[发明专利]三维结构电极、其制造方法和包括其的电化学装置

说明书

本发明涉及一种三维结构电极、制造该三维结构电极的方法以及包括该三维结构电极的电化学装置。本发明的特征在于包括：(a)上导电层和下导电层，上导电层和下导电层具有这样的结构，即，包括多根聚合物纤维的多孔无纺布和导电材料三维地、不规则地且连续地连接，以形成在其中形成有互连孔隙结构的聚集体结构；和(b)活性材料层，活性材料层形成与导电层相同的聚集体结构，其中电极活性材料颗粒均匀地填充在形成于聚集体结构中的互连孔隙结构中，从而形成三维填充结构，其中活性材料层形成在上导电层与下导电层之间。

技术领域

本发明涉及一种三维结构电极、制造该三维结构电极的方法以及包括该三维结构电极的电化学装置。

本申请要求基于2018年10月18日提交的韩国专利申请第10-2018-0124498号的优先权的权益，通过引用将该韩国专利申请的全部内容结合在此。

背景技术

近来电子工业的趋势可概括为装置无线化、移动化的趋势以及从模拟到数字的转变。代表性示例包括无线电话(移动电话)和笔记本电脑的快速普及，以及从模拟相机到数字相机的转变。

除了这些趋势之外，正在积极研究和开发作为这些装置的工作电源的电化学装置。特别是，使用锂过渡金属氧化物和锂复合氧化物作为正极活性材料的、具有相对于重量来说高输出和高容量的锂二次电池收到广泛关注。

二次电池根据具有正极/隔膜/负极结构的电极组件的结构进行分类。其代表性示例包括：其中长片型正极和长片型负极在它们之间插置有隔膜的情况下进行卷绕的果冻卷(卷绕)电极组件、其中以预定尺寸为单位切割的多个正极和负极在它们之间插置有隔膜的情况下顺序堆叠的堆叠电极组件、以及其中以预定尺寸为单位切割的正极和负极在它们之间插置有隔膜的情况下堆叠成的双电池(Bi-cell)或全电池(Full cell)被利用分隔片进行卷绕的堆叠/折叠电极组件。

此外，电极通过离子交换产生电流。构成电极的正极和负极由其中电极活性材料被施加至金属制成的电极集流体的结构形成。通常来说，负极具有其中碳系活性材料涂布在由铜或铝制成的电极板上的结构，正极具有其中由LiCoO₂、LiMnO₂、LiNiO₂等制成的活性材料涂布在由铝制成的电极板上的结构。

然而，由于在电极的构成材料之中，只有活性材料对电化学装置的容量和能量密度有实质贡献，因此当诸如导电材料和粘合剂之类的添加剂材料被最少化时，可增加电极的容量，并且可增加电化学装置的能量密度。

为了解决上述问题，韩国专利第1728828号公开了一种具有这样结构的三维电极，即，由聚合物纤维制成的无纺布和多个导电材料形成三维聚集体，并且在该聚集体内部的孔隙结构中填充有活性材料。然而，即使对上述三维电极的活性材料进行设计以具有较高的理论容量，但由于较低的本征电导率，其表现出不足的可逆容量。

特别是，超出天然石墨的理论容量的高容量负极活性材料通过合金化反应或转化反应而与锂反应，因而其具有较大的体积变化，这是一个缺点。这种体积变化具有极大劣化电池的寿命特性的问题。此外，为了弥补该缺点，电极设计包括过量的导电材料，这在增加电池的能量密度方面成为大问题。

为了解决上述问题，可使用极大地减小活性材料的颗粒尺寸的方法、将与锂反应性小的第三元素添加到金属元素的方法等，但迄今为止，尚未出现表现出商业化所需特性的材料。

因此，需要开发解决该问题的技术。

发明内容

技术问题

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种聚集体结构的导电层，在该聚集体结构中，包括多根聚合物纤维的多孔无纺布和多个碳纳米管三维地连接形成，该导电层堆叠在用作现有电极的活性材料层的上部和下部，由此，即使应用具有较大体积变化的活性材料，导电网络也得以保持并且防止活性材料的脱离，从而使电池的性能最大化。