KR100634901B1 - 비수(非水) 전해질 전지 - Google Patents

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토모히토 오카모토
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산요 일렉트릭 컴퍼니 리미티드
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Abstract

양극과 음극과 폴리머 전해질층을 갖추는 비수(非水) 전해질 전지에 있어서, 대향하는 양극 및 음극의 단위면적 근처의 이론 용량을 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하로 하고, 폴리머 전해질층을 무기 고형 필러를 함유하는 다공질층으로 하고, 이론 전지 용량을 800 mAh 이상 4 Ah이하로 했다.
비수(非水), 전해질, 전지

Description

비수(非水) 전해질 전지{NON-AQUEOUS ELECTROLYTE BATTERY}
도 1은 본 발명과 관련되는 폴리머 전해질 전지의 분해 사시도.
도 2는 각 실시예 및 각 비교 예의 전지의 개요를 나타내는 표.
도 3은 각 실시예 및 각 비교예에 대한 시험 결과를 나타내는 표.
본 발명은, 양극과 음극과 폴리머 전해질층을 갖추는 비수(非水) 전해질 전지에 관한 것이다.
양극과 음극과의 사이에 폴리머 전해질층을 가지는 폴리머 전해질 전지(예를 들면, 特開 2003－109663호 공보 참조)는, 폴리머층이 전해액을 보관, 유지하는 작용을 가지기 위해, 누액(漏液)이 생기기 어렵다. 또, 폴리머층이 전극과 세퍼레이터(separator)를 접착하는 작용을 가지기 때문에, 가열 또는 과충전 등의 이상시에 있어서 세퍼레이터의 수축이 억제되어 전극의 합선 등이 생기기 어렵고, 안전성이 높다.
다만, 전극간에 폴리머층을 마련하고 있기 때문에, 폴리머층이 존재하지 않는 전지와 비교하여, 이온 전도성이 낮고, 분극이 커지는 경향이 있으며, 특히 저 온 방전 성능이 저하하는 경향이 있다. 이에 대한 대책으로서 예를 들면 집전체(集電體)에 도포하는 활성물질의 양을 줄이는 등, 대향하는 양극 및 음극의 단위면적 근처의 이론 용량을 작게 하여, 전류 밀도를 내리는 것에 의해, 분극을 억제하는 것이 행해지고 있다.
그러나, 상술한 대책을 실시했을 경우, 합선시에 흐르는 전류가 커지는 경향이 있어, 발생한 줄(Joule) 열에 의해, 전지 내부의 온도가 상승해 발열 또는 발연(發煙)등의 문제가 생기기 쉬워진다. 특히 외장체로서 래미네이트 필름제 케이스를 이용한 폴리머 전해질 전지는, 알루미늄 등의 금속캔을 외장체에 이용한 전지와 비교하여 외장체의 열전도성이 낮고, 전지 내부로부터 생긴 열이 외장체를 통해 방열되기 어렵기 때문에, 전지 내부의 온도가 상승하기 쉽고, 열폭주(熱暴走)에 이르기 쉽다고 하는 문제가 있다. 특히 전지 용량이 큰 경우는 합선시에 흐르는 전류가 커지기 때문에, 상술한 문제가 보다 생기기 쉽다.
본 발명은 이러한 사정을 고려한 것으로, 대향하는 양극 및 음극의 단위면적 근처의 이론 용량을 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하로 한 것에 의해, 합선시 전지 내부의 온도 상승에 의한 발열 또는 발연(發煙)을 방지할 수 있는 비수(非水) 전해질 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은, 상기 폴리머 전해질층으로서 무기 고형 필러를 함유하는 다공질층을 이용하는 것으로, 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있는 비수(非水) 전해질 전지를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또, 본 발명은, 이론 전지 용량을 800 mAh 이상 4 Ah이하로 한 것에 의해, 안전성을 확보하면서 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있는 비수(非水) 전해질 전지를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 제1 측면와 관련되는 비수(非水) 전해질 전지는, 양극과 음극과 폴리머 전해질층을 갖추는 비수(非水) 전해질 전지에 있어서, 대향하는 양극 및 음극의 단위면적 근처의 이론 용량이 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면와 관련되는 비수(非水) 전해질 전지는, 제1 측면에 있어서, 상기 폴리머 전해질층은 무기 고형 필러를 함유하는 다공질층인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 측면와 관련되는 비수(非水) 전해질 전지는, 제1 또는 제2 측면에 있어서, 이론 전지 용량이 800 mAh 이상 4 Ah이하인 것을 특징으로 한다.
제1 측면에 대해서는, 대향하는 양극 및 음극의 단위면적 근처의 이론 용량을, 3.00mAh/㎠ 이상으로 크게 하고 있기 때문에, 활성물질층이 증가하여 합선시에 흐르는 전류를 작게 할 수 있어 합선시의 전지 내부의 온도 상승에 의한 발열 또는 발연(發煙)을 방지할 수 있다. 다만, 상기 단위면적 근처의 이론 용량을 크게 했을 경우, 저온 방전 성능이 저하하는 경향이 있기 때문에, 상기 단위면적 근처의 이론 용량을 3.20mAh/㎠ 이하로 하여, 저온 방전 성능의 저하를 최소한으로 억제하고 있다.
제2 측면에 대해서는, 무기 고형 필러를 함유 한 다공질층은 이온 도전성이 뛰어나, 상술한 것처럼 상기 단위면적 근처의 이론 용량을 크게 했을 경우는 저온 방전 성능이 저하하는 경향이 있지만, 폴리머 전해질층으로서 무기 고형 필러를 함유한 다공질층을 이용하는 것에 의해, 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
제3 측면에 대해서는, 이론 전지 용량이 800 mAh 이상의 전지는, 방전시의 줄(Joule) 열이 크고 전지 온도가 상승하는 경향이 있기 때문에, 저온시에 있어서도 방전 성능이 상승하기 쉬워진다. 다만, 이론 전지 용량이 4 Ah이상으로 큰 전지는, 단위면적 근처의 용량을 크게 했을 경우에도 합선 전류가 커지는 경향이 있기 때문에, 열폭주가 일어나기 쉬워진다. 그 때문에, 전지 용량이 800 mAh 이상 4 Ah이하의 전지에 대해서는, 안전성을 확보하면서 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
제1 측면에 의하면, 합선시의 전지 내부의 온도 상승에 의한 발열 또는 발연(發煙)을 방지할 수 있다.
제2 측면에 의하면, 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
제3 측면에 의하면, 안전성을 확보하면서 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적 및 특징은 이하 첨부한 도면과 함께 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
이하, 본 발명을 그 실시의 형태를 나타내는 도면에 근거해 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명과 관련되는 폴리머 전해질 전지(비수(非水) 전해질 전지)의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 폴리머 전해질 전지(1)(이하, 전지라고 한다), 발전 요소(2), 양극(3), 음극(4), 세퍼레이터(5), 양극 단자(6), 음극 단자(7), 전지 케이스(8)가 도시되어 있다. 발전 요소(2)는, 세퍼레이터(5)를 개입시켜 양극(3) 및 음극(4)을 감아 돌린 것으로, 양극(3) 및 음극(4) 간에는 폴리머 전해질층을 가진다. 또, 양극(3)은 양극 단자(6)와 접속되고 음극(4)는 음극 단자(7)와 접속되어 있다.
양극(3)에 대해서는, 양극 활성물질로서 리튬 복합 금속 화합물인 LiCoO2 94 질량％와, 도전제로서 아세틸렌 블랙 3 질량％와, 결착제로서 폴리 훅화 비닐리덴(PVDF) 3 질량％을 혼합해 양극 합제로 하고, N－메틸-2－피롤리돈(NMP)에 분산시켜 양극 슬러리(slurry)를 조제했다. 이 양극 슬러리(slurry)를 두께 15㎛의 알루미늄박 집전체의 양면에 균일하게 도포하고, 양극 합제층을 형성해 건조시킨 후, 롤 프레스로 압축 성형하는 것으로써 양극(3)을 제작했다.
음극(4)에 대해서는, 활성물질로서 흑연 분말 95 질량％과, 결착제로서 PVDF 5 질량％과, NMP를 더해 혼합하고, 음극 슬러리(slurry)를 조제했다. 이 음극 슬러리(slurry)를 두께 10㎛의 동박 집전체의 양면에 균일하게 도포해 건조시킨 후, 롤 프레스로 압축 성형하는 것으로써 음극(4)을 제작했다.
세퍼레이터(5)에는, 두께 16㎛의 미다공성 폴리에틸렌 필름을 이용했다. 이 세퍼레이터(5)에, PVDF 등의 폴리머에 디메틸 카보네이트 등의 가소제를 용해한 것을 도포한 후, 세퍼레이터(5)를 개입시켜 양극(3) 및 음극(4)을 감아 돌려 발전 요소(2)를 제작했다. 이 발전 요소(2)를 100℃로 12시간 진공 건조해 상기 가소제를 제거하는 것으로써, 상기 폴리머가 고체화하여 폴리머층(폴리머 전해질층)이 형성됨과 동시에, 양극(3) 또는 음극(4)과 세퍼레이터(5)가 접착한다. 진공 건조시킨 발전 요소(2)를 두께 90㎛의 알루미늄 래미네이트 필름제의 전지 케이스(8)에 수용한 후, 1 몰의 LiPF6 를 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트의 혼합 용매(용적비 1：2)에 용해한 전해액을 주입해, 전지 케이스(8)를 열용착 등으로 봉지(封止)하는 것으로써, 전지(1)를 제작했다.
전지(1)의 충전 전압은 4.2 V이며, 이 충전 전압의 경우 양극 활성물질에 대해 방전 상태에서는 LiCoO2 이지만, 만충전(滿充電) 상태에서는 리튬이 58％이탈한다. 그 때문에, 단위 질량 근처의 초기 충전 용량은, LiCoO2의 단위 질량 근처의 이론 용량 273.8mAh/g의 58％에 해당하는 159 mAh/g이다. 또, 양극(3)은, 건조 후의 양극 합제층의 일 면의 단위면적 근처의 질량(이하, 일 면 단위면적 질량이라고 한다.)이 0.0215g/㎠ 이며, 폭 5.2 cm, 길이 24.1 cm의 양극 합제층(활성물질은 94 질량％)을 알루미늄박 집전체의 양면에 가져, 양극 합제층이 없고 알루미늄박 집전체만의 감아 돌린 최내주부(最內周部)에 양극 단자(6)가 용착되어 있다. 따라서, 양극(3)의 초기 충전 용량은 805(=159×0.0215×5.2×24.1×2×0.94) mAh이다.
또, 음극(4)에 있어서, 본 설명에서 이용한 흑연 분말의 초기 불가역량은 21 mAh/g이다. 또, 음극(4)은, 건조 후의 음극 합제층의 일 면의 단위면적 근처의 질량(이하, 일 면 단위면적 질량이라고 한다.)이 0.0107g/㎠ 이며, 폭 5.3 cm, 양극 합제층에 대향하는 부분(길이 24.1 cm)에만 존재하도록 잘라진 음극 합제층(활성물질은 95 질량％)을 동박 집전체의 양면에 가져, 음극 합제층이 없고 동박집전체만의 감아 돌린 최내주부(最內周部)에 음극 단자(7)가 용착되어 있다. 따라서, 음극(4)의 불가역량은 55(=21×0.0107×5.3×24.1×2×0.95) mAh이다.
이상으로부터, 대향하는 양극(3) 및 음극(4)의 단위면적 근처의 이론 용량(이하, 단위면적 용량이라고 한다.)은 3.00(=159×0.0215×0.94－21×0.0107×0.95) mAh/㎠ 이며, 이론 전지 용량(이하, 전지 용량이라고 한다.)은 750(=805－55) mAh이다. 덧붙여 음극 활성물질인 흑연 분말의 단위 질량 근처의 이론 용량은 372 mAh/g이며, 단위면적 근처의 양극의 이론 용량과 음극의 이론 용량과의 비는 0.68(=(372×0.0107×0.95)/(273.8×0.0215×0.94))로 하고 있다.
(실시예 2)
합제층의 길이를 25.7 cm로 하고, 전지 용량은 800 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 3)
합제층의 길이를 27.3 cm로 하고, 전지 용량은 850 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 4)
합제층의 길이를 26.4 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 850 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 5)
합제층의 길이를 25.6 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0229g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0114g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.20mAh/㎠, 전지 용량은 850 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 6)
합제층의 길이를 37.3 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 1200 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 7)
합제층의 길이를 74.5 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 2400 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 8)
합제층의 길이를 99.4 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/ ㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 3200 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 9)
합제층의 길이를 124.2 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 4000 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 10)
합제층의 길이를 149.1 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 4800 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 11)
폴리머 전해질층을 무기 고형 필러(PVDF 및 Al2O3)의 다공질층으로 하고, 합제층의 길이를 37.3 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 1200 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(실시예 12)
폴리머 전해질층을 무기 고형 필러(PVDF 및 TiO2)의 다공질층으로 하고, 합제층의 길이를 37.3 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0222g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0110g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.10mAh/㎠, 전지 용량은 1200 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(비교예 1)
합제층의 길이를 28.2 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0208g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0103g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 2.90mAh/㎠, 전지 용량은 850 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(비교예 2)
합제층의 길이를 39.8 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0208g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0103g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 2.90mAh/㎠, 전지 용량은 1200 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(비교예 3)
합제층의 길이를 24.8 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0236g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0117g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.30mAh/㎠, 전지 용량은 850 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(비교예 4)
폴리머 전해질층을 무기 고형 필러(PVDF 및 Al2O3)의 다공질층으로 하고, 합 제층의 길이를 24.8 cm, 양극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0236g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0117g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.30mAh/㎠, 전지 용량은 850 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
(비교예 5)
폴리머 전해질층을 무기 고형 필러(PVDF 및 Al2O3)의 다공질층으로 하고, 합제층의 길이를 116.7 cm, 양극 합제층의 한 면 단위면적 근처의 질량을 0.0236g/㎠, 음극 합제층의 일 면 단위면적 질량을 0.0117g/㎠로 하고, 단위면적 용량은 3.30mAh/㎠, 전지 용량은 4000 mAh이며, 그 외는 실시예 1과 같은 전지를 제작했다.
상술한 각 실시예 및 각 비교 예의 전지의 개요를 도 2에 나타낸다.
각 실시예 및 각 비교예의 전지에 대하여, 못 찌르기 시험 및 저온 방전 성능 시험을 실시했다. 못 찌르기 시험은, 각 전지를 4.2 V까지 충전한 후에, 전지 케이스(8)을 관통하도록, 직경 3 mm의 강철제 못을 찔러, 누액(漏液) 또는 발연(發煙) 등의 유무를 확인했다. 시험수는, 각 실시예 및 각 비교예에 대해서 각각 10개로 했다.
저온 방전 성능시험은, 25℃에 대해 4.2 V까지 충전한 후, 25℃에 대해 1 CmA(전지 용량을 1시간에 방전할 수 있는 전류이며, 예를 들면 실시예 1의 경우는 750 mA, 실시예 2의 경우는 800 mA이다.)로 방전했을 경우의 용량을 측정하고, 다음으로, 25℃에 대해 4.2 V까지 충전한 후, 0℃에 대해 1 CmA로 방전했을 때의 용 량을 측정하여, 저온 방전 성능(=100×"0℃에서의 방전 용량"/"25℃에서의 방전 용량"[％])을 구했다. 시험수는, 각 실시예 및 각 비교예에 대해서 각각 3개로 하고, 3개의 측정치의 평균치를 구했다. 시험 결과를 도 3에 나타낸다.
도 3의 비교예 3~5에 나타낸 바와 같이, 단위면적 용량이 3.30mAh/㎠의 경우, 저온 방전 성능은 80％미만이지만, 도 3의 실시예 1~12 및 비교예 1~2에 나타낸 바와 같이, 단위면적 용량이 3.20mAh/㎠ 이하의 경우, 저온 방전 특성은 80％이상이다. 또, 도 3의 비교예 1~2에 나타낸 바와 같이, 단위면적 용량이 2.90mAh/㎠ 의 경우, 못 찌르기 시험에서 절반 이상에 발연(發煙)이 생기고 있다. 따라서, 단위면적 용량(단위면적 근처의 이론 용량)은 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하가 바람직하다.
또, 단위면적 근처의 이론 용량이 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하인 실시예 1~12에 있어서, 전지 용량이 4800 mAh인 실시예 10에 소수의 발연(發煙)이 생기고 있기 때문에, 전지 용량(이론 전지 용량)은 4000 mAh 이하가 바람직하다. 또, 실시예 1~12에 있어서, 전지 용량이 750 mAh인 실시예 1의 저온 방전 성능은 80.5％로 약간 낮기 때문에, 전지 용량(이론 전지 용량)은 800 mAh 이상이 바람직하다.
게다가 도 3의 실시예 6, 11, 12에 나타낸 바와 같이, 폴리머 전해질층으로서 무기 고형 필러를 함유한 다공질층을 이용한 실시예 11, 12는, 무기 고형 필러를 함유하고 있지 않은 실시예 6에 비해 저온 방전 특성이 향상되고 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 대향하는 양극 및 음극의 단위면적 근처의 이론 용량을 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하로 한 것에 의해, 합선시 전지 내부의 온도 상승에 의한 발열 또는 발연(發煙)을 방지할 수 있는 비수(非水) 전해질 전지가 제공된다.
또, 상기 폴리머 전해질층으로서 무기 고형 필러를 함유하는 다공질층을 이용하는 것으로, 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있는 비수(非水) 전해질 전지가 제공된다.
또, 이론 전지 용량을 800 mAh 이상 4 Ah이하로 한 것에 의해, 안전성을 확보하면서 저온 방전 성능의 저하를 억제할 수 있는 비수(非水) 전해질 전지가 제공된다.

Claims (3)

  1. 양극；
    음극；및
    폴리머 전해질층을 포함하되,
    대향하는 상기 양극 및 상기 음극의 단위면적 근처의 이론 용량이 3.00mAh/㎠ 이상 3.20mAh/㎠ 이하인 비수(非水) 전해질 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 전해질층은 무기 고형 필러를 함유하는 다공질층인 비수(非水) 전해질 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    이론 전지 용량이 800 mAh 이상 4 Ah이하인 비수(非水) 전해질 전지.
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