KR19980071000A - 리튬이온 2차전지용 전극 및 이것을 사용한 리튬이온 2차전지 - Google Patents

Abstract

활성물질분말(1), 도전성 섬유(2) 및 바인더 수지로 구성된 균일혼합물을 폴리테트라플루오로에틸렌판등에 소정의 두께로 코팅하여 건조시켜 시트전극(8)를 형성한다.

2매의 시트전극(8)을 세퍼레이터(separator)(9)에 접합시켜 하나의 전극적층체(10)를 형성한다.

그 하나의 전극적층체(10)또는 다수의 전극적층체(10)로 전지를 형성한다.

Description

리튬이온 2차전지용 전극 및 이것을 사용한 리튬이온 2차전지

본 발명은 리튬이온 2차전지용 전극 및 이것을 사용한 리튬이온 2차전지에 관한 것이다.

더 자세히 말하면, 파괴가 어려운 엷은 박형(thin shape)등 임의의 형태를 취할 수 있고 에너지 저장밀도가 높은 리튬이온 2차전지를 구성할 수 있는 전극구조에 관한 것이다.

휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화에 대한 요구가 대단히 커지고 있어 그 실현에는 사용되고 있는 전지의 성능향상에 크게 의존하고 있다.

그 요구에 대응할 수 있는 다양한 전지의 개발 및 개량이 진전되고 있다.

전지에서 요구되는 특성에는 고전압, 고에너지밀도 및 안전성 등이 있다.

리튬이온전지는 지금까지 개발된 전지중에서 고전압 및 고에너지밀도가 실현되는 것으로 기대되는 2차전지이며, 현재도 그 개량이 진행되고 있다.

리튬이온 2차전지의 주요한 구성요소는 양전극(+), 음전극(+) 및 이들 전극사이에 설정된 이온전도층으로 구성되어 있다.

현재 실용화되어 있는 리튬이온 2차전지에서는 리튬-코발트 복합산화물등 활성물질분말, 전도성분말 및 바인더수지의 혼합물을 알루미늄 집전체(aluminum current collector)에 처리하여 제조한 양전극판과, 탄소계 활성물질분말과 바인더수지로 구성된 혼합물을 동집전체(copper current collector)에 처리하여 제조한 음전극판과, 리튬이온 함유 비수용성 전해액으로 채운 서퍼레이터(separator)로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 다공질필름으로 된 이온전도층(inonically conducting layer)을 일반적으로 사용하였다.

리튬 이온 2차전지에 있어서 에너지밀도의 향상과 충방전 효율향상은 각 전극에서 활성물질의 충전밀도와 그 활성물질의 이용효율에 크게 의존되었다.

도 8 은 종래의 리튬이온 2차전지에 사용되었던 전극(8)의 개략적인 횡단면을 나타내며, 그 구체적내용은 특허문헌 일본국 특개소 63-121263 호 공보에 기재되어 있다.

도 8 에서 부호 1 은 활성물질분말이고, 부호 6 은 도전성분말이며, 부호 7 은 집전체(current collector)이다.

현재 사용되는 전극에서 활성물질이 코팅된 집전체(7)는 포일상(foil) 및 망상(net)등 평면구조이다.

활성물질분말(1)만을 그 집전체(7)에 처리할 경우, 그 집전체(7)와 직접 접촉하는 활성물질의 량이 적어지므로, 그 집전효율이 대단히 낮아진다.

따라서, 위에서 설명한 바와같이 전도성분말(6)인 탄소분말을 활성물질분말과 혼합할 필요가 있다.

종래의 리튬이온 2차전지는 위에서 설명한바와같이 집전효율을 충분히 높이기 위하여 활성물질분말에 전도성분말을 혼합시킨 것을 집전체에 코팅시켜 형성된 시트전극을 사용하였다.

이 때문에, 그 전도성 분말의 사용으로 그 전극에서 활성물질의 충전밀도가 작아지는 문제점이 있다.

그 전지가 엷은 형상을 가질 경우, 외부에서의 힘에 의해 전지가 반복하여 변형될 우려가 대단히 크다.

위에서 설명한 종래의 전지구조에서는 그 활성물질층이 변형을 반복함으로서 그 집전체에서 각리되거나 파괴된다.

따라서, 엷은 형상의 전지는 내구성 및 안전성을 유지하기가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 내구성이 우수하고 파괴가 어렵고 안전성이 있으며, 엷은 형상등 임의의 형상을 가짐과 동시에 에너지밀도가 높고 충방전 특성이 우수한 리튬이온 2차전지를 제공하는데 하나의 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 위에서 설명한 전지를 구성하는데 쓰이는 전극을 제공하는데 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 전극의 개략 횡단면도.

도 2 는 본 발명에 의한 전극의 1 실시예의 개략 횡단면도.

도 3 은 본 발명에 의한 전극의 다른 실시예의 개략 횡단면도.

도 4 는 본 발명에 의한 전극의 또 다른 실시예의 개략 횡단면도.

도 5 는 본 발명에 의한 1실시예에 의한 리튬이온 2차전지의 주요한 구성요소(요부)에 대한 개략 횡단면도.

도 6 은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전지의 요부에 대한 개략 횡단면도.

도 7 은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전지의 요부에 대한 개략 횡단면도.

도 8 은 리튬 이온 2차전지의 종래 전극에 대한 횡단면도.

도면에 나타낸 주요부분의 부호설명

1 : 활성물질분말

2 : 도전성 섬유

3 : 섬유함유 활성물질층

4 : 활성물질층

5 : 도전성 필름

6 : 도전성분말

7 : 집전체(集電全)

8 : 전극

8a : 양극

8b : 음극

9 : 세퍼레이터(separator)

10 : 전극적층체

본 발명은 활성물질분말과 전도성 섬유로 구성되는 혼합물로 형성된 시트(sheet)형상인 리튬이온 2차전지의 전극을 구성한다.

제 1 구성의 전극은 본 발명의 전극으로, 활성물질분말과 도전성 섬유으로 구성되는 혼합물로 형성된 시트형상의 섬유함유활성물질층을 구성한다.

제 2 구성의 전극은 제 1 구성의 전극으로, 활성물질분말로 구성되는 활성물질층을 더 구성시킨 것이다.

제3구성의 전극은 제1구성의 전극으로, 그 섬유함유 활성물질층을 전도성 필름상에 형성시킨 것을 특징으로 한다.

제 4 구성의 리튬이온 2차전지는 본 발명의 전지로서, 그 양전극과 음전극중 최소한 하나가 활성물질분말과 전도성 섬유로 구성되는 혼합물로 형성된 시트형상의 섬유함유 활성물질층으로 구성됨을 특징으로 한다.

제 5 구성의 리튬이온 2차전지는 제4구성의 전지로, 그 전해물질이 고형상 전해물질임을 특징으로 한다.

제6구성의 리튬이온 2차전지는 제4구성의 전지로, 그 전해물질이 전해용액을 저장하는 세퍼레이터임을 특징으로 한다.

제 7 구성의 리튬이온 2차전지는 본 발명의 전지로서 다수의 전극적층체로 구성되고 각각은 양전극, 음전극 및 이들전극간에 설정한 세퍼레이터로 구성된 것으로, 그 양전극과 음전극중 최소한 하나는 활성물질분말과 도전성섬유로 구성되는 혼합물로 형성된 시트형상의 섬유함유 활성물질층을 구성함을 특징으로 한다.

제8구성의 리튬이온 2차전지는 제 7 구성의 전지로서, 다수의 전극적층체는 양극전극 및 음극전극이 교대로 간삽된(interposed)다수의 세퍼레이터로 된 컷시트(cut sheet)로 형성됨을 특징으로 한다.

제9구성의 리튬이온 2차전지는 제7구성의 전지로, 다수의 전극적층체는 양극전극과 음극전극이 교대로 간삽된 한쌍의 권회 세퍼레이터(wound separator)로 구성됨을 특징으로 한다.

제 10 구성의 리튬이온 2차전지는 제7구성의 전지로, 다수의 전극적층체는 양극전극과 음극전극이 교대로 간삽된 한쌍의 절접세퍼레이터(folded separators)로 형성됨을 특징으로 한다.

본 발명을 첨부도면에 따라 아래에 설명한다.

도 1 은 본 발명에 의한 리튬이온 2차전지용 전극의 기본구조를 나타낸 개략 횡단면도이다.

그 전극(8)은 활성물질분말(1)과 전기도전성섬유(아래에서는 간단하게 도전성섬유라함)(2)로 구성되는 섬유함유 활성물질층으로 형성되어 있다.

그 전극(8)은 예로서 활성물질분말(1), 전도성섬유(2) 및 바인더수지를 균일하게 혼합시켜, 그 얻어진 혼합물을 폴리테트라플루오로에틸렌시트등 기재상에 소정의 두께로 처리시킨다음 시트형성을 얻을수 있게 건조시킴으로서 얻어진다.

도1의 구조를 가진 전극은 도전성 및 가요성을 가지며, 지지체로서 기재없이도 시트(sheeting)(시트 또는 판)로 취급할 수 있다.

그 전극내에 분산되어 있는 도전성 섬유가 집전체(current collector)로서 작용하므로, 통상적으로 사용되는 금속포일 또는 금속망등 집전체가 필요없다.

따라서, 그 전극은 집전효율이 충분하며 경량화할 수 있다.

그 전극은 도전성분말을 포함하지 않아도 되므로, 그 활성물질의 충전밀도를 높일수 있다.

본 발명의 전극은 종래의 집전체상에 활성물질층을 형성하도록 구성한 종래의 전극과 비교하여 유연성이 현저하게 풍부하고 변형에 대하여 내구성이 향상되며 파괴가 어렵다.

전해액을 용이하게 그 전극에 주입시켜 전극의 모든 공극내에 충분히 그 전해액을 충전시킬수 있다.

집전체가 없기 때문에, 동일중량의 종래의 전극보다 포함되어 있는 활성물질의 양을 증가시킬수 있어 전극으로서 성능을 향상시킨다.

도 2 는 본 발명에 의한 리튬이온 2차전지의 기본구조에 대한 개략적인 횡단면도이다.

도 2 의 전지는 양전극(8a)과 음전극(8b)사이에 있는 세퍼레이터(separator)(9)를 접합시켜 구성한 단층의 전극적층체(single electrode laminate)(10)를 가진다.

본 발명의 전극을 이 전지구조에 사용할 때, 충전시 에너지밀도를 높힐수 있고 충방전 효율을 향상시킬수 있다.

그 전극적층체(10)는 엷은 형상등 임의의형태를 가질수 있고 변형에 대한 내성(resistance)을 향상시키며 내구성, 신뢰성 및 안전성을 향상시킬수 있다.

도 3 은 본 발명에 의한 전극의 한 실시예의 개략적인 횡단면도이다.

그 전극(8)은 활성물질분말(1)과 도전성섬유(2)의 균일혼합물로 구성된 섬유함유 활성물질층(3)과 활성물질분말(1)로 된 엷은 활성물질층(4)으로 설정되어 있다.

도 3 의 전극과 도 3 의 전극을 사용한 도 2 의 구성을 가진 리튬이온 2차전지는 위에서 설명한바와같이 동일한 효과를 나타낸다.

그밖에, 그 활성물질층(4)은 하나의 전지로 조립할 때 그 세퍼레이터가 손상되지 않게 하거나 전극표면에서 도전성섬유(2)가 돌출되지 않도록 한다.

그 결과, 안정성을 향상시킬수 있다.

활성물질층(4)의 두께는 도전성섬유(2)가 표면에서 돌출되지 않는 정도의 두께로 하면 충분하다.

그 활성물질층은 두터운 두께를 갖지 않도록 하는 것이 바람직하다.

두께가 너무 두꺼우면 집전효율을 저하시켜 상기 효과를 손상시킬 우려가 있다.

도 4 는 본 발명에 의한 전극의 또 다른 실시예의 개략적인 횡단면도이다.

그 전극(8)은 전기도전성필름(아래에서는 도전성필름으로 함)(5)을 구성시켜, 그 도전성필름(5)상에 활성물질분말(1)과 도전성섬유 (2)로 된 균일혼합물의 섬유함유 활성물질층(3)을 설정한 것이다.

이 실시예에 의해, 도전성분말이 없어도 그 활성물질의 충전밀도가 높아지므로 전극의 성능을 높힐수 있다.

종래의 집전체상에 활성물질층을 형성하도록 한 종래의 전극과 비교하여 이 실시예의 전극은 변형에 대한 유연성, 내구성 및 가요성이 향상된 성능이 높은 전극을 얻는다.

그 전극은 신뢰성 및 안전성이 높고 에너지밀도 및 충방전효율이 향상된 리튬이온 2차전지가 얻어진다.

양전극에서 사용될 수 있는 활성물질에는 리튬과, 코발트, 니켈 또는 만강 등 천이금속과의 복합산화물; 리튬함유 칼코겐(chalcogen)로겐 화합물 또는 그 복합화합물; 및 이들의 복합산화물, Li-함유 칼코겐 화합물 또는 각종의 도판트원소(dopant element)를 포함하는 복합화합물이 있다.

그 전지성능의 주요한 요소가 되는 리튬이온을 흡입저장(intercalating) 및 방출(disintercalating)할 수 있는 어떤 물질이라도 음전극의 활성물질로 사용할 수 있으나, 그 음전극에 사용되는 바람직한 활성물질에는 흑연화탄소(graphiting carbon), 흑연화가 어려운 탄소(non-graphiring carbon), 폴리아센 및 폴리아세틸렌 등 탄소계화합물; 및 피렌 및 페릴렌등 아센구조를 가진 방향족 탄화수소화합물이 있다.

그 활성물질은 분말 또는 입자상상태로 사용된다.

입자크기 0.3~20㎛ 의 입자를 사용할 수 있다.

바람직한 입자크기는 1~5㎛ 이다.

그 입자크기가 너무 작으면, 바인더수지로 코팅시킨 활성물질입자의 표면적이 너무 커저 충방전시켜에 리튬이온의 흡입저장 및 방출을 효율좋게 행할 수 없어, 전지특성이 저하된다.

그 입자크기가 너무 크면, 그 활성물질혼합물을 엷은 필름으로 형성하기가 쉽지 않게되어 그 충전밀도가 저하된다.

본 발명에서 사용될 수 있는 도전성섬유는 전자전도성이며 전극내에서 반응하지 아니하면 특히 제한을 받지 않고 사용할 수 있다.

사용할 수 있는 도전성섬유에는 알루미늄섬유,동섬유,스테인레스강섬유등 금속섬유와, 탄소섬유가 있다.

각 섬유는 직경 5~200㎛, 특히 5-100㎛ , 길이 1-100mm , 특히 7-30mm 가 바람직하다.

섬유의 직경이 보다더 가는 섬유일 때 그 전극에 충분한 강도를 유지하기가 어려워진다.

섬유직경이 보다 더 큰 섬유일때 엷은 전극을 형성할 수 없을뿐만 아니라 집전효율을 저하시킨다.

섬유길이를 너무 길게 하거나 너무 짧게 하면 그 활성물질 혼합물을 시트형상으로 형성하기가 어려워진다.

섬유함유 활성물질층이 도전성필름상에 형성하도록 할 때 섬유길이가 보다 더 짧은 섬유를 사용할 수 있다.

전지내에서 안정한 금속이면 도전성필름으로 사용할 수 있다.

양전극에는 알루미늄의 사용이 바람직하고, 음전극에는 동의사용이 바람직하다.

그 도전성필름의 형상은 포일(foil), 망상(net), 엑스랜디드메탈(expanded metal)등 어느것이나 사용할 수 있다.

망상 및 엑스탠디스금속 등 공극면적이 큰 것이 접착후 전해액함침을 용이하게 한다는 점에서 바람직하다.

리튬이온 2차전지를 형성할 때 전극간의 이온전도층에는 특히 제한없이 전해액을 함침한 세퍼레이터(separator), 겔전해질 및 고체전해질을 사용할 수 있다.

전해액은 종래의 전지에서 사용되었던 비수용계 용제 및 리튬함유 전해질염으로 제조할 수 있다.

유용한 용제의 예로는 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디에틸에테르 및 디메틸에테르등 에테르; 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트 및 디메틸 카르보네이트 등 에스테르; 및 상기 에테르계용제 또는 에스테르계용제에서 선택한 2종의 혼합용제 또는 전자용제 그룹에서 선택한 1종용제와 후자용제 그룹에서 선택한 1종용제의 혼합용제가 있다.

유용한 전해액 염의 예로는 LiPF₆, LiAsF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂및 LiC(CF₃SO₂)₃가 있다.

본 발명에 의한 리튬이온 2차전지의 구조에는 세퍼레이터에 접합한 한쌍의 전극으로 구성된 도 2 의 단층의 전극적층체 구조와 다수층의 전극적층체로 된 도 5 의 평판상 다층적층구조와, 전극적층체를 긴 원형형상으로 감아(rollup)형성한 도 6 및 도 7 의 다수층을 가진 평판상 권형구조(tabular rolltype structure)가 있다.

본 발명에 의한 리튬이온 2차전지는 충전할 때 에너지밀도를 높이며, 충방전효율을 향상시키고, 형상을 자유롭게 할 수 있으며(엷은형상등 임의의 형태를 취할 수 있음), 변형에 대한 내성을 향상시켜 내구성, 신뢰성 및 안정성을 향상시킬수 있는 특징이 있다.

따라서, 특히 본 발명의 전극을 다층구조로 사용할 때, 전지용량이 크며, 내구성 및 신뢰성이 우수하고 콤팩트한 고성능전지가 얻어진다.

본 발명을 실시예에 따라 구체적으로 아래에 설명하며, 이 실시예에 한정된 것은 아니다.

특별한 설명이 없으면 아래에 나타낸 모든 % 는 중량을 붙쳐 사용한 것으로 한다.

실시예 1

LiCoO₂70% , 직경 30㎛ 및 길이 2-20mm 의 알루미늄섬유 25% 및 폴리비닐리덴 플루오리드(아래에서는 PVDF 라함) 5%를 N-메틸피롤리돈 등 용제에 분산시켜 양전극의 활성물질페이스트를 제조하였다.

이 페이스트를, 닥터블레이드(doctor blade)에 의해 두께 약 300㎛으로 폴리테트라플루오로에틸렌(아래에서는 PTFE라함)판에 처리시켜 건조하여 양전극을 제조하였다.

실시예 2

메소페이스 미크로비드 카본(Mesophase Microbead carbon)(상품명:일본국,오사카가스(주)제품)75% , 직경 13㎛ 및 길이 10mm 의 탄소섬유(상품명 DONACAREBO S CHOP , Donac.K.K. 사제품)20% , PVDF 5%를 용제중에 분산시켜 음전극 활성물질페이스트를 제조하였다.

이 페이스트를, 닥터 블레이드에 의해 두께 약 300㎛ 으로 PTFE판에 처리시켜 건조하여 음전극을 제조하였다.

실시예 3

메소페이스미크로비드카본(상품명, 일본국 오사카가스(주)제품) 75%, 직경 30㎛ 및 길이 2-20mm 의 동섬류 20%, PVDF 5%를 용제에 분산시켜 음전극 활성물질페이스트를 제조하였다.

이 페이스트를, 닥터블레이드에 의해 두께 약 300㎛ 으로 PTFE 판에 처리시켜 건조하여 음전극을 제조하였다.

실시예 4

LiCoO₂75% , 직경 8㎛ 와 길이 30mm 의 스테인레스강섬유(상품명 Nasron , 일본국 닙폰 세이센(주)제품)15%, PVDF 5%를 용제중에 분산시켜, 양전극 활성물질페이스트를 제조하였다.

이 페이스트를, 닥터블레이드에 의해 두께 약 300㎛ 으로 PTFE판에 처리시켜 건조하여 양전극을 제조하였다.

실시에 1~ 4에서 제조한 모든전극은 도전성 및 가용성을 가지며, 지지체(기질)없이 필름으로 취급할 수 있었다.

그 활성 물질분말과 도전성섬유가 균일하게 혼합되어 있어 그 전극은 집전효율이 우수하다.

종래의 전지에 쓰여지는 금속포일 또는 금속망 등 집전체가 없어 경량화할 수 있다.

도전성 분말이 없으므로 활성물질의 충전밀도를 높일수 있다.

가요성과 유연성을 갖고있어 변형에 대한 내구성을 향상시키며, 파괴가 어렵다.

본 발명의 전극은 그 세퍼레이터의 양면에 각각 직접 코팅시켜 사용할 수 있다.

이 경우 접착층이 필요없으며 장착이 용이하다.

스테인레스강섬유는 직경이 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

직경 30㎛ 이하의 스테인레스강섬유가 더 바람직하다.

건조공정은 100-150⁰C에서 20분간 실시할수 있다.

그 건조공정은 온도 120-150⁰C에서 가열시켜 실시하는 것이 바람직하다.

그 건조공정은 온도 120⁰C 이상에서 열프레스방법에 의해 가압가열시켜 실시할 수 있다.

실시예 5

LiCoO₂와, 직경 30㎛ 및 길이 2-20mm 의 알루미늄섬유를 중량비 7:3 으로 혼합시켜, 그 얻어진 혼합물을 용제로서 N-메틸 피롤리돈에 PVDF를 용해한 3% 용액에 교반시켜, PTFE막 필터상에서 균일하게 침전시켰다.

그 용제를 제거시킨다음, PTFE판을 캐스트필름(cast film)상에 가압시켜 그 필름을 건조하여 두께 약 180㎛ 의 전극을 형성하였다.

그 결과 얻어진 전극은 앞에서 설명한 실시예와 동일하게 우수한 특징을 나타내었다.

실시예 6

LiCoO₂78%, 직경 30㎛ 및 길이 2-20mm 의 알루미늄섬유 25%, PVDF 5%를 용제중에 분산시켜 양전극 활성물질 페이스틀 제조하였다.

그 페이스트를, 닥터블레이드에 의해 두께 약 300㎛ 으로 PTFE 판에 처리시켜 건조하여 섬유함유활성물질층을 형성하였다.

LiCoO₂90% 와 PVDF 10% 로 제조한 양전극활성물질페이스틀, 그 섬유함유 활성물질층에 바코터(bar coater)에 의해 처리시켜, 건조하여 활성물질층을 형성하였다.

여기서 하나의 섬유함유 활성물질층과 하나의 섬유 없는 활성물질층으로 된 전극을 얻었다.

그 결과 얻어진 전극은 위 실시예와 동일한 우수한 특징을 나타내었다.

그외, 도전성섬유가 그 표면에 노출되지 않았으므로 안전성이 향상되었다.

실시예 7

LiC_OO₂70% , 직경 30㎛ 및 길이 2-20mm 의 알루미늄섬유 25%, PVDF 5%를 용제중에 분산시켜 양전극 활성물질 페이스트를 제조하였다.

그 페이스트를, 도전성 필름으로 20㎛ 두께의 알루미늄 포일에 닥터블레이드에 의해 두께 약 200㎛ 으로 되게 처리시켜 건조하여 도전성 필름상에 섬유함유 활성물질층을 형성시킨 양전극을 형성하였다.

활성물질분말과 도전성섬유를 균일하게 혼합시켰으므로, 그 전극은 우수한 집전효율을 나타내었다.

전도성 분말을 포함하지 않으면 그 전극은 활성물질의 충전밀도가 커서 우수한 특징을 나타내었다.

또, 그 전극은 가요성을 가졌으며, 변형에 대한 내구성이 향상되었다.

실시예 8

실시예 11 의 양전극과 실시예 2 의 음전극 사이에 세퍼레이터(상품명 Cellguard ＃ 2400, Hoechst Celanese Flastics Ltd, 제품)를 설정하였다.

그 전극적층체를, 에틸렌 카르보네이트와 1,2-디메톡시에탄의 혼합용제중에 리튬 헥사플루오로포스페이트(전해질)의 전해액에 함침하였다.

그 함침시킨 전극적층체를 알루미늄적층체필름팩(pack)에 넣어, 그 필름팩을, 그 전극 사이에서 공기가 트래핑(trapping)되지 않도록 감압시키면서 열시일링시켜 단층의 전극적층체를 가진 전지를 완성하였다.

그 전해액을 전극에 함침시켜 그 전극내 공극에 충전하였다.

그 전지특징을 평가할 때 단위중량당, 에너지밀도는 90Wh/kg 이었다.

전류치 C/2에서 200회 충방전 사이클후에도 충전용량은 초기의 75% 로 높았다.

따라서 에너지밀도가 크고 충방전 특징이 우수한 리튬이온 2차전지를 얻었다.

구조가 동일하나 금속망등 집전체를 사용한 종래의 전지와 비교하여, 이 실시예에서 얻은 전지는 유연성이 풍부하였고, 외력에 의한 변형으로 인한 전지특성의 열화가 어려웠으며 신뢰성 및 안전성이 향상되었다.

실시예 9

실시예 6 의 양전극과 실시예 2 의 음전극 사이에 세퍼레이터(상품명, Cellguard #240, Hoechst Celanese plastics Ltd 제품)를 설정시켰다.

그 전극적층체를, 에틸렌 카르보네이트와 1,2-디메톡시에탄의 혼합용제에 리튬 헥사플루오르포스페이트(전해질)를 용해한 전해액에 함침시켜 알루미늄 적층체 필름팩에 넣었다.

그 필름팩은, 전극사이에 공기가 트래핑(trapping)되지 않도록 감암 열시일링(heat sealing)을 하여 단층의 전극적층체를 가진 전지를 완성하였다.

그 전해액은 실시예8 에서와 동일하여 그 전극에 용이하게 주입하였다.

그 전지의 특성을 평가할 때, 단위 중량당 에너지 밀도는 93wh/kg 이었다.

전류치 C/2에서 150회 충방전 사이클후에도 충전용량은 초기의 78% 로 높았다.

여기서, 에너지밀도가 높고 충방전특성이 우수한 리튬이온 2차전지를 얻었다.

실시예 8 과 동일하게 그 얻어진 전지는 유연성이 풍부하고, 외력에 의한 변형에 대하여 전지특성의 열화 발생이 어려웠으며, 신뢰성 및 안전성이 높았다.

실시예 10

실시예7 의 양전극과 실시예 2 의 음전극 사이에는 세퍼레이터(상품명, Cellguard #2400, Hoechst celanese plastics Ltd. 제품)를 설정하였다.

그 전극적층체를, 에틸렌 카르보네이트와 1,2-디메톡시에탄의 혼합용제에 리튬 헥사플루오로포스페이트(전해질)를 용해한 전해액에 함침시켜 알루미늄적층체 필름팩에 넣었다.

그 필름팩을, 공기가 그 전극사이에 트래핑(trapping)되지 않도록 감압시키면서 열시일링시켜 단층의 전극적층를 가진 전지를 완성하였다.

그 전지특성을 평가할 때 , 단위중량당 에너지밀도는 80Wh/kg 이었따.

전류치 C/2에서 150회 충방전사이클후에도 충전용량은 초기의 75% 로, 높았다.

여기서, 에너지밀도가 높고, 충방전특성이 우수한 리튬 이온2차 전지를 얻었다.

실시예 11

소정 크기로 각각 절단한 실시예1 의 양전극, 실시예2 의 음전극 및 세퍼레이터(상품명 cellguand #2400, Hoecht celanese plastics Ltd)를 사용하여 세퍼레이터 , 양전극, 음전극을 차례로 반복하여 적층시켜 도 5 에 나타낸 구조를 가진 평판상 적층구조의 전지체(tabular laminate battery body)를 형성하였다.

양전극과 음전극의 각각의 단부에 접속시킨 집전탭(current collecting tabs)을 스폿용접(spot welding)에 의해 접속시켜 전기적으로 병렬접속하였다.

이 전지체를, 에틸렌 카르보네이트와 1,2-디메톡시-엔탄의 혼합용제에 리튬 헥사플루오로포스페이트(전해질)를 용해한 전해액에 함침시켜 알루미늄 적층체필름팩에 넣었다.

그 필름팩을, 그 전극 사이에 공기가 트래핑되지 않게 감압하면서 열시일링을 하여 다층구조의 전지를 완성하였다.

위 실시예에서 얻어진 단층의 적층체 전지와 동일하게, 여기서 에너지밀도가 높고, 충방전 특성이 우수하며, 내구성, 신뢰성 및 안전성이 우수한 리튬이온 2차전지를 얻었다.

특히 , 본 발명의 전극의 사용에 의해, 전해액에 그 적층체의 함침이 용이한 잇점이 있다.

전지용량을 크게할 수 있고 콤팩트한 전지를 얻었다.

실시예 12

밴드형상(band form)을 가진 양전극을 실시예 2 에서와 동일하게 제조하였다.

그 양전극을, 2매의 세퍼레이터(상품명 cellguard #2400, Hoechst celanese plastics Ltd)사이에 설정시켜 끼워 그 얻어진 적층체의 일단을 소정의 길이로 절곡하고(fold back), 실시예 1 에서와 같이 형성한 소정크기의 음전극을 절접선(cut)에 끼워, 그 적층체를 래미네이터(laminator)에 통과시켰다.

그 다음으로, 절접선에 끼운 음전극과 대향하는 위치에 소정길이의 또 다른 음전극을 배치하여, 이것을 끼우도록 상기 밴드형상의 세퍼레이터를 긴 원형형상으로 되게 반원주분(half turn)으로 감아올리고, 다시 또 다른 음전극을 끼우면서 상기 세퍼레이터를 감아올리는 공정을 반복하여 도 6 에 나타낸바와같이 다수층의 전극적층체를 가진 평판상 롤형(rolltype)적층구조의 전지체를 제조하였다.

그 양전극과 음전극의 각 단부에 접속시킨 집전탭을 스폿용접에 의해 전기적으로 병렬접속하였다.

그 전지체는 에틸렌카르보네이트와 1,2-디메톡시에탄의 혼합용제에 리튬 헥사플루오로포스페이트(전해질)를 용해한 전해액에 함침시켜 알루미늄 적층체 필름팩에 넣었다.

그 필름팩을, 그 전극간에 공기가 트랩핑되지 않게 감압시키면서 열시일링하여 다층구조를 가진 전지를 완성하였다.

실시예 11 의 전지와 동일하게, 에너지밀도가 높고, 충방전특성이 향상되며, 전지용적이 크고, 내구성, 신뢰성 및 안전성이 높은 콤팩트형 리튬이온 2차전지를 얻었다.

이 실시예에서, 세퍼레이터/양전극/세퍼레이터 적층체를 각반원주분(half turn)에 대하여 그 음전극의 절접선(cut)에 끼우면서 감아올릴 때(roll up), 그 다층전지는 또 각 반원주분에 대하여 양전극의 절접선을 끼우면서 세퍼레이터/음전극/세퍼레이터 적층체를 감아올림으로써 제조할 수 있다.

또, 롤링(rolling)대신, 그 세퍼레이터/전극/세퍼레이터적층체를 각각의 절접에 대하여 그 카운터전극(counter electrode)의 절접선에 끼우면서 연속적으로 절접할 수 있다.

실시예 13

실시예 12 에서와 동일한 방법으로 하여 제조한 밴드형상의 양전극을 2매의 세퍼레이터(상품명, cellguard #2400) 사이에 배치하였다

그리고 실시예 1 에서와 동일한 방법으로 하여 제조한 밴드형상의 음전극을 한쪽 세퍼레이터 외측에 일정량 돌출시켜 배치하였다.

그 음전극의 일단을 일정량 먼저 진행하면서 라미네이터에 통과하고, 그다음 그 음전극, 세퍼레이터, 양전극 및 세퍼레이터를 래디네이터에 통과시켜 밴드형상의 적층물을 형성하였다.

그 음전극의 돌출단부를 절곡하여 그 절곡시킨 음전극을 내측에 래핑(wrapping)하도록 적층시킨 적층물을 긴원형형상으로 감아올려, 도 7 에서와 같이 다층의 전극적층체를 구성하는 평판상 롤형 전지체를 제조하였다.

에틸렌 카르보네이트와 1,2-디메톡시에탄의 혼합용제의 리튬 헥사플루오로포스페이트(전해질)를 용해한 전해액에 그 전지체를 함침시켜 알루미늄 적층체 필름팩에 넣었다.

그 필름팩을, 전극사이에 공기가 트래핑(trapping)되지 않게 감압시키면서 열시일링하여 다층구조를 가진 전지를 완성하였다.

실시예 11 및 12 의 전지와 동이하게, 에너지 밀도가 높고, 충방전특성이 우수하며 전지용적이 크고, 내구성, 신뢰성 및 안전성이 높은 콤팩트형의 리튬이온 2차전지를 얻었다.

이 실시예에서 밴드형상의 양전극을 2매의 배드형상 세퍼레이터 사이에 배치시키고 그 음전극을 한쪽의 세퍼레이터에 배치시킬 때 동일형태의 전지가 그 세퍼레이터 사이에 음전극과 그 세퍼레이터의 한쪽에 양전극을 배치시킴으로써 제조할 수 있다.

실시예 11~13에서, 그 전극적층수를 각각 변형시킬 때 그 전지용량은 적층수에 따라 증가하였다.

실시예14

고체 전해질, 실시예 1에서 형성한 양전극 및 실시예2에서 형성한 음전극을 적층시켜 도 2 에 나타낸 구조를 가진 평판상 적층전지체를 구성하였다.

그 양전극과 음전극의 각단에 접속시킨 집전탭을 스폿용접에 의해 전기적으로 병렬접속시켰다.

그 고체전해질을 다음과 같이하여 제조하였다.

우선, 전해액을, 에틸렌 카르보네이트와 1,2-디메톡시에탄의 혼합용매에 리튬헥사플루오로포스페이트(전해질) 1mol/ℓ를 용해시켜 얻었다.

아크릴레이트화합물(PEM 1000)30wt%, 아조비스이소부티로 니트릴 1wt% 및 상기 전해액의 혼합물을 유리판 사이의 간극(0.5mm)에 넣어 2시간 80⁰C에서 가열에 의해 건조시켜 고체전해질의 겔상태를 형성하였다.

그 다음, 소량의 필름팩을, 전극 사이에서 공기가 트래핑되지 않게 감압시키면서 열시일링하여, 다층구조를 가진 전지를 완성하였다.

그 전지특성을 평가할 때, 단위 중량당 에너지밀도는 70Wh/kg 이었다.

전류치 C/4에서 100 회 충방전 사이클 후에도 충전용량은 초기의 60%로서 높았다.

실시예 15

고체 전해질, 실시예1 의 양전극 및 실시예 2의 음전극을 적층시켜, 도 2 의 구조를 가진 평판상 적층전지체를 형성하였다.

그 양전극과 음전극의 각단에 접속시킨 집전탭을 스폿용접에 의해 전기적으로 병렬접속시켰다.

그 고체전해질은 다음과 같이 하여 제조하였다.

우선, 아크릴레이트화합물(PEM 1000)30wt% 와 아조비스이소부티로니트릴 1wt% 의 혼합물에 혼합시킨 테트라히드로프란을 유리판 사이의 간극(0.5mm)에 넣어 2시간 동안 80⁰C 의 가열에 의해 건조시켜 고체전해질의 겔상태를 형성하였다.

그 다음 그 고체전해질을, 그 고체전해질이 수축되게 않게 주변부를 고정시켜 1시간동안 60⁰C에서 건조하였다.

그 다음으로, 소량의 필름팩을, 전극 사이에 공기가 트래핑되지 않게 감압하면서 열시일링시켜 다층구조의 전지를 완성하였다.

그 전지특성을 평가할 때, 단위중량당 에너지밀도는 65Wh/kg 이었다.

전류치 C/4에서 100 회 충방전사이클 후에도 그 충전용량은 초기의 60% 로서 높았다.

본 발명에 의해 활성물질분말과 도전성섬유의 혼합물을 시트형상으로 형성시켜 얻어진 전극은 높은 성능을 나타내며, 활성물질의 충전밀도, 가요성, 변형에 대한 내구성, 내 파괴성이 향상되고, 신뢰성 및 안전성이 높으며 전지특성이 우수하다.

또, 그 전극은 전해액에 용이하게 함침시킬수 있어 전지형성을 더 용이하게 한다.

활성물질분말과 도전성섬유의 혼합물로 된 섬유함유 활성물질층과 그 활성물질분말로 된 활성물질층으로 구성된 전극의 한 실시예에 의해 그 전극은 위에서의 효과를 나타낼뿐만 아니라, 그 도전성 섬유가 표면상에 노출하지 않게 하며 전지로 형성될 때 그 세퍼레이터의 손상이 되지 않게하는 효과가 있다.

따라서, 안전성을 향상시킨다.

도전성 필름상에 활성물질분말과 도전성 섬유의 혼합물로 형성된 섬유함유 활성물질층을 구성한 전극의 또 다른 실시예에 의해, 그 활성물질의 충번밀도를 증가시킬수 있고, 그 가요성을 향상시킬수 있다.

그 결과, 내구성이 우수한 고성능의 높은 안전성이 있는 전극을 얻을수 있다.

이와같은 전극은 신뢰성이 높고, 안전성이 높으며, 전지특성이 우수한 리튬이온 2차전지를 형성한다.

본 발명에 의한 리튬이온 2차전지는 전극사이에 있는 세퍼레이터를 통해 접합된 본 발명에 의한 2매의 전극으로 구성된 전극적층체를 구비한다.

그 전지는 파괴가 어렵고, 내구성 및 안전성이 우수하다.

그 전지는 엷은 형상등 임의의 형상을 취할 수 있고, 에너지 밀도가 높으며, 충방전특성이 우수하다.

그 리튬이온 2차 전지가 다수층의 상기 전극적층체를 구비할 때 그 결과 얻어진 전지는 콤팩트하고 성능이 높으며, 내구성 및 신뢰성이 우수하고 전지용량이 크다.

Claims (3)

1. 활성물질분말과 도전성섬유를 함유하는 시트형상의 섬유함유 활성물질층을 포함함을 특징으로 하는 리튬이온 2차전지용 전극.
2. 양전극과, 음전극과, 이들전극 사이에 배설시킨 전해질을 포함함시켜 그 양전극과 음전극중 최소한 한쪽이 활성물질분말과 도전성섬유를 함유하는 시트형상의 섬유함유 활성물질층을 포함함을 특징으로 하는 리튬이온 2차전지용 전극.
3. 양전극과, 음전극과, 이들의 전극 사이에 배설시킨 전해질을 포함하는 전극적층체의 다수층을 구비한 리튬이온 2차전지에 있어서,

   그 양전극 또는 음전극 중 최소한 한쪽이 활성물질분말과 도전성섬유를 포함한 시트형상의 섬유함유 활성물질층을 포함함을 특징으로 하는 리튬이온 2차전지.