KR100373722B1 - 리튬양극의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 양극의 제조방법에 관한 것으로서, 니켈산화물, 망간산화물 및 코발트산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 60 내지 80중량%의 금속산화물(MO2), 10 내지 30중량%의 도전제인 카본블랙 및 5 내지 15중량%의 결합제인 PVDF와 PTFE로 이루어진 혼합물을 유기용매에 분산시켜 슬러리를 형성하는 단계: 형성된 슬러리를 알루미늄 박판에 압착성형하여 전극을 만드는 단계: 얻어진 전극을 20 내지 40중량%의 질산리튬 용액에 함침시키고 200 내지 350℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 양극의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 의하면 초기 활성화 및 수명 특성이 우수하면서 제조비용이 절감된 리튬 2차전지를 제조할 수 있다.

Description

리튬 양극의 제조방법
본 발명은 리튬 양극의 제조방법에 관한 것으로서, 초기 활성화 및 수명 특성이 우수하면서 제조비용이 절감된 리튬 양극의 제조방법에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로서 쓰이는 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 충전가능한 리튬 2차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 니켈-아연전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 3배정도 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 더 많은 기대를 가지고 국내외에서 활발한 연구 개발이 진행되고 있다.
리튬 2차전지의 양극 활물질에는 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬니켈산화물(LiNiO2), 리튬망간산화물(LiMn2O4) 등이 있고, 음극 활물질에는 리튬 금속이나 그 합금, 탄소재료등이 있다. 그리고 전해질로는 유기전해액이나 고체 폴리머 전해질이 사용된다.
리튬 2차전지의 연구 개발은 1970년대 초부터 시작되어 세계각지의 연구기관들이 치열한 개발 경쟁을 벌여 실용화에 앞장서고 있다. 소니 에너지 테크사는 리튬코발트산화물 활물질을 이용한 리튬 양극과 탄소재 음극으로 구성된 리튬-탄소계 2차전지를 개발하였고, 몰리에너지사는 리튬니켈산화물 황물질을 이용한 리튬 양극과 탄소재 음극으로 구성된 리튬-탄소계 2차전지를 상품화하였다.
이하, 일반적인 리튬 양극의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
코발트 산화물(CoO2또는 Co3O4), 망간산화물(MnO2) 등의 전이금속 산화물과 탄산리튬, 수산화리튬 등의 리튬염을 혼합하고 600 내지 1000℃의 온도에서 소성하여 양극 활물질인 리튬금속산화물(LiMO2)을 얻는다.
상기 리튬금속산화물에 도전제인 카본 블랙과 결합제인 PVDF(polyvinylidenefluoride) 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 혼합한 슬러리를 알루미늄 박판위에 도포, 건조하여 리튬 양극이 제조된다.
상기 제조방법은 600내지 1000℃의 고온에서 소성하는 단계를 거치기 때문에 얻어진 활물질의 활성이 낮고 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 니켈산화물, 망간산화물 및 코발트산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 60 내지 80중량%의 금속산화물(MO2), 10 내지 30중량%의 도전제인 카본블랙 및 5 내지 15중량%의 결합제인 PVDF와 PTFE로 이루어진 혼합물을 유기용매에 분산시켜 슬러리를 형성하는 단계:
형성된 슬러리를 알루미늄 박판에 압착성형하여 전극을 만드는 단계:
얻어진 전극을 20 내지 40중량%의 질산리튬 용액에 함침시키고 200 내지 350℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 양극의 제조방법이 제공된다.
본 발명에서는 200 내지 350℃의 온도에서 리튬 양극을 제조함으로써 활물질의 활성을 향상시키고자 한 것이다.
이하, 본 발명의 리튬 양극 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
볼 밀(ball mill)에 60 내지 80중량%의 금속산화물, 10 내지 30중량%의 도전제인 카본블랙 및 5 내지 15중량%의 결합제인 PVDF와 PTFE를 부가하여 10내지 20분동안 혼합한다. 이 혼합분말을 N-메틸피롤리돈, THF 등의 유기용매를 첨가하여 30000 cps 정도의 점도를 갖도록 슬러리를 형성한다.
형성된 슬러리를 알루미늄 금속 박판에 압착성형하여 집전체를 만들었고, 얻어진 집전체를 20 내지 40중량%의 질산리튬, 수산화리튬, 탄산리튬 등의 리튬염 용액에 함침시키고 200 내지 350℃의 온도에서 가열하여 리튬 산화물 양극을 제조한다.
상기 가열 온도 범위는 질산리튬의 융점이 270℃인 점을 감안하여 질산리튬이 용융되어 리튬이 금속산화물에 함침될 수 있는 온도범위이다. 200℃미만인 경우는 이러한 효과를 기대할 수 없으며, 350℃초과인 경우에는 경제적인 면을 고려할 때 바람직하지 못하다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
코발트 산화물(CoO2) 40g, 도전제인 카본 블랙 5g, 결합제인 PVDF와 PTFE 5g을 볼 밀에서 10내지 20분동안 혼합시켰다. 혼합 분말에 N-메틸피롤리딘(NMP)를 첨가하여 점도가 약 30000 cps정도 되도록 슬러리를 형성하였다.
형성된 슬러리를 알루미늄 박판에 압착성형하여 전극을 만들었다.
상기 전극을 10중량%의 질산리튬 NMP용액에 함침시킨 다음 250℃의 온도로 가열하여 리튬 양극을 제조하였다.
음극으로는 금속리튬을 사용하였다.
상기 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극과 금속리튬 음극을 사용하여 리튬2차전지를 제조하였다.
(비교예)
코발트 산화물(CoO2)과 질산리튬을 1:1 몰비로 혼합하고 900℃의 온도에서 소성하여 리튬코발트산화물(LiCoO2) 40g을 만들었다. 여기에 도전제인 카본 블랙 5g, 결합제인 PVDF와 PTFE 5g을 혼합하고 NMP를 첨가하여 점도가 약 30000 cps정도 되도록 슬러리를 형성하였다.
알루미늄 박판위에 상기 슬러리를 압착성형한 후, 용매를 증발시키고 큐어링을 실시하여 리튬 양극을 제조하였다.
음극으로는 금속 리튬을 사용하였다.
상기 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극과 금속 리튬 음극을 사용하여 리튬2차전지를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조한 리튬 알칼리 2차전지의 성능을 평가해 보면, 종래보다 낮은 200내지 350℃의 온도에서의 열처리 과정을 통해 제조된 리튬 2차전지(실시예)가 일반적인 방법에 따라 제조된 리튬 2차전지(비교예)에 비하여 수명 특성이 향상됨을 알 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 리튬 양극은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따라 제조된 리튬 전극을 채용한 리튬 2차진지는 초기 활성화 및 수명 특성이 향상된다.
둘째, 종래보다 낮은 온도에서 열처리하여 제조하므로 제조비용이 절감된다.

Claims (2)

  1. 니켈산화물, 망간산화물 및 코발트산화물로 이루어진 군으로부티 선택된 60 내지 80중량%의 금속산화물(MO2), 10 내지 30중량%의 도전제인 카본블랙 및 5 내지 15중량%의 결합제인 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)와 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)로 이루어진 혼합물을 유기용매에 분산시켜 슬러리를 형성하는 단계;
    형성된 슬러리를 알루미늄 박판에 압착성형하여 전극을 만드는 단계:
    얻어진 전극을 20 내지 40중량%의 질산리튬 용액, 수산화리튬 용액 및 탄산리튬 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 리튬염 용액에 함침시키고 200 내지 350℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 양극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기용매가 N-메틸 피롤리돈 및 THF 로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 양극의 제조방법.
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