KR20030033491A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 이 리튬 이차 전지는 양극; 두께가 얇은 제1 세퍼레이터; 음극; 및 두께가 두꺼운 제2 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극군을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 전지성능과 안전성이 우수하다.

Description

리튬 이차 전지{A LITHIUM SECONDARY BATTERY}
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지성능과 안전성이 우수한 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써 전력을 발생시키는 것이다. 이들 전지 중에서 금속 리튬 또는 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation)/디인터칼레이션(deintercalation)이 가능한 물질을 양극과 음극에 사용한 전지를 리튬 이차 전지라고 한다.
리튬 이차 전지는 양극에는 리튬 복합금속산화물을 사용하고, 음극에는 탄소계 물질을 사용하고, 전지의 단락을 방지하기 위하여 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 위치하게 한다. 리튬 이차 전지는 유기전해액을 사용하기 때문에 안전성을 확보하기 위해서는 다른 비수계이차소형전지와는 다른 물리적??화학적 특성을 가진 세퍼레이터를 필요로 한다.
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 부응하여 고용량의 박형 전지에 대한 필요성이 높아지고 있다. 이를 실현하는 방법으로 리튬 이차 전지의 양극 활물질 또는 음극 활물질의 용량을 높이는 방법이 주로 연구되고 있다.
한편, 세퍼레이터의 두께를 얇게하여 전지의 용량을 높이는 방법이 이용되고 있다. 그러나 세퍼레이터의 박막화는 세퍼레이터 자체의 찌름강도(pucture strength), 인장강도 등과 같은 기계적 특성을 나쁘게 하고, 이는 전지의 안전성의 관점에서는 치명적인 약점으로 작용할 수 있다. 이러한 이유 때문에 초박막 세퍼레이터를 리튬 이온 이차 전지에 사용하기 위해서는 기계적 성질을 획기적으로 향상시킨 세퍼레이터가 등장하기 전에는 큰 어려움이 있다.
일본특개평 제8-222197호에는 세퍼레이터를 세겹으로 설치함으로써 전지가 단락됐을 때의 이온 차단 효과가 우수하고 파괴 강도, 박리 강도가 우수한 안전한 전지에 관하여 기재되어 있다. 그러나 세퍼레이터를 세겹으로 설치함으로써 평상 사용시의 이온 통과성이 낮고 전지의 두께가 두껍다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지성능과 안전성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 리튬 이차 전지의 젤리-롤(Jelly-Roll) 구조를 나타내는 도면.
*도면의 주요 부분의 명칭*
1. 양극 알루미늄 탭 3. 양극 극판
5. 제1 세퍼레이터 7. 음극 극판
9. 제2 세퍼레이터 11. 음극 니켈 탭
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극; 두께가 얇은 제1 세퍼레이터; 음극; 및 두께가 두꺼운 제2 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극군을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
이한 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 양극; 두께가 얇은 제1 세퍼레이터; 음극; 및 두께가 두꺼운 제2 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극군을 포함한다.
이하 도면을 참조하여 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 리튬 이차 전지의 전극군은 양극(3), 제1 세퍼레이터(5), 음극(7) 및 제2 세퍼레이터(9)가 차례로 젤리-롤 형태로 권취되어 있고, 롤의 중앙에는 양극 Al 탭(1)이 연결되어 있고, 롤의 외부에는 음극 Ni 탭(11)이 연결되어 있다.
젤리-롤 타입의 전극군을 각형의 캔에 넣을 경우 각형의 모서리 부분이 원형을 이루므로 음극 내면의 음극 활물질/양극 활물질의 용량비(N/P ratio)가 크지만, 음극 외면의 음극 활물질 및 양극 활물질의 비율이 작아서 과충전시에 리튬이 석출되는 문제점이 있다. 리튬의 석출량이 과다하면 리튬 이차 전지의 안정성에 치명적인 영향을 주게 된다.
또한, 양극 활물질은 주로 구형인데 반해, 음극 활물질은 섬유형이나 플레이크(flake) 등 여러 가지의 형상을 이루고, 음극이 꺽이는 부위에서는 외부의 활물질에 의한 손상이 일어날 수 있어 전지의 안전성에 치명적인 문제점을 유발할 수있다. 따라서 본 발명에서는 음극 외부에 존재하는 제2 세퍼레이터(9)의 두께를 기존의 세퍼레이터보다 더 두껍게하여 찌름강도(pucture strength), 인장 강도, 연신율 등과 같은 기계적 강도를 향상시켰다. 또한, 음극내부에 존재하는 제1 세퍼레이터(5)의 두께를 기존의 세퍼레이터보다 더 얇게하여 전지의 고용량화를 이룰 수 있도록 하였다.
즉, 음극 외부의 제2 세퍼레이터(9)로는 기계적 강도가 우수한 두꺼운 세퍼레이터를 사용하고, 상대적으로 손상을 입을 가능성이 적은 음극 내부의 제1 세퍼레이터(5)로는 기계적 강도가 떨어지지만 얇은 세퍼레이터를 사용하는 것이 본 발명의 특징이다.
상기 제1 세퍼레이터(5)의 두께는 8~15㎛인 것이 바람직하고, 제2 세퍼레이터의 두께는 16~25㎛인 것이 바람직하다. 제1 세퍼레이터(5) 및 제2 세퍼레이터(9)의 두께비는 1:1.5 내지 1:2가 바람직하다. 상기 두께비의 범위 내에 있어야 전지의 성능과 안전성을 최적화할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지에서 양극으로는 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션 가능한 물질을 사용하고, 음극으로는 리튬이온을 흡장,방출할 수 있는 탄소계 물질을 사용한다.
본 발명에 사용되는 리튬 이차 전지의 세퍼레이터의 재료로는 전지의 이상조건에서 안전성이 확보될 수 있도록 하기 위하여 가열에 의해 구멍이 폐쇄되는 성질을 가진 다공질 시트로 이루어진 것을 사용한다.
상기 다공질 시트로서는 다공질 필름 또는 부직포를 많이 사용한다. 상기다공질 시트의 재료로는 폴리올레핀, 셀룰로오스 및 폴리불화비닐리덴(PVDF)에서 선택되는 적어도 한종류의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 폴리올레핀으로서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등을 들 수 있다. 그 중에서도 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌을 포함하는 다공질 필름이 바람직하다. 특히, 폴리에틸렌이나, 또는 폴리프로필렌 또는 이의 혼합물로 이루어진 다공질 필름은 리튬 이차 전지의 안전성을 향상할 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
폴리불화비닐리덴 바인더를 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 녹인후, 이 바인더 용액에 인조흑연을 첨가하였다. 인조 흑연이 첨가된 바인드 용액에 산화규소를 유기용매에 녹인 용액을 첨가하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 약 100㎛ 두께로 Cu-호일 위에 케스팅하여 음극 극판을 제조하였다. 제조된 음극 극판을 지름 1.6㎝로 펀칭하고, 전해액으로 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합 용매를 사용하였다. 상대전극으로 리튬 금속을 사용하고, 음극 내부 및 외부에 각각 두께가 8㎛인 제1 세퍼레이터 및 16㎛인 제2 세퍼레이터인 폴리에틸렌으로 제조된 세퍼레이터를 삽입하여 글로브 박스 내에서 코인 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
세퍼레이터의 두께가 각각 10㎛인 제1 세퍼레이터 및 20㎛인 제2 세퍼레이터인 것을 음극 내부 및 외부에 삽입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 음극 외부에 위치하는 세퍼레이터의 두께를 두껍게하고, 음극 내부에 위치하는 세퍼레이터의 두께를 얇게하여 전지성능과 안전성이 모두 우수하다.

Claims (3)

  1. 양극; 두께가 얇은 제1 세퍼레이터; 음극; 및 두께가 두꺼운 제2 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극군을 포함하는 리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 제1 세퍼레이터의 두께는 8~15㎛이고, 제2 세퍼레이터의 두께는 16~25㎛인 리튬 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 두께비가 1:1.5 내지 1:2인 리튬 이차 전지.
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