KR20030033715A - 리튬 이차 전지용 음극 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극에 관한 것으로서, 상기 음극은 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 분산된 산화구리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 음극은 도전성이 우수하고, 또한 리튬 이차 전지에 사용될 경우 도전성이 향상되고 고율 방전 특성이 향상되는 효과가 있다.
Description
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 이차 전지용 음극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도전성 및 고율 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극에 관한 것이다.
[종래 기술]
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고성능화 및 대용량화에 대한 필요성이 높아지고 있다. 이중에서도 특히 고율 방전 특성, 특히 저온에서의 고율 방전 특성에 대한 중요성이 더욱 부각되고 있다
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.
리튬은 단위 질량당 전기 용량이 크고, 전기 음성도가 커서 전압이 높은 전지를 제공할 수 있다. 그러나 리튬을 음극 활물질로 사용하는 경우 덴드라이트(dendrite)의 형성으로 인한 전지 단락에 의해 폭발 위험성이 있어서 현재에는 리튬 금속 대신 비정질 탄소 또는 결정질 탄소 등의 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용하고 있다.
리튬 이차 전지는 전해질로 유기용매를 사용하기 때문에 고율 방전 특성이 다른 전지에 비하여 떨어진다. 이와 같은 고율 방전 특성의 약점을 보완하기 위하여 종래에는 세퍼레이터를 얇게 하는 방법을 사용하였으나, 아직까지 휴대용 전자기기에서 요구하는 고율 방전 특성에는 타전지에 비하여 약점을 보이고 있다. 특히, 휴대용 전화기에서 전화를 걸 때 요구되는 저온 고전류 펄스 방전 특성은 보완되어야 할 중요한 성능으로 지적되어 오고 있다.
이를 개선하기 위하여 한국특허공개번호 제1998-074312호에는 은, 동(구리), 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 알루미늄, 황동, 청동, 스테인레스, 니켈 등과 같은 도전성이 우수한 금속 분말을 리튬 이차 전지의 음극에 첨가하여 고율 방전 특성을 향상시킬 수 있었다고 기재되어 있다. 그러나 여전히 고율 방전 특성을 개선하기 위한 노력이 진행되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고율 방전 특성이 우수한 리튬 이차 전지용 음극을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차 전지용 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 분산된 산화구리를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차 전지용 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
리튬 이차 전지용 음극은 일반적으로 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용한다. 그러나 본 발명의 음극은 탄소계 물질에 산화구리가 분산된 것을 특징으로 한다.
상기 탄소계 물질로는 결정질 탄소인 흑연계 물질과 비정질 탄소인 카본계 물질을 주로 사용한다. 흑연계 물질로는 천연흑연, 인조흑연, 흑연화 처리한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead)와 메조페이스 핏치계(mesophase pitch) 탄소섬유 및 흑연 휘스커(whisker) 등이 있다. 카본계 물질로는 여러 가지 종류의 코크스, 메조카본 마이크로비드, 메조페이스 핏치계 탄소 섬유, 기상 성장 탄소 섬유, 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유, 열경화성 수지 탄화물 등이 있다. 상기 흑연계 물질 및 카본계 물질을 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지용 음극은 현재 통상적으로 사용되는 음극 활물질인 탄소계 물질에 도전성을 향상시키기 위하여 산화구리를 음극 활물질 내에 분산시킴으로써 산화구리의 우수한 도전성에 의하여 리튬 이온이 원활히 이동할 수 있도록하여 고율 방전 특성을 개선시킨다. 음극 활물질에 산화구리를 분산시키면 산화물 내에 있던 산소가 빠져나가면서 베이컨시(vacancy)를 형성하게 되어, 이 베이컨시가 리튬 이온의 전도성을 형성 유발시키게 된다. 따라서 산화구리의 우수한 도전성에 의하여 리튬 이온이 원활히 이동할 수 있어 고율 방전 특성이 개선되는 효과가 있다.
본 발명에서 탄소계 물질에 분산된 산화구리의 함량은 탄소계 물질에 대하여 0.1 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 탄소계 물질에 분산된 산화구리의 함량이 0.1 중량% 미만이면 산화구리를 분산시키는 효과가 미미하며, 함량이 10 중량%를 초과하면 전지의 용량이 저하되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.
리튬 이차 전지용 음극은 음극 활물질 슬러리를 집전체에 코팅 압연하여 제조된다. 상기 음극 활물질 슬러리 제조시 산화구리를 음극 활물질에 분산시키는 것이 본 발명의 특징이다. 음극 활물질 슬러리에 산화구리를 분산시키는 순서는 본 발명에서 중요하지 않다.
예를 들어, 탄소계 물질에 분산된 산화구리를 포함하는 음극 활물질 슬러리는 탄소계 물질, 바인더의 혼합물 및 산화구리가 유기 용매에 분산되어 있는 분산액을 혼합하여 만들 수 있으며, 탄소계 물질, 바인더 및 산화구리를 혼합한 후, 이를 유기 용매에 혼합하여 제조할 수도 있다.
상기 슬러리에 첨가되는 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride: PVDF), UV 경화성 비닐계 고분자, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate: PMMA)와 같은 아크릴레이트 폴리머 등이 사용된다.
본 발명은 또한, 본 발명의 상기 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 분산된 산화구리를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극, 양극, 세퍼레이터 및 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
리튬 이차 전지용 양극은 양극 활물질, 바인더, 및 도전재 등을 포함한다.
상기 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 종래의 여러 가지 산화물, 예를 들면 이상화 망간, 리튬망간 복합산화물, 리튬함유 니켈 산화물, 리튬함유 코발트 산화물, 리튬함유 니켈 코발트 산화물, 리튬함유 철산화물, 리튬을 포함하는 바나듐 산화물이나 이황화 티탄, 이황화 몰리브덴 등의 칼코겐 화합물이 사용될 수 있다. 그 중에서도 리튬함유 코발트 산화물, 리튬함유 니켈 코발트 산화물, 리튬망간 복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
전해액으로는 비수용매에 전해질을 용해함으로써 제조되는 액체형상 전해액이 사용된다. 상기 비수용매로는 리튬 이차 전지의 용매로서 공지된 비수용매를 사용할 수 있고, 특히 한정은 되지 않지만, 프로필렌 카보네이트(PC)나 에틸렌 카보네이트(EC)와 상기 프로필렌 카보네이트나 에틸렌 카보네이트 보다 저점도인 비수용매(이하 '제 2 용매'라고 함)의 혼합용매를 주체로 하는 비수용매를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 용매로서 예를 들어 사슬형 카보네이트가 바람직하고, 그 중에서도 디메틸카보네이트(DMC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 프로피온산 에틸, 프로피온산 메틸, γ-부틸로락톤(γ-BL), 아세트니트릴(AN), 초산 에틸(EA), 톨루엔, 크실렌 또는 초산 메틸(MA) 등을 들 수 있다. 이들 제 2 용매는 단독 또는 2 종류 이상의 혼합물의 형태로 사용할 수 있다.
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. 상기 다공질 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 실시예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 목적으로 기재할 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
인조흑연 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 90:10의 중량비로 하고, 산화구리를 상기 인조흑연 1중량%로 혼합하여 상기 인조흑연, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 산화구리를 NMP에 분산시켜 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 약 100㎛ 두께로 Cu-호일 위에 캐스팅하여 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 사용하여 글로브 박스 내에서 코인 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
산화구리를 인조흑연에 대하여 3 중량%로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
(실시예 3)
산화구리를 인조흑연에 대하여 5 중량%로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
(비교예 1)
산화구리를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
(비교예 2)
도전재로 구리 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
본 발명의 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 분산된 산화구리를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극은 우수한 도전성 및 고율 방전 특성을 나타낸다.
Claims (3)
- 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 분산된 산화구리를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소계 물질에 분산된 산화구리의 함량은 탄소계 물질에 대하여 0.1 내지 10 중량%인 리튬 이차 전지용 음극.
- 제1항 또는 제2항의 음극을 포함하는 리튬 이차 전지.
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| KR1020010065804A KR20030033715A (ko) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | 리튬 이차 전지용 음극 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022185584A1 (ja) * | 2021-03-03 | 2022-09-09 | ビークルエナジージャパン株式会社 | リチウムイオン二次電池、及びリチウムイオン二次電池用負極の製造方法 |
-
2001
- 2001-10-24 KR KR1020010065804A patent/KR20030033715A/ko not_active Application Discontinuation
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