KR101366981B1 - 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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Abstract

리튬 이온 배터리는 쉘(1), 쉘 내에 배치된 전기 코어(3) 및 쉘(1) 내에 수용된 비수성 전해질(1)을 포함하고, 쉘과 전기 코어 사이에 공간(4)이 형성되며, 이 공간(4)은 비수성 전해질 저항 충전제로 충전된다. 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리는 큰 용량, 우수한 안전성 성능 및 사이클 성능을 가질 수 있다.

Description

리튬 이온 배터리{LITHIUM ION BATTERY}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2009년 6월 26일 중국 특허청에 출원된 중국 특허출원 제200920133723.3호의 우선권 및 이익을 주장하며, 이 특허출원의 전체 내용은 본 명세서에서 참조문헌으로 인용된다.
기술분야
본 발명은 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 지난 20년 동안 급속히 발전되어 왔다. 새로운 에너지의 한 유형으로서, 리튬 이온 배터리는 고전압, 고용량, 낮은 소비, 기억 효과(memory effect) 미발생, 무공해, 작은 부피, 높은 비에너지(specific energy), 낮은 내부 저항, 낮은 자가방전율, 다중 사이클 횟수, 우수한 안전성 성능 및 다양한 부피와 외형과 같은 많은 장점을 가질 수 있다. 따라서, 리튬 이온 배터리는 가장 중요한 종류의 배터리 중 하나이다. 이제, 리튬 이온 배터리는 점점 더 관심을 끌고 있고, 노트북 및 휴대 전화와 같은 다양한 종류의 전자 제품에 널리 사용되어 왔다.
리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 더 높은 에너지 밀도 및 더 우수한 전기화학 성능을 갖는 배터리를 얻기 위해 그 제조 기술에 대한 요건이 더 높아지고 있다. 배터리 기술의 개발 경향은 리튬 이온 배터리의 용량, 사이클 성능, 안전성 성능 및 고온 저장 성능을 개선하는 것이다.
배터리의 내부 부피는 전기 코어(electric core) 및 배터리 구조 부분의 부피, 전해질의 부피 및 유지되는 기체 팽윤 부피를 포함할 수 있는 것으로 당업계에 공지되어 있다. 현재, 구조 부분을 제조하기 위한 사출 성형 기술의 한계 및 전기 코어의 부피의 압축성으로 인해, 잔여 공간은 배터리 쉘(shell) 내에 형성될 수 있다. 잔여 공간의 존재로 인해, 충전되는 전해질의 양은 증가할 수 있고, 배터리가 사용되는 동안에 팽윤되면서 전극판들 사이의 거리가 증가되어, 이온 교환 경로의 길이를 증가시키고, 배터리 사이클 성능을 감소시키며, 배터리의 비용과 중량을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 잔여 공간은 전기 코어의 이온 교환 필름에 주름이 발생하도록 할 수 있고, 그 주름은 리튬 덴드라이트(dendrite)를 생성시킬 수 있으며, 또한 잠재적인 안전성에 대한 위험을 야기할 수 있다. 또한, 잔여 공간의 존재로 인해, 전해질이 충전된 후, 분리막(separator)이 전해질에 의해 침지되고, 전극판의 표면 및 분리막이 긴밀하게 근접하지 않도록 팽윤하여 배터리 용량에 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 단순한 구조, 우수한 안전성 성능 및 사이클 성능을 가질 수 있는 리튬 이온 배터리를 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 쉘, 쉘 내에 배치된 전기 코어 및 쉘 내에 수용된 비수성 전해질을 포함하는 리튬 이온 배터리를 제공하고, 쉘과 전기 코어 사이에 공간이 형성되며, 이 공간은 비수성 전해질 저항 충전제로 충전된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 충전제는 평균 직경이 약 1~15mm인 구상(spheroidal) 입자를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 충전제는 평균 내경이 약 1~10mm이고, 평균 외경이 약 2~15mm인 중공(hollow) 구상 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 쉘과 전기 코어 사이의 공간이 감소되어, 배터리 안전성 성능이 효과적으로 개선될 수 있고, 사이클 성능이 향상될 수 있다고 하는 이점을 가질 수 있다.
도 1은 배터리 내의 잔여 공간을 보여주는 모식도.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬 이온 배터리는 쉘, 쉘 내에 배치된 전기 코어 및 쉘 내에 수용된 비수성 전해질을 포함하고, 쉘과 전기 코어 사이에 공간이 형성될 수 있다. 쉘과 전기 코어 사이의 공간은 충전제로 충전될 수 있다.
배터리의 크기에 따라 조정될 수 있는 충전제의 양에 대한 특정 제한은 존재하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전제는 폴리페닐렌 황화물, 폴리페닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리퍼클로르에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리비닐리덴 염화물을 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다. 충전제가 상술한 2개 이상의 화합물을 포함하는 혼합물일 때 충전제의 조성물의 비율에 대한 특별한 제한은 존재하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 충전제는 입자, 스트립(strip), 스틱(stick) 또는 보드(board) 형태를 가질 수 있다. 특정 예에서, 충전제는 평균 직경이 1~15mm인 구상 입자를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 충전제는 평균 내경이 약 1~10mm이고 평균 외경이 약 2~15mm인 중공 구상 입자를 포함할 수 있다. 종래 기술에서 잔여 공간을 전해질만으로 충전하는 것에 비해, 본 실시예에 따르면, 중공 구상 입자가 배터리에 충전되어 충전되는 전해질의 양을 감소시킬 수 있고, 따라서 배터리 비용이 감소될 수 있다. 한편, 충전제의 존재로 인해, 충전 및 방전 동안 전기 코어의 변형이 감소될 수 있고, 전극판들 사이의 거리가 충전제에 의해 단축될 수 있어 충전 효율 및 배터리 용량이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시예에 따른 충전제는 탄성일 수 있고, 배터리가 충전 및 방전 동안 팽윤될 때, 내부 응력이 충전제를 통해 방출될 수 있다. 따라서, 분리막의 주름이 방지될 수 있고, 안전성 성능이 향상될 수 있다.
권취(winding) 동안 사용되는 분리막은 당업계에 공지된 임의 종류의 리튬 배터리 분리막일 수 있다. 분리막은 양극판과 음극판 사이에 개재될 수 있다. 분리막은 전기적으로 절연성이고, 또한 우수한 전해질 보유 성능을 갖는다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 분리막은 당업계에 공지된 2차 리튬 이온 배터리에 사용되는 임의 종류의 분리막, 이를 테면 폴리올레핀 미공성 막(micro-porous membrane), 폴리에틸렌 펠트(felt), 유리 섬유 펠트 또는 초미세 유리 섬유 종이일 수 있다.
배터리 쉘은 당업계에 공지된 배터리의 제조를 위해 사용되는 임의 종류의 것일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 배터리 쉘은 알루미늄 또는 강철로 제조될 수 있다.
양극판은 당업계에 공지된 임의 종류의 것일 수 있다. 일반적으로, 양극판은 집전 기판 및 그 위에 코팅 및/또는 충전된 양극 활물질을 포함할 수 있다. 집전 기판은 당업계에 공지된 임의의 것, 이를 테면 알루미늄박(aluminum foil) 또는 구리박(copper foil)일 수 있다. 양극 활물질은 양극 활물질 및 접착제를 포함할 수 있고, 여기서 양극 활물질은 리튬 이온 배터리의 당업계에 공지된 임의의 것일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 양극 활물질은 LiCoO2, LiFePO4, 또는 LiMnO2 등일 수 있다. 접착제는 당업계에 공지된 임의의 것, 이를 테면 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)일 수 있다. 일반적으로, 접착제의 양은 양극 활물질 중량의 약 0.01~8wt%일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 접착제의 양은 양극 활물질 중량의 약 1~5wt%이다. 양극 활물질은 또한 양극 보조물 첨가제를 포함할 수 있다. 양극 보조물은 당업계에 공지된 임의의 것일 수 있고, 전도제, 예를 들면, 아세틸렌 블랙, 전도성 카본 블랙 및 전도성 흑연 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 첨가제의 함량은 양극 활물질 중량의 약 0~15wt%일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 첨가제는 양극 활물질 중량의 약 0~10wt%일 수 있다.
음극판은 당업계에 공지된 임의 종류의 것일 수 있고, 전도성 집전 기판 및 그 위에 코팅 및/또는 충전된 음극 활물질을 포함할 수 있다. 전도성 기판은 당업계에 공지된 임의의 것, 이를 테면 구리박일 수 있다. 음극 활물질은 음극 활물질 및 접착제를 포함할 수 있다. 음극 활물질은 리튬 이온 배터리에 통상적으로 사용되는 임의의 것, 이를 테면 천연 흑연 및 인공 흑연일 수 있다. 접착제는 당업계에 공지된 임의의 것, 이를 테면 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리비닐 알콜일 수 있다. 접착제는 음극 활물질 중량의 약 0.01~10wt%일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 접착제는 음극 활물질 중량의 약 1~9wt%일 수 있다.
분리막은 양극판과 음극판 사이에 배치될 수 있고, 리튬 이온 배터리에 통상적으로 사용되는 임의의 것일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 분리막은 전기 절연 성능 및 전해질 보유 성능을 갖는, 폴리프로필렌 펠트, 폴리에틸렌 펠트, 폴리에틸렌 미공성 필름 또는 초미세 유리 섬유 종이와 같은 물질로 제조될 수 있다.
양극판의 제조 방법은 양극 활물질 및 접착제를 함유하는 슬러리(slurry)를 큰 폭을 갖는 집전 기판 상에 코팅하며, 슬러리로 코팅된 기판을 건조시키고, 건조된 기판을 롤링(rolling)한 후, 기판을 양극판으로 절단하는 단계를 포함할 수 있다. 양극 활물질 및 접착제를 용해시키는 용매는 당업계에 공지된 임의의 통상적인 용매일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸 포름아미드(DMF) 등일 수 있다. 용매의 사용은 슬러리가 집전체 상에 코팅될 수 있어야 하는 요건을 충족시킬 수 있다. 일반적으로, 용매의 양은 양극 활물질 중량의 약 40~90wt%일 수 있다. 특정 예에서, 용매의 양은 양극 활물질 중량의 약 50~85wt%일 수 있다. 건조 온도는 약 50~160℃일 수 있다. 특정 예에서, 건조 온도는 약 80~150℃일 수 있다. 롤링 단계는 양극판의 두께를 조정하기 위해 사용될 수 있고, 두께는 각종 배터리에 따라 넓은 범위에서 상이할 수 있다. 양극판의 폭은 상이한 요구에 따라 절단함으로써 조정될 수 있고, 폭은 각종 배터리에 따라 넓은 범위에서 상이할 수 있다.
음극판의 제조 방법은 양극 활물질 및 접착제를 함유하는 슬러리가 음극 활물질 및 접착제를 함유하는 슬러리로 교체되는 것을 제외하고는 양극판과 실질적으로 동일할 수 있다.
양극판, 음극판 및 분리막의 권취 방법은 전술되었으므로, 그의 상세한 설명은 간결함을 위해 본 명세서에서 생략된다.
비수성 전해질은 리튬염 전해질 및 비수성 용매를 포함할 수 있다. 리튬염 전해질은 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(LiAsF6), 리튬 할라이드, 리튬 알루미늄 테트라클로라이드 및 리튬 플루오로-알킬 술포네이트를 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 전해질일 수 있다. 유기 용매는 사슬형(chain-like) 산 에스테르 또는 시클릭 산 에스테르의 혼합물일 수 있다. 사슬형 산 에스테르는 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 디프로필 카르보네이트(DPC) 및 다른 불소-함유, 황-함유 또는 불포화 결합-함유 사슬형 유기 에스테르를 포함하는 군중에서 선택된 적어도 하나의 에스테르일 수 있다. 시클릭 산 에스테르는 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 비닐렌 카르보네이트(VC), γ-부티로락톤(γ-BL), 술톤 및 다른 불소-함유, 황-함유 또는 불포화 결합-함유 시클릭 유기 에스테르를 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 에스테르일 수 있다. 비수성 전해질 용액에서, 리튬염 전해질의 농도는 약 0.1~2 mol/L일 수 있다. 특정 예에 따르면, 리튬염 전해질의 농도는 약 0.8~1.2 mol/L일 수 있다.
양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 배치된 분리막의 전기 코어 내로의 권취 방법 및 배터리의 조립 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그의 상세한 설명은 간결함을 위해 본 명세서에서 생략된다.
적층된(laminated) 코어를 포함하는 2차 리튬 이온 배터리의 실시예가 아래에서 설명될 것이다.
본 실시예에 따른 2차 리튬 이온 배터리는 배터리 쉘, 배터리 전극 및 전기 코어를 포함할 수 있다. 쉘은 사각형 또는 원통형일 수 있고, 일반적으로 금속 물질로 제조될 수 있다. 배터리 전극은 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 전기 코어는 양극판, 분리막 및 음극판을 배터리의 두께 방향으로 차례차례 교대로 중첩 또는 권취함으로써 형성될 수 있다. 양극 리딩-아웃 탭(leading-out tab) 및 음극 리딩-아웃 탭은 각각 양극판 및 음극판의 각각의 상단 및 하단에 제공될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 인접 층 내의 양극판 및 음극판의 양극 및 음극 리딩-아웃 탭은 각각 전기 코어의 상단 및 하단에 위치하거나, 또는 인접 층 내의 양극판 및 음극판의 양극 및 음극 리딩-아웃 탭 둘 다는 전기 코어의 상단 또는 하단에 위치한다. 분리막은 폴리에틸렌 미공성 막 또는 적층된 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 미공성 막일 수 있다. 전술한 양극판, 분리막 및 음극판은 중첩되거나 권취되어 전기 코어를 형성한다.
양극은 특정한 구조를 갖는 활물질이고 리튬 이온과 가역적으로 반응할 수 있는 리튬-전이 금속 복합체 옥시드를 포함할 수 있다. 활물질은 LixNi1 - yCoO2(여기서, 0.9≤x≤1.1, O≤y≤1.O), LixMn2 - yByO2(여기서, B는 전이 금속일 수 있음, 0.9≤x≤1.1, O≤y≤1.O) 등의 하나 또는 혼합물일 수 있다. 게다가, 양극판은 금속 집전체(일반적으로 알루미늄박), 탄소계 전도제 및 양극 물질을 집전체에 결합시키기 위한 접착제를 또한 포함할 수 있다. 탄소계 전도제는 카본 블랙, 탄소 섬유, 흑연 등일 수 있고, 전술한 전도제의 하나 또는 혼합물이 선택될 수 있다. 접착제는 불소-함유 수지 및 폴리올레핀 화합물, 이를 테면 PVDF, PTFE, VDF-HFP-TFE 공중합체 및 SBR 중 하나일 수 있고, 상기 물질의 하나 또는 혼합물이 선택될 수 있다.
음극 활물질은 반복적인 리튬 이온 삽입(intercalation) 및 탈리 (de-intercalation)를 실현할 수 있는 탄소계 물질일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극 활물질은 흑연, 석유 코크스(petroleum coke), 유기 열분해 탄소(cracked carbon), MCMB 및 MCF를 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 게다가, 음극은 금속 집전체(일반적으로, 구리박) 및 음극 활물질을 집전체에 결합시키기 위한 접착제를 또한 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 접착제는 불소-함유 수지 및 폴리올레핀 화합물, 이를 테면 PVDF, PTFE, VDF-HFP-TFE 공중합체 및 SBR 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 물질의 하나 또는 혼합물이 선택될 수 있다.
양극 및 음극 슬러리는 접착제를 특정 용매 내에 용해시킨 후, 활물질 및 전도제를 용액 내에 첨가하고, 마지막으로 용액을 적절하게 분산시킴으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용매는 NMP, DMF, DEF, DMSO, THF, 물 및 알콜 등을 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 용매일 수 있다.
전해질 용액은 전해질 염 및 용매의 혼합된 용액일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전해질 염은 LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, 리튬 할라이드, 리튬 알루미늄 테트라테트라이드, 및 리튬 플루오로-알킬 술포네이트 등을 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 염일 수 있는 리튬염일 수 있다. 용매는 사슬형 산 에스테르 및 시클릭 산 에스테르의 혼합물일 수 있다. 사슬형 산 에스테르는 DMC, DEC, EMC, MPC, DPC, MA, EA, PA, 디메톡시에탄 및 다른 불소-함유, 황-함유 또는 불포화 결합-함유 사슬형 유기 에스테르를 포함하는 군중에서 선택된 적어도 하나의 에스테르일 수 있다. 시클릭 산 에스테르는 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 비닐렌 카르보네이트(VC), γ-부티로락톤(γ-BL), 술톤 및 다른 불소-함유, 황-함유 또는 불포화 결합-함유 시클릭 유기 에스테르를 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 양극판을 제조하는 동안, 특정량의 양극 활물질, 전도제, 접착제 및 용매가 특정 비율에 따라 혼합되어 균일한 슬러리를 형성하고, 슬러리는 양극 집전체 상에 균일하게 코팅되고, 건조되고 칼렌더링(calendering)되어 양극판을 얻고, 이어서 특정 폭의 양극 리딩-아웃 탭이 노출될 수 있도록 양극판의 가장자리 상의 특정 폭의 코팅을 제거하고, 마지막으로 형성된 양극판을 폴리프로필렌 미공성 분리막 또는 적층된 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 미공성 분리막 내에 샌드위치시킨 후, 분리막을 밀봉하여 양극판 백(bag)을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음극판을 제조하는 동안, 특정량의 음극 활물질, 접착제 및 용매가 특정 비율에 따라 혼합되어 균일한 슬러리를 형성하고, 슬러리는 음극 집전체 상에 균일하게 코팅되고, 건조되고 칼렌더링되어 음극판을 얻고, 이어서 특정 폭의 음극 리딩-아웃 탭이 노출될 수 있도록 음극판의 가장자리 상의 특정 폭의 코팅을 제거하고, 마지막으로 형성된 음극판을 폴리프로필렌 미공성 분리막 또는 적층된 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 미공성 분리막 내에 샌드위치시킨 후, 분리막을 밀봉하여 음극판 백을 형성한다.
상기 밀봉된 양극 및 음극 백을 엇갈리게 적층하여 리튬 이온 배터리의 전기 코어를 형성한다. 전기 코어는 상부 클램핑(clamping)판 및 하부 클램핑판에 의해 단단히 고정될 수 있다. 이어서, 리딩-아웃 탭 및 전극은 가요성 커넥터에 의해 연결되어 집전 구조체를 형성한다. 일부 실시예에 따르면, 가요성 커넥터와 전극판 사이의 연결은 리벳(rivet)을 사용한 고정일 수 있으며, 다른 한편 가요성 커넥터와 전극 사이의 연결은 볼트로 조이는 것일 수 있다. 전기 코어를 배터리 쉘(8) 내에 배치할 수 있고, 이어서 LiPF6을 EC/DMC = 1:1의 혼합된 용매에 1 mol/dm3의 농도로 용해시켜 형성된 전해질을 배터리 쉘 내에 주입할 수 있고 이어서 밀봉하여, 본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리에서, 쉘의 길이, 폭 및 높이의 비는 50~800:30~500:5~500일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 코어의 경우, 길이, 폭 및 높이의 비는 45~795:25~495:5~100일 수 있다.
실시예 1
쉘이 알루미늄으로 제조되고 길이가 28mm, 폭이 100mm, 높이가 356mm인 실질적으로 직사각형의 평행육면체인 본 실시예에 따른 리튬 이온 배터리를 제조하였다.
(1) 양극판(1)의 제조
100 중량부의 LiCoO2 양극 활물질, 5 중량부의 아세틸렌 블랙 전도제 및 5 중량부의 PVDF 접착제를 50 중량부의 NMP에 첨가하고, 혼합물을 균일하게 혼합하였다. 이어서, 혼합물을 두께가 약 0.016mm인 알루미늄박 상에 균일하게 코팅하였다. 리딩-아웃 탭 영역은 알루미늄박의 일부로부터 양극 물질 코팅을 제거함으로써 형성하고, 이어서 전극판을 건조를 위해 약 120℃의 진공 오븐 내에 넣었다. 건조된 집전체를 약 2010×296×0.138mm 크기의 양극판으로 절단하였다. 양극판 상의 코팅의 중량은 약 149.62g일 수 있다.
(2) 음극판(2)의 제조
100 중량부의 인공 흑연 음극 활물질 및 9 중량부의 PVDF 접착제를 50 중량부의 NMP에 첨가하고, 혼합물을 균일하게 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 이어서, 슬러리를 두께가 0.012mm인 구리박 상에 균일하게 코팅하였다. 리딩-아웃 탭 영역은 구리박의 일부로부터 음극 물질 코팅을 제거함으로써 형성하고, 또한 전극판을 건조를 위해 약 120℃의 진공 오븐 내에 넣었다. 건조된 집전체를 약 2290×305×0.121mm 크기의 음극판으로 절단하였다. 음극판 상의 코팅의 중량은 약 85.44g일 수 있다.
(3) 플랫형(flat type) 전기 코어의 제조
이와 같이 제조된 양극판(1), 음극판(2) 및 분리막(3)을 크기가 300×300×50mm인 플랫형 전기 코어로 권취하였다.
(4) 배터리의 조립
LiPF6을 EC 및 DMC 혼합 용매(EC/DMC의 부피비가 약 1:1임)에 용해시켜 LiPF6의 농도가 약 1 mol/L인 비수성 전해질 용액을 형성하였다. 비수성 전해질 용액의 적용량은 각각의 전기 코어에 대해 약 360g이었다. 단계(3)에서 얻은 플랫형 전기 코어를 크기가 28×100×356mm인 배터리 쉘(1)에 수용하고, 평균 직경이 2mm인 총 40g의 PPS 입자 및 폴리페닐렌 옥시드 입자를 배터리 쉘과 전기 코어 사이의 공간에 충전하였다. 이 비수성 전해질을 배터리 내로 주입하고, 배터리를 커버 보드(cover board)로 밀봉하여 리튬 이온 배터리 C1을 형성하였다. 2000개의 배터리를 본 실시예에 따라 제조하였다.
비교예 1
비교예 1의 제조 방법은 충전제가 쉘과 전기 코어 사이의 공간 내에 충전되지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하였다. 샘플 TC1을 얻었다. 이와 같은 방식으로 2000개의 배터리를 제조하였다.
실시예 2
실시예 2의 제조 방법은 충전제가 외경이 2mm이고 내경이 1mm인 약 30g의 중공 구형 폴리테트라플루오로에틸렌 입자인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하였다. 얻어진 샘플을 C2로 지정하고, 이와 같은 방식으로 2000개의 배터리를 제조하였다.
실시예 3
실시예 3의 제조 방법은 충전제가 외경이 12mm이고 내경이 1mm인 약 30g의 중공 구형 HDPE 입자인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하였다. 얻어진 샘플을 C3으로 지정하고, 이와 같은 방식으로 2000개의 배터리를 제조하였다.
실시예 4
실시예 4의 제조 방법은 충전제가 외경이 8mm이고 내경이 5mm인 약 30g의 중공 구형 HDPE 입자인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하였다. 얻어진 샘플을 C4로 지정하고, 이와 같은 방식으로 2000개의 배터리를 제조하였다.
테스트
배터리 샘플 TC1, C1, C2, C3 및 C4의 사이클 성능, 배터리 용량, 배터리 내부 저항을 아래에서 테스트하였다.
사이클 성능 테스트
사이클 성능 테스트는 광동 란키 일렉트로닉 엑스페리먼트사(Guangdong Lanqi Electronic Experiment Co. Ltd.)로부터 상업적으로 이용가능한 장비 BK-7024L/60을 사용하여 수행하였다. 동작 조건은 다음과 같았다.
정전류: 약 0~60A; 전류 해상도: 약 10mA; 전류 설정 정확도: 약 ±(0.1% RD+0.1% FS); 테스트 정확도: 약 ±(0.1% RD+0.1% FS); 전압 테스트 범위: 약 0~5V; 전압 해상도: 약 1mV; 테스트되는 전압 범위: 약 2.5~4.5V; 정전압 설정 범위: 약 DC 2.5~4.5V; 정전압 설정 정확도: 약 ±(0.1% RD + 0.1% FS); 전압 테스트 정확도: 약 ±(0.1% RD+0.1% FS); 시간 범위: 약 0~30000 min/작업 단계; 및 정밀도: 약 ±0.1%. 테스트 결과를 표 2에 제시하였다.
내부 저항 테스트
타이완 헤푸 이너 레지스턴스 테스트 장비(Taiwan Hepu Inner Resistance Test Equipment)인 HK3560을 사용하였고, 테스트 결과를 표 1에 제시하였다.
배터리 용량 테스트
배터리 성능을 테스트할 때, 샘플을 센젠 카오시시 일렉트로닉사(Shenzhen Chaosisi Electronic Co. Ltd.)로부터 상업적으로 이용가능한 BCT-0105 배터리 용량 테스터에 넣었다. 테스트 결과를 표 1에 제시하였다.
일련번호 전해질 양(ml) 내부 저항(mΩ) 배터리 용량(mAh)
C1 390 1.0 57000
C2 380 0.9 57500
C3 370 0.9 57500
C4 350 0.9 57500
TC1 420 1.3 55000
일련번호 상온에서 500 사이클 후의
잔여 용량		 60℃에서 200 사이클 후의
잔여 용량
C1 99.6% 99.3%
C2 99.7% 99.6%
C3 99.7% 99.5%
C4 99.6% 99.2%
TC1 96.7% 95.4%
표 1로부터, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 샘플의 내부 저항이 비교예의 1.3mΩ보다 더 낮은, 약 1.0mΩ 이하일 수 있음을 알 수 있다. 내부 저항이 낮을수록 안전성 성능이 더 높아진다. 본 발명의 실시예에 따라 제조된 샘플의 배터리 용량은 57500mAh에 도달하여, 비교예의 55000mAh보다 더 높다. 표 2로부터, 상온에서 500 사이클 후에 비교예의 샘플은 96.7%이라는 훨씬 더 낮은 잔여 용량을 갖는다는 것을 알 수 있다. 60℃에서 200 사이클 후에 비교예의 샘플은 95.4%이라는 훨씬 더 낮은 잔여 용량을 갖는다.
비록 설명을 위한 실시예들이 도시되고 설명되었을지라도, 당업자라면 청구 범위 및 그 등가물에 속하는 모든 변경, 대안 및 변형이 본 발명의 정신 및 원리로부터 벗어남이 없이 실시예들에서 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.
1 : 배터리 쉘
2 : 양극 및 음극 단자
3 : 배터리 전기 코어
4 : 배터리 내의 잔여 공간
5 : 배터리 러그(lug)
6 : 전기 커넥터

Claims (8)

  1. 리튬 이온 배터리에 있어서,
    쉘,
    상기 쉘 내에 배치된 전기 코어 및
    상기 쉘 내에 수용된 비수성 전해질을 포함하고,
    상기 쉘과 상기 전기 코어 사이에 공간이 형성되며,
    상기 공간은 비수성 전해질 저항 충전제로 충전되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전제는 입자형 물질인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입자형 물질은 평균 직경이 1~15mm인 구상 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입자형 물질은 평균 내경이 1~10mm이고, 평균 외경이 2~15mm인 중공 구상 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전제는 폴리페닐렌 황화물, 폴리페닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리퍼클로르에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리비닐리덴 염화물을 포함하는 군중에서 선택된 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기 코어는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이의 분리막을 중첩하거나 권취함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 쉘의 길이:폭:높이의 비가 50~800:30~500:5~500인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 코어의 길이:폭:높이의 비가 45~795:25~495:5~100인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
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