2 1층 - 100 1.5 - - - -
비교예 3 1층 5 95 1.5 - - - -
실시예 7~12 및 비교예 4~6. 전극 조립체 및 리튬 이차전지의 제조
천연 흑연 및 인조 흑연이 1:1의 중량 비율로 혼합된 음극활물질을 준비하고, 음극활물질 97 중량부와 스티렌부타디엔 고무(SBR) 3 중량부를 물과 혼합하여 음극 슬러리를 형성한 다음, 음극 집전체인 구리 박판 상에 캐스팅하였다. 음극 슬러리가 캐스팅된 구리 박판을 130℃ 진공오븐에서 건조시키고 압연하여 음극을 제조하였다. 이때, 음극 합재층의 두께는 130㎛이었다.
제조된 음극과 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 앞서 실시예 및 비교예에서 각각 준비된 양극을 대향시키고, 이들 사이에 18μm의 폴리프로필렌으로 이루어진 세퍼레이터를 개재시켜 전극 조립체를 제작하였다. 제조된 각 전극 조립체를 각형 전지 케이스에 삽입하고, 전지 케이스에 전해질 조성물을 주입한 후 케이스를 실링하여 각형 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때, 상기 전해질 조성물으로서, 에틸렌카보네이트(EC):디메틸카보네이트(DMC):디에틸카보네이트(DEC)=1:1:1 (부피비)의 혼합물에, 리튬 헥사플루오로 포스페이트(LiPF6, 1.0M) 및 비닐카보네이트(VC, 2 중량%)을 혼합한 용액을 사용하였다.
사용된 양극의 종류
실시예 7 실시예 1에서 제조된 양극
실시예 8 실시예 2에서 제조된 양극
실시예 9 실시예 3에서 제조된 양극
실시예 10 실시예 4에서 제조된 양극
실시예 11 실시예 5에서 제조된 양극
실시예 12 실시예 6에서 제조된 양극
비교예 4 비교예 1에서 제조된 양극
비교예 5 비교예 2에서 제조된 양극
비교예 6 비교예 3에서 제조된 양극
실험예.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극의 효과를 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
가) 양극 집전체와 양극 합재층의 접착력 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 양극의 양극 합재층 표면에 양면 테이프를 이용하여 슬라이드 글라스에 부착하였다. 양극 집전체 표면에도 양면 테이프를 부착하고, 이 중 일부(접착면 끝단에서 10 mm 이하)를 떼어내어 25 mm × 100 mm PET 필름과 길이 방향으로 연결되도록 붙였다. 그런 다음, UTM 장비(LLOYD Instrument LF Plus)의 아래쪽 홀더에 슬라이드 글라스를 끼우고 UTM 장비의 위쪽 홀더에는 양극 집전체와 붙어있는 PET 필름 부위를 끼워 25℃에서 300 mm/min으로 180°로 힘을 가해 양극 집전체와 양극 합재층을 박리하는데 필요한 힘(양극 집전체-양극 합재층 접착력)을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
나) SOC 구간별 전압 편차 평가
실시예 및 비교예에서 각각 제조된 리튬 이차전지들을 대상으로 충방전을 각각 3회 수행하여 SOC에 따른 전압을 측정하여 SOC 1% 변화될 때 발생되는 전압 편차를 구간별로 산출하였다. 이때, 상기 충방전은 컷오프 전위를 2.8V, 최대 충전 전압 3.6V로 하고, 충방전을 0.1C 레이트로 3회 수행하였다. 또한, 상기 전압 편차는 SOC 30~55%을 포함하는 제1 구간; SOC 30~70%을 포함하는 제2 구간; 및 SOC 65~95%를 포함하는 제3 구간에 대하여 산출하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
다) 충방전 시 전지 발열 평가
실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지들을 대상으로 과충전을 수행하고, 과충전된 이차전지의 표면 온도와 내부 온도를 측정하였다. 구체적으로, 각 대상 이차전지들의 케이스 내측에 열 센서를 장착하고, 4.2V로 충전한 후 충전된 전지를 1A의 정전류로 10V가 될 때까지 과충전하였다. 그런 다음, 10V의 정전압을 6시간 동안 유지하였다. 6시간이 경과되면, 각 이차전지에 장착된 열 센서로 전지의 내부 온도를 측정하였으며, 각 이차전지들의 표면을 열화상 카메라로 촬영하여 이차전지의 온도를 3회 측정하고 그 평균값을 산출하여 과충전 시 전지의 표면 온도로 측정하였다. 측정된 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
집전체와 합재층간 접착력 [gf/㎝] SOC 1% 변화 시 전압 변화량 [mV] 과충전 시 전지 온도
제1 구간 제2 구간 제3 구간 내부 표면
실시예 7 55 12.3 43.5 5.1 45±1℃ 36±1℃
실시예 8 49 11.8 43.1 2.9 41±1℃ 33±1℃
실시예 9 57 12.4 43.5 5.1 42±1℃ 33±1℃
실시예 10 57 13.3 43.9 7.9 45±1℃ 36±1℃
실시예 11 55 14.2 44.3 8.5 54±1℃ 41±1℃
실시예 12 56 12.3 43.5 5.0 44±1℃ 35±1℃
비교예 4 50 28.2 52.1 58.3 63±1℃ 54±1℃
비교예 5 22 11.6 43.0 2.3 41±1℃ 32±1℃
비교예 6 47 12.2 43.5 5.0 47±1℃ 38±1℃
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 전지 안전성이 우수하고 충전 상태(SOC)를 쉽게 추정 및/또는 측정할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 실시예의 양극은 양극 집전체와 양극 합재층의 접착력이 49 gf/mm 이상으로 높고, 과충전 시 전지의 내외부 온도가 각각 55℃ 미만 및 41℃ 미만으로 낮은 것을 알 수 있다. 이는 상기 양극을 포함하는 이차전지의 안전성이 높음을 의미한다. 또한, 실시예의 양극들은 충전 상태(SOC) 50%를 포함하는 제2 구간에서의 SOC 1%당 전압 변화량이 43.1 mV 이상으로 증가하는 것으로 확인되었다. 특히, 리튬인산철(LiFePO4)을 양극활물질로 포함하는 전지의 경우 충전 상태(SOC) 변화에 따른 전압 차이가 미미하게 나타나는 제1 구간과 제3 구간에서의 SOC 1%당 전압 변화량이 각각 11.8 mV 이상 및 2.9 mV 이상으로 큰 전압 편차를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 전지의 충전 상태(SOC)를 높음 신뢰도로 쉽게 추정할 수 있음을 의미한다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 양극은 이차전지의 충전 상태(SOC)별로 큰 전압 편차를 구현할 수 있으므로 이차전지의 적용 시 충전 상태(SOC)을 높은 신뢰도로 쉽게 추정 및/또는 측정할 수 있고, 리튬 복합 금속 산화물로 인해 발생된 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있으므로 이차전지의 안전성이 보다 향상됨을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
[부호의 설명]
1: 리튬 이차전지용 양극
10: 양극 집전체
20: 다층 구조의 양극 합재층
21: 개별 양극 합재층
21a: 제1 양극 합재층
21b: 제n 양극 합재층

Claims (11)

  1. 양극 집전체 상에 n개(단, n≥2)의 양극 합재층이 위치하되,
    양극 집전체 표면에 맞닿는 제1 양극 합재층은 하기 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질 및 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 복합 금속 산화물을 포함하는 제2 양극활물질을 포함하고,
    상기 제1 양극 합재층 상에 배치되는 n-1개의 양극 합재층은 화학식 1로 나타내는 인산철 화합물을 포함하는 제1 양극활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 양극:
    [화학식 1]
    LiFeaM1 1-aXO4
    [화학식 2]
    Lix[NiyCozMnwM2 v]O2
    상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
    M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, CO, Ni, Mn, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
    X는 P, Si, S, As 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며,
    a 는 0≤a≤0.5이고,
    M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소며,
    x, y, z, w 및 v는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<1, 0≤z≤1, 0≤w≤1, 0≤v≤0.1이되, y+z+w+v=1이다.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 양극 합재층은 양극 집전체와 맞닿는 면에서 타면으로 진행됨에 따라 제2 양극활물질의 농도가 감소하는 경향을 갖는 리튬 이차전지용 양극.
  3. 제1항에 있어서,
    제2 양극활물질은 전체 양극 합재층의 중량에 대하여 10 중량% 미만으로 포함되는 리튬 이차전지용 양극.
  4. 제1항에 있어서,
    양극 합재층의 총 두께는 50㎛ 내지 300㎛인 리튬 이차전지용 양극.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 양극 합재층의 두께는 양극 합재층 총 두께의 10% 내지 60%인 리튬 이차전지용 양극.
  6. 제1항에 있어서,
    양극은 이차전지에 적용 시 SOC 30~70% 범위에서 SOC 1%당 5mV 내지 60 mV의 전압 변화량을 갖는 리튬 이차전지용 양극.
  7. 제1항에 있어서,
    양극은 이차전지에 적용 시 SOC 65~95% 범위에서 SOC 1%당 0.1mV 내지 60 mV의 전압 변화량을 갖는 리튬 이차전지용 양극.
  8. 제1항에 따른 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 리튬 이차전지용 전극 조립체.
  9. 제9항에 있어서,
    음극은 음극 집전체 상에 음극 합재층을 포함하고,
    상기 음극 합재층은 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 하드 카본, 소프트 카본, 탄소섬유, 카본 블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄, 아세틸렌블랙 및 케첸블랙 중 1종 이상의 탄소계 음극활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 전극 조립체.
  10. 제8항에 따른 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 삽입되는 전지 케이스; 및
    전극 조립체와 함께 전지 케이스에 주입되는 전해질 조성물을 포함하는 리튬 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    리튬 이차전지는 각형 이차전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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