KR20020018998A - 리튬2차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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모리시타 요이찌
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Abstract

본 발명은 종래의 합금보다 얇게 형성되는 기계적 작업성이 우수한 마그네슘계 합금을 사용한다. 본 발명은 금속재킷에 조절된 전극 어셈블리와 비수용성 전해질을 포함하여 구성되며, 금속재킷은 리튬 7 내지 20 중량%을 함유하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고, 금속재킷의 부식을 방지하는 금속층이나 절연층이 그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지를 제공한다.

Description

리튬2차전지 및 그 제조방법{LITHIUM SECONDARY BATTERY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
포터블 장치의 최근의 보급에 따라, 이차전지의 수요도 증가되어 왔다. 특히, 그러한 포터블 장치의 크기 및 무게의 감소가 가능한, 유기전해질을 함유하는 리튬2차전지는 급속히 시장에서 점유율이 증가되었다. 종래의 리튬2차전지의 대부분이 원통형이거나 동전 같은 형상이었음에도 불구하고, 직사각형의 이차전지의 수는 최근에 증가하기 시작하였다. 더욱이, 시트형상의 얇은 전지도 등장하였다.
전지의 에너지밀도를 증가시키는 것은 매우 중요하다. 전지의 에너지밀도는 체적 에너지밀도(Wh/리터)로 나타낼 수 있고, 이는 전지의 크기 및 중량 에너지밀도를 나타내며, 전지의 중량을 나타낸다. 크기 및 중량의 감소라는 관점에서, 그러한 전지 시장에서 심한 경쟁이 존재하기 때문에, 전지는 고체적 에너지 밀도와 중량 에너지밀도를 가질 것이 요구된다.
전지의 에너지밀도는 엘리먼트를 발생하는 파워로서 양전극과 음전극의 활성물질에 의해 주로 결정된다. 다른 중요한 결정자는 전해질과 세퍼레이터를 포함한다. 이들 결정자의 개선은 고에너지밀도를 가지는 전지를 얻고자 집중적으로 이루어졌다.
그러한 엘리먼트를 발생하는 파워를 조정하는 금속재킷도 전지의 크기 및 중량의 감소와 개선된 활성의 중요한 요소로서 재검토된다. 금속재킷이 더 얇은 벽을 가지면, 활성물질의 더 큰 양이 종래의 형상으로 금속재킷 내에서 조정될 수 있다. 이는 전지의 체적 에너지밀도의 개선에 이른다. 또는, 금속재킷의 중량이 감소될 수 있으면, 종래 형상의 전지의 중량은 감소될 수 있다. 이는 전지의 중량에너지밀도의 개선에 이른다.
경금속재킷으로 된 전지의 공지된 예는 종래의 스틸시트(비중: 약 7.9 g/cc) 대신에 경알루미늄계 합금시트(비중: 약 2.8g/cc)로 이루어진 금속재킷을 사용하는 직사각형 형상의 리튬이온 전지이다. 휴대전화기에서 사용하기 위한 전지의 기술분야에서, 전지의 중량 에너지밀도가 알루미늄계 합금으로 이루어진 금속재킷을 사용함으로써 약 10% 증가된 경우가 알려져 있다(일본특허출원 공개번호 평8-329908 참조).
알루미늄이나 알루미늄계 합금으로 이루어진 그러한 금속재킷을 제조하는 많은 방법은 충격법이나 드로잉법을 사용한다.
최근 마그네슘계 합금에 대하여 관심이 집중되고, 이는 알루미늄이나 알루미늄계 합금 보다 가볍다. 알루미늄의 비중이 2.7g/cc인 반면에, 마그네슘의 비중은 1.74 g/cc이다. 잘 알려진 마그네슘계 합금의 예들은 Al, Zn 등으로 혼합된 마그네슘을 포함하여 구성되는 합금을 포함한다. 마그네슘계 합금이 전지의 금속재킷에 사용되는 몇몇 경우가 알려져 있다(일본특허출원 공개공보 평11-25933 및 평11-86805 참조).
더욱이, 최근에 초가소성을 가진 리튬을 포함하는 마그네슘계 합금에 관심이 집중되어 왔다(일본특허출원 공개공보 평6-65668 참조). 리튬을 포함하는 마그네슘계 합금은 순Mg보다 작은 비중(약 1.3 내지 1.4 g/cc)을 가지고 Al을 포함하는 종래의 마그네슘계 합금에 대해 기계적인 작업성이 우수한 특징을 가진다.
그러나, 리튬 함유 마그네슘계 합금이 전지용 금속재킷에 응용되는 어떠한 경우도 알려져 있지 않다.
한편, 틱소몰딩법이 여러 전기기구에 사용하는 구조적 물질 분야에서 마그네슘계 합금을 제조하는 신규기술로서 관심을 받고 있다. 틱소몰딩법은 다이캐스팅법의 개량이며, 종래의 기술의 주류이고, 플라스틱용 주입몰딩법과 유사하다. 특히, 이 공정은 몰드로 반용융상태로 원료합금을 주입하고, 원료합금을 응고시킨 후, 몰드로부터 성형물을 제거한다. 얻어진 성형물의 결정은 다이캐스팅법으로부터 얻어진 수지상조직이 아니고, 스트레스하에 응고법으로부터 얻어진 미립상구조이다. 미립상주조를 가진 합금은 얇게 만들어진 경우에도 개선된 기계적 성질과 안정화된 품질과 같은 특징을 나타낸다.
그러나, 틱소몰딩법에 의해 얻어진 리튬을 포함하는 마그네슘계 합금이 전지용 금속재킷에 응용되는 어떠한 경우도 알려져 있지 않다.
마그네슘계 합금이 상술한 바와 같이 금속재킷용으로 사용(일본특허출원 공개공보 평11-25933 및 평11-86805)되는 몇몇 경우가 있을지라도, 종래의 마그네슘계 합금이 열악한 작업성을 가지므로 실용적으로 전지용 금속재킷에 응용되기가 어렵다. 더욱이, 마그네슘계 합금이 전해질 같은 엘리먼트를 발생하는 파워와 접촉할 경우에 부식되기 때문에, 마그네슘계 합금의 사용은 만족스러운 충전/방전 사이클을 실현하는 관점에서 실용적이지 않았다.
[발명의 개시]
본 발명은 종래의 전지보다 고용량 및 경중량을 가지는 리튬2차전지를 제공하기 위한 것이다. 이 때문에, 본 발명은 금속재킷의 원료로서, 굴곡, 냉각 가공에서 디프드로잉 등의 공정이 따를 수 있는 리튬 함유 특정 마그네슘계 합금(Mg-Li 합금)을 사용하며, 이 공정은 종래의 마그네슘계 합금에는 어렵다고 여겨왔다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 고품질의 경량이고 고강도 리튬2차전지가 틱소몰딩법에 의해 얻어진 리튬을 함유하는 마그네슘계 합금의 시트의 사용에 의해 제조된다.
본 발명에서, 금속재킷은 그 내부벽에 금속재킷으로 금속층이나 완전한 절연층을 형성함으로써 전해질 등과 접촉하기 때문에 부식이 방지된다. 그 결과, 안정화된 충전/방전 사이클을 실현하는 것이 가능하고, 마그네슘계 합금으로 이루어진 금속재킷을 가지는 전지를 실현하는 것이 가능하다고 여겨져 왔다.
경량전지 중에서, 알루미늄이나 알루미늄계 합금으로 이루어진 금속재킷을 사용하는 전지의 경우에, 전지의 음전극은 금속재킷에 연결될 수 없다. 이는 금속재킷과 음전극 사이의 연결이 금속재킷을 부서지기 쉽게 만드는 AlLi와 같은 금속간화합물의 생산을 촉진하기 때문이다. 그러나, 종래의 전지의 대부분은 금속재킷이 음전극에 연결되는 구조를 가진다. 범용전지을 얻는 관점에서, 금속재킷은 음전극에 전기로 연결되는 것이 바람직하다.
대조적으로, 본 발명에 따른 전지의 금속재킷은 금속층이나 금속재킷으로 완전히 형성된 절연층 덕분에 음전극에 전기로 연결될 때에도 취화와 같은 불편함이 없다. 그래서, 본 발명의 전지는 또한 다목적성의 측면에서도 보다 우수하다.
본 발명은 금속재킷에 조절된 전극어셈블리 및 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서, 금속재킷은 리튬 7 내지 20 중량%를 포함하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고, 금속층은 금속재킷의 부식을 예방하기 위하여 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성된 것을 특징으로 한다. 전극어셈블리는 일반적으로 양전극, 음전극 및 세퍼레이터를 포함하여 구성된다.
본 전지에서, 리튬함유 마그네슘계 합금은 바람직하게는 리튬 7 내지 15 중량%와, Al, Zn, Mn, Zr, Ca, Si 및 희토류원소의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함한다.
또는, 리튬함유 마그네슘계 합금은 리튬 12 내지 16 중량% 포함하는 2원합금이어도 좋다.
금속재킷의 부식을 방지하기 위한 금속층은 바람직하게는 Ni 또는 Cu를 포함하여 구성된다.
게다가, 금속층은 바람직하게는 클래딩, 도금 또는 증착에 의해 형성된다.
본 발명은 또한 금속재킷에 조절된 전극어셈블리 및 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서, 금속재킷은 리튬 7 내지 15 중량%; 및 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고; 두께 2 내지 20㎛를 가지는 Ni층이 클래딩에 의해 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성되고; 금속재킷은 전극어셈블리의 음전극에 전기로 연결된 것을 특징으로 한다.
이러한 구조에서, 리튬함유 마그네슘계 합금은 바람직하게는 틱소몰딩에 의해 생산된다.
바람직하게는, 금속재킷은 바닥/측벽 두께비(바닥벽 두께/측벽 두께) 1.1 내지 2.0을 가지는 무개형(open top) 바닥캔(bottomed can)의 형상이며, 리튬함유 마그네슘계 합금은 틱소몰딩에 의해 생산된다.
본 발명은 또한 리튬2차전지의 제조방법을 나타내며, (1)리튬 7 내지 15 중량% 및 틱소몰딩에 의해 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트를 제조하고; (2)클래딩에 의해 하나 이상의 면에 시트로 완전히 Ni층을 형성하고; (3)드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 방법에 의해 시트로부터 그 내부벽에 형성된 Ni층으로 무개형 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하고; (4) 금속재킷에 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 배치하는 것을 포함하여 구성된다.
본 발명은 또한 금속재킷에 조절된 전극어셈블리 및 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서, 금속재킷은 리튬 7 내지 20 중량% 함유하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고; 절연층은 그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성된 것을 특징으로 한다.
이러한 구조에서, 리튬함유 마그네슘계 합금은 바람직하게는 리튬 7 내지 15 중량%와, Al, Zn, Mn, Zr, Ca, Si 및 희토류원소의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유한다.
또는, 리튬함유 마그네슘계 합금은 리튬 12 내지 16 중량% 함유하여도 좋다.
절연층은 바람직하게는 금속산화물 또는 수지를 포함하여 구성된다.
본 발명은 또한 금속재킷에 조절된 전극어셈블리 및 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지를 나타내며, 금속재킷은 리튬 7 내지 15 중량% 및 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고, 두께 5㎛ 이상을 가지는 수지층은 그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성된 것을 특징으로 한다.
이러한 구조에서, 리튬함유 마그네슘계 합금은 바람직하게는 틱소몰딩에 의해 형성된다.
바람직하게는, 금속재킷은 바닥/측벽 두께비(바닥벽 두께/측벽 두께) 1.1 내지 2.0을 가지는 무개형 바닥캔의 형상이며, 리튬함유 마그네슘계 합금은 틱소몰딩에 의해 생산된다.
본 발명은 또한 리튬2차전지의 제조방법을 나타내며, (1)리튬 7 내지 15 중량% 및 틱소몰딩에 의해 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트를 제조하고; (2)하나 이상의 면에 시트로 완전히 수지층을 형성하고; (3)드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 방법에 의해 시트로부터 그 내부벽에 형성된 수지층으로 무개형 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하고; (4)금속재킷에 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 배치하는 것을 포함하여 구성된다.
본 발명은 또한 리튬2차전지의 제조방법을 나타내며, (1)리튬 7 내지 15 중량% 및 틱소몰딩에 의해 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트를 제조하고; (2)드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 방법에 의해 시트로부터 무개형 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하고; (3)그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 수지층을 형성하고; (4)금속재킷에 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 배치하는 것을 포함하여 구성된다.
본 발명의 신규한 특징이 특히 첨부된 청구항에 설명되지만, 본 발명은 도면과 함께 이하의 발명의 상세한 설명으로부터, 다른 목적 및 특징과 함께 구성 및 내용에 따라서 보다 더 이해되고 인정될 것이다.
본 발명은 리튬2차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 리튬 함유 마그네슘계 합금으로 이루어진 리튬2차전지의 금속재킷에 관한 것이다.(Mg-Li 합금)
도 1은 금속재킷을 얻기 위한 복합 드로잉 및 아이어닝법을 수행하는 다이에 의해 형성된 오리피스로 삽입되기 전 합금으로 이루어진 컵을 나타내는 도이다.
도 2는 금속재킷을 얻기 위한 복합 드로잉 및 아이어닝법으로 최종다이에서 오리피스를 관통하는 합금으로 이루어진 컵을 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬2차전지의 금속재킷을 나타내는 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬2차전지의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
[발명의 최량의 실시형태]
본 발명에서 사용하는 금속재킷은 리튬 7 내지 20 중량% 함유하는 마그네슘계 합금으로 이루어진다. 마그네슘계 합금은 초가소성을 가진다. 합금에서 리튬의 양은 7 중량% 미만일 경우, 합금의 기계적 작업성은 더 낮다. 반면에, 합금에서 리튬의 양은 20 중량% 이상일 경우, 합금의 내부식성은 불충분하다.
마그네슘계 합금이 실질적으로 Mg 및 Li로만 구성된 2원합금인 경우에, 합금에서 Li의 양이 바람직하게는 12 내지 16 중량%이다. 반면에, 마그네슘계 합금이 3 또는 4 원소를 포함하여 구성되는 경우에, 합금에서 Li의 양이 바람직하게는 7 내지 15 중량%이다. 그러한 3 또는 4 원소를 포함하여 구성되는 다원 합금은 바람직하게는 2원 합금보다 Li의 양이 더 낮다.
이하에서, 본 발명에서 사용하는 합금의 어느 것도 피할 수 없는 불순물을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 다원합금은 리튬 7 내지 15 중량% 외에 Al, Zn, Mn, Zr, Ca, Si 및 희토류 원소 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소인 X원소를 함유한다. 희토류 원소는 이하에서 란탄노이드 성분(57La부터71Lu), Sc 및 Y를 포함한다.
원소 X로서 상술한 원소 및 상술한 범위내에서 그 양으로부터 하나 이상의 원소를 적절히 선택함으로써, 원하는 기계적 작업성과 내부식성을 가지는 합금을 얻을 수 있다.
합금의 강도를 개선할 목적으로, 원소 X로서 Al의 사용이 특히 바람직하다. 합금의 기계적 성질을 개선할 목적으로, 원소 X로서 Zn의 사용이 특히 바람직하다. 합금의 내부식성을 개선할 목적으로, 원소 X로서 Mn의 사용이 특히 바람직하다.
합금에서 원소 X의 양이 0.3 미만일 경우에, 원소 X의 첨가의 효과는 불충분하게 된다. 반면에, 합금에서 원소 X의 양이 5 중량% 이상일 경우에, 얻어진 합금은 낮은 기계적 작업성을 나타내는 경향이 있다.
본 발명에서 사용하는 금속재킷에 적절한 특정 합금의 예들은:
합금(a) : Mg 84 내지 88 중량% 및 Li 12 내지 16 중량% 포함하여 구성되는 2원 합금;
합금(b) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Al 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 3원 합금;
합금(c) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Zn 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 3원 합금;
합금(d) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Mn 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 3원 합금;
합금(e) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Zr 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 3원 합금;
합금(f) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 밋쉬금속(Mm : 희토류 원소의 혼합물) 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 다원 합금;
합금(g) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Y 0.3 내지 5.0중량% 포함하여 구성되는 3원 합금;
합금(h) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Al과 Zn 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 4원 합금;
합금(i) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Al과 Mn 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 4원 합금;
합금(j) : Mg 80 내지 92.7 중량%, Li 7 내지 15 중량% 및 Al과 Mm 0.3 내지 5.0 중량% 포함하여 구성되는 4원 합금을 포함한다.
금속재킷을 얻는 방법이 어느 특정방법에 한정되지 않을 지라도, 바닥캔의 형상으로 합금 시트의 기계적 공정을 사용하는 방법이 일반적으로 수행된다. 바람직한 기계적 공정은 드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트를 포함한다.
일반적으로, 리튬함유 마그네슘계 합금은 원통형 또는 직사각형 등의 무개형 바닥캔의 형상, 또는 무개형 아나로그형상의 금속재킷으로 형성된다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 복합 드로잉 및 아이어닝법의 예들이 기술된다. 이하에 무개형 바닥 원통형 금속재킷이 이 공정에 의해 형성되는 경우가 기술된다.
먼저, 바닥 원통형 컵(11)이 합금시트로부터 형성된다. 도 1 및 도 2는 단면으로 관련부분을 가진, 원하는 형상으로 바닥 원통형 컵(11)을 형성하는 공정을 나타낸다.
도 1 및 도 2에서, 4개의 아이어닝 다이(12a 내지 12d)는 동축으로 층층이 배치된다. 도 1에서 나타나는 바와 같이, 컵(11)은 아이어닝 다이(12a)의 상부부분에 사용된 다음 펀치(13)에 의해 다이에 의해 형성된 중앙 오리피스로 내리눌러진다. 오리피스의 직경은 연속적인 다이에서 보다는 컵(11)이 빨리 관통하는 다이에서 더 크다. 마지막 다이(12d)에서 오리피스의 직경이 원하는 금속재킷의 외부직경에 대응하는 반면에, 펀치(13)의 직경은 원하는 금속재킷의 내부직경에 대응한다. 따라서, 컵(11)의 내부 및 외부직경은 컵(11)이 오리피스를 관통할 때 연속하여 더 작게 됨으로써, 원하는 금속재킷이 얻어진다. 도 2는 마지막 다이(12d)에서 오리피스를 관통하는 컵(11')을 나타내며, 감소된 내부 및 외부 직경을 가지며 수직으로 연장된다. 펀치(13)를 컵(11')으로부터 뽑아낼 때, 원하는 금속재킷을 얻는다. 컵(11')의 측벽은 아이어닝에 의해서 컵(11)의 것보다 더 얇게 만들어진다. 그러나, 바닥벽의 두께는 상당히 변하지 않는다.
복합 드로잉 및 아이어닝 등에 의해 얻어진 금속재킷의 측벽은 바닥벽보다 더 얇다. 더 높은 작업성의 합금이 더 높은 바닥/측벽 두께비(바닥벽두께/측벽 두계)를 제공하는 경향이 있다. 더 높은 바닥/측벽 두께비는 전지의 다운사이징 및 중량감소에서 보다 효과적이다. 바람직한 바닥/측벽 두께비 범위는 1.1 내지 2.0이다. 바닥/측벽 두께비가 1.1 미만일 때, 중량감소효과는 만족스럽지 못할 것 같다. 비가 2.0 이상일 때, 전지의 기계적 강도 및 신뢰도는 낮게 될 것 같다.
더욱이 작업성과 기계적 강도 및 전지의 보다 안정화된 질의 개선의 관점에서, 리튬함유 마그네슘계 합금은 바람직하게는 틱소몰딩에 의해 제조된다. 특히, 합금은 바람직하게는 큰 틱소트로피를 가지는 반용융합금의 사출성형에 의해 얻어진다.
두 방법이 주로 틱소몰딩에 의해 제조된 합금으로부터 금속재킷을 형성하도록 사용될 수 있다. 하나는 금속재킷의 형상에 대응하는 내부형상을 가지는 성형으로 직접 반용융 합금을 사출하는 것이다. 다른 하나는 미리 반용융 합금의 사출성형을 사용함으로써 합금시트를 제조한 다음 상술한 바와 같이 금속재킷을 형성하기 위해 얻어진 합금시트의 기계적 공정을 실행하는 것이다. 생산성 면에서, 후자의 방법, 즉 기계적 공정을 사용하는 방법이 일반적으로 사용된다.
리튬2차전지의 금속재킷용으로 리튬함유 마그네슘계 합금을 사용함에 있어서, 합금의 내부식성과 전지의 구조를 고려할 필요가 있다. 이러한 이유에서, 본 발명에서 사용된 금속재킷은 그 내부벽에 금속재킷의 부식을 방지하는 금속층으로 완전히 형성된다. 또는, 금속재킷은 그 내부벽에 절연층으로 완전히 형성된다.
금속재킷(11c)을 가지는 그러한 금속재킷은 도 3에 개략적으로 도시되며, 금속재킷(11c)의 두께는 정확하게 묘사되지 않는다. 참조부호 11a 와 11b는 각각 금속재킷의 바닥벽과 측벽을 가리킨다. 상술한 바와 같이, 측벽두께(TB)는 바닥벽두께(TA)보다 작다.
내부벽에 그러한 금속층으로 완전히 형성된 금속재킷이 먼저 기술된다.
리튬함유 마그네슘계 합금은 전해질 등의 엘리먼트를 발생하는 파워와 접촉할 경우 쉽게 부식된다. 그러므로, 금속재킷의 내부벽에 형성된 금속층은 전지의 엘리먼트를 발생하는 파워에 대하여 안정한 금속을 포함하여 구성될 것이 필요하다. 이러한 점에서, 금속층은 바람직하게는 예로서 Ni 또는 Cu를 포함하여 구성되는 층이다. 범용의 전지를 얻음에 있어서, 내부벽에 Ni층을 가지는 금속층이 음전극에 연결되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 금속층은 클래딩법에 의해 형성되고, 둘 이상의 더 얇은 금속시트가 서로 완전히 접히고 결합한다. 특히, Ni, Cu 등의 금속시트는 클래드판을 형성하도록 마그네슘계 합금의 시트에 포개지고, 차례로 내부벽에 금속층을 가지는 금속층으로 형성된다. 또는, 그러한 금속층은 도금 등의 화학공정이나 증착 등의 물리적 공정에 의해 마그네슘계 합금의 시트에 형성될 수 있다. 대신에, 금속페이스트는 마그네슘계 합금의 시트에 응용될 수 있다. 또는, 금속재킷이 상술한 방식으로 형성된 다음 금속층이 도금이나 증착에 의해 금속재킷의 내부벽에 형성되는 것이 가능하다.
금속층의 두께는 바람직하게는 2 내지 20㎛이다, 금속층의 두께가 2㎛ 미만일 때, 금속재킷의 부식방지효과는 불충분하게 될 것 같다. 반면에, 두께가 20㎛ 이상일 때, 내부식효과는 만족되지만, 전지의 중량감소효과는 손상된다. 적절한 내부식 효과를 보장하기 위하여, 금속층은 바람직하게는 5 내지 20㎛의 두께를 가지도록 만들어진다.
차례로, 그 내부벽에 절연층으로 완전히 형성된 금속재킷이 이하에 기술된다.
절연층은 전지의 엘리먼트를 생성하는 어떠한 파워에 대해서도 안정한 재료를 포함하여 구성될 것이 요구된다. 이러한 관점에서, 절연층은 바람직하게는 예컨대 금속산화물이나 수지를 포함하여 구성되는 층이다. 손쉽게 다루는 관점에서, 수지층의 사용은 특히 바람직하다.
금속산화물층의 형성은 편리하게는 예컨대 금속재킷의 내부벽을 양전기로 산화하는 공정에 의해서 달성된다. 수지층의 형성은 바람직하게는 금속재킷의 내부벽에 수지분산을 분무하고 건조후에 분산의 수지성분의 녹는점과 같거나 높은 온도까지 분무된 수지분산을 가열하는 것을 포함하는 공정에 의해 달성된다. 이 공정으로, 수지원소는 가열에 의해 녹고 금속재킷의 내부벽에 견고하게 합성된 필름으로 변한다.
폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등은 전해질에 대한 우수한 내부식성의 관점에서 수지층을 형성하는 수지로서 적절하다.
바람직하게는, 절연층의 두께는 5㎛ 이상이다. 두께가 5㎛ 미만일 경우, 내부식성 효과는 불충분하게 되기 쉽다. 예컨대, 두께가 200㎛ 이상일 경우, 전지는 원하는 대로 보다 높은 에너지 밀도를 가지기 어렵다.
본 발명에 따른 리튬2차전지를 제조하는 바람직한 방법의 몇몇 예들이 이하에 기술된다.
실험예 1
먼저, 리튬 7 내지 15 중량% 와 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트가 바람직하다.
다음에, 바람직한 시트와 Ni시트가 하나 이상의 면에 Ni층을 가지는 클래드판을 형성하기 위하여 서로 접고 결합한다.
이어서, 내부벽에 Ni층을 가지는 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하기 위해 클래드판은 드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적공정이 뒤따른다.
마지막으로, 전극어셀블리와 비수용성 전해질은 금속재킷에 배치된다.
실험예 2
먼저, 리튬 7 내지 15 중량% 와 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트가 제조된다.
다음에, 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하기 위해 제조된 시트는 드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 공정이 뒤따른다.
이어서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 수지성분을 함유하는 수지분산이 금속재킷의 내부벽에 분무되고, 건조가 행해진 다음, 분무된 수지성분은 수지성분의 녹는점과 같거나 높은 온도까지 가열된다.
마지막으로, 전극 어셈블리와 비수용성 전해질은 금속재킷에 놓여진다.
원통형 리튬2차전지의 구조의 예들은 단면으로 부분적으로 구조를 도시하는 도 4를 참조하여 이하에 기술된다.
도 4에서, 전지케이스(1)는 내부벽에 Ni층을 가지는 금속재킷이다. Ni층은 금속재킷의 두께에 대하여 상대적으로 매우 얇기 때문에, Ni층의 서술은 도 4로부터 생략된다.
전지케이스(1)가 전극어셈블리(4)와 비수용성 전해질을 포함하는 엘리먼트를 생성하는 파워가 조절되는 범위내에서, 비수용성 전해질은 도 4에 서술되지 않는다. 전극어셈블리(4)는 양전극판(5), 음전극판(6) 및 세퍼레이터(7)를 포함하여구성되며, 양전극판(5)과 음전극판(6)은 그 사이에 삽입된 세퍼레이터(7)와 함께 배치되고 감긴다.
짧은 회로를 방지하기 위하여 절연링(8)은 위에 배치되고 전극어셈블리(4)는 아래에 배치된다. 양전극판(5)에 연결된 양전극리드(5a)는 상부 절연링(8)을 통하여 연장되고 양터미널로서 작용하는 밀봉판(2)에 전기로 연결된다. 반면에, 음전극판(6)에 연결된 음전극리드(6a)는 낮은 절연링을 통하여 연장되고 음터미널로서 작용하는 전지케이스(1)에 전기로 연결된다. 전지케이스(1)의 개구부분과 밀봉판 (2)사이의 틈은 절연팩킹(3)으로 밀봉된다.
이하에, 본 발명은 실시예로서 정확하게 기술된다.
실시예 1
금속재킷은 리튬함유 마그네슘계 합금을 사용하여 형성되며, 원통형 리튬2차전지 A는 금속재킷을 사용하여 제조되었다.
금속재킷의 형성에서, Mg 84.8 중량%, Li 14 중량% 및 Al 1.2 중량% 포함하여 구성되는 3원소 합금이 사용되었다. 이 합금은 두께 0.5 mm를 가지는 얇은 시트를 부여하도록 틱소몰딩이 행해졌다. 다음에, 20㎛ 두께의 니켈호일을 얇은 시트의 한면에 포개놓고, 클래드판을 제공하기 위하여 회전하였다. 이 클래드판은 디스크로 구멍이 뚫렸고, 얻어진 디스크는 외부직경 13.8mm 와 높이 54.0mm를 가지는 무개형 바닥캔의 형상으로 원통형 금속재킷을 부여하기 위하여 복합드로잉과 아이어닝법이 행해졌다. 이 공정은 니켈호일측면이 얻어진 금속재킷의 내부면을 형성하도록 수행되었다. 금속재킷의 개구말단부분이 끊어졌다.
그 결과, 외부직경 13.8mm, 높이 49.0mm, 바닥벽두께 0.5mm, 측벽 두께 0.4mm, 및 바닥/측벽 두께비 1.25를 가지는 원통형 금속재킷이 얻어졌다. 측벽두께는 수직높이로 중앙에서 측정되었고 측벽의 평균두께인 것으로 여겨졌다. 그렇게 얻어진 금속재킷은 알루미늄계 합금으로 만들어진 종래의 금속재킷의 약 1/2 만큼 작게 현저히 감소되었다.
다음에, 엘리먼트를 생성하는 파워로써 양전극 및 음전극 및 세퍼레이터가 이하와 같이 제조되었다.
사용된 양전극은 알루미늄호일에 LiCoO2, 아세틸렌 블랙 및 플루오로카본 중합체를 포함하여 구성되는 페이스트를 가하고, 건조, 회전 및 예정된 크기로 절단함으로써 얻어졌다.
사용된 음전극은 구리호일에 구형그라파이트, 스틸렌-부탄디엔 고무, 카르복시메틸셀룰로오즈 및 물을 포함하여 구성되는 페이스트를 가하고, 건조, 회전 및 예정된 크기로 절단함으로써 얻어졌다.
사용된 세퍼레이터는 두께 0.027mm를 가지는 세공 폴리에틸렌 필름이었다.
사용된 전해질은 에틸렌카르보네이트 및 디에틸카르보네이트를 몰비 1:3으로 혼합하고 1몰/리터의 농도로 혼합물로 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해함으로써 제조되었다.
원통형 리튬2차전지는 이하와 같이 금속재킷의 사용과 함께 조립되었다.
먼저, 둘 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 양전극과 음전극의 스택은 음전극이 어셈블리의 가장 바깥쪽 층을 형성하도록 전극어셈블리를 부여하기 위해 감겨졌다. 그렇게 형성된 전극어셈블리는 상술한 금속재킷에 놓여졌다. 이는 금속재킷과 음전극 사이에 직접적인 전기적 연결을 만들었다. 이어서, 전해질은 금속재킷으로 주입되었다. 한편, 양전극은 알루미늄의 양전극리드에 연결되었고, 양터미널로써 작용하는 밀봉판에 연결되었다. 금속재킷의 무개형은 다음에 밀봉판으로 밀봉되었다. 동시에, 절연팩킹은 밀봉판과 금속재킷의 주변부분 사이에 놓여졌다.
그렇게 얻어진 전지 A는 직경 14mm, 높이 50mm 와 전지용량 600mAh 를 가지는 AA크기의 원통형 전지였다.
비교예 1
종래의 알루미늄계 합금은 전지A와 동일한 형상 및 같은 바닥벽 두께와 측벽 두께를 가지는 금속재킷을 형성하도록 사용되었다. 이 금속재킷의 사용과 함께, 리튬2차전지 B는 실시예 1과 동일한 방식으로 조립되었다. 전지B에서 사용된 알루미늄계 합금은 마그네슘을 함유하는 Al 3003 합금이었다.
알루미늄계 합금이 전지 B에서 금속재킷용으로 사용되었기 때문에, 전지 B에서 양전극과 음전극 사이의 관계는 전지 A에서의 것과 반대로 되었다. 따라서, 금속재킷은 양전극판에 직접 전기로 연결되었다. 이 전지 B의 용량은 600mAh였다.
전지 A와 B 는 금속재킷의 원료가 서로 다르다. 전지 A 의 금속재킷은 전지 B의 것보다 가벼워서 전지의 중량 에너지밀도의 관점에서 장점을 가진다.
더욱이, 실시예 1과 비교예 1의 금속재킷이 측벽 두께 0.4mm와 용량 600mAh를 가지도록 양자가 동등하게 만들어졌음에도 불구하고, 전지 A는 기계적 강도에서전지 B보다 우수하다. 그러므로, 전지 A의 금속재킷을 더욱 얇게 만들 수 있다.
금속재킷의 원료의 차이점 때문에, 전지 A가 전지 B 와 동등한 용량을 가지는 사실에도 불구하고 전지 A는 전지 B보다 약 0.5g 가볍다.
다음에, 각 전지의 충전/방전 주기 라이프를 측정하였다.
특히, 전지 A와 B를 각각 전압 4.2V까지 20℃에서 전류 0.6 A 이하에서 일정전압 및 일정전류충전을 행한 다음, 최종 전압 3V까지 내려가서 20℃에서 전류 120mA에서 일정전류 방전을 행하였다. 이 충전/방전 주기를 500회 반복하였다. 이 주기라이프 시험은 전지 A와 전지 B 양자가 500번째 주기까지 매우 안정한 수행을 나타내는 것을 입증하였다. 그래서, 전지A와 B가 실제적으로 동등한 충전/방전 주기 라이프를 가짐이 발견되었다. 다른 전지 성질의 평가에서, 두 전지 사이에 어떤 현저한 차이점은 발견되지 않았다.
그래서, 열악한 내부식성을 가지는 것으로 종래부터 여겨졌던 리튬함유 마그네슘계 합금으로 이루어진 금속재킷의 사용이 높은 에너지밀도와 높은 신뢰도 양자를 가지는 전지를 제공할 수 있음이 입증되었다.
실시예 2-29 및 비교예 2-7
원통형 리튬2차전지의 금속재킷용으로 사용되는 합금의 조성물을 검토하였다.
이 검토에서, 표 1에 나타낸 Mg-Li(x) 2원 합금, 표 2에 나타낸 Mg-Li(x)-X1(y) 3원소합금, 표 3에 나타낸 Mg-Li(x)-X1(y)-X2(z) 4원소합금이 사용되었다. 이들 표에서, X1및 X2은 독립적으로 Al, Zn, Mn, Zr, Mm 또는 Y를 나타내며, x, y 및 z는 각각 합금에서 Li, X1및 X2의 중량%의 양을 나타내며, 합금의 밸런스는 Mg이다. 이 검토가 사용된 합금의 조성물을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건을 사용했다는 것을 주목해야 할 것이다.
먼저, 금속재킷을 실시예 1과 동일한 방식으로 표 1 내지 표 3에 나타낸 각각의 조성물의 합금을 사용하여 형성하였다. 그 중에서, 어떤 문제도 없이 형성될 수 있었던 금속재킷을 실시예 1과 동일한 방식으로 전지를 제조하기 위해 사용하였다. 그렇게 얻어진 전지를 실시예 1처럼 측정하였다.
표 1
전 지 금속재킷용으로 사용된 합금의 조성물(괄호에서 x는 중량%로 Li의 양을 나타내며 밸런스는 Mg이다)
비교예 2 C1 Mg-Li(x) x=5
실시예 2 C2 x=10
실시예 3 C3 x=15
실시예 4 C4 x=20
비교예 3 C5 x=25
비교예 4 C6 x=30
금속재킷의 제조에서, Mg-Li(x=5) 합금(전지 C1에 대응)은 기계적 공정에서 결함을 가졌다. Mg-Li(x=10) 합금(전지 C2에 대응)은 Mg-Li(x=5) 에 비하여 다소 개선된 작업성을 나타냈지만, 아직도 불충분하였다. Mg-Li(x=15 이상) 합금(전지 C3 내지 C6에 대응)의 어느 것도 우수한 작업성을 나타내었다.
3원 및 4원 합금 중에서, 단지 Mg-Li(x=5)-Al(y=1) 4원 합금(전지 D1에 대응)은 작업성에서 결함을 가졌다.
전지 C1, C2 및 D1을 제외하고 표 1 내지 표 3에 나타낸 모든 전지를 조립한 다음 실시예 1과 동일한 방식으로 평가하였다.
그 결과, 전지 C5, C6, D5, D7, D11, D12, D17 및 E5를 제외한 어떤 전지도 아무런 문제없이 충전/방전 주기를 실현하여서, 긴 충전/방전 주기라이프를 나타내는 것을 알 수 있었다.
반면에, 전지 C5, C6, D5, D7, D11, D12, D17 및 E5의 어느 것도 500번째 주기까지 다소 감소된 전기 용량을 나타내었다. 이들 전지의 각각이 분해될 경우,금속재킷은 부식되는 것을 알 수 있었다.
그렇게 얻어진 결과로부터, 각 합금의 조성물을 보다 세밀하게 검토하였다. 그 결과, 이하의 고찰을 얻을 수 있었다.
넓게 분류한 경우, 금속재킷용으로 사용되는 조성물을 결정하는 두 개의 주요한 펙터가 있다. 하나는 기계적 작업성이고, 다른 하나는 내부식성이다. 이들 두가지 요구를 만족하는 최적의 조성물은 주요한 성분으로서 마그네슘을 함유하며, 리튬 7 내지 20 중량% 함유하는 것이다. 그 중에서, 마그네슘계 2원 합금은 바람직하게는 리튬 12 내지 16 중량%를 함유한다. 3개 이상의 원소를 포함하여 구성되는 마그네슘계 다원 합금은 바람직하게는 리튬 7 내지 15 중량%, 원소 X 0.3 내지 5 중량%을 포함하고, 원소 X는 Al, Zn, Mn, Zr, Ca, Si 및 희토류 금속원소로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 한다. 4원 합금에 대한 2원의 결과가 상술한 표에 나타나 있음에도 불구하고, 예컨대, x=10, y=2, z=0.5 및 v=0.5인 Mg-lI-(x)-Al(Y)-Zn(z)-Mn(v) 2원합금을 사용하는 전지 E8은 전지 E6 또는 E7의 것과 동등한 성과를 나타내는 것을 확인하였다는 것을 주목하여야 할 것이다.
이하의 지식이 연구로부터 얻어졌다.
Mg에 대한 Li의 첨가는 얻어지는 합금의 밀도를 감소할 수 있다. Li의 첨가는 첨가된 Li의 증가량과 함께 밀집구조의 α-상으로부터 체심입방구조의 β-상까지 변화하는 결정구조를 일으킨다고 알려져 있다. 이 β-상은 냉각가공에서 합금의 작업성을 개선하는 데에 있어서 큰 도약을 제공한다. 실제적으로 첨가되는LI의 양은 얻어질 합금에서 약 10 내지 15 중량%이다.
리튬함유 마그네슘계 합금에 첨가된 3원 x의 첨가의 효과는 간단히 이하에 기술된다.
예컨대, Al은 강도와 내부식서을 개선하는 효과를 가지지만 합금의 연성, 전성 및 내충격을 감소시킨다. Zn은 기계적 성질을 개선하고, Mn은 합금의 내부식성을 개선한다. Si는 금속간화합물(Mg2Si)을 형성함으로써 합금의 크리프성질을 개선한다. 희토류금속원소는 합금의 내부식성 만큼 강도의 개선에 공헌한다.
다음에, 리튬함유 마그네슘계 합금과 관련하여, 주요 주조법과 틱소몰딩법을 서로 비교하여 검토하였다.
Mg 84.8 중량%, Li 14 중량%, 및 Al 1.2 중량%를 함유하는 3원 합금을 높은 주파수 유도로를 사용하여 주요 주조법에 의해 얻었고, 그렇게 얻어진 합금을 두께 0.5mm를 가지는 시트를 제공하기 위해 기계적으로 회전시켰다. 한편, 틱소몰딩법을 두께 0.5mm를 가지는 동일한 조성물의 합금 시트를 제공하기 위해 사용하였다.
금속재킷의 두께의 한계를 결정하기 위하여, 이들 시트에 각각의 금속재킷을 형성하도록 실시예 1과 같이 복합 드로잉과 아이어닝법을 행하였다. 이 경우에, 바닥벽 두께(TA)/측벽 두께(TB)의 비의 한계가 결정되었다. 그 결과, TA/TB의 비의 한계는 실질적으로 주조법에 의해 얻어진 시트는 1.5였다. 한편, 틱소몰딩법에 의해 얻어진 시트는 아무런 문제없이 약 2.5 내지 3.0의 TA/TB 비를 달성할 수 있었고 그래서 보다 높은 작업성을 나타내었다. 한계는 파괴, 크랙등의 발생에 의해 판단하였다. 틱소몰딩법에 의해 제조된 합금은 주요한 주조법에 의해 제조되었지만 동일한 조성물을 가지는 합금보다 더 얇은 벽을 가지는 금속재킷을 제공할 수 있었다는 상술한 바로부터 입증이 되었다. 약 1.1 내지 2.0 의 TA/TB 비를 가지는 금속재킷은 충분한 중량감소효과를 얻을 수 있었다.
실시예 30-32
금속재킷의 부식성을 방지하기 위하여 금속재킷의 내부벽에 가해지는 금속층의 종류와 금속층의 최적 두께를 원통형 리튬 이차전지를 사용하여 검토하였다.
금속재킷용으로 사용된 합금은 실시예 1에서 사용된 것과 동일하였다. 금속의 3종류, 즉, Ni, Cu 및 Al은 금속재킷의 내부벽에 가해지게 될 금속으로서 선택되었다. 클래딩에 의해 금속재킷과 함께 금속층을 통합함으로써, 금속재킷의 제조조 후에 얻어진 금속층의 두께는 약 10㎛로 조정되었다.
먼저, 각 금속의 적합성을 시험하였다.
그 결과, 각각 Ni층과 Cu층을 가지는 전지 F1(실시예 30에 대응)과 F2(실시예 31에 대응)은 안정된 충전/방전 주기성질을 포함하는 만족스러운 성질을 나타냄을 알 수 있었다. 반대로, 내부벽에 Al층을 가지는 전지 F3(실시예 32에 대응)은 불만족스러운 충전/방전 주기성질을 가짐을 알 수 있었다. 생각건대, 알루미늄은 리튬과 함께 화합물을 형성하였고 부서지기 쉽게 되었고, 알루미늄과 반응한 리튬은 안정화되었고 그래서 전지의 방전반응에 불활성적이기 때문에, 전지 F3은 만족스러운 성과를 나타내지 않았다.
그러나, 앞서의 경우와 같이 음전극에의 연결 대신에, Al이 금속층에 사용된 경우 금속층이 양전극(즉, 금속재킷이 양터미널에 연결됨)에 연결되면 만족스러운 주기라이프를 나타내는 전지를 제공할 수 있다는 것이 알려져 있다.
실시예 33-42
상기에서 얻은 결과에 근거하여, 금속층으로서 Ni층을 선택하여, 금속층의 두께를 최적화하기 위해 조사를 행하였다.
금속재킷은 내부벽의 Ni층이 각각 평균 두께 0.5, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 및 50㎛을 가지도록 형성되었다. 실시예 1과 동일한 방식으로, 전지를 조립한 다음 충전/방전 주기라이프 시험을 행하였다. 두께 0.5, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 및 50㎛의 Ni층을 가지는 전지는 이하에서 각각 전지 G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8, G9 및 G10으로 칭하고, 이는 각각 실시예 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 및 42에 대응한다.
그 결과, 각각 두께가 0.5㎛인 Ni층과 두께가 1㎛인 Ni층을 가지는 전지는 상대적으로 낮은 주기 라이프 성질을 나타내었고, 두께가 얇으면 얇을수록, 주기 라이프 성질은 낮아진다. 반면에, 두께 2㎛ 이상을 가지는 Ni층을 가지는 전지는 주기 라이프에 대하여 안정하고 어떤 문제도 없다. 따라서, Ni층 두께의 하한은 2㎛이다. 확실히 핀홀 등의 발생을 방지하기 위하여, Ni층 두께는 바람직하게는 5㎛이상이다. 두께가 증가함에 따라서 부식가능성이 감소함에도 불구하고, 너무 두꺼운 Ni층은 전체 금속재킷의 중량을 상당히 증가시킬 것이기 때문에 Ni층 두께의 상한은 바람직하게는 약 20㎛이다.
Ni층이 금속층으로서 선택되고 상기 시험에서 클래딩에 의해 금속재킷으로 통합되었음에도 불구하고, Cu층도 금속층으로서 우수하며, 금속층은 클래딩 대신에 도금, 증착에 의해 효과적으로 형성될 수 있다.
실시예 43
금속재킷의 내부벽에 가해질 절연층의 종류와 층의 최적의 두께를 원통형 리튬2차전지를 사용하여 검토하였다.
수지를 절연층으로서 선택하였다. 이 경우에, 금속재킷을 미리 실시예 1과 동일한 방식으로 형성하였다.
폴리에틸렌 미세 분말을 비스코스슬러리를 제조하기 위하여 카르복시메틸셀룰로오즈의 수용액으로 혼합하고, 차례로 금속재킷의 내부벽에 가하였다. 금속재킷의 내부벽이 두께 약 10㎛를 가지는 폴리에틸렌을 포함하여 구성되는 절연층으로 덮힌 결과와 함께, 그렇게 가해진 슬러리를 약 130℃에서 가열로 건조하였다.
이 절연층은 균일하였고, 충분한 기계적 강도를 가졌고, 금속재킷으로 견고하게 통합되었다.
실시예 1과 동일한 방식으로, 리튬2차전지 H를 그렇게 형성한 금속재킷을 사용하여 조립하였다. 이 경우에, 금속재킷의 내부벽은 그 위에 형성된 절연층에 의해 음전극으로부터 전기로 절연되었기 때문에, 음전극과 금속재킷을 전기로 연결하기 위하여 리드를 사용하였다.
실시예 1과 동일한 방식으로, 전지 H의 성과를 충전/방전 주기 라이프를 시험함으로써 측정하였다. 그 결과, 500번째 주기까지 어떤 문제도 발견되지 않았고, 그래서 전지 H가 긴 주기 라이프를 가짐을 확인할 수 있었다.
다른 수지를 검토한 바, 폴리프로필렌은 폴리에틸렌 만큼 우수한 효과를 나타냄이 밝혀졌다. 절연층의 두께는 주기라이프 성질의 관점에서 바람직하게는 5㎛ 이상이다. 절연층의 두께를 증가시킴과 더불어 전지의 에너지밀도가 다소 감소될지라도, 그러한 절연층은 그 유연성에 의하여, 충전/방전 주기과정에 따라 발생되는 전극-활성물질의 팽창으로부터 스트레인을 유리하게 경감하는 부가적인 효과를 제공한다. 그래서, 현저히 두꺼운 절연수지층 조차도 주기 라이프의 관점에서 보면 장점을 제공한다.
앞서의 수지와 같이, 금속산화물도 절연층의 금속과 같이 효과적이다. 금속산화물층을 형성하기 위한 바람직한 공정은 마그네슘계 합금시트의 표면을 직접 산화시키는 것을 포함하여 구성된다. 또한, 절연층을 형성하기 위하여 금속산화물과 수지의 결합은 금속재킷에 대한 절연층의 접착을 개선하는 데에 효과적이다.
본 발명의 실시예가 원통형 리튬 이차전지에 의해 기술되었지만, 본 발명은 또한 직사각형 리튬 이차전지에 효과적으로 응용할 수 있다. 직사각형 전지의 제조에 있어서, 금속재킷으로 형성되어질 합금시트는 바람직하게는 타원형으로 펀치된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래에는 달성되지 않았던, 금속재킷을 보다 가볍고 얇게 만들 수 있는 마그네슘계 합금의 사용에 의해, 높은 신뢰도와 금속재킷으로 형성되어질 합금의 기계적 작업성과 동시에 금속재킷의 내부식성의 개선을달성함으로써 중량감소와 에너지밀도를 증가시키는 안전한 리튬2차전지를 제공할 수 있다.
본 발명이 현실적으로 바람직한 실시예에 의하여 기술되었을지라도, 그러한 개시가 한계로서 해석되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 물론 상기 개시를 읽은 후에, 여러 변형과 개량이 본 발명이 속하는 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 정신 및 범위 내에서 모든 변형과 개량을 포함하여 설명될 것이 의도된다.

Claims (18)

  1. 금속재킷에 조절된 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서,
    금속재킷은 리튬 7 내지 20 중량% 함유하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고, 금속재킷의 부식을 방지하기 위한 금속층이 그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성된 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 마그네슘계 합금은 리튬 7 내지 15 중량%와 Al, Zn, Mn, Zr, Ca, Si 및 희토류원소의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 마그네슘계 합금은 리튬 12 내지 16 중량% 함유하는 2원합금인 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 금속층은 Ni 또는 Cu를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 금속층은 클래딩, 도금 또는 증착에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  6. 금속재킷에 조절된 전극어셈블리 및 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서,
    금속재킷은 리튬 7 내지 15 중량% 및 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고;
    두께 2 내지 20㎛를 가지는 Ni층은 클래딩에 의해 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성되고 ; 또한
    금속재킷은 전극어셈블리의 음전극에 전기로 연결된 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 마그네슘계 합금은 틱소몰딩에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  8. 제 6 항에 있어서, 금속재킷은 바닥/측벽 두께비 1.1 내지 2.0을 가지는 무개형 바닥캔의 형상이고, 마그네슘계 합금은 틱소몰딩에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  9. (1)리튬 7 내지 15 중량% 및 틱소몰딩에 의해 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트를 제조하는 공정과;
    (2)클래딩에 의해 하나 이상의 면에 시트로 완전히 Ni층을 형성하는 공정과;
    (3)드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 방법에 의해 시트로부터 그 내부벽에 형성된 Ni층으로 무개형 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하는 공정과; 또한
    (4) 금속재킷에 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 배치하는 공정을 포함하여 구성되는 리튬2차전지의 제조방법.
  10. 금속재킷에 조절된 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서,
    금속재킷은 리튬 7 내지 20 중량% 함유하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고, 절연층은 그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성된 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 마그네슘계 합금은 리튬 7 내지 15 중량%와 Al, Zn, Mn, Zr, Ca, Si 및 희토류원소의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  12. 제 10 항에 있어서, 마그네슘계 합금은 리튬 12 내지 16 중량% 함유하는 2원합금인 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  13. 제 10 항에 있어서, 절연층은 금속산화물 또는 수지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  14. 금속재킷에 조절된 전극어셈블리 및 비수용성 전해질을 포함하여 구성되는 리튬2차전지로서,
    금속재킷은 리튬 7 내지 15 중량% 및 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 포함하는 마그네슘계 합금으로 이루어지고; 또한
    5㎛ 이상의 두께를 가지는 수지층이 그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 형성된 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 마그네슘계 합금은 틱소몰딩에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  16. 제 14 항에 있어서, 바닥/측벽 두께비 1.1 내지 2.0을 가지는 금속재킷은 무개형 바닥캔의 형상이고, 마그네슘계 합금은 틱소몰딩에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 리튬2차전지.
  17. (1)리튬 7 내지 15 중량% 및 틱소몰딩에 의해 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트를 제조하는 공정과;
    (2)하나 이상의 면에 시트로 완전히 수지층을 형성하는 공정과;
    (3)드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 방법에 의해 시트로부터 그 내부벽에 형성된 수지층으로 무개형 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하는 공정과; 또한
    (4) 금속재킷에 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 배치하는 공정을 포함하여 구성되는 리튬2차전지의 제조방법.
  18. (1)리튬 7 내지 15 중량% 및 틱소몰딩에 의해 Al, Zn, Mn의 총량 0.3 내지 5 중량% 로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 원소를 함유하는 마그네슘계 합금시트를 제조하는 공정과;
    (2)드로잉, 복합 드로잉 및 아이어닝 및 임펙트로부터 선택된 기계적 방법에 의해 시트로부터 무개형 바닥캔의 형상으로 금속재킷을 형성하는 공정과;
    (3)그 내부벽에 금속재킷으로 완전히 수지층을 형성하는 공정과; 또한
    (4) 금속재킷에 전극어셈블리와 비수용성 전해질을 배치하는 공정을 포함하여 구성되는 리튬2차전지의 제조방법.
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