KR20040023882A - 리튬 설퍼 전지용 포장재 - Google Patents

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김석
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Abstract

본 발명은 리튬 설퍼 전지용 포장재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불소계 고분자가 코팅된 금속으로 제조된 리튬 설퍼 전지용 포장재에 관한 것이다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재는 폴리설파이드에 대한 내식성이 강하여 안전성이 우수하다.

Description

리튬 설퍼 전지용 포장재{WRAPPER FOR LITHIUM SULFUR BATTERY}
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 설퍼 전지용 포장재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리설파이드에 대한 내식성이 강하여 안전성이 우수한 리튬 설퍼 전지용 포장재에 관한 것이다.
[종래 기술]
리튬 설퍼 전지는 S-S 결합(Sulfur-Sulfur linkage)을 가지는 황계 물질을 양극 활물질로 사용하고, 리튬과 같은 알칼리 금속, 또는 리튬 이온 등과 같은 금속 이온의 삽입/탈삽입이 일어나는 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용하는 이차 전지이다.
리튬 설퍼 전지는 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기전 에너지를 저장 및 생성한다. 리튬-설퍼 전지를 방전시키면, 양극에서 황 원소(S8)가 환원되어 설파이드(S-2) 또는 폴리설파이드(Sn -1, Sn -2, 여기서 n ≥2)가 생성된다.
상기 환원 반응시 생성되는 폴리설파이드는 리튬 설퍼 전지용 포장재로 일반적으로 사용된 알루미늄에 대한 부식성이 강하여 시간이 지날수록 폴리설파이드 성분이 알루미늄을 부식시켜 리튬 설퍼 전지 내부의 전해액이 용출되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 폴리설파이드에 대한 내식성이 강하여 안전성이 우수한 리튬 설퍼 전지용 포장재를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 리튬 설퍼 전지의 사시도이다.
도 2는 실시예 2 및 비교예 2의 방법으로 제조된 리튬-황 전지의 30일 방치 후 방전곡선을 나타낸 그래프이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
1 ------- 전지, 2 ------- 세퍼레이터
3 ------- 양극, 4 ------- 음극
5 ------- 포장재
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 불소계 고분자가 코팅된 금속으로 제조된 리튬 설퍼 전지용 포장재를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재는 불소계 고분자가 코팅된 금속으로 제조된 것을 특징으로 한다.
리튬 설퍼 전지는 환원 반응시(방전시) S-S 결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기전 에너지를 저장 및 생성한다. 리튬-설퍼 전지를 방전시키면, 양극에서 황 원소(S8)가 환원되어 설파이드(S-2) 또는 폴리설파이드(Sn -1, Sn -2, 여기서 n ≥2)가 생성된다.
종래 일반적으로 사용되었든 리튬 설퍼 전지용 포장재인 알루미늄은 상기 폴리설파이드에 대한 내식성이 약하여 시간이 지날수록 알루미늄의 부식이 심해져 전해액이 전지로부터 용출되어 안전성에 문제점이 있었다.
그러나 본 발명의 불소계 고분자가 코팅된 금속으로 제조된 리튬 설퍼 전지용 포장재는 상기와 같은 리튬 설퍼 전지의 환원 반응이 진행됨에 따라 생성되는 폴리설파이드에 대한 내식성이 강하여 안전성이 우수하다.
금속에 상기 불소계 고분자를 코팅하는 방법으로는 딥코팅, 스핀코팅, 롤코팅 등 여러 가지 방법이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한 금속 표면에 불소계 고분자를 균일하게 코팅하기 위하여는 불소계 고분자에 상기 금속을 침적하여 코팅하는 딥코팅법이 가장 바람직하다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재의 재료로 사용되는 상기 불소계 고분자는 폴리헥사플루오로프로필렌(육불소프로필렌, HFP), 폴리테트라플루오로에틸렌(사불소에틸렌, PTFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(삼불소염화에틸렌, PCTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐플루오라이드(PVF), PVdF와 HFP의 공중합체 (VITON), 사불소에틸렌 및 육불소프로필렌의 공중합체 (FEP) 또는 이들의 혼합물이나 이들의 공중합체가 바람직하게 사용될 수 있다.
그 중 FPM이 폴리설파이드에 대하여 내식성이 가장 강하며 본 발명의 불소계 고분자로 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재에 있어서 상기 불소계 고분자가 코팅되는 금속으로는 리튬 설퍼 전지의 산화, 환원 전위에서 산화, 환원되지 않는 금속이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속으로는 Ni, Cu, Al, Fe, 스테인레스, 또는 이들의 합금이나 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재는 파우치, 캔 또는 원통형 타입 등 여러 가지 타입의 형상으로 제조하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 설퍼 전지(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극(3), 음극(4), 및 상기 양극(3)과 음극(4) 사이에 위치한 세퍼레이터(2)를 포함하는 리튬 설퍼 전지용 포장재(5)를 포함한다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재는 폴리설파이드에 대한 내식성이 강하여 안전성이 우수하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 비교예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
DAI-EL LATEX(DAIKIN 공업, 일본) GL-152-A 용액 100g과 GL-300-B 용액 5g을 비이커에 넣고 잘 섞은 다음 알루미늄 캔을 이 용액에 담궈 알루미늄 캔을 코팅하였다. 코팅된 알루미늄 캔을 200 ℃ 오븐에서 건조하였다. 건조하는 과정에서 불소계 고분자의 경화되었다. 불소계 고분자가 코팅된 알루미늄 캔에 8M Li2S8DME 용액을 붓고 10일간 방치하였다. 폴리설파이드 용액을 위 캔에서 제거한 후 DME 용매로 잘 씻은 후 불소계 고분자가 코팅된 알루미늄을 캔의 변화를 관찰한다. [DAI-EL LATEX는 PVdF와 HFP의 공중합체임.]
(실시예 2)
황 원소 67.5 중량%, 도전제로 케첸 블랙 11.4 중량% 및 바인더로 폴리에틸렌 옥사이드 21.1 중량%를 아세토니트릴 용매에서 혼합하여 리튬-황 전지용 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 탄소-코팅된 알루미늄 전류 집전체에 코팅하고, 슬러리가 코팅된 전류 집전체를 12시간 이상 60 ℃ 진공 오븐에서 건조하여 2 mAh/cm2의 양극판을 제조하였다. 이 양극판과 세퍼레이터, 80 um 두께의 리튬호일을 stacking한 후 jelly roll을 만들었다. 이 jelly roll을 실시예 1의 불소계 고분자가 코팅된 알루미늄 캔에 넣은 후 1.0 M LiSO3CF3가 용해된 디메톡시에탄/디옥솔란을 80:20의 부피비로 혼합한 전해액을 상기 캔에 주입하였다. 전해액 주입 후 실링하여 캔형 테스트 셀을 조립하였다.
(비교예 1)
불소계 고분자가 코팅되지 않은 알루미늄 캔에 8M Li2S8DME 용액을 붓고 10일간 방치하였다. 폴리설파이드 용액을 알루미늄 캔에서 제거한 후 DME 용매로 잘 씻은 후 불소계 고분자가 코팅되지 알루미늄을 캔의 상태를 관찰한다.
(비교예 2)
불소계 고분자가 코팅되지 않은 알루미늄으로로 제조된 캔을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
리튬-설퍼 셀의 전기화학특성
실시예 2 및 비교예 2의 테스트 셀의 수명 특성을 상온에서 평가하였다. 리튬 설퍼 전지의 경우 테스트 셀 제작시 충전상태이므로 우선 방전 전류밀도 0.2 mA/cm2로 1사이클 방전시킨 후 0.4 mA/cm2로 충전한 후 30일간 방치한 후 1mA/cm2로 방전시켰다. 여기서 설퍼 이용율은 용량이 837.5 mAh/g인 전지의 설퍼 이용율을 100%로 정의한다.
불소계 고분자가 코팅되지 않은 알루미늄 캔의 경우 10일간 폴리설파이드 용액에 방치하였을 때 육안으로 알루미늄 캔의 부식(캔의 변색)을 확인할 수 있었다.하지만 불소계 고분자가 코팅된 알루미늄 캔의 경우는 거의 변화가 없었다. 도 2에서 볼 수 있듯이 실시예 2와 비교예 2를 비교해 볼 때 불소계 고분자가 코팅된 알루미늄 캔을 사용한 셀의 저장성이 더 뛰어남을 알 수 있다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지용 포장재는 폴리설파이드에 대한 내식성이 강하여 안전성이 우수하다.

Claims (4)

  1. 불소계 고분자가 코팅된 금속으로 이루어진 리튬 설퍼 전지용 포장재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불소계 고분자는 폴리헥사플루오로프로필렌(육불소프로필렌, HFP), 폴리테트라플루오로에틸렌(사불소에틸렌, PTFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(삼불소염화에틸렌, PCTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐플루오라이드(PVF), PVdF와 HFP의 공중합체 (VITON), 사불소에틸렌 및 육불소프로필렌의 공중합체 (FEP), 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 리튬 설퍼 전지용 포장재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속은 Ni, Cu, Al, Fe, 스테인레스, 또는 이들의 합금로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 리튬 설퍼 전지용 포장재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 포장재는 파우치, 캔 또는 원통형 타입인 것인 리튬 설퍼 전지용 포장재.
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