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KR102457745B1 - 부극 집전체, 부극판, 전기화학 장치 및 장치 - Google Patents

부극 집전체, 부극판, 전기화학 장치 및 장치 Download PDF

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KR102457745B1
KR102457745B1 KR1020207034275A KR20207034275A KR102457745B1 KR 102457745 B1 KR102457745 B1 KR 102457745B1 KR 1020207034275 A KR1020207034275 A KR 1020207034275A KR 20207034275 A KR20207034275 A KR 20207034275A KR 102457745 B1 KR102457745 B1 KR 102457745B1
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electrode current
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conductive layer
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신 리우
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컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
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Abstract

본 출원은 부극 집전체, 부극판, 전기화학 장치 및 장치에 관한 것으로, 부극 집전체는 지지층 및 상기 지지층 자체의 두께 방향에서 서로 대향하는 두 개의 표면 중 적어도 하나에 설치된 전도층을 포함하며, 상기 지지층의 밀도는 상기 전도층의 밀도보다 작고, 상기 전도층의 두께 D1은 300nm≤D1≤2μm, 바람직하게는 500nm≤D1≤1.5μm를 충족하며, 상기 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때, 상기 전도층의 면저항 증가율은 T≤5%이다.

Description

부극 집전체, 부극판, 전기화학 장치 및 장치
본 출원은 2019년 04월 28일에 출원되고, 발명의 명칭이 “부극 집전체, 부극판 및 전기화학 장치”인 중국 특허 출원 201910350620.0의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 인용되었다.
본 출원은 전기화학 장치 기술 분야에 속하며, 더욱 상세하게는 부극 집전체, 부극판, 전기화학 장치 및 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지를 대표로 하는 이차 전지는 높은 에너지 밀도, 고 출력 전력, 긴 사이클 수명, 낮은 환경 오염 등의 장점이 있기에, 전기 자동차 및 가전 제품(consumer electronics)에 널리 사용되고 있다. 이차 전지의 적용 범위가 계속 확대됨에 따라, 이차 전지의 에너지 밀도에 대한 사람들의 요구도 점점 더 높아지고 있다. 따라서, 이차 전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시키는 것은, 시급히 해결해야 할 기술 문제로 되고 있다.
본 발명자는, 예를 들어 이차 전지와 같은 기존의 전기화학 장치는, 집전체의 전도성 및 집전 성능에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하기 위해, 일반적으로 비교적 큰 두께 (예를 들어 18μm ~ 30μm) 및 비교적 높은 밀도를 갖는 금속 집전체를 사용하고 있으나, 이러한 금속 집전체는 배터리의 에너지 밀도를 불리하게 감소시키고 있는 것이 발견되었다.
본 발명자는, 양호한 전도성 및 집전 성능을 가짐과 동시에 자체 중량을 줄일 수 있도록 하기 위해, 전통적인 집전체를 개선하기 위하여 많은 연구를 수행하여, 높은 중량 에너지 밀도와 양호한 종합적인 전기화학적 성능을 동시에 고려한 전기화학적 장치를 제공한다.
따라서, 본 출원의 제1 양태는 부극 집전체를 제공하는 바, 부극 집전체는 지지층 및 지지층 자체의 두께 방향에서 서로 대향하는 두 개의 표면 중 적어도 하나에 설치된 전도층을 포함하며,
지지층의 밀도는 전도층의 밀도보다 작고,
전도층의 두께 D1은 300nm≤D1≤2μm, 바람직하게는 500nm≤D1≤1.5μm를 충족하며,
부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때, 전도층의 면저항 증가율 T≤5%, 바람직하게는 ≤2.5%이다.
본 출원의 제2 양태는 부극판을 제공하는 바, 부극판은 부극 집전체 및 부극 집전체에 설치된 부극 활성 재료층을 포함하고, 부극 집전체는 본 출원의 제1 양태의 부극 집전체이다.
본 출원의 제3 양태는 전기화학 장치를 제공하는 바, 전기화학 장치는 정극판, 부극판 및 전해질을 포함하고, 부극판은 본 출원의 제2 양태의 부극판이다.
본 출원의 제4 양태는, 본 출원의 제3 양태의 전기하학 장치를 포함하는 장치를 제공한다.
본 출원에서 제공되는 부극 집전체는 밀도가 작은 지지층과 두께가 감소된 전도층을 포함하기에, 기존의 금속 집전체에 비해, 부극 집전체 자체의 중량이 현저히 감소되며, 따라서 중량 에너지 밀도가 현저히 향상된 전기화학 장치를 얻을 수 있다. 또한, 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%인 경우, 전도층의 면저항 증가율 T≤5%이기에, 얇은 두께의 전도층이 인장 변형으로 인해 저항이 급격히 증가하는 것을 방지하므로, 부극 집전체가 추가 처리 및 전기화학 장치의 사용 중에서 양호한 전도성 및 집전의 성능을 유지하도록 보장한다. 본 출원에서 제공되는 부극 집전체 또는 부극판은 이를 사용하는 전기화학 장치로 하여금 낮은 임피던스를 갖고 또한 부극 분극이 작도록 하며, 전기화학 장치로 하여금 양호한 레이트 성능, 사이클 성능 및 동력학적 성능 등 전기화학적 성능을 갖도록 한다. 따라서, 본 출원에서 제공되는 전기화학 장치는, 본 출원의 부극 집전체 또는 부극판을 사용하기에, 높은 중량 에너지 밀도 및 양호한 종합적인 전기화학적 성능을 동시에 고려할 수 있다.
본 출원의 장치는 본 출원에서 제공하는 전기화학 장치를 포함하기에, 적어도 전술한 전기화학 장치와 동일한 장점을 갖는다.
본 출원 실시예의 기술안을 보다 명확하게 설명하기 위해, 이하에서는 본 출원 실시예에 사용될 첨부 도면을 간략하게 소개한다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 창의적인 작업 없이 이러한 첨부 도면을 기반으로 다른 첨부 도면을 획득할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 2는 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 3은 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 4는 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 5는 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 6은 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 7은 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 8은 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 9는 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극 집전체의 구조도이다.
도 10은 본 출원의 일 실시예에 따른 부극판의 구조도이다.
도 11은 본 출원의 다른 일 실시예에 따른 부극판의 구조도이다.
도 12는 본 출원의 일 실시예에 따른 이차 전지의 모식도이다.
도 13은 본 출원의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모식도이다.
도 14는 본 출원의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 모식도이다.
도 15는 도 14의 분해도이다.
도 16은 본 출원의 일 실시예에 따른 장치의 모식도이다.
본 출원의 발명 목적, 기술안 및 유익한 기술적 효과를 보다 명확하게 설명하기 위해, 이하에서는 실시예와 결합하여 본 출원을 상세하게 설명한다. 명세서에 기재된 실시예는 단지 본 출원을 설명하기 위해 구성되며 본 출원을 제한하는 것이 않임을 이해해야 한다.
단순화를 위해, 여기에서는 일부 수치 범위 만 명확히 설명한다. 하지만, 임의의 하한은 임의의 상한과 결합하여 지정되지 않은 범위를 형성할 수 있고, 임의의 하한은 다른 하한과 결합하여 지정되지 않은 범위를 형성할 수 있으며, 마찬가지로 임의의 상한은 다른 상한과 결합하여 지정되지 않은 범위를 형성 할 수 있다. 또한 명확하게 기재되지는 않았지만, 범위의 끝점 사이의 모든 포인트 또는 단일 값은 모두 이 범위 내에 포함된다. 따라서, 각 포인트 또는 단일 값은, 자체의 하한 또는 상한으로 사용되어 다른 포인트 또는 단일 값과 결합하거나 다른 하한 또는 상한과 결합하여 지정되지 않은 범위를 형성할 수 있다.
본 명세서의 설명에서, 특별히 설명하지 않는 한, "이상", "이하"는 지정 수치를 포함하고, "하나 또는 복수"중 의 "복수"는 둘 이상을 의미함을 유의해야 한다.
본 출원의 전술한 발명의 내용은 본 출원 중의 모든 개시된 실시형태 또는 실현방식을 설명하기 위한 것이 아니다. 다음 설명은 예시적인 실시형태를 보다 구체적으로 예시한다. 본 출원의 여러 위치에서, 다양한 조합으로 사용될 수 있는 일련의 실시예를 통해 지침을 제공한다. 각 예에 있어서, 열거는 대표로만 사용되며 전체로 해석되어서는 안된다.
부극 집전체
본 출원의 제1 양태에 따른 부극 집전체는, 전통적인 금속 동박 부극 집전체와 비해, 낮은 중량과 양호한 전도성 및 집전 성능을 동시에 고려할 수 있다.
도 1은 부극 집전체 (10)의 일 예를 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 부극 집전체 (10)는 적층 설치된 지지층 (101) 및 전도층 (102)을 포함하고, 지지층 (101)은 두께 방향에서 서로 대향하는 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)에 적층 설치된다.
도 2는 부극 집전체 (10)의 다른 일 예를 개략적으로 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 부극 집전체 (10)는 적층 설치된 지지층 (101)과 전도층 (102)을 포함하고, 지지층 (101)은 두께 방향에서 서로 대향하는 제1 표면 (101a)과 제2 표면 (101b)을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제 1 표면 (101a)에 적층 설치된다. 물론, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제2 표면 (101b)에 적층 설치될 수도 있다.
본 출원의 부극 집전체 (10)에 있어서, 지지층 (101)의 밀도는 전도층 (102)의 밀도보다 작고, 전도층 (102)의 두께 D1은 300nm≤D1≤2μm를 충족시킨다.
본 출원 실시예의 부극 집전체 (10)는 밀도가 작은 지지층 (101)과 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b) 중 적어도 하나에 설치된 두께가 감소된 전도층 (102)을 포함한다. 따라서, 부극 집전체 (10) 자체의 중량이 현저히 감소되어 중량 에너지 밀도가 현저히 향상된 전기화학 장치를 얻을 수 있다.
또한, 부극 집전체 (10)의 인장 변형률이 1.5%인 경우, 전도층 (102)의 면저항 (Sheet resistance) 증가율 T≤5%이다. 부극 집전체 (10)는 부극판의 가공 및 전기화학 장치의 사용 과정에서, 예를 들어 롤압연 또는 극판 팽창시, 종종 연신되어 인장 변형이 발생된다. 부극 집전체 (10)의 인장 변형률이 1.5%인 경우, 전도층 (102)의 면저항 증가율 T≤5%이며, 이는 얇은 두께의 전도층 (102)이 인장 변형으로 인해 저항이 급격하게 증가하는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이는 부극 집전체 (10)가 추가 처리 및 전기화학 장치의 사용에서 양호한 전도성 및 집전 성능을 유지할 수 있도록 보장한다. 이러한 부극 집전체 (10)는 획득된 전기화학 장치가 낮은 임피던스 및 작은 부극 분극을 가질 수 있도록 하여, 양호한 레이트 성능, 사이클 성능, 동력학적 성능 등 전기화학적 성능을 겸비하도록 한다.
따라서, 본 출원의 부극 집전체 (10)를 사용하면 전기화학 장치가 고 중량 에너지 밀도와 양호한 종합적인 전기화학적 성능을 겸비할 수 있도록 한다.
바람직하게는, 부극 집전체 (10)의 인장 변형률이 1.5%인 경우, 전도층 (102) 면저항 증가율 T≤2.5%이다.
부극 집전체 (10)의 인장 변형률 ε는 공식 ε=ΔL/L×100%에 따라 계산되는 바, 여기서, ΔL는 부극 집전체 (10)가 연신되어 생성되는 연신율이고, L는 부극 집전체 (10)의 원래 길이인 바 연신 전의 길이이다.
부극 집전체 (10)의 인장 변형률이 1.5%인 경우, 전도층 (102)의 면저항 증가율 T는 본 기술분야에서 이미 알려진 방법으로 측정할 수 있다. 예로서, 부극 집전체 (10)를 20mmХ200mm의 샘플로 절단하고, 4-프로브 방법을 사용하여 샘플 중앙 영역의 면저항을 측정하고 R1로 기록한다. 이어서 인장 시험기 (예를 들면 미국 인스트론 (Instron)사의 Instron 3365 인장 시험기)를 사용하여, 샘플의 중앙 영역을 연신하는 바, 초기 위치를 설정하고, 샘플의 50mm 길이의 중앙 영역이 클램프 사이에 고정되어 50mm/min의 속도로 연신되도록 하며, 연신 거리가 샘플의 원래 길이의 1.5%일 때, 다시말해서 연신 거리가 0.75mm일 때 정지한다. 연신 후의 샘플을 취하여, 측정용 샘플의 연신 후 중앙 영역의 전도층 (102)의 면저항을 측정하여 R2로 기록한다. 공식 T=(R2-R1)/R1Х100%에 따라, 부극 집전체 (10)의 인장 변형률이 1.5%일 때의 전도층 (102)의 면저항 증가율 T가 계산된다.
4-프로브 방법을 사용하여 측정용 샘플의 면저항을 측정하는 예시적인 방법은 다음과 같다. RTS-9 이중 전기 4-프로브 측정기를 사용하는 바, 측정 환경은, 상온 23±2℃, 0.1MPa 및 상대 습도≤65%이다. 측정 시, 샘플 표면을 청결한 후 측정 테이블에 수평으로 놓는다. 프로브가 샘플 표면과 잘 접촉하도록 4-프로브를 놓는다. 이어서 자동 측정 모드를 조정하여 샘플의 전류 범위를 정하고, 적절한 전류 범위 내에서 면저항의 측정을 진행하며, 동일한 샘플의 8 ~ 10개의 데이터 포인트를 수집하여 데이터 측정 정확도 및 오류 분석을 진행한다. 마지막으로 평균값을 취하여 샘플의 면저항 값으로 기록한다.
일부 실시예에 있어서, 지지층 (101)의 두께 D2는 1μm≤D2≤20μm를 충족한다. 지지층 (101)의 두께 D2는 지지층 (101)이 충분한 기계적 강도를 갖도록 하고, 가공 및 사용 중에 파단되기 쉽지 않도록 하며, 전도층 (102)에 대해 양호한 지지 및 보호 역할을 발휘하며, 부극 집전체 (10)의 양호한 기계적 안정성 및 작업 안정성을 보장하여 부극 집전체 (10)가 더 높은 수명을 가질 수 있도록 한다. 적절한 두께를 갖고 있는 지지층 (101)은 또한 전기화학 장치가 더 작은 부피와 중량을 갖도록 하여 전기화학 장치의 에너지 밀도를 증가시키는 데 유리하다.
일부 실시예에 있어서, 지지층 (101)의 두께 D2는 ≤20μm, ≤18μm, ≤15μm, ≤12μm, ≤10μm 또는 ≤8μm일 수 있고, 지지층 (101)의 두께 D2는 ≥1μm, ≥1.5μm, ≥2μm, ≥3μm, ≥4μm, ≥5μm, ≥6μm 또는 ≥7μm일 수 있다. 바람직하게는 1μm≤D2≤15μm이고, 보다 바람직하게는 2μm≤D2≤10μm이며, 더욱 바람직하게는 2μm≤D2≤6μm이다.
지지층 (101)의 두께 D2가 상기 요구 사항을 충족할 때, 부극 집전체 (10)가 양호한 기계적 안정성 및 작업 안정성을 갖도록 보장함과 동시에, 부극 집전체 (10)의 전체적인 중량을 가능한 감소시킬 수 있다.
일부 바람직한 실시예에 있어서, 지지층 (101)의 체적 저항률은 1.0x10-5Ω·m 이상이다. 지지층 (101)의 체적 저항률이 크기에, 볼트 관통 등과 같은 비정상적인 조건 하에서, 전기화학 장치에서 단락이 발생될 때의 단락 저항을 증가시키어 전기화학 장치의 안전 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 지지층 (101)의 체적 저항률은 20℃에서의 체적 저항률인 바, 본 기술분야의 이미 알려진 방법에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어, 항온 상압 저습도 챔버 (20℃, 0.1MPa, RH≤20%)에서 측정을 실시하고, 직경 20mm인 웨이퍼 지지층 (101)의 샘플을 제조하고 (샘플의 크기는 측정 기기의 실제 크기에 따라 조정 가능), 측정은 3-전극 표면 저항법 (GB T 1410-2006)을 사용하고 절연 저항 측정기 (정밀도 10Ω)를 사용하여 진행된다. 측정 방법은 다음과 같다. 웨이퍼 샘플을 두 전극 사이에 놓고, 두 전극 사이에 전위차를 적용하며, 생성된 전류는 웨이퍼 샘플의 몸체에 분포되며, 측정 중에 표면에 전류가 누설되어 생성되는 측정 오차를 방지하기 위해, 피코암미터 또는 전위계로 측정한다. 판독 값이 체적 저항률인 바, 단위는 Ω·m이다.
일부 실시예에 있어서, 지지층 (101)의 파단 연신율은 전도층 (102)의 파단 연신율 이상이다. 이렇게 하면 부극 집전체 (10)가 끊어지는 것을 더 잘 방지할 수 있다. 선택적으로, 지지층 (101)의 파단 연신율은 5% 이상이다. 바람직하게는, 지지층 (101)의 파단 연신율은 10% 이상이다.
파단 연신율은 본 기술분야에서 이미 알려진 방법을 사용하여 측정할 수 있다. 예를 들어, 지지층 (101)을 15mmХ200mm인 샘플로 자르고, 상온 상압 (25℃, 0.1MPa)에서 인장 시험기 (예를 들어 Instron 3365 인장 시험기)를 사용하여 인장 측정을 진행하는 바, 초기 위치를 설정하여 클램프 사이의 샘플의 길이가 50mm이고 인장 속도가 50mm/min가 되도록 하며, 인장 파단 시의 장치 변위 y (mm)를 기록하고, 마지막으로 (y/50)Х100%에 따라 파단 연신율을 계산한다. 전도층 (102)의 파단 연신율은 동일한 방법을 사용하여 편리하게 측정할 수 있다.
일부 바람직한 실시예에 있어서, 지지층 (101)의 영률 E≥4GPa이다. 지지층 (101)의 영률 E는 지지층 (101)이 적절한 강성을 갖도록 하는 데 적합하며, 이는 지지층 (101)의 전도층 (102)에 대한 지지 기능을 충족시킬 수 있고 부극 집전체 (10)의 전체적인 강도를 보장할 수 있다. 부극 집전체 (10)의 가공 중, 지지층 (101)은 과도하게 늘어나거나 변형되지 않는다. 적절한 영률을 갖는 지지층 (101)은 쉽게 끊어지지 않으며, 또한 지지층 (101)과 전도층 (102) 사이의 결합 견고성을 개선하여 분리가 용이하지 않도록 하는 데 유리하기에, 부극 집전체 (10)가 높은 기계적 안정성 및 작업 안정성을 갖도록 보장할 수 있다. 이러한 부극 집전체 (10)는 획득된 전기화학 장치가 예를 들면 긴 사이클 수명과 같은 높은 전기화학적 성능을 가질 수 있도록 한다.
보다 바람직하게는, 지지층 (101)의 영률 E는 4GPa≤E≤20GPa를 충족한다. 이는 지지층 (101)으로 하여금 강성을 가짐과 동시에 일정한 변형 저항 능력을 갖도록 한다. 지지층 (101)은 추가 처리 및 사용에서 권취될 수 있는 유연성이 있으며, 이는 끊어지는 것을 더 잘 방지할 수 있다.
지지층 (101)의 영률 E는 본 기술분야에서 이미 알려진 방법으로 측정할 수 있다. 예로서, 지지층 (101)을 15mmХ200mm 샘플로 절단하고, 마이크로 미터를 사용하여 샘플의 두께 h (μm)를 측정하고 상온 상압 (25℃, 0.1MPa)에서 인장 시험기 (예를 들어 Instron 3365 인장 시험기)를 사용하여 인장 측정을 진행하는 바, 초기 위치를 설정하여 클램프 사이의 샘플 길이가 50mm이고 인장 속도가 50mm/min이 되도록 하며, 파단될 때까지 인장되었을 때의 하중 L (N) 및 장치 변위 y (mm) 을 기록하는 바, 이때, 응력은 ε (GPa)=L/(15Хh)이 되고, 응력 변형은 η=y/50이 된다. 응력-응력 변형 곡선을 그리고, 초기 선형 영역의 곡선을 취하는 바, 이 곡선의 기울기가 영률 E이다.
바람직하게는, 지지층 (101)과 전도층 (102) 사이의 결합 강도 F≥100N/m이고, 더욱 바람직하게는 ≥400N/m이다. 지지층 (101)과 전도층 (102)은 견고하게 결합되어 전도층 (102)에 대한 지지층 (101)의 지지 기능을 효과적으로 발휘할 수 있고, 부극 집전체 (10)의 작업 안정성을 보장할 수 있다.
본 기술분야에서 이미 알려진 방법을 사용하여, 지지층 (101)과 전도층 (102) 사이의 결합 강도 F를 측정할 수 있다. 예를 들어, 전도층 (102)이 지지층 (101)의 일면에 설치된 부극 집전체 (10)를 측정용 샘플로 선택하는 바, 폭 d는 0.02m이다. 상온 상압 (25℃, 0.1MPa)에서 3M 양면 테이프를 스테인리스 강판에 골고루 붙인 후, 측정용 샘플을 양면 테이프에 고르게 붙인다. 인장 시험기 (예를 들어 Instron 3365 인장 시험기)를 사용하여, 측정용 샘플의 전도층 (102)과 지지층 (101)을 50mm/min의 속도로 180° 연속 박리한다. 인장력 및 변위 데이터 그래프에 따라 최대 인장력 x(N)을 판독하고 F=x/d에 따라 계산하여, 전도층 (102)과 지지층 (101) 사이의 결합 강도 F (N/m)를 얻는다.
일부 실시예에 있어서, 지지층 (101)은 고분자 재료 중 하나 이상을 포함한다. 고분자 재료의 밀도가 현저히 감소되기에, 부극 집전체 (10)의 중량을 현저히 감소시킬 수 있으며, 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 고분자 재료는 폴리 아미드계, 폴리 이미드계, 폴리 에스터계, 폴리 올레핀계, 폴리 알킨계, 실록산 폴리머, 폴리 에테르계, 폴리올계, 폴리 설폰계, 다당류 폴리머, 아미노산류 폴리머, 폴리 질화황계, 방향족 고리 폴리머, 방향족 헤테로 고리 폴리머, 에폭시 수지, 페놀 수지, 그 유도체, 그 가교체 및 그 공중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
폴리 아미드계는 폴리 카프로 락탐 （나일론6으로 알려짐）, 폴리 헥사 메틸렌 아디파미드 （나일론66으로 알려짐）, 폴리 p- 페닐렌 테레프탈 아미드 （PPTA）, 폴리 메타 페닐 렌 이소프 탈 아미드 （PMIA）에서 선택될 수 있고, 폴리 에스터계는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트 （PET）, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트 （PBT）, 폴리 에틸렌 나프탈레이트 （PEN）, 폴리 카보네이트 （PC）에서 선택될 수 있으며, 폴리 올레핀계는 폴리 에틸렌 （PE）, 폴리 프로필렌 （PP）, 폴리 에틸렌 프로필렌 （PPE）, 폴리 비닐 알코올 （PVA）, 폴리 스티렌 （PS）, 폴리 염화 비닐 （PVC）, 폴리 비닐 리덴 플루오라이드 （PVDF）, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 （PTEE）, 폴리 스티렌 설포네이트 나트륨 （PSS）에서 선택될 수 있으며, 폴리 알킨계는 예를 들어 폴리 아세틸렌이며, 실록산 폴리머는 예를 들어 실리콘 고무이며, 폴리 에테르계는 폴리 옥시 메틸렌 （POM）, 폴리 페닐렌 에테르 （PPO）, 폴리 페닐렌 설파이드 （PPS）에서 선택될 수 있으며, 폴리올계는 폴리 에틸렌 글리콜 （PEG）에서 선택될 수 있으며, 다당류 폴리머는 셀룰로오스, 전분에서 선택될 수 있으며, 아미노산류 폴리머는 단백질에서 선택될 수 있으며, 방향족 고리 폴리머는 폴리 페닐렌에서 선택될 수 있는 바, 예를 들어 폴리 파라 페닐렌이며, 방향족 헤테로 고리 폴리머는 폴리피롤 （PPy）, 폴리아닐린 （PAN）, 폴리티오펜 （PT）, 폴리피리딘 （PPY）에서 선택될 수 있으며, 공중합체는 예를 들어 아크릴로 니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체（ABS）이다.
일부 바람직한 실시예에 있어서, 지지층 (101)은 절연 고분자 재료 중 하나 이상을 사용한다. 이 지지층 (101)의 체적 저항률은 높은 바, 1.0Х109Ω·m 이상에 달할 수 있으며, 전기화학 장치의 안전 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 지지층 (101)은 폴리 에틸렌 테레프탈레이트 （PET）, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트 （PBT）, 폴리 에틸렌 나프탈레이트 （PEN）, 폴리 스티렌 설포네이트 나트륨 （PSS） 및 폴리 이미드 （PI） 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
고분자 재료의 화학적 조성, 분자량 및 분포, 사슬 구조 및 사슬 구축, 응집체 구조, 상 (相) 구조, 첨가제 등을 조절하여, 지지층 (101)이 소정의 체적 저항률, 파단 연신율 및 영률을 가지도록 하여, 전기화학 장치의 기계적 성능 및 전기화화적 성능을 개선하는 목적에 달할 수 있도록 한다.
일부 실시예에 있어서, 지지층 (101)은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제를 첨가하는 것을 통하여. 그 체적 저항률, 파단 연신율, 영률 등을 조절할 수 있다. 첨가제는 금속 재료 및 무기 비금속 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 금속 재료 첨가제는 알루미늄, 알루미늄 합금, 동, 동 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 철, 철 합금, 은 및 은 합금 중 하나 이상에서 선택될 수 있다. 무기 비금속 재료 첨가제는 탄소 기반 재료, 산화 알루미늄, 이산화 규소, 질화 규소, 탄화 규소, 질화 붕소, 규산염 및 산화 티타늄 중 하나 이상에서 선택될 수 있고, 예를 들어 유리 재료, 세라믹 재료 및 세라믹 복합 재료 중 하나 이상에서 선택될 수 있다. 탄소 기반 재료는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 카본 나노 섬유 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 첨가제는 금속 재료에 의해 코팅된 탄소 기반 재료일 수 있다. 예를 들어 니켈에 의해 코팅된 흑연 분말 및 니켈에 의해 코팅된 탄소 섬유 중 하나 이상일 수 있다.
본 출원 실시예의 부극 집전체 (10)에 있어서, 지지층 (101)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 단층 구조일 수 있고, 또한 2층, 3층, 4층 등과 같은 2층 이상의 복합층 구조일 수 있다.
도 3에 도시된 부극 집전체 (10)는 복합층 구조를 포함하는 지지층 (101)의 예이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 지지층 (101)은 제1 서브 층 (1011), 제2 서브 층 (1012) 및 제3 서브 층 (1013)이 적층 설치된 복합층 구조이다. 복합층 구조의 지지층 (101)은 서로 대향하는 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)에 적층 설치된다. 물론, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 또는 제2 표면 (101b)에만 설치될 수 있다.
지지층 (101)이 2층 이상의 복합층 구조일 경우, 각 서브 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 출원 실시예의 부극 집전체 (10)에 있어서, 전도층 (102)의 두께 D1은 300nm≤D1≤2μm를 충족한다. 전도층 (102)의 두께는 전통적인 금속 동박 집전체의 두께에 비해 크게 감소되고, 지지층 (101)의 밀도는 전도층 (102)의 밀도보다 작기에 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 적절한 두께를 갖는 전도층 (102)은 또한 부극 집전체 (10)가 양호한 전도성 및 집전 성능을 갖도록 보장하며, 부극 집전체 (10)가 양호한 기계적 안정성, 작업 안정성 및 높은 사용 수명을 갖도록 하여, 전기화학 장치가 양호한 전기화학적 성능을 갖도록 보장할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 전도층 (102)의 두께 D1은 ≤2μm, ≤1.8μm, ≤1.5μm, ≤1.2μm, ≤1μm 또는 ≤900nm일 수 있고, 전도층 (102)의 두께 D1은 ≥800nm, ≥700nm, ≥600nm, ≥500nm, ≥450nm, ≥400nm, ≥350nm 또는 ≥300nm일 수 있다. 바람직하게는 500nm≤D1≤1.5μm이다. 이것은 부극 집전체 (10)가 고 에너지 밀도와 전도성을 더욱 잘 고려하는 데 유리하다.
일부 바람직한 실시예에 있어서, 전도층 (102)의 체적 저항률은 1.3x10-8Ω·m ~ 1.3x10-7Ω·m이다. 적절한 체적 저항률을 갖는 전도층 (102)은 부극 집전체 (10)가 양호한 전도성 및 집전 성능을 가질 수 있도록 한다. 이러한 부극 집전체 (10)의 사용은 전기화학 장치로 하여금 저 임피던스 및 감소된 부극 분극을 갖도록 하기에, 전기화학 장치로 하여금 높은 레이트 성능 및 사이클 성능을 가질 수 있도록 한다. 바람직하게는, 전도층 (102)의 체적 저항률은 1.3Х10-8Ω·m ~ 3.3 Х 10-8Ω·m이고, 더욱 바람직하게는 1.65 Х 10-8Ω·m ~ 3.3Х10-8Ω·m이다. .
여기서, 전도층 (102)의 체적 저항률 (ρ)는 ρ=RSХd이고, 여기서 ρ의 단위는 Ω·m이며, RS는 전도층 (102)의 면저항이고, 단위는 Ω이며, d는 전도층 (102)의 m를 단위로 하는 두께이다. 4-프로브 방법을 사용하여 전도층 (102)의 면저항 RS를 측정하는 예시적인 방법은 다음과 같다. RTS-9 이중 전기적 4-프로브 측정기를 사용하는 바 측정 환경은, 상온 23±2℃, 0.1MPa, 상대 습도 ≤65%이다. 측정 시, 정극 집전체 (10) 샘플의 표면을 청결한 후, 측정 테이블에 수평으로 놓는다. 프로브가 샘플의 전도층 (102) 표면과 잘 접촉하도록 4-프로브를 놓은 후 자동 측정 모드를 조정하여 샘플의 전류 범위를 정하고, 적절한 전류 범위에서 면저항의 측정을 진행하며, 동일한 샘플의 8~10개의 데이터 포인트를 수집하여 데이터 측정 정확도 및 오류 분석을 진행한다. 마지막으로, 평균값을 취하여 전도층 (102)의 면저항으로 기록한다.
일부 실시예에 있어서, 전도층 (102)은 금속 재료를 포함한다. 금속 재료는 동, 동 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 동, 동 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄 및 은 중 하나 이상을 포함한다. 동 합금 중 동 원소의 중량 백분율은 바람직하게는 90wt% 이상이다. 니켈 합금은 니켈 동 합금을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 전도층 (102)은 금속 전도층이다.
다른 일 실시예에 있어서, 전도층 (102)은 또한 탄소 기반 전도성 재료 및 전도성 고분자 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 탄소 기반 전도성 재료 및 전도성 고분자 재료 중 하나 이상이, 전도층 (102) 중의 중량 백뷴율은 바람직하게는 10wt% 이하이다.
탄소 기반 전도성 재료는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀, 카본 나노 섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전도성 고분자 재료는 폴리 질화황계, 지방족 공액 폴리머, 방향족 고리 공액 폴리머 및 방향족 헤테로 고리 공액 폴리머 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 지방족 공액 폴리머는 예를 들어 폴리 아세틸렌이고, 방향족 고리 공액 폴리머는 예를 들어 폴리 페닐렌, 폴리 나프탈렌이며, 폴리 페닐렌은 예를 들어 폴리 파라 페닐렌이며, 방향족 헤테로 고리 공액 폴리머는 예를 들어 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피리딘이다. 또한, 또한 도핑에 의한 변성을 진행하여, 전도성 고분자 재료의 전도율을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 부극 집전체 (10)는 선택적으로 보호층을 더 포함한다. 보호층은 전도층 (102)과 지지층 (101) 사이에 설치될 수 있다. 또는, 보호층 (103)은 지지층 (101)과 배향하는 전도층 (102)의 표면에 설치될 수 있다. 또는, 전도층 (102)과 지지층 (101)의 사이 및 지지층 (101)과 배향하는 전도층 (102)의 표면에는 모두 보호층이 설치될 수 있다. 보호층은 전도층 (102)을 보호하여, 전도층 (102)에 화학적 부식 또는 기계적 파괴 등 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 부극 집전체 (10)는 높은 작업 안정성 및 사용 수명을 가지기에, 이는 전기화학 장치의 전기화학적 성능을 개선하는 데 유리하다. 또한, 보호층은 부극 집전체 (10)의 기계적 강도를 향상시킬 수도 있다.
일부 실시예에 있어서, 보호층은 금속, 금속 산화물 및 전도성 탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
보호층용 금속은 니켈, 크롬, 니켈 기반 합금 및 동 기반 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 니켈 기반 합금은 순수한 니켈을 베이스로 하고 하나 이상의 다른 원소를 추가하여 구성된 합금으로서, 바람직하게는 니켈-크롬 합금이다. 니켈-크롬 합금은 금속 니켈과 금속 크롬으로 형성된 합금이다. 선택적으로, 니켈-크롬 합금 중 니켈과 크롬의 중량비는 1:99 ~ 99:1인 바, 예를 들어 9:1이다. 동 기반 합금은 순수한 동을 베이스로 하고 하나 이상의 다른 원소를 추가하여 구성된 합금으로서, 바람직하게는 니켈-동 합금이다. 선택적으로, 니켈-동 합금 중 니켈과 동의 중량비는 1:99 ~ 99:1인 바, 예를 들어 9:1이다.
보호층용 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 코발트 산화물, 크롬 산화물 및 니켈 산화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
보호층용 전도성 탄소는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀, 카본 나노 섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있는 바, 바람직하게는 카본 블랙, 카본 나노 튜브, 아세틸렌 블랙 및 그래핀 중 하나 이상을 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 보호층은 바람직하게는 금속 또는 금속 산화물을 사용하는 바, 다시말해서 전도층 (102)에 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층을 설치한다. 금속 보호층과 금속 산화물 보호층은 내식성이 높고, 경도가 높으며, 비표면적이 크기에, 높은 종합 성능을 갖고 있다.
도 4 및 도 5는 보호층 (103)을 포함하는 부극 집전체 (10)의 일부 예를 도시한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 부극 집전체 (10)는 적층 설치된 지지층 (101), 전도층 (102) 및 보호층 (103)을 포함한다. 지지층 (101)은 두께 방향에서 서로 대향하는 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b) 중 적어도 하나에 적층 설치되며, 보호층 (103)은 지지층 (101)과 배향하는 전도층 (102)의 표면에 설치된다.
지지층 (101)과 배향하는 전도층 (102)의 표면에 보호층 (103) (상부 보호층으로 약칭)을 설치하여, 화학적 부식 및 기계적 파괴로부터 전도층 (102)을 보호하는 역할을 발휘한다. 특히, 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층은 전도층 (102)을 보호할 수 있을뿐만 아니라, 부극 집전체 (10)와 부극 활성 재료층 사이의 계면을 개선하고, 부극 집전체 (10)와 부극 활성 재료층 사이의 결합 강도를 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 상부 보호층은 바람직하게는 금속 보호층이다. 금속 보호층은 부극 집전체 (10)와 부극 활성 재료층 사이의 계면 저항을 감소시키어, 극판 분극을 감소시키고, 전기화학 장치의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.
도 6 및 도 7은 보호층 (103)을 포함하는 부극 집전체 (10)의 다른 일부 예를 도시한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 부극 집전체 (10)는 적층 설치된 지지층 (101), 전도층 (102) 및 보호층 (103)을 포함한다. 지지층 (101)은 두께 방향에서 서로 대향하는 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b) 중 적어도 하나에 적층 설치되며, 보호층 (103)은 전도층 (102)과 지지층 (101) 사이에 적층 설치된다.
전도층 (102)과 지지층 (101) 사이에는 보호층 (103) (하부 보호층이라 약칭)이 설치되고, 하부 보호층의 대향하는 두 개의 표면은 각각 전도층 (102)과 지지층 (101)에 연결되어, 전도층 (102)에 대한 지지 보호 역할을 향상시키는 데 유리할 뿐만아니라, 전도층 (102)에 대해 화학적 부식 및 기계적 손상으로부터 보호하는 역할도 발휘한다. 또한 하부 보호층은 지지층 (101)과 전도층 (102) 사이의 결합 강도를 향상시킬 수도 있다. 따라서, 하부 보호층은 바람직하게는 금속 보호층 또는 금속 산화물 보호층이다.
도 8 및 도 9는 보호층 (103)을 포함하는 부극 집전체 (10)의 또 다른 일부 예를 도시한다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 부극 집전체 (10)는 적층 설치된 지지층 (101), 전도층 (102) 및 보호층 (103)을 포함한다. 지지층 (101)은 두께 방향에서 서로 대향하는 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b)을 포함하고, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 제1 표면 (101a) 및 제2 표면 (101b) 중 적어도 하나에 적층 설치되고, 전도층 (102)과 지지층 (101) 사이 및 지지층 (101)과 배향하는 전도층 (102)의 표면에는 모두 보호층 (103)이 설치된다.
전도층 (102)의 양측에는 모두 보호층 (103)이 설치되어, 전도층 (102)을 더욱 충분히 보호할 수 있다.
전도층 (102) 양측의 보호층 (103)은, 재료가 동일하거나 상이할 수 있으며, 두께가 동일하거나 상이할 수 있음은 이해할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 바람직하게는 보호층 (103)의 두께 D3은 1nm≤D3≤200nm 및 D3≤0.1D1 이다. 예를 들어, 보호층 (103)의 두께 D3은 ≤200nm, ≤180nm, ≤150nm, ≤120nm, ≤100nm, ≤80nm, ≤60nm, ≤55nm, ≤50nm, ≤45nm, ≤40nm, ≤30nm 또는 ≤20nm일 수 있다. 더 나아가, 보호층 (103)의 두께 D3은 ≥1nm, ≥2nm, ≥5nm, ≥8nm, ≥10nm, ≥12nm, ≥15nm 또는 ≥18nm일 수 있다. 바람직하게는 5nm≤D3≤200nm이고, 더욱 바람직하게는 10nm≤D3≤200nm이다.
보호층 (103)의 두께는, 전도층 (102)을 효과적으로 보호하는 역할을 발휘함과 동시에, 전기화학 장치가 고 에너지 밀도를 갖도록 보장하는 데 적합하다.
더 나아가, 전도층 (102)의 양측에 각각 상부 보호층과 하부 보호층이 설치될 경우, 상부 보호층의 두께 Da는 1nm≤Da≤200nm 및 Da≤0.1D1을 충족하고, 하부 보호층의 두께 Db는 1nm≤Db≤200nm 및 Db≤0.1D1을 충족한다. 바람직하게는 Da>Db이다. 이는 보호층 (103)이 전도층 (102)에 대해 화학적 부식 및 기계적 손상으로부터 보호하는 양호한 효과를 발휘하고, 전기화학 장치가 고 중량 에너지 밀도를 가질 수 있도록 하는 데 유리하다. 더욱 바람직하게는 0.5Da≤Db≤0.8Da이다. 이는 보호층 (103)의 역할을 더 잘 발휘할 수 있는 동시에, 부극 집전체 (10)의 중량을 가능한 많이 감소시킬 수 있다.
전도층은 기계적 롤압연, 접합, 기상 증착법, 화학 도금, 전기 도금 중 적어도 하나의 수단에 의해 지지층에 형성될 수 있으며, 그 중에서 기상 증착법 및 전기 도금법이 바람직하며, 다시 말해서 전도층은 기상 증착층 또는 전기 도금층이 바람직하다. 이는 전도층과 지지층 사이의 긴밀한 결합을 더 잘 실현할 수 있다.
예를 들어, 기상 증착법에 의해 전도층을 지지층에 형성한다. 이는 전도층과 지지층 사이에 높은 결합 강도를 가질 수 있도록 하여, 부극 집전체의 기계적 안정성, 작업 안정성 및 사용 수명을 향상시키는 데 유리하다. 증착 온도, 증착 속도 및 증착 챔버의 분위기 조건 등과 같은 기상 증착 공정의 조건을 합리적으로 조정함으로써, 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때 전도층이 낮은 면저항 증가율을 갖도록 하여, 부극 집전체의 전기화학적 성능을 개선할 수 있다.
기상 증착법은 바람직하게는 물리적 기상 증착법이다. 물리적 기상 증착법은 바람직하게는 증발법 및 스퍼터링법 중 적어도 하나이고, 증발법은 바람직하게는 진공 증착법, 열 증착법, 전자빔 증착법 중 적어도 하나이며, 스퍼터링법은 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링법이다.
예로서, 진공 증착법에 의해 전도층을 형성할 수 있다. 표면이 청결 처리된 지지층을 진공 증착 챔버 내에 배치하고, 1300℃ ~ 2000℃의 고온으로 금속 증발 챔버 내의 고순도 금속 와이어를 용융 및 증발시키고, 증발된 금속은 진공 증착 챔버 내의 냉각 시스템을 통과하여, 마지막으로 지지층에 증착되어, 전도층을 형성한다.
보호층은 기상 증착법, 인 시투 형성법 및 코팅법 중 적어도 하나에 의해 전도층에 형성될 수 있다. 기상 증착법은 전술한 바와 같은 기상 증착법일 수 있다. 인 시투 형성법은 바람직하게는 인 시투 패시베이션법, 다시말해서 금속 표면에 인 시투 금속 산화물 패시베이션층을 형성하는 방법이다. 코팅법은 바람직하게는 롤압연 코팅, 압출 코팅, 나이프 코팅 및 그라비아 코팅 중 적어도 하나이다.
바람직하게는, 보호층은 기상 증착법 및 인 시투 형성법 중 적어도 하나에 의해 전도층에 형성된다. 이는 전도층과 보호층 사이에 높은 결합 강도를 갖도록 하는 데 유리하기에, 부극 집전체에 대한 보호층의 보호 효과를 더 잘 발휘하도록 하고, 부극 집전체의 작업 성능을 보장할 수 있다.
전도층과 지지층 사이에 보호층 (즉, 하부 보호층)이 설치될 경우, 먼저 하부 보호층을 지지층에 형성시키고, 다음에 전도층을 하부 보호층에 형성시킬 수 있다. 하부 보호층은 기상 증착법 및 코팅법 중 적어도 하나에 의해 지지층에 형성될 수 있으며, 기상 증착법이 바람직하다. 이는 하부 보호층과 지지층 사이가 높은 결합 강도를 갖도록 하는 데 유리합니다. 전도층은 기계적 롤링, 접합, 기상 증착법, 화학 도금 및 전기 도금 중 적어도 하나에 의해 하부 보호층에 형성될 수 있으며, 기상 증착법 및 전기 도금이 바람직하다. 이는 하부 보호층과 전도층 사이가 높은 결합 강도를 갖도록 하는 데 유리하다. 기상 증착법 및 코팅법은 전술한 기상 증착법 및 코팅법일 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 바람직하게는 전도층과 보호층 사이의 결합 강도 F1≥100N/m이고, 더욱 바람직하게는 ≥400N/m이다.
일부 실시예에 있어서, 보호층이 또한 지지층과 연결될 경우, 바람직하게는 보호층과 지지층 사이의 결합 강도 F2≥100N/m이고, 더욱 바람직하게는 ≥400N/m이다.
전도층과 보호층 사이의 결합 강도 (F1) 및 보호층과 지지층 사이의 결합 강도 F2는 전술한 지지층과 전도층 사이의 결합 강도 F의 측정 방법을 참조하여 측정될 수 있다.
부극판
본 출원의 제2 양태에 따른 부극판은, 적층 설치된 부극 집전체 및 부극 활성 재료층을 포함하고, 부극 집전체는 본 출원의 제1 양태에 따른 임의의 부극 집전체이다.
본 출원의 부극판은 본 출원의 부극 집전체를 사용하기에, 전통적인 부극판과 비해, 높은 중량 에너지 밀도 및 양호한 종합적인 전기화학적 성능을 갖는다.
도 10은 부극판 (20)의 일 예를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 부극판 (20)은 적층 설치된 부극 집전체 (10) 및 부극 활성 재료층 (201)을 포함한다. 부극 집전체 (10)의 지지층 (101)은 그 두께 방향에서 서로 대향하는 두 개의 표면을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 두 개의 표면에 적층 설치된다. 부극 활성 재료층 (201)은 부극 집전체 (10)의 전도층 (102)의 지지층 (101)과 배향하는 표면에 적층 설치된다.
도 11은 부극판 (20)의 다를 일 예를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 부극판 (20)은 적층 설치된 부극 집전체 (10) 및 부극 활성 재료층 (201)을 포함한다. 부극 집전체 (10)의 지지층 (101)은 그 두께 방향에서 서로 대향하는 두 개의 표면을 포함하며, 전도층 (102)은 지지층 (101)의 두 개 표면 중 어느 하나에 적층 설치된다. 부극 활성 재료층 (201)은 전도층 (102)의 지지층 (101)과 배향하는 표면에 적층 설치된다.
부극 활성 재료층 (201)은 부극 활성 재료를 포함한다. 부극 활성 재료는, 활성 이온의 가역적 삽입/탈리가 가능한 본 분야에서 이미 알려진 부극 활성 재료일 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 이차 전지용 부극 활성 재료는, 금속 리튬, 천연 흑연, 인조 흑연, 중간상 （Mesophase Carbon Micro Beads, MCMB로 약칭）, 하드 카본, 소프트 카본, 실리콘, 실리콘-카본 복합체, SiO, Li-Sn 합금, Li-Sn-O 합금, Sn, SnO, SnO2, 스피넬 구조의 티탄산 리튬 및 Li-Al 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 부극 활성 재료층 (201)은 전도제를 포함할 수 있다. 예로서, 전도제는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 카본 나노 섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 부극 활성 재료층 (201)은 접합제를 포함할 수 있다. 예로서, 접합제는 스티렌 부타디엔 고무 （SBR）, 수성 아크릴 수지 （water-based acrylic resin）, 폴리 비닐 리덴 플루오라이드 （PVDF）, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 （PTFE）, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 （EVA）, 폴리 비닐 알코올 （PVA） 및 폴리 비닐 부티랄 （PVB） 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 부극 활성 재료층 (201)은 또한 증점제를 포함할 수 있다. 증점제는 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨（CMC-Na）을 포함할 수 있다.
부극판은 본 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일반적으로 부극 활성 재와 선택적 전도제, 접합제 및 증점제는 용매 중에 분산되어 있고, 용매는 NMP 또는 탈 이온수일 수 있으며, 균일한 부극 슬러리를 형성하고, 부극 슬러리를 부극 집전체에 코팅하여, 건조 등 공정 후 부극판을 얻는다.
전기화학 장치
본 출원의 제3 양태는 전기화학 장치를 제공하는 바, 전기화학 장치는 정극판, 부극판 및 전해질을 포함하고, 여기서 부극판은 본 출원의 제2 양태의 임의의 부극판이다.
전기화학 장치의 실시예는, 배터리, 상기 배터리를 포함하는 배터리 모듈, 상기 배터리를 포함하는 배터리 팩을 포함한다, 배터리의 실시예는 일차 전지, 이차 전지 등일 수 있다. 배터리의 구체적인 실시예는, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 일차 전지, 나트륨 이온 전지, 마그네슘 이온 전지 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
본 출원의 전기화학 장치는,본 출원의 제2 양태에 따른 부극판을 사용하기에, 더욱 높은 중량 에너지 밀도 및 종합적인 전기화학적 성능을 가질 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 정극판은 정극 집전체 및 정극 집전체에 설치된 정극 활성 재료층을 포함할 수 있다. 에를 들어, 정극 집전체는 자체의 두께 방향에서 서로 대향하는 두 개의 표면을 가지고, 정극 활성 재료층은 정극 집전체의 서로 대향하는 두 개의 표면 중 하나 이상에 적층 설치된다.
일부 실시예에 있어서, 정극 집전체는 금속 박재 (箔材), 탄소 코팅 금속 박재 및 다공성 금속 박재로부터 선택될 수 있다. 정극 집전체는 알루미늄, 알루미늄 합금, 동, 동 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 은 및 은 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
정극 활성 재료층은 정극 활성 재료를 포함하고, 이는 활성 이온의 가역적 삽입/탈리가 가능한 본 분야에서 이미 알려진 부극 활성 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 이차 전지용 정극 활성 재료는, 리튬 전이 금속 복합 산화물을 포함할 수 있고, 여기서, 전이 금속은 Mn, Fe, Ni, Co, Cr, Ti, Zn, V, Al, Zr, Ce 및 Mg 중 하나 이상일 수 있다. 리튬 전이 금속 복합 산화물 중에는 또한 전기 음성도가 튼 원소가 도핑될 수 있으며, 예를 들어 S, F, Cl 및 I 중 하나 이상이 도핑될 수 있다. 이는 정극 활성 재료로 하여금 높은 구조 안정성 및 전기화학적 성능을 가질 수 있도록 한다.
예로서, 정극 활성 재료는 LiMn2O4, LiNiO2, LiCoO2, LiNi1-yCoyO2 （0<y<1）, LiNiaCobAl1-a-bO2 （0<a<1, 0<b<1, 0<a+b<1）, LiMn1-m-nNimConO2 （0<m<1, 0<n<1, 0<m+n<1）, LiMPO4 （M는 Fe, Mn, Co 중 하나 이상일 수 있다） 및 Li3V2(PO4)3 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 정극 활성 재료층은 또한 접합제를 포함할 수 있다. 예로서, 접합제는 스티렌 부타디엔 고무 （SBR）, 수성 아크릴 수지, 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨 （CMC-Na）, 폴리 비닐 리덴 플루오라이드 （PVDF）, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 （PTFE）, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 （EVA）, 폴리 비닐 알코올 （PVA） 및 폴리 비닐 부티랄（PVB） 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 정극 활성 재료층은 또한 전도제를 포함할 수 있다. 예로서, 전도제는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 카본 나노 섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
정극판은 본 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일반적으로 정극 활성 재료와 선택적 전도제 및 접합제는 용매 （예를 들어 N- 메틸 피롤리돈, NMP로 약칭） 중에 분산되어 있고, 균일한 정극 슬러리를 형성하며, 정극 슬러리를 정극 집전체에 코팅하고, 건조 등 공정 후 정극판을 얻는다.
일부 실시예에 있어서, 전해질은 고체 전해질을 사용할 수도 있고, 비 수성 전해액을 사용할 수 도 있다. 전해액은 유기 용매 및 전해질염을 포함한다. 유기 용매는 전기화학 반응 중 이온을 전달하는 매개체로서, 본 분야에서 이미 알려진 전기화학 장치 전해액용 유기 용매를 사용할 수 있다. 전해질염은 이온 공급원으로서, 본 분야에서 이미 알려진 전기화학 장치 전해액용 전해질염을 사용할 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지용 유기 용매는 에틸렌 카보네이트 （EC）, 프로필렌 카보네이트 （PC）, 에틸 메틸 카보네이트 （EMC）, 탄산 디 에틸 （DEC）, 탄산 디메틸 （DMC）, 탄산 디 프로필 （DPC）, 메틸 프로필 카보네이트 （MPC）, 에틸렌 프로필 카보네이트 （EPC）, 부틸렌 카보네이트 （BC）, 플루오르 에틸렌 카보네이트 （FEC）, 포름산 메틸 （MF）, 메틸 아세테이트 （MA）, 에틸 아세테이트 （EA）, 프로필 아세테이트 （PA）, 프로피온산 메틸 （MP）, 에틸 프로피오네이트 （EP）, 프로필 프로피오네이트 （PP）, 메틸 부티레이트 （MB）, 에틸 부티레이트 （EB）, 1,4-부티로락톤 （GBL）, 설포레인 （SF）, 다이메틸 설폰 （MSM）, 메틸 에틸 설폰 （EMS）, 디 에틸 설폰 （ESE） 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 두 종류 이상이다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지용 전해질염은 LiPF6 （리튬 헥사 플루오로 포스페이트）, LiBF4 (리튬 테트라 플루오로 보레이트), LiClO4 （과염소산 리튬）, LiAsF6 （리튬 헥사플로로아르세네이트）, LiFSI （리튬 비스 플루오로 설폰이미드）, LiTFSI （리튬 비스 트리플루오로 메탄 설폰이미드）, LiTFS （리튬 트리 플루오로 메탄 설포네이트）, LiDFOB （리튬 디플루오로 옥살레이트）, LiBOB （리튬 디옥살레이트）, LiPO2F2 （리튬 디플루오로 포스페이트）, LiDFOP （리튬 디플루오로 디옥살레이트 포스페이트） 및 LiTFOP （리튬 테트라플루오로 옥살레이트 포스페이트 ） 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전해액은 또한 선택적으로 첨가제를 포함할 수 있고, 첨가제의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 요구 사항에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어 첨가제는 부극 성막 (成膜) 첨가제를 포함할 수도 있고, 정극 성막 첨가제를 첨가할 수도 있으며, 또한 예를 들어 전기화학 장치의 과충전 성능을 개선할 수 있는 첨가제, 전기화학 장치의 고온 성능을 개선할 수 있는 첨가제, 전기화학 장치의 저온 성능을 개선할 수 있는 첨가제 등과 같은, 전기화학 장치의 일부 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 첨가할 수도 있다.
전기화학 장치가 전해액을 사용할 경우, 정극판과 부극판 사이에 분리막을 설치하여, 격리 역할을 발휘한다. 분리막은 특별히 한정되지 않으며, 임의의 이미 알려진 화학적 안정성 및 기계적 안정성이 있는 다공성 구조 분리막을 선택하여 사용할 수 있다. 분리막은 유리 섬유, 부직포, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌 및 폴리 비닐 리덴 플루오라이드 중 하나 이상을 포함하는 단층 또는 다중층 박막일 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 전기화학 장치는 배터리일 수 있다. 배터리는 정극판, 부극판 및 전해질을 밀봉하기 위한 외부 패키지를 포함할 수 있다. 예로서, 정극판, 부극판 및 분리막은 적층 또는 권취되어 적층 구조 전극 부품 또는 권취 구조 전극 부품 (배터리 셀이라고도 함)을 형성할 수 있고, 전극 부품은 외부 패키지 내에 밀봉된다.전해질은 전극 부품 중에 침윤된 전해액을 사용할 수 있다. 배터리 중의 전극 부품 수는 하나 또는 복수개 일수 있는바, 요구 사항에 따라 조정할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 배터리의 외부 패키지는 소프트 팩일 수 있고, 예를 들어 자루형 소프트 팩일 수 있다. 소프트 팩의 재질은 플라스틱일 수 있고, 예를 들어 폴리 프로필렌 PP, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트 PBT, 폴리 부틸렌 숙시네이트 PBS 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 배터리의 외부 패키지는 예를 들어 알루미늄 하우징 등과 같은 하드 하우징일 수도 있다.
본 출원은 배터리의 형태에 대해 특별한 제한이 없는 바, 원통형, 정사각형 또는 기타 임의의 형태가 될 수 있다. 도 12는 일 예로서 정방형 구조의 배터리 (5)를 도시한다.
일부 실시예에 있어서, 배터리는 배터리 모듈로 조립될 수 있으며, 배터리 모듈에 포함된 배터리 수는 복수 개일 수 있으며, 구체적인 수량은 배터리 모듈의 응용 및 용량에 따라 조절될 수 있다.
도 13은 배터리 모듈 (4)의 일 예를 도시한다. 도 13을 참조하면, 배터리 모듈 (4)에서 복수의 배터리 (5)가 배터리 모듈 (4)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열되어 설치될 수 있다. 물론 다른 임의의 방식으로 배열될 수도 있다. 또한, 복수의 배터리 (5)는 파스너에 의해 고정될 수 있다.
배터리 모듈 (4)은 또한 수용 공간을 갖는 하우징을 선택적으로 포함할 수 있고, 복수의 배터리 (5)가 그 수용 공간에 수용된다.
일부 실시예에 있어서, 전술한 배터리 모듈은 또한 배터리 팩으로 조립될 수 있고, 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈의 수량은 배터리 팩의 응용 및 용량에 따라 조절될 수 있다.
도 14 및 도 15는 배터리 팩 (1)의 일 예를 도시한다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 배터리 팩 (1)은 배터리 박스 및 배터리 박스에 설치된 복수의 배터리 모듈 (4)을 포함할 수 있다. 배터리 박스는 상부 박스 본체 (2)와 하부 박스 본체 (3)를 포함한다. 상부 박스 본체 (2)는 하부 박스 본체 (3)를 덮을 수 있으며 배터리 모듈 (4)을 수용하기 위한 폐쇄 공간을 형성한다. 복수의 배터리 모듈 (4)은 임의의 방식에 따라 배터리 박스에 배열될 수 있다.
장치
본 출원의 제4 양태는 본 출원의 제3 양태의 전기화학 장치를 포함하는 장치를 제공하며, 전기화학 장치는 상기 장치의 전원으로 사용될 수도 있고 상기 장치의 에너지 저장 장치로 사용될 수도 있다. 상기 장치는 모바일 장치 (예를 들어 휴대폰, 노트북 등), 전기 자동차 (예를 들어 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인식 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프차, 전기 트럭 등), 전기 열차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등일 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 상기 장치는 사용 요구 사항에 따라 배터리, 배터리 모듈 또는 배터리 팩과 같은 다양한 전기화학 장치를 선택할 수 있다.
도 16은 장치의 일 예를 도시한다. 이 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인식 하이브리드 전기 자동차 등이다. 전기화학 장치의 고전력 및 고 에너지 밀도에 대한 장치의 요구 사항을 충족하기 위해, 배터리 팩 또는 배터리 모듈을 사용할 수 있다.
다른 일 예로서, 이 장치는 휴대폰, 태블릿, 노트북 등일 수 있다. 일반적으로 이 장치는 얇고 가벼워야 하므로 이차 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
이하의 실시예는 본 출원에 개시된 내용을 보다 구체적으로 설명하며, 이러한 실시예는 예시적인 설명을 위해서만 사용되는 것으로, 이는 본 출원의 개시 범위 내에서 진행된 다양한 수정 또는 변경이 당업자에게 자명하기때문이다. 달리 명시되지 않는 한, 다음 실시예에서 보고된 모든 부, 백분율 및 비율은 중량을 기준으로 하며, 실시예에서 사용된 모든 시약은 상업적으로 이용 가능하거나 기존 방법에 따라 합성되며, 추가 처리없이 직접 사용되며, 실시예에서 사용된 기기는 모두 시판 중인 기기이다.
제조 방법
부극 집전체의 제조
소정 두께의 지지층을 선택하여 표면 청결 처리를 진행하고, 표면 청결 처리 후 지지층을 진공 증착 챔버 내에 배치하고, 1300℃ ~ 2000℃의 고온에서 금속 증발 챔버 내의 고순도 동선을 녹여 증발시키며, 증발 후의 금속은 진공 증착 챔버 내의 냉각 시스템을 통과한 후, 마지막으로 지지층의 두 개의 표면에 증착되어, 전도층을 형성한다.
부극판의 제조
부극 활성 재료인 흑연, 전도성 카본 블랙, 증점제인 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨 （CMC-Na）, 접합제인 스티렌 부타디엔 고무 에멀션 （SBR）을, 96.5:1.0:1.0:1.5의 중량비에 따라, 적당한 탈 이온수 중에서 충분히 교반하고 혼합하여, 균일한 부극 슬러리를 형성하며, 부극 슬러리를 부극 집전체에 코팅하고, 건조 등 공정을 거쳐, 부극판을 얻는다.
기존 부극판의 제조
본 출원의 부극판의 제조 방법과의 상이점은, 부극 집전체로 8μm 두께의 동박을 사용하는 것이다.
정극 집전체의 제조
두께가 12μm인 알루미늄박을 사용한다.
기존 정극판의 제조
정극 활성 재료인 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 （NCM333）, 전도성 카본 블랙, 접합제인 폴리 비닐 리덴 플루오라이드 （PVDF）를 93:2:5의 중량비에 따라, 적당한 양의 N-메틸 피롤리돈 （NMP） 용매중에서 충분히 교반하고 혼합하여, 균일한 정극 슬러리를 형성하며, 정극 슬러리를 정극 집전체에 코팅하고, 건조 등 공정을 거쳐, 정극판을 얻는다.
전해액의 제조
체적비가 3:7인 에틸렌 카보네이트 （EC） 및 에틸 메틸 카보네이트 （EMC）를 균일하게 혼합하여, 유기 용매을 얻은 후, 1mol/L의 LiPF6을 전술한 유기 용매 중에 균일하게 용해시킨다.
리튬 이온 이차 전지의 제조
정극판, 분리막, 부극판을 순차적으로 적층 설치한 후, 배터리 셀로 권취하여 외부 패키지 중에 넣는다. 분리막은 PP/PE/PP 복합 박막을 사용하며, 분리막은 정극판과 부극판 사이에 위치하여 격리 역할을 발휘한다. 전술한 전해액을 배터리 셀에 주입한 후, 밀봉, 정치 (靜置), 열냉압 압착, 화성 (化成) 등 공정을 거쳐, 리튬 이온 이차 전지를 얻는다.
측정 부분
1. 부극 집전체의 측정
지지층의 체적 저항률, 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때의 전도층의 면저항 증가율 (T), 및 지지층의 영률 (E) 등은 각각 전술한 측정 방법을 이용하여 측정된다.
2. 배터리의 성능 측정
（1）사이클 성능 측정
45℃에서, 리튬 이온 이차 전지를 1C의 레이트로 정전류에 의해 4.2V까지 충전한 후, 전류가 0.05C 이하가 될 때까지 정전압으로 충전한 다음, 1C의 레이트로 정전류에 의해 2.8V가 될 때까지 방전하는 것을, 하나의 충방전 사이클로 하며, 이때의 방전 용량이 첫번째 사이클의 방전 용량이 된다. 배터리에 대해 전술한 방법에 따라 1000회 충방전 사이클을 수행하고, 1000번째 사이클의 방전 용량을 기록한다.
리튬 이온 이차 전지 1C/1C에서 1000회 사이클 후의 용량 유지율 （%） = 1000번째 사이클의 방전 용량/첫번째 사이클의 방전 용량Х100%이다.
（2）레이트 성능 측정
25℃에서, 리튬 이온 이차 전지를 1C의 레이트로 정전류에 의해 4.2V까지 충전한 후, 전류가 ≤0.05C 될 때까지 정전압으로 충전한 다음, 1C의 레이트로 정전류에 의해 3.0V가 될 때까지 방전하여, 측정하는 것을 통하여, 리튬 이온 이차 전지의 1C 레이트 방전 용량을 얻는다.
25℃에서, 리튬 이온 이차 전지를 1C의 레이트로 정전류에 의해 4.2V까지 충전한 후, 전류가 ≤0.05C 될 때까지 정전압으로 충전한 다음, 4C의 레이트로 정전류에 의해 3.0V가 될 때까지 방전하여, 측정하는 것을 통하여, 리튬 이온 이차 전지 4C 레이트 방전 용량을 얻는다.
리튬 이온 이차 전지 4C 레이트 용량 유지율 （%） = 4C 레이트 방전 용량/1C 레이트 방전 용량Х100%이다.
측정 결과
1. 본 출원의 부극 집전체가 전기화학 장치의 중량 에너지 밀도 개선에서의 역할
부극 집전체 번호 절연층 전도층 부극 집전체 두께 (μm) 부극 집전체 중량 백분율 (%)
재료 D2 (μm) 재료 D1 (μm)
부극 집전체 1 PET 5 Cu 0.5 6 21.6
부극 집전체 2 PI 2 Cu 0.8 3.6 23.8
부극 집전체 3 PET 8 Cu 1 10 39.6
부극 집전체 4 PET 6 Cu 1.5 9 48.5
부극 집전체 5 PET 4 Cu 1.2 6.4 37.3
부극 집전체 6 PET 10 Cu 0.2 10.4 23.3
부극 집전체 7 PI 8 Cu 2 12 65.3
기존 부극 집전체 / / Cu / 8 100
표 1에 있어서, 부극 집전체의 중량 백분율은, 단위 면적당 부극 집전체의 중량을, 단위 면적당 기존 부극 집전체의 중량으로 나눈 백분율이다.
전통적인 동박 부극 집전체에 비해, 본 출원의 부극 집전체의 중량은 모두 부동한 정도로 감소되었으므로, 배터리의 중량 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
2. 본 출원의 부극 집전체가 전기화학 장치의 전기화학적 성능에서의 역할
부극 집전체 번호 상부 보호층 하부 보호층
재료 Da (μm) 재료 Db (μm)
부극 집전체 4-1 / / 니켈 1
부극 집전체 4-2 / / 니켈 10
부극 집전체 4-3 / / 니켈 기반 합금 50
부극 집전체 4-4 / / 니켈 150
부극 집전체 4-5 니켈 5 / /
부극 집전체 4-6 니켈 기반 합금 100 / /
부극 집전체 4-7 니켈 10 니켈 5
부극 집전체 4-8 니켈 10 니켈 10
부극 집전체 4-9 니켈 50 니켈 50
부극 집전체 4-10 니켈 100 니켈 50
부극 집전체 4-11 니켈 150 니켈 75
표 2 중의 부극 집전체는 부극 집전체 (4)를 토대로 보호층을 설치한 것이다.
배터리 번호 부극판 정극판
부극판 번호 부극 집전체 번호
배터리 1 부극판 4 부극 집전체 4 기존 정극판
배터리 2 부극판 4-1 부극 집전체 4-1 기존 정극판
배터리 3 부극판 4-2 부극 집전체 4-2 기존 정극판
배터리 4 부극판 4-3 부극 집전체 4-3 기존 정극판
배터리 5 부극판 4-4 부극 집전체 4-4 기존 정극판
배터리 6 부극판 4-5 부극 집전체 4-5 기존 정극판
배터리 7 부극판 4-6 부극 집전체 4-6 기존 정극판
배터리 8 부극판 4-7 부극 집전체 4-7 기존 정극판
배터리 9 부극판 4-8 부극 집전체 4-8 기존 정극판
배터리 10 부극판 4-9 부극 집전체 4-9 기존 정극판
배터리 11 부극판 4-10 부극 집전체 4-10 기존 정극판
배터리 12 부극판 4-11 부극 집전체 4-11 기존 정극판
배터리 13 기존 부극판 기존 부극 집전체 기존 정극판
배터리 번호 45℃, 1C/1C에서 1000번 사이클 후의 용량 유지율 (%) 4C 레이트 용량 유지율 (%)
배터리 1 86.3 46.8
배터리 2 86.3 46.5
배터리 3 86.7 46.6
배터리 4 86.5 46.0
배터리 5 87.1 47.4
배터리 6 86.5 46.4
배터리 7 86.7 46.1
배터리 8 87.2 47.3
배터리 9 87.6 47.5
배터리 10 87.8 47.7
배터리 11 88.0 48.1
배터리 12 88.3 48.6
배터리 13 86.7 47.9
표 4로부터 알수 있다시피, 본 출원 실시 예의 부극 집전체를 사용한 배터리의 사이클 수명 및 레이트 성능이 양호하며, 이는 기존 부극 집전체를 사용한 배터리의 사이클 성능 및 레이트 성능에 상당하다. 이는 본 출원 실시예의 부극 집전체의 사용이 부극판과 배터리의 전기화학적 성능에 악영향을 미치지 않음을 설명한다. 특히 보호층이 설치된 부극 집전체로 제조된 배터리인 경우, 45℃ 및 1C/1C에서 1000회 사이클 후 용량 유지율과 4C 레이트 용량 유지율이 더욱 향상되었는 바, 이는 배터리의 안정성이 더욱 양호함을 설명한다.
3. 부극 집전체의 인장 저항 증가율이 전기화학 장치에 대한 영향
부극 집전체 번호 전도층 지지층
재료 D1
(μm)		 T
(%)		 재료 D2
(μm)		 체적 저항률
(Ω·m)		 E
(GPa)
부극 집전체 31 Cu 0.3 5.0 PET 8 2.1Х1014 4.1
부극 집전체 32 Cu 0.3 3.9 PET 8 2.1Х1014 4.1
부극 집전체 33 Cu 0.5 2.5 PET 8 2.1Х1014 4.1
부극 집전체 34 Cu 0.7 1.3 PET 8 2.1Х1014 4.1
부극 집전체 35 Cu 0.9 0.7 PET 8 2.1Х1014 4.1
부극 집전체 36 Cu 1.2 0 PET 8 2.1Х1014 4.1
부극 집전체 37 동 합금 1.0 0 PET 8 2.1Х1014 4.1
비교 부극 집전체 Cu 1.0 6 PET 8 2.1Х1014 4.1
표 5에 있어서, 동 합금의 성분은, 동이 95wt%이고, 니켈이 5wt%이다.
표 5 중의 정극 집전체에 대하여 과전류 측정을 수행한다. 과전류 측정 방법은 다음과 같다. 정극 집전체를 100mm의 폭으로 절단하고 폭 방향의 중앙 위치에 80mm 폭의 활성 물질층을 코팅하고 롤압연하여 극판을 제조하며, 롤압연 후의 극판을 폭 방향으로 100mmХ30mm 스트립으로 절단하는 바, 각 종류의 극판을 5개로 절단한다. 측정 시, 극판 샘플 양측의 코팅되지 않은 전도성 영역을 충방전 기계의 정극과 부극 단자에 각각 연결한 후, 충방전기를 설치하여, 10A 전류가 극판을 통과하도록 하며, 1시간 동안 용융 절단되지 않고 유지 할 시 측정 통과로 하고, 그렇지 않을 시 불통과로 한다. 매 그룹의 샘플을 5개 측정하며, 측정 결과는 표6에 나타낸 바와 같다.
부극판 번호 부극 집전체 번호 과전류 측정 결과
부극판 31 부극 집전체 31 2/5
부극판 32 부극 집전체 32 4/5
부극판 33 부극 집전체 33 5/5
부극판 34 부극 집전체 34 5/5
부극판 35 부극 집전체 35 5/5
부극판 36 부극 집전체 36 5/5
부극판 37 부극 집전체 37 5/5
비교 부극판 비교 부극 집전체 0/5
표 5 및 표 6으로부터 알수 있다시피, 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때의 전도층의 면저항 증가율 (T)는 5% 이하이며, 이때, 이 부극 집전체를 사용한 부극판은 롤압연 후, 양호한 전도 성능을 가질 수 있다. 그렇지 않을 경우 전도 성능이 떨어지며, 배터리 제품에서의 실용적 가치가 크지 않다. 바람직하게는, 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때의 전도층의 면저항 증가율은 T≤2.5%이다.
이상은 본 출원의 구체적인 실시형태일 뿐, 본 출원의 보호 범위는 이에 한정되지 않으며, 당업자라면 본 출원에 개시된 기술적 범위 내에서 다양한 등가적인 수정 또는 교체를 쉽게 생각해낼 수 있으며, 이러한 수정 또는 교체는 모두 본 출원의 보호 범위 내에 속한다. 따라서 본 출원의 보호 범위는 청구 범위의 보호 범위를 기준으로 한다.

Claims (15)

  1. 부극 집전체에 있어서,
    지지층 및 상기 지지층 자체의 두께 방향에서 서로 대향하는 두 개의 표면 중 적어도 하나에 설치된 전도층을 포함하며,
    상기 지지층의 밀도는 상기 전도층의 밀도보다 작고,
    상기 전도층의 두께 D1은 300nm≤D1≤2μm를 충족하며,
    상기 지지층의 두께 D2는 2μm≤D2≤10μm를 충족하고,
    상기 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때, 상기 전도층의 면저항 증가율 T는 T≤5%이고,
    상기 부극 집전체는 보호층을 더 포함하고, 상기 보호층은 상부 보호층과 하부 보호층을 포함하며, 상기 상부 보호층은 상기 전도층의 상기 지지층과 배향하는 표면에 설치되고, 상기 하부 보호층은 상기 전도층과 상기 지지층 사이에 설치되며, 상기 상부 보호층과 상기 하부 보호층의 총 두께 D3은 1nm≤D3≤200nm 및 D3≤0.1D1을 충족하는 부극 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도층의 두께 D1은 500nm≤D1≤1.5μm를 충족하며, 상기 부극 집전체의 인장 변형률이 1.5%일 때, 상기 전도층의 면저항 증가율 T는 T≤2.5%인 부극 집전체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도층의 체적 저항률이 1.3×10-8Ω·m ~ 1.3×10-7Ω·m인 부극 집전체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도층의 체적 저항률이 1.65×10-8 Ω·m ~ 10 3.3×10-8 Ω·m인 부극 집전체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 금속 재료를 포함하고, 상기 금속 재료는 동, 동 합금, 니켈, 니켈 합금, 티타늄 및 은 중 하나 이상을 포함하는 부극 집전체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 보호층 및 상기 하부 보호층은 각각 독립적으로 니켈, 크롬, 니켈 기반 합금, 동 기반 합금, 산화 알루미늄, 산화 코발트, 산화 크롬 및 산화 니켈 중 하나 이상을 포함하는 부극 집전체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지층의 두께 D2는 2μm≤D2≤6μm를 충족하는 부극 집전체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지층은 고분자 재료 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 고분자 재료는 폴리 아미드, 폴리 이미드, 폴리 에틸렌 테레프탈레이트, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트, 폴리 에틸렌 나프탈레이트, 폴리 카보네이트, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리 에틸렌 프로필렌, 아크릴로 니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리 비닐 알코올, 폴리 스티렌, 폴리 염화 비닐, 폴리 비닐 리덴 플루오라이드, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌, 폴리 스티렌 설포네이트 나트륨, 폴리 아세틸렌, 실리콘 고무, 폴리 옥시 메틸렌, 폴리 페닐렌 에테르, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리 에틸렌 글리콜, 폴리 질화황계 고분자 재료, 폴리 페닐렌, 폴리 피롤, 폴리 아닐린, 폴리 티오펜, 폴리 피리딘, 셀룰로오스, 전분, 단백질, 에폭시 수지, 페놀 수지, 그 유도체, 그 가교체 및 그 공중합체 중 하나 이상으로부터 선택되는 부극 집전체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지층은 첨가제를 더 포함하고, 상기 첨가제는 금속 재료 및 무기 비금속 재료 중 하나 이상을 포함하는 부극 집전체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 지지층의 파단 연신율은 상기 전도층의 파단 연신율 이상, 및/또는,
    상기 지지층의 영률 E는 E≥4GPa인 부극 집전체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지지층의 영률 E는 4GPa≤E≤20GPa인 부극 집전체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 기상 증착층 또는 전기 도금층인 부극 집전체.
  13. 부극판에 있어서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 부극 집전체; 및
    상기 부극 집전체에 설치된 부극 활성 재료층을 포함하는 부극판.
  14. 전기화학 장치에 있어서,
    정극판, 부극판 및 전해질을 포함하고, 상기 부극판은 제13항의 부극판인 전기화학 장치.
  15. 제14항의 전기화학 장치를 포함하는 장치.
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