KR20040040413A - 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지 - Google Patents

리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬전지를 구성하는 양극집전체의 탄소전극 밀도를 최소화하고 양극집전체를 이루는 기본입자 사이의 공극을 최대화하여 전극의 이용효율을 향상시키고, 전해액 주입공정을 용이하게 하여 생산성을 향상시킨 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지에 관한 것이다.
본 발명은 리튬전지의 양극집전체를 제조하는 방법으로, 분말상의 전도성카본을 적당량의 IPA(Isopropyl alcohol)와 혼합하고, 혼탁액 상태의 테프론용액을 첨가하여 재혼합하는 혼합공정과, 상기 혼합물을 원주형의 기본입자체로 성형하는 기본입자체 성형공정과, 상기 성형된 기본입자체를 대기중에서 IPA를 증발시키고, 테프론의 녹는점에서 일정 시간동안 양극집전체의 형상으로 굽는 베이킹공정과, 상기 베이킹공정 후에 진공건조 시켜 양극집전체를 완성하는 진공건조공정을 포함한다. 이 때 상기 상기 기본입자체는 원기둥형상으로 직경이 1 내지 1.5mm이고, 높이는 1 내지 2mm인 것이 바람직하다.

Description

리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지{ANODE MATERIAL MANUFACTURING METHOD AND LITHIUM BATTERY THRERFOR}
본 발명은 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬전지를 구성하는 양극집전체의 탄소전극 밀도를 최소화하고 양극집전체를 이루는 기본입자 사이의 공극을 최대화하여 전극의 이용효율을 향상시키고, 전해액 주입공정을 용이하게 하여 생산성을 향상시킨 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지에 관한 것이다.
화학전지는 양극(Anode:전지음극)과 음극(Cathode:전지양극), 음,양극을 분리하는 격리막(Separator) 그리고 전하의 이동을 도와서 전기화학반응 중 발생하는 분극을 해소하기 위한 전해액(Electrolyte)으로 구성되며, 리튬을 음극으로 사용하는 전지를 통상 리튬전지라 칭한다.
도5는 일반적인 리튬전지의 구조도이고, 도6은 상기 리튬전지의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 리튬전지는 상기 도5 및 도6에 도시된 바와 같이 일정한 케이스(23)의 내부에 음극활물질(리튬전지에서는 리튬전극(10)을 사용함)과, 양극활물질(SOCl2)의 산화-환원반응을 하는 전기화학시스템이다. 즉 상기 케이스(23)의 내측으로 상기 리튬전극(10)이 상기 양극핀(21)과 양극집전체(전도성 카본; 20)를 격리막(22)으로 이격하여 구성된다. 또한, 상기 리튬전극(10)과 양극집전체(20)의 상부와 하부에는 각각 상부격리막(17)과 하부격리막(18)으로 절연되며, 상부판(14)의 전해액 주입구(16)를 통해 전해액(13)이 주입된다. 한편, 상기 케이스의 상부에는 양극핀(21)이 관통되는 상부판(14)과, 상기 양극핀(21)과의 절연을 위해 실링부재(15)로 실링(sealing)된다.
상기 전지시스템에 부하(Load;30)를 가하면 리튬의 산화(Oxidation)에 의하여 리튬금속(Li: Lithium Metal;10)이 리튬이온(Li+: Lithium Ion)과 전자(e-: Electron)를 생성하게 되며, 생성된 리튬이온은 전해액(13)을 통하여 양극(20)에 도달하고, 전자는 외부의 도선을 타고 양극집전체(20)에 도달하여 양극집전체(20)에 함습된 양극활물질(SOCl2)을 환원(Reduction)시키는 화학반응을 반복하게 되며, 이의 결과로 전기적인 에너지를 얻게 된다. 다시 말해 리튬-염화티오닐전지에서 전기화학반응은 산화-환원반응에 참여하는 물질로는 리튬금속(10)과 염화티오닐(SOCl2)이 있다. 상기 리튬은 음극활물질로써 화학반응에 참여하여 리튬이온(Li+)으로 산화되어 전자(e-)를 생성하며, 액체인 염화티오닐은 음극에서 생성된 리튬이온과 전자를 받아서 황(S)으로 환원되면서 염화리튬(LiCl)과 이산화황(SO2)을 생성한다. 이 때 전해액은 1.0M LiAlCl4/SOCl2이며, 각 전극의 화학반응식은 다음과 같다.
음극반은: 4Li ---> 4Li++ 4e-
양극반응: 4Li++ 4e-+ 2SOCl2--> S + 4LiCl + SO2
전체반응: 4Li + 2SOCl2--> S + 4LiCl + SO2
상기 전기화학반응은 음극과 양극이 서로 대면하고 있는 표면에서 일어나므로 전극반응이 지속적으로 일어나기 위해서는 음극에서 발생하여 외부회로를 통해 양극에 도달한 전자를 전극의 반응표면으로 전달하기 위한 전도체와, 전극표면에서 생성된 반응부산물인 황과 염화리튬을 효율적으로 분산시킬 수 있는 매개체가 필요하다. 따라서 양극집전체인 전도성카본은 음극에서 생성된 전자를 양극 반응표면으로 이동할 수 있는 경로를 제공하며, 물을 먹은 스펀지처럼 전해액의 용매 겸 양극활성물질인 염화티오닐(SOCl2)을 함습하며, 반응 부산물을 분산시켜 지속적인 화학반응이 일어날 수 있도록 한다.
상기 양극집전체(20)는 도4에 도시된 바와 같이, 분말상의 전도성카본을 적당량의 IPA(Isopropyl alcohol)와 혼합하여(T10), 혼탁액(Emulsion) 상태의 테프론용액(Teflon)을 첨가하여 재혼합한다.(T20) 그리고 상기 반죽된 상태를 원기둥형의 막대형태로 압출한다.(T30) 그 후 원기둥형태로 형성된 것을 상기 양극핀(21)이 삽입될 수 있도록 보빈(Bobbin)형태로 성형한다.(T40) 성형된 전도성카본을 대기중에 방치하여 상기 IPA를 증발시키고(T50), 테프론의 녹는점에서 일정시간 동안 구어(T60), 진공건조하여 양극집전체(20)를 완성한다.(T70)
상술한 바와 같이 전류의 크기는 대면하는 음·양극의 면적에 비례하는데 상기의 공정으로 제조된 양극집전체는 기본입자 단위가 수μm 내지 수십μm 크기를 갖기 때문에 성형하였을 때 밀도가 커서 일정 형상을 유지하기 위해서는 많은 양이투입되어야 하므로 전지의 성능을 결정하는 음극(리튬) 및 양극활물질(염화티오닐)의 투입량이 제한되어 전지의 성능이 감소하고, 특히 염화티오닐을 양극집전체에 담지하는데 장시간이 소요되므로 생산성이 저하되어 제조원가가 상승되는 문제점이 있다.
또한 양극집전체를 구성하는 카본의 기본입자 크기가 매우 작아서 전지를 조립하는 과정에서 부유하는 카본 입자들이 생겨 전지의 절연상태가 불량해지고 전지를 저장하거나 사용하는 중 전류누설의 원인이 되는 문제점이 있다.
한편, 양극집전체를 성형한 후 고온에서 장시간 동안 베이킹(Baking)과 진공건조의 과정을 거치기 때문에 압출할 때 압력에 따라 건조한 후의 공정품이 뒤틀리는 등 그 크기 및 형태가 매우 불균일하므로, 전지를 제조하였을 때 제조된 전지마다 품질편차가 매우 크게 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 양극집전체의 기본단위를 원주형의 기본입자체로 가공하여 양극집전체를 성형하여 밀도를 감소시켜 제한된 공간에 더 많은 양의 전극활물질이 함습되도록 하여 전지의 용량을 향상시키고, 제품의 크기 및 형태가 균일한 양극집전체를 제조할 수 있는 리튬전지의 양극집전체 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 상기 양극집전체에 함습되는 전해액의 주입속도를 증가시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지를 제공하는 목적이 있다.
도1은 본 발명에 의한 리튬전지의 양극집전체 제조방법의 순서도,
도2는 본 발명의 제조방법으로 제조된 양극집전체의 사시도,
도3은 본 발명에 의한 양극집전체를 사용한 리튬전지의 방전특성의 시험결과를 도시한 그래프,
도4는 일반적인 리튬전지의 양극집전체의 제조방법의 순서도,
도5는 일반적인 리튬전지의 개략적인 구조도,
도6은 일반적인 리튬전지의 동작 설명도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 리튬전극13: 전해액
14: 상부판15: 실링부재
16: 전해액주입구17: 상부격리막
18: 하부격리막20: 양극집전체
22: 격리막23: 케이스
25: 기본입자체30: 부하
리튬전지는 제한된 면적을 지닌 리튬전극에서 큰 전류를 생성하기 위해서는 많은 수의 리튬금속이 동시에 이온화를 해야 되는데, 이 때에는 이온화된 즉 산화된 이온 간의 물리적인 충돌이 증가하게 되므로 내부저항이 증가하게 되어 작동전압이 하강하게 된다. 따라서 내부저항을 감소시키기 위해서는 대면하는 전극의 반응 면적을 확대시킬 필요가 있다.
본 발명은 리튬전지의 양극집전체를 제조하는 방법으로, 분말상의 전도성카본을 적당량의 IPA(Isopropyl alcohol)와 혼합하고, 혼탁액 상태의 테프론용액을 첨가하여 재혼합하는 혼합공정과, 상기 혼합물을 원주형의 기본입자체로 성형하는 기본입자체 성형공정과, 상기 성형된 기본입자체를 대기중에서 IPA를 증발시키고, 테프론의 녹는점에서 일정 시간동안 양극집전체의 형상으로 굽는 베이킹공정과, 상기 베이킹공정 후에 진공건조 시켜 양극집전체를 완성하는 진공건조공정을 포함한다. 이 때 상기 상기 기본입자체는 원기둥형상으로 직경이 1 내지 1.5mm이고, 높이는 1 내지 2mm인 것이 바람직하다.
한편, 상기 공정으로 제조된 양극집전체를 이용하여 제작된 리튬전지를 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 리튬전지의 양극집전체 제조방법 및 이를 이용한 리튬전지를 상세히 설명한다. 상기 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도1은 본 발명에 의한 리튬전지의 양극집전체 제조방법의 순서도이고, 도2는 본 발명의 제조방법으로 제조된 양극집전체의 사시도이며, 도3은 본 발명에 의한 양극집전체를 사용한 리튬전지의 방전특성의 시험결과를 도시한 그래프이다.
본 발명에 의한 리튬전지의 양극집전체 제조방법은 상기 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 분말상의 전도성카본을 적당량의 IPA(Isopropyl alcohol)와 혼합한다(S10). 상기 IPA는 분자량 60.09의 무색투명한 유동성 액체로 가연성이며, 비중은 0.7863(20/20℃), 융점 -89.5℃, 비점 82.4℃, 인화점 11.7℃, 발화온도 460℃, 물, 알코올, 에테르에 녹는다. 발화점은 425℃, 연소범위 20~12.0%, 증기밀도 2.1, 증기압 32mmHg(20℃)이며, 일반적으로 프로필렌의 수화반응에서 제조되고 있으나, 촉매의 존재하에 수증기를 사용하여 직접 수화로 하는 직접 수화법, 황산화한 후 가수분해하는 간접 수화법이 있으며 주로 황산법이 사용되고 있다.
그 후 혼탁액(Emulsion) 상태의 테프론용액을 첨가하여 재혼합하고(S20), 본 발명에 의한 양극집전체의 기본단위인 기본입자체(25)를 원주형으로 가공한다(S30). 상기 기본입자체(25)는 직경이 1 내지 1.5mm이고 길이는 1 내지 2mm인 것이 바람직하다.
상기 성형된 기본입자체(25)를 종래와 동일하게 대기중에서 IPA를 증발시키고(S40), 보빈형태의 틀에 상기 기본입자체를 채운 후 테프론의 녹는점에서 일정 시간동안 형태가 유지되도록 굽는다(S50). 그 후 종래와 동일하게 진공건조시키고(S60), 도2와 같은 양극집전체를 성형한다(S70).
상기와 같은 공정으로 제조된 양극집전체는 제품의 크기와 형태가 항상 균일하게 성형된다. 따라서, 제품간의 용량편차를 줄일 수 있게 된다. 즉, 상기 도3에 도시된 바와 같이 종래의 리튬전지에 비해 약 15시간 이상 균일한 전기에너지를 생성할 수 있으며, 그 편차도 제품에 따라 매우 균일함을 알 수 있다. 상기 도3에서 a는 본 발명에 의한 양극집전체를 사용하여 제조된 리튬전지이고, b는 종래의 일반적인 양극집전체를 사용하여 제조된 리튬전지의 출력전압을 측정한 그래프이다.
한편, 표1 과 같이 성형한 상태의 양극집전체의 밀도가 감소하여 제한된 공간에 더 많은 양의 전극활물질이 함습되도록 하여 전지의 용량을 향상시키고, 전극반응면적을 증가시킴으로써 작동전압도 상승시킬 수 있다.
구 분 종래의 양극집전체 본 발명에 의한 양극집전체
성형밀도(g/cm3) 0.35 ~ 0.40 0.26 ~ 0.30
또한, 상기 양극집전체의 기본입자체(25)의 간극이 커짐에 따라 전해질을 용이하게 주입시킬 수 있어 주입공정이 용이하게 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 양극집전체를 기본입자체로 구성하여 카본의 밀도를 감소시켜 전지의 용량을 향상시키고, 전극반응면적을 증가시킴으로써 작동전압을 향상시킬 수 있다. 또한 제조되는 제품의 성능편차를 최소화시켜 제품의 신뢰성을 향상시키게 된다.
한편, 전해액의 주입공정이 간편해지고, 양극집전체의 건조공정에 발생되기 쉬운 크기 및 형태의 뒤틀어짐을 방지하여 제조원가의 절감과 품질개선을 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 리튬전지의 양극집전체를 제조하는 방법으로,
    분말상의 전도성카본을 적당량의 IPA(Isopropyl alcohol)와 혼합하고, 혼탁액 상태의 테프론용액을 첨가하여 재혼합하는 혼합공정과,
    상기 혼합물을 원주형의 기본입자체로 성형하는 기본입자체 성형공정과,
    상기 성형된 기본입자체를 대기중에서 IPA를 증발시키고, 테프론의 녹는점에서 일정 시간동안 양극집전체의 형상으로 굽는 베이킹공정과,
    상기 베이킹공정 후에 진공건조 시켜 양극집전체를 완성하는 진공건조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬전지의 양극집전체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기본입자체는 원기둥형상으로 직경이 1 내지 1.5mm이고, 높이는 1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 리튬전지의 양극집전체 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항의 방법으로 제조된 양극집전체를 이용하여 제작된 리튬전지.
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