KR19990049248A - 양극활물질 이용률이 향상된 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극활물질 이용률을 향상시킨 리튬이차전지에 관한 것이다.

본 발명은 리튬이온 이차전지에 있어서, 서로 다른 작동전압을 가지는 두가지 활물질을 혼합하여, 활물질의 이용률을 높인 리튬이차전지이다.

이와 같이 얻어진 리튬이차전지는 양극활물질의 이용률을 향상시키고 전지의 수명을 중가시켜, 고용량 및 긴수명을 갖게 된다.

Description

양극활물질 이용률이 향상된 리튬이차전지

본 발명은 양극활물질 이용률이 향상된 리튬이차전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 서로 다른 작동전압을 가지는 두가지 양극 활물질을 혼합하여 활물질의 이용률을 높인 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

오늘날 전자 정보 통신 분야의 발전과 전자공학의 발전에 따라 휴대용 전자 기기가 증가하고, 이들을 구동시키는 전원의 중요성이 날로 부각되고 있다. 특히 노트북 컴퓨터, 휴대폰 및 캠코더는 3C 라고 불리는 첨단 제품으로 기존의 휴대 기기와는 달리 많은 전력을 필요로 한다. 이를 위하여 높은 에너지 밀도와 장수명을 갖는 이차 전지 개발이 본격화되고 있다. 이중에서 특히 리튬이차전지에 대해 큰 관심이 집중되고 있다.

현재 리튬이차전지에 사용되는 활물질은 양극에 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄등을 사용하고, 음극에는 주로 탄소계 재료를 사용하고 있다. 그러나 탄소계 음극재료는 초기 충전 동안에 음극재료 표면에 필름을 형성하는 등의 비가역적인 반응이 일어나는 반면 양극은 정상적인 충전 반응이 진행되어 이후 방전에서 양극 활물질에서 충전 중에 나온 리튬이 모두 사용되지 못하고, 음극 활물질에 삽입된 양만이 방전에 참여하게 된다. 이러한 초기 비가역 반응의 발생으로 양극활물질 중 가역적인 용량이 감소한다. 이를 억제하기 위하여 양극 활물질 내에 과량의 리튬을 포함하게 하는 방법이 모색되고 있다. 그러나 과량의 리튬을 함유한 양극 활물질을 제조하는데는 많은 어려움이 있는데, 특히 적절항 양을 조절하는 것이 가장 어렵다.

이에 본 발명은 음극에서 초기 비가역 반응의 발생으로 양극활물질 중 가역적인 용량이 감소하는 것을 방지하여 양극 활물질의 이용률을 높이는 것을 과제로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 양극활물질을 포함한 리튬이차전지의 종단면도를 나타낸다. 도면의 부호를 다음에 간략히 설명한다.

1 ----- 캔 2 ----- 가스켓

3 ----- 양극 4 ----- 양극집전체

5 ----- 세파레이타 6 ----- 음극집전체

7 ----- 음극

본 발명은 리튬이차전지에 있어서, 양극의 활물질이 리튬에 대하여 3V 의 작동 전압을 가지는 활물질 5 내지 15 중량% 와 리튬에 대하여 4V 의 작동 전압을 가지는 활물질 83 내지 73 중량% 로 이루어진 리튬이차전지를 제공하는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기의 본 발명에 의한 리튬이차전지에 사용하는 양극 활물질 중 리튬에 대하여 3V 의 작동 전압을 가지는 활물질은 5 내지 15 중량% 를 사용하는 것이 바람직한데, 5 중량% 미만을 사용하는 경우에는 LiMnO₂의 양이 너무 적어 활물질 이용률의 향상을 기대할 수 없다는 단점이 있고, 15 중량%를 초과하여 사용하는 경우에는 활물질의 사용률은 증가하지만 LiCoO₂의 절대량이 감소하여 전지용량이 작아 사용하기 힘든 어려움이 있다.

이들 양극활물질의 성분비는 3V 작동 전압을 가지는 활물질이 5 내지 15 중량% 이고 4V 작동 전압을 가지는 활물질이 73 내지 83 중량% 인 것이 바람직하다.

또한, 리튬에 대하여 3V 의 작동 전압을 가지는 활물질은 LiMnO₂, Li₂Mn₄O₉및 Li₄Mn₅O₁₂중에서 선택된 한가지이고, 리튬에 대하여 4V 의 작동전압을 가지는 활물질은 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄및 이들의 치환제 중에서 선택된 한가지이다.

이와같은 양극활물질을 사용한 전지의 반응경로를 보면, 전지 조립후 첫 충전에서 3V 의 작동전압을 가지는 활물질로부터 리튬이 먼저 빠져나온 후 4V 의 작동전압을 가지는 활물질로부터 리튬이 나오게 된다. 이중 3V 의 작동전압을 가지는 활물질에서 리튬이 나오는 동안 발생한 전류는 음극표면에서 비가역적인 필름을 만드는데 사용되고, 4V 의 작동전압을 가지는 활물질에서 나온 리튬은 전지 충방전에 기여하게 된다. 즉, 3V 작동 전압을 가지는 활물질은 초기에 비가역적으로 소모되는 리튬을 보전하기 위하여 사용되는 것이다.

이들의 성분비는 전지 용량 및 작동 전압을 고려하여 구성될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

LiCoO₂78 중량％, LiMnO₂10중량％, 흑연 도전재 7중량％ 및 폴리비닐리덴플루오라이드 5중량％를 N-메틸피롤리디논(이하, NMP라 함)에 녹여 슬러리를 만들고, 제작한 슬러리를 알루미늄 박막에 코팅한 후 건조시키고 롤프레싱하여 양극을 제작하였다. 음극은 흑연계 활물질 90 중량％와 폴리비닐리덴플루오라이드 10 중량％를 NMP에 녹여 슬러리를 만들고, 구리 박막에 코팅한 후 건조시키고 롤프레싱하여 제작하였다. 제작한 전극사이에 세파레이타를 넣고 LiPF₆1M/EC+DMC 전해액을 넣어 도 1 과 같이 실시예 1 의 전지를 만들었다.

비교예 1

LiCoO₂88중량％, 흑연 도전재 7중량％ 및 폴리비닐리덴플루오라이드 5중량％를 구성성분으로 하여 양극을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법으로 리튬이온전지를 제작하였다.

비교예 2

LiCoO₂68 중량％, LiMnO₂20중량％, 흑연 도전재 7중량％ 및 폴리비닐리덴플루오라이드 5중량％를 구성성분으로 하여 양극을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법으로 리튬이온전지를 제작하였다.

시험예

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제작한 전지를 가지고 다음과 같이 양극활물질의 이용률을 측정하여 표 1 에 나타내었다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2
LiMnO2	10	0	20
LiCoO2	78	88	68
양극활물질 이용률	135 mAh/g	120 mAh/g	135 mAh/g
100회 사용후 잔존용량	92%	90%	91%
단위양극질량당 전지용량	105.3 mAh	105.6 mAh	91.8 mAh

상기 표 1 에 나타난바와 같이 LiMnO₂를 사용하지 않은 비교예 1 의 전지는 실시예 1 에 비해 양극활물질 이용률이 현저히 떨어지고, LiMnO₂를 너무 많이 사용한 비교예 2 는 실시예 1에 비해 단위양극질량당 전지용량이 작으며, 실시예 1의 전지가 100 회 사용후 활물질의 잔존량 또한 제일 많다.

따라서, 상기 전지는 고가의 LiCoO₂의 사용량을 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 양극활물질을 사용한 리튬이온전지는 양극활물질의 이용률이 향상되고, 전지의 수명이 중가하여 고용량 및 긴수명을 갖는 리튬이온전지를 제작할 수 있다.

Claims (3)

1. 리튬이차전지에 있어서, 양극의 활물질이 리튬에 대하여 3V 의 작동 전압을 가지는 활물질 5 내지 15 중량% 와 리튬에 대하여 4V 의 작동 전압을 가지는 활물질 83 내지 73 중량% 로 이루어진 리튬이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 리튬에 대하여 3V 작동 전압을 가지는 활물질은 LiMnO₂, Li₂Mn₄O₉및 Li₄Mn₅O₁₂에서 선택되는 리튬이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 리튬에 대하여 4V 작동 전압을 가지는 활물질은 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄및 이들의 치환제에서 선택되는 리튬이차전지.