KR100378346B1

KR100378346B1 - 리튬 2차전지의 제조방법 및 그 방법에 따라 제조된리듐2차전지

Info

Publication number: KR100378346B1
Application number: KR1019960025189A
Authority: KR
Inventors: 이두연; 성상현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 2003-06-12
Also published as: KR980006594A

Abstract

본 발명은 콤포지트 양극과 음극을 각각 형성하는 단계; 상기 콤포지트 양극 상부에 광중합성 모노머, 가교제, 이온성 리튬염, 유기용제 및 광중합개시제를 함유하는 조성물을 도포하여 고분자 전해질층을 형성하는 단계 ; 상기 고분자 전해질층 상부에 열중합성 모노머, 가교제, 이온성 리튬염, 유기용제 및 열중합개시제를 함유하고 있는 조성물을 도포하여 접착층을 형성하는 단계; 상기 접착층에 콤포지트 음극을 압착시킨 후, 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 양극, 음극 및 전해질 각 층사이에 계면저항이 거의 없어 전해질 고유의 이온전도도값을 유지할 수 있으므로 전지의 고유용량을 최대한 발휘할 수 있다.

Description

리튬 2차전지의 제조방법 및 그 방법에 따라 제조된 리튬 2차전지

본 발명은 리튬 2차전지의 제조방법 및 그 방법에 따라 제조된 리튬 2차전지에 관한 것으로서, 계면저항이 최소화되어 이온전도도가 향상됨으로써 전지의 고유용량이 최대한 발휘될 수 있는 리튬 2차전지의 제조방법 및 그 방법에 따라 제조된 리튬 2차전지에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로서 쓰이는 2차 전자에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 지금까지 개발된 2차전지는 그 종류가 10여개에 달하지만 가장 많이 사용되고 있는 것으로는 니겔카드뮴전지, 니켈수소전지, 니켈아연전지,리튬 2차전지 등이 있다. 이중에서 리튬 2차전지는 장수명, 고용량 등의 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로서 가장 주목을 받고 있다.

리튬 2차전지의 연구 개발은 1970년대초부터 시작되어 세계 각지의 연구기관들이 치열한 개발 경쟁을 벌여 실용화에 앞장서고 있다. 소니 에너지 테크사는 리튬코발트산화물 활물질을 이용한 리튬 양극과 탄소재 음극으로 구성된 리튬-탄소계 2차전지를 개발하였고, 몰리 에너지사는 리튬니켈산화물 활물질을 이용한 리튬 양극과 탄소재 음극으로 구성된 리튬-탄소계 2차전지를 상품화하였다.

리튬 2차전지의 양극 활물질에는 리튬코발트산화물(LiCoO₂), 리튬니켈산화물(LiNiO₂), 리튬망간산화물(LiMn₂O₄) 등이 이용되고 있고 음극 활물질에는 리튬 금속이나 그 합금, 탄소재료 등이 이용된다. 그리고 전해질로는 유기 액체 전해질이나 고체 전해질이 사용된다. 그런데 전해질로서 유기 액체 전해질을 사용하는 경우, 누액에 따른 화재의 위험성 및 기화에 따른 전지의 파손 등과 같은 안전성과 관련한 많은 문제점을 내포하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력으로서 액체 전해질대신 고체 전해질을 사용하게 되었다.

이러한 고체 전해질로서 리튬염과 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide: PEO)의 복합체를 사용하기 시작한 이래, 실온에서 전도성이 높은 고분자 전해질에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 이러한 연구는 유가용매에 리튬염을 용해한 액체 전해질을 사용하는 통상적인 리튬전지와 유사한 정도의 방전율을 유지할 수 있는 고분자 전해질을 찾고자 함에 그 목적을 두고 있다. 이러한 목적에 부합될 수 있는고분자 전해질로서의 요건은 먼저 10^-3~10^-2S/cm 정도의 전도도를 갖고 있어야 하며, 화학적, 전기화학적 및 기계적인 안정성이 우수해야 한다. 또한 유리전이온도(T_g)가 낮은 비정질 고분자이어야 한다. 그 이유는 고분자가 비정질 상태일 때 이온전도도가 높기 때문이다.

상기와 같은 특성을 갖는 고분자 전해질을 이용하여 리튬 2차전지를 제조하는 경우, 콤포지트(composite) 전극을 사용하는 것이 필요하다. 즉 전극 형성시, 전극 활물질 주성분이외에 이온들의 이동통로를 만들어주기 위하여 고분자 전해질 조성물을 첨가한다. 또한 활물질 주성분의 전도도가 비교적 낮으므로 카본블랙과 같은 전도성 향상제를 첨가하는 것이 바람직하다.

반복적인 충방전 조건하에서, 콤포지트 양극, 콤포지트 음극 및 고분자 전해질로 형성된 리튬 2차전지의 용량은 점차적으로 저하된다. 이러한 현상은 충방전의 반복에 따른 양극내에서의 형태학적인 변화로부터 비롯된다. 즉, 방전과정중에는 음극으로부터 나온 리튬이 양극으로 침투함으로써 양극의 부피가 팽창된다. 이로 인하여 고분자 전해질이 인접한 빈 공간쪽으로 탄성적 및 점성적인 불균형 운동을 하게된다. 이와 반대로 충전과정중에는 양극의 부피가 감소된다. 이 때 고분자 전해질의 탄성적인 수축은 회복되지만 점성적인 흐름에 의한 불균형은 회복되지 않는다. 이렇게 되면 양극/전해질, 전해질/음극사이의 계면이외에도 다른 계면이 발생되어 전체적으로 계면저항이 커지게 된다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 쉬트상태의 양극, 전해질 및 음극을 포갠 다음, 이를 약 135℃정도의 온도에서 열융착시킴으로써 계면의 저항을 감소하는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법은 열중합성 고분자를 사용하는 경우에만 가능하므로 매우 제한적인 방법이다.

다른 방법으로서, 쉬트 형태의 양극, 전해질 및 음극을 포갠 다음, 이를 압력을 이용하여 압착하는 방법이 있다. 이 방법에 따르면, 양극/전해질, 전해질/음극사이의 계면이 뚜렷하므로 게면간에 큰 임피던스 성분이 존재하게 되어 계면저항 감소에 그다지 효과적이지 못하다.

또 다른 방법으로서, 콤포지트 양극 상부에 고분자 전해질 조성물을 도포하고 광중합시킨 다음, 얻어진 결과물상에 음극을 압착하는 방법이 있다. 이 방법에 따르면 전해질과 양극사이의 계면은 존재하지 않으나 전해질과 음극사이에 계면이 뚜렷하게 존재하는 문제점이 있다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하여 양극, 전해질 및 음극간의 계면저항이 거의 없는 리튬 2차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 따라 제조되어 이온전도도가 항상됨으로써 전지의 고유용량이 최대한 발휘될 수 있는 리튬·2차전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 콤포지트 양극과 음극을 각각 형성하는 단계;

상기 콤포지트 양극 상부에 광중합성 모노머, 가교제, 이온성 리튬염, 유기용제 및 광중합개시제를 함유하는 조성물을 도포하여 고분자 전해질층을 형성하는 단계 ;

열중합성 모노머, 가교제, 이온성 리튬염, 유기용제 및 열중합개시제를 함유하고 있는 조성물을 상기 고분자 전해질충 상부에 도포하여 접착층을 형성하는 단계:

상기 접착층에 콤포지트 음극을 압착시킨 후, 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지에 의하여 달성된다.

상기 고분자 전해질충의 두께는 110 내지 200μm이고, 상기 접착층의 두께는 80 내지 100μm이다.

상기 열처리는 50 내지 70℃에서 실시하는 것이 바람직하다.

상기 광중합성 모노머로는 고분자 전해질에서 일반적으로 사용되는 것이라면 모두 사용할 수 있는데, 여기에는 N-이소프로필아크릴아미드(N- isopropylacrylamIde: NIPAM), 에톡시에틸아크릴레이트(Ethoxy1 Ethyl Acrylate: EEA), 1-비닐-2-피롤리돈(1-Vinyl-2-Pyrrolidone: VP) 등이 속한다. 이온성 리튬염은 유기용매에서 해리되어 Li염을 생성하는 화합물로서, 여기에는 과염소산리튬(LiClO₄), 보론플루오르화리튬(LiBF₄), 트리플루오로메탄산술폰화리튬(LiCF₃SO₃) 등이 속한다. 이 때 유기용매로는 비프로톤성(aprotic) 용매, 예를 들어 프로필렌카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸렌 카보네이트, γ -부티로아세톤(γ-BL) 등이 사용된다.

상기 광중합개시제로는 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판, 1 하이드록시사이클로헥실페닐케톤, 1-(4-이소프로필페닐)-2-하이드록시 - 2-메틸프로판-1-온, 벤질디메틸케탈, 벤조인에틸에테르(benzoin ethyl ether: BEE) 등이 사용가능하다. 그리고 가교제로는 (에틸렌옥사이드 디메틸아크릴레이트(ethyleneoxide dimethylacrylate) : (EO)₂₃DMA, 디에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 등이 사용가능하다.

상기 열중합개시제로는 아조이소비스부티로니트릴(AIBN), 과산화벤조일(benzoil peroxide), 과산화아세틸(acetyl peroxide) 과산화라우로일(lauroyl peroxide) 등을 사용할 수 있으며, 열중합성 모노머로는 스티렌 및 메타크릴산으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 사용한다.

이하, 제1도를 참조하여 본 발명에 따른 리튬 2차전지의 제조방법을 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 광중합성 모노머, 가교제, 광중합성 개시제, 이온성 리튬염, 및 유기용제를 함유하고 있는 고분자 전해질 조성물에 리튬 양극 활물질인 리튬망간산화물 및 전도성 향상제인 아세틸렌 블랙을 첨가한 다음, 충분히 혼합하였다.

상기 혼합물을 양극 집전체 (1)위에 코팅하고 자외선을 조사하여 콤포지트 양극층 (2)을 형성하였다.

한편, 음극 집전체 (5) 위에 카본 분말과 상기 고분자 전해질 조성물의 혼합물을 코팅하고 자외선을 조사하여 콤포지트 음극층 (4)을 형성하였다.

상기 콤포지트 양극층 (2)위에 상기 고분자 전해질 조성물을 도포하고 자외선을 조사하여 고분자 전해질충 (3)을 형성하였다.

그 후, 열중합성 모노머, 열중합개시제, 가교제, 이온성 리튬염 및 유기용제를 함유하는 조성물을 상기 고분자 전해질층 (3)위에 코팅하여 약 80 내지 100μm두께의 접착층을 형성한다. 이 접착층 상부에 콤포지트 음극층 (5)을 부착하고 압착시킨다. 그 후, 50 내지 70℃의 온도에서 열처리하여 본 발명에 따른 리튬 2차전지를 완성한다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

90:10 중량비의 리튬망간산화물(LiMn₂O₄)과 아세틸렌 블랙의 혼합물에 고분자 전해질 조성물을 혼합하여 콤포지트 양극 형성용 조성물을 준비하였다. 이 때 고분자 전해질 조성물은 다음과 같은 방법으로 얻었다. 먼저, 1M LiBF₄, γ-BL, NIPAM 및 (EO)₂₃DMA를 혼합하였고, 이 혼합물을 약 70℃의 온도에서 약 10분동안 방치하여 상온에서 왁스상태인 (EO)₂₃DMA를 완전히 용해시켰다. 여기에서 NIPAM과 (EO)₂₃DMA의 혼합비율은 15:5 중량비였다. 얻어진 결과물을 충분히 교반하여 균질화시켰다. 그 후 광중합개시제인 BEE를 부가하였다.

10cm×5cm 크기의 알루미늄 박막에 상기 콤포지트 양극 형성용 조성물을 수동식 코팅머신을 이용하여 도포한 다음, 약 365∼400nm 영역의 자외선을 약 5분동안 조사하여 약 250μm 두께의 콤포지트 양극층을 형성하였다.

카본 분말과 상기 고분자 전해질 조성물을 흔합하여 콤포지트 음극 형성용 조성물을 준비하였다. 이를 약 30μm 두께의 구리 박막 상부에 수동식 코팅머신을 이용하여 도포한 다음, 자외선을 약 5분동안 조사시켜 약 250μm 두께의 콤포지트 음극층을 형성하였다.

콤포지트 양극층 상부에 상기 고분자 전해질 조성물을 도포하고 자외선을 조사하여 약 200μm 두께의 고분자 전해질층을 형성하였다.

그 후, IM LiBF₄, γ-BL, (메타크릴산), (EO)₂₃DMA 및 열중합개시제인 AIBN을 함유하는 조성물을 상기 고분자 전해질층 상부에 코팅하여 약 100μm 두께의 접착층을 형성하였다. 여기에 콤포지트 음극층을 맞대어 부착하였다.

얻어진 상기 결과물을 약 500g/㎠의 압력으로 압축한 후, 약 70℃에서 약 30분동안 열처리하였다.

상기 방법에 따라 얻어진 리튬 2차전지의 게면 접합 상태를 살펴보기 위하여, 직경 13mm의 펀치를 사용하여 전지의 일부를 잘라낸 다음, 이를 육안으로 관찰하거나 핀셋으로 벗겨 보았다. 그 결과, 양극, 전해질 및 음극 각각의 층이 광중합 및 열중합에 의하여 효율적으로 접합되어 별개의 계면이 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.

한편, 상기 리튬 2차전지의 전기화학적인 상태를 살펴보기 위하여, 직경 13mm의 펀치를 이용하여 전지의 일부를 떼어내고 알루미늄 호일을 리드선으로 이용하여 전지를 조립하였다. 그 후 임피던스 분석기를 이용하여 저항성분의 변화를 관찰하였다. 그 결과, 전해질층의 계면저항은 전해질 자체의 저항값인 1.3 ×10^-3S/cm(오차:±10%)를 나타냄을 확인할 수 있었다. 이러한 사실로부터 각 층사이에 계면저항이 거의 없다는 사실을 알 수 있었다.

본 발명에 따르면, 비교적 낮은 온도에서 양극, 음극 및 전해질을 접합시키므로 전해액 증발 위험이 전혀 없다. 또한 각 층사이에 계면저항이 거의 없어 전해질 고유의 이온전도도값을 유지할 수 있으므로 전지의 고유용량을 최대한 발휘할 수 있다.

제1도는 본 발명에 따른 리튬 2차전지의 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 양극 집전체 2. 콤포지트 양극층

3. 고분자 전해질층 4. 콤포지트 음극층

5. 음극 집전체

Claims

콤포지트 양극과 음극을 각각 형성하는 단계;

상기 콤포지트 양극 상부에 광중합성 모노머, 가교제, 이온성 리튬염, 유기용제 및 광중합개시제를 함유하는 조성물을 도포하여 고분자 전해절층을 형성하는 단계 :

상기 고분자 전해질층 상부에 열중합성 모노머, 가교제, 이온성 리튬염, 유기용제 및 열중합개시제를 함유하고 있는 조성물을 도포하여 접착층을 형성하는 단계;

상기 접착층에 콤포지트 음극을 압착시킨 후, 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 열처리가 50∼70℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 접착층의 두께가 80∼100μm인 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질층의 두께가 110∼200μm인 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 열중합개시제가 아조이소비스부티로니트릴, 과산화벤조일, 과산화아세틸 및 과산화라우로일로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 연중합성 모노머가 스티렌 및 메타크릴산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 2치전지의 제조방법.
제1항 내지 제6항중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지.