KR100280714B1 - 리튬 이차 전지 구조 - Google Patents

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Abstract

리튬 이차 전지 구조에 대하여 개시한다. 이 전지 구조는, 리튬 이온 삽입이 가능한 물질로서 카본을 구비하는 복수개의 음극과, 리튬 산화물을 포함하고 상기 음극들 사이에 위치되는 1개의 양극과, 이온 이동성을 제공하는 리튬 염 용액과 같은 전해질이 함침되는 것으로서 상기 양극을 음극으로부터 분리시키도록 상기 양극의 양측에 위치되는 복수개의 세퍼레이터와, 상기 양극 및 음극 내부에 각각 삽입 설치된 복수개의 집전체을 구비한다. 이와 같은 리튬 이차 전지 구조는, 충방전에 따른 음극의 수축,팽창을 구조적으로 흡수할 수 있으므로 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다는 이점이 있다.

Description

리튬 이차 전지 구조
본 발명은 리튬 이차 전지 구조에 관한 것으로서, 특히 전지의 수명 특성이향상된 리튬 이차 전지 구조에 관한 것이다.
통상적으로 충방전이 가능한 이차 전지(secondary battery)는 셀룰라 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 캠코더 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다.
특히, 이러한 이차 전지는 니켈- 카드늄전지(nickel cadium battery), 연축전지, 니켈 수소전지(nickel metal hydride battery), 리튬 이온전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 2차전지, 공기 아연 축전지등 다양한 종류의 것이 있다.
상기 전지들 중 리튬 2차전지는 작동 전압이 3.6 V로서 전자 기기의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나 니켈-수소(Ni-MH)전지에 비해 수명이 약 3배이며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 급속도로 신장되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 전지라고 한다. 여기서, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 리튬-이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지녀 그 형상이 비교적 자유롭다. 이에 따라, 최근 들어서는 리튬 폴리머 전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고 무게가 가벼워 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하여 각종 연구가 진행되고 있다.
이러한 리튬 이온 전지는 통상적으로 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재된 구조를 가지고 있다. 한편 USP 5,587,253에 개시된 Bicell 전극 구조에서는, 전지의 고율 특성을 높이기 위하여 2개의 양극 사이에 1개의 음극을 위치시키고, 상기 양극과 음극 사이에 각각 세퍼레이터를 삽입한 형상을 가진다. 이와 같은 외측에 2개의 양극이 위치하는 Bicell 구조는 고율 방전 특성이 중요시되는 핸드폰 등의 전자 기기에 적용하기 유리한 구조이다. 그러나 이러한 구조에서는 전지의 충방전이 되풀이됨에 따라 내부에 위치하는 음극의 수축, 팽창이 반복되는데, 구조적으로 이러한 음극의 수축, 팽창을 흡수하기 어려우므로, 수명 열화를 초래할 위험성이 많다는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전극의 구조 배열에 의하여 전지의 수명 특성을 향상시될 수 있도록 그 구성이 개량된 리튬 이차 전지 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지 구조의 전형적인 적층 상태를 도식적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 전지 구조에서 전극/집전체 라미네이트의 길이 방향의 단면도이다.
도 3은 도 1의 전지 구조를 제조하기 위한 적층 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
11...음극 13...음극 집전체
15...세퍼레이터 17...양극
19...양극 집전체 101,102,103,104...가열 롤
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지 구조는, 리튬 이온 삽입이 가능한 물질로서 카본을 구비하는 복수개의 음극과, 리튬 산화물을 포함하고 상기 음극들 사이에 위치되는 1개의 양극과, 이온 이동성을 제공하는 리튬 염 용액과 같은 전해질이 함침되는 것으로서 상기 양극을 음극으로부터 분리시키도록 상기 양극의 양측에 위치되는 복수개의 세퍼레이터와, 상기 양극 및 음극 내부에 각각 삽입 설치된 복수개의 집전체을 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 양극에 설치된 집전체는 Al으로 만들어지고, 상기 음극에 설치된 집전체는 Cu로 만들어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 집전체들에는 관통공이 형성되거나, 상기 집전체들이 금속 포일 그리드로 만들어지는 것이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지 구조의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이 본 실시예의 리튬 이차 전지 구조(10)는, 내부에 위치하는 양극(17)의 양측에 2개의 음극(13)이 각각 설치되며, 상기 양극(17)과 음극(13) 사이에 각각 세퍼레이터(15)가 적층된 형태를 구비한다. 상기 양극은 예를 들면 LixMn2O4와 같은 리튬 산화물로 이루어지고, 음극은 리튬 이온을 가역적으로 삽입할 수 있는 카본으로 이루어진다. 그리고 상기 세퍼레이터는 이온 이동성을 제공하는 리튬 염 전해질 용액이 함침된 다공성 폴리머(예를 들면 폴리비닐리덴 플로라이드 중합체)로 이루어진다.
또한 상기 양극(17) 및 음극(13)에는 각각 집전체(19,11)가 마련된다. 상기 음극(13)의 층은 2개의 요소로 분할되어서, 상기 분할된 각 요소는 Cu로 만들어지는 음극 집전체(11)의 양면에 형성된다. 음극/집전체 적층부를 단면 도시한 도 2에서 보는 바와 같이, 가소제 추출 및 전해질의 함침 공간을 제공하도록, 상기 음극 집전체(11)는 금속 포일 그리드 형상으로 만들어지거나, 관통공이 형성되어 있어야 한다. 상기 음극(13)이 집전체(11)의 관통부에 침입하므로써, 실제적으로 단일한 음극층(13)을 형성하게 된다. 이와 같이 집전체(11)가 음극(13)의 내부에 삽입 설치되는 구조를 가지는 것은, 상기의 목적(가소제 추출 및 전해질 함침 공간을 마련하는 것) 뿐만 아니라, 구조적으로 약한 집전체(11)를 보강하는 것 이외에, 전극의 내부 저항을 크게 감소시킬 수 있다는 점에서 상당히 유리하다.
상기 양극(17)의 층도 Al으로 만들어지는 집전체(19)에 의하여 2개의 요소로 분할되어서, 집전체(19)가 양극(19)의 내부에 삽입된 형상을 가지게 된다. 그리고 상술한 음극 집전체(11)와 마찬가지로 상기 양극 집전체(19)도, 그리드 형상 또는 관통공이 형성된 형상으로 만드는 것이 구조적 강도나, 저항 감소 측면에서 유리하다.
도면에서 설명되지 않는 부호 11a, 19a는 전극을 외부와 연결하기 위한 음극 탭 및 양극 탭이다.
이와 같은 구조를 가지는 리튬 이온 전극(10)에서는, 충방전시의 팽창량이 양극(17)보다 상대적으로 큰 음극(13)이 2개로 분할되어 전극 셀의 외측에 위치하게 된다. 따라서 충방전에 따라 음극(13)이 수축,팽창을 반복하더라도, 이에 의하여 전체 전극 셀이 받는 영향이 최소화된다. 즉 본 실시예에 따른 구조를 가지는 리튬 이온 전지는 종래의 리튬 이온 전지에 비하여 수명 열화 현상에 대한 저항력이 비교적 강하다고 할 수 있다. 따라서 본 실시예의 전극 구조는 고출력을 요하지 않는 기기인 노트북 PC와 같은 기기에 적용하기 유리하다.
이하에서 상기와 같은 구조를 가지는 본 실시예의 전지 구조를 제조하는 방법을 설명한다.
먼저 세퍼레이터 필름(15)를 제조하기 위해서는, 폴리비닐리덴 플로라이드와 실리카를 아세톤에 용해시켜 코팅 용액을 만들고, 이 혼합물에 가소제인 DBP를 첨가한 다음에 균일하게 혼합한다. 그리고 이러한 혼합 용액을 닥터 브레이드 장치로 유리판상에 소정의 두께로 코팅한다. 그 다음에 상기 코팅 필름을 건조시킨 후에, 유리판으로부터 필름을 분리함으로써, 세퍼레이터 필름(15)이 마련된다.
그리고 음극 필름(13)을 제조하기 위해서, 활물질인 흑연과 도전체인 카본 블랙을 분말 상태로 혼합하고, 여기에 바인더로서 폴리비닐리덴 플로라이드를 첨가한 다음에, 이를 아세톤에 용해시키고 마지막으로 가소제인 DBP를 첨가하여 균일한 혼합 용액을 만든다. 그 다음에 이러한 혼합 용액을 유리판상에 닥터 블레이드 장치로 소정의 두께로 코팅한 다음, 이 코팅 필름을 건조시킨다. 그 다음에 상기 필름을 유리판으로부터 분리함으로써, 음극 필름(13)이 마련된다.
양극 필름(17)을 제조하기 위해서는, 이산화 리튬 코발트 또는 사산화 리튬 망간과 같은 리튬 산화물과 도전성 카본 블랙을 분말 상태로 혼합하고, 여기에 바인더로서 폴리비닐리덴 플로라이드를 혼합한다. 그리고 이 혼합물을 아세톤에 용해시켜 균일한 혼합 용액을 만들고, 여기에 가소제인 DBP를 첨가한다. 이러한 혼합 용액을 유리판상에 닥터 블레이드 장치로 소정의 두께로 코팅한 다음, 이 코팅 필름을 건조하고 이를 유리판으로부터 분리함으로써, 양극 필름(17)이 얻어진다.
이와 같이 마련된 양극 필름(17), 음극 필름(13) 및 세퍼레이터 필름(15)들을 적층하여 하나의 전극 셀을 만드는 공정은, 도 3에 도시된 바와 같은 연속적인 가열 롤러 라인상에서 이루어지게 된다.
도 3의 상부에 도시된 바와 같이, 상기에서 제조된 2개의 음극 필름(13)을 상부 가열 롤(101)을 향하여 공급하고, 또한 Cu로 만들어지고 관통공이 형성된 음극 집전체(11)를 상기 음극 필름(13) 사이로 공급한다. 상기 3개의 요소는 가열 롤(101)에서 압착됨으로써, 상부 음극/집전체 라미네이트(A)를 형성하게 된다. 이와 같은 공정은 상부 가열 롤(101) 뿐만 아니라 하부 가열 롤(102)에서도 동일하게 이루어진다. 즉 도 3의 하부에 도시된 바와 같이, 하부 음극/집전체 라미네이트(B)가 또한 마련된다.
한편 중앙 가열 롤(103)에는 상기에서 제조된 2개의 양극 필름(17)과 Al로 만들어지고 1개의 양극 집전체(19)가 공급되는데, 이 양극 집전체(19)는 상기 양극 필름(17) 사이에 위치한다. 상기 양극 필름과 집전체는 가열 롤(103)에서 압착됨으로써, 1개의 양극/집전체 라미네이터(C)가 마련된다.
이와 같이 마련된 3개의 라미네이트(A,B,C)는 도 3의 우측에 도시된 가열 롤(104)을 쪽으로 공급되고, 또한 상기에서 제조된 세퍼레이터 필름(15) 2개가 양극/집전체 라미네이트(C)와 음극/라미네이터(A,B) 사이로 각각 공급된다. 그리고 이들이 가열 롤(104)에서 압착됨으로써, 도 1에 도시된 리튬 이차 전지 구조를 형성하게 된다.
그리고 상기 전지 셀을 에테르 용매에 담금으로써 가소제인 DBP를 추출하고, 전해액 용액 상에서 충방전을 행함으로써 상기 가소제가 추출된 공간에 전해액을 함침시킨다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차 전지 구조는, 충방전에 따른 음극의 수축,팽창을 구조적으로 흡수할 수 있으므로 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 리튬 이온 삽입이 가능한 물질로서 카본을 구비하는 복수개의 음극과,
    리튬 산화물을 포함하고, 상기 음극들 사이에 위치되는 1개의 양극과,
    이온 이동성을 제공하는 리튬 염 용액과 같은 전해질이 함침되는 것으로서, 상기 양극을 음극으로부터 분리시키도록 상기 양극의 양측에 위치되는 복수개의 세퍼레이터와,
    상기 양극 및 음극 내부에 각각 삽입 설치된 복수개의 집전체을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양극에 설치된 집전체는 Al으로 만들어지고,
    상기 음극에 설치된 집전체는 Cu로 만들어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 집전체들에는 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 집전체들은 금속 포일 그리드로 만들어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 구조.
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