KR102656021B1 - 리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법 - Google Patents

리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102656021B1
KR102656021B1 KR1020227006208A KR20227006208A KR102656021B1 KR 102656021 B1 KR102656021 B1 KR 102656021B1 KR 1020227006208 A KR1020227006208 A KR 1020227006208A KR 20227006208 A KR20227006208 A KR 20227006208A KR 102656021 B1 KR102656021 B1 KR 102656021B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode layer
positive electrode
secondary battery
negative electrode
lithium secondary
Prior art date
Application number
KR1020227006208A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220038141A (ko
Inventor
유키노부 유라
시게키 오카다
순스케 미즈카미
Original Assignee
엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엔지케이 인슐레이터 엘티디 filed Critical 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Publication of KR20220038141A publication Critical patent/KR20220038141A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102656021B1 publication Critical patent/KR102656021B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/446—Initial charging measures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M2010/4292—Aspects relating to capacity ratio of electrodes/electrolyte or anode/cathode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

LiCoO2(LCO) 등의 리튬 복합 산화물 정극 및 Li4Ti5O12(LTO) 등의 티탄 함유 산화물 부극을 이용하면서도, 충전 상태(SOC)에 따라서 저항치가 크게 변화하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있는 리튬 이차 전지가 제공된다. 이 리튬 이차 전지는, 리튬 복합 산화물 소결체로 구성되는 두께 70 ㎛ 이상의 정극층과, 티탄 함유 소결체로 구성되는 두께 70 ㎛ 이상의 부극층과, 정극층과 부극층 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 적어도 세퍼레이터에 함침되는 전해질, 그리고 밀폐 공간을 구비하고, 그 밀폐 공간 내에 정극층, 부극층, 세퍼레이터 및 전해질이 수용되는 외장체를 구비한 리튬 이차 전지로서, 충전 상태(SOC)가 10%로부터 80%로 올라감에 따라서 저항치가 저하되는 특성을 갖는다.

Description

리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법
본 발명은, 리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법에 관한 것이다.
정극 활물질로서 코발트산리튬 LiCoO2(이하, LCO라고 함), 부극 활물질로서 티탄산리튬 Li4Ti5O12(이하, LTO라고 함)을 이용한 리튬 이차 전지가 널리 알려져 있다. 예컨대, 특허문헌 1(일본특허 제4439456호)에는, LCO 분말, 바인더 및 도전 조제를 포함하는 슬러리를 도포 및 건조하여 제작한 정극(소위 도공 정극)과, LTO 부극, 바인더 및 도전 조제를 포함하는 슬러리를 도포 및 건조하여 제작한 부극(즉 도공 부극)을 이용한 비수 전해질 전지를 복수 구비한 전지 팩이 개시되어 있다. 이러한 전지는 부극에 카본을 사용한 전지와 비교하여, 전압이 용량 변화에 대하여 안정된 것이 알려져 있다. 예컨대, LTO 부극의 충방전 곡선에 있어서, 광범위에 걸친 용량 범위에서 매우 플랫한 전압 거동을 나타내는 것이 알려져 있다.
그런데, 도공 정극은, 용량에 기여하지 않는 성분(바인더나 도전 조제)을 비교적 다량으로(예컨대 10 중량% 정도) 포함하고 있기 때문에, 정극 활물질로서의 리튬 복합 산화물의 충전 밀도가 낮아진다. 이 때문에, 분말 분산형의 정극은, 용량이나 충방전 효율의 면에서 개선의 여지가 컸다. 따라서, 정극 내지 정극 활물질층을 리튬 복합 산화물 소결체판으로 구성함으로써, 용량이나 충방전 효율을 개선하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 이 경우, 정극 또는 정극 활물질층에는 바인더나 도전 조제가 포함되지 않기 때문에, 리튬 복합 산화물의 충전 밀도가 높아짐으로써, 고용량이나 양호한 충방전 효율이 얻어지는 것이 기대된다. 예컨대, 특허문헌 2(일본특허 제5587052호 공보)에는, 정극 집전체와, 도전성 접합층을 통해 정극 집전체와 접합된 정극 활물질층을 구비한, 리튬 이차 전지의 정극이 개시되어 있다. 이 정극 활물질층은, 두께가 30 ㎛ 이상이고, 공극률이 3%~30%이며, 개기공(開氣孔) 비율이 70% 이상인 리튬 복합 산화물 소결체판으로 이루어진다고 되어 있다. 또한, 특허문헌 3(국제공개 제2017/146088호)에는, 고체 전해질을 구비하는 리튬 이차 전지의 정극으로서, 코발트산리튬(LiCoO2) 등의 리튬 복합 산화물로 구성되는 복수의 일차 입자를 포함하고, 복수의 일차 입자가 정극판의 판면에 대하여 0° 초과 30° 이하의 평균 배향 각도로 배향되어 있는, 배향 소결체판을 이용하는 것이 개시되어 있다.
한편, 부극으로서 티탄 함유 소결체판을 이용하는 것도 제안되어 있다. 예컨대, 특허문헌 4(일본특허공개 제2015-185337호 공보)에는, 정극 또는 부극에 티탄산리튬(Li4Ti5O12) 소결체를 이용한 리튬 이차 전지가 개시되어 있다. 단, 이 리튬 이차 전지는 정극과 부극 사이에 고체 전해질층을 구비한 전고체 전지이며, 비수계 전해액을 이용하는 이차 전지가 아니다.
특허문헌 1 : 일본특허 제4439456호 공보 특허문헌 2 : 일본특허 제5587052호 공보 특허문헌 3 : 국제공개 제2017/146088호 특허문헌 4 : 일본특허공개 제2015-185337호 공보
리튬 이차 전지를 전지 팩으로서 사용하는 경우, 전지의 용량이 어느 정도 잔존하는지(즉 잔존 용량)를 알기 위해, 통상, 전지의 전압을 모니터링하는 것이 행해진다. 그러나, 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 LCO 정극 및 LTO 부극을 이용한 리튬 이차 전지의 경우, 잔존 용량에 따른 전압의 변화가 미소하고, 그 때문에 잔존 용량을 모니터링하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다.
본 발명자들은, 이번에 리튬 복합 산화물 소결체(예컨대 LCO 소결체)로 구성되는 소정의 정극층과, 티탄 함유 소결체(예컨대 LTO 소결체)로 구성되는 소정의 부극층을 구비한 구성을 채용함으로써, 충전 상태(SOC)에 따라서 저항치가 크게 변화하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다는 지견을 얻었다.
따라서, 본 발명의 목적은, LCO 등의 리튬 복합 산화물 정극 및 LTO 등의 티탄 함유 산화물 부극을 이용하면서도, 충전 상태(SOC)에 따라서 저항치가 크게 변화하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일양태에 의하면,
리튬 복합 산화물 소결체로 구성되는, 두께 70 ㎛ 이상의 정극층과,
티탄 함유 소결체로 구성되는, 두께 70 ㎛ 이상의 부극층과,
상기 정극층과 상기 부극층 사이에 개재되는 세퍼레이터와,
적어도 상기 세퍼레이터에 함침되는 전해질, 그리고
밀폐 공간을 구비하고, 그 밀폐 공간 내에 상기 정극층, 상기 부극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 전해질이 수용되는 외장체
를 구비한 리튬 이차 전지로서,
충전 상태(SOC)가 10%로부터 80%로 올라감에 따라서 저항치가 저하되는 특성을 갖는 리튬 이차 전지가 제공된다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면,
충전된 상기 리튬 이차 전지를 준비하는 공정과,
상기 충전된 리튬 이차 전지의 저항치를 측정하는 공정, 그리고
상기 저항치를, 미리 동종의 리튬 이차 전지에 관해 측정해 둔 충전 상태(SOC) 10%~80%와 저항치의 상관관계에 적용시켜, 상기 저항치에 대응하는 충전 상태(SOC)를 결정하는 공정
을 포함하는 리튬 이차 전지의 충전 상태의 측정 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 리튬 이차 전지의 일례의 모식 단면도이다.
도 2는 배향 정극층의 층면에 수직인 단면의 일례를 도시한 SEM 이미지이다.
도 3은 도 2에 도시된 배향 정극층의 단면에서의 EBSD 이미지이다.
도 4는 도 3의 EBSD 이미지에서의 일차 입자의 배향 각도의 분포를 면적 기준으로 나타낸 히스토그램이다.
도 5는 예 B1에서 측정된 충전 상태(SOC)와 저항치의 관계를 나타내는 그래프이다.
리튬 이차 전지
도 1에 본 발명의 리튬 이차 전지의 일례를 모식적으로 나타낸다. 또, 도 1에 도시되는 리튬 이차 전지(10)는 코인형 전지의 형태로 되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 다른 형태의 전지이어도 좋다. 리튬 이차 전지(10)는, 정극층(12)과, 부극층(16)과, 세퍼레이터(20)와, 전해액(22)과, 외장체(24)를 구비한다. 정극층(12)은 리튬 복합 산화물 소결체로 구성되고, 70 ㎛ 이상의 두께를 갖는다. 부극층(16)은 티탄 함유 소결체로 구성되고, 70 ㎛ 이상의 두께를 갖는다. 세퍼레이터(20)는 정극층(12)과 부극층(16) 사이에 개재된다. 전해액(22)은, 적어도 세퍼레이터(20)(전형적으로는, 정극층(12), 부극층(16) 및 세퍼레이터(20))에 함침된다. 외장체(24)는 밀폐 공간을 구비하고 있고, 이 밀폐 공간 내에 정극층(12), 부극층(16), 세퍼레이터(20) 및 전해액(22)이 수용된다. 그리고, 리튬 이차 전지(10)는, 충전 상태(SOC)가 10%로부터 80%로 올라감에 따라서 저항치가(바람직하게는 연속적으로) 저하되는 특성을 갖는다. 이와 같이, 리튬 복합 산화물 소결체(예컨대 LCO 소결체)로 구성되는 소정의 정극층(12)과, 티탄 함유 소결체(예컨대 LTO 소결체)로 구성되는 소정의 부극층(16)을 구비한 구성을 채용함으로써, 충전 상태(SOC)에 따라서 저항치가 크게(바람직하게는 연속적으로) 변화하는 리튬 이차 전지(10)를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 리튬 이차 전지를 전지 팩으로서 사용하는 경우, 전지의 잔존 용량을 알기 위해, 통상, 전지의 전압을 모니터링하는 것이 행해진다. 그러나, 특허문헌 1에 개시되는 바와 같은 LCO 정극 및 LTO 부극을 이용한 리튬 이차 전지의 경우, 잔존 용량에 따른 전압의 변화가 미소하고, 그 때문에 잔존 용량을 모니터링하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다. 이 점에서, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지(10)는, 충전 상태(SOC)가 10%로부터 80%로 올라감에 따라서 저항치가 저하되는 특성을 갖기 때문에, 상기 문제를 적합하게 해소할 수 있다. 충전 상태에 따라서 저항치가 변화하는 거동이 생기는 메커니즘은 분명하지 않지만, 부극층(16)의 구성 재료의 전형예로서의 LTO를 예를 들면 이하와 같은 것으로 생각된다. 즉, LTO는 충방전시에 고저항상(Li4Ti5O12)과 저저항상(Li7Ti5O12)의 2상 공존으로 반응이 진행된다. 고저항상의 비율이 증가하는 충전 상태(즉 충전 상태가 낮을 때)에서 저항이 상승한다. 그리고, 정극층(12)의 두께나 부극층(16)의 두께가 상기와 같이 두꺼운 경우, 다른 저항 성분의 기여율이 충분히 낮아지고, LTO의 저항 변화에 따른 전지의 저항 변화를 검지할 수 있게 되는 것으로 생각된다. 이것은 도전 조제를 이용하지 않고, 소결체 내부에서 전자 전도시키는 세라믹스 소결체판 전극 특유의 현상이다. 왜냐하면, 종래의 도공 전극을 사용한 경우는 도전 조제를 많이 포함하기 때문에, 고저항상의 비율이 증가하더라도 도전 조제로 원하는 도전성을 확보할 수 있고, 그 때문에 상기와 같은 현상은 보이지 않는다.
즉, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지(10)는, 충전된 리튬 이차 전지의 저항치를 측정하고, 측정된 저항치를, 미리 동종의 리튬 이차 전지에 관해 측정해 둔 충전 상태(SOC) 10%~80%와 저항치의 상관관계에 적용시켜, 저항치에 대응하는 충전 상태(SOC)를 결정함으로써, 충전 상태를 바람직하게 측정할 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 양태에 의하면, i) 충전된 리튬 이차 전지를 준비하는 공정과, ii) 충전된 리튬 이차 전지의 저항치를 측정하는 공정과, iii) 저항치를, 미리 동종의 리튬 이차 전지에 관해 측정해 둔 충전 상태(SOC) 10%~80%와 저항치의 상관관계에 적용시켜, 저항치에 대응하는 충전 상태(SOC)를 결정하는 공정을 포함하는 리튬 이차 전지의 충전 상태의 측정 방법이 제공된다.
상기 측정을 보다 확실하게 행하는 관점에서, 리튬 이차 전지(10)는 충전 상태(SOC) 10%~80%의 범위에서 저항치의 변화량이 큰 것이 바람직하다. 구체적으로는, 리튬 이차 전지(10)는, 리튬 이차 전지의 SOC 10%, 50% 및 80%에서의 저항치를 각각 R10, R50 및 R80으로 했을 때, 0.30≤R50/R10≤0.85, 0.30≤R80/R50≤0.85 및 0.20≤R80/R10≤0.70의 관계를 만족시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.35≤R50/R10≤0.80, 0.35≤R80/R50≤0.80 및 0.25≤R80/R10≤0.65의 관계, 더욱 바람직하게는 0.40≤R50/R10≤0.75, 0.40≤R80/R50≤0.75 및 0.30≤R80/R10≤0.60의 관계를 만족시킨다. 상기 관계를 만족시킴으로써, SOC가 10%로부터 80%로 올라감에 따라서 저항치가 보다 크게 저하되게 되므로, 저항치와의 상관관계에 기초하는 SOC의 측정을 보다 정확하게 행할 수 있다.
부극층(16)의 용량 A에 대한 정극층(12)의 용량 C의 비인 C/A는 1.1 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.10~2.5, 더욱 바람직하게는 1.15~2.0, 특히 바람직하게는 1.15~1.5이다. 또, 부극층(16)의 용량 A 및 정극층(12)의 용량 C는 후술하는 실시예에 기재되는 순서에 따라서 측정할 수 있다. 상기 범위 내의 C/A이면(전술한 정극층(12) 및 부극층(16)의 각 두께와 함께), LTO 등의 티탄 함유 소결체의 저항 변화에 따른 전지의 저항 변화를 보다 효과적으로 검지할 수 있게 된다. 상기 C/A를 초래하는 관점에서, 부극층(16)의 두께 Ta에 대한 정극층(12)의 두께 Tc의 비인 Tc/Ta는 바람직하게는 0.50~2.00이며, 보다 바람직하게는 0.55~1.90, 더욱 바람직하게는 0.60~1.80, 특히 바람직하게는 0.65~1.70, 가장 바람직하게는 0.70~1.50이다.
정극층(12)은 리튬 복합 산화물 소결체로 구성된다. 정극층(12)이 소결체로 구성되는 것은, 정극층(12)이 바인더나 도전 조제를 포함하지 않는 것을 의미한다. 이것은, 그린 시트에 바인더가 포함되어 있었다고 해도, 소성시에 바인더가 소멸 또는 소실(燒失)되기 때문이다. 그리고, 정극층(12)이 바인더를 포함하지 않음으로써, 전해액(22)에 의한 정극의 열화를 회피할 수 있다는 이점이 있다. 한편, 소결체를 구성하는 리튬 복합 산화물은, 코발트산리튬(전형적으로는 LiCoO2(이하, LCO라고 약칭하는 경우가 있다))인 것이 특히 바람직하다. 여러가지 리튬 복합 산화물 소결체판 내지 LCO 소결체판이 알려져 있고, 예컨대 특허문헌 2(일본특허 제5587052호 공보)나 특허문헌 3(국제공개 제2017/146088호)에 개시되는 것을 참고로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 의하면, 정극층(12), 즉 리튬 복합 산화물 소결체판은, 리튬 복합 산화물로 구성되는 복수의 일차 입자를 포함하고, 복수의 일차 입자가 정극층의 층면에 대하여 0° 초과 30° 이하의 평균 배향 각도로 배향되어 있는 배향 정극층이다. 도 2에 배향 정극층(12)의 층면에 수직인 단면 SEM 이미지의 일례를 도시하는 한편, 도 3에 배향 정극층(12)의 층면에 수직인 단면에서의 전자선 후방 산란 회절(EBSD : Electron Backscatter Diffraction) 이미지를 도시한다. 또한, 도 4에, 도 3의 EBSD 이미지에서의 일차 입자(11)의 배향 각도의 분포를 면적 기준으로 나타낸 히스토그램을 도시한다. 도 3에 도시된 EBSD 이미지에서는, 결정 방위의 불연속성을 관측할 수 있다. 도 3에서는, 각 일차 입자(11)의 배향 각도가 색의 농담으로 나타나 있고, 색이 짙을수록 배향 각도가 작은 것을 나타내고 있다. 배향 각도란, 각 일차 입자(11)의 (003)면이 층면 방향에 대하여 이루는 경사 각도이다. 한편, 도 2 및 3에서, 배향 정극층(12)의 내부에서 흑색 표시되어 있는 개소는 기공이다.
배향 정극층(12)은, 서로 결합된 복수의 일차 입자(11)로 구성된 배향 소결체이다. 각 일차 입자(11)는, 주로 판형이지만, 직방체형, 입방체형 및 구형 등으로 형성된 것이 포함되어 있어도 좋다. 각 일차 입자(11)의 단면 형상은 특별히 제한되는 것은 아니며, 직사각형, 직사각형 이외의 다각형, 원형, 타원형, 혹은 이들 이외의 복잡 형상이어도 좋다.
각 일차 입자(11)는 리튬 복합 산화물로 구성된다. 리튬 복합 산화물이란, LixMO2(0.05<x<1.10이고, M은 적어도 1종류의 전이 금속이며, M은 전형적으로는 Co, Ni 및 Mn의 1종 이상을 포함함)로 표시되는 산화물이다. 리튬 복합 산화물은 층형 암염 구조를 갖는다. 층형 암염 구조란, 리튬층과 리튬 이외의 전이 금속층이 산소의 층을 사이에 두고 교대로 적층된 결정 구조, 즉 산화물 이온을 통해 전이 금속 이온층과 리튬 단독층이 교대로 적층한 결정 구조(전형적으로는 α-NaFeO2형 구조, 즉 입방정 암염형 구조의 [111]축 방향으로 전이 금속과 리튬이 규칙 배열된 구조)를 말한다. 리튬 복합 산화물의 예로는, LixCoO2(코발트산리튬), LixNiO2(니켈산리튬), LixMnO2(망간산리튬), LixNiMnO2(니켈·망간산리튬), LixNiCoO2(니켈·코발트산리튬), LixCoNiMnO2(코발트·니켈·망간산리튬), LixCoMnO2(코발트·망간산리튬) 등을 들 수 있고, 특히 바람직하게는 LixCoO2(코발트산리튬, 전형적으로는 LiCoO2)이다. 리튬 복합 산화물에는, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, Te, Ba, Bi 및 W에서 선택되는 1종 이상의 원소가 포함되어 있어도 좋다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각 일차 입자(11)의 배향 각도의 평균값, 즉 평균 배향 각도는 0° 초과 30° 이하이다. 이것에 의해, 이하의 여러가지 이점이 생긴다. 첫째, 각 일차 입자(11)가 두께 방향에 대하여 경사진 방향으로 누운 상태가 되므로, 각 일차 입자끼리의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 어떤 일차 입자(11)와 상기 일차 입자(11)의 길이 방향 양측에 인접하는 다른 일차 입자(11) 사이에서의 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있기 때문에, 레이트 특성을 향상시킬 수 있다. 둘째, 레이트 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, 리튬 이온의 출입시에, 배향 정극층(12)에서는, 층면 방향보다 두께 방향에서의 팽창 수축이 우세해지기 때문에, 배향 정극층(12)의 팽창 수축이 원활해지는 바, 그에 따라 리튬 이온의 출입도 원활해지기 때문이다. 또한, 후술하는 바람직한 양태인, 정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)이 전체적으로 하나의 일체 소결체판을 구성하는 경우, 리튬 이온의 출입에 따르는 배향 정극층(12)의 팽창 수축이 층면과 수직인 방향으로 우세해지기 때문에, 배향 정극층(12)과 세라믹 세퍼레이터(20)의 접합 계면에서의 응력이 발생하기 어려워지고, 상기 계면에서의 양호한 결합을 유지하기 쉬워진다.
일차 입자(11)의 평균 배향 각도는, 이하의 수법에 의해 얻어진다. 먼저, 도 3에 도시된 바와 같은, 95 ㎛×125 ㎛의 직사각형 영역을 1000배의 배율로 관찰한 EBSD 이미지에 있어서, 배향 정극층(12)을 두께 방향으로 4등분하는 3개의 횡선과, 배향 정극층(12)을 층면 방향으로 4등분하는 3개의 종선을 그린다. 다음으로, 3개의 횡선과 3개의 종선 중 적어도 1개의 선과 교차하는 일차 입자(11)의 모든 배향 각도를 산술 평균함으로써, 일차 입자(11)의 평균 배향 각도를 얻는다. 일차 입자(11)의 평균 배향 각도는, 레이트 특성을 한층 더 향상시키는 관점에서, 30° 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 25° 이하이다. 일차 입자(11)의 평균 배향 각도는, 레이트 특성을 한층 더 향상시키는 관점에서, 2° 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5° 이상이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각 일차 입자(11)의 배향 각도는, 0°로부터 90°까지 넓게 분포되어 있어도 좋지만, 그 대부분은 0° 초과 30° 이하의 영역에 분포되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 배향 정극층(12)을 구성하는 배향 소결체는, 그 단면을 EBSD에 의해 해석한 경우에, 해석된 단면에 포함되는 일차 입자(11) 중 배향 정극층(12)의 층면에 대한 배향 각도가 0° 초과 30° 이하인 일차 입자(11)(이하, 저각 일차 입자라고 함)의 합계 면적이, 단면에 포함되는 일차 입자(11)(구체적으로는 평균 배향 각도의 산출에 이용한 30개의 일차 입자(11))의 총면적에 대하여 70% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80% 이상이다. 이것에 의해, 상호 밀착성이 높은 일차 입자(11)의 비율을 증가시킬 수 있기 때문에, 레이트 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 저각 일차 입자 중 배향 각도가 20° 이하인 것의 합계 면적은, 평균 배향 각도의 산출에 이용한 30개의 일차 입자(11)의 총면적에 대하여 50% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 저각 일차 입자 중 배향 각도가 10° 이하인 것의 합계 면적은, 평균 배향 각도의 산출에 이용한 30개의 일차 입자(11)의 총면적에 대하여 15% 이상인 것이 보다 바람직하다.
각 일차 입자(11)는 주로 판형이기 때문에, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 각 일차 입자(11)의 단면은 각각 소정 방향으로 연장되어 있고, 전형적으로는 대략 직사각형 형상이 된다. 즉, 배향 소결체는, 그 단면을 EBSD에 의해 해석한 경우에, 해석된 단면에 포함되는 일차 입자(11) 중 애스펙트비가 4 이상인 일차 입자(11)의 합계 면적이, 단면에 포함되는 일차 입자(11)(구체적으로는 평균 배향 각도의 산출에 이용한 30개의 일차 입자(11))의 총면적에 대하여 70% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80% 이상이다. 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같은 EBSD 이미지에 있어서, 이것에 의해, 일차 입자(11)끼리의 상호 밀착성을 보다 향상시킬 수 있고, 그 결과, 레이트 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 일차 입자(11)의 애스펙트비는, 일차 입자(11)의 최대 페렛 직경을 최소 페렛 직경으로 나눈 값이다. 최대 페렛 직경은, 단면을 관찰했을 때의 EBSD 이미지 상에 있어서, 일차 입자(11)를 평행한 2개의 직선 사이에 끼운 경우의 상기 직선 사이의 최대 거리이다. 최소 페렛 직경은, EBSD 이미지 상에 있어서, 일차 입자(11)를 평행한 2개의 직선 사이에 끼운 경우의 상기 직선 사이의 최소 거리이다.
배향 소결체를 구성하는 복수의 일차 입자의 평균 입경이 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 평균 배향 각도의 산출에 이용한 30개의 일차 입자(11)의 평균 입경이, 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 12 ㎛ 이상이다. 이것에 의해, 리튬 이온이 전도하는 방향에서의 일차 입자(11)끼리의 입계수가 적어져 전체로서의 리튬 이온 전도성이 향상되기 때문에, 레이트 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 일차 입자(11)의 평균 입경은, 각 일차 입자(11)의 원상당 직경을 산술 평균한 값이다. 원상당 직경이란, EBSD 이미지 상에 있어서, 각 일차 입자(11)와 동일한 면적을 갖는 원의 직경을 말한다.
정극층(12)은 기공을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 소결체가 기공, 특히 개기공을 포함함으로써, 정극판으로서 전지에 삽입된 경우에, 전해액을 소결체의 내부에 침투시킬 수 있고, 그 결과, 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있다. 이것은, 소결체 내에서의 리튬 이온의 전도는, 소결체의 구성 입자를 거치는 전도와, 기공 내의 전해액을 거치는 전도의 2종류가 있는 바, 기공 내의 전해액을 거치는 전도쪽이 압도적으로 빠르기 때문이다.
정극층(12), 즉 리튬 복합 산화물 소결체는 기공률이 20%~60%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 25%~55%, 더욱 바람직하게는 30%~50%, 특히 바람직하게는 30%~45%이다. 기공에 의한 응력 개방 효과, 및 고용량화를 기대할 수 있고, 일차 입자(11)끼리의 상호 밀착성을 보다 향상시킬 수 있기 때문에, 레이트 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 소결체의 기공률은, 정극층의 단면을 CP(크로스섹션 폴리셔) 연마로 연마한 후에 1000 배율로 SEM 관찰하고, 얻어진 SEM 화상을 2치화함으로써 산출된다. 배향 소결체의 내부에 형성되는 각 기공의 평균 원상당 직경은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 8 ㎛ 이하이다. 각 기공의 평균 원상당 직경이 작을수록, 일차 입자(11)끼리의 상호 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있고, 그 결과 레이트 특성을 더 향상시킬 수 있다. 기공의 평균 원상당 직경은, EBSD 이미지 상의 10개의 기공의 원상당 직경을 산술 평균한 값이다. 원상당 직경이란, EBSD 이미지 상에 있어서, 각 기공과 동일한 면적을 갖는 원의 직경을 말한다. 배향 소결체의 내부에 형성되는 각 기공은, 정극층(12)의 외부로 이어지는 개기공인 것이 바람직하다.
정극층(12), 즉 리튬 복합 산화물 소결체의 평균 기공 직경은 0.1 ㎛~10.0 ㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.2 ㎛~5.0 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.25 ㎛~3.0 ㎛이다. 상기 범위 내이면, 큰 기공의 국소에서의 응력 집중의 발생을 억제하여, 소결체 내에서의 응력이 균일하게 개방되기 쉬워진다.
정극층(12)의 두께는 70 ㎛ 이상이며, 바람직하게는 70 ㎛~800 ㎛, 보다 바람직하게는 70 ㎛~600 ㎛, 더욱 바람직하게는 80 ㎛~500 ㎛, 특히 바람직하게는 90 ㎛~450 ㎛이다. 이러한 범위 내이면, 단위면적당의 활물질 용량을 높여 리튬 이차 전지(10)의 에너지 밀도를 향상시킴과 더불어, 충방전의 반복에 따르는 전지 특성의 열화(특히 저항치의 상승)를 억제할 수 있다.
부극층(16)은, 티탄 함유 소결체로 구성된다. 티탄 함유 소결체는, 티탄산리튬 Li4Ti5O12(이하, LTO) 또는 니오븀티탄 복합 산화물 Nb2TiO7을 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 LTO를 포함한다. 한편, LTO는 전형적으로는 스피넬형 구조를 갖는 것으로서 알려져 있지만, 충방전시에는 다른 구조도 채용할 수 있다. 예컨대, LTO는 충방전시에 Li4Ti5O12(스피넬 구조)와 Li7Ti5O12(암염 구조)의 이상(二相) 공존으로 반응이 진행된다. 따라서, LTO는 스피넬 구조에 한정되는 것이 아니다.
부극층(16)이 소결체로 구성된다고 하는 것은, 부극층(16)이 바인더나 도전 조제를 포함하지 않는 것을 의미한다. 이것은, 그린 시트에 바인더가 포함되어 있었다고 해도, 소성시에 바인더가 소멸 또는 소실(燒失)되기 때문이다. 부극층에는 바인더가 포함되지 않기 때문에, 부극 활물질(예컨대 LTO 또는 Nb2TiO7)의 충전 밀도가 높아짐으로써, 고용량이나 양호한 충방전 효율을 얻을 수 있다. LTO 소결체는, 특허문헌 4(일본특허공개 제2015-185337호 공보)에 기재되는 방법에 따라 제조할 수 있다.
부극층(16), 즉 티탄 함유 소결체는, 복수의(즉 다수의) 일차 입자가 결합한 구조를 갖고 있다. 따라서, 이들 일차 입자가 LTO 또는 Nb2TiO7으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는, 충전 상태에서는 절연성이 높고, 방전 상태에서는 도전성이 높은 재료가 바람직하다. 바꾸어 말하면, 충전 상태에서는 Ti의 가수가 4가에 가깝고, 방전 상태에서는 3가가 되는 것이 바람직하다. 다른 재료의 예로는 TiO2를 들 수 있다.
부극층(16)의 두께는 70 ㎛ 이상이며, 바람직하게는 70 ㎛~800 ㎛, 보다 바람직하게는 70 ㎛~700 ㎛, 더욱 바람직하게는 80 ㎛~600 ㎛, 특히 바람직하게는 90 ㎛~550 ㎛이다. 부극층(16)이 두꺼울수록, 고용량 및 고에너지 밀도의 전지를 실현하기 쉬워지는 것에 더해, 다른 저항 성분의 기여율이 한층 더 낮아져, 부극층(16)의 저항 변화에 따른 전지의 저항 변화를 보다 검지하기 쉬워지는 것으로 생각된다. 부극층(16)의 두께는, 예컨대, 부극층(16)의 단면을 SEM(주사 전자 현미경)에 의해 관찰한 경우의, 대략 평행하게 관찰되는 층면 사이의 거리를 측정함으로써 얻어진다.
부극층(16)을 구성하는 복수의 일차 입자의 평균 입경인 일차 입경은 1.2 ㎛ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.02 ㎛~1.2 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.05 ㎛~0.7 ㎛이다. 이러한 범위 내이면 리튬 이온 전도성 및 전자 전도성을 양립하기 쉽고, 레이트 성능의 향상에 기여한다.
부극층(16)은 기공을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 소결체가 기공, 특히 개기공을 포함함으로써, 부극층으로서 전지에 삽입된 경우에, 전해액을 소결체의 내부에 침투시킬 수 있고, 그 결과, 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있다. 이것은, 소결체 내에서의 리튬 이온의 전도는, 소결체의 구성 입자를 거치는 전도와, 기공 내의 전해액을 거치는 전도의 2종류가 있는 바, 기공 내의 전해액을 거치는 전도 쪽이 압도적으로 빠르기 때문이다.
부극층(16)의 기공률은 20%~60%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 30%~55%, 더욱 바람직하게는 35%~50%이다. 이러한 범위 내이면 리튬 이온 전도성 및 전자 전도성을 양립하기 쉽고, 레이트 성능의 향상에 기여한다.
부극층(16)의 평균 기공 직경은 0.08 ㎛~5.0 ㎛이고, 바람직하게는 0.1 ㎛~3.0 ㎛, 보다 바람직하게 0.12 ㎛~1.5 ㎛이다. 이러한 범위 내이면 리튬 이온 전도성 및 전자 전도성을 양립하기 쉽고, 레이트 성능의 향상에 기여한다.
세퍼레이터(20)는, 셀룰로오스제, 폴리올레핀제, 폴리이미드제, 폴리에스테르제(예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)) 또는 세라믹제의 세퍼레이터인 것이 바람직하다. 셀룰로오스제의 세퍼레이터는 저렴하고 내열성이 우수한 점에서 유리하다. 또한, 폴리이미드제, 폴리에스테르제(예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)) 또는 셀룰로오스제의 세퍼레이터는 널리 이용되고 있는, 내열성이 떨어지는 폴리올레핀제 세퍼레이터와는 달리, 그 자체의 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 내열성이 우수한 전해액 성분인 γ-부티로락톤(GBL)에 대한 습윤성도 우수하다. 따라서, GBL을 포함하는 전해액을 이용하는 경우에, 전해액을 세퍼레이터에(튀게 하지 않고) 충분히 침투시킬 수 있다. 한편, 세라믹제의 세퍼레이터는, 내열성이 우수한 것은 물론, 정극층(12) 및 부극층(16)과 함께 전체적으로 하나의 일체 소결체로서 제조할 수 있다는 이점이 있다. 세라믹 세퍼레이터의 경우, 세퍼레이터를 구성하는 세라믹은 MgO, Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4, AlN 및 코디어라이트에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 MgO, Al2O3 및 ZrO2에서 선택되는 적어도 1종이다.
세라믹 세퍼레이터(20)는 세라믹제의 미다공막이다. 세라믹 세퍼레이터(20)는, 내열성이 우수한 것은 물론, 정극층(12) 및 부극층(16)과 함께 전체적으로 하나의 일체 소결체판으로서 제조할 수 있다는 이점이 있다. 세라믹 세퍼레이터(20)의 두께는 3 ㎛~40 ㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 ㎛~35 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 ㎛~30 ㎛이다. 세라믹 세퍼레이터(20)의 기공률은 30%~85%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 40%~80%이다. 세라믹 세퍼레이터(20)는, 정극층(12) 및 부극층(16)과의 접착성 향상의 관점에서, 유리 성분을 함유해도 좋다. 이 경우, 세라믹 세퍼레이터(20)에 차지하는 유리 성분의 함유 비율은 세라믹 세퍼레이터(20)의 전체 중량에 대해 0.1 중량%~50 중량%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 중량%~40 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 중량%~30 중량%이다. 세라믹 세퍼레이터(20)에 대한 유리 성분의 첨가는 세라믹 세퍼레이터의 원료 분말에 유리 프릿을 첨가함으로써 행해지는 것이 바람직하다. 단, 세라믹 세퍼레이터(20)와, 정극층(12) 및 부극층(16)과의 원하는 접착성을 확보할 수 있다면, 세라믹 세퍼레이터(20)에서의 유리 성분의 함유는 특별히 필요로 하지 않는다.
본 발명의 바람직한 양태에 의하면, 세퍼레이터(20)가 세라믹 세퍼레이터이며, 정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)이 전체적으로 하나의 일체 소결체판을 이루고 있고, 그것에 의해 정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)이 서로 결합하고 있다. 즉, 정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)의 3층은 접착제 등의 다른 결합 수법에 의지하는 않고 서로 결합되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 「전체적으로 하나의 일체 소결체판을 이룬다」라고 하는 것은, 정극층(12)을 제공하는 정극 그린 시트, 세라믹 세퍼레이터(20)를 제공하는 세퍼레이터 그린 시트, 및 부극층(16)을 제공하는 부극 그린 시트로 이루어진 3층 구조의 그린 시트를 소성하여 각 층이 소결된 상태인 것을 의미한다. 이 때문에, 소성전의 3층 구조의 그린 시트를 펀칭틀에 의해 소정의 형상(예컨대 코인형이나 칩형)으로 펀칭해 버리면, 최종 형태의 일체 소결체판에서는 정극층(12) 및 부극층(16) 사이의 어긋남은 전혀 존재하지 않게 된다. 즉, 정극층(12)의 단부면과 부극층(16)의 단부면이 일치하기 때문에, 용량을 최대화할 수 있다. 혹은, 가령 어긋남이 존재한다고 하더라도 일체 소결체판은 레이저 가공, 절삭, 연마 등의 가공에 적합하기 때문에, 그러한 어긋남을 최소화하거나 없애도록 단부면을 마무리 가공하면 된다. 어떻든 간에, 일체 소결체판인 이상, 정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)이 서로 결합하고 있기 때문에, 정극층(12) 및 부극층(16) 사이의 어긋남이 사후적으로 발생하지도 않는다. 이와 같이 정극층(12) 및 부극층(16) 사이의 어긋남을 최소화하거나 없앰으로써, 기대대로의(즉 이론 용량에 가까운) 높은 방전 용량을 얻을 수 있다. 또한, 세라믹 세퍼레이터를 포함하는 3층 구성의 일체 소결체판이기 때문에, 1장의 소결체판으로서 제작되는 정극판 단체(單體)나 부극판 단체와 비교하여, 굴곡 또는 휘어짐이 발생하기 어렵고(즉 평탄성이 우수하고), 그 때문에 정부극간 거리에 편차가 발생하기 어렵고(즉 균일해지고), 충방전 사이클 성능의 향상에 기여하는 것으로 고려된다. 예컨대, 정극층(12) 및 부극층(16)의 면적 어긋남률이 1% 미만인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5% 미만이며, 더욱 바람직하게는 0%이다. 정극층(12) 및 부극층(16)의 면적 어긋남률은, 정극층(12) 및 부극층(16)이 중첩되는 영역의 면적을 Spn, 정극층(12)이 부극층(16)으로부터 비어져 나온 영역의 면적을 Sp, 부극층(16)이 정극층(12)으로부터 비어져 나온 영역을 면적 Sn으로 했을 때, [(Sp+Sn)/Spn]×100의 식에 기초하여 산출되는 값(%)으로서 정의된다. 또한, 리튬 이차 전지(10)는, 이론 용량에 대한 방전 용량의 비가 99% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 99.5% 이상이며, 더욱 바람직하게는 100%이다.
전해액(22)은 특별히 한정되지 않고, 유기 용매(예컨대 에틸렌카보네이트(EC) 및 메틸에틸카보네이트(MEC)의 혼합 용매, 에틸렌카보네이트(EC) 및 디에틸카보네이트(DEC)의 혼합 용매, 혹은 에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC)의 혼합 용매)의 비수 용매 중에 리튬염(예컨대 LiPF6)을 용해시킨 액 등, 리튬 전지용의 시판하는 전해액을 사용하면 된다.
내열성이 우수한 리튬 이차 전지로 하는 경우에는, 전해액(22)은, 비수 용매 중에 붕불화리튬(LiBF4)을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 바람직한 비수 용매는, γ-부티로락톤(GBL), 에틸렌카보네이트(EC) 및 프로필렌카보네이트(PC)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종이고, 보다 바람직하게는 EC 및 GBL로 이루어진 혼합 용매, PC로 이루어진 단독 용매, PC 및 GBL로 이루어진 혼합 용매, 또는 GBL로 이루어진 단독 용매이며, 특히 바람직하게는 EC 및 GBL로 이루어진 혼합 용매 또는 GBL로 이루어진 단독 용매이다. 비수 용매는 γ-부티로락톤(GBL)을 포함함으로써 비점이 상승하여, 내열성의 대폭적인 향상을 가져온다. 이러한 관점에서, EC 및/또는 GBL 함유 비수 용매에서의 EC:GBL의 체적비는 0:1~1:1(GBL 비율 50 체적%~100 체적%)인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0:1~1:1.5(GBL 비율 60 체적%~100 체적%), 더욱 바람직하게는 0:1~1:2(GBL 비율 66.6 체적%~100 체적%), 특히 바람직하게는 0:1~1:3(GBL 비율 75 체적%~100 체적%)이다. 비수 용매 중에 용해되는 붕불화리튬(LiBF4)은 분해 온도가 높은 전해질이고, 이것도 또한 내열성의 대폭적인 향상을 가져온다. 전해액(22)에서의 LiBF4 농도는 0.5 ㏖/L~2 ㏖/L인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.6 ㏖/L~1.9 ㏖/L, 더욱 바람직하게는 0.7 ㏖/L~1.7 ㏖/L, 특히 바람직하게는 0.8 ㏖/L~1.5 ㏖/L이다.
전해액(22)은 첨가제로서 비닐렌카보네이트(VC) 및/또는 플루오로에틸렌카보네이트(FEC) 및/또는 비닐에틸렌카보네이트(VEC)를 더 포함하는 것이어도 좋다. VC 및 FEC는 모두 내열성이 우수하다. 따라서, 이러한 첨가제를 전해액(22)이 포함함으로써, 내열성이 우수한 SEI막을 부극층(16) 표면에 형성시킬 수 있다.
또한, 전해액(22) 대신에, 고체 전해질 또는 폴리머 전해질을 이용해도 좋다(바꿔 말하면, 전해질로서, 전해액(22) 이외에, 고체 전해질이나 폴리머 전해질을 이용할 수 있다). 그 경우에는, 전해액(22)의 경우와 마찬가지로, 적어도 세퍼레이터(20)의 기공 내부에 전해질이 함침되어 있는 것이 바람직하다. 함침 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예로서, 전해질을 용융하여 세퍼레이터(20)의 기공 내에 침입시키는 방법, 전해질의 압분체를 세퍼레이터(20)에 압박하는 방법 등을 들 수 있다.
외장체(24)는 밀폐 공간을 구비하고, 이 밀폐 공간 내에 정극층(12), 부극층(16), 세퍼레이터(20) 및 전해액(22)이 수용된다. 외장체(24)는 리튬 이차 전지(10)의 타입에 따라 적절히 선택하면 된다. 예컨대, 리튬 이차 전지가 도 1에 도시된 바와 같은 코인형 전지의 형태인 경우, 외장체(24)는, 전형적으로는, 정극 캔(24a), 부극 캔(24b) 및 개스킷(24c)을 구비하고, 정극 캔(24a) 및 부극 캔(24b)이 개스킷(24c)을 통해 코킹되어 밀폐 공간을 형성하고 있다. 정극 캔(24a) 및 부극 캔(24b)은 스테인리스강 등의 금속제일 수 있고, 특별히 한정되지 않는다. 개스킷(24c)은 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, PFA 수지 등의 절연 수지제의 환형 부재일 수 있고, 특별히 한정되지 않는다.
또한, 리튬 이차 전지가 카드에 내장 가능한 칩 전지의 형태인 경우, 외장체가 수지 기재이고, 전지 요소(즉 정극층(12), 부극층(16), 세퍼레이터(20) 및 전해액(22))가 수지 기재 내에 매설되는 것이 바람직하다. 예컨대, 전지 요소가 1쌍의 수지 필름에 끼워 넣어진 것이어도 좋고, 수지 필름끼리 접착제로 접합되어 있거나, 가열 프레스로 수지 필름끼리 열융착되어 있는 것이 바람직하다.
리튬 이차 전지(10)는, 정극 집전체(14) 및/또는 부극 집전체(18)를 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 정극 집전체(14) 및 부극 집전체(18)는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 동박이나 알루미늄박 등의 금속박이다. 정극 집전체(14)는 정극층(12)과 외장체(24)(예컨대 정극 캔(24a)) 사이에 배치되는 것이 바람직하고, 부극 집전체(18)는 부극층(16)과 외장체(24)(예컨대 부극 캔(24b)) 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 정극층(12)과 정극 집전체(14) 사이에는 접촉 저항 저감의 관점에서 정극측 카본층(13)이 형성되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 부극층(16)과 부극 집전체(18) 사이에는 접촉 저항 저감의 관점에서 부극측 카본층(17)이 형성되는 것이 바람직하다. 정극측 카본층(13) 및 부극측 카본층(17)은 모두 도전성 카본으로 구성되는 것이 바람직하고, 예컨대 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄 등에 의해 도포함으로써 형성하면 된다.
일체 소결체판의 제조 방법
정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)의 3층 구성의 일체 소결체판은 어떠한 방법으로 제조된 것이어도 좋지만, 바람직하게는, (1) 3층의 각각에 대응하는 그린 시트를 제작하고, (2) 이들 그린 시트를 적층하여 압착 및 소성을 실시함으로써 제조된다.
(1) 각종 그린 시트의 제작
(1a) 정극 그린 시트의 제작
정극 그린 시트로서의 리튬 복합 산화물 함유 그린 시트의 제작은 이하와 같이 행할 수 있다. 먼저, 리튬 복합 산화물로 구성되는 원료 분말을 준비한다. 이 분말은, LiMO2인 조성(M은 전술한 바와 같음)의 합성이 완료된 판형 입자(예컨대 LiCoO2 판형 입자)를 포함하는 것이 바람직하다. 원료 분말의 체적 기준 D50 입경은 0.3 ㎛~30 ㎛가 바람직하다. 예컨대, LiCoO2 판형 입자의 제작 방법은 다음과 같이 하여 행할 수 있다. 먼저, Co3O4 원료 분말과 Li2CO3 원료 분말을 혼합하여 소성(500℃~900℃, 1시간~20시간)함으로써, LiCoO2 분말을 합성한다. 얻어진 LiCoO2 분말을 포트밀로 체적 기준 D50 입경 0.2 ㎛~10 ㎛로 분쇄함으로써, 판면과 평행하게 리튬 이온을 전도 가능한 판형의 LiCoO2 입자가 얻어진다. 이러한 LiCoO2 입자는, LiCoO2 분말 슬러리를 이용한 그린 시트를 입성장시킨 후에 해쇄하는 방법이나, 플럭스법이나 수열 합성, 융액을 이용한 단결정 육성, 졸겔법 등 판형 결정을 합성하는 방법에 의해서도 얻을 수 있다. 얻어진 LiCoO2 입자는, 벽개면(劈開面)을 따라 벽개하기 쉬운 상태로 되어 있다. LiCoO2 입자를 해쇄에 의해 벽개시킴으로써, LiCoO2 판형 입자를 제작할 수 있다.
상기 판형 입자를 단독으로 원료 분말로서 이용해도 좋고, 상기 판형 분말과 다른 원료 분말(예컨대 Co3O4 입자)의 혼합 분말을 원료 분말로서 이용해도 좋다. 후자의 경우, 판형 분말을 배향성을 부여하기 위한 템플릿 입자로서 기능시키고, 다른 원료 분말(예컨대 Co3O4 입자)을 템플릿 입자를 따라 성장 가능한 매트릭스 입자로서 기능시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 템플릿 입자와 매트릭스 입자를 100:0~3:97로 혼합한 분말을 원료 분말로 하는 것이 바람직하다. Co3O4 원료 분말을 매트릭스 입자로서 이용하는 경우, Co3O4 원료 분말의 체적 기준 D50 입경은 특별히 제한되지 않고, 예컨대 0.1 ㎛~1.0 ㎛로 할 수 있지만, LiCoO2 템플릿 입자의 체적 기준 D50 입경보다 작은 것이 바람직하다. 이 매트릭스 입자는, Co(OH)2 원료를 500℃~800℃에서 1시간~10시간 열처리를 행하는 것에 의해서도 얻을 수 있다. 또한, 매트릭스 입자에는, Co3O4 외에, Co(OH)2 입자를 이용해도 좋고, LiCoO2 입자를 이용해도 좋다.
원료 분말이 LiCoO2 템플릿 입자 100%로 구성되는 경우, 또는 매트릭스 입자로서 LiCoO2 입자를 이용하는 경우, 소성에 의해, 대형(예컨대 90 ㎜×90 ㎜ 평방)이며 평탄한 LiCoO2 소결체층을 얻을 수 있다. 그 메커니즘은 분명하지 않지만, 소성 과정에서 LiCoO2로의 합성이 행해지지 않기 때문에, 소성시의 체적 변화가 발생하기 어렵거나 혹은 국소적인 불균일이 발생하기 어려운 것이 예상된다.
원료 분말을, 분산매 및 각종 첨가제(바인더, 가소제, 분산제 등)와 혼합하여 슬러리를 형성한다. 슬러리에는, 후술하는 소성 공정 중에서의 입성장의 촉진 내지 휘발분의 보상의 목적으로, LiMO2 이외의 리튬 화합물(예컨대 탄산리튬)이 0.5 ㏖%~30 ㏖% 정도 과잉으로 첨가되어도 좋다. 슬러리에는 조공재(造孔材)를 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 슬러리는 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP~10000 cP로 조정하는 것이 바람직하다. 얻어진 슬러리를 시트형으로 성형하여 리튬 복합 산화물 함유 그린 시트를 얻는다. 시트 성형은, 원료 분말 중의 판형 입자(예컨대 템플릿 입자)에 전단력을 인가 가능한 성형 방법을 이용하여 행해지는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 일차 입자의 평균 경사각을 시트면에 대해 0° 초과 30° 이하로 할 수 있다. 판형 입자에 전단력을 인가 가능한 성형 방법으로는, 닥터 블레이드법이 적합하다. 리튬 복합 산화물 함유 그린 시트의 두께는, 소성후에 전술한 바와 같은 원하는 두께가 되도록 적절히 설정하면 된다.
(1b) 부극 그린 시트의 제작
부극 그린 시트로서의 티탄 함유 그린 시트는 어떠한 방법으로 제조된 것이어도 좋다. 예컨대, LTO 함유 그린 시트의 제작은 이하와 같이 행할 수 있다. 먼저, 티탄산리튬 Li4Ti5O12로 구성되는 원료 분말(LTO 분말)을 준비한다. 원료 분말은 시판하는 LTO 분말을 사용해도 좋고, 새롭게 합성해도 좋다. 예컨대, 티탄테트라이소프로폭시알코올과 이소프로폭시리튬의 혼합물을 가수 분해하여 얻은 분말을 이용해도 좋고, 탄산리튬, 티타니아 등을 포함하는 혼합물을 소성해도 좋다. 원료 분말의 체적 기준 D50 입경은 0.05 ㎛~5.0 ㎛가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 ㎛~2.0 ㎛이다. 원료 분말의 입경이 크면 기공이 커지는 경향이 있다. 또한, 원료 입경이 큰 경우, 원하는 입경이 되도록 분쇄 처리(예컨대 포트밀 분쇄, 비드밀 분쇄, 제트밀 분쇄 등)를 행해도 좋다. 그리고, 원료 분말을, 분산매 및 각종 첨가제(바인더, 가소제, 분산제 등)와 혼합하여 슬러리를 형성한다. 슬러리에는, 후술하는 소성 공정 중에서의 입성장의 촉진 내지 휘발분의 보상의 목적으로, LiMO2 이외의 리튬 화합물(예컨대 탄산리튬)이 0.5 ㏖%~30 ㏖% 정도 과잉으로 첨가되어도 좋다. 슬러리에는 조공재를 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 슬러리는 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP~10000 cP로 조정하는 것이 바람직하다. 얻어진 슬러리를 시트형으로 성형하여 LTO 함유 그린 시트를 얻는다. 시트 성형은, 주지의 여러가지 방법으로 행할 수 있지만, 닥터 블레이드법에 의해 행하는 것이 바람직하다. LTO 함유 그린 시트의 두께는, 소성후에 전술한 바와 같은 원하는 두께가 되도록 적절히 설정하면 된다.
(1c) 세퍼레이터 그린 시트의 제작
세퍼레이터 그린 시트의 제작은 이하와 같이 행할 수 있다. 먼저, MgO, Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4, AlN 및 코디어라이트에서 선택되는 적어도 1종의 세라믹 분말을 준비한다. 이 세라믹 분말에는 유리 프릿을 첨가시켜도 좋다. 원료 분말의 체적 기준 D50 입경은 0.05 ㎛~20 ㎛가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 ㎛~10 ㎛이다. 원료 분말의 입경이 크면 기공이 커지는 경향이 있다. 또한, 원료 입경이 큰 경우, 원하는 입경이 되도록 분쇄 처리(예컨대 포트밀 분쇄, 비드밀 분쇄, 제트밀 분쇄 등)를 행해도 좋다. 그리고, 원료 분말을, 분산매 및 각종 첨가제(바인더, 가소제, 분산제 등)와 혼합하여 슬러리를 형성한다. 슬러리에는 조공재를 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 슬러리는 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP~10000 cP로 조정하는 것이 바람직하다. 얻어진 슬러리를 시트형으로 성형하여 세퍼레이터 그린 시트를 얻는다. 시트 성형은, 주지의 여러가지 방법으로 행할 수 있지만, 닥터 블레이드법에 의해 행하는 것이 바람직하다. 세퍼레이터 그린 시트의 두께는, 소성후에 전술한 바와 같은 원하는 두께가 되도록 적절히 설정하면 된다.
(2) 그린 시트의 적층, 압착 및 소성
이어서, 정극 그린 시트, 세퍼레이터 그린 시트 및 부극 그린 시트를 순서대로 겹쳐 쌓고, 얻어진 적층체를 프레스하여 그린 시트끼리 압착한다. 프레스는 공지의 방법에 의해 행하면 되며 특별히 한정되지 않지만, CIP(냉간 등방압 가압법)에 의해 행해지는 것이 바람직하다. 바람직한 프레스압은 10 kgf/㎠~5000 kgf/㎠이고, 보다 바람직하게는 50 kgf/㎠~3000 kgf/㎠이다. 이렇게 하여 압착된 그린 시트 적층체를 펀칭틀에 의해 원하는 형상(예컨대 코인형이나 칩형) 내지 사이즈로 펀칭하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 최종 형태의 일체 소결체판에서는 정극층(12) 및 부극층(16) 사이의 어긋남을 없앨 수 있다. 그 결과, 정극층(12)의 단부면과 부극층(16)의 단부면이 일치하기 때문에, 전지의 용량을 최대화할 수 있다.
얻어진 그린 시트 적층체를 세터에 배치한다. 세터는 세라믹스제이며, 바람직하게는 지르코니아제 또는 마그네시아제이다. 세터에는 엠보스 가공이 실시되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하여 세터 상에 배치된 그린 시트를 시스(sheath)에 넣는다. 시스도 세라믹스제이며, 바람직하게는 알루미나제이다. 그리고, 이 상태에서, 원한다면 탈지한 후 소성함으로써, 일체 소결체판이 얻어진다. 탈지는 300℃~600℃에서 0.5시간~20시간 유지함으로써 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 소성은 650℃~900℃에서 0.01시간~20시간 행하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 700℃~850℃에서 0.5시간~10시간이다. 소성시의 승온 속도는 50℃/h~1500℃/h가 바람직하고, 보다 바람직하게는 200℃/h~1300℃/h이다. 특히, 이 승온 속도는, 600℃~900℃의 승온 과정에서 채용되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 600℃~800℃의 승온 과정에서 채용된다. 이렇게 하여, 정극층(12), 세라믹 세퍼레이터(20) 및 부극층(16)의 3층 구성의 일체 소결체판이 얻어진다. 한편, 전술한 그린 시트 적층체의 단계에서 펀칭 처리를 실시하지 않은 경우, 최종 형태의 일체 소결체판에서는 정극층(12) 및 부극층(16) 사이의 어긋남이 발생할 수 있다. 이 경우에는, 일체 소결체판의 단부면을, 레이저 가공, 절삭, 연마 등의 방법에 의해 마무리 가공하여, 상기 어긋남을 최소화하거나 없애도록 하는 것이 바람직하다. 그 결과, 정극층(12)의 단부면과 부극층(16)의 단부면이 일치하기 때문에, 전지의 용량을 최대화할 수 있다.
실시예
본 발명을 이하의 예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 한편, 이하의 예에서, LiCoO2를 「LCO」로 약칭하고, Li4Ti5O12를 「LTO」로 약칭하는 것으로 한다.
[예 A1~A6]
이하, 일체 소결체판을 이용한 전지가, 일체 소결체판을 이용하지 않은 조립형의 전지보다 우수한 성능을 나타내기 위한 참고예를 나타낸다.
예 A1 (참고)
(1) LCO 그린 시트(정극 그린 시트)의 제작
먼저, Li/Co의 몰비가 1.01이 되도록 칭량된 Co3O4 분말(세이도 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조)과 Li2CO3 분말(혼죠 케미컬 가부시키가이샤 제조)을 혼합후, 780℃에서 5시간 유지하고, 얻어진 분말을 포트밀로 체적 기준 D50이 0.4 ㎛가 되도록 분쇄하여 LCO 판형 입자로 이루어진 분말을 얻었다. 얻어진 LCO 분말 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 10 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, LCO 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, LCO 그린 시트를 형성했다. LCO 그린 시트의 두께는, 소성후의 두께가 60 ㎛가 되도록 했다.
(2) LTO 그린 시트(부극 그린 시트)의 제작
먼저, LTO 분말(체적 기준 D50 입경 0.06 ㎛, 시그마 알드리치 재팬 고도가이샤 제조) 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 20 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 부극 원료 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, LTO 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, LTO 그린 시트를 형성했다. LTO 그린 시트의 두께는, 소성후의 두께가 70 ㎛가 되도록 했다.
(3) MgO 그린 시트(세퍼레이터 그린 시트)의 제작
탄산마그네슘 분말(고노시마 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조)을 900℃에서 5시간 열처리하여 MgO 분말을 얻었다. 얻어진 MgO 분말과 유리 프릿(닛폰 프릿 가부시키가이샤 제조, CK0199)을 중량비 4:1로 혼합했다. 얻어진 혼합 분말(체적 기준 D50 입경 0.4 ㎛) 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 20 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 원료 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, 세퍼레이터 그린 시트를 형성했다. 세퍼레이터 그린 시트의 두께는, 소성후의 두께가 25 ㎛가 되도록 했다.
(4) 적층, 압착 및 소성
LCO 그린 시트(정극 그린 시트), MgO 그린 시트(세퍼레이터 그린 시트) 및 LTO 그린 시트(부극 그린 시트)를 순서대로 쌓아 올리고, 얻어진 적층체를 CIP(냉간 등방압 가압법)에 의해 200 kgf/㎠로 프레스하여 그린 시트끼리 압착했다. 이렇게 하여 압착된 적층체를 펀칭틀로 직경 10 ㎜의 원판형으로 펀칭했다. 얻어진 원판형 적층체를 600℃에서 5시간 탈지한 후, 1000℃/h로 800℃까지 승온하여 10분간 유지하는 소성을 행하고, 그 후 냉각시켰다. 이렇게 하여, 정극층(LCO 소결체층), 세라믹 세퍼레이터(MgO 세퍼레이터) 및 부극층(LTO 소결체층)의 3층을 포함하는 하나의 일체 소결체판을 얻었다.
(5) 리튬 이차 전지의 제작
도 1에 모식적으로 도시된 바와 같은 코인형 리튬 이차 전지(10)를 이하와 같이 제작했다.
(5a) 부극층과 부극 집전체의 도전성 카본 페이스트에 의한 접착
아세틸렌 블랙과 폴리이미드아미드를 질량비로 3:1이 되도록 칭량하고, 용제로서의 적당량의 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)와 함께 혼합하여, 도전성 카본 페이스트를 도전성 접착제로서 조제했다. 부극 집전체로서의 알루미늄박 상에 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄했다. 미건조의 인쇄 패턴(즉 도전성 카본 페이스트로 도포된 영역) 내에 부극층이 들어가도록 상기 (4)에서 제작한 일체 소결체를 배치하고, 60℃에서 30분간 진공 건조시킴으로써, 부극층과 부극 집전체가 부극측 카본층을 통해 접착된 구조체를 제작했다. 한편, 부극측 카본층의 두께는 10 ㎛로 했다.
(5b) 카본층을 갖는 정극 집전체의 준비
아세틸렌 블랙과 폴리이미드아미드를 질량비로 3:1이 되도록 칭량하고, 용제로서의 적당량의 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)와 함께 혼합하여 도전성 카본 페이스트를 조제했다. 정극 집전체로서의 알루미늄박 상에 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄한 후, 60℃에서 30분간 진공 건조시킴으로써, 표면에 정극측 카본층이 형성된 정극 집전체를 제작했다. 한편, 정극측 카본층의 두께는 5 ㎛로 했다.
(5c) 코인형 전지의 조립
전지 케이스를 구성하게 되는 정극 캔과 부극 캔 사이에, 정극 캔으로부터 부극 캔을 향해, 정극 집전체, 정극측 카본층, 일체 소결체판(LCO 정극층, MgO 세퍼레이터 및 LTO 부극층), 부극측 카본층, 및 부극 집전체가 이 순서로 적층되도록 수용하고, 전해액을 충전한 후에, 개스킷을 통해 정극 캔과 부극 캔을 코킹함으로써 밀봉했다. 이렇게 하여, 직경 12 ㎜, 두께 1.0 ㎜의 코인 셀형의 리튬 이차 전지(10)를 제작했다. 이 때, 전해액으로는, 에틸렌카보네이트(EC) 및 γ-부티로락톤(GBL)을 1:3의 체적비로 혼합한 유기 용매에, LiBF4를 1.5 ㏖/L의 농도가 되도록 용해시킨 액을 이용했다.
(6) 평가
상기 (4)에서 합성된 LCO 소결체층(정극층), LTO 소결체층(부극층) 및 MgO 세퍼레이터(세라믹 세퍼레이터), 및 상기 (5)에서 제작된 코인형 리튬 이차 전지에 대해, 이하에 나타나는 바와 같이 각종 평가를 행했다.
<일차 입자의 평균 배향 각도>
LCO 소결체층을 크로스섹션 폴리셔(CP)(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, IB-15000CP)에 의해 연마하고, 얻어진 정극층 단면(정극층의 층면에 수직인 단면)을 1000배의 시야(125 ㎛×125 ㎛)로 EBSD 측정하여 EBSD 이미지를 얻었다. 이 EBSD 측정은, 쇼트키 전계 방출형 주사 전자 현미경(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, 형식 JSM-7800F)을 이용하여 행했다. 얻어진 EBSD 이미지에 있어서 특정되는 모든 입자에 대해, 일차 입자의 (003)면과 정극층의 층면이 이루는 각도(즉 (003)으로부터의 결정 방위의 기울기)를 경사각으로서 구하고, 이들 각도의 평균값을 일차 입자의 평균 배향 각도로 했다.
<층두께>
LCO 및 LTO 소결체층 및 MgO 세퍼레이터를 크로스섹션 폴리셔(CP)(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, IB-15000CP)에 의해 연마하고, 얻어진 단면을 SEM 관찰(니혼 덴시 제조, JSM6390LA)하여 정극층, 부극층 및 세퍼레이터의 각각의 두께를 측정했다.
<기공률>
LCO 또는 LTO 소결체층 및 MgO 세퍼레이터를 크로스섹션 폴리셔(CP)(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, IB-15000CP)에 의해 연마하고, 얻어진 정극층 또는 부극층의 단면을 1000배의 시야(125 ㎛×125 ㎛)로 SEM 관찰(니혼 덴시 제조, JSM6390LA)했다. 얻어진 SEM 이미지를 화상 해석하고, 모든 기공의 면적을 정극 또는 부극의 면적으로 나누고, 얻어진 값에 100을 곱함으로써 기공률(%)을 산출했다.
<평균 기공 직경>
수은 포로시미터(시마즈 세이사쿠쇼 제조, 오토포어 IV9510)를 이용하여 수은 압입법에 의해 LCO 또는 LTO 소결체층의 평균 기공 직경을 측정했다.
<정부극 면적 어긋남률>
전지에서의 정극층 및 부극층의 면적 어긋남률을 산출했다. 구체적으로는, 정극층 및 부극층이 중첩되는 영역의 면적 Spn, 정극층이 부극층으로부터 비어져 나온 영역의 면적 Sp, 및 부극층이 정극층으로부터 비어져 나온 영역의 면적 Sn을 각각 측정하고, [(Sp+Sn)/Spn]×100의 식에 기초하여, 정부극 면적 어긋남률(%)을 산출했다. 한편, Spn, Sp 및 Sn의 측정 및 산출은, 3D 형상 측정기(기엔스사 제조, VR3000)를 이용하여 샘플 양면으로부터 형상 측정을 행함으로써 행했다.
<방전 용량/이론 용량비>
전지의 방전 용량을 이하의 순서로 측정했다. 즉, 2.7 V로 정전압 충전한 후, 방전 레이트 0.2 C로 방전함으로써 초기 용량의 측정을 행하고, 얻어진 초기 용량을 방전 용량으로서 채용했다. 이어서, 방전 용량을 이론 용량으로 나누고 100을 곱함으로써, 방전 용량/이론 용량비(%)를 얻었다.
한편, 전지의 이론 용량은 이하의 순서로 산출했다. 먼저, 일체 소결체판의 각 층의 면적을 형상 측정에 의해 산출하고, 또한, 일체 소결체판의 각 층의 두께 및 공극률을 단면 SEM으로부터 산출하고, 얻어진 값으로부터 정극층 및 부극층의 실효 체적을 산출했다. 정극층 및 부극층의 각 구성 재료의 진비중을 JIS 규격 R1634에 기초하여 산출하여, 정극층 및 부극층의 중량값을 계산했다. 이렇게 하여 얻어진 활물질 중량에 재료의 중량당의 용량(전지 편람에 기재됨)을 곱함으로써, 정극층 및 부극층의 각각의 이론 용량값을 계산하고, 그 낮은 쪽의 값을 전지의 이론 용량값으로서 채용했다.
<펄스 사이클 용량 유지율>
전지의 펄스 사이클 용량 유지율(정전압 충전 사이클 성능)을 이하의 순서로 측정했다. 먼저, 2.7 V로 정전압 충전한 후, 방전 레이트 0.2 C로 방전함으로써 초기 용량을 측정했다. 이어서, 2.7 V에서의 정전압 충전과 20 ㎃의 전류를 0.5초 흘리는 방전을 100회 행하는 것을 포함하는 충방전 사이클을 합계 100사이클 실시했다. 마지막으로, 2.7 V로 정전압 충전한 후, 0.2 C로 방전함으로써, 사이클후 용량을 측정했다. 측정된 사이클후 용량을 초기 용량으로 나누고 100을 곱함으로써, 펄스 사이클 용량 유지율(%)을 얻었다.
예 A2 (참고)
1) 정극층의 두께가 100 ㎛가 되도록 LCO 그린 시트를 두껍게 한 것, 및 2) 부극층의 두께가 120 ㎛가 되도록 LTO 그린 시트를 두껍게 한 것 외에는 예 A1과 동일하게 하여, 일체 소결체판 및 전지를 제작하고, 각종 평가를 행했다.
예 A3 (참고)
1) 정극층의 두께가 200 ㎛가 되도록 LCO 그린 시트를 두껍게 한 것, 및 2) 부극층의 두께가 240 ㎛가 되도록 LTO 그린 시트를 두껍게 한 것 외에는 예 A1과 동일하게 하여, 일체 소결체판 및 전지를 제작하고, 각종 평가를 행했다.
예 A4 (참고)
1) 정극층의 두께가 400 ㎛가 되도록 LCO 그린 시트를 두껍게 한 것, 및 2) 부극층의 두께가 480 ㎛가 되도록 LTO 그린 시트를 두껍게 한 것 외에는 예 A1과 동일하게 하여, 일체 소결체판 및 전지를 제작하고, 각종 평가를 행했다.
예 A5 (참고)
정극층의 평균 기공 직경을 0.25 ㎛로 조정한 것 외에는 예 A4와 동일하게 하여, 일체 소결체판 및 전지를 제작하고, 각종 평가를 행했다.
예 A6 (참고)
(1) 정극판의 제작
(1a) LCO 그린 시트의 제작
먼저, Li/Co의 몰비가 1.01이 되도록 칭량된 Co3O4 분말(세이도 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조)과 Li2CO3 분말(혼죠 케미컬 가부시키가이샤 제조)을 혼합후, 780℃에서 5시간 유지하고, 얻어진 분말을 포트밀로 체적 기준 D50이 0.4 ㎛가 되도록 분쇄 및 해쇄하여 LCO 판형 입자로 이루어진 분말을 얻었다. 얻어진 LCO 분말 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 10 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, LCO 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, LCO 그린 시트를 형성했다. 건조후의 LCO 그린 시트의 두께는 220 ㎛였다.
(1b) LCO 소결체판의 제작
PET 필름으로부터 박리한 LCO 그린 시트를 커터로 가로 세로 50 ㎜로 잘라내고, 하부 세터로서의 마그네시아제 세터(치수 가로 세로 90 ㎜, 높이 1 ㎜)의 중앙에 배치했다. LCO 시트 위에 상부 세터로서의 다공질 마그네시아제 세터를 배치했다. 상기 LCO 시트를 세터 사이에 끼운 상태에서, 가로 세로 120 ㎜의 알루미나 시스(가부시키가이샤 닛카토 제조) 내에 배치했다. 이 때, 알루미나 시스를 밀폐하지 않고, 0.5 ㎜의 간극을 두고 뚜껑을 덮었다. 얻어진 적층물을 승온 속도 200℃/h로 600℃까지 승온하여 3시간 탈지한 후에, 820℃까지 200℃/h로 승온하여 20시간 유지함으로써 소성을 행했다. 소성후, 실온까지 강온시킨 후에 소성체를 알루미나 시스로부터 취출했다. 이렇게 하여 두께 200 ㎛의 LCO 소결체판을 정극판으로서 얻었다. 얻어진 정극판을, 레이저 가공기로 직경 10 ㎜의 원형 형상으로 절단하여, 정극판을 얻었다.
(2) 부극판의 제작
(2a) LTO 그린 시트의 제작
먼저, LTO 분말(체적 기준 D50 입경 0.06 ㎛, 시그마 알드리치 재팬 고도가이샤 제조) 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 20 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 부극 원료 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, LTO 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, LTO 그린 시트를 형성했다. 건조후의 LTO 그린 시트의 두께는 소성후의 두께가 240 ㎛가 되는 값으로 했다.
(2b) LTO 그린 시트의 소성
얻어진 그린 시트를 가로 세로 25 ㎜로 커터 나이프로 잘라내고, 엠보스 가공된 지르코니아제 세터 상에 배치했다. 세터 상의 그린 시트를 알루미나제 시스에 넣어 500℃에서 5시간 유지한 후에, 승온 속도 200℃/h로 승온하고, 765℃에서 5시간 소성을 행했다. 얻어진 LTO 소결체판을, 레이저 가공기로 직경 10.5 ㎜의 원형 형상으로 절단하여, 부극판을 얻었다.
(3) 코인형 리튬 이차 전지의 제작
도 1에 모식적으로 도시된 바와 같은 코인형 리튬 이차 전지(10)를 이하와 같이 제작했다.
(3a) 부극판과 부극 집전체의 도전성 카본 페이스트에 의한 접착
아세틸렌 블랙과 폴리이미드아미드를 질량비로 3:1이 되도록 칭량하고, 용제로서의 적당량의 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)와 함께 혼합하여, 도전성 카본 페이스트를 조제했다. 부극 집전체로서의 알루미늄박 상에 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄했다. 미건조의 인쇄 패턴(즉 도전성 카본 페이스트로 도포된 영역) 내에 들어가도록 상기 (2)에서 제작한 부극판을 배치하고, 60℃에서 30분간 진공 건조시킴으로써, 부극판과 부극 집전체가 부극측 카본층을 통해 접합된 부극 구조체를 제작했다. 한편, 부극측 카본층의 두께는 10 ㎛로 했다.
(3b) 카본층을 갖는 정극 집전체의 준비
아세틸렌 블랙과 폴리이미드아미드를 질량비로 3:1이 되도록 칭량하고, 용제로서의 적당량의 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)와 함께 혼합하여, 도전성 카본 페이스트를 조제했다. 정극 집전체로서의 알루미늄박 상에 도전성 카본 페이스트를 스크린 인쇄한 후, 60℃에서 30분간 진공 건조시킴으로써, 표면에 정극측 카본층이 형성된 정극 집전체를 제작했다. 한편, 정극측 카본층의 두께는 5 ㎛로 했다.
(3c) 코인형 전지의 조립
전지 케이스를 구성하게 되는 정극 캔과 부극 캔 사이에, 정극 캔으로부터 부극 캔을 향해, 정극 집전체, 카본층, LCO 정극판, 셀룰로오스 세퍼레이터, LTO 부극판, 카본층 및 부극 집전체가 이 순서로 적층되도록 수용하고, 전해액을 충전한 후에, 개스킷을 통해 정극 캔과 부극 캔을 코킹함으로써 밀봉했다. 이렇게 하여, 직경 12 ㎜, 두께 1.0 ㎜의 코인 셀형의 리튬 이차 전지(10)를 제작했다. 이때, 전해액으로는, 에틸렌카보네이트(EC) 및 γ-부티로락톤(GBL)을 1:3의 체적비로 혼합한 유기 용매에, LiBF4를 1.5 ㏖/L의 농도가 되도록 용해시킨 액을 이용했다.
(4) 평가
상기 (1b)에서 합성된 LCO 소결체판(정극판), 상기 (2b)에서 합성된 LTO 소결체판(부극판), 및 상기 (3)에서 제작된 코인형 리튬 이차 전지에 대해, 예 A1과 동일하게 하여 각종 평가를 행했다.
평가 결과
표 1 및 2에 예 A1~A6의 평가 결과를 나타낸다.
Figure 112022020538657-pct00002
★는 참고예를 나타낸다.
[예 B1~B7]
이하, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지 및 비교 양태의 전지의 구체예를 나타낸다.
예 B1
(1) 정극판의 제작
Li/Co의 몰비가 1.02가 되도록 칭량된 Co3O4 분말(세이도 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조)과 Li2CO3 분말(혼죠 케미컬 가부시키가이샤 제조)을 혼합후, 750℃에서 5시간 유지했다. 얻어진 분말을 포트밀로 체적 기준 D50이 0.4 ㎛가 되도록 분쇄하여 LiCoO2 분말을 얻었다. 얻어진 LiCoO2 분말 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 10 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, LiCoO2 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, LiCoO2 그린 시트를 형성했다. 건조후의 LiCoO2 그린 시트의 두께는 80 ㎛였다. 얻어진 그린 시트를 가로 세로 25 ㎜로 커터 나이프로 잘라내고, 마그네시아제 세터 상에 배치했다. 세터 상의 그린 시트를 알루미나제 시스에 넣어 500℃에서 5시간 유지한 후에, 승온 속도 200℃/h로 승온하고, 800℃에서 5시간 소성을 행했다. 얻어진 LCO 소결체판의 세터에 접촉했던 면에 스퍼터링에 의해 Au막(두께 100 nm)을 집전체로서 형성한 후, 직경 17 ㎜의 원형상으로 레이저 가공했다.
(2) 부극판의 제작
LTO 분말(체적 기준 D50 입경 0.06 ㎛, 이시하라 산교 제조) 100 중량부와, 분산매(톨루엔:이소프로판올=1:1) 100 중량부와, 바인더(폴리비닐부티랄: 품번 BM-2, 세키스이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조) 20 중량부와, 가소제(DOP: Di(2-ethylhexyl)phthalate, 구로가네 가세이 가부시키가이샤 제조) 4 중량부와, 분산제(제품명 레오돌 SP-O30, 가오 가부시키가이샤 제조) 2 중량부를 혼합했다. 얻어진 부극 원료 혼합물을 감압하에 교반하여 탈포함과 더불어, 점도를 4000 cP로 조정함으로써, LTO 슬러리를 조제했다. 점도는, 브룩필드사 제조 LVT형 점도계로 측정했다. 이렇게 하여 조제된 슬러리를, 닥터 블레이드법에 의해, PET 필름 상에 시트형으로 성형함으로써, LTO 그린 시트를 형성했다. 건조후의 LTO 그린 시트의 두께는, 소성후의 두께가 70 ㎛가 되는 값으로 했다. 얻어진 그린 시트를 가로 세로 25 ㎜로 커터 나이프로 잘라내고, 마그네시아제 세터 상에 배치했다. 세터 상의 그린 시트를 알루미나제 시스에 넣어 500℃에서 5시간 유지한 후에, 승온 속도 200℃/h로 승온하고, 800℃에서 5시간 소성을 행했다. 얻어진 LCO 소결체판의 세터에 접촉했던 면에 스퍼터링에 의해 Au막(두께 100 nm)을 집전체로서 형성한 후, 직경 17 ㎜의 원형상으로 레이저 가공했다.
(3) 전지의 제작 및 평가
얻어진 정극판 및 부극판을 정극층 및 부극층으로서 이용하여 예 A6과 동일한 구성으로 전지 제작을 행했다. 얻어진 전지에 관해, 이하에 나타내는 순서에 따라서, 용량 비율의 산출 및 저항 비율의 측정을 실시했다. 결과는 표 3에 나타내는 바와 같다.
<용량 비율>
정극층(LCO 소결체층)(12)의 용량 C로서, 정극층(12)의 면적 1 ㎠당의 25℃에서의 정극층의 실전기 용량(mAh)을 구했다. 이 실전기 용량은, 0.2 C 전류, 리튬 금속에 대한 전위가 4.25 V인 정전류-정전압 충전을 10시간 행한 후, 0.2 C 전류의 정전류 방전을 리튬 금속에 대한 전위가 3.0 V에 도달할 때까지 행했을 때의 전기 용량으로 했다. 한편, 부극층(LTO 소결체층)(16)의 용량 A로서, 부극층(16)의 면적 1 ㎠당의 25℃에서의 부극층(16)의 실전기 용량(mAh)을 구했다. 이 실전기 용량은, 0.2 C 전류, 리튬 금속에 대한 전위가 0.8 V인 정전류-정전압 충전을 10시간 행한 후, 0.2 C 전류의 정전류 방전을 리튬 금속에 대한 전위가 2.0 V에 도달할 때까지 행했을 때의 전기 용량으로 했다. 마지막으로, 부극층(16)의 용량 A에 대한 정극층(12)의 용량 C의 비율을 산출하여 C/A비로 했다.
<저항 비율>
i) SOC의 측정
얻어진 전지를 0.05 C로 충방전을 행하고, 얻어진 전지 용량을 이론 용량으로 했다. 그 용량에 대하여, 10%, 50%, 80% 충전을 행한 상태를 각각 SOC 10%, SOC 50%, SOC 80%로 정했다.
ii) 저항률 측정
SOC 10%, SOC 50%, SOC 80%의 각 SOC 상태가 되도록 전지의 충방전을 행하고, 얻어진 전지의 1 Hz의 저항을 교류 임피던스법으로 측정하여, 각각 R10, R50, R80으로 했다. R50을 R10으로 나눔으로써 R50/R10을, R80을 R50으로 나눔으로써 R80/R50을, R80을 R10으로 나눔으로써 R80/R10을 각각 산출했다.
예 B1에서 측정된 각 SOC의 저항치는 도 5에 도시되는 바와 같다.
예 B2
부극층의 두께를 90 ㎛로 한 것 외에는 예 B1과 동일하게 하여 전지의 제작 및 평가를 행했다.
예 B3
정극층의 두께를 200 ㎛로 하고, 부극층의 두께를 240 ㎛로 한 것 외에는 예 B1과 동일하게 하여 전지의 제작 및 평가를 행했다.
예 B4
전극 사이즈를 직경 17 ㎜로 한 것 외에는 예 A3과 동일하게 하여 전지를 제작했다. 제작한 전지에 대하여 예 B1과 동일하게 하여 평가를 행했다.
예 B5
정극층의 두께를 420 ㎛, 부극층의 두께를 500 ㎛로 한 것 외에는 예 B4와 동일하게 하여 전지의 제작 및 평가를 행했다.
예 B6
정극층의 두께를 600 ㎛, 부극층의 두께를 500 ㎛로 한 것 외에는 예 B4와 동일하게 하여 전지의 제작 및 평가를 행했다.
예 B7 (비교)
정극층으로서 LCO 소결체판 대신에 시판하는 LCO 도공 전극(가부시키가이샤 핫산 제조)을 이용한 것, 및 부극층으로서 LTO 소결체판 대신에 시판하는 LTO 도공 전극(가부시키가이샤 핫산 제조)을 이용한 것 외에는 예 B4와 동일하게 하여, 전지를 제작 및 평가를 행했다. 한편, 이들 도공 전극은 전극 활물질을 포함하는 페이스트가 도포 및 건조되어 제작된 것이며, 소결체판이 아니다.
Figure 112022020538657-pct00003
*는 비교예를 나타낸다.

Claims (13)

  1. 리튬 복합 산화물 소결체로 구성되는, 두께 70 ㎛ 이상의 정극층과,
    티탄 함유 소결체로 구성되는, 두께 70 ㎛ 이상의 부극층과,
    상기 정극층과 상기 부극층 사이에 개재되는 세퍼레이터와,
    적어도 상기 세퍼레이터에 함침되는 전해질, 그리고
    밀폐 공간을 구비하고, 그 밀폐 공간 내에 상기 정극층, 상기 부극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 전해질이 수용되는 외장체
    를 구비한 리튬 이차 전지로서,
    충전 상태(SOC)가 10%로부터 80%로 올라감에 따라서 저항치가 저하되는 특성을 갖는 것인 리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리튬 이차 전지의 SOC 10%, 50% 및 80%에서의 저항치를 각각 R10, R50 및 R80으로 했을 때, 0.30≤R50/R10≤0.85, 0.30≤R80/R50≤0.85 및 0.20≤R80/R10≤0.70의 관계를 만족시키는 것인 리튬 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부극층의 용량 A에 대한 상기 정극층의 용량 C의 비인 C/A가 1.1 이상인 것인 리튬 이차 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정극층을 구성하는 상기 리튬 복합 산화물이 코발트산리튬인 것인 리튬 이차 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정극층의 두께가 70 ㎛~800 ㎛인 것인 리튬 이차 전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정극층의 기공률이 20%~60%인 것인 리튬 이차 전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정극층이, 리튬 복합 산화물로 구성되는 복수의 일차 입자를 포함하고, 상기 복수의 일차 입자가 상기 정극층의 층면에 대하여 0° 초과 30° 이하의 평균 배향 각도로 배향되어 있는 배향 정극층인 것인 리튬 이차 전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부극층의 두께가 70 ㎛~800 ㎛인 것인 리튬 이차 전지.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 티탄 함유 소결체가, 티탄산리튬 또는 니오븀티탄 복합 산화물을 포함하는 것인 리튬 이차 전지.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부극층의 기공률이 20%~60%인 것인 리튬 이차 전지.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세퍼레이터가, 셀룰로오스제, 폴리올레핀제, 폴리이미드제, 폴리에스테르제 또는 MgO, Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4, AlN 및 코디어라이트로 이루어진 군에서 선택되는 세라믹제인 것인 리튬 이차 전지.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세퍼레이터가 세라믹 세퍼레이터이며, 상기 정극층, 상기 세라믹 세퍼레이터 및 상기 부극층이 전체적으로 하나의 일체 소결체판을 이루고 있고, 그것에 의해 상기 정극층, 상기 세라믹 세퍼레이터 및 상기 부극층이 서로 결합하고 있는 것인 리튬 이차 전지.
  13. 충전된 제1항 또는제2항에 기재된 리튬 이차 전지를 준비하는 공정과,
    상기 충전된 리튬 이차 전지의 저항치를 측정하는 공정, 그리고
    상기 저항치를, 미리 동종의 리튬 이차 전지에 관해 측정해 둔 충전 상태(SOC) 10%~80%와 저항치의 상관관계에 적용시켜, 상기 저항치에 대응하는 충전 상태(SOC)를 결정하는 공정
    을 포함하는 리튬 이차 전지의 충전 상태의 측정 방법.
KR1020227006208A 2019-11-20 2020-09-01 리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법 KR102656021B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2019-209921 2019-11-20
JP2019209921 2019-11-20
PCT/JP2020/033090 WO2021100283A1 (ja) 2019-11-20 2020-09-01 リチウム二次電池及びその充電状態の測定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220038141A KR20220038141A (ko) 2022-03-25
KR102656021B1 true KR102656021B1 (ko) 2024-04-08

Family

ID=75980498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227006208A KR102656021B1 (ko) 2019-11-20 2020-09-01 리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220238870A1 (ko)
EP (1) EP4064403A4 (ko)
JP (1) JP7280379B2 (ko)
KR (1) KR102656021B1 (ko)
CN (1) CN114730913A (ko)
WO (1) WO2021100283A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000012024A (ja) 1998-06-24 2000-01-14 Kao Corp 非水系二次電池用正極の製造方法
JP2015191710A (ja) 2014-03-27 2015-11-02 株式会社村田製作所 リチウムイオン二次電池の製造方法およびリチウムイオン二次電池
WO2017146088A1 (ja) 2016-02-24 2017-08-31 日本碍子株式会社 板状リチウム複合酸化物
WO2019089926A1 (en) 2017-11-01 2019-05-09 University Of Virginia Patent Foundation Sintered electrode cells for high energy density batteries and related methods thereof

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5941642Y2 (ja) 1978-12-11 1984-12-01 パイオニア株式会社 送受信切換信号発生回路
JPS5928866B2 (ja) 1978-12-26 1984-07-16 松下電工株式会社 瞬時電力測定回路
JP2002042785A (ja) * 2000-07-21 2002-02-08 Kyocera Corp リチウム電池
JP4439456B2 (ja) 2005-03-24 2010-03-24 株式会社東芝 電池パック及び自動車
JP5587052B2 (ja) 2010-06-23 2014-09-10 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極及びリチウム二次電池
CZ2011405A3 (cs) * 2011-07-01 2013-01-09 He3Da S.R.O. Lithiový akumulátor
JP2015185337A (ja) 2014-03-24 2015-10-22 日本碍子株式会社 全固体電池
EP3627595B1 (en) * 2017-05-15 2021-08-25 NGK Insulators, Ltd. Lithium titanate sintered plate
JP6907805B2 (ja) * 2017-08-17 2021-07-21 セイコーエプソン株式会社 複合体、リチウム電池、複合体の製造方法、リチウム電池の製造方法、電子機器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000012024A (ja) 1998-06-24 2000-01-14 Kao Corp 非水系二次電池用正極の製造方法
JP2015191710A (ja) 2014-03-27 2015-11-02 株式会社村田製作所 リチウムイオン二次電池の製造方法およびリチウムイオン二次電池
WO2017146088A1 (ja) 2016-02-24 2017-08-31 日本碍子株式会社 板状リチウム複合酸化物
WO2019089926A1 (en) 2017-11-01 2019-05-09 University Of Virginia Patent Foundation Sintered electrode cells for high energy density batteries and related methods thereof

Also Published As

Publication number Publication date
EP4064403A4 (en) 2024-01-17
JPWO2021100283A1 (ko) 2021-05-27
US20220238870A1 (en) 2022-07-28
WO2021100283A1 (ja) 2021-05-27
KR20220038141A (ko) 2022-03-25
EP4064403A1 (en) 2022-09-28
CN114730913A (zh) 2022-07-08
JP7280379B2 (ja) 2023-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210036305A1 (en) Lithium secondary battery
US11996544B2 (en) Coin-shaped lithium secondary battery and IoT device
JP6985509B2 (ja) リチウム二次電池
JP7104148B2 (ja) リチウム二次電池
JP6901632B2 (ja) コイン形リチウム二次電池及びＩｏＴデバイス
JP6966639B2 (ja) リチウム二次電池
US20210066744A1 (en) Lithium secondary battery
JP6966640B2 (ja) リチウム二次電池
KR102656021B1 (ko) 리튬 이차 전지 및 그 충전 상태의 측정 방법
US20230198110A1 (en) Lithium ion secondary battery
WO2020217749A1 (ja) リチウム二次電池
WO2020217579A1 (ja) リチウム二次電池
JP2022101165A (ja) リチウムイオン二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant