KR20060098137A - Self-healing gallium alloy electrode, lithium secondary battery using thereof and manufacturing method of gallium alloy electrode - Google Patents

Self-healing gallium alloy electrode, lithium secondary battery using thereof and manufacturing method of gallium alloy electrode Download PDF

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Abstract

본 발명은 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 Ga의 자발적 합금화 특성과 Ga 액체의 유동성 특성을 이용하여 리튬 이차 전지에서 반복되는 충방전 과정에서도 전극이 균열되거나 전극 활물질이 분쇄 또는 탈리되는 것을 방지한다. 또한 전극판 제조시 도전재와 결합재를 첨가하지 않고 전류 집전체에 직접 Ga 합금만을 도포하여 제작함으로써 전극판의 용량을 증가시키고 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킨다. 본 발명은 갈륨 합금을 포함하며, 상기 갈륨 합금과 전류 집전체가 합금화 또는 갈륨 합금의 녹는점 이상에서의 상기 갈륨 합금의 유동성을 특징으로 하는 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극 및 이를 이용한 리튬 이차 전지를 제공한다. 또한, 본 발명은 갈륨 합금을 전류 집전체에 도포하는 도포단계, 상기 갈륨 합금과 상기 전류 집전체의 합금화단계 또는 상기 갈륨 합금의 녹는점 이상에서 상기 갈륨 합금의 액체 유동화하기 위한 온도조절단계로 인하여 자체회복하는 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a self-recoverable gallium alloy electrode, a lithium secondary battery and a gallium alloy electrode manufacturing method using the same. In the present invention, spontaneous alloying properties of Ga and fluidity properties of Ga liquid are used to prevent the electrode from cracking or crushing or detaching the electrode active material even during repeated charging and discharging processes in a lithium secondary battery. In addition, the production of the electrode plate by applying only the Ga alloy directly to the current collector without the addition of a conductive material and a binder to increase the capacity of the electrode plate and significantly improve the energy density of the lithium secondary battery. The present invention provides a self-recoverable gallium alloy electrode comprising a gallium alloy, characterized in that the gallium alloy and the current collector is alloyed or the flowability of the gallium alloy above the melting point of the gallium alloy and a lithium secondary battery using the same. do. In addition, the present invention is due to the coating step of applying a gallium alloy to the current collector, the alloying step of the gallium alloy and the current collector or the temperature control step for the liquid fluidization of the gallium alloy above the melting point of the gallium alloy It provides a gallium alloy electrode manufacturing method characterized in that the self-recovery.

갈륨, 합금, 자체회복, 리튬 이차 전지, 고출력 전지, 액체 Gallium, Alloy, Self-Recovery, Lithium Secondary Battery, High Power Battery, Liquid

Description

자체회복 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법{SELF-HEALING GALLIUM ALLOY ELECTRODE, LITHIUM SECONDARY BATTERY USING THEREOF AND MANUFACTURING METHOD OF GALLIUM ALLOY ELECTRODE} Self-recoverable gallium alloy electrode, method for manufacturing lithium secondary battery and gallium alloy electrode using same {SELF-HEALING GALLIUM ALLOY ELECTRODE, LITHIUM SECONDARY BATTERY USING THEREOF AND MANUFACTURING METHOD OF GALLIUM ALLOY ELECTRODE}

도 1은 실시예 1에서 제조된 전극의 1회 충방전 그래프,1 is a one-time charge and discharge graph of the electrode prepared in Example 1,

도 2는 실시예 2에서 제조된 전극의 1회 충방전 그래프,2 is a one-time charge and discharge graph of the electrode prepared in Example 2,

도 3은 실시예 3에서 제조된 전극의 1회 충방전 그래프,3 is a one-time charge and discharge graph of the electrode prepared in Example 3,

도 4는 실시예 4에서 제조된 전극의 1회 충방전 그래프,4 is a one-time charge and discharge graph of the electrode prepared in Example 4,

도 5는 실시예 5에서 제조된 전극의 1회 충방전 그래프,5 is a one-time charge and discharge graph of the electrode prepared in Example 5,

도 6은 실시예 1에서 제조된 전극의 충방전 가역성 그래프,6 is a charge and discharge reversibility graph of the electrode prepared in Example 1,

도 7은 실시예 2에서 제조된 전극의 충방전 가역성 그래프,7 is a charge and discharge reversibility graph of the electrode prepared in Example 2,

도 8은 실시예 5에서 제조된 전극의 충방전 가역성 그래프,8 is a charge and discharge reversibility graph of the electrode prepared in Example 5,

도 9는 실시예 1에서 제조된 전극의 충방전 출력특성 그래프이다.9 is a graph showing charge and discharge output characteristics of the electrode manufactured in Example 1. FIG.

본 발명은 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 Ga 합금과 빠른 속도로 합금 반응이 가능한 금속을 전류 집전체로 사용하거나, 또는 Ga 합금의 녹는점 이상의 온도에서 Ga를 전극 활물질로 사용하여 열화현상을 감소시켜 자체회복(Self-Healing) 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a self-recoverable gallium alloy electrode, a lithium secondary battery and a gallium alloy electrode manufacturing method using the same. More specifically, self-healing by reducing the deterioration phenomenon by using a metal capable of alloy reaction with Ga alloy at high speed as a current collector, or by using Ga as an electrode active material at a temperature above the melting point of the Ga alloy (Self-Healing) The present invention relates to a gallium alloy electrode, a lithium secondary battery and a gallium alloy electrode manufacturing method using the same.

현재 리튬 이차 전지의 대표적인 음극재료는 탄소재료이며 이러한 탄소재료는 그 결정화도에 따라 결정질 흑연과 비정질 탄소로 나뉘어 진다. 또한 흑연질 재료는 천연 흑연과 인조 흑연으로 세분되며 비정질 탄소는 난흑연화성 탄소(non-graphitizable carbons)와 이흑연화성 탄소(graphitizable carbons)로 다시 분류된다. 이 중 이차전지의 음극재료로 가장 선호되고 있는 제품은 인조 흑연의 한 종류인 g-MCMB(Graphitized Meso Carbon Microbeads)이다. 그 이유는 입자의 형태가 구형이고, 구형 탄소가 갖는 높은 충진 밀도, 우수한 극판성형의 가공성 등의 장점을 가지기 때문이다. 그러나, g-MCMB와 같은 흑연질 탄소는 이론 용량이 372 mAh/g에 불과하여, 고용량 또는 고에너지 밀도를 가지는 리튬 이차 전지의 음극활물질로의 응용에 한계가 있다.At present, a representative anode material of a lithium secondary battery is a carbon material, which is divided into crystalline graphite and amorphous carbon according to the degree of crystallinity. Graphite materials are also subdivided into natural graphite and artificial graphite, and amorphous carbon is further classified into non-graphitizable carbons and graphitizable carbons. Among them, g-MCMB (Graphitized Meso Carbon Microbeads), a kind of artificial graphite, is the most preferred product as a negative electrode material for secondary batteries. The reason is that the particles are spherical in shape and have advantages such as high packing density of spherical carbon and excellent workability of plate forming. However, graphite carbon, such as g-MCMB, has a theoretical capacity of only 372 mAh / g, which limits the application of a lithium secondary battery having a high capacity or a high energy density as a negative electrode active material.

Sn과 같은 금속 및 Si과 같은 반도체 그리고 SnO2와 같은 금속산화물이 고용량 리튬 이차 전지의 새로운 음극 합금 물질로서 제시되어 왔다. 이러한 물질은 700 mAh/g 내지 3500 mAh/g 범위의 높은 이론용량을 갖지만, 충방전 과정에서 수백%의 부피 변화로 인해 전극이 균열되거나, 전극의 활물질이 분쇄 또는 전극으로부터 탈리되고 이로 인해 전극이 열화되기 때문에 가역성에 심각한 문제가 있다. 금 속산화물의 경우 비가역 용량이 크다는 또다른 단점이 있다.Metals such as Sn and semiconductors such as Si and metal oxides such as SnO 2 have been proposed as new anode alloy materials for high capacity lithium secondary batteries. These materials have a high theoretical capacity in the range of 700 mAh / g to 3500 mAh / g, but in the course of charging and discharging, the electrode may crack due to several hundred percent volume change, or the active material of the electrode may be crushed or detached from the electrode, thereby causing the electrode to break. There is a serious problem with reversibility because it deteriorates. Another disadvantage of metal oxides is their large irreversible capacity.

이러한 리튬 이차 전지의 음극 재료로 사용되는 합금 물질 중에서 Ga 금속의 경우에는, 고체 LiGaIn 합금이 리튬 이차 전지의 음극에 적용되어 연구(US Patent Number : 4,808,499)되었으며, 또한 고체 LiGa 합금이 리튬 이차 전지 음극 물질로서의 가능성에 대한 보고(p189~197, vol. 176, 2005, Solid State Ionics)가 있었다. 그러나 상기의 두 연구는 Ga을 리튬 이차 전지의 음극으로 사용하도록 Li이 포함된 고체의 합금물질을 제조하기 위하여 Ga을 파우더(powder) 상태로 사용하였으며, 따라서 액체의 Ga을 이용하거나 액체 Ga과 자발적 합금화가 일어나는 금속을 사용하는 방법을 시도하지 않았다.In the case of Ga metal among the alloy materials used as the negative electrode material of the lithium secondary battery, a solid LiGaIn alloy was applied to the negative electrode of the lithium secondary battery (US Patent Number: 4,808,499), and the solid LiGa alloy was a lithium secondary battery negative electrode. There have been reports of their potential as substances (p189-197, vol. 176, 2005, Solid State Ionics). However, the above two studies used Ga in powder form to produce a solid alloy containing Li to use Ga as a negative electrode of a lithium secondary battery. No attempt was made to use metals where alloying takes place.

또한 상기의 연구에서는 파우더 상태인 활물질을 전극으로 제조하기 위해서 탄소, 합금, 금속산화물 재료의 전극판 제조시와 마찬가지로 도전재 및 결합재와 함께 혼합하는 단계, 상기 혼합물에 유기용매를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 전류 집전체에 도포하는 단계 및 상기 슬러리가 도포된 집전체를 건조한 후 압연하는 단계를 포함하고 있다.In addition, in the above study, in order to prepare an active material in a powder state as an electrode, mixing a conductive material and a binder together with a conductive material and a binder, as in preparing an electrode plate of carbon, alloy, and metal oxide materials, adding an organic solvent to the mixture to prepare a slurry. And applying the slurry to a current collector and drying and rolling the current collector to which the slurry is applied.

복합체 전극에는 부도체인 PVdF[poly(vinylidene Fluoride)], PTFE(polytetrafluoroethylene) 등과 같은 결합재를 포함한다. 결합재는 부도체의 고분자이기 때문에 전극의 저항을 증가시키고, 전극의 저항이 증가하면 전지의 성능이 저하된다. 결국 전극판의 전기전도도가 낮고, 고체 상태의 활물질 내로 리튬 이온의 확산이 느리므로 출력특성에 한계가 있다. 또한 도전재 및 결합재가 첨가되어 단위 무게 또는 단위 부피당 용량이 작은 문제점이 있다.The composite electrode includes a binder such as polyvinyllidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like, which are insulators. Since the binder is a polymer of the insulator, the resistance of the electrode is increased, and when the resistance of the electrode is increased, the performance of the battery is reduced. As a result, the electrical conductivity of the electrode plate is low, and the diffusion of lithium ions into the active material in the solid state is slow, so the output characteristics are limited. In addition, the conductive material and the binder is added, there is a problem that the capacity per unit weight or unit volume is small.

일반적으로 리튬 이차 전지의 반응 속도는 Li 이온이 활물질 내에서 확산(diffusion)이 잘 되는지 여부에 따라서 결정(rate-determining step)된다. 따라서 고전류를 사용하기 위해서는 Li 이온의 확산 경로(diffusion path)를 줄이거나 최소화하여야 하며, 이를 위해 기존의 활물질 입자 크기를 줄이는 방법이 시도되지만, 전극판 제조시 활물질이 한 곳에 편재되어 균일한 전극판 제조가 힘들고, 미세한 활물질 입자를 생산하는데 많은 비용이 드는 단점이 있다.In general, the reaction rate of the lithium secondary battery is determined according to whether or not Li ions diffuse well in the active material. Therefore, in order to use a high current, the diffusion path of Li ions must be reduced or minimized. To this end, a method of reducing the particle size of an existing active material is attempted. It is difficult to manufacture, and there are disadvantages in that it costs a lot to produce fine active material particles.

전술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명에 의한 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법에서는 Ga의 자발적 합금화 특성 또는 Ga 액체의 유동성 특성을 이용하여 리튬 이차 전지에서 반복되는 충방전 과정에서도 전극이 균열되거나 전극 활물질이 분쇄 또는 탈리되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에 의한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차 전지 및 갈륨 합금 제조방법에서는 전극판 제조시 도전재와 결합재를 첨가하지 않고 전류 집전체에 직접 Ga 합금만을 도포하여 제작하여 전극판의 용량을 증가시키고 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시키는 것을 또다른 목적으로 한다.In order to overcome the above problems of the prior art, the self-recoverable gallium alloy electrode according to the present invention, a lithium secondary battery and a gallium alloy electrode manufacturing method using the same in the lithium secondary battery using the spontaneous alloying properties of Ga or the fluidity characteristics of Ga liquid It is an object of the present invention to prevent an electrode from cracking or crushing or detaching an electrode active material even in repeated charging and discharging processes in a battery. In addition, in the gallium alloy electrode according to the present invention, a lithium secondary battery and a gallium alloy manufacturing method using the same, the electrode plate is manufactured by applying only a Ga alloy directly to a current collector without adding a conductive material and a binder, thereby increasing the capacity of the electrode plate. And to significantly improve the energy density of lithium secondary batteries.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 갈륨 합금을 포함하며, 상기 갈륨 합금과 전류 집전체의 합금화 또는 갈륨 합금의 녹는점 이상에서 갈륨 합금의 액체 유동성을 이용하는 것을 특징으로 하는 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극 및 이를 이용한 리튬 이차 전지를 제공한다. 또한, 본 발명은 갈륨 합금을 전류 집전체에 도포하는 도포단계, 상기 갈륨 합금과 상기 전류 집전체의 합금화단계 또는 갈륨 합금의 녹는점 이상에서 갈륨 합금의 액체 유동성을 이용하기 위한 온도조절단계를 포함하여 자체회복하는 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a gallium alloy, and self-recoverable gallium alloy electrode, characterized in that the gallium alloy and the current collector or the gallium alloy using the liquid fluidity above the melting point of the gallium alloy; It provides a lithium secondary battery using the same. In addition, the present invention includes a coating step of applying a gallium alloy to the current collector, an alloying step of the gallium alloy and the current collector or a temperature control step for using the liquid flow of the gallium alloy above the melting point of the gallium alloy. It provides a gallium alloy electrode manufacturing method characterized in that the self-recovery.

이하 본 발명의 구성을 중심으로 도면과 본 발명의 바람직한 실시예를 바탕으로 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the drawings and preferred embodiments of the present invention.

본 명세서 상에서 사용하는 용어는 다음과 같이 정의한다.Terms used in the present specification are defined as follows.

본 명세서에서 '갈륨 합금'이란 갈륨과 다른 하나 또는 둘 이상의 금속으로 이루어진 합금을 말하며, 합금을 이루지 않는 갈륨 자체도 포함하는 것으로 한다.As used herein, the term “gallium alloy” refers to an alloy made of gallium and one or more other metals, and includes gallium which does not form an alloy.

본 명세서에서 '자체회복'이란 충전시 갈륨이 Li 이온과 반응하여 상전이가 일어나서 부피팽창하고 방전시 역으로 반응하여 수축되면서 생기는 전극의 균열, 분쇄, 탈리 등의 현상을, 방전과정에서 갈륨 합금과 전류 집전체의 합금화단계, 또는 작동온도가 갈륨 합금의 녹는점 이상일 경우 갈륨이 완전 방전되면서 변하는 액체 갈륨 합금의 유동과정을 통하여 전극의 균열에 의한 탈리를 방지하는 것을 말한다.In the present specification, 'self-recovery' refers to a phenomenon such as cracking, pulverization, and detachment of the electrode, which occurs when gallium reacts with Li ions during charge to cause phase transition to undergo volume expansion and contraction during reverse reaction, and the gallium alloy during discharge. This refers to preventing detachment due to cracking of the electrode through the alloying step of the current collector, or the flow of the liquid gallium alloy that changes as the gallium is completely discharged when the operating temperature is higher than the melting point of the gallium alloy.

본 발명은 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차 전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a self-recoverable gallium alloy electrode, a lithium secondary battery and a gallium alloy electrode manufacturing method using the same.

일반적으로 금속의 녹는점은 수백℃에서 수천도℃에 이르지만 Ga의 녹는점은 30℃로 매우 낮다. 본 발명에 의한 리튬 이차 전지의 작동온도를 30℃ 이상으로 유지하면 Ga 전극은 액체상태로 존재하게 된다. 뿐만 아니라 Ga은 반응성도 매우 우수하여 상온 상압에서도 다른 금속과 합금화가 이루어진다. Ga의 이러한 물리적, 화학적 특성들을 이용하여 전극이 충방전 후에 원래 상태로 스스로 회복하는 자체회복(self-healing) 능력을 통하여 충방전시의 전극 변형에 의한 성능 열화를 개선 또는 방지한다.In general, the melting point of metals ranges from several hundred degrees Celsius to thousands of degrees Celsius, while the melting point of Ga is very low, 30 degrees Celsius. If the operating temperature of the lithium secondary battery according to the present invention is maintained at 30 ℃ or more, the Ga electrode is present in the liquid state. In addition, Ga is very reactive and alloys with other metals even at normal temperature and pressure. These physical and chemical properties of Ga can be used to improve or prevent performance degradation due to electrode deformation during charging and discharging through the self-healing ability of the electrode to recover itself to its original state after charging and discharging.

본 발명에서 자발적 합금화를 수행하는 전극으로 사용하는 Ga 합금 전극은 Ga과 자발적 합금 반응이 일어나는 금속이 적어도 하나 포함되어있는 합금으로 이루어져 있다. 일반적으로 본 발명에 의한 Ga 합금 전극은 Ga 외에 한개 또는 두개의 금속이 합금되는 것이 바람직하다. 하지만 Ga 합금은 Ga외에 합금이 가능한 금속 수가 3 이상인 것도 가능하며, 뿐만 아니라 합금이 이루어지지 않은 금속과의 복합체 금속 전극도 가능하다. 액체 전극을 사용할 경우에는 Ga과의 자발적 합금화 여부와 상관없이 Ga외에 한개 또는 두개의 금속과의 합금도 가능하며, 이는 작동온도에 의존한다. 또한 합금이 이루어지지 않는 고체 금속과의 액체 갈륨 합금+고체 금속의 복합체 금속 전극도 가능하다. Ga 합금의 조성은 아래 화학식과 같다. Ga 합금의 화학식은 Ga과 합금을 이루는 금속이 최대 4개인 Ga 합금을 나타내지만 본 발명에서 Ga과 결합하여 합금을 이루는 금속의 개수는 이에 한하지 않는다.In the present invention, the Ga alloy electrode used as an electrode for spontaneous alloying is composed of an alloy containing at least one metal in which spontaneous alloy reaction occurs with Ga. In general, in the Ga alloy electrode according to the present invention, it is preferable that one or two metals are alloyed in addition to Ga. However, the Ga alloy may be an alloy of 3 or more in addition to Ga, as well as a composite metal electrode with a non-alloyed metal. When using a liquid electrode, alloying with one or two metals besides Ga is possible, regardless of spontaneous alloying with Ga, which depends on the operating temperature. Also possible is a composite metal electrode of a liquid gallium alloy + solid metal with a solid metal that is not alloyed. The composition of the Ga alloy is represented by the following formula. The chemical formula of the Ga alloy represents a Ga alloy having up to four metals forming an alloy with Ga, but the number of metals forming an alloy by combining with Ga in the present invention is not limited thereto.

(화학식)Formula

GavKwLxMyNz Ga v K w L x M y N z

(K, L, M 또는 N은 Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb 중에서 하나이며, 0<v≤1, 0≤w≤1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1 이다.)(K, L, M or N is one of Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb, 0 <v≤1, 0≤w≤1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1.)

본 발명에서 Ga 합금 전극의 자체회복 능력은 1) 방전과정에서 Ga과 다른 금속이 빠른 속도로 합금되어 자체 회복하는 합금화단계, 또는 2) 방전후에 Ga 전극의 액체 유동성을 통하여 자체 회복가능하도록 Ga 합금 전극의 녹는점 이상으로 온도조절하는 온도조절단계를 통하여 달성된다. 이하 살펴본다.In the present invention, the self-recovery capability of the Ga alloy electrode is 1) an alloying step in which Ga and other metals are self-recovered by rapidly alloying Ga and other metals during the discharge process, or 2) the Ga alloy is self-recoverable through the liquid fluidity of the Ga electrode after discharge. It is achieved through a temperature control step of temperature control above the melting point of the electrode. Look below.

1) Ga과 금속이 빠른 속도로 합금되어 자체회복(Self-Healing)하는 합금화단계1) Self-Healing Alloying Step by Ga and Metal Alloying at High Speed

Ga와 금속 M의 합금 GavMw을 사용하여 충방전을 진행하면 다음과 같은 반응이 일어난다. 이러한 합금화 반응은 Ga 합금의 녹는점 이상 또는 이하에서도 가능하다.When charging and discharging are performed using Ga GaV M w of Ga and metal M, the following reaction occurs. This alloying reaction is possible even above or below the melting point of the Ga alloy.

(a) Ga v M w (s) + Li+ + e ⇒ LiGa v (s) +wM(s): 충전(a) Ga v M w (s) + Li + + e ⇒ LiGa v (s) + w M (s): charging

(b) LiGa v (s) ⇒ Li+ + e + vGa(s, l) : 방전(b) LiGa v (s) ⇒ Li + + e + v Ga (s, l): discharge

(c) vGa(s, l) + wM(s) ⇒ Ga v M w (s): Ga과 전류 집전체와의 자발적 합금화 반응(c) v Ga (s, l) + w M (s) ⇒ Ga v M w (s): spontaneous alloying reaction between Ga and current collector

상기 식은 Ga와 금속 M의 자발적 합금화 반응을 나타낸 식이며, Ga와 합금화 반응이 일어나는 금속은 두 개 이상도 가능하다. 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 충방전 후 활물질인 Ga이 전류 집전체와 자발적으로 반응하여 처음 전극상태를 회복할 수 있다. 이를 통하여 활물질이 전류 집전체에서 분쇄, 분리되지 않는다. 다시 말해서, Sn, Si 등의 합금 물질에서 충전과 방전의 사이클을 돌면서 생기는 부피 변화로 인해 활물질이 전류 집전체에서 균열, 분리, 탈리되어 전극의 가역성이 퇴화되는 문제를 극복한다.The above formula represents a spontaneous alloying reaction between Ga and metal M, and two or more metals in which the alloying reaction with Ga occurs. In the present invention, after the charge and discharge, Ga, an active material, spontaneously reacts with the current collector to restore the initial electrode state. This prevents the active material from being pulverized and separated from the current collector. In other words, due to the volume change generated during the charging and discharging cycles in an alloy material such as Sn and Si, the active material is cracked, separated, and detached from the current collector, thereby overcoming the problem of deterioration of the electrode.

이하에서는 M 금속의 구체적인 예로 Cu를 선택하여, Ga와 Cu의 자발적 합금화 반응을 살펴본다.Hereinafter, by selecting Cu as a specific example of the M metal, it looks at the spontaneous alloying reaction of Ga and Cu.

우선 Ga 합금 전극을 제조하기 위하여 액상의 Ga을 금속의 전류 집전체에 도포한다. 도포되는 Ga의 두께는 0.1㎛ 내지 50㎛ 인 것이 바람직하며, 도포두께가 두꺼울수록 더욱 바람직하다. Ga의 도포두께가 두꺼울수록 전류 집전체의 양이 감소하게 되어 에너지 밀도가 높아진다. 본 발명에서 Ga2Cu 합금의 두께는 Cu 호일 위에 도포된 Ga의 양에 비례한다. 따라서, 도포된 Ga의 양과 두께를 조절하여 생성되는 합금 두께도 조절할 수 있다. First, in order to manufacture a Ga alloy electrode, liquid Ga is applied to a metal current collector. It is preferable that the thickness of Ga to be apply | coated is 0.1 micrometer-50 micrometers, and it is more preferable that a coating thickness is thick. The thicker the coating thickness of Ga, the smaller the amount of current collector is, and the higher the energy density. In the present invention, the thickness of the Ga 2 Cu alloy is proportional to the amount of Ga applied on the Cu foil. Therefore, the thickness of the alloy produced by adjusting the amount and thickness of the coated Ga can also be adjusted.

Cu 호일을 전류 집전체로 사용할 경우 Ga을 Cu 호일 위에 도포하면 자발적으 로 2Ga(l) + Cu(s) → Ga2Cu(s) 반응의 합금화가 이루어진다. 즉, Cu 호일 위에 액체 Ga을 일정두께로 도포하면 구리 표면위에 Ga2Cu 합금이 형성되며, 이 반응은 열처리를 통해 가속화할 수 있다. 이 때 Ga이 도포된 Cu 호일의 위부분만 Ga과의 반응에 참여하므로 구리 호일의 아래 부분은 순수한 Cu로써 전류 집전체로 사용되어 진다. 이렇게 형성된 Ga2Cu 합금을 리튬 이차 전지의 음극으로 사용할 때 충방전에 따라서 다음의 과정을 겪게 된다.When Cu foil is used as a current collector, when Ga is coated on Cu foil, spontaneous alloying of the reaction of 2Ga (l) + Cu (s) → Ga 2 Cu (s) occurs. In other words, applying a predetermined thickness of liquid Ga on the Cu foil to form a Ga 2 Cu alloy on the copper surface, this reaction can be accelerated through heat treatment. At this time, since only the upper part of the Ga-coated Cu foil participates in the reaction with Ga, the lower part of the copper foil is used as a current collector as pure Cu. When the Ga 2 Cu alloy thus formed is used as a negative electrode of a lithium secondary battery, the following process is performed according to charging and discharging.

(a') Ga2Cu(s) + 2Li+ + 2 ⇒ 2LiGa(s) + Cu(s) : 충전(a ') Ga 2 Cu (s) + 2Li + + 2 ⇒ 2LiGa (s) + Cu (s): charging

(b') 2LiGa(s) ⇒ xLi+ + xe + (2-x)LiGa(s) + xGa(s, l) : 방전(b ') 2LiGa (s) ⇒ x Li + + x e + (2-x) LiGa (s) + x Ga (s, l): discharge

(b") xGa(s, l) + Cu(s) ⇒ gGa4Cu9(s) : 자발적 합금화 (b ") x Ga (s, l) + Cu (s) ⇒ g Ga 4 Cu 9 (s): spontaneous alloying

(c') (2-x)LiGa(s) ⇒ zLi+ + ze + yLi3Ga14(s) : 방전(c ') (2-x) LiGa (s) ⇒ zLi + + ze + y Li 3 Ga 14 (s): discharge

(d') yLi3Ga14(s) ⇒ (2-x-y)Li+ + (2-x-y)e + hGa(s, l) : 방전(d ') y Li 3 Ga 14 (s) ⇒ (2-xy) Li + + (2-xy) e + h Ga (s, l): discharge

(d") hGa(s, l) + Ga5Cu9(s) ⇒ Ga2Cu : 자발적 합금화 (d ") h Ga (s, l) + Ga 5 Cu 9 (s) ⇒ Ga 2 Cu: spontaneous alloying

즉, 충전시 상기 (a') 반응에서는 Li 이온이 Ga2Cu(s)전극에 들어가면서 2LiGa(s)+Cu(s)이 형성되며 이에 의해 부피가 팽창하고, 방전시 (b'), (c'), (d') 반응에서는 부피가 수축되어 전극에 균열이 일어날 수 있으나, 상기 (b"), (d") 반응을 통하여 원래의 Ga2Cu 전극으로 회복되므로 연속적인 부피변화로 인한 금속 피로를 줄일 수 있다.That is, in the (a ') reaction during charging, Li ions enter the Ga 2 Cu (s) electrode to form 2LiGa (s) + Cu (s), thereby expanding the volume and discharging (b'), ( In the c ') and (d') reactions, the volume shrinks and cracks may occur in the electrode. However, the (b ") and (d") reactions restore the original Ga 2 Cu electrode, resulting in continuous volume change. Metal fatigue can be reduced.

다시 말해, 기존의 합금 복합 전극은 충방전에 따른 연속전인 전극의 부피변화로 인해 전극의 균열, 미분쇄, 탈리가 발생하며 이 때문에 전극의 가역성이 감소한다. 그러나, Ga2Cu 전극은 상기 (b"), (d")와 같은 자발적 합금화 반응을 통하여 전극이 충방전하기 전 상태로 회복할 수 있으며 이는 전극이 부피 변화가 발생한다고 해도 그로 인한 피로 누적을 감소시키므로 전극의 변형을 크게 억제할 수 있다. 이를 통해 전지의 수명이 개선될 수 있다.In other words, the conventional alloy composite electrode is cracked, pulverized, desorption of the electrode due to the volume change of the electrode which is continuous before charging and discharging, thereby reducing the reversibility of the electrode. However, the Ga 2 Cu electrode can be restored to the state before the electrode is charged and discharged through spontaneous alloying reactions such as (b ″) and (d ″), which prevents fatigue accumulation even if the electrode has a volume change. Since it reduces, the deformation | transformation of an electrode can be suppressed large. This may improve the life of the battery.

GaSn 합금의 경우도 동일하게 적용가능하다. 30℃에서 액체 상태인 GaSn 공융합금을 Cu 호일위에 도포하면 Ga이 Sn보다는 Cu와 반응성이 더 크므로 Ga2Cu 합금이 형성되고 Sn이 석출된다. 즉, 이러한 방식을 이용하여 0.5Ga2Cu(s)+Sn(s) 복합체 전극을 제조할 수 있다.The same applies to the GaSn alloy. When the GaSn eutectic alloy in a liquid state at 30 ° C. is applied onto Cu foil, Ga 2 Cu alloy is formed and Sn is precipitated because Ga is more reactive with Cu than Sn. That is, 0.5Ga 2 Cu (s) + Sn (s) composite electrode can be manufactured using this method.

한편, Ga2Cu(s) 합금은 상기 (a) 내지 (d") 반응과 같은 충방전 및 자발적 합금화 반응을 통하여 음극 특성을 발현하며, 이 때 석출된 Sn도 리튬과의 반응이 가능하다. Sn의 이론 용량은 994 mAh/g 이다. Sn과 리튬의 반응식은 다음과 같다.On the other hand, the Ga 2 Cu (s) alloy expresses the negative electrode characteristics through the charging and discharging and spontaneous alloying reactions such as the (a) to (d ") reaction, and the precipitated Sn can also react with lithium. The theoretical capacity of Sn is 994 mAh / g The reaction formula of Sn and lithium is as follows.

22Li+ + 22e + 5Sn ⇔ Li22Sn5 22Li + + 22e + 5Sn ⇔ Li 22 Sn 5

본 발명에 의한 갈륨 합금 전극은 Ga이 다른 금속과 자발적 합금화가 이루어지는 온도에서 작동하는 리튬 이차 전지에 적용할 수 있다. 그 적용분야는 자동차, 오토바이, 휴대용 단말기, 휴대용 전기기구 등 다양하다.The gallium alloy electrode according to the present invention can be applied to a lithium secondary battery operated at a temperature at which Ga is spontaneously alloyed with another metal. The field of application is various for automobiles, motorcycles, portable terminals, portable electric appliances, and the like.

동일한 원리에 의해 Ga v MwNx(M 또는 N은 Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb 중에서 하나이며, 0<v≤1, 0≤w≤1, 0≤x≤1 이다.)의 조성을 갖는 합금도 Cu 호일에 도포하여 전극을 제조할 수 있다. 상기 Ga v M w N x 합금을 Cu 호일위에 도포하여 Ga의 합금화 반응이 일어나기 위해서는 Ga이 M 또는 N 금속보다 Cu와 반응성이 더 큰 것이 바람직하다. Ga2Cu 합금이 형성되고 M 또는 N 금속이 석출된다.By the same principle, Ga v M w N x (M or N is one of Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb, An alloy having a composition of 0 <v ≤ 1, 0 ≤ w ≤ 1, and 0 ≤ x ≤ 1) may also be coated on Cu foil to prepare an electrode. In order for the Ga v M w N x alloy to be coated on Cu foil so that an alloying reaction of Ga occurs, Ga is more reactive with Cu than M or N metal. Ga 2 Cu alloy is formed and M or N metal is precipitated.

2) Ga 전극의 액체 유동성을 통한 자체회복(Self-Healing)하도록 온도를 Ga 합금의 녹는점 이상으로 유지하는 온도조절단계2) Temperature control step to maintain the temperature above the melting point of the Ga alloy to self-healing through the liquid flow of the Ga electrode

Ga이 액체 상태에서 존재할 수 있는 온도 조건을 만족시키면 액체 Ga은 아래와 같은 충방전 반응을 하게 된다.When Ga satisfies the temperature condition that can exist in the liquid state, the liquid Ga is charged and discharged as follows.

(e) Ga(l) + 2Li+ + e ⇒ Li2Ga(s): 충전(e) Ga (l) + 2Li + + e ⇒ Li 2 Ga (s): charging

(f) Li2Ga(s) ⇒ 2Li+ + e + Ga(l): 방전(f) Li 2 Ga (s) ⇒ 2Li + + e + Ga (l): discharge

즉, 충전단계에서 액체 Ga가 Li 이온과 반응하여 상전이가 일어나며, 상전이로 만들어진 Li2Ga(s)은 방전시 다시 액체 Ga(l)로 원상회복된다. 액체상태에서 고체상태로 상전이 될 때 일어나는 문제인 균열, 분쇄, 탈리 등과 같은 현상을 (e)와 (f) 반응을 통한 액체의 유동성을 이용하여 극복할 수 있다.That is, in the charging step, liquid Ga reacts with Li ions to cause a phase transition, and Li 2 Ga (s) made of the phase transition is restored to liquid Ga (l) upon discharge. Phenomena such as cracking, crushing, and detachment, which occur when the phase changes from a liquid state to a solid state, can be overcome by using the fluidity of the liquid through the reactions (e) and (f).

Ga의 자체회복 과정을 좀 더 살펴본다.Let's take a closer look at Ga's self-healing process.

우선, Ga 합금 전극을 제조하기 위하여 액상의 Ga을 전도성이 우수한 전류 집전체에 도포한다. 수월한 전극 제조를 위해서 액상 Ga을 사용하며 이를 위해 이들을 가열할 수 있다. 예를 들어, Mo 호일을 전류집전체로 사용할 경우 Ga을 Mo 호일 위에 도포한 후 30℃ 이상으로 유지하면 활물질 Ga이 액체 상태로 존재하는 액상 전극의 제조가 가능해진다. 단, Mo은 상온 상압에서 Ga과 합금화가 이루어지지 않기 때문에 액체 상태로의 보존이 가능하다.First, in order to manufacture a Ga alloy electrode, liquid Ga is applied to a current collector having excellent conductivity. Liquid Ga is used for easy electrode fabrication and can be heated for this purpose. For example, when Mo foil is used as a current collector, if Ga is applied on Mo foil and then maintained at 30 ° C. or higher, it is possible to manufacture a liquid electrode in which the active material Ga is in a liquid state. However, since Mo is not alloyed with Ga at room temperature and normal pressure, the Mo can be stored in a liquid state.

충전 시에 액체 상태의 Ga은 Li과 합금반응에 의해 Li3Ga14(s) ⇒ LiGa(s) ⇒ Li2Ga(s)의 순서로 상전이가 이루어지며 이에 따라 부피가 팽창한다. Li2Ga의 이론용량은 769 mAh/g이다. 방전 시에는 역순으로 반응이 진행되며 부피가 수축하게 되는데, 이 때 고체상태인 Li과 Ga의 합금(Li3Ga14, LiGa 또는 Li2Ga) 전극이 균열, 분 쇄, 탈리되는 현상이 발생할 수 있다. 그러나 완전 방전 후 Ga은 액체상태로 전환되기 때문에 액체의 유동성을 통해 균열되었던 전극이 다시 뭉치는 현상이 발생한다. 본 발명의 이러한 자체회복(self healing) 능력에 의해 전극은 균열, 분쇄, 탈리 등에 의한 열화현상이 줄어들어 전극의 가역성이 우수하고 수명을 크게 연장시킬 수 있다.During charging, the Ga phase in the liquid phase is phase-transferred in the order of Li 3 Ga 14 (s) ⇒ LiGa (s) ⇒ Li 2 Ga (s) by alloying with Li, thereby expanding the volume. The theoretical capacity of Li 2 Ga is 769 mAh / g. When discharging, the reaction proceeds in the reverse order and the volume shrinks. At this time, a crack, pulverization, or detachment of a solid-state alloy of Li and Ga (Li 3 Ga 14 , LiGa or Li 2 Ga) may occur. have. However, after the complete discharge, Ga is converted into a liquid state, so that the electrode, which has been cracked through the fluidity of the liquid, aggregates again. The self-healing ability of the present invention reduces the deterioration due to cracking, crushing, and detachment, so that the electrode is excellent in reversibility and greatly extends its lifespan.

순수한 Ga뿐 아니라 Ga의 공융합금도 낮은 녹는점을 갖는다. 예를 들어, 2성분 공융합금으로써 GaIn(Ga : In = 75.5중량% : 24.5중량%)은 녹는점이 17℃이며, GaSn(Ga : Sn = 92중량% : 8중량%)의 경우는 25℃이다. 또한 3성분 공융합금으로써 GaInSn(Ga : In : Sn = 62중량% : 22중량% : 16중량%)은 녹는점이 11℃이다. 따라서 이들 또한 액체 전극 물질로 사용이 가능하며 가역성이 향상된다.In addition to pure Ga, the eutectic alloy of Ga has a low melting point. For example, as a two-component eutectic alloy, GaIn (Ga: In = 75.5 wt%: 24.5 wt%) has a melting point of 17 ° C., and GaSn (Ga: Sn = 92 wt%: 8 wt%) has 25 ° C. . As a three-component eutectic alloy, GaInSn (Ga: In: Sn = 62 wt%: 22 wt%: 16 wt%) has a melting point of 11 ° C. Thus they can also be used as liquid electrode materials and the reversibility is improved.

2성분 또는 3성분 합금이 공융합금과 다른 성분비를 가질 경우에도 작동온도를 합금의 녹는점 이상으로 조절하면 액상의 전극 물질로 사용가능하다. 뿐만 아니라 공융합금과 다른 성분비를 갖는 합금이 공융합금의 녹는점과 금속의 녹는점 사이의 작동온도에서 그 합금은 공융합금과 고체 금속의 혼합물로 존재하기 때문에 충방전시 액체상태를 거치게 되고 따라서 가역성과 고출력 특성이 향상된다.Even when the two- or three-component alloys have different component ratios from eutectic alloys, they can be used as liquid electrode materials by adjusting the operating temperature above the alloy's melting point. In addition, alloys with different composition ratios from eutectic alloys are in the liquid state during charging and discharging because they exist as a mixture of eutectic alloys and solid metals at the operating temperature between the melting point of the eutectic alloy and the metal melting point and thus are reversible. And high output characteristics are improved.

본 발명에서 온도 조건을 갈륨 합금의 녹는점 이상으로 유지하기 위하여 온도조절장치를 구비한다. 실내 온도가 갈륨합금의 녹는점 이상일 경우 온도조절장치는 실내 환경 그 자체가 된다. 온도조절장치는 공지의 것을 이용하는 것이 바람직하다.In the present invention, a temperature control device is provided to maintain the temperature condition above the melting point of the gallium alloy. If the room temperature is above the melting point of the gallium alloy, the thermostat becomes the room environment itself. It is preferable to use a well-known thing for a thermostat.

본 발명에 의한 Ga 합금 전극을 포함하는 리튬 이차 전지에서는 일반적인 복 합체 전극에서 사용하는 부도체인 결합제와 도전재가 없으므로 전기 전도도가 우수하고 전극 저항이 작아서 고출력 특성을 갖는다. 또한 전극 밀도가 향상되며, 전극의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.In the lithium secondary battery including the Ga alloy electrode according to the present invention, since there is no binder and a conductive material, which are non-conductors used in general composite electrodes, excellent electrical conductivity and small electrode resistance have high output characteristics. In addition, the electrode density is improved, and the energy density of the electrode can be improved.

본 발명에 의한 Ga 합금 전극을 음극으로 사용하고, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등을 양극으로 사용하고 그 사이에 분리막을 삽입시킨다.A Ga alloy electrode according to the present invention is used as a cathode, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc. are used as an anode, and a separator is inserted therebetween.

분리막은 두 개 전극의 내부 단락을 차단하고 전해액을 함침하는 역할을 하며 사용될 수 있는 재료로는 고분자, 그라스화이버 매트, 크라프트지 등이 있으며, 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(Celgard 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp 제품), 폴리프로필렌 분리막(polypropylene membrane; Ube Industries Ltd 제품 또는 Pall RAI사 제품) 등이 있다. 상기의 전해질은 유기 용매에 리튬 염을 용해시킨 계로서 리튬 염은 LiClO4, LiCF3SO3, LiAsF6, LiBF4, LiN(CF3SO2)2, LiPF6, LiSCN 및 LiC(CF3SO2)3 등을 단독 또는 혼합하여 사용하고, 유기용매는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸테트라히드로푸란(2-methyltetrahydrofurna), 1,3 -디옥센(1,3-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥센(4-methyl-1,3-dioxolane), 디에틸에테르(diethy ether),술포란(sulfolane) 등을 단독으로 사용하거나 서로 혼합하여 사용 할 수 있다. 또한 polyethylene oxide (PEO)계통의 고분자 전해질이나 Li3PO4-Li2S-SiS2와 같은 고체 전해질도 사용가능하다.The membrane blocks the internal short circuit of the two electrodes and impregnates the electrolyte, and materials that may be used include polymer, glass fiber mat, and kraft paper.   2400, 2300 (manufactured by Hoechest Celanese Corp), polypropylene membrane (manufactured by Ube Industries Ltd or Pall RAI). The electrolyte is a system in which lithium salt is dissolved in an organic solvent. Lithium salt is LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , LiSCN and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 or the like may be used alone or in combination. The organic solvent may be ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1, 2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, gamma-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetra 2-methyltetrahydrofurna, 1,3-dioxene (1,3-dioxolane), 4-methyl-1,3-dioxene (4-methyl-1,3-dioxolane), diethyl ether ), Sulfolane can be used alone or mixed with each other. In addition, a polyethylene electrolyte (PEO) -based polymer electrolyte or a solid electrolyte such as Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 may be used.

본 발명에 의한 갈륨 합금 전극 제조방법은 갈륨 합금을 전류 집전체에 도포하는 도포단계, 상기 갈륨 합금과 상기 전류 집전체가 합금화하는 합금단계, 또는 상기 갈륨 합금을 액체 상태로 유지하기 위한 온도조절단계를 포함하여 자체회복하는 것을 특징으로 한다.The gallium alloy electrode manufacturing method according to the present invention is a coating step of applying a gallium alloy to the current collector, an alloying step of alloying the gallium alloy and the current collector, or a temperature control step for maintaining the gallium alloy in a liquid state Including a self recovery.

도포단계는 도포되는 갈륨 합금의 두께는 0.1㎛ 내지 50㎛인 것이 바람직하다. 갈륨 합금의 두께는 두꺼울수록 바람직하다. 갈륨 합금의 두께가 두꺼우면 전류 집전체의 상대적인 양이 감소하게 되고 그 결과 에너지 밀도가 증가한다.In the coating step, the thickness of the gallium alloy to be applied is preferably 0.1㎛ to 50㎛. The thicker the gallium alloy is, the more preferable it is. A thick gallium alloy reduces the relative amount of current collector, resulting in an increase in energy density.

도포단계에서 도포방식은 일정두께로 Ga을 코팅하는 것이 바람직하다. 전극에서 일반적으로 사용하는 도포방식을 사용한다. 전지시스템에서 사용하는 닥터블레이드 또는 이와 유사한 방식을 사용하는 것도 가능하고, 스퍼터링(sputtering) 방식을 사용하는 것도 가능하다. 닥터블레이드를 사용할 경우 Ga과 접촉하는 장치의 부분은 장치의 작동온도에서 Ga과 반응이 이루어지지 않는 SiO2, TiO2, Mo, 또는 Ti 등을 사용하여야 한다. In the coating step, the coating method is preferably coated with Ga to a predetermined thickness. The coating method generally used for electrodes is used. It is also possible to use a doctor blade or a similar method used in the battery system, it is also possible to use a sputtering method. In case of using doctor blade, the part of the device which is in contact with Ga should be made of SiO 2 , TiO 2 , Mo, or Ti which does not react with Ga at the operating temperature of the device.

합금단계에서는 갈륨 합금과 전류 집전체가 합금 반응이 일어날 수 있도록 온도를 갈륨 합금과 다른 금속의 합금되는 온도 이상으로 한다. Ga의 경우 Cu와 Ga의 녹는점인 30℃ 이상에서 전류 접전체와 합금이 만들어지고, 갈륨 공융합금의 경우 해당 공융합금의 녹는점 이상에서 갈륨과 전류 집전체의 합금이 만들어 진다. 갈륨 공융합금의 경우 전류 집전체가 갈륨과 합금을 이루면 금속으로 석출된다. 그러나 합금화되는 온도와 전극의 작동 온도는 일치하지 않을 수 있다. 전극이 작동할 때에는 전극의 반응이 나노사이즈의 결정크기 내에서 반응이 일어나므로 실제 전극의 제조온도보다 낮은 온도에서 합금화 반응이 이루어진다. In the alloying step, the temperature of the gallium alloy and the current collector is higher than the alloying temperature of the gallium alloy and other metals so that an alloy reaction can occur. In the case of Ga, the current contactor and the alloy are made at the melting point of Cu and Ga, 30 ° C. or higher, and in the case of the gallium eutectic alloy, the alloy of the gallium and the current collector is made at the melting point of the eutectic alloy. In the case of gallium eutectic alloy, when the current collector alloys with gallium, it is precipitated as a metal. However, the temperature to be alloyed and the operating temperature of the electrode may not match. When the electrode is operating, the reaction of the electrode occurs within the nano-sized crystal size, so that the alloying reaction occurs at a temperature lower than the actual manufacturing temperature of the electrode.

온도조절단계에서는 갈륨 합금 전극의 온도조건이 갈륨 합금의 녹는점 이상을 유지하도록 온도조절 장치를 구비한다. 액체 전극의 경우에는 액체 전극 물질을 전류 집전체에 도포하고 전극 물질이 액체 상태를 유지하도록 전극 물질의 녹는점 이상으로 유지해주는 것이 필요하다. 온도조절장치는 공지의 조절장치를 이용할 수 있다. 충전반응시 액상 갈륨이 Li 이온과 결합하여 Li2Ga(s)으로 변하여 부피가 늘어나고, 방전반응시 Li2Ga(s)이 다시 Li 이온을 배출하면서 액체 갈륨으로 변한다. 즉, 액체 갈륨이 액상에서 부피팽창을 동반하면서 고상으로 변하고 다시 부피수축을 동반하면서 액상으로 변하는 과정에서 복원되는 갈륨이 액상을 띄게 되므로 액체 유동성을 가지게 되어 전극이 균열, 분쇄, 탈리되는 것을 방지할 수 있다.In the temperature control step, the temperature condition of the gallium alloy electrode is provided with a temperature control device to maintain the melting point of the gallium alloy or more. In the case of a liquid electrode, it is necessary to apply the liquid electrode material to the current collector and to keep it above the melting point of the electrode material so that the electrode material remains in a liquid state. The temperature control device can use a known control device. During the charging reaction, the liquid gallium is combined with Li ions to turn into Li 2 Ga (s) to increase its volume, and during discharge, Li 2 Ga (s) turns to liquid gallium while discharging Li ions again. That is, the gallium restored liquid in the process of liquid gallium changes to a solid phase with a volume expansion in the liquid phase, and again changes to a liquid phase with volume contraction has a liquid liquidity to prevent the electrode from cracking, grinding, desorption Can be.

이하에서는 바람직한 실시예를 바탕으로 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the preferred embodiments.

실시예 1 : GaExample 1 Ga 22 Cu 전극의 제조Preparation of Cu Electrode

25℃에서 고체인 Ga 0.5g을 70℃로 가열하여 액상으로 전환시킨 후, Cu 호일 위에 분산시켰다. 유리 슬라이드를 사용하여 압력을 가하면서 밀어주면 액상의 Ga이 구리호일 위에 균일한 두께로 도포하게 된다. 이를 120℃ 진공오븐에서 10시간동안 가열하여 Ga2Cu 합금으로 전환시켰다. 구리 호일의 윗부분에 Ga2Cu 합금이 코팅된 형태의 전극을 제작하였다.0.5 g of Ga, a solid at 25 ° C., was heated to 70 ° C., converted to a liquid phase, and then dispersed on Cu foil. When pressure is applied using a glass slide, liquid Ga is coated on the copper foil with a uniform thickness. It was heated in a 120 ° C. vacuum oven for 10 hours to convert to a Ga 2 Cu alloy. An electrode having a Ga 2 Cu alloy coated on top of the copper foil was fabricated.

실시예 2 : GaExample 2 Ga 22 Cu+Sn 복합체 전극의 제조Preparation of Cu + Sn Composite Electrode

70℃로 가열하여 만든 액상 Ga 0.25g과 Sn 분말 0.25g(1:1 질량비)을 혼합한 후 GaSn 합금을 제조하였다. 이를 GaSn(Ga : Sn = 92중량% : 8중량%) 공융합금의 녹는점 (25℃) 이상으로 가열하여 액상의 공융합금과 Sn 고체 금속의 혼합물로 전환시킨 후 구리 호일 위에 도포하였다. 유리 슬라이드를 사용하여 압력을 가하면서 밀어주면 액상의 GaSn이 구리호일 위에 균일한 두께로 도포하게 된다. 이를 120℃ 진공오븐에서 10시간동안 가열하여 Ga2Cu+Sn 복합체 전극을 제조하였다.A GaSn alloy was prepared by mixing 0.25 g of liquid Ga made by heating to 70 ° C. and 0.25 g of Sn powder (1: 1 mass ratio). It was heated above the melting point (25 ° C.) of GaSn (Ga: Sn = 92% by weight: 8% by weight) eutectic alloy to convert it into a mixture of liquid eutectic alloy and Sn solid metal and applied onto copper foil. When pressure is applied using a glass slide, liquid GaSn is applied to the copper foil with a uniform thickness. It was heated for 10 hours at 120 ℃ vacuum oven to prepare a Ga 2 Cu + Sn composite electrode.

실시예 3 : GaExample 3 Ga 22 Cu+In 복합체 전극의 제조Preparation of Cu + In Composite Electrode

25℃에서 액상인 GaIn 공융합금(Ga: In = 75.5중량%: 24.5중량%) 0.5g을 Cu 호일위에 분산시켰다. 유리 슬라이드를 사용하여 압력을 가하면서 밀어주면 액상의 GaIn이 Cu호일 위에 균일한 두께로 도포하게 된다. 이를 120℃ 진공오븐에서 10시간동안 가열하여 Ga2Cu+In 복합체 전극을 제조하였다.0.5 g of GaIn eutectic alloy (Ga: In = 75.5 wt%: 24.5 wt%) in a liquid phase at 25 ° C. was dispersed on Cu foil. When pressure is applied using a glass slide, liquid GaIn is coated on Cu foil with a uniform thickness. It was heated for 10 hours at 120 ℃ vacuum oven to prepare a Ga 2 Cu + In composite electrode.

실시예 4 : GaExample 4 Ga 22 Cu+In+Sn 복합체 전극의 제조Preparation of Cu + In + Sn Composite Electrode

25??C에서 액상인 GaInSn 공융합금 (Ga : In : Sn = 6중량%: 22중량%: 16중량%) 0.5g을 Cu 호일위에 분산시켰다. 유리 슬라이드를 사용하여 압력을 가하면서 밀어주면 액상의 GaInSn이 Cu호일 위에 균일한 두께로 도포하게 된다. 이를 120℃ 진공오븐에서 10시간동안 가열하여 Ga2Cu+In+Sn 복합체 전극을 제조하였다.0.5 g of GaInSn eutectic alloy (Ga: In: Sn = 6 wt%: 22 wt%: 16 wt%) in a liquid phase at 25 ° C. was dispersed on Cu foil. When pressure is applied using a glass slide, liquid GaInSn is applied to Cu foil with a uniform thickness. This was heated for 10 hours in a 120 ℃ vacuum oven to prepare a Ga 2 Cu + In + Sn composite electrode.

실시예 5 : Ga 전극의 제조Example 5 Preparation of Ga Electrode

25℃에서 고체인 Ga 0.5g을 70℃로 가열하여 액상으로 전환시킨 후, Mo 호일위에 분산시켰다. 유리 슬라이드를 사용하여 압력을 가하면서 밀어주면 액상의 Ga이 Mo호일 위에 균일한 두께로 도포하게 된다. 이때 Ga은 Mo과의 반응성이 없어서 Mo 호일위에 Ga이 코팅된 형태의 전극이 된다.0.5 g of Ga, a solid at 25 ° C., was heated to 70 ° C. to be converted into a liquid phase, and then dispersed on Mo foil. When pressure is applied using a glass slide, liquid Ga is coated on Mo foil with a uniform thickness. At this time, Ga has no reactivity with Mo, and thus becomes an electrode coated with Ga on Mo foil.

실시예 6 : Ga 합금 전극을 음극으로 사용한 리튬 이차전지의 가역성Example 6 Reversibility of a Lithium Secondary Battery Using a Ga Alloy Electrode as a Negative Electrode

실시예 1, 2, 3, 4, 5와 같이 제조된 작동 전극을 120℃ 진공 오븐에서 10 시간 이상 건조시켰다. 반대 전극으로 Li 금속 호일을 사용하고, 전해질로 1몰 농도 LiPF6/EC:DMC(부피비 1:2) 혹은 1몰 농도 LiBF4/PC을 사용하여 코인셀을 제작하고 55℃에서 다음의 조건으로 정전류 충반전 실험을 수행하였다. 충전시에 100 mA/g의 전류 밀도로 0 V(vs. Li/Li+)까지 정전류를 가하였고, 방전시에는 100 mA/g의 전류 밀도로 2 V(vs. Li/Li+)까지 수행하였다. 충방전 사이마다 5 분간의 휴지기를 주었다.Working electrodes prepared as in Examples 1, 2, 3, 4, 5 were dried in a 120 ° C. vacuum oven for at least 10 hours. Coin cells were fabricated using Li metal foil as a counter electrode and 1 mol of LiPF 6 / EC: DMC (volume ratio 1: 2) or 1 mol of LiBF 4 / PC as electrolyte, and Constant current charge and discharge experiments were performed. During charging, constant current was applied to 0 V ( vs. Li / Li + ) at a current density of 100 mA / g, and up to 2 V ( vs. Li / Li + ) at a current density of 100 mA / g . It was. A 5 minute pause was given between charge and discharge.

실시예 7 : Ga 합금 전극을 음극으로 사용한 리튬 이차 전지의 고출력 특성Example 7 High Power Characteristics of a Lithium Secondary Battery Using a Ga Alloy Electrode as a Negative Electrode

실시예 1에 의해 제조된 전극을 120℃ 진공 오븐에서 10 시간 이상 건조시켰다. 실시예 6과 동일한 방법으로 코인셀을 제작하고 55℃에서 다음의 조건으로 정전류 실험을 수행하였다. 충전시에 50 mA/g의 전류 밀도로 0 V(vs. Li/Li+)까지 정전류를 가하였고, 방전시에는 정전류로 2 V(vs. Li/Li+)까지 수행하였다. 방전시의 전류밀도는 충방전 회수의 진행에 따라 전류 밀도를 증가시켰으며 50 mA/g부터 50A/g까지 단계적으로 증가시켰다. 또한 충방전 사이마다 5 분간의 휴지기를 주었다.The electrode prepared in Example 1 was dried in a 120 ° C. vacuum oven for at least 10 hours. Coin cells were prepared in the same manner as in Example 6, and constant current experiments were performed at 55 ° C. under the following conditions. During charging, a constant current was applied to 0 V ( vs. Li / Li + ) at a current density of 50 mA / g, and up to 2 V ( vs. Li / Li + ) at constant current. The current density during discharge increased with increasing the number of charge and discharge cycles, and gradually increased from 50 mA / g to 50 A / g. There was also a 5 minute pause between charge and discharge.

도 1 내지 도 4는 각각 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 전극의 1회 충방전 그래프이며, 충방전 결과 실시예 1 내지 실시예 5는 355 mAh/g, 603 mAh/g, 260 mAh/g, 358 mAh/g, 739 mAh/g의 초기 방전용량을 각각 보였고, 초기 쿨롱효율은 각각 95.6 %, 94.7 %, 71.4 %, 93.7 %, 98.0 %이었다. 도 6 내지 도 8은 각각 실시예 1, 실시예 2, 실시예 5에서 제조된 전극의 충방전 가역성 그래프이며, 충방전 회수가 진행됨에 따라 가역 용량이 크게 감소하지 않고 있으며 따라서 안정된 가역성을 보이고 있음을 알 수 있다.1 to 4 are graphs of one time charge and discharge of the electrodes prepared in Examples 1 to 5, respectively. As a result of the charge and discharge, Examples 1 to 5 show 355 mAh / g, 603 mAh / g, and 260 mAh /. Initial discharge capacities of g, 358 mAh / g and 739 mAh / g were shown, respectively, and the initial coulomb efficiencies were 95.6%, 94.7%, 71.4%, 93.7% and 98.0%, respectively. 6 to 8 are charge and discharge reversibility graphs of the electrodes prepared in Examples 1, 2, and 5, respectively, and as the number of charge / discharge recovery proceeds, the reversible capacity does not decrease significantly, thus showing stable reversibility. It can be seen.

도 9는 실시예 1에서 제조된 전극의 충방전 고출력 특성 그래프이며, 전류 밀도를 50 mA/g에서 25 A/g로 500배 증가시킨 경우, 50 mA/g 조건에서 보여준 가역용량의 90%에 해당하는 용량을 발현하였고, 1000배 증가시킨 50 A/g 조건에서는 58%에 해당하는 용량을 발현하였다. 고출력 특성이 매우 우수함을 알 수 있다.9 is a graph of the charge / discharge high power characteristics of the electrode manufactured in Example 1, when the current density is increased 500 times from 50 mA / g to 25 A / g, at 90% of the reversible capacity shown at 50 mA / g. Corresponding doses were expressed, with a dose corresponding to 58% at 50 A / g conditions increased 1000-fold. It can be seen that the high output characteristics are very excellent.

이상, 본 발명을 구성을 중심으로 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니라 첨부된 특허청구 범위내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 가능한 다양한 변형 가능한 범위까지 본 발명의 청구 범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.In the above, this invention was demonstrated in detail with reference to an Example centering on a structure. However, the scope of the present invention is not limited to the above embodiments but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. Without departing from the gist of the invention as claimed in the claims, any person of ordinary skill in the art is considered to be within the scope of the claims described in the present invention to the extent possible to vary.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극, 이를 이용한 리튬 이차전지 및 갈륨 합금 전극 제조방법을 이용하여 충방전 동 안에 전극의 변형이 발생하더라도 Ga의 자발적 합금화 특성과 액체의 유동성을 이용하여 충방전 후에 다시 원래 상태로 회복되어 부피변화로 인한 전극의 변형문제를 극복할 수 있다. 또한, 본 발명의 갈륨 합금 전극에서 갈륨은 리튬과의 반응성이 크고, 일반 금속처럼 전기전도도가 높아서 전극판 제조시 도전재와 결합재를 첨가하지 않고 전류 집전체에 직접 Ga 합금만을 도포함으로써 출력특성을 크게 향상시키며, 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킨다.As described above, the spontaneous alloying properties of the Ga and the fluidity of the liquid even when the electrode is deformed in the charge and discharge copper by using the self-recoverable gallium alloy electrode, the lithium secondary battery and the gallium alloy electrode manufacturing method using the same according to the present invention By using to recover the original state after the charge and discharge can be overcome the problem of deformation of the electrode due to the volume change. In addition, in the gallium alloy electrode of the present invention, gallium has a high reactivity with lithium and has high electrical conductivity as in general metals, so that only Ga alloy is directly applied to a current collector without adding a conductive material and a binder when manufacturing an electrode plate. It greatly improves and greatly improves the energy density of the lithium secondary battery.

Claims (13)

갈륨 합금을 포함하며,Includes gallium alloys, 상기 갈륨 합금과 전류 집전체가 합금화 반응하는 것을 특징으로 하는 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극Self-recovering gallium alloy electrode, characterized in that the gallium alloy and the current collector is alloying reaction 갈륨 합금을 포함하며,Includes gallium alloys, 온도조절장치에 의하여 상기 갈륨 합금을 녹는점 이상으로 유지하여 액체 전극의 유동성에 의하여 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극The gallium alloy electrode which is self-recoverable by the fluidity of the liquid electrode by maintaining the gallium alloy above the melting point by a temperature controller 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 갈륨 합금은 Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb 중 적어도 하나와 갈륨이 합금을 이루는 것을 특징으로 하는 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극The gallium alloy is Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb and self recovery, characterized in that the gallium alloys Gallium alloy electrode 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 전류 집전체는 Mo, Ti, Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Fe, Mn, C 중 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극The current collector is Mo, Ti, Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Fe, Mn, C Self-recoverable gallium alloy electrode, characterized in that the alloy of two or more 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 갈륨 합금 전극은 도전재 또는 결합제를 포함하지 않고, 상기 갈륨 합금은 상기 전류 집전체에 도포된 것을 특징으로 하는 자체회복 가능한 갈륨 합금 전극The gallium alloy electrode does not contain a conductive material or a binder, the gallium alloy is self-recoverable gallium alloy electrode, characterized in that applied to the current collector 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항의 상기 갈륨 합금 전극을 사용하는 리튬 이차 전지A lithium secondary battery using the gallium alloy electrode of any one of claims 1 and 2. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 리튬 이차 전지의 전해질에서 사용하는 염은 LiClO4, LiCF3SO3, LiAsF6, LiBF4, LiN(CF3SO2)2, LiPF6, LiSCN 또는 LiC(CF3SO2)3 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지Salts used in the electrolyte of the lithium secondary battery are LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiPF 6 , Lithium secondary battery, characterized in that at least one of LiSCN or LiC (CF 3 SO 2 ) 3 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 리튬 이차 전지에서 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸테트라히드로푸란(2-methyltetrahydrofurna), 1,3-디옥센(1,3-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥센(4-methyl-1,3-dioxolane), 디에틸 에테르(diethy ether), 술포란(sulfolane) 중에서 적어도 하나를 유기용매로 사용하거나 Polyethlene oxide 고분자 전해질 또는 Li3PO4-Li2S-SiS2 중 적어도 하나를 고체 전해질로 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지In the lithium secondary battery, ethylene carbonate (ethylene carbonate), propylene carbonate (propylene carbonate), diethyl carbonate (diethyl carbonate), dimethyl carbonate (dimethylcarbonate), 1,2-dimethoxyethane (1,2-dimethoxyethane), 1, 2-diethoxyethane, gamma-butyrolactone, tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofurna, 1,3-dioxane At least one of 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, and sulfolane is used as the organic solvent. Or a lithium secondary battery using at least one of a polyethlene oxide polymer electrolyte or Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 as a solid electrolyte 갈륨 합금을 전류 집전체에 도포하는 도포단계;Applying a gallium alloy to the current collector; 상기 갈륨 합금과 상기 전류 집전체가 합금화하는 합금단계; 또는Alloying the gallium alloy with the current collector; or 온도조절장치에 의하여 상기 갈륨 합금을 액체 상태로 유지하기 위한 온도조절단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법Gallium alloy electrode manufacturing method comprising a temperature control step for maintaining the gallium alloy in a liquid state by a temperature control device 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 갈륨 합금은 Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb 중 적어도 하나와 갈륨이 합금을 이루는 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법The gallium alloy is a gallium alloy, characterized in that the gallium alloys with at least one of Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Ag, Mn, Fe, Mo, Ti, V, Ge, Sb Electrode Manufacturing Method 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 도포단계에서 도포되는 상기 갈륨 합금의 두께는 0.1㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법Gallium alloy electrode manufacturing method characterized in that the thickness of the gallium alloy is applied in the coating step is 0.1㎛ to 50㎛. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 전류 집전체는 Mo, Ti, Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Fe, Mn, C 중 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법The current collector is a gallium alloy electrode manufacturing method, characterized in that one or two or more alloys of Mo, Ti, Cu, Sn, In, Al, Ni, Zn, Si, Mg, Fe, Mn, C 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 도포단계에서 도전재 또는 결합제를 포함하지 않고, 상기 갈륨 합금을 상기 전류 집전체에 도포하는 것을 특징으로 하는 갈륨 합금 전극 제조방법The gallium alloy electrode manufacturing method characterized in that the gallium alloy is applied to the current collector, without including a conductive material or a binder in the coating step.
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