JP7065263B2 - 炭素系薄膜が形成された負極、この製造方法及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム金属層;及び
前記リチウム金属層の少なくとも一面に蒸着され、55ないし330nmの厚さを有する炭素系薄膜;を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極を提供する。
前記炭素系薄膜は、スパッタリング(Sputtering)、気化蒸着(Evaporation)、化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)、物理気相蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)、原子層蒸着(ALD:Atomic Layer Deposition)及びアーク放電で選択される一つ以上の方法でリチウム金属層の少なくとも一面に蒸着されることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法を提供する。
前記リチウム金属層の少なくとも一面に蒸着され、55ないし330nmの厚さを有する炭素系薄膜;を含むリチウム二次電池用負極に関する。
本発明によるリチウム金属層は、リチウム金属板であるか、負極集電体上にリチウム金属薄膜またはリチウムを含む活性層が形成された金属板であってもよい。表面にリチウムデンドライトを形成できる全ての範囲の活物質層を意味し、例えば、リチウム金属、リチウム合金、リチウム金属複合酸化物、リチウム含有チタン複合酸化物(LTO)及びこれらの組み合わせからなる群から選択された1種のものが可能である。前記リチウム合金は、リチウムと合金化が可能な元素を含み、この時、その元素としては、Si、Sn、C、Pt、Ir、Ni、Cu、Ti、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge、Alまたはこれらの合金であってもよい。
本発明による炭素系薄膜220は、前述したリチウム金属層210の少なくとも一面に形成され、負極上の充放電に関わらない不活性リチウム、またはリチウムデンドライトと反応してリチウムがインターカレーションした物質を形成するなどの方法で吸収する。これによって、電池の内部短絡を防ぎ、充放電の際にサイクル寿命特性が向上される。
本発明によれば、前記炭素系薄膜220は、リチウム金属層210表面に生成されるデンドライト成長を抑制するために、さらに有機硫黄化合物を含む有機硫黄保護層(未図示)を前記リチウム金属層210と接していない炭素系薄膜220の一面または前記炭素系薄膜220と前記リチウム金属層210の間にさらに含んでもよい。このような保護層は、充電時にリチウム金属の表面に形成されるデンドライト形成を防止して電池の寿命特性を向上させるだけでなく、リチウム金属の表面に空気中の水分や酸素との直接的接触を塞いで、リチウム金属の酸化を防止することができる。
また、本発明は、リチウム金属層の少なくとも一面に炭素系薄膜を形成するが、
前記炭素系薄膜は、スパッタリング(Sputtering)、気化蒸着(Evaporation)、化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)、物理気相蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)、原子層蒸着(ALD:Atomic Layer Deposition)及びアーク放電で選択される一つ以上の方法でリチウム金属層の少なくとも一面に蒸着されるリチウム二次電池用負極の製造方法に関する。
本発明によるリチウム二次電池は、前述した負極の構造及び特性を除く他の構成に対して、通常の技術者が実施する公知の技術を通して製造可能であり、以下、具体的に説明する。
1)負極の製造
厚さが150μmのリチウムホイル表面に次の条件で20分間RF スパッタリングして炭素系薄膜を蒸着して負極を製造した。
基板-ターゲット距離:5cm
スパッター用ガス:Ar
スパッター用ガス圧:0.75mTorr
スパッター用ガスの導入流量:500sccm
スパッタリングパワー密度:8.5W/cm2
電極に印加する交流電圧の周波数:40kHz
2)リチウム二次電池の製造
作業(working)電極でリチウムコバルト酸化物(LCO)を使用し、カウンター(counter)電極として前記1)で製造した負極を適用した。前記電極の間にポリオレフィン分離膜を介在した後、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を50:50の体積比で混合した溶媒に1M LiPF6が溶解された電解液を注入してコイン型半電池を製造した。
作業(working)電極で厚さが150μmのリチウム金属を適用し、カウンター(counter)電極として前記1)で製造した負極を適用した。前記電極の間にポリオレフィン分離膜を介在した後、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を50:50の体積比で混合した溶媒に1M LiPF6が溶解された電解液を注入してコイン型半電池を製造した。
蒸着時間を40分間実施したことを除き、実施例1と同様の方法で負極、リチウム二次電池及びリチウムシンメトリック電池を製造した。
蒸着時間を100分間実施したことを除き、実施例1と同様の方法で負極、リチウム二次電池及びリチウムシンメトリック電池を製造した。
蒸着時間を120分間実施したことを除き、実施例1と同様の方法で負極、リチウム二次電池及びリチウムシンメトリック電池を製造した。
カウンター(counter)電極でリチウム薄膜を使用したことを除き、実施例1と同様の方法で負極、リチウム二次電池及びリチウムシンメトリック電池を製造した。
蒸着時間を5分間実施したことを除き、実施例1と同様の方法で負極、リチウム二次電池及びリチウムシンメトリック電池を製造した。
蒸着時間を200分間実施したことを除き、実施例1と同様の方法で負極、リチウム二次電池及びリチウムシンメトリック電池を製造した。
前記実施例1~6及び比較例1~3のリチウム二次電池を対象として充電電圧が5V cut、充電時間を1時間にし、放電電圧が-1V cut、放電時間を1時間と固定して充/放電過程における充電容量と放電容量を測定し、寿命特性を下記表1と図2に図示し、これを通して容量効率を計算してその結果を図3に図示した。
前記実施例1~6及び比較例1~3で製造されたリチウムシンメトリック電池で充/放電を繰り返し(電流密度2mA/cm2)、Li plating/strippingの際に、過電圧挙動を確認し、その結果を図4に示す。その結果、炭素系薄膜が形成されていない比較例1に比べて、炭素系薄膜を備えた前記実施例1~6では、過電圧が有意に減少したことを確認した。また、炭素系薄膜の厚さが50nm未満の比較例2及び炭素系薄膜の厚さが330nm超の比較例3に比べて、炭素系薄膜の厚さが50~330nmの実施例1~6でも過電圧が減少したことを確認した。
前記実験例2の充/放電後、比較例1~3と実施例3のリチウムシンメトリック電池を分解してSEM測定、負極表面上のデンドライトモフォロジーを確認し、その結果を図5~8に示す。その結果、実施例3のデンドライトは、図5で確認されるように、電流密度の分布が均一で、リチウムが還元されて積層(Deposition)されている形態が多孔性(Porous)で平たい(Broad)ことを確認することができた。
200.負極
210.リチウム金属層
220.炭素系薄膜
300.分離膜
Claims (12)
- 正極、負極及び電解質を含むリチウム二次電池において、
前記負極は、
リチウム金属層;及び
前記リチウム金属層の少なくとも一面に蒸着され、165ないし330nmの厚さを有する炭素系薄膜;を含み、
前記炭素系薄膜は、非晶質炭素からなるものである、リチウム二次電池。 - 前記リチウム金属層は、厚さが1ないし500μmである請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム金属層は、前記炭素系薄膜と接していない一面に集電体をさらに有するものである請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム二次電池用負極は、前記リチウム金属層と接していない炭素系薄膜の一面に有機硫黄保護層を含むものである請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム二次電池用負極は、前記炭素系薄膜と前記リチウム金属層の間に有機硫黄保護層を含むものである請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記有機硫黄保護層は、有機硫黄化合物を含み、
前記有機硫黄化合物は、チオール基を含む単量体または高分子を含むものである請求項4または請求項5に記載のリチウム二次電池。 - 前記有機硫黄保護層は、2,5-ジメルカプト-1,3,4-チアジアゾール、ビス(2-メルカプト-エチル)エーテル、N,N’-ジメチル-N,N’-ジメルカプトエチレン-ジアミン、N,N,N’,N’-テトラメルカプト-エチレンジアミン、2,4,6-トリメルカプトトリアゾール、N,N’-ジメルカプト-ピペラジン、2,4-ジメルカプトピリミジン、1,2-エタンジチオール及びビス(2-メルカプト-エチル)スルフィドからなる群から選択される1種以上の化合物を含むものである請求項6に記載のリチウム二次電池。
- 前記有機硫黄保護層は、電子導電性高分子を含むものである請求項4または請求項5に記載のリチウム二次電池。
- 前記電子導電性高分子は、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレン)、ポリチオフェン、ポリ(3-アルキルチオフェン)、ポリ(3-アルコキシチオフェン)、ポリ(クラウンエーテルチオフェン)、ポリピロール、ポリ(ジアルキル-2,2’-ビピリジン)、ポリピリジン、ポリアルキルピリジン、ポリ(2,2’-ビピリジン)、ポリ(ジアルキル-2,2’-ビピリジン)、ポリピリミジン、ポリジヒドロフェナントレン、ポリキノリン、ポリイソキノリン、ポリ(1,2,3-ベンゾチアジアゾール)、ポリ(ベンズイミダゾール)、ポリ(キノキサリン)(poly(quinoxaline))、ポリ(2,3-ジアリルキノキサリン)、ポリ(1,5-ナフチリジン)(poly(1,5-naphthyridine))、ポリ(1,3-シクロヘキサジエン)、ポリ(アントラキノン)、ポリ(Z-メチルアントラキノン)、ポリ(ペロセン)及びポリ(6,6’-ビキノリン)からなる群から選択される1種以上の化合物を含むものである請求項8に記載のリチウム二次電池。
- 請求項1に記載のリチウム二次電池の製造方法であって、
リチウム金属層の少なくとも一面に炭素系薄膜を形成するが、
前記炭素系薄膜は、スパッタリング(Sputtering)、気化蒸着(Evaporation)、化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)、物理気相蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)、原子層蒸着(ALD:Atomic Layer Deposition)及びアーク放電からなる群から選択される一つ以上の方法でリチウム金属層の少なくとも一面に蒸着されるものであるリチウム二次電池の製造方法。 - 前記炭素系薄膜は、蒸着後熱処理されるものである請求項10に記載のリチウム二次電池の製造方法。
- 前記スパッタリングは、非活性気体の流量が5~1000sccm、圧力が0.1~10mTorrの条件で20~120分間行われることである請求項10に記載のリチウム二次電池の製造方法。
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