KR20060009411A - 대용량 고율 리튬 이온전지 - Google Patents

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KR20060009411A
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최병두
김세환
이원재
노영배
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주식회사 이스퀘어텍
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Abstract

본 발명은 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는, Wound 형태로 감은 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 하나의 외장재 내에서 XP(Parallel)YS(Series)(여기서, X≥2이고 Y≥1이다)의 병렬 및 직렬회로로 연결하고 여기에 각 젤리롤의 양전극은 양전극끼리, 음전극은 음전극끼리 연결되어 각 하나의 양극 탭과 음극 탭으로 합지되는 복합전극군을 적용하여 구성함으로써, 극판 길이에 의한 ohmic 저항 줄여 고율특성을 향상시키고 열방산을 감소시킨, 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

Description

대용량 고율 리튬 이온전지 {Lithium Ion Battery of High Rate and High Capacity}
도 1은 일반적인 젤리롤의 구조를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명 리튬이온전지의 내부 구조를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명 비교예1과 실시예1에 의해 제조된 리튬이온전지를 280mA 및 14000mA로 방전하며 작동전압 및 용량을 비교한 그래프,
도 4는 본 발명 비교예2와 실시예2에 의해 제조된 리튬이온전지를 340mA 및 17000mA로 방전하며 전압 및 용량을 비교한 그래프,
도 5는 비교예2와 실시예2에 의해 제조된 리튬이온전지를 17000mA로 방전하며 수명 특성을 비교한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 외장재 2: 젤리롤1
3: 젤리롤2 4: 양극 탭
41: 양극1 42: 양극2
5: 음극 탭 51: 음극1
52: 음극2 6: 절연체
본 발명은 복합전극군이 구성된 리튬 이차 이온전지에 관한 것으로서, 복합 전극군을 구비함으로써 5C Rate 이상 고율 방전에서의 전지 특성이 향상된 리튬 이차 이온전지에 관한 것이다.
전지는 원래 내부에 들어 있는 화학물질의 전기화학적 산화-환원 반응 시 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 말하는 것으로서, 그 사용상 특성에 따라 전지속의 에너지가 고갈되면 폐기해야 하는 일차전지(Primary battery)와 계속 충전하면서 여러 번 재사용이 가능한 이차전지(Rechargeable battery)로 구분할 수 있다.
이중에서도, 최근 들어 전자, 통신, 컴퓨터 산업 등의 급속한 발전에 힘입어 기기의 소형, 경량화 및 고기능화와 함께, 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 전자제품의 사용이 일반화되면서, 가볍고 오래 사용할 수 있으며 신뢰성이 높은 고성능의 소형 이차전지와 관련한 기술적 요구가 매우 커지고 있다.
따라서, 이와 같은 이차전지 관련 기술 요구를 충족하기 위한 연구개발이 지속적으로 수행되고 있으며, 현재 이러한 수요에 상응하여 많은 관심과 각광을 받고 있는 이차전지가 바로 리튬이온 이차전지이다.
리튬은 지구상에 존재하는 금속중 가장 가볍기 때문에 단위 질량당 전기용량이 가장 크며, 열역학적 산화전위의 값이 커서 전압이 높은 전지를 만들 수 있는 물질이기 때문에, 제한된 양의 화학물질로 최대한의 에너지를 낼 수 있도록 해야 하는 전지, 특히 이차전지에서는 근래 가장 선호되고 있는 전극물질이다.
리튬이온 이차전지는 이와 같은 리튬 이온의 탈리(deintercalation) 및 삽입(intercalation)이 가능한 리튬 금속 혼합 산화물을 양극 활물질로, 탄소 재료 또는 금속 리튬 등을 음극으로, 또한 혼합 유기용매에 리튬 전해염을 적당량 용해시킨 것을 전해액으로 하여 구성되는 것으로서, 무게당 니카드전지의 약 200%, 니켈수소전지의 약 160%, 단위 밀도당 니카드전지의 약 170%, 니켈수소전지의 약 105%로 에너지 밀도가 높고, 자가방전율이 20??에서 한달에 약 5% 미만으로서, 니카드전지나 니켈수소전지에 비해 약 1/3 수준으로 낮고, 카드뮴이나 수은과 같은 환경을 오염시키는 중금속을 사용하지 않기 때문에 환경 친화적이고, 정상적인 상태에서 500회 이상의 충방전을 거듭할 수 있어서 수명이 길다는 장점을 가지고 있다.
또한, 리튬이온전지는 일반적으로 3.6-3.7V의 평균 방전전압을 가지는데, 이와 같은 리튬 이온전지의 평균 방전전압 3.6-3.7V는 다른 알칼리(alkali) 전지 또는 Ni-MH, Ni-Cd 전지에 비하여 높은 전력을 얻을 수 있게 하는 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.
한편, 향후 제3세대 이동통신이라 불리우는 IMT-2000 서비스의 등장으로 정보통신 산업의 혁신적 변화가 예상됨에 따라 이동통신 분야의 기술이 더 급속하게 발전하게 될 상황에서, 제공될 서비스의 내용이나 양적인 팽창과 함께 단말기의 가 동에 필요한 에너지량 역시 점점 더 고용량의 것이 요구되고 있는데, 이것은 화상전송 등 IMT-2000에서 제공되는 서비스에는 많은 에너지가 필요하며, 이에 따라 여기에 필요한 전력원인 이차전지의 기술적인 측면에 있어서도 소형화, 경량화, 고용량화의 경향을 보이고 있기 때문이다.
또한, 각종 기기의 휴대 이동성이 강조되어짐에 따라 기존의 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북PC 등뿐만 아니라, 각종 대형완구, 모형비행기, 로봇 등에 사용되는 RC(Radio Control)용 전지의 수요가 증가됨에 따라 높은 작동전압과 용량을 구비하고 고율특성이 우수한 2차전지의 수요가 증가되고 있다.
따라서, 리튬 이차전지와 관련한 전지업계에서는 음극 및 양극의 개질을 통하여 극판의 저항을 감소시키거나, 전해액의 이온전도도를 높이기 위해 고유전율 용매와 저점도의 용매를 혼합하여 사용함으로써 이차전지의 전기화학적인 특성, 특히 고율특성을 개선시키고자 하는 연구가 널리 진행되고 있다.
이와 같은 연구의 성과들을 특허/실용신안 상의 선행기술에서 종종 찾아볼 수 있는데, 예를 들어, 대한민국 특허등록 제0385701호에 보면, 양극 집전체의 양극 물질이 코팅된 전극에 폴리머 전해질을 코팅하여 전극과 전해질이 일체화되도록 양극을 구성하고, 음극 집전체의 음극 물질이 코팅된 음극에 폴리머 전해질을 코팅하여 전극과 전해질이 일체화되도록 음극을 구성함으로써 리튬 전지의 고율 특성을 향상시키고자 한 시도가 개시된 바 있다.
또한, 대한민국 특허등록 제0276959호에는, 전해질과 함께 리튬 이차전지를 구성하는 양극 및 음극의 적어도 한쪽에 전지의 충방전에는 관여하지 않는 세라믹 을 함유시켜 이온전도성을 향상시키고 전극 내부저항을 저하시킴으로써 고율방전 특성을 제고하고자 한 시도가 개시된 바도 있다.
이밖에, 대한민국 특허공개 제2001-0045903호에는, 전극 사이에 세퍼레이타를 개재하여 된 단위셀에, 전자빔을 조사하여 단위셀을 구성하는 각 층을 서로 접합시키면서 전극의 결합제와 세퍼레이타 내의 고분자 수지를 가교시키는 방법으로 세퍼레이타의 기계적 강도를 향상시키고 세퍼레이타와 전극간의 접착력을 강화시킴과 동시에 계면저항을 감소시킴으로써, 고율방전 특성을 제고하고자 한 시도가 개시된 바도 있다.
그러나, 이와 같은 시도들 모두는 각 전지의 제조시 주어진 용량 범위 내에서 고율방전시 전지가 이용할 수 있는 최대한의 방전용량을 이용하고자 한 것이라는 공통점을 가지고 있는 것으로서, 각종 대형완구, 모형비행기, 로봇 등과 같이 방전 용량 자체가 종전의 전지에 비해 대용량화된 것을 필요로 하는 경우를 대비한 기술은 아니라고 할 수 있다.
오히려, 이와 같이 고유 용량 자체를 고율화하고자 한 시도는 전지 용기의 체적을 증가시킴과 동시에 여러 개의 극판을 효율적으로 적층(Stacking)하여 손실을 최소화시키는 방향으로 발전되었는데, 예를 들어, 대한민국 실용신안등록 제0302559호에는, 다수의 양극판, 음극판 및 세퍼레이타로 구성되되, 양극판들과 음극판들중 적어도 2개 이상의 극판은 다른 극판들과 양면으로 접촉하도록 구성되는, 즉, 여러 개의 극판을 단순히 적층하여 구성함으로써, 고율 충방전 성능을 얻고자 한 시도에 대해 개시된 바 있다.
사실, 이와 같이 다수의 극판을 적층하여 전지를 구성하는 것은, 거리에 비례하여 저항이 증가하는 도전체의 특성상 하나의 극판을 동일한 두께(단면적)로 길게 구성하는 것에 비해 이를 여러 개의 극판으로 나누어 구성하고 이를 병렬로 연결하는 것이 전지 내부 저항을 줄이면서 용량을 증가시킬 수 있는 방법이기 때문으로서, 이론적으로 가장 간단하고 단순한 방법이라고 할 수 있다.
그러나, 이와 같은 적층 방법을 통하여 전지의 용량을 증가시킬 경우 그 증가시키는 비율에 비례하여 고율 방전시 전지가 본래 가지고 있는 용량을 모두 이용하기 어려워진다는 문제점이 있었으며, 이러한 단점을 극복하기 위하여, 대한민국 특허공개 제2002-0085942호에 보면, 기판 위에 수직 방향으로 양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극 및 음극 전류집전체를 순차적으로 집적하되, 양극 상면에는 비교적 이온전도도가 낮은 반면 양극에 대한 전기화학적 안정성이 높은 제1고체전해질 층을 구성하고, 제1고체전해질층의 상면에는 양극 및 음극에 해한 전기화학적 안정성은 높지 않으나 이온전도도가 높은 재료로 제2고체전해질 층을 구성하고, 제2고체전해질 층의 상면에는 이온전도도가 상대적으로 낮지만 음극에 대하여 전기화학적으로 안정한 재료로 이루어지는 제3고체전해질층을 구성함으로써, 고율 충방전이 가능한 전지를 제조하고자 한 시도가 개시된 바 있다.
한편, 리튬 2차전지는, 도1에 나타낸 바와 같이, 양극(10), 음극(20) 및 격리막(30)이 롤(Roll) 형태로 권취된, 젤리롤(Jelly Roll)이라 불리우는 형태의 전지 셀을 구성하여 사용하는 것이 보통인데, 이는 이와 같이 Wound된 형태로 전지 셀을 구성할 경우 전지 케이스 내부의 공간을 최대로 활용할 수 있어 체적 또는 중 량당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있기 때문이었으나, 대형 완구나 모형 비행기, 로봇 등 큰 방전용량의 전지를 필요로 하는 경우에는, 용량이 증가할수록 고율 특성, 즉, 작동전압 및 지속성능이 저하되고, 극판 길이에 의한 ohmic 저항 증가 및 감긴 turn수 증가에 의한 열방산 효과 저하 등으로 인해 고율특성이 Stacking전지에 비해서 크게 뒤떨어짐으로써, 이에 대한 성능 개선 요구가 시급한 실정이었다.
본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 극복하고자 하는 것으로서, 그 목적은, 전지 케이스 내부의 공간을 최대로 활용할 수 있어 체적 또는 중량당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다는 Wound 형태 전지 셀의 장점을 그대로 가지고 있으면서도, 용량이 증가할수록 고율 특성, 즉, 작동전압 및 지속성능의 저하되고 길어진 극판 길이에 의한 ohmic 저항 증가 및 감긴 turn수 증가에 의한 열방산 효과 저하 등으로 인해 고율특성이 Stacking전지에 비해서 크게 뒤떨어지던 단점이 없어서 대형 완구나 모형 비행기, 로봇 등 큰 방전용량의 전지를 필요로 하는 경우에도 용이하게 사용할 수 있도록 구성된, 대용량 고율 리튬 이차 이온전지를 제공하고자 하는 것이다.
이를 위한 본 발명은 Wound 형태로 감은 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 하나의 외장재 내에서 XP(Parallel)YS(Series)(여기서, X≥2이고 Y≥1이다)의 병렬 및 직렬회로로 연결하고, 여기에 각 젤리롤의 양전극은 양전극끼리, 음전극은 음전극 끼리 연결되어 각 하나의 양극 탭과 음극 탭으로 합지되는 복합전극군을 적용함으로써 구성되는, 리튬이온 이차전지를 제공하는 것으로 이루어진다.
본 발명은 복합 전극군을 구비함으로써 5C Rate 이상 고율 방전에서의 전지 특성이 향상된 리튬 이차 이온전지에 관한 것으로서, 구체적으로는, 전지 외부 케이스로 사용되는 캔 또는 파우치 내부에서 양극과 음극을 격리막을 개재시켜 Wound 형태로 감은 젤리롤(Jelly Roll)을 사용하여 2P(Parallel)1S(Series) 또는 그 이상의 병렬 및 직렬 회로로 연결함으로써, 전지의 용량을 배가시키면서 내부저항을 줄여, 특히 5C Rate이상의 고율 방전시 안정한 작동전압 및 전지 내부의 온도 상승을 억제시키도록 구성된, 대용량, 고율의 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 적층(Stacking) 형태의 전지보다 동일 체적당 높은 용량을 구현할 수 있는 Wound 형태 전지의 장점을 그대로 가지면서도 대용량 전지에서의 고율 특성을 향상시키기 위하여, Wound 형태로 감은 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 하나의 외장재 내에서 2P(Parallel)1S(Series) 이상의 병렬 및 직렬회로, 즉 XPYS(여기서, X≥2이고 Y≥1이다)의 병렬 및 직렬회로로 연결하고 여기에 복합전극군을 적용하여 전지를 구성함으로써 저항을 감소시킬 수 있도록 이루어지는, 고율 특성이 우수해진 대용량 고율 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.
본 발명에서 이와 같이 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 구성하는 2P1S 이상의 전지 구조는 기존의 Stacking 형태의 전지와 비교시 높은 체적에너지 밀도 및 중량 에너지 밀도를 발휘할 수 있는 특징을 가지며, Wound 형태의 셀 1개만을 적용하여 구성한 전지에 비해서는 고율 방전시 작동 전압의 향상과 온도 억제 효과에 의한 약 20-30% 이상의 지속성능 향상 효과가 있다.
일반적으로 지금까지 Wound 형태의 젤리롤을 사용하는 리튬 이온전지에서 대용량의 전지를 만들어 고율 방전에 사용하고자 했던 경우에는, 젤리롤을 구성하기 전에 먼저 Stacking 형태로 완성된 셀을 원하는 용량을 구현할 수 있는 사이즈로 Slitting한 후 Wind하여 1개의 대용량 젤리롤을 제작하는 방법을 사용하여 왔는데, 이 경우 상기한 바와 같이 전지 케이스 내부의 공간을 최대로 활용할 수 있어 체적 또는 중량당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있는 반면, 용량이 증가할수록 작동전압 및 지속성능이 저하되고, 극판 길이에 의한 ohmic 저항 증가 및 감긴 turn수 증가에 의한 열방산 효과 저하 등으로 인해 고율특성이 Stacking 전지에 비해서 크게 뒤떨어지게 된다는 단점이 있기 때문에, 대용량 고율방전 전지를 필요로 할 때 주로 Stacking 구조를 선호하게 한 요인이 되었다고 할 수 있다.
또한, 이와 같이 1개의 젤리롤을 대용량으로 제작하는 방법 대신, 각각 1개의 Wound 형태 젤리롤 셀로 완성된 전지를 외부에서 병렬로 연결하는 경우에는, 전해액 투입공정 및 외장재의 포장 등에서 제조시간이 증가하고, 2개 이상의 외장재를 사용함으로써 재료비의 증가를 초래하는 원인이 될 뿐만 아니라, 두께 및 부피가 증가하여 최종 완성 대용량 전지의 체적은 증가하고 중량 에너지 밀도는 감소하게 되는 결과를 가져왔었다.
그러나, 본 발명에서는, 상기와 같이 1개의 대용량으로 Slitting된 Wound 구 조의 셀을 권취하여 제작한 1개의 대용량 젤리롤을 사용하는 대신 2개 이상의 소용량 젤리롤을 XPYS(여기서, X??2이고 Y??1이다), 바람직하게는 2P1S의 병렬 및 직렬회로로 연결하고 여기에 복합전극군을 적용하여 전지를 구성함으로써, 전지케이스 내부의 공간을 최대로 활용할 수 있어 체적 또는 중량당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다는 Wound된 젤리롤 형태 전지 셀의 장점을 그대로 가지고 있으면서도, 극판 길이 증가에 의한 Ohmic 저항 증가 및 감긴 Turn수 증가에 의한 열방산 효과 저하로 인해 발생하던 작동전압 및 지속성능 저하를 극복할 수 있었다.
또한, 하나의 외장재 만을 사용함으로써, 전해액 투입공정 및 외장재의 포장공정 등에서의 제조시간의 증가와 2개 이상의 외장재를 사용함으로 인한 재료비의 증가가 없고, 셀의 두께 및 부피가 증가함으로써 최종 완성 대용량 전지의 체적이 증가하고 중량 에너지 밀도는 감소하게 되는 문제점도 극복할 수 있게 되었다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 리튬이온전지의 내부 구조를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명 비교예1과 실시예1에 의해 제조된 리튬이온전지를 280mA 및 14000mA로 방전하며 작동전압 및 용량을 비교한 그래프이며, 도 4는 본 발명 비교예2와 실시예2에 의해 제조된 리튬이온전지를 340mA 및 17000mA로 방전하며 전압 및 용량을 비교한 그래프이고, 도 5는 비교예2와 실시예2에 의해 제조된 리튬이온전지를 17000mA로 방전하며 수명 특성을 비교한 그래프이다.
본 발명의 복합전극군을 구비한 리튬 이온전지는, 상기한 바와 같이 Wound 형태로 감은 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 하나의 외장재 내에서 2P(Parallel)1S(Series) 이상의 병렬 및 직렬회로, 즉 XPYS(여기서, X≥2이고 Y≥1이다)의 병렬 및 직렬회로로 연결하고 여기에 각 젤리롤의 각 양전극은 양전극끼리, 음전극은 음전극끼리 연결되어 각 하나의 양극 탭과 음극 탭으로 합지되는 복합전극군을 적용하여 전지를 구성함으로써 이루어지는데, 2P1S의 구성을 예로 들어 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 1개의 리튬 이온전지용 외장재(1) 내부에 2개 이상의 개별적으로 제작된 젤리롤 전지 셀(2)(3)이 수용되고, 각 젤리롤 전지 셀의 각 양전극(41)(42)은 합지되어 하나의 양극 탭(4)으로 구성되고, 각 젤리롤 전지 셀의 각 음전극(51)(52)은 합지되어 하나의 음극 탭(5)으로 구성되며, 합지된 양극 탭(4)과 음극 탭(5)은 절연체(6)로 밀봉된 상태로 외장재 외부로 돌출되어 구성된다.
여기서, 젤리롤의 각 양전극(41)(42)은 알루미늄, 알루미늄합금 등 일반적으로 리튬이온 이차전지 제조시 통상 사용되는 재질로 구성되며, 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접, 아크 용접 등의 방법으로 합지되고, 각 음전극(51)(52)은 니켈, 니켈합금 등 일반적으로 리튬이온 이차전지 제조시 통상 사용되는 재질로 구성되며, 역시 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접, 아크 용접 등의 방법으로 합지되어 구성된다.
또한, 절연체(6)로 사용되는 탭테이프는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌등의 재질로 구성됨으로써 각 전극 탭이 밖으로 돌출되는 부분에서 전지 내부와 외부가 연통 되는 경우가 발생하지 않도록 밀봉시키는 역할을 하여 준다.
본 발명이 적용되는 리튬이온 전지는 양극활물질로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO 2 중 어느 하나 또는 복합화합물(LiMxNyO2)을 사용하며, 음극활물질로 결정질 또는 비정질의 탄소 또는 금속리튬을 사용하는 전지로서, 여기서 M, N은 금속 원소이고, x, y는 0-2의 유리수이다.
본 발명의 전해액에서 상기 카보네이트계 용매로는 EC, DMC, EMC, PC, DEC 등 카보네이트류에서 선택된 용매를 하나 이상 혼합한 혼합용매가 사용되며 리튬염으로는 리튬이온 전지 전해액의 용질로서 통상 사용되는 LiPF6, LiBF4, LiClO4 , LiN(SO2CF3)2 및 LiN(SO2CF2CF3)2 중 하나 이상을 0.2∼2.0M의 농도로 사용한다.
이하, 실시예, 비교예 및 이를 이용한 시험예로서 본 발명을 더 구체적으로 설명하고자 하나, 본 발명을 이에 제한하고자 하는 것은 아니다.
[실시예1]
바인더 용매인 N-methyl-2-pyrrolydone(NMP) 3kg에 바인더인 PVdF[poly(vinylidene fluoride)] 0.30kg을 녹여 바인더 용액을 제조하였다.
양극의 활물질인 LiCoO2 6.58kg과 도전제인 Carbon black 0.21kg을 건혼합한 후 미리 준비된 바인더 용액을 추가하여 혼합함으로써 양극용 슬러리를 제조하였다. 양극용 집전체인 알루미늄 호일에 상기의 슬러리를 도포하여 건조한 후 롤프레 스를 이용하여 압연함으로써 양극을 제조하였다.
음극을 제조하기 위하여 양극과 유사한 방법으로 바인더 용액인 NMP 4kg에 바인더인 PVDF 0.4kg을 녹여 바인더 용액을 준비하였다.
음극 활물질인 carbon 5kg에 바인더 용액을 혼합하여 음극용 슬러리를 제조하였다. 음극용 집전체인 구리호일에 상기의 슬러리를 도포하고 건조한 후 롤프레스를 이용하여 압연함으로써 음극을 제조하였다.
이와 같이 제조한 양극 및 음극을 700mAh의 용량을 가지도록 Slitting한 다음, 두께 25㎛의 PP(Poly Propylene) 재질의 분리막(separator)을 사용하여 Winding한 후 압축함으로써 젤리롤 형태의 전지 셀을 완성하였다.
이렇게 Winding된 젤리롤 2개를 2P(Parallel)1S(Series) 형태로 연결되도록 각 양극과 각 음극을 합지하여 하나의 양극과 음극으로 구성함으로써 1400mAh의 용량을 갖도록 구성한 후, 알루미늄 라미네이트 필름으로 포장하여 전지를 제작하였다.
이때 전해액으로는 카보네이트 계열의 용매인 EC:PC:DEC:EMCC의 4성분계 혼합용매에 0.2∼2.0M LiPF6를 리튬염을 첨가하여 용해시킨 것을 사용하였다.
[비교예1]
1400mA용량을 갖도록 Slitting한 1개의 젤리롤 만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 동일한 과정으로 전지를 제작하였다.
[실시예2]
900mAh의 용량을 갖도록 Slitting한 2개의 젤리롤을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 전지를 제작하였다.
[비교예2]
1800mA용량을 갖도록 Slitting한 1개의 젤리롤 만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 전지를 제작하였다.
[시험예1]
상기 방법으로 제작된 비교예1의 전지와 실시예1의 전지를 전류 280mA, 충전전압 4.2V 및 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 조건으로 충전한 후 발생한 가스를 진공으로 제거시키고 다시 resealing한 다음, 280mA의 전류로 2.75V까지 방전 하여 표준 방전 용량을 구하였다.
다음에, 다시 시료전지들을 전류 280mA, 충전전압 4.2V 및 CC-CV 조건으로 충전하여 10분 방치한 후 14000mA의 전류로 2.75V까지 방전하고, 고율방전시 용량 및 작동 전압과 표면온도를 조사하여 도 3 및 하기 표 1에 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 280mA(약 0.2C Rate)의 저전류로 방전한 결과 비교예1 및 실시예1의 표준 방전 용량은 약 1440mAh로 비슷하였지만, 14000mA(약 10C Rate)의 고율로 방전했을 경우에는 외장재 내부에 2개의 젤리롤을 사용하여 2P1S의 형태로 구성한 실시예1의 전지에서 비교예1의 전지 보다 약 0.12V 높은 작동전압과 120mAh 이상 높은 방전 용량을 보였으며, 전지 표면온도도 20?? 더 낮게 측정됨으로써, 본 발명의 실시예가 우수한 고율방전특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
방전용량 및 전지 표면온도 비교
전지구성 방전 용량 (mAh) 용량비(%) =14000mA방전/280mA방전 전지 표면 온도(??)
280mA방전 14000mA방전
비교예1 1447 1274 88.0 76
실시예1 1444 1402 97.1 56
[시험예2]
상기 방법으로 제작된 비교예2의 전지와 실시예2의 전지를 전류 340mA, 충전전압 4.2V 및 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 조건으로 충전한 후 발생한 가스를 진공으로 제거시키고 다시 resealing한 다음, 340mA의 전류로 2.75V까지 방전하여 표준 방전 용량을 구하였다.
다음에, 다시 전지들을 전류 340mA, 충전전압 4.2V 및 CC-CV 조건으로 충전하여 10분간 방치한 다음, 17000mA의 전류로 2.75V까지 방전하여 용량 및 작동전압과 표면온도 및 내부저항을 조사하고 그 결과를 도 4 및 하기 표 2와 표 3에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 시험예 1에서와 마찬가지로, 340mA(약 0.2C Rate)의 저전류로 방전할 때에는 비교예2와 실시예2의 방전용량이 비슷하였으나, 17000mA(약 9C Rate)의 고율로 방전했을 경우 외장재 내부에 2개의 젤리롤을 사용 하여 2P1S의 형태로 구성한 실시예2의 전지에서 비교예2의 전지보다 약 0.25V의 높은 작동전압과 370mAh 이상 높은 방전 용량을 보였으며, 전지 표면온도도 12?? 더 낮게 측정됨으로써 본 발명에 따른 실시예가 우수한 고율방전 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 또한, 에너지 밀도(Wh(에너지밀도)=Ah(용량)ㅧV(작동전압))는 동일 중량 및 체적을 갖고 있을 경우 용량 및 작동전압의 함수이므로 실시예의 경우에서 고율방전시 비교예보다 매우 우수한 에너지 밀도를 나타냄을 알 수 있었다.
또한, 전지의 내부저항을 Hioki 3555 battery hitester로 측정한 결과 비교예 2에 비해 실시예2의 전지에서 낮게 측정 되었으며, 실시예2의 경우 340mA 방전 후 및 17000mA 방전 후의 저항차이가 거의 없어서, 역시 본 발명 실시예가 비교예에 비해 고율특성이 우수함을 알 수 있었다.
방전용량 및 전지 표면온도 비교
전지구성 방전 용량 (mAh) 용량비(%) =340mA방전/17000mA방전 전지 표면 온도(??)
340mA방전 17000mA방전
비교예2 1893 1416 74.8 84
실시예2 1864 1794 96.2 72
전지 내부저항 비교
전지구성 전지 내부 저항(m??)
전지 조립후 340mA 방전후 17000mA 방전후
비교예2 23 28 34
실시예2 15 17 18
[시험예3]
실시예2 및 비교예2에 따라 제작된 전지를 전류 340mA, 충전전압 4.2V 및 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 조건으로 충전한 후 발생한 가스를 진공으로 제거시키고 resealing한 다음, 340mA의 전류로 2.75V까지 방전 하며 활성화 공정을 거친 후, 충전전류 1700mA, 충전전압 4.2V로 충전하여 10분간 휴지하고 다시 방전전류 17000mA로 방전종지전압 2.75V까지 방전한 다음 30분간 휴지하였다. 동일한 과정을 반복하면서 수명이 진행됨에 따라 전지의 용량 변화를 알아보고 그 결과를 도 5에 나타내었다.
시험 결과, 비교예 2에서는 고율 방전(17000mAh 방전)시 수명이 진행됨에 따라 심각한 용량 감소 현상이 나타난 반면, 본 발명의 실시예 2에서는 우수한 수명 특성이 관찰됨으로써, 본 발명에 따라 2P(Parallel)1S(Series)의 형태로 내부에서 연결한 실시예의 전지가 상기한 바와 같은 고율방전 특성 뿐만 아니라, 수명 특성도 우수함을 알 수 있었다.
이상과 같은 시험 결과들을 볼 때, 본 발명의 리튬이온 이차전지가 고율 방전 특성이 우수해졌으면서도, 수명 특성 등 이차전지의 일반적인 특성도 열화되지 않았음을 알 수 있었다.
이상과 같이 본 발명이 완성됨으로써, Wound 형태로 감은 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 하나의 외장재 내에서 XP(Parallel)YS(Series)(여기서, X??2이고 Y??1이다)의 병렬 및 직렬회로로 연결하고, 여기에 각 젤리롤의 양전극은 양전극끼리, 음전극은 음전극끼리 연결되어 각 하나의 양극 탭과 음극 탭으로 합지되는 복합전극군을 적용함으로써 구성되는, 리튬이온 이차전지가 제공될 수 있게 되었다.
본 발명이 완성됨으로써, 전지 케이스 내부의 공간을 최대로 활용할 수 있어 체적 또는 중량당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다는 Wound 형태 전지 셀의 장점을 그대로 가지고 있으면서도, 용량이 증가할수록 고율 특성, 즉, 작동전압 및 지속성능의 저하되고 길어진 극판 길이에 의한 ohmic 저항 증가 및 감긴 turn수 증가에 의한 열방산 효과 저하 등으로 인해 고율특성이 Stacking전지에 비해서 크게 뒤떨어지던 단점이 없어서 대형 완구나 모형 비행기, 로봇 등 큰 방전용량의 전지를 필요로 하는 경우에도 용이하게 사용할 수 있도록 구성된, 대용량 고율 리튬이온 이차전지를 제공할 수 있게 된 것이다.

Claims (4)

  1. 리튬 이온 이차전지에 있어서,
    Wound 형태로 감은 2개 이상의 젤리롤을 사용하여 하나의 외장재 내에서 XP(Parallel)YS(Series)(여기서, X??2이고 Y??1이다)의 병렬 및 직렬회로로 연결하고, 여기에 각 젤리롤의 각 양전극은 양전극끼리, 음전극은 음전극끼리 연결되어 각 하나의 양극 탭과 음극 탭으로 합지되는 복합전극군을 적용하여 구성함을 특징으로 하는,
    리튬이온 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    각 젤리롤의 각 양전극은 알루미늄 및 알루미늄합금 중 어느 하나의 재질로 구성되며, 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 및 아크용접 중 어느 하나에 의해 합지되고,
    각 젤리롤의 각 음전극은 니켈 및 니켈합금 중 어느 하나의 재질로 구성되며, 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접, 아크 용접 중 어느 하나에 의해 합지됨을 특징으로 하는,
    리튬이온 이차전지.
  3. 리튬 이온 이차전지에 있어서,
    1개의 리튬 이온전지용 외장재(1) 내부에 2개의 개별적으로 제작된 젤리롤 전지 셀(2)(3)이 수용되고, 각 젤리롤 전지 셀의 각 양전극(41)(42)은 합지되어 하나의 양극 탭(4)으로 구성되고, 각 젤리롤 전지 셀의 각 음전극(51)(52)은 합지되어 하나의 음극 탭(5)으로 구성되며, 합지된 양극 탭(4)과 음극 탭(5)은 절연체(6)로 밀봉된 상태로 외장재 외부로 돌출되어 구성됨을 특징으로 하는,
    리튬이온 이차전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    각 젤리롤의 각 양전극(41)(42)은 알루미늄 및 알루미늄합금 중 어느 하나의 재질로 구성되며, 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 및 아크 용접 중 어느 하나에 의해 합지되고,
    각 젤리롤의 각 음전극(51)(52)은 니켈 및 니켈합금 중 어느 하나의 재질로 구성되며, 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 및 아크 용접 중 어느 하나에 의해 합지됨을 특징으로 하는,
    리튬이온 이차전지.
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