KR101209687B1 - 리튬이온-유황배터리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬이온 공급원으로 사용되는 리튬금속; 양극으로 사용되는 유황전극; 및 상기 리튬금속과 유황전극 사이에 삽입되고, 층간삽입반응이 가능한 구조로 이루어지며, 초기에 리튬금속으로부터 리튬이온이 충전된 후 음극으로 사용되어 유황전극과 함께 충전 및 방전되는 층간삽입전극;을 포함하고, 상기 리튬금속은 초기에 층간삽입전극에 리튬이온을 충전하기 위한 용도로만 사용하고, 실제 배터리 사용시 리튬이온이 충전된 층간삽입전극을 사용함으로써, 기존의 리튬금속을 음극으로 사용하는 경우에 발생되는 덴드라이트의 형성을 방지하여 충방전 내구성을 향상시키고, 유황양극의 용량 증가로 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리를 제공한다.
Description
본 발명은 리튬이온-유황배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차세대 전기자동차에 적용할 수 있고, 충방전 내구성을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 리튬이온-유황배터리에 관한 것이다.
1991년 층간삽입반응을 이용한 리튬-이온 2차 배터리가 도입되어 산업화된 이후로, 리튬이온배터리는 배터리 분야 뿐만 아니라 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드자동차, 전기자동차 등 자동차 산업에서도 상당한 관심을 받고 있다.
상기 리튬이온배터리는 도 1에 도시한 바와 같이 탄소 또는 흑연을 음극(1)으로 사용하고, 리튬화 전이 금속 삽입 화합물을 양극(2)으로 사용하며, 상기 탄소음극(1)과 양극(2)을 전기회로로 연결하고, 배터리를 사용하면 리튬이온(5)이 양극(2)과 음극(1) 사이를 이동하면서 리튬이온이 탄소재 사이에 층간삽입되거나 리튬이온(5)이 탄소재에서 빠져나가 충전과 방전을 반복한다.
상기 리튬이온배터리는 탄소재를 음극(1)으로 사용하여 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.
미설명 도면부호 3은 분리막이고, 4는 전해질이다.
그러나, 기존의 리튬이온배터리는 570Wh/kg의 이론에너지밀도, 현수준에서 최대 120Wh/kg의 에너지밀도를 가지며, 이는 내연기관 자동차의 1회 충전 주행거리인 약 500km 를 주행하기에는 한계가 있다.
따라서, 기존 리튬이온배터리의 에너지밀도를 능가하는 차세대 자동차용 고에너지밀도를 가지는 배터리의 개발이 필요하다.
상기 차세대 자동차용 배터리의 후보 중 하나로 리튬황배터리가 연구되고 있다.
상기 리튬황배터리는 도 2에 도시한 바와 같이 리튬금속을 음극(6)으로 사용하고 유황을 양극(7)으로 사용하고, 산화환원반응에 의해 충방전을 반복하며, 유/무기 전해질(4)을 이용하는 갈바닉 셀로서, 가격이 저렴하고 고에너지밀도(2600Wh/kg)를 가진다.
그러나, 상기 리튬황배터리는 리튬금속을 음극(6)으로 사용하면서 초기용량은 높지만, 충방전이 반복됨에 따라 금속표면에 덴드라이트(8)(Dendrite)가 형성되어 충방전효율 및 안전성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 리튬금속과 유황양극 사이에 층간삽입전극을 추가로 삽입하고, 리튬금속은 초기에 층간삽입전극에 리튬이온을 충전하기 위해 사용하고, 실제 배터리 사용시에는 리튬이온이 충전된 층간삽입전극을 사용함으로써, 유황양극의 용량 증가로 기존의 리튬이온배터리 대비 에너지밀도를 대폭 증가시킬 수 있고, 덴드라이트의 형성을 방지하여 충방전 내구성을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 리튬이온-유황배터리를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬이온 공급원으로 사용되는 리튬금속; 양극으로 사용되는 유황전극; 및 상기 리튬금속과 유황전극 사이에 삽입되고, 층간삽입반응이 가능한 구조로 이루어지며, 초기에 리튬금속으로부터 리튬이온이 충전된 후 음극으로 사용되어 유황전극과 함께 충전 및 방전되는 층간삽입전극;을 포함하고, 상기 리튬금속은 초기에 층간삽입전극에 리튬이온을 충전하기 위한 용도로만 사용하고, 실제 배터리 사용시 리튬이온이 충전된 층간삽입전극을 사용함으로써, 기존의 리튬금속을 음극으로 사용하는 경우에 발생되는 덴드라이트의 형성을 방지하여 충방전 내구성을 향상시키고, 유황양극의 용량 증가로 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리를 제공한다.
여기서, 상기 층간삽입전극은 탄소재, 흑연, 실리콘(Si)계, 주석(Sn)계, LTO(Lithium Tin Oxide)계 중 어느 하나의 소재로 이루어지며, 층간삽입이 가능한 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 층간삽입전극은 표면에 흑연이 코팅된 메쉬 형태의 금속전극으로 이루어지고, 양방향으로 리튬이온을 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 층간삽입전극은 표면에 실리콘합금 또는 주석합금이 코팅된 메쉬 형태의 금속전극으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 층간삽입전극은 리튬금속으로부터 리튬이온이 충전된 후, 리튬이온의 활용도가 떨어진 경우에 리튬금속에서 층간삽입전극으로 리튬이온을 추가로 충전가능한 것을 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이온-유황배터리의 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 리튬금속과 유황전극 사이에 리튬이온이 층간삽입가능한 층간삽입전극을 삽입하고, 상기 리튬금속은 셀 제작 후 초기에 층간삽입전극에 리튬이온을 충전하기 위해서만 사용하고, 실제 배터리 사용시에는 리튬이온이 충전된 층간삽입전극과 유황전극을 음극과 양극으로 이용하여 반응시킴으로써, 리튬금속의 사용으로 발생되는 덴드라이트의 형성을 방지하여 충?방전 내구성을 향상시킬 수 있고, 유황전극의 용량 증가로 기존의 리튬이온배터리에 비해 에너지밀도를 향상시킬 수 있다.
2. 추후에 리튬이온-유황배터리를 하이브리드 차량 등의 자동차 분야에 적용하여 현재 내연기관 자동차의 주행거리 및 내구수준과 어깨를 나란히 할 수 있는 차세대 전기자동차를 개발할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 리튬이온배터리를 보여주는 개략도
도 2는 종래기술에 따른 리튬금속배터리를 보여주는 개략도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온-유황배터리의 초기충전 전과 후 모습을 보여주는 개략도
도 4는 도 3에서 실제 배터리 사용시 충방전 상태를 보여주는 개략도
도 2는 종래기술에 따른 리튬금속배터리를 보여주는 개략도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온-유황배터리의 초기충전 전과 후 모습을 보여주는 개략도
도 4는 도 3에서 실제 배터리 사용시 충방전 상태를 보여주는 개략도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온-유황배터리의 초기충전 전과 후 모습을 보여주는 개략도이고, 도 4는 도 3에서 실제 배터리 사용시 충방전 상태를 보여주는 개략도이다.
본 발명은 차세대 전기자동차에 적용할 수 있는 리튬이온-유황배터리에 관한 것으로서, 특히 충방전 효율을 향상시키고 고에너지밀도를 가지는 리튬이온-유황배터리에 관한 것이다.
본 발명에 따른 리튬이온-유황배터리는 리튬이온(15)을 공급하는 리튬금속(11)과, 양극으로 사용되는 유황전극(12)과, 상기 리튬금속(11)과 유황전극(12) 사이에 배치되어 음극으로 사용되는 층간삽입전극(10)을 포함한다.
도 3에 도시한 바와 같이 상기 리튬이온-유황배터리는 리튬금속(11)을 가운데 두고 리튬금속(11)의 양쪽에 순서대로 적층되는 분리막(13), 층간삽입전극(10), 분리막(13), 유황전극(12)과; 이들 사이에 함침되어 있는 전해질(14);을 포함한다.
다시말해서, 상기 리튬이온-유황배터리는 유황전극(12), 분리막(13), 층간삽입전극(10), 분리막(13), 리튬금속(11), 분리막(13), 층간삽입전극(10), 분리막(13), 유황전극(12) 순으로 적층된다.
도 3의 (a)는 배터리 셀 제작 후 충방전 전에 초기 셀을 보여주는 개략도이다.
도 3(a)에 도시한 바와 같이 셀의 제작 초기에는 층간삽입전극(10)에 리튬이온이 충전되어 있지 않은데, 셀 제작 후 초기에 상기 리튬금속(11)과 층간삽입전극(10)을 전기회로로 연결하여 리튬금속(11)의 리튬이온(15)을 층간삽입전극(10)에 1회 충전시킨다.
상기 층간삽입전극(10)은 층간삽입반응이 가능한 구조로 이루어지고, 초기충전시 리튬이온(15)이 층간삽입전극(10)에 층간삽입된다.
도 3(b)는 셀의 제작 초기에 리튬이온(15)을 층간삽입전극(10)에 충전한 모습을 보여주는 개략도이다
상기 리튬금속(11)은 층간삽입전극(10)에 리튬이온(15)을 1회 충전한 후 사용하지 않지만, 추후 충방전의 반복에 따라 리튬이온(15)의 활용도가 떨어진 경우에 리튬금속(11)에서 리튬이온(15)을 층간삽입전극(10)으로 추가로 충전하여 보충할 수 있다.
그리고, 상기 층간삽입전극(10)에 리튬이온(15)이 완전히 충전되고 난 후에는 도 4에 도시한 바와 같이 리튬금속(11)과 층간삽입전극(10) 사이에 연결된 전기회로를 단락시키고, 리튬이온(15)으로 충전된 층간삽입전극(10)과 유황전극(12)을 전기회로로 연결하여 실제 전지로서 활용할 수 있다.
상기 층간삽입전극(10)은 탄소재, 흑연, 실리콘(Si)계, 주석(Sn)계, LTO(Lithium Tin Oxide)계 등 층간삽입(intercalation)이 가능한 모든 재료를 포함한다.
또한, 상기 층간삽입전극(10)을 지지하는 전극금속은 메쉬(mesh) 형태로 양방향으로 리튬이온(15)을 이동시킬 수 있는 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 리튬이온-유황 배터리는 리튬금속(11)으로부터 리튬이온(15)이 충전된 층간삽입전극(10)을 음극으로 사용하고, 유황전극(12)을 양극으로 사용하고, 상기 층간삽입전극(10)과 유황전극(12)을 전기회로로 연결하여 실제 전지로 사용하면, 방전시 리튬이온(15)이 층간삽입전극(10)에서 유황전극(12)으로 빠져나가고(도 4a 참조), 충전시 리튬이온(15)이 유황전극(12)에서 층간삽입전극(10)으로 이동하여 층간삽입된다(도 4b 참조).
다시말해서, 상기 리튬이온-유황 배터리는 배터리 셀 제작 후 초기에 리튬금속(11)과 층간삽입전극(10)을 전기회로로 연결하여 층간삽입전극(10)에 리튬이온(15)을 1회 충전시킨 다음, 평상시에는 리튬금속(11)을 사용하지 않고 리튬이온(15)이 충전된 층간삽입전극(10)과 유황전극(12)을 음극과 양극으로 사용하여 서로 반응시킴으로써, 전기에너지를 저장(충전)하거나 전기에너지를 사용(방전)할 수 있다.
이때, 상기 음극에서는 층간삽입반응이 일어나고, 양극에서는 산화환원반응이 일어난다.
따라서, 본 발명에 의하면 리튬금속(11)과 유황전극(12) 사이에 리튬이온(15)이 층간삽입가능한 층간삽입전극(10)을 삽입하고, 상기 리튬금속(11)은 셀 제작 후 초기에 층간삽입전극(10)에 리튬이온(15)을 충전하기 위해서만 사용하고, 실제 배터리 사용시에는 리튬이온(15)이 충전된 층간삽입전극(10)과 유황전극(12)을 음극과 양극으로 이용하여 반응시킴으로써, 리튬금속(11)의 사용으로 발생되는 덴드라이트의 형성을 방지하여 충?방전 내구성을 향상시킬 수 있고, 유황전극(12)의 용량 증가로 기존의 리튬이온배터리에 비해 에너지밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 추후에 리튬이온-유황배터리를 하이브리드 차량 등의 자동차 분야에 적용하여 현재 내연기관 자동차의 주행거리 및 내구수준과 어깨를 나란히 할 수 있는 차세대 전기자동차를 개발할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명에 따른 일 실시예는 리튬이온 소스(Source)로 작용하는 리튬금속(11)(Li metal foil, Hohsen Corp.)과 유황전극(12) 사이에 층간삽입전극(10)을 삽입하고, 전해질(14)(1M LiCF3SO3/0.5M LiTFSI + DME[1,2-Dimethoxyethane, anhydrous, 99.5%], Aldrich사)와 분리막(13)(Celgard 2325, Celgard사)을 사용하여 리튬이온-유황배터리를 구성한다.
이때, 상기 유황전극(12)은 유황(100mesh, Aldrich사) 70%, 전기전도성 카본(Ketjen Black EC-300J, Mitsibish Chemical사) 15%, 바인더 (PVdF, Kynar사) 15%를 이용하여 양극으로 제작한다.
또한, 상기 층간삽입전극(10)은 메쉬(Mesh)형태의 구리금속에 흑연(Graphite, Showa Denko사)을 코팅하여 제작할 수 있다.
이와같이, 배터리셀을 제작한 후 초기에 상기 층간삽입전극(10)과 리튬금속(11)을 전기회로로 연결한 다음, 리튬금속(11)으로부터 리튬이온(15)을 층간삽입전극(10)에 충전한다.
그 다음, 상기 리튬이온(15)이 충전된 층간삽입전극(10)을 음극으로 사용하고, 유황전극(12)을 양극으로 사용하여 전기화학적으로 충?방전시킨다.
이때, 필요에 따라 층간삽입전극(10)으로 흑연 대신 실리콘합금 또는 주석합금을 사용할 수 있다.
10 : 층간삽입전극 11 : 리튬금속
12 : 유황전극 13 : 분리막
14 : 전해질 15 : 리튬이온
12 : 유황전극 13 : 분리막
14 : 전해질 15 : 리튬이온
Claims (5)
- 리튬이온(15) 공급원으로 사용되는 리튬금속(11);
양극으로 사용되는 유황전극(12); 및
상기 리튬금속(11)과 유황전극(12) 사이에 삽입되고, 층간삽입반응이 가능한 구조로 이루어지며, 초기에 리튬금속(11)으로부터 리튬이온(15)이 충전된 후 음극으로 사용되어 유황전극(12)과 함께 충전 및 방전되는 층간삽입전극(10);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리.
- 청구항 1에 있어서,
상기 층간삽입전극(10)은 탄소재, 흑연, 실리콘(Si)계, 주석(Sn)계, LTO(Lithium Tin Oxide)계 중 어느 하나의 소재로 이루어지며, 층간삽입이 가능한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리.
- 청구항 1에 있어서,
상기 층간삽입전극(10)은 표면에 흑연이 코팅된 메쉬 형태의 금속전극으로 이루어지고, 양방향으로 리튬이온(15)을 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리.
- 청구항 1에 있어서,
상기 층간삽입전극(10)은 표면에 실리콘합금 또는 주석합금이 코팅된 메쉬 형태의 금속전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리.
- 청구항 1에 있어서,
상기 층간삽입전극(10)에 리튬이온(15)이 충전된 후 리튬이온(15)의 활용도가 떨어진 경우에 리튬금속(11)에서 층간삽입전극(10)으로 리튬이온(15)을 추가로 충전가능한 것을 것을 특징으로 하는 리튬이온-유황 배터리.
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