KR100393654B1 - 리튬 이온 2차 전지 및 그 충방전 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑연 및 하드 카본, 비정질 산화물 등의 비흑연 재료의 장점을 도출해 낸 음극 구조에 의해 고용량이고, 전압 평탄성이 높은 방전 특성을 얻을 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 집전체(1a)의 일측면에 흑연(1b)이, 타측면에 비흑연 재료(1c)가 도포된 음극(1)을 갖고, 음극(1)의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 양극들(2, 3)을 각각 대향 배치한다.

Description

리튬 이온 2차 전지 및 그 충방전 회로{LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND CHARGE-DISCHARGE CIRCUIT THEREOF}

[산업상 이용분야]

본 발명은 모바일 기기와 전기 자동차 등에 사용되는 리튬 이온 2차 전지 및 그 충방전 회로에 관한 것이다.

[종래 기술]

최근의 급속한 모바일 기기의 진보 및 장래의 전기 자동차에 대응하기 위해 리튬 이온 2차 전지의 고용량화가 급선무가 되고 있다. 현재 시판되고 있는 리튬 이온 2차 전지의 대부분은 도 4의 곡선 a에 도시된 바와 같이, 음극으로 낮은 방전 전압을 갖는 흑연계 탄소 재료가 사용되고 있으며, 그 방전 용량을 도 4의 곡선 c에 나타낸 바와 같이, 이론 방전 용량값인 372 mAh/g에 근접시키는 것이 주목되고 있는 점이다. 한편, 하드 카본(hard carbon), 저온 소성 탄소 등의 탄소 재료, 금속 산화물 및 비정질 산화물 등은 500 mAh/g을 넘는 방전 용량을 갖고 있다. 그러나, 방전 전압이 도 4의 곡선 b에 나타낸 바와 같이 평탄하지 않기 때문에, 휴대 전화 및 노트형 퍼스널 컴퓨터 등과 같이 사용 전압 범위가 좁은 기기에 사용할 수 없어서 실용화가 어렵다.

한편, 최근에는 흑연과 하드 카본 또는 비정질 탄소의 양자의 장점을 얻을 목적으로 이러한 것을 혼합하여 음극 활물질로 하려고 하는 시도가 행해지고 있다.

하지만, 이러한 단순한 혼합으로는 도 4의 곡선 d에 나타낸 바와 같이, 오히려 양자의 단점만이 방전시에 작용하여, 고용량 및 낮은 전압을 계속해서 유지할 수 없게 된다. 그 이유는 흑연과 하드 카본 및 비정질 산화물과 같은 비흑연 활물질 재료를 단순히 혼합해서 작용한 전극(음극)을 사용한 리튬 이온 전지의 충방전 메카니즘이 이하에 서술되는 바와 같이 생각될 수 있기 때문이다.

다시 말하면, 이 전극계는 충방전 특성이 상이한 두 개의 전지를 병렬로 접속한 경우와 동일하며, 충전 개시 직후에는 흑연에도 리튬 이온이 들어가나, 그 이후에는 완만한 충전을 행하는 비흑연 활물질 재료에만 리튬 이온이 들어가고, 흑연에는 들어가지 않는다. 이 때문에 방전시에 곧바로 전압이 상승해서, 활물질에 있어서 비흑연의 중량비 만큼의 방전이 행해지면, 그 방전이 곧바로 종료되고, 결과적으로 한 가지의 재료에서 얻을 수 있는 용량보다 낮게 된다.

그래서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 충전시에는 흑연과 비흑연 재료를 직렬 배치하여, 양쪽에 동일한 레벨의 전류를 흐르게 하고, 전압은 이러한 흑연 및 비흑연 재료의 내부 저항에 대응해서 분압하고, 한편, 방전시에는 접속된 양쪽의 중량비, 방전 전압비에 대응한 방전 커브가 얻어지게 하는 방법을 생각할 수 있으나, 종래의 리튬 이온 전지에서는 그 구조상 안정한 방전 특성의 실현이 불가능하다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 흑연 및 비흑연 재료의 장점을 도출해낸 음극 구조를 채용하여, 고용량이고, 전압 평탄성이 높은 방전 특성을 얻을 수 있는 리튬 이온 2차 전지 및 그 충방전 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 리튬 이온 2차 전지의 충방전 회로를 나타내는 회로도.

도 2는 도 1에 나타낸 충방전 회로의 충전시에 있어서 등가회로도.

도 3은 도 1에 나타낸 충방전 회로의 방전시에 있어서 등가회로도.

도 4는 종래의 리튬 이온 2차 전지의 충방전 특성을 설명하기 위한 그래프.

[도면 부호의 간단한 설명]

1. 음극

1a. 집전체

1b. 흑연

1c. 비흑연 재료

2, 3 : 양극

4, 5, 14 : 충전용 정류기

8, 9 : 전원

11, 12, 15 : 방전용 정류기

13 : 양극의 출력단자

14 : 음극의 출력단자

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 것으로, 청구항 1에 기재된 발명은, 충방전 특성이 다른 2종의 음극 재료 중 한 종류를 집전체의 일측면에 다른 한 종류를 집전체의 타측면에 도포시킨 음극과, 이 음극의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 각각 대향 배치시킨 양극들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 리튬 이온 2차 전지에 있어서, 상기 2종류의 음극재료가, 한 종류는 흑연이고, 다른 한 종류는 하드 카본 또는 저온 소성 탄소 등의 탄소 재료, 리튬과 합금 가능한 금속 또는 그 화합물, 또는 비정질 산화물인 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 발명은 충방전 특성이 다른 2종류의 음극 재료 중 한 종류를 집전체의 일측면에, 다른 한 종류를 타측면에 도포시킨 음극과, 이 음극의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 각각 대향 배치된 양극들과, 상기 각각의 양극 및 상기 음극 사이에 충전용 정류기를 매개로 충전 전압을 공급하는 각각의 전원과, 상기 각각의 양극에 공통 접속된 양극의 출력 단자와, 방전용 정류기를 매개로 상기 음극에 접속되고, 상기 양극의 출력 단자와의 사이에 부하를 접속하기 위한 음극의 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 2에 기재된 리튬 이온 2차 전지의 충방전 회로에 있어서, 상기 2종류의 음극 재료 중 한 종류는 흑연이고, 다른 한 종류는하드 카본 또는 저온 소성 탄소 등의 탄소 재료, 리튬과 합금 가능한 금속 또는 그 화합물, 또는 비정질 산화물인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 태양을 도면을 참조해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 리튬 이온 2차 전지 및 이러한 충방전 회로를 나타내고, 동일한 도면에 있어서, 도면 부호 1은 음극으로, 이는 집전체(1a)의 일측면에 천연 흑연, 인조 흑연, 열분해 흑연 등의 흑연(1b)가 도포되고, 또한 타측면에 하드 카본 등의 비흑연 재료(1c)가 도포된 것이다. 또한, 이 음극(1)의 일측면 및 타측면에 대향하는 위치에, 예를 들면, 코발트산 리튬으로 제조된 양극들(2, 3)이 각각 배치된다.

그리고, 이러한 음극(1) 및 양극들(2, 3)은 예를 들면, 리튬염을 유기 용매에 용해시킨 전해액인 유기 전해액에 침적되어 있다. 따라서, 충전시에는 양극들(2, 3)로부터 리튬이 이온으로 되어 전해액 중에 용해되고, 음극(1)의 흑연층 사이 및 비흑연 재료에 삽입되고, 한편, 방전시에는 이 반대로 반응이 일어난다.

또한, 양극들(2, 3)에는 각각 제 1의 충전용 정류기(4, 5)를 매개로 하여 충전 전압을 공급하는 정전위 전원 단자(6, 7)가 각각 접속되어 있다. 이러한 전원 단자(6, 7)에는 이들을 접속시키는 회로와 함께 충전 전압 공급용 전원(8, 9)의 정전위측이 접속되어 있다. 이러한 전원(8, 9)의 부전위측이 부전위의 전원 단자(10)에 공통적으로 접속되어 있다. 게다가, 제 1 충전용 정류기(4, 5) 각각에는 제 1의 방전용 정류기(11, 12)를 매개로 부하를 접속하기 위한 양극의 출력 단자(13)이 공통적으로 접속되어 있다.

한편, 상기 음극(1)을 구성하는 집전체(1a)는 제 2의 충전용 정류기( 14)를 매개로 상기 부전위측(8, 9)의 전원 단자(10)에 접속함과 동시에, 제 2의 방전용 정류기(15)를 매개로, 상기 부하를 접속하기 위한 음극 출력 단자(16)에 접속되어 있다. 또한, 도 2 및 도 3은 이러한 충방전 회로의 충전시 및 방전시의 등가회로를 도시하고 있다.

이어서, 동작을 설명한다. 먼저, 충전시에는 각각 독립적으로 설계된 전원(8, 9)으로부터 제 2의 충전용 정류기(14) 및 제 1의 충전용 정류기(4, 5)를 통하여 음극(1) 및 양극들(2, 3) 사이에 충전 전류가 흐른다. 이 때문에, 양극(2, 3)으로부터 리튬이 이온으로 되어서 유기 전해액 중에 용해되고, 음극(1)의 흑연(1b) 층간 및 비흑연 재료(1c) 층간에 삽입된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 양극(2, 3) 및 음극(1) 사이에는 각각 독립된 전원(8, 9)으로부터 충전이 행해질 수 있다.

한편, 방전시에는 제 1의 충방전용 정류기(4, 5) 및 제 2의 충방전용 정류기(14)에 의해, 각 전원(8, 9)이 음극(1) 및 양극(2, 3)으으로부터 떨어져 분리된다. 이 때문에, 양극(2, 3) 및 음극(1)로부터 된 두 개의 전지는 도 3에 나타낸 바와 같이, 서로 병렬 접속되어 배치되고, 흑연(1b) 및 비흑연 재료(1c)의 중량비에 대응한 방전 특성을 얻을 수 있다. 즉, 종래와 같은 흑연 단독으로 형성된 음극과 비교해서, 이 흑연(1b) 및 비흑연 재료(1c)로부터 된 음극(1)은 각각의 장점을 갖고, 고용량이고 더욱이 전압 평탄성이 높은 방전 특성을 구현할 수 있게 된다.

상기 실시예에 있어서는 집전체(1a)의 일측면에 흑연(1b), 타측면에 비흑연 재료(1c)를 도포한 경우에 관해서 설명했지만, 이 비흑연 재료(1c)는 저온 소성 탄소 등의 탄소 재료, 리튬과 함금 가능한 금속 또는 그 화합물, 또는 비결정질 산화물이면 좋다.

이상과 같이, 본 발명은, 충방전 특성이 다른 2종류의 음극 재료의 한 종류를 집전체의 일측면에 다른 한 종류를 타측면에 도포시킨 음극을 갖고, 상기 음극의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 각각의 양극을 대향 배치시킨 것으로, 종래의 흑연만을 사용한 음극에 비해서 고용량이고, 전압 평탄성이 높은 방전 특성을 얻을 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 충방전 특성이 다른 2종류의 음극 재료 중 한 종류를 집전체의 일측면에 다른 한 종류를 타측면에 도포시킨 음극과, 상기 음극의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 충전 전압을 공급하는 각각의 전원과, 상기 각각의 양극에 공통 접속된 양극의 출력 단자를 갖고, 상기 음극에, 방전용 정류기를 매개로 상기 양극 출력 단자의 사이에 부하를 접속하도록 하기 때문에, 음극 및 양극 사이에의 충전 효율을 높일 수 있음과 동시에 리튬 축전지 본래의 고에너지 및 고방전 용량으로의 방전을 단순한 회로 구성으로 용이하게 실현할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. (삭제)
2. (정정) 충방전 특성이 다른 2종류의 음극 재료 중 한 종류를 집전체의 일측면에, 다른 한 종류를 타측면에 도포시킨 음극(상기 2종류의 음극 재료는 한 종류가 흑연이고, 다른 한 종류가 하드카본 또는 저온 소성 탄소의 탄소 재료, 리튬과 합금 가능한 금속 또는 그 화합물, 또는 비결정질 산화물임); 및

   상기 음극의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 대향 배치시킨 각각의 양극

   을 포함하는 리튬 이온 2차 전지.
3. 충방전 특성이 다른 2종류의 음극 재료 중 한 종류를 집전체의 일측면에, 다른 한 종류를 타측면에 도포된 음극;,

   상기 음극의 일측면 및 타측면에 전해액을 매개로 대향 배치시킨 각각의 양극;,

   상기 각각의 양극 및 상기 음극 사이에 충전용 정류기를 매개로 충전 전압을 공급하는 각각의 전원;,

   상기 각각의 양극과 공통 접속된 양극 출력 단자; 및

   상기 음극에 방전용 정류기를 매개로 접속되어 있고, 상기 양극의 출력 단자의 사이에 부하를 접속하기 위한 음극의 출력 단자

   를 포함하는 리튬 이온 2차 전지의 충방전 회로.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 2종류의 음극 재료는, 한 종류가 흑연이고, 다른 한 종류가 하드 카본 또는 저온 소성 탄소 등의 탄소 재료, 리튬과 합금 가능한 금속 또는 그 화합물, 또는 비결정질의 산화물인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 충방전 회로.