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KR20160066161A - 이차 전지의 애노드 전극 - Google Patents

이차 전지의 애노드 전극 Download PDF

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KR20160066161A
KR20160066161A KR1020140170156A KR20140170156A KR20160066161A KR 20160066161 A KR20160066161 A KR 20160066161A KR 1020140170156 A KR1020140170156 A KR 1020140170156A KR 20140170156 A KR20140170156 A KR 20140170156A KR 20160066161 A KR20160066161 A KR 20160066161A
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anode electrode
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박정석
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 이차 전지의 애노드 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 그라파이트를 포함하는 제1 활물질층 상에 하드 카본을 포함하는 제2 활물질을 일정한 패턴으로 코팅하거나 높이 및 두께를 랜덤(Random)하게 코팅한 이차 전지의 애노드 전극에 관한 것이다.

Description

이차 전지의 애노드 전극{Anode electrode of secondary battery}
본 발명은 이차 전지의 애노드 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 그라파이트를 포함하는 제1 활물질층 상에 하드 카본을 포함하는 제2 활물질을 일정한 패턴으로 코팅하거나 높이 및 두께를 랜덤(Random)하게 코팅한 이차 전지의 애노드 전극에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 뿐만 아니라 전기 자동차 배터리 및 에너지 저장 시스템 등 고출력을 요하는 분야에까지 적용 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차 전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 에너지 저장 용량을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차 전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차 전지는 수용액 전해액을 사용하는 N-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리(intercalation and disintercalation)가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 음극과 양극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.
현재 리튬 이차 전지의 음극을 구성하는 음극 활물질로는 탄소성 물질이 주로 사용되고 있다. 이 중 흑연의 경우, 이론 용량이 약 372 mAh/g 정도이며, 현재 상용화된 흑연의 실제 용량은 약 350 내지 360 mAh/g 정도까지 실현되고 있다.
그러나, 전기 자동차 배터리 및 에너지 저장 시스템과 같이 정전력을 이용하여 충방전을 수행하는 경우, 충전 초기 충전 전압 낮아 충전 전류가 상승하고 이에 따라, 높은 충방전율(C-rate)로 인해 배터리의 용량 저하가 발생하는 문제점이 나타난다.
이에, 본 발명자는 상술된 문제점을 해결하기 위하여, 그라파이트를 포함하는 제1 활물질층 상에 하드 카본을 포함하는 제2 활물질을 일정한 패턴으로 코팅하거나 높이 및 두께를 랜덤하게 코팅하여 율속 효율이 그라파이트 보다 높은 하드 카본에 양이온이 우선적으로 삽입되도록 함으로써, 정전력을 이용하여 충방전을 수행하는 이차 전지에서 초기 높은 충방전율로 인한 용량 저하를 방지하는 이차 전지의 애노드 전극을 발명하기에 이르렀다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 그라파이트를 포함하는 제1 활물질층 상에 하드 카본을 포함하는 제2 활물질을 일정한 패턴으로 코팅하거나 높이 및 두께를 랜덤하게 코팅함으로써, 양이온이 율속 효율이 높은 하드 카본에 우선적으로 삽입되도록 하는 이차 전지의 애노드 전극을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른, 이차 전지의 애노드 전극은 제1 활물질층; 및 상기 제1 활물질층 상에 적어도 일부분에 형성되는 제2 활물질;을 포함하고, 상기 제2 활물질은 하드 카본을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 활물질층은, 인조 흑연 및 천연 흑연 중 어느 하나 이상으로 구성된 그라파이트를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 활물질은, 높이 및 두께가 일정한 패턴을 가지도록 상기 제1 활물질층 상에 코팅될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 활물질의 높이는 1㎛ 내지 0.1mm 범위일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 활물질은, 높이 및 두께가 랜덤(Random)하도록 상기 제1 활물질층 상에 코팅될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 활물질은, 상기 제1 활물질층의 전극 용량을 기준으로 2 내지 3% 전극 용량을 가지도록 상기 제1 활물질층 상에 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극은 그라파이트를 포함하는 제1 활물질층 상에 하드 카본을 포함하는 제2 활물질을 일정한 패턴으로 코팅하거나 높이 및 두께를 랜덤하게 코팅하여 율속 효율이 그라파이트 보다 높은 하드 카본에 양이온이 우선적으로 삽입되도록 함으로써, 정전력을 이용하여 충방전을 수행하는 이차 전지에서 초기 높은 충방전율로 인한 용량 저하를 방지하여 이차 전지의 용량을 향상시키는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 음극을 포함하는 이차 전지의 정전력 충전 시 측정되는 이차 전지의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극에 삽입되는 양이온의 이동 경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 기능성 노트북 케이스의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 종래의 음극을 포함하는 이차 전지의 정전력 충전 시 측정되는 이차 전지의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
고출력 에너지 시스템의 운영을 위해 정전력을 이용하여 전력을 충방전하는 전기 자동차 배터리 및 에너지 저장 시스템 등에서는 충전 시 초기 높은 충방전율로 인해 배터리의 용량 저하가 발생하는 문제점을 가진다.
도 1을 살펴보면, 종래의 음극을 포함하며 정격용량이 15700mAh인 이차 전지를 58W의 정전력으로 충전하는 경우, 충전 초기에는 이차 전지에 3.00V의 저전압이 인가된다. 이때, 이차 전지의 충전 전류는 19.33A이며, 이차 전지의 충방전율(C-rate)은 약 1.23C로 산출된다.
이후, 충전이 지속되어 이차 전지의 충전 전압은 4.15V까지 상승하게 되고, 이차 전지의 충전 전류가 13.98A으로 감소하여 이차 전지의 충방전율은 약 0.89C로 산출된다. 즉, 정전력을 이용하여 이차 전지를 충방전하는 경우, 이차 전지의 충전 전압과 충방전율은 반비례하는 특성을 보이며 특히, 충전 초기에는 이차 전지의 낮은 충전 전압으로 인해 높은 충방전율의 특성을 보인다.
한편, 이차 전지는 충방전율이 높을수록 화학 반응에 참여하는 이온의 확산 속도가 감소하여 이차 전지의 용량이 줄어드는 특성을 가진다. 이에 따라, 상술된 이차 전지와 같이 정전력을 이용하여 충방전을 수행하는 이차 전지의 경우, 충전 초기 높은 충방전율로 인하여 이차 전지의 용량이 감소하는 문제를 가진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극의 단면을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극에 삽입되는 양이온의 이동 경로를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 이차 전지의 애노드 전극(100)은 제1 활물질층(110)과 제1 활물질층(110) 상에 형성된 제2 활물질(120)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)은 고출력 에너지 시스템의 운영을 위하여 정전력을 이용하여 충방전을 수행하는 이차 전지의 음극일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)은 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 양극 전류 집전체에 결착한 형태로 제조될 수 있다.
이때, 음극 전류 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
제1 활물질층(110)은 이차 전지의 방전 시 자발적인 산화반응이 일으켜 이차 전지의 양이온을 방출하고, 충전 시 환원반응을 일으켜 이차 전지의 양이온을 저장한다.
제1 활물질층(110)은 인조 흑연 및 천연 흑연 중 어느 하나 이상으로 구성된 그라파이트를 포함할 수 있다.
이때, 제1 활물질층(110)의 높이는 특별히 제한되지 않으나 10 내지 100㎛ 범위인 것이 바람직하며, 제1 활물질층(110)의 형태 또한 특별히 제한되지 않으나 직사각의 평평한 판 형태인 것이 바람직하다.
제2 활물질(120)은 제1 활물질층(110) 상에 형성되어 이차 전지의 방전 시에는 자발적인 산화반응이 일으켜 이차 전지의 양이온을 방출하고, 충전 시에는 환원반응을 일으켜 이차 전지의 양이온을 저장한다.
이때, 제2 활물질(120)은 열적 금속 증착(thermal metal evaporation), 전자빔 증착(electron beam evaporation), RF 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 원자층 증착(atomic layer deposition), 아크 기상 증착(arc vapor deposition), 이온빔 보조증착 등과 같은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition), 또는 CVD(Chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 등과 같은 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition) 공정에 의하여, 제1 활물질층(110) 상에 증착함으로써 형성될 수 있다.
제2 활물질(120)은 하드 카본을 포함할 수 있다.
여기서, 하드 카본은 제조 시의 열처리 온도에 따라 이론 용량이 상이한 전극재로써 제2 활물질(120)로 사용되는 하드 카본의 경우, 1000 ℃에서 열처리 되어 이론 용량이 최대인 하드 카본을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상술된 제1 활물질층(110)에 포함된 그라파이트와 제2 활물질(120)에 포함된 하드 카본을 비교하면, 그라파이트의 경우 탄소의 층상 구조에 양이온이 삽입 및 탈리되는 경로가 2차원으로 한정되어 있어 충방전율이 클수록 충전이 진행되지 않아 이차 전지의 용량 저하가 발생할 수 있다.
반면에, 하드 카본의 경우 양이온이 삽입되기 위한 경로가 한정적이지 않고 그라파이트 보다 많아 우수한 율속 특성(Rate Performance)을 발휘하므로 고 충방전율의 환경에서 발생하는 이차 전지의 용량 저하를 방지할 수 있다.
하지만, 그라파이트에 비해 높은 하드 카본의 단가로 인해 하드 카본만으로 이차 전지의 음극을 구성할 수 없으므로, 본 발명의 이차 전지의 애노드 전극(100)과 같이, 그라파이트를 포함하는 제1 활물질층(110) 상에 하드 카본을 포함하는 제2 활물질(120)을 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제2 활물질(120)은 제1 활물질층(110)의 전극 용량을 기준으로 2 내지 3% 전극 용량을 가지도록 제1 활물질층(110)에 코팅되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 제1 활물질층(110)에 포함된 전극재의 이론 용량과 제1 활물질층(110)의 질량을 이용하여 제1 활물질층(110)의 전극 용량을 산출하고, 산출된 제1 활물질층(110)의 전극 용량을 기준으로 2 내지 3% 전극 용량을 가지도록 제2 활물질(120)에 포함된 전극재의 이론 용량을 이용하여 제1 활물질층(110) 상에 코팅되는 제2 활물질(120)의 질량을 산출할 수 있다.
예를 들어, 제1 활물질층(110)을 이론 용량이 372mAh/g인 그라파이트 100g으로 제조하고 이론 용량이 600mAh/g인 하드 카본을 포함하는 제2 활물질(120)을 코팅하는 경우, 제1 활물질층(110)의 전극 용량 37200mAh의 2%에 해당하는 전극 용량 742mAh이 되도록 1.23g의 하드 카본으로 제1 활물질층(110) 상에 제2 활물질(120)를 코팅하여 이차 전지의 애노드 전극(100)을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)의 제2 활물질(120)은 높이(H) 및 두께(W)가 랜덤하도록 제1 활물질층(110) 상에 코팅될 수 있다. 이때, 제2 활물질(120)의 높이는 1㎛ 내지 0.1mm 범위인 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 활물질(120)은 높이(H) 및 두께(W)가 랜덤하여 제1 활물질층(110) 상에 코팅된 제2 활물질(120) 간에 높이차가 발생할수 있으며, 제1 활물질층(110) 상에 일부 영역에만 제2 활물질(120)이 코팅될 수 있다.
이에 따라, 정전력를 이용하여 충전을 수행하는 이차 전지의 충전 초기에는 이차 전지의 양극(200)으로부터 탈리된 양이온(10, Li+ -)이 제1 활물질층(110)으로 이동하지 않고 최단 거리에 위치한 제2 활물질(120) 방향으로 이동 경로를 변경하여 이동함으로써, 제2 활물질(120)에 삽입될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)은 고 충방전률로 이차 전지가 충전되더라도, 율속 특성이 높은 하드 카본이 포함된 제2 활물질(120)과 양이온이 먼저 화학 반응을 함으로써, 고 충방전률로 인한 이차 전지의 용량 저하를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)과 이차 전지에 함께 적용될 양극(200)은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 양극 활물질을 양극 전류 집전체에 결착한 형태로 제조할 수 있다.
양극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
양극 전류 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100')은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)의 제2 활물질(120)이 제1 활물질층(110) 상에 형성되는 형태만이 상이하므로 그 외 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100')의 제2 활물질(120')은 높이(H) 및 두께(W)가 일정한 패턴을 가지도록 제1 활물질층(110') 상에 코팅될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 활물질(120')은 도 4에 도시된 바와 같이, 높이(H) 및 두께(W)가 일정한 패턴으로써 제2 활물질(120') 간에 높이차가 없으며 제1 활물질층(110) 상에 일부 영역에만 동일한 간격으로 제2 활물질(120)이 코팅될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100')의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)과 달리 양이온과 화학 반응을 일으키는 제1 활물질층(110)과 제2 활물질(120)의 표면적이 균일하여 용량 편차가 발생하지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100") 역시 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100)의 제2 활물질(120)이 제1 활물질층(110) 상에 형성되는 형태만이 상이하므로 그 외 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100")의 제2 활물질(120")은 높이(H, H') 및 두께(W)가 일정한 패턴을 가지도록 제1 활물질층(110") 상에 코팅될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 활물질(120")은 도 5에 도시된 바와 같이, 두께(W)는 동일하고 높이는 H 및 H' 두 가지 형태가 반복되는 패턴으로 제1 활물질층(110) 상에 일부 영역에만 코팅될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 애노드 전극(100")의 경우, 높이가 H'인 제2 활물질(120")과 양극(도 3의 200) 간에 거리는 높이가 H인 제2 활물질(120")과 양극 간에 거리 보다 짧아 양극으로부터 탈리된 양이온이 높이가 H'인 제2 활물질(120")로 우선적으로 이동하여 화학반응이 일어날 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 100', 100" : 이차 전지의 애노드 전극
110 : 제1 활물질층
120 : 제2 활물질
200 : 양극

Claims (6)

  1. 이차 전지의 애노드 전극에 있어서,
    제1 활물질층; 및
    상기 제1 활물질층 상에 적어도 일부분에 형성되는 제2 활물질;을 포함하고,
    상기 제2 활물질은 하드 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    이차 전지의 애노드 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활물질층은,
    인조 흑연 및 천연 흑연 중 어느 하나 이상으로 구성된 그라파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    이차 전지의 애노드 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 활물질은,
    높이 및 두께가 일정한 패턴을 가지도록 상기 제1 활물질층 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는,
    이차 전지의 애노드 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 활물질의 높이는 1㎛ 내지 0.1mm 범위인 것을 특징으로 하는,
    이차 전지의 애노드 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 활물질은,
    높이 및 두께가 랜덤(Random)하도록 상기 제1 활물질층 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는,
    이차 전지의 애노드 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 활물질은,
    상기 제1 활물질층의 전극 용량을 기준으로 2 내지 3% 전극 용량을 가지도록 상기 제1 활물질층 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는,
    이차 전지의 애노드 전극.
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KR1020140170156A KR20160066161A (ko) 2014-12-02 2014-12-02 이차 전지의 애노드 전극

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11929487B2 (en) 2018-01-25 2024-03-12 Lg Energy Solution, Ltd. Method of preparing negative electrode for lithium secondary battery

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