KR102338841B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

금속계 물질, 결정질 탄소 및 비정질 탄소를 포함하는 음극 활물질을 포함하고, 상기 결정질 탄소의 함량이 상기 비정질 탄소의 함량 보다 많은 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.

Description

리튬 이차 전지{RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}
리튬 이차 전지에 관한 것이다.
현재 상품화되어 있는 고성능 이차 전지 중에서는 리튬 이온 전지가 가장 최근에 개발된 전지이다.이 전지는 높은 에너지밀도를 가지고 급속 충방전 특성 및 사이클 성능이 우수하여, 급속하게 그 시장을 확대하여 가고 있으나, 일본이 세계시장의 높은 점유를 가지고 있으며, 그 기반기술이 특정국가에 편중되어 있다. 이 전지는 그 특성상 전지의 외양을 다양화하기 어려우며, 안정성에서도 다소 문제가 있는 것으로 파악되고 있지만, 상품화에 따른 급속한 성능향상이 이루어지고 있다.
이에 반하여 리튬 폴리머 전지는 리튬 이온 전지가 지니고 있는 불안정성, 전지외양의 단순성 및 높은 제조원가를 극복하는 새로운 신형 전지이다.
그러나 리튬 폴리머 전지는 고전류밀도를 가지는 후막(thick film)에서 전해액 함침 문제 및 이온 편극(ion polarization)의 증가로 인하여 설계용량 발현이 되지 않고, 율 특성이저하되는 현상이 발생한다.
일 구현예는 후막(thick film)에서의 용량 특성 및 율 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
일 구현예는 금속계 물질, 결정질 탄소 및 비정질 탄소를 포함하는 음극 활물질을 포함하고, 상기 결정질 탄소의 함량이 상기 비정질 탄소의 함량 보다 많은 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
상기 음극의 전류밀도는 3 내지 5 mA/cm2 일 수 있다.
상기 금속계 물질은 실리콘계 물질, 주석계 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속계 물질은 상기 실리콘계 물질일 수 있고, 상기 실리콘계 물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속계 물질은 상기 주석계 물질일 수 있고, 상기 주석계 물질은 Sn, SnO2, Sn-C 복합체, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Sn은 아님), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 결정질 탄소는 천연 흑연, 인조 흑연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소는 소프트 카본, 하드 카본 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 상기 금속계 물질 1 내지 10 중량%, 상기 결정질 탄소 50 내지 94 중량% 및 상기 비정질 탄소 5 내지 40 중량%를 포함할 수 있다.
상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소는 1.5:1 내지 14:1의 중량비로 포함될 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
상기 리튬 이차 전지는 파우치 형태일 수 있다.
기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
후막(thick film) 전극에서의 용량 특성 및 율 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 보여주는 개략도이다.
도 2는 실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 음극의 이온전도도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 음극의 전해액 함침 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 리튬 이차 전지의 수명 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일 구현예에 따른 리튬 이차 전지에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 전극 조립체(10), 상기 전극 조립체(10)를 담고 있는 전지 용기(20), 그리고상기 전극 조립체(10)에서 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극탭(13)을 포함할 수 있다. 상기 전지 용기(20)의 두 면은 서로 마주보는 면을 겹쳐 밀봉하게 된다. 또한 상기 전극 조립체(10)를 담고 있는 전지 용기(20) 내부로전해액이 주입된다.
상기 전극 조립체(10)는 양극, 상기 양극과 대향하는 음극, 그리고 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어 있는 세퍼레이터를 포함하며, 전해액이 상기 양극, 상기 음극 및 상기 세퍼레이터를 함침하고 있을 수 있다.
상기 음극은 집전체, 그리고 상기 집전체 위에 위치하는 음극 활물질층을 포함한다.
상기 집전체는 구리 박을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 금속계 물질, 결정질 탄소 및 비정질 탄소를 포함할 수 있다. 상기 금속계 물질, 상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소를 혼합하여 리튬 이차 전지용 음극 활물질로 사용할 경우 용량 특성 및 율 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 음극 활물질을 후막(thick film) 전극에 적용할 경우, 또한 리튬 이차 전지 중에서 파우치형으로 제작되는 리튬 폴리머 전지에 적용할 경우, 용량 및 율 특성이 크게 향상될 수 있다.
구체적으로, 상기 음극은 전류밀도가 3 내지 5 mA/cm2, 구체적으로는 3.5 내지 4.5 mA/cm2 의 범위를 가지는 후막일 수 있다.
상기 금속계 물질은 고용량을 발현시키는 물질로서, 실리콘계 물질, 주석계 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 실리콘계 물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 주석계 물질은 Sn, SnO2, Sn-C 복합체, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Sn은 아님), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속계 물질은 상기 음극 활물질의 총량, 구체적으로 상기 금속계 물질, 상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소의 총량에 대하여 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 3 내지 7 중량%로 포함될 수 있다. 상기 금속계 물질이 상기 함량 범위 내로 포함되는 경우 전해액 함침 특성을 개선할 수 있고 고합제의 후막 전극을 구현할 수 있는 동시에 설계용량을 구현할 수 있다.
상기 결정질 탄소는 천연 흑연, 인조 흑연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 천연 흑연은 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연을 사용할 수 있다.
상기 결정질 탄소는 상기 음극 활물질의 총량, 구체적으로 상기 금속계 물질, 상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소의 총량에 대하여 50 내지 94 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 55 내지 90 중량%로 포함될 수 있다. 상기 결정질 탄소가 상기 함량 범위 내로 포함되는 경우 고합제의 후막 전극을 구현할 수 있다.
상기 비정질 탄소는 상기 금속계 물질로 발현되는 고용량 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 비정질 탄소는 소프트 카본, 하드 카본 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소는 상기 음극 활물질의 총량, 구체적으로 상기 금속계 물질, 상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소의 총량에 대하여 5 내지 40 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 15 내지 25 중량%로 포함될 수 있다. 상기 비정질 탄소가 상기 함량 범위 내로 포함되는 경우 전해액 함침 특성을 개선할 수 있고 저 저항 및 율 특성을 향상시킬 수 있으며 설계용량을 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 결정질 탄소는 상기 비정질 탄소 보다 많은 함량으로 포함될 수 있다. 상기 비정질 탄소가 더 많은 함량으로 사용될 경우 전해액 함침성은 우수하여 율 특성은 개선되지만 용량 특성은 저하될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소는 1.5:1 내지 14:1의 중량비로 포함될 수 있고, 예를 들면, 1.5:1 내지 10:1의 중량비, 2:1 내지 9:1의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질층에 사용되는 상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층은 도전재를 더 포함할수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
상기 음극은 상기 음극 활물질 및 상기 바인더와 선택적으로 상기 도전재를 용매 중에 혼합하여 음극 활물질층 조성물을 제조하고, 상기 음극 활물질층 조성물을 상기 집전체에 도포하여 제조할 수 있다. 이때 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극은 집전체 및 상기 집전체 위에 위치하는 양극 활물질층을 포함한다.
상기 집전체는 알루미늄을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함한다.
상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용할 수 있고, 구체적으로는 리튬 금속 산화물을 사용할 수 있다.
상기 리튬 금속 산화물은 구체적으로 코발트, 망간, 니켈 및 알루미늄으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속과 리튬을 포함하는 산화물을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 하기 화학식 중 어느 하나로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
LiaA1-bXbD2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5); LiaA1-bXbO2-cDc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaE1-bXbO2-cDc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaE2-bXbO4-cDc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaNi1-b-cCobXcDα(0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1-b-cCobXcO2-αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cCobXcO2-αT2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbXcDα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αT2( 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNibEcGdO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); LiaNibCocMndGeO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); LiaNiGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaCoGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn1-bGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn2GbO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn1-gGgPO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ g ≤ 0.5); LiQS2; LiV2O5; LiZO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 양극 활물질층은 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 양극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 디아세틸셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
상기 전해액은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 비수성 유기 용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매에서 선택될 수 있다.
상기 카보네이트계 용매로는 예컨대 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC), 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC) 등이 사용될 수 있다.
특히, 사슬형 카보네이트 화합물 및 환형 카보네이트 화합물을 혼합하여 사용하는 경우, 유전율을 높이는 동시에 점성이 작은 용매로 제조될 수 있어서 좋다. 이 경우 환형 카보네이트 화합물 및 사슬형 카보네이트 화합물은 약 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.
또한 상기 에스테르계 용매로는 예컨대 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르 용매로는 예컨대 디부틸에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
상기 비수성 전해액은 에틸렌카보네이트, 피로카보네이트 등의 과충전 방지제와 같은 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다.
상기 리튬염의 구체적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO3C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB), 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 약 0.1M 내지 약 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해액 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다.　 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.　 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다. 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 세퍼레이터가 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3
SiO1.1(OCAKA Titanium technologies), 인편상 흑연(Shanghai Shanshan, SMGF), 소프트 카본(GS칼텍스, GS4) 및 바인더를 물과 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 바인더는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 및 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)를 1:1.2의 중량비로 혼합하여 사용하였다. 이때 상기 물질의 혼합 함량은 하기 표 1에서와 같다. 상기 슬러리를 구리 호일에 도포 및 건조하고 롤 프레스(roll press)를 실시하여 하기 표 1에서와 같은 전류밀도를 가지는 음극을 제조하였다.
상기 음극과 리튬 금속 사이에 폴리에틸렌 재질의 세퍼레이터를 삽입하여 코인셀 전지를 제작하였다. 이때 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 25:5:40:30의 부피비로 혼합한 혼합 용매에 1M의 LiPF6를 첨가하여 제조하였다.
SiO1.1 함량
(중량%)		 인편상 흑연 함량
(중량%)		 소프트 카본 함량
(중량%)		 바인더 함량
(중량%)		 음극의 전류밀도
(mA/cm2)
실시예 1 3 84.8 10 2.2 4.57
실시예 2 3 74.8 20 2.2 4.57
실시예 3 3 64.8 30 2.2 4.57
실시예 4 1 66.8 30 2.2 4.57
실시예 5 5 62.8 30 2.2 4.57
실시예 6 10 57.8 30 2.2 4.57
비교예 1 3 94.8 0 2.2 4.57
비교예 2 3 0 94.8 2.2 4.57
비교예 3 0 67.8 30 2.2 4.57
비교예 4 3 27 67.8 2.2 4.57
평가 1: 음극의 이온전도도
실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 음극의 이온전도도를 다음과 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
이온전도도 측정은 EC-Lab 장비를 이용하여 주파수 10mhz 내지 100khz 및 출력 AC 14.1 Mv의 조건으로 주파수 변화에 따른 임피던스를 측정함으로써 수행되었다.
도 2는 실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 음극의 이온전도도를 보여주는 그래프이다.
도 2를 참고하면, 실시예 1 및 3의 경우 비교예 1 대비 저항이 작아 이온전도도가 높음을 알 수 있다.
평가 2: 전해액 함침 특성
실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 음극의 전해액 함침 특성을 평가하기 위해, 전해액에 극판을 담근 후 시간에 따라 무게 변화를 측정하였고, 그 결과를 도 3 나타내었다.
도 3은 실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 음극의 전해액 함침 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 실시예 1 및 3의 경우 비교예 1 대비 전해액 함침 특성이 우수함을 알 수 있다.
평가 3: 리튬 이차 전지의 용량 특성 및 효율
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에 따른 리튬 이차 전지를 1.5V에서 0.1V까지 충전 및 방전하여 용량 특성 및 효율을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
하기 표 2에서 효율(%)은 0.2C에서의 충전용량 대비 0.2C에서의 방전용량의 백분율로 얻어진다.
설계용량
(mAh/g)		 설계용량 대비 실제용량(%) 0.2C 충전용량
(mAh/g)		 0.2C 방전용량
(mAh/g)		 효율(%)
실시예 1 396 95.96 385 380 99
실시예 2 388 96.65 381 375 98
실시예 3 379 95.78 370 363 98
실시예 4 352 98.86 351 348 99
실시예 5 407 97.05 403 395 98
실시예 6 474 92.8 442 434 98
비교예 1 404 83.6 348 338 97
비교예 2 392 89.5 358 351 98
비교예 3 376 90.04 350 340 97
비교예 4 392 87.2 352 342 97
상기 표 2를 통하여, 실시예 1 내지 6의 경우 비교예 1 내지 3 대비 용량 특성 및 효율이 모두 우수함을 알 수 있다.
평가 4: 리튬 이차 전지의 율 특성
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 리튬 이차 전지를 1.5V에서 0.1V까지 충전 및 방전하여 율 특성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
충전용량(mAh)
(CV 제거)		 0.2C 대비 충전비율(%)
(CV 제거 후)		 0.2C 대비 방전비율(%)
0.1C 0.2C 0.5C 1C 2C 0.2C 0.5C 1C 2C 0.2C 0.5C 1C
실시예 1 370 309 218 110 38 100 70.5 36 12 100 99 93
실시예 2 367 307 209 105 36 100 68 34 12 100 99 92
실시예 3 379 313 217 102 35 100 69 32 11 100 98 92
실시예 4 362 310 208 102 30 100 67.1 35 11 100 99 93
실시예 5 407 312 210 101 32 100 67 32 9 100 99 92
실시예 6 474 314 207 102 31 100 66 32 9 100 98 92
비교예 1 334 297 201 91 27 100 63 28 7 100 97 89
비교예 2 325 298 198 89 27 100 62 27 8 100 97 90
비교예 3 337 301 199 88 25 100 63 29 8 100 98 90
비교예 4 335 299 197 89 26 100 64 28 7 100 97 89
상기 표 3을 통하여 실시예 1 내지 3의 경우 비교예 1 대비 율 특성이 우수함을 알 수 있다.
평가 5: 리튬 이차 전지의 수명 특성
실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 리튬 이차 전지를 1.5V에서 0.1V까지 충전 및 방전을 100회 반복하여 수명 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4는 실시예 1 및 3과 비교예 1에 따른 리튬 이차 전지의 수명 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참고하면, 실시예 1 및 3의 경우 비교예 1 대비 높은 전류밀도를 가지는 후막에서도 수명 특성이 우수함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 리튬 이차 전지
10: 전극 조립체
20: 전지 용기
13: 전극탭

Claims (8)

  1. 전해액;
    리튬 금속 산화물을 포함하는 양극 활물질을 포함하는 양극; 및
    음극 활물질을 포함하는 음극
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 리튬 금속 산화물은 리튬과, 코발트, 망간, 니켈 및 알루미늄으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하고,
    상기 음극 활물질은 금속계 물질, 결정질 탄소, 및 비정질탄소의 혼합물을 포함하고,
    상기 금속계 물질은 실리콘계 물질이고,
    상기 실리콘계 물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님), 또는 이들의 조합을 포함하는 것이고,
    상기 음극의 전류밀도는 3 내지 5 mA/cm2 인
    리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속계 물질은 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 10 중량%인 리튬 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 탄소의 함량이 상기 비정질 탄소의 함량보다 많은 것인 리튬 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 탄소의 함량은 상기 음극 활물질 총량에 대하여 50 내지 94 중량%인 리튬 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 탄소의 함량은 상기 음극 활물질 총량에 대하여 5 내지 40 중량%인 리튬 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속계 물질의 함량은 상기 음극 활물질 총량에 대하여 1 내지 7 중량%인 리튬 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 탄소 및 상기 비정질 탄소는 1.5:1 내지 14:1의 중량비로 포함되는 리튬 이차 전지.
  8. 삭제
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