KR100362278B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

리튬 이차 전지를 개시한다. 본 발명은 양극 집전체에 부착되는 양극 활물질과 제1도전재를 주성분으로 하는 양극 쉬트를 가지는 양극판과, 음극 집전체에 부착되는 음극 활물질과 제2도전재를 주성분으로 하는 음극 쉬트를 가지는 음극판과 상기 양극 및 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 가지는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 상기 제1 및 제2 도전재는 비표면적이 200 내지 2000 m2/g 이내인 것을 특징으로 한다.

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극 및 음극판이나, 양극 및 음극판의 집전체 표면에 도포되는 기능층의 구조가 개선된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차 전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더등의 첨단 전자 기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 전자 장비 전원으로서 많이 사용되고 있는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나, 니켈-수소(Ni-MH) 전지보다 작동 전압이 세 배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 부른다.
리튬 이온 전지는 음극에 탄소, 양극에 리튬계 산화물, 전해액에 유기 전해질을 사용하는 것으로서, 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 왕복하여 기전력을 발생시키는 전지이다. 충전 및 방전 효율이 낮은 리튬 금속의 단점을 보호하기 위하여 반응 속도가 빠른 탄소층속으로 리튬 이온을 삽입시켜 급속 충전을 가능하게 한다.
리튬 폴리머 전지는 양극인 리튬계 산화물과,음극인 탄소 사이를 충전 및 방전 유무에 따라 리튬 이온이 이동하여 기전력을 발생시키는 것으로서, 액체 전해질보다 이온 전도도가 다소 잦은 고체 고분자 전해질을 사용한다. 따라서, 리튬 이온 전지와는 달리 폭팔의 위험성이 없다는 장점이 있다. 또한, 충전 및 방전시 발생되는 부산물이 전지 성능을 떨어뜨리는 단점을 보완하였다.
그리고, 리튬 이차 전지는 다양한 형상으로 제조가 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형 전지를 들 수 있다. 리튬 폴리머 전지의 경우에는 그 형상의 변형이 비교적 자유롭다. 최근 들어서는 리튬 폴리머 전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고, 중량이 가벼워 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 대하여 다른 전지보다도 유리하여 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지의 구조를 대략 살펴보면 양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하고 있다.
양극판은 박막의 다중층으로서, 알루미늄 그리드(grid)로 된 양극 집전체(cathode current collector)가 마련되고, 이 집전체의 양면에 양극 쉬트가 부착되어 있다. 양극 쉬트는 슬러리 형태로서, 리튬 산화물과 같은 양극 활물질에 도전재, 가소제, 바인더등이 함유되어 있다.
또한, 음극판은 구리 그리드로 된 음극 집전체(anode current collector)와, 이 음극 집전체의 양면에 음극 쉬트가 부착되어 있다. 음극 쉬트도 양극 쉬트와 마찬가지로 슬러리 형태이고, 탄소재와 같은 음극 활물질에 가소제, 도전재, 바인더등이 함유되어 있다.
상기 양극 및 음극 집전체에는 양 면에 형성되는 양극 및 음극 쉬트간의 상호 이온 이동이 원할하도록 다수개의 개구공이 형성되어 있다.
한편, 상기 양극 및 음극 집전체의 표면에는 전지의 제조 공정중에 그 양면에 부착되는 양극 및 음극 쉬트와의 부착이 용이하지 않기 때문에 별도의 기능층을 도포한다.
즉, 양극 및 음극 집전체의 표면에는 접착을 용이하게 하기 위하여 접착성이 좋은 코폴리머(copolymer)나 모노폴리머(monopolymer)로 된 결착제와, 도전성을 향상시키기 위하여 도전성 분말을 코팅하게 된다.
이처럼, 종래의 기술에 따른 리튬 이차 전지는 양극 및 음극 집전체의 표면에 기능성 물질층으로서, 그리고, 양극 및 음극 쉬트내에 도전성을 향상시키기 위하여 카본 블랙(carbon black)과 같은 도전성 물질을 포함하고 있다.
그런데, 종래의 리튬 이차 전지에 사용되는 도전재의 비표면적은 대략 60 m2/g 정도이다. 이러한 범위의 비표면적을 가지는 도전재를 사용할 경우에는 비표면적이 작아서 도전성이 저하되는 문제점이 있다. 이에 따라, 전지의 내부 저항이 증가하게 되는 원인을 제공하고, 고율에서의 충전 및 방전의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 양극 및 음극판과, 양극 및 음극 집전체의 표면에 도포되는 기능층의 구조를 개선하여 도전성을 향상시킨 리튬 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지를 도시한 분리 사시도,
도 2는 도 2의 전지 조립체 일부를 도시한 분리 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10...전지 11...양극판
12...음극판 13...세퍼레이터
14...전지 조립체 15...양극 탭
16...음극 탭 17...양극 단자
18...음극 단자 19...상부 케이스
21...양극 집전체 22...양극 쉬트
22a...도전재 23...음극 집전체
24...음극 쉬트 100...하부 케이스
110...공간부
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 리튬 이차 전지는,
양극 집전체의 적어도 일면에 부착되는 양극 활물질과 제1도전재를 주성분으로 하는 양극 쉬트를 가지는 양극판과, 음극 집전체의 적어도 일면에 부착되는 음극 활물질과 제2도전재를 주성분으로 하는 음극 쉬트를 가지는 음극판과, 상기 양극 및 음극판 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터를 구비하는 리튬 이차 전지에 있어서,
상기 제1 및 제2 도전재는 비표면적이 200 내지 2000 m2/g 이내인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 제2 도전재는 카본 블랙인 것을 특징으로 한다.
게다가, 상기 양극 및 음극판의 표면에는 상기 양극 및 음극 쉬트와의 결합시 전도성을 향상시키기 위하여 비표면적이 200 내지 2000 m2/g인 카본 블랙로 된 도전재를 주성분으로 하는 기능층이 더 코팅된 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 리튬 이차 전지중 리튬 폴리머 전지(10)를 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 전지(10)는 양극판(11)과, 음극판(12)과, 상기 양극 및 음극판(11)(12) 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)로 된 조전지(assembled battery)가 다수장 적층된 형태의 전지 조립체(14)를 포함한다.
상기 양극판(11)과 음극판(12)의 일 가장자리로부터는 소정 길이의 양극 탭(15)과 음극 탭(16)이 각각 인출되어 있다. 상기 복수개의 양극 및 음극 탭(15)(16)은 극판별로 집합되어 있고, 상기 탭들(15)(16)은 외부 단자부와 전기적으로 접속되는 양극 단자(17)와 음극 단자(18)와 연결되어 있다.
그리고, 상기 전지(10)는 이러한 전지 조립체(14)를 수용하기 위한 케이스가 마련된다. 이러한 케이스는 여러 가지 형태로 제조가 가능한데, 그 일 예로는 도시된 바와 같이 상부 케이스(19)와, 상기 상부 케이스(19)의 일 가장자리를 따라서 일체로 형성되고, 나머지 부분은 상호 분리가능한 하부 케이스(100)를 포함한다. 상기 하부 케이스(100)에는 상기 전지 조립체(14)를 수용하기 위한 공간부(110)가 마련되어 있다. 그리고, 상기 상부 및 하부 케이스(19)(100)에는 전지(10)의 내부를 외부로부터 밀폐시키기 위하여 상기 공간부(110)의 가장자리로부터 밀봉되는 상부 밀봉부(19a) 및 하부 밀봉부(100a)가 각각 형성되어 있다.
도 2는 본 발명의 특징에 따른 양극판(11)과, 음극판(12)과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)를 분리도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 양극판(11)은 박막 형태를 가진다. 즉, 금속재로 된 양극 집전체(21)와, 상기 양극 집전체(21)의 적어도 어느 한 면이상에 부착되는 양극 쉬트(22)를 포함한다.
상기 양극 집전체(21)는 알루미늄 그리드로 이루어지고, 상기 집전체(21)의 일 가장자리를 따라서 소정 길이의 양극 탭(15)이 인출되어 있다. 그리고, 상기 양극 집전체(21)는 펀치드 메탈(punched metal)이나, 익스펜디드 메탈(expended metal) 등으로 이루어져 있어서 다수개의 개구공이 형성되어 있다.
상기 양극 쉬트(22)는 양극 활물질, 이를테면 리튬계 산화물, 니켈계 산화물, 망간계 산화물등으로부터 선택된 어느 하나의 산화물에 도전재, 가소제, 바인더등이 함유된 슬러리 형태의 물질로 이루어져 있다.
또한, 상기 음극판(12)도 양극판(11)과 마찬가지로 박막 형태로 되어 있다.
상기 음극판(12)은 구리로 된 그리드로 된 음극 집전체(23)와, 상기 음극 집전체(23)의 적어도 일면 이상에 부착되는 음극 쉬트(24)를 포함한다.
상기 음극 집전체(23)의 일 가장자리로부터는 소정 길이의 음극 탭(16)이 돌출되어 있다. 그리고, 상기 음극 쉬트(24)는 탄소재로 된 산화물에 도전재, 바인더등이 함유되어 있다. 이때, 상기 음극 집전체(23)는 양극 집전체(21)와 마찬가지로 펀치드 메탈이나 익스펜디드 메탈 형태로 제조된다.
한편, 상기 양극 집전체(21) 및 음극 집전체(23)의 표면에는 그 일면에 형성되는 슬러리 형태의 양극 쉬트(22)와, 음극 쉬트(24)와의 접착성과 도전성을 향상시키기 위하여 별도의 기능층(미도시)이 코팅되어 있다.
즉, 기능층으로는 접착성이 좋은 코폴리머나 모노폴리머로 된 결착제와, 전도성이 좋은 도전성 분말을 포함하고 있다.
여기서, 본 발명의 특징에 따르면, 상기 양극 쉬트(22)나 음극 쉬트(24)에는 비표면적이 큰 도전재(22a)(24a)가 각각 함유된다. 상기 도전재(22a)(24a)로는 카본 블랙이 주로 사용되고, 이 카본 블랙의 비표면적은 200 내지 2000 m2/g의 범위를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 카본 블랙으로 적용될 수 있는 제품으로는 미국 Cabot사의 Vulcan XC-72R이나, Black pearls 2000을 들 수 있다. Vulcan XC-72R의 경우에는 비표면적이 254 m2/g이고, Black pearls 2000의 경우에는 비표면적이 1475m2/g정도이다.
이러한 비표면적을 가진 도전재(22a)(24a)를 사용할 때에는 600 mAh 용량의 전지(10,도1참조)의 내부저항이 1KHz에서 30 mΩ/?을 나타낸다. 종래의 도전재의 경우에는 동일한 조건에서 내부 저항이 120 mΩ/?을 가지는데 비하여 1/4배정도 내부 저항이 현저하게 감소된다는 것을 알 수 있다.
상기 도전재(22a)(24a)는 상기 양극 쉬트(22)나 음극 쉬트(24)에 함유되는 비율이 대략 1 내지 3 중량퍼센트인 것이 도전성을 향상시키고, 고율특성을 향상시키는데 유리하다고 할 수 있다.
또한, 상기 기능층에 함유되는 도전성 분말로도 상기 언급한 범위의 비표면적을 가지는 카본 블랙을 사용하는게 바람직하다.
상기와 같은 구조를 가지는 리튬 폴리머 전지(10)을 제조하기 위해서는 라미네이팅 공법으로 슬러리 형태의 양극 및 음극 쉬트(22)(24)의 원소재를 상기 양극 및 음극 집전체(21)(23)의 양면에 부착시킨다.
상기 방법으로 제조된 양극판(11)과 음극판(12)은 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 열과 압력을 가하는 이차 라미네이션을 통하여 상호 융착시키게 된다.
이어서, 상기 양극 및 음극 쉬트(22)(24)에 함유된 가소제 성분을 추출하고, 가소제가 추출된 공간에 전해질을 함침시킨다.
다음으로, 상기 하부 케이스(100)의 공간부(110)에 전지 조립체(14)를 삽입시키고, 상기 상부 케이스(19)와 하부 케이스(100)를 밀봉하여 리튬 폴리머 전지(10)를 완성하게 된다.
이상과 같이 본 발명의 리튬 이차 전지는 양극판 및 음극판이나, 양극 및 음극 집전체의 표면에 형성시키는 기능층에 함유되는 도전재를 비표면적이 큰 카본 블랙을 사용하게 됨으로써, 전지의 내부 저항이 작아지게 된다. 이에따라 고율 방전 특성이 향상된다. 결과적으로는 전지의 충전 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 고율 방전에서의 방전 용량이 증가되어 전지의 사용 시간을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 양극 집전체와, 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성되는 양극 활물질을 주성분으로 하는 양극 쉬트로 된 양극판;
    음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성되는 음극 활물질을 주성분으로 하는 양극 쉬트로 된 음극판;
    상기 양극 및 음극판 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터; 및
    상기 양극 및 음극 쉬트내에 각각 포함되며, 비표면적이 200 내지 2000 m2/g인 카본 블랙으로 된 도전재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극판의 표면에는 상기 양극 및 음극 쉬트와의 결합시 전도성을 향상시키기 위하여 비표면적이 200 내지 2000 m2/g인 카본 블랙으로 된 도전재를 주성분으로 하는 기능층이 더 코팅된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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