KR100582558B1 - Lithium metal anode for lithium metal polymer secondary battery comprising spacer and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
스페이서가 구비된 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 리튬금속 음극은 금속 집전체와, 상기 금속 집전체 위에서 복수개의 영역으로 분리되어 형성된 리튬 필름과, 상기 리튬 필름의 각 영역을 한정하는 그리드 형상의 스페이서를 포함한다. 리튬 필름 내에 리튬 필름 보다 더 두꺼운 스페이서가 삽입됨으로써 충방전시에 발생하는 수지상 성장에 따른 음극의 두께 변화에 따른 부피 변화 문제가 최소화될 수 있다. Disclosed are a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery having a spacer and a method of manufacturing the same. The lithium metal negative electrode according to the present invention includes a metal current collector, a lithium film formed by being separated into a plurality of areas on the metal current collector, and a grid-shaped spacer defining each area of the lithium film. By inserting a spacer thicker than the lithium film in the lithium film, a problem of volume change due to a change in thickness of the negative electrode due to dendritic growth occurring during charging and discharging may be minimized.
리튬금속 고분자 이차전지, 리튬금속 음극, 스페이서, 그리드, 싸이클 안정성Lithium metal polymer secondary battery, lithium metal anode, spacer, grid, cycle stability
Description
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 평면도이다. 1A is a plan view of a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 1b는 도 1a의 Ib - Ib'선 단면도이다. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line Ib-Ib 'of FIG. 1A.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 평면도이다. 2 is a plan view of a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 리튬금속 음극으로 제조된 단위 전지들의 싸이클 성능을 비교예의 경우와 함께 나타낸 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the cycle performance of the unit cells made of a lithium metal negative electrode according to the present invention with a comparative example.
도 5는 본 발명에 따른 리튬금속 음극으로부터 얻어진 단위 전지들에서 싸이클 수가 증가함에 따라 나타나는 셀 두께 변화를 비교예의 경우와 함께 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the change in cell thickness as the number of cycles increases in the unit cells obtained from the lithium metal negative electrode according to the present invention together with the case of the comparative example.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 리튬금속 음극, 12: 금속 집전체, 12a: 상면, 14: 리튬 필름, 14a: 상면, 16: 스페이서, 16a: 상면, 17: 개구, 20: 리튬금속 음극, 26: 스페이서, 27: 개구. 10: lithium metal negative electrode, 12: metal current collector, 12a: top surface, 14: lithium film, 14a: top surface, 16: spacer, 16a: top surface, 17: opening, 20: lithium metal negative electrode, 26: spacer, 27: opening .
본 발명은 리튬금속 고분자 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 스페이서가 구비된 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a lithium metal polymer secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery provided with a spacer and a method of manufacturing the same.
최근, IT (Information Technology) 산업이 고도화됨에 따라 전자기기의 소형화, 박형화 및 경량화가 급속도로 이루어지고 있다. 특히, 기술의 추이에 있어서 눈에 띄게 나타나는 변화중의 하나가 바로 사무 자동화 분야에 있어서 데스크탑형 컴퓨터가 휴대형 노트북 PC 또는 그 이하의 크기로 급격히 소형 경량화 되고, 셀룰러폰 등의 휴대용 전자기기도 점점 그 기능이 복합 다양화 되면서 지속적으로 소형화를 추구하고 있다는 것이다. In recent years, as the IT (Information Technology) industry is advanced, miniaturization, thinning, and weight reduction of electronic devices are rapidly made. In particular, one of the notable changes in the trend of technology is that in the field of office automation, desktop computers are rapidly reduced in size and size to portable notebook PCs or smaller, and portable electronic devices such as cellular phones are increasingly being used. As functions diversify, the company continues to pursue miniaturization.
이에 따라, 이들에게 전원을 공급하는 리튬 이차전지에 대해서도 고성능화가 요구되고 있다. 현재 소형 IT 기기에 장착되어 가장 널리 적용되고 있는 리튬 이차전지 중의 하나가 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB)이다. 이는 기존의 납축전지 또는 니켈-카드뮴 전지에 비해 소형 경량화가 유리하고 에너지 밀도가 높기 때문이다. Accordingly, high performance is also required for lithium secondary batteries that supply power thereto. One of the most widely used lithium secondary batteries installed in small IT devices is a lithium ion battery (LIB). This is because small size and light weight are advantageous and energy density is higher than conventional lead acid batteries or nickel-cadmium batteries.
리튬 이온 전지는 리튬 이온의 삽입/탈리시 케미칼 포텐셜이 금속 리튬과 거의 유사한 탄소계 물질을 음극으로 사용한다. 양극 물질로는 리튬의 전극 전위보다 약 3 ∼ 4.5V 높은 전위를 나타내는 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)와 같은 전이 금속 산화물을 사용한다. 그리고, 액체 전해질/분리막 시스템을 전해질로 사용한다. Lithium ion batteries use a carbon-based material as a negative electrode whose chemical potential is almost similar to that of metallic lithium upon insertion / desorption of lithium ions. As the positive electrode material, a transition metal oxide such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) exhibiting a potential of about 3 to 4.5 V higher than that of lithium is used. And a liquid electrolyte / membrane system is used as the electrolyte.
그러나, 기존의 리튬 이온 전지는 액체 전해액의 누액을 방지하기 위해 디자인에 있어서 많은 제약을 받고, 소재의 근본적인 한계로 인해 성능이 포화 상태에 이른 것으로 판단되고 있다. 공정상으로도 제조 단가가 비싸고 대용량화하기 곤란하다는 문제점이 있다. However, conventional lithium ion batteries have been restricted in design to prevent leakage of liquid electrolyte, and due to the fundamental limitations of materials, performance has been judged to have reached a saturation state. Even in the process, there is a problem that the manufacturing cost is expensive and difficult to large-capacity.
이러한 기존의 리튬 이차전지의 문제점을 극복하고 성능을 한층 업그레이드 시키기 위한 노력의 일환으로 대두된 것이 바로 리튬금속 고분자 이차전지(Lithium Metal Polymer Battery, LMPB)이다. 리튬금속 고분자 이차전지는 구성에 있어서 탄소계 음극 대신에 리튬 금속을 음극으로 사용하고, 기존의 양극보다 용량이 향상된 새로운 전이금속 산화물 소재를 사용한다. 특히, 기존의 액체 전해질/분리막 시스템 대신 고분자 전해질을 사용함으로써 리튬 이온 전지에 비해 향상된 안정성을 가지며, 다양한 디자인 및 대형화가 용이하게 되었다. One of the efforts to overcome the problems of the existing lithium secondary battery and upgrade the performance is the lithium metal polymer battery (LMPB). Lithium metal polymer secondary battery uses lithium metal as a negative electrode instead of a carbon-based negative electrode in the configuration, and uses a new transition metal oxide material having improved capacity than a conventional positive electrode. In particular, by using a polymer electrolyte instead of a conventional liquid electrolyte / membrane system, it has improved stability compared to a lithium ion battery, and various designs and enlargement are facilitated.
그러나, 차세대 전원 소자로 각광받고 있음에도 불구하고, 리튬금속 고분자 이차전지는 싸이클 특성 및 수명 특성에 있어서 아직도 개선해야 할 문제점들이 많이 있다. 충전시 리튬 음극 표면에서의 리튬 수지상(dendrite) 성장으로 인하여 단락 문제가 발생하고, 비가역 반응이 심화되어 싸이클 성능을 저하시키고 있다. 또 한, 방전시 음극 표면에서 떨어져 나온 리튬 덩어리 또는 입자들은 안정성에 심각한 영향을 미치고 있다. 마지막으로, 리튬 수지상이 형성되면서, 리튬 음극의 두께변화가 발생되고, 그에 따라 셀의 팽창, 수축, 또는 변형이 발생되기 때문에 전지의 안정성 및 수명 특성에 있어서 심각한 영향을 미치고 있다. However, despite being spotlighted as next generation power devices, lithium metal polymer secondary batteries still have many problems to be improved in cycle characteristics and life characteristics. During charging, short-circuit problems occur due to lithium dendrite growth on the surface of the lithium negative electrode, and irreversible reaction is intensified, thereby degrading cycle performance. In addition, lithium lumps or particles that fall off the surface of the cathode during discharge have a serious impact on stability. Finally, as the lithium resin phase is formed, the thickness change of the lithium negative electrode is generated, and thus, the expansion, contraction, or deformation of the cell is generated, thereby seriously affecting the stability and life characteristics of the battery.
상기 문제들을 해결하기 위한 노력으로서 리튬 음극의 표면 개질을 통하여 리튬 수지상 형성을 억제하고 전해액과의 직접적인 접촉을 방지하기 위한 연구가 진행되었다 (예를 들면, 미합중국 특허 제5,314,765호, 제6,432,584 B1). 이러한 시도와 개선에 의해 리튬 수지상 형성은 어느 정도 개선할 수 있었다. 그러나, 리튬 수지상의 형성 가능성을 근본적으로 제거할 수 없는 한, 충방전시 음극의 두께 변화에 따른 셀의 부피 팽창과 수축에 따른 부피 변형 현상을 근본적으로 제어할 수는 없었다. 특히, 셀의 용량이나 면적이 커질수록 이 문제는 더욱 심각해지고 있다. In an effort to solve the above problems, research has been conducted to suppress lithium dendritic formation and prevent direct contact with the electrolyte through surface modification of the lithium anode (for example, US Pat. No. 5,314,765, 6,432,584 B1). These attempts and improvements have led to some improvement in lithium dendritic formation. However, as long as the possibility of forming the lithium resin phase could not be eliminated fundamentally, it was not possible to fundamentally control the volumetric deformation caused by the volume expansion and contraction of the cell caused by the change of the thickness of the cathode during charge and discharge. In particular, the larger the capacity and area of the cell, the more serious this problem becomes.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술에서의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 종래 기술에서 충방전시 발생되었던 리튬 음극의 두께 변화에 따른 셀의 부피 변형 현상을 근복적으로 해결할 수 있고, 셀의 안정성 및 싸이클 수명 특성을 향상시킬 수 있는 구조를 가지는 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to solve the problems in the prior art as described above, it is possible to solve the volume deformation phenomenon of the cell due to the change in thickness of the lithium negative electrode generated during the charge and discharge in the prior art, and the stability of the cell And to provide a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery having a structure capable of improving the cycle life characteristics.
본 발명의 다른 목적은 단순화된 제조 공정에 의해 리튬 음극의 두께 변화에 따른 셀의 부피 변형 현상을 근본적으로 해결할 수 있고, 셀의 안정성 및 싸이 클 수명 특성을 향상시킬 수 있는 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to fundamentally solve the volume deformation of the cell according to the thickness change of the lithium anode by a simplified manufacturing process, lithium lithium polymer secondary battery that can improve the stability and cycle life characteristics of the cell It is to provide a method for producing a metal cathode.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극은 금속 집전체와, 상기 금속 집전체 위에서 복수개의 영역으로 분리되어 형성된 리튬 필름과, 상기 리튬 필름의 각 영역을 한정하는 그리드 형상의 스페이서를 포함한다. In order to achieve the above object, a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention is a metal current collector, a lithium film formed by separating a plurality of areas on the metal current collector, and to define each region of the lithium film Grid-shaped spacers.
상기 금속 집전체는 포일(foil), 메쉬(mesh), 또는 폼(foam)으로 이루어질 수 있다. The metal current collector may be formed of a foil, a mesh, or a foam.
상기 리튬 필름 및 상기 스페이서는 각각 상기 금속 집전체의 상면에 접하도록 형성되어 있으며, 상기 금속 집전체의 상면으로부터 상기 리튬 필름의 상면까지의 두께 보다 상기 금속 집전체의 상면으로부터 상기 스페이서의 상면까지의 두께가 더 크다.Each of the lithium film and the spacer is formed to be in contact with an upper surface of the metal current collector, and is formed from an upper surface of the metal current collector to an upper surface of the spacer rather than a thickness from an upper surface of the metal current collector to an upper surface of the lithium film. Larger thickness
상기 스페이서에는 상기 리튬 필름의 각 영역에 대응하는 복수의 개구가 형성되어 있으며, 상기 개구는 다각형, 원형 또는 타원형의 형상을 가진다. The spacers are formed with a plurality of openings corresponding to respective regions of the lithium film, and the openings have a polygonal, circular or elliptical shape.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 제조 방법에서는 먼저 금속 집전체를 준비한다. 상기 금속 집전체 위에 리튬 필름을 형성한다. 상기 리튬 필름 내에 상기 리튬 필름 보다 더 두꺼운 두께를 가지는 스페이서를 삽입한다. 상기 리튬 필름을 형성하기 위하여 필름 형상의 리튬을 상기 금속 집전체 위에 라미네이션한다. In order to achieve the above another object, in the method of manufacturing a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention, a metal current collector is prepared first. A lithium film is formed on the metal current collector. A spacer having a thickness thicker than the lithium film is inserted into the lithium film. In order to form the lithium film, a film-shaped lithium is laminated on the metal current collector.
상기 스페이서를 삽입하기 위하여 상기 리튬 필름 위에 상기 스페이서를 올린 후 라미네이션 및 프레싱(pressing)할 수 있다. In order to insert the spacer, the spacer may be placed on the lithium film, followed by lamination and pressing.
본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극은 리튬 필름 보다 더 두꺼운 절연 소재의 그리드형 스페이서 필름을 리튬 층 위에 올린 후 라미네이션/프레싱을 통하여 리튬 필름 내에 삽입하여 얻어진다. 스페이서의 두께가 리튬 필름의 두께보다 더 두꺼워서 다량 성장한 수지상들이 고분자 전해질이나 분리막쪽으로 침투성장하면서 단락을 일으키거나 음극으로부터 전극 표면이 박리되는 현상을 억제할 수 있다. 따라서, 리튬 음극의 두께 변화에 따른 전지 셀의 부피 팽창 및 수축이 억제되고, 싸이클 안정성 및 수명 특성이 향상된다. The lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention is obtained by placing a grid-type spacer film of an insulating material thicker than a lithium film on a lithium layer and inserting the same into a lithium film through lamination / pressing. Since the thickness of the spacer is thicker than the thickness of the lithium film, a large amount of the dendritic particles may be prevented from penetrating and growing into the polymer electrolyte or the separator, causing short circuit or peeling of the electrode surface from the cathode. Therefore, volume expansion and contraction of the battery cell due to the thickness change of the lithium negative electrode are suppressed, and cycle stability and life characteristics are improved.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 Ib - Ib'선 단면도이다. 1A is a plan view of a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to a first exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line Ib-Ib 'of FIG. 1A.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극(10)은 금속 집전체(12)와, 상기 금속 집전체(12) 위에서 복수개의 영역으로 분리되어 형성된 리튬 필름(14)과, 상기 리튬 필름(14)의 각 영역을 한정하는 그리드 형상의 스페이서(16)를 포함한다. 1A and 1B, a lithium metal
상기 스페이서(16)는 상기 금속 집전체(12)와 접하도록 형성되어 있으며, 상기 금속 집전체(12)의 상면(12a)으로부터 상기 리튬 필름(14)의 상면(14a)까지의 두께(T1) 보다 상기 금속 집전체(12)의 상면(12a)으로부터 상기 스페이서(16)의 상면(16a)까지의 두께(T2)가 더 크다. The
상기 금속 집전체(12)는 압연 방식 또는 전해 방식으로 형성될 수 있으며, 필름 또는 메쉬 형태의 금속으로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 금속 집전체(12)는 폼(foam) 형상의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 집전체(12)는 예를 들면 구리 또는 니켈로 구성될 수 있다. 상기 금속 집전체(12)의 두께(T3)는 약 5 ∼ 50㎛로 될 수 있다. The metal
상기 리튬 필름(14)은 상기 금속 집전체(12) 위에 라미네이션 또는 직접 증착 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 리튬 필름(14)의 두께(T2)는 약 0.5 ∼ 100㎛로 될 수 있다. The
그리드 형상의 상기 스페이서(16)는 유리 강화 섬유, 카본 화이버, 또는 알루미늄 옥사이드로 이루어질 수 있으며, 상기 스페이서(16)에는 상기 리튬 필름(14)의 각 영역에 대응하는 복수의 개구(17)가 형성되어 있다. 상기 스페이서(16)에 형성된 각 개구는 다각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 1a 및 도 1b에는 사각형의 개구(17)가 형성된 스페이서(16)가 예시되어 있다. The grid-shaped
또한, 도 2에는 원형의 개구(27)가 형성된 스페이서(26)를 구비한 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극(20)이 예시되어 있다. 도 2에 있어서, 도 1a 및 도 1b에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다. 2 illustrates a lithium metal
도 1a 및 도 1b에서와 같이 사각형 개구(17)인 경우, 상기 개구(17)의 가로 및 세로 치수는 각각 약 100㎛ ∼ 1cm로 될 수 있다. 또한, 도 2의 경우와 같이 원형의 개구(27)인 경우, 상기 개구(27)는 약 100㎛ ∼ 1cm의 직경을 가질 수 있다. 상기 스페이서(16)의 두께(T2)는 약 1 ∼ 200㎛로 될 수 있다. In the case of the
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬금속 음극은 스페이서의 두께가 리튬 금속 음극을 구성하는 리튬 필름의 두께보다 더 두껍다. 따라서, 충전시 양극에서 빠져 나온 리튬 이온들이 음극 표면에 환원될 때 리튬 수지상이 아무리 양극 방향으로 성장하여도 고분자 전해질이나 분리막을 뚫거나 밀면서 두께를 증가시키지 않는다. 이는 리튬 음극 자체의 두께가 성장한다 하더라도 스페이서 필름 두께 내에서만 변화가 야기되기 때문이다. 따라서, 전지셀의 두께 및 부피가 변형되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 고분자 전해질이나 분리막쪽으로 수지상이 침투성장 하면서 음극 표면에서 박리 현상이 일어나는 것도 억제할 수 있다. 또한, 음극 표면의 모폴로지(morphology)가 수시로 변함에도 불구하고 전해질 필름과의 계면에서 리튬과의 직접적인 접촉이 억제되기 때문에 계면 저항의 증가에도 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서, 전지의 단락 현상을 억제할 수 있고 싸이클 안정성도 현저히 향상시킬 수 있다. As described above, in the lithium metal negative electrode according to the present invention, the thickness of the spacer is thicker than the thickness of the lithium film constituting the lithium metal negative electrode. Therefore, when lithium ions exiting the anode during charging are reduced on the surface of the cathode, no matter how much lithium resin is grown in the direction of the anode, the thickness does not increase while penetrating or pushing the polymer electrolyte or the separator. This is because even if the thickness of the lithium anode itself grows, a change is caused only within the thickness of the spacer film. Therefore, the phenomenon in which the thickness and volume of the battery cell are deformed can be effectively suppressed. In addition, as the resin phase penetrates and grows toward the polymer electrolyte or the separator, the peeling phenomenon occurs on the surface of the negative electrode. In addition, even though the morphology of the cathode surface changes from time to time, since the direct contact with lithium at the interface with the electrolyte film is suppressed, it hardly affects the increase in the interface resistance. Therefore, the short circuit phenomenon of a battery can be suppressed and a cycle stability can also be improved significantly.
또한, 본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극은 기존의 액체 전해질/분리막 시스템에도 적용이 가능하며, 그 제조 공정이 단순하고 용이하다. In addition, the lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention may be applied to a conventional liquid electrolyte / membrane system, and its manufacturing process is simple and easy.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬금속 고분자 이 차전지용 리튬금속 음극의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 3A to 3C are cross-sectional views of a lithium metal polymer according to a preferred embodiment of the present invention in order to explain a method of manufacturing a lithium metal negative electrode for a secondary battery.
도 3a를 참조하면, 먼저 금속, 예를 들면 구리 또는 니켈로 이루어지는 금속 집전체(12)를 준비한다. 상기 금속 집전체(12)는 압연 또는 전해법으로 제조된 금속 포일 또는 금속 메쉬, 또는 금속 폼으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 집전체(12)는 구리 또는 니켈로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 3A, first, a metal
도 3b를 참조하면, 상기 금속 집전체(12) 위에 리튬 필름(14)을 형성한다. 상기 리튬 필름(14)은 필름 형상의 리튬을 상기 금속 집전체(12) 위에 라미네이션하거나, 또는 상기 금속 집전체(12) 위에 리튬을 직접 증착하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3B, a
도 3c를 참조하면, 상기 금속 집전체(12) 위에 형성된 리튬 필름(14) 위에 절연체로 이루어진 그리드 형상의 스페이서(16)를 올린 후 라미네이션 및 프레싱(pressing) 공정에 의하여 상기 리튬 필름(14) 내에 상기 스페이서(16)를 삽입하여, 도 1a 및 도 1b에 예시된 바와 같은 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극을 완성한다. 상기 리튬 필름(14) 및 스페이서(16)에 관한 상세한 구성은 도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같다. Referring to FIG. 3C, a grid-shaped
이하에서는 본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 제조 방법을 구체적인 예를 들어 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 다음에 설명하는 구체적인 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. Hereinafter, a method of manufacturing a lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the specific examples described below are merely examples to help understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.
예 1Example 1
15㎛ 두께, 2cm × 2cm 크기의 구리 집전체에 초음파 용접기로 니켈 텝 단자를 붙인 후, 그 위에 리튬을 10㎛ 두께로 스퍼터링하여 리튬 필름을 제조하였다. 얻어진 리튬 필름 위에 유리 강화 섬유로 제조된 스페이서 필름을 놓고 프레싱을 가하여 리튬 필름 내에 스페이서 필름의 하단부가 삽입된 리튬금속 음극을 제조하였다. 여기서, 상기 스페이서 필름은 그리드를 구성하는 개구 하나의 크기가 2mm × 2mm이었고, 두께가 25㎛이었다. 이 때, 리튬 필름보다 스페이서 필름의 두께가 더 두껍기 때문에 리튬 필름 위로 스페이서 필름 상단부가 돌출되어 나왔으며, 리튬 필름 위로 돌출되어 나온 스페이서 필름 상단부의 두께는 15㎛이었다. After attaching a nickel tab terminal to a copper current collector having a thickness of 15 μm and a size of 2 cm × 2 cm with an ultrasonic welding machine, lithium was sputtered onto the film to produce a lithium film. The spacer film made of glass reinforcing fibers was placed on the obtained lithium film and pressed to prepare a lithium metal negative electrode having a lower end portion of the spacer film inserted into the lithium film. Here, the spacer film had a size of 2 mm × 2 mm and a thickness of 25 μm of one opening constituting the grid. At this time, since the thickness of the spacer film is thicker than that of the lithium film, the upper portion of the spacer film protrudes out from the lithium film, and the thickness of the upper portion of the spacer film protruding from the lithium film was 15 μm.
예 2Example 2
카본 화이버 소재를 이용하여 제조된 스페이서 필름을 사용한 것을 제외하고, 예 1에서와 동일한 방법으로 리튬금속 음극을 제조하였다. A lithium metal negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a spacer film prepared using a carbon fiber material was used.
예 3Example 3
알루미늄 옥사이드로 제조된, 원형의 그리드를 가지는 스페이서 필름을 사용한 것을 제외하고, 예 1에서와 동일한 방법으로 리튬금속 음극을 제조하였다.A lithium metal negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that a spacer film having a circular grid made of aluminum oxide was used.
예 4Example 4
충방전 싸이클 측정을 위하여, 예 1 및 예 3에서 제조된 리튬금속 음극을 사용하여 단위 전지들을 제조하였다. 이 때, 양극판으로 리튬-망간-니켈 산화물 분말 80중량%, 도전제 12중량%, 및 바인더 8중량%를 혼합하여 제조한 것을 사용하고, 전해질은 분리막/액체전해질 시스템을 사용하였다. 비교예로서 리튬금속 음극 표면에 스페이서를 대지 않은 경우의 단위 전지도 제조하여 동일한 조건으로 측정하였 다. 충방전 전류밀도를 1mA(C/5 rate)로 4.8V까지 충전시킨 후 3.0V까지 방전시키면서 충방전 특성을 조사하였다. 또한 50싸이클까지의 싸이클 안정성을 측정하였다. For charge and discharge cycle measurements, unit cells were manufactured using the lithium metal negative electrodes prepared in Examples 1 and 3. At this time, 80% by weight of lithium-manganese-nickel oxide powder, 12% by weight of a conductive agent, and 8% by weight of a binder were used as a positive electrode plate, and an electrolyte was used as a separator / liquid electrolyte system. As a comparative example, a unit cell in which no spacer was placed on the surface of a lithium metal negative electrode was also prepared and measured under the same conditions. Charge and discharge characteristics were investigated while charging and discharging the current density to 4.8V at 1 mA (C / 5 rate) and discharging to 3.0V. In addition, cycle stability up to 50 cycles was measured.
도 4는 예 1 및 예 3의 리튬금속 음극으로 제조된 단위 전지들의 싸이클 성능을 비교예의 경우와 함께 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 리튬금속 음극을 사용한 예 1 및 예 3의 경우에는 비교예의 경우에 비해 싸이클에 따른 방전용량의 유지특성이 우수함을 알 수 있다. 4 is a graph showing the cycle performance of the unit cells made of the lithium metal negative electrodes of Examples 1 and 3 together with the case of the comparative example. In the case of Example 1 and Example 3 using the lithium metal negative electrode according to the present invention it can be seen that the retention characteristics of the discharge capacity according to the cycle is superior to that of the comparative example.
도 5는 예 1 및 예 3에 따른 리튬금속 음극으로부터 얻어진 단위 전지들에서 싸이클 수가 증가함에 따라 나타나는 셀 두께 변화를 비교예의 경우와 함께 나타낸 그래프이다. 예 1 및 예 3의 경우에는 비교예의 경우에 비해 셀 두께의 변화가 거의 없는 것으로 보아 리튬 음극의 두께 변화에 따른 셀의 부피 변화 문제가 개선되었음을 알 수 있다. FIG. 5 is a graph showing a change in cell thickness as the number of cycles increases in unit cells obtained from lithium metal negative electrodes according to Examples 1 and 3, together with a comparative example. In the case of Examples 1 and 3, there is almost no change in the cell thickness compared to the case of the comparative example, it can be seen that the problem of the volume change of the cell according to the thickness change of the lithium anode is improved.
본 발명에 의한 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극은 리튬 필름 보다 두께가 더 두꺼운 절연 소재의 그리드형 스페이서 필름을 리튬 층 위에 올린 후 라미네이션/프레싱을 통하여 리튬 필름 내에 삽입하여 얻어진다. 스페이서의 두께가 리튬 필름의 두께보다 더 두꺼워서 다량 성장한 수지상들이 고분자 전해질이나 분리막쪽으로 침투성장하면서 단락을 일으키거나 음극으로부터 전극 표면이 박리되는 현상을 억제할 수 있다. 또한, 스페이서 필름 두께 범위 내에서만 리튬의 두께 및 부피가 팽창하고 수축하기 때문에 근본적으로 전지 셀 두께를 변화시키지 않는 다. 또한, 음극 표면의 모폴로지가 수시로 변함에도 불구하고 전해질 필름과의 계면에서 리튬과의 직접 접촉이 없기 때문에 계면 저항의 증가를 야기시키지 않는다. 따라서, 싸이클 안정성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다. The lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention is obtained by placing a grid-type spacer film of an insulating material thicker than a lithium film on a lithium layer and inserting the same into a lithium film through lamination / pressing. Since the thickness of the spacer is thicker than the thickness of the lithium film, a large amount of the dendritic particles may be prevented from penetrating and growing into the polymer electrolyte or the separator, causing short circuit or peeling of the electrode surface from the cathode. In addition, since the thickness and volume of lithium expand and contract only within the spacer film thickness range, they do not fundamentally change the battery cell thickness. In addition, although the morphology of the negative electrode surface changes from time to time, there is no direct contact with lithium at the interface with the electrolyte film and thus does not cause an increase in the interface resistance. Thus, cycle stability and lifespan characteristics can be improved.
본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극은 초박형 리튬 음극으로부터 후막 형태까지, 그리고 소형 단위 전지부터 대형 스텍/권취형 셀에 이르기까지 모두 적용이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 리튬금속 고분자 이차전지용 리튬금속 음극의 제조 방법은 그 공정이 단순하고 용이하여 기존 공정에 크게 변화시키지 않고 용이하게 적용될 수 있다. Lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention is applicable to ultra-thin lithium anode to thick film form, and from small unit cells to large stack / winding cell. In addition, the manufacturing method of the lithium metal negative electrode for a lithium metal polymer secondary battery according to the present invention can be easily applied without changing the existing process so that the process is simple and easy.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. You can change it.
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