KR-20260060949-A - ELECTRODE ASSEMBLY FOR COIN CELL, COIN CELL COMPRISING THE SAME AND MIXED ELECTRODE ANALYSIS SYSTEM USING THE SAME

Abstract

본 발명은 코인셀용 전극 조립체 및 이를 포함하는 코인셀, 및 이를 포함하는 복합 전극 분석 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코인셀용 전극 조립체는, 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극 및 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 각각 상기 제3 전극과 대향하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 서로 이격되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에는 상기 분리막이 개재되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 다른 종류의 활물질을 포함하며, 상기 제3 전극은 기준 전극인 것이다.

Inventors

• 송건창
• 손민진

Assignees

• 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241025

Claims (14)

1. 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극 및 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 각각 상기 제3 전극과 대향하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 서로 이격되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에는 상기 분리막이 개재되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 다른 종류의 활물질을 포함하며, 상기 제3 전극은 기준 전극인, 코인셀용 전극 조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각의 전위를 측정하기 위한 계측기와 연결되는, 코인셀용 전극 조립체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 각각의 일면이 함께 상기 제3 전극의 일면과 서로 대향하는, 코인셀용 전극 조립체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극은 상대 전극이고, 상기 제2 전극은 작업 전극인, 코인셀용 전극 조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극은 실리콘계 음극 활물질을 포함하는, 코인셀용 전극 조립체.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 전극은 흑연계 음극 활물질을 포함하는, 코인셀용 전극 조립체.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 전극은 리튬티탄산화물(LTO) 또는 리튬 메탈(Li-metal)을 포함하는, 코인셀용 전극 조립체.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1층; 분리막을 포함하는 제2층; 및 제3 전극을 포함하는 제3층이 순차로 적층되어 있는 것인, 코인셀용 전극 조립체.
9. 전해질; 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전해질과 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 각각 상기 제3 전극과 대향하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 서로 이격되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에는 상기 분리막이 개재되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 다른 종류의 활물질을 포함하며, 상기 제3 전극은 기준 전극인, 코인셀.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 전극은 실리콘계 음극 활물질을 포함하는, 코인셀.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 제2 전극은 흑연계 음극 활물질을 포함하는, 코인셀.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 제3 전극은 리튬티탄산화물(LTO) 또는 리튬 메탈(Li-metal)을 포함하는, 코인셀.
13. 코인셀, 및 계측기를 포함하는 복합 전극 분석 시스템으로서, 상기 코인셀은 전해질; 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전해질과 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 각각 상기 제3 전극과 대향하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 서로 이격되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에는 상기 분리막이 개재되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 다른 종류의 활물질을 포함하며, 상기 제3 전극은 기준 전극이며, 상기 제3 전극을 기준 전극으로 사용하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각의 전극 전위의 측정이 가능하도록 상기 계측기는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 각각 연결되어 있는, 복합 전극 분석 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 계측기는 데이터 로거인, 복합 전극 분석 시스템.

Description

코인셀용 전극 조립체, 이를 포함하는 코인셀 및 이를 이용한 혼합 전극 분석 시스템{ELECTRODE ASSEMBLY FOR COIN CELL, COIN CELL COMPRISING THE SAME AND MIXED ELECTRODE ANALYSIS SYSTEM USING THE SAME} 본 발명은 코인셀용 전극 조립체, 이를 포함하는 코인셀 및 이를 이용한 혼합 전극 분석 시스템에 관한 것이다. 이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다. 일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막으로 구성된다. 리튬 이차 전지의 양극을 구성하는 양극 활물질로서는 LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4 또는 LiCrO2와 같은 금속 산화물이 이용되고 있으며, 음극을 구성하는 음극 활물질로서는 금속 리튬(metal lithium), 흑연(graphite) 또는 활성탄(activated carbon) 등의 탄소계 물질(carbon based meterial), 또는 산화실리콘(SiOx) 등의 물질이 사용되고 있다. 상기 음극 활물질 중에서도 초기에는 금속 리튬이 주로 사용되었으나 충전 및 방전 사이클이 진행됨에 따라 금속 리튬 표면에 리튬 원자가 성장하여 분리막을 손상시켜 전지를 파손시키는 현상이 발생하여 최근에는 탄소계 물질이 주로 사용되고 있다. 그러나, 탄소계 물질의 경우 이론 용량이 약 400 mAh/g에 불과하여 용량이 작다는 단점을 지니고 있어, 음극 활물질로서 높은 이론 용량(4,200 mAh/g)을 가지는 실리콘(silicon, Si) 등의 고용량 물질을 이용하여 상기 탄소계 물질을 대체하려는 다양한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 고용량을 가지는 Si는 큰 부피 팽창으로 인해 전극의 퇴화를 유발하고 결과적으로 셀 성능의 퇴화를 초래한다. 이에 실리콘 입자의 부피 팽창에 따른 전극 퇴화를 최소화하기 위한 방안을 고안하기 위해 혼합 전극에서의 흑연과 실리콘의 반응 메커니즘 규명이 요구되고, 이를 평가하기 위한 방법이 요구된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코인셀용 전극 조립체 및 이를 포함하는 코인셀을 예시적으로 나타낸 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 코인셀과 계측기를 포함하는 전극 분석 시스템을 간략히 예시한 도면이다. 본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다. 본 발명의 코인셀용 전극 조립체는, 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극 및 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 각각 상기 제3 전극과 대향하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면상에 위치하면서 서로 이격되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 제3 전극의 사이에는 상기 분리막이 개재되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 다른 종류의 활물질을 포함하며, 상기 제3 전극은 기준 전극(reference electrode)인 것이다. 기존에는 양극 및 음극이 포함된 원통형 이차전지에 리튬 메탈을 삽입하여 양극 및 음극 각각의 전위를 측정하였으므로, 양극 또는 음극과 같은 전극 하나에 포함된 복합 소재에 대한 각각의 분석은 이루어지기 어려웠다. 반면, 본 발명의 코인셀용 전극 조립체는 같은 평면상에 위치한 제1 전극 및 제2 전극과 제3 전극의 사이에 분리막이 개재되어 있는 것으로, 제1 전극과 제2 전극에 서로 다른 종류의 활물질을 포함시킨 뒤 제3 전극을 기준 전극으로 사용하여 각각의 전위를 측정할 수 있도록 함으로써 혼합 전극에 포함된 소재 별로 전위 및 용량을 나누어 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각의 전위를 측정하기 위한 계측기와 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 코인셀용 전극 조립체는 상기 제1 전극 및 제2 전극 각각과 연결되어 있는 계측기를 통하여 상기 제3 전극을 기준 전극으로 사용하여 상기 제1 전극 및 제2 전극의 각각의 전극 전위의 측정이 동시에 수행될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 각각의 일면은 함께 상기 제3 전극의 일면과 서로 대향하고 있을 수 있다. 상기 제1 전극은 상대 전극(counter electrode)일 수 있고, 상기 제2 전극은 작업 전극(working electrode)일 수 있으며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 혼합 전극에 포함되는 각각의 전극 활물질을 각각 나누어 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 포함된 전극 활물질은 통상적인 리튬 이차전지에 적용되는 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 음극 활물질인 경우, 이는 제1 전극 및 제2 전극 모두에 통상적인 리튬 이차전지에 적용되는 음극 활물질이 포함되어 있고, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 포함되어 있는 음극 활물질은 서로 그 종류가 다른 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 모두 음극 활물질을 포함하면서 서로 다른 종류의 음극 활물질을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 1종의 음극 활물질만을 포함하고 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 복합 음극에 포함되는 서로 다른 종류의 음극 활물질 1종만을 포함할 수 있으며, 상기 제3 전극을 기준 전극으로 사용하여 상기 제1 전극 및 제2 전극 각각의 전위의 측정이 가능하므로, 그 결과 복합 음극 활물질에 포함되는 각각의 음극 활물질에 대한 전위 및 용량 등의 특성을 획득할 수 있다. 따라서, 복합 음극에 포함되는 2종의 음극 활물질의 종류 및 함량의 조합을 도출해내고자 할 경우, 상기 2종의 음극 활물질의 조합을 달리하면서, 상기 복합 음극에 포함되는 2종의 음극 활물질을 1종씩 각각 나누어 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 포함시키고, 제3 전극을 기준 전극으로 사용하여 각각의 전위 및 용량 등의 특성을 얻는 방법을 통해, 코인셀 수준에서 복합 전극에 포함된 각각의 소재에 대한 분석이 가능할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 코인셀용 전극 조립체에 있어서, 상기 제1 전극은 실리콘계 음극 활물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극은 흑연계 음극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 음극 활물질의 전위는 상기 흑연계 음극 활물질의 전위에 비해 높으므로, 상기 실리콘계 음극 활물질을 작업 전극으로 상기 흑연계 음극 활물질을 상대 전극으로 한 코인셀용 전극 조립체를 구성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기준 전극인 상기 제3 전극은 리튬티탄산화물(LTO) 또는 리튬 메탈(Li-metal)을 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로 리튬티탄산화물(LTO) 또는 리튬 메탈(Li-metal)일 수 있다. 상기 실리콘계 음극 활물질은 SiOx(0≤x≤2)를 포함할 수 있고, 구체적으로 SiOx(0<x<2)를 포함할 수 있으며, 더욱 구체적으로 SiO를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Si는 실리콘 입자로서 퓨어 실리콘(Pure Silicon)으로 불리는 실리콘 입자(실리콘으로 이루어진 입자)일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 음극의 용량을 효과적으로 개선시킬 수 있다. 상기 SiOx(0<X<2)는 Si 및 SiO2가 포함된 형태일 수 있으며, 상기 Si는 상(phase)을 이루고 있을 수도 있다. 즉, 상기 X는 상기 SiOx(0<X<2) 내에 포함된 Si에 대한 O의 개수비에 해당한다. 상기 흑연계 음극 활물질은 인조흑연, 천연흑연, 키시흑연(Kish graphite), 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소, 또는 흑연화 메조카본마이크로비드일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 코인셀용 전극 조립체는 상기 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극을 각각 1개씩 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 코인셀용 전극 조립체는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1층; 분리막을 포함하는 제2층; 및 제3 전극을 포함하는 제3층이 순차로 적층되어 있는 것일 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 이격된 상태로 같은 평면상에 위치하며 제1층을 이룰 수 있고, 상기 제1층 상에는 분리막이 적층되어 제2층을 이룰 수 있으며, 상기 제2층 상에 제3 전극이 적층되어 제3층을 이룰 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체 위에 형성되며, 전극 활물질을 포함하는 전극 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 음극 집전체, 및 상기 음극 집전체 위에 형성되며, 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이