KR100303537B1 - 리튬이온이차전지 - Google Patents

리튬이온이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR100303537B1
KR100303537B1 KR1019980018311A KR19980018311A KR100303537B1 KR 100303537 B1 KR100303537 B1 KR 100303537B1 KR 1019980018311 A KR1019980018311 A KR 1019980018311A KR 19980018311 A KR19980018311 A KR 19980018311A KR 100303537 B1 KR100303537 B1 KR 100303537B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
secondary battery
negative electrode
lithium ion
ion secondary
Prior art date
Application number
KR1019980018311A
Other languages
English (en)
Other versions
KR19990085717A (ko
Inventor
조헌구
최완욱
윤상영
류재율
Original Assignee
김순택
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김순택, 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 김순택
Priority to KR1019980018311A priority Critical patent/KR100303537B1/ko
Publication of KR19990085717A publication Critical patent/KR19990085717A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100303537B1 publication Critical patent/KR100303537B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M2010/4292—Aspects relating to capacity ratio of electrodes/electrolyte or anode/cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 전해질 및 세퍼레이터를 포함하며, 상기 음극 활물질은 리튬 양극을 사용한 반쪽 전지에서의 초기 충방전 효율이 70∼80%의 범위에서 방전 용량이 α(Ah/g)인 흑연계 탄소 활물질인 것인 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 상기 양극 활물질에 대한 음극 활물질의 중량비가 1.1α∼1.6α인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차 전지를 제공한다. 이 전지는 수명이 길고, 안전하며 용량이 크다.

Description

리튬 이온 이차 전지
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 상세하게는 수명이 길고, 안정하며, 용량이 큰 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
최근 카메라 일체형 VTR, 오디오, 랩탑형 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 전화기 등의 새로운 포터블 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여, 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 성능을 고성능화하고, 대용량화하는 기술이 필요하게 되었으며, 특히 경제적인 측면에서 이들 전지의 제조 원가를 절감하는 기술 개발 노력이 진행되고 있다. 일반적으로 전지는 망간 전지, 알카리 전지, 수은 전지, 산화은 전지 등과 같이 일회용으로 사용하는 1차 전지와 납축전지, 금속수소화물을 음극 활물질로 하는 Ni-MH(니켈-메탈하이드라이드) 전지, 밀폐형 니켈-카드뮴 전지와 리튬-금속 전지, 리튬-이온 전지(LIB: Lithium Ion Battery), 리튬-폴리머 전지(LPB: Lithium Polymer Battery)와 같은 리튬군 전지 등과 같이 재충전하여 사용할 수 있는 이차 전지, 그리고 연료 전지, 태양 전지 등으로 구분할 수 있다.
이 중 1차 전지는 용량이 적고, 수명이 짧으며, 재활용이 되지 않으므로 환경 오염을 일으키는 문제점이 있는데 반하여, 이차 전지는 재충전하여 사용할 수 있어 수명이 길며, 전압도 1차 전지보다 월등히 높아 성능과 효율성 측면에서 우수하며, 폐기물의 발생도 적어 환경 보호 측면에서도 우수하다.
상기한 전지 중 리튬 계열 이차 전지가 다른 전지에 비하여 작동 전압과 중량당 에너지 밀도가 우수하여 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등 소형 경량화가 요구되는 첨단 전자 기기 분야에서 그 수요가 증가하고 있다.
상기한 리튬 계열 이차 전지는 양극, 음극, 전해질로 구성되어 있고 전해질이 액체 유기용매로 구성된 액체 리튬 계열 전지와 폴리머로 구성된 폴리머 리튬 계열 전지가 있다.
상기한 양극활물질로는 리튬 금속 또는 리튬 전이 금속 산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiNixCo1-xOy)을 사용하고, 세퍼레이터로는 폴리에틸렌 계열의 다공성 고분자를 사용한다. 또한, 음극활물질로는 초기에는 리튬 금속을 사용하였는데 충방전 과정에서 용량이 크게 감소되고 리튬 이온이 석출되어 덴드라이트(dendrite)상을 형성함에 따라서 세퍼레이터를 파괴하여 전지의 수명을 단축시키는 결과를 초래하였다. 이를 해결하기 위하여 리튬 합금을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용하는 경우에 발생하는 상기한 문제점을 크게 개선하지 못하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전해액 중의 Li 이온이 탄소 재료 속으로 인터카레이션(intercalation)되고 다시 디인터카레이션(deintercalation)되는 과정을 반복하는 과정에서 전기 에너지를 저장 방출하는 정도가 달라지는 원리를 이용하여 최근에는 탄소재를 음극활물질로 사용하고 있다. 음극활물질로 사용하는 탄소재 물질에는 비정질 탄소계 물질과 결정성 탄소계 물질이 있다.
고용량의 전지를 제조하기 위하여는 상기한 음극 및 양극의 중량비를 적절히 조절하여야 한다. 양극 활물질로 LiCoO2를 사용하고 메조카본 마이크로비즈(mesocarbon microbeads) 또는 메조카본 파이버(mesocarbon fiber) 등의 초기사이클의 이용효율이 90% 이상으로 높은 탄소 재료를 음극으로 사용하는 리튬 이온 이차 전지의 경우는 음극과 양극의 중량비를 용이하게 조절할 수 있다. 그러나 초기 리튬 이온 이용 효율(방출 용량/흡장 용량)이 70∼80%로 낮는 음극 활물질을 사용하는 경우에는 음극과 양극의 중량 및 용량비를 적정한 수준으로 설계하기가 어렵다. 따라서, 전지 전체의 효율이 최적화되기 어려워 수명이 길고 용량이 크며, 특히 안정성있는 리튬 전지를 제조하기 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 음극 및 양극 활물질 중량비를 최적의 조건으로 조절하여 수명이 길고, 용량이 크며 안정성 있는 리튬 이온 이차 전지를 제공하는 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극 활물질을 포함하는 양극; 음극 활물질을 포함하는 음극; 전해질; 및 세퍼레이터를 포함하며, 상기 음극 활물질은 리튬 양극을 사용한 반쪽 전지에서의 초기 충방전 효율이 70∼80%의 범위에서 방전 용량이 α(Ah/g)인 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 상기 양극 활물질에 대한 음극 활물질의 중량비가 1.1α∼1.6α인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 전해질 및 세퍼레이터를 포함하며, 상기 음극 활물질은 리튬 양극을 사용한 반쪽 전지에서의 초기 충방전 효율이 70∼80%의 범위에서 방전 용량이 α(Ah/g)인 흑연계 탄소 활물질인 것인 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 상기 양극 활물질에 대한 음극 활물질의 중량비가 1.1α∼1.6α인 것을 특징으로 한다.
양극 활물질에 대한 음극 활물질의 중량비가 1.1α 미만인 경우는 음극 표면에 리튬 금속의 석출이 일어나서, 덴드라이트를 형성하여 세퍼레이터를 파괴하고 따라서 전지의 단락이 발생하므로 위험하여 바람직하지 않다. 또한, 1.6α보다 큰 경우는 초기 충방전 효율이 현저하게 떨어지므로 바람직하지 않다.
상기 양극 활물질은 LiCoO2를 사용한다.
[실시예]
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 일실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
양극의 제조
LiCoO291 중량%, 도전제 4 중량% 및 결착제 5 중량%를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 두께 10㎛, 폭 46㎜의 알루미늄 박판의 양면에 균일하게 도포하고 압연하여 12.16g의 활물질 중량을 가지는 양극을 제조하였다.
음극의 제조
흑연계 탄소재료 90 중량%에 결착제 10 중량%를 첨가하고 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 두께 20㎛, 폭 46㎜ 동판의 양면에 균일하게 도포하고 압연하여 4.57g의 활물질 중량을 갖는 음극을 제조하였다.
전해질의 제조
에틸렌 카보네이트와 디메틸카보네이트의 부피비가 1 : 1인 용액에 LiPF6을 1몰 용해하여 유기전해액을 제조하였다.
전지의 제조
상기한 방법으로 제조한 양극과 음극을 탭 웰딩하고 폴리프로필렌 재질의 세퍼레이터(celgard 2400)을 사이에 두고 와인딩하여 젤리 롤 타입상으로 만든 다음 18650 타입의 원통형 캔에 삽입후 전해액 4.8g을 붓고 상부용접하여 리튬 이온 이차 전지를 제조하였다.
상기한 방법으로 음극을 제조한 후 리튬 대극의 코인 타입의 반쪽 전지를 제조하고 0.5mA/㎠의 정전류로 0.001V 정전압에서 5mA/g 전류 컷 오프하여 충전하고 같은 전류로 1V까지 정전류 방전하여 탄소활물질의 용량과 효율을 측정한 결과 초기방전 용량 330mAh/g, 효율 72%의 결과를 나타내었다.
(실시예 2-3)
음극 활물질 중량을 하기한 표 1에 나타낸 것과 같이 변경한 것을 제외하고는 제외하고는 상기한 실시예 1과 동일하게 리튬 이온 이차 전지를 제조하였다.
(대조예 1-2)
음극 활물질의 중량을 하기한 표 1에 나타낸 것과 같이 변경한 것을 제외하고는 상기한 실시예 1과 동일하게 리튬 이온 이차 전지를 제조하였다.
상기한 실시예 1-3 및 대조예 1-2의 방법으로 제조한 리튬 이온 전지를 300mA의 정전류로 4.1V의 정전압에서 3시간 동안 충전하고 같은 전류크기로 2.75V 종지전압으로 방전하였다. 이 충방전하는 동안 초기효율과 30사이클 후의 용량비(사이클 특성) 그리고 리튬 석출 유무를 측정하여 그 결과를 하기한 표 1에 나타내었다.
α=0.33
실시예 1 실시예 2 실시예 3 대조예 1 대조예 2
음극 질량[g] 4.57 5.58 6.39 3.67 7.44
양극 질량[g] 12.16 12.16 12.16 12.16 12.16
음/양극 중량비 1.15α 1.39α 1.59α 0.9α 1.85α
초기효율[%] 92 91 90 91 85
사이클 특성[%] 94 94 95 84 94
리튬석출 유무 석출 × 석출 × 석출 × 석출 ○ 석출 ×
상기 표에 나타낸 것과 같이, 양극에 대한 음극활물질의 중량비가 1.1α인 경우 음극 표면에 리튬 금속의 석출이 일어나고 1.6α 이상의 경우 초기충방전 효율이 심각하게 떨어짐을 알 수 있다. 따라서 중량비가 1.1α∼1.6α에서 리튬 금속의 석출을 방지하고 안정성을 확보할 있으며 높은 초기효율과 장수명의 리튬이온이차전지를 설계할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 양극 및 음극 활물질의 중량비율을 조절하여 수명이 길고, 안전하며 용량이 큰 리튱 이온 이차 전지를 제조할 수 있다.

Claims (3)

  1. 양극 활물질을 포함하는 양극;
    음극 활물질을 포함하는 음극;
    전해질; 및
    세퍼레이터
    를 포함하며, 상기 음극 활물질은 리튬 대극을 사용한 반쪽 전지에서의 초기 충방전 효율이 70∼80%의 범위에서 방전 용량이 α(Ah/g)인 흑연계 탄소 활물질인 것인 리튬 이온 이차 전지에 있어서,
    상기 양극 활물질에 대한 음극 활물질의 중량비가 1.1α∼1.6α인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 활물질은 비정질계 탄소재인 것인 리튬 이온 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 LiCoO2인 것인 리튬 이온 이차 전지.
KR1019980018311A 1998-05-21 1998-05-21 리튬이온이차전지 KR100303537B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980018311A KR100303537B1 (ko) 1998-05-21 1998-05-21 리튬이온이차전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980018311A KR100303537B1 (ko) 1998-05-21 1998-05-21 리튬이온이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19990085717A KR19990085717A (ko) 1999-12-15
KR100303537B1 true KR100303537B1 (ko) 2001-11-30

Family

ID=37529791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980018311A KR100303537B1 (ko) 1998-05-21 1998-05-21 리튬이온이차전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100303537B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4604460B2 (ja) 2003-05-16 2011-01-05 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池および電池充放電システム

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06168714A (ja) * 1992-11-30 1994-06-14 Ricoh Co Ltd 電極および該電極を使用した二次電池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06168714A (ja) * 1992-11-30 1994-06-14 Ricoh Co Ltd 電極および該電極を使用した二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
KR19990085717A (ko) 1999-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2022206877A1 (zh) 电化学装置及电子装置
EP2427929B1 (en) Li-ion battery with blended electrode
US12068470B2 (en) Method of producing negative electrode for secondary battery
US20230231100A1 (en) Electrochemical devices, electronic devices
KR20150133167A (ko) 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 이를 포함한 리튬 이차전지
KR100560538B1 (ko) 리튬 이온 이차 전지용 음극 활물질
KR20020003123A (ko) 비수 전해액
CN215644574U (zh) 一种二次电池的电极片和二次电池
CN115548437A (zh) 一种阴离子调控的锂金属电池电解液
JP3166332B2 (ja) 薄型非水電解液二次電池およびその製造方法
KR100303537B1 (ko) 리튬이온이차전지
CN113675469A (zh) 一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液及其制备方法与在锂金属电池中的应用
Koehler et al. High performance nickel-metal hydride and lithium-ion batteries
KR100432669B1 (ko) 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조방법
JPH09171825A (ja) 非水溶媒電解液を有する二次電池
KR20190083108A (ko) 리튬금속 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속 이차전지
JPH07302618A (ja) 非水溶媒電解液を有する二次電池
KR102536141B1 (ko) 리튬금속 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬금속 이차전지
CN2433736Y (zh) 锂离子二次电池
JPH08190933A (ja) 非水溶媒電解液を有する二次電池
US20210234149A1 (en) Lithium cells and methods of making and use thereof
KR100553733B1 (ko) 유기전해액 조성물 및 이를 채용한 리튬 2차전지
Shukla et al. Electrochemical power sources: 1. Rechargeable batteries
JP2001313024A (ja) リチウム二次電池
KR100420045B1 (ko) 리튬전지의음극용활물질조성물및그의제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130621

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140701

Year of fee payment: 14

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150623

Year of fee payment: 15

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160617

Year of fee payment: 16

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170622

Year of fee payment: 17

EXPY Expiration of term