KR20070001129A - 부적절한 사용의 경우에 보호되는 리튬 배터리 - Google Patents

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오드리 마르띠낭
세바스띠앙 마르띠네
엘레느 리니에
드자멜 무르자그
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄
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Abstract

리튬 배터리는, 리튬 삽입 및 탈삽입 전위가 Li+/Li 커플에 대해 3.5 볼트 이하인 재료를 포함하는 하나 이상의 양전극, 음전극 및 양전극과 음전극 사이에 배치되는 비수용성 전해물을 포함한다. 전해물은 중합성 첨가물이 첨가된 비양성자성 유기 용매에 용해된 리튬염을 적어도 포함하고, 이 첨가물은 카르바졸 및 그 유도체 중에서 선택되고, 배터리 단자 접속부의 전압이 첨가물의 중합을 초래하는 값을 초과하자 마자 배터리가 동작하는 것을 방지하는데 사용된다.
리튬 배터리

Description

부적절한 사용의 경우에 보호되는 리튬 배터리{LITHIUM BATTERY WHICH IS PROTECTED IN CASE OF INAPPROPRIATE USE}
발명의 배경
본 발명은, 양전극 (positive electrode), 음전극 (negative electrode) 및 양전극과 음전극 사이에 배치되고, 배터리의 단자 접속부의 전압이 첨가물의 중합을 초래하는 값에 도달하자 마자 배터리가 동작하는 것을 방지하도록 하는 중합성 첨가물이 첨가된 비양성자성 유기 용매에 용해된 리튬염을 적어도 포함하는 비수용성 전해물 (non-aqueous electrolyte) 을 적어도 포함하는 리튬 배터리에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 카르바졸 (carbazol) 및 그 유도체에서 선택되고, 리튬 배터리의 부적절한 사용의 경우에 리튬 배터리가 동작하는 것을 방지하도록 하는 중합성 첨가물의 사용에 관한 것이고, 배터리는
- 양전극
- 음전극, 및
- 양전극 및 음전극 사이에 배치되고, 비양성자성 유기 용매에 용해된 리튬염을 적어도 포함하는 비수용성 전해물을 적어도 포함하고,
이 비수용성 전해물의 용매에 중합성 첨가물이 첨가된다.
종래 기술
리튬 배터리, 더욱 구체적으로는 리튬-이온 타입의 배터리가 니켈-카드뮴 계열 (Ni-Cd) 또는 니켈-하이드라이드 계열 (Ni-MH) 충전용 배터리를 특히 휴대 장비 아이템에서, 독립 에너지 소스로서 대체하고 있는 경향이다. 리튬 배터리는 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리보다, 특히 더 높은 질량 에너지 밀도로, 더 양호한 성능을 실제로 발휘한다.
리튬은 매우 반응성이 높은 원소이어서, 예를 들어 과부하에서 사용되는 등 부적절하게 사용되는 경우에 특히 안전 문제가 발생한다. 과부하에서 배터리의 사용은 배터리 내부의 온도 및 압력의 증가를 야기하여 폭발 또는 화재의 위험을 초래하기 쉽다.
잘못된 사용 조건과 관련된, 특히 과부하에서 지속적인 사용의 경우에, 위험을 방지하기 위해서 관련 문헌 EP-A-0918359 호에서 설명된 바와 같이, 어떤 사람들은 리튬 배터리에 외부 또는 내부의 전자 회로 및/또는 가능하면 안전 구멍을 추가하는 것을 제안해왔다. 이들 수단은 배터리가 과부하에서 사용될 때 배터리의 동작이 중단되도록 할 수 있지만, 비용이 많이 들고, 배터리의 질량 및 부피 에너지 밀도를 감소시킨다.
미국 특허 제 5506068 호에서는, 배터리 단자에서 4 볼트의 최대 충전 전압 및/또는 100℃ 를 초과하는 경우에 중합가능한 유기 용매를 통해, 배터리가 과부하에서 사용될 때 배터리의 동작을 억제하는 것이 제안되었다. 따라서, 배터리는 금속 리튬 전극, MnO2 전극 및 기아미노 작용기를 포함하는 안정화제 (stabilizing agent) 가 첨가되는 1,3-다이옥소레인 (1,3-dioxolane) 용매에 용해된 LiAsF6 로 이루어지는 전해물을 포함한다.
이러한 보호 수단이 MnO2 로 이루어지는 양전극을 포함하는 배터리에 대해 유효하더라도, 저-전압 전극 (low-voltage electrode) 으로 불리는 다른 양전극에 대해서는 적합하지 않다. 미국 특허 제 5506068 호에 따라 전해물로 침지된 폴리에틸렌의 미공성의 필름 (microporous film) 으로 형성된 분리 소자 (separating element) 및 MnO2 이외의 저-전압 양전극을 포함하는 배터리가 실제로 테스트되었다. 이것은 Li4Ti5O12 로 이루어지는 음전극, LiFePO4 로 이루어지는 양전극 및 100ppm 의 트리부틸아민에 의해 안정화된, 1,3-다이옥소레인 용매에 1 mol/ℓ 로 용해된 리튬염 LiAsF6 로 형성된 전해물을 포함한다. LiFePO4 양전극은, VLi +/ Li 로 표시되는 Li+/Li 커플의 전기화학적 전위에 대해 3.5V 와 동등한 리튬 삽입 및 탈삽입 전위 (lithium insertion and deinsertion potential) 를 가진다.
도 1 은 1.5V 와 2V 사이의 전압 범위에서, 시간에 따른 배터리 단자의 전압의 변화 (곡선 A1) 및 시간에 따른 배터리의 전류의 변화 (곡선 B1) 를 나타내고, 따라서, 테스트 배터리의 충전 및 방전 사이클을 나타낸다. 최대 부하 전압은 2 볼트로 선택되고, 이는 양전극의 전위는 Li+/Li 커플의 전위에 대해 3.55V 의 값을 초과하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 약 4V 의 1,3-다이옥소레인의 중합 전위에 결코 도달하지 않는다.
도 1 은 정상적인 동작의 배터리 성능을 나타낸다. 충전 및 방전은 정전류 (galvanostatic) C/10 영역에서 수행된다. 충전 종료시에 배터리 전압이 2 볼트에 도달하는 경우, 충전 단계의 기간이 5 시간 이상 또는 전류가 10μA 이하라는 2 가지 조건 중의 하나가 충족되지 않으면 배터리는 이 전압에 유지된다. 그 후, 다음 단계는 C/10 영역에서의 정전류 방전이다. C/10 영역의 의미는, 이론적으로, 배터리의 충전 및 방전은 각각 10 시간씩 수행되어야 하고, 충전 및 방전을 포함하는 전체 사이클은 약 20 시간 정도 소요되어야만 한다는 것을 뜻한다. 그러나, 도 1 에서 볼 수 있듯이, 배터리의 제 1 충전 및 방전 사이클은 예상한 20 시간이 아니고 14 시간 내에서 일어나고, 그 다음 사이클은 점점 더 짧아진다. 사이클 단축은 대체로 조기에 열화되는 1,3-다이옥소레인 전해물의 감손으로 인한 배터리의 점진적인 열화를 나타낸다.
과부하에서 동작하는 배터리를 방전시키기 위해, 배터리에 내부 단락-회로를 형성하는 것이 제안되었다. 따라서, 미국 특허 제 6074776 호에서는, 양전극이 고-전압 전극 (high-voltage electrode) 이라 불리는 배터리의 비수용성 전해물의 비양성자성 유기 용매에 모노머 첨가물이 첨가되었다. 모노머 첨가물은 배터리 단자 전압이 모노머가 중합할 수 있는 소정 값을 초과하여 도달할 때 전기적으로 도전성의 폴리머를 형성할 수 있다. 따라서, 폴리머가 형성되어 두 전극 사이에 도전성 브릿지를 형성하고, 따라서, 내부 단락-회로는 과부하를 제한하여, 배터리의 자동 방전을 유도한다. 모노머 첨가물은, 대체로 헤테로사이클릭 (heterocyclic) 의, 방향족 첨가물일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 피롤, N-메 틸피롤 및 티오펜 (thiophene) 은 최대 충전 전압이 4 볼트보다 더 낮은 배터리에 사용되고, 푸란 (furan), 인돌 또는 3-클로로티오펜은 더 높은 충전 전압에 사용되며, 바이페닐은 약 4 볼트 전압에서 동작하는 배터리에 사용된다.
VLi +/ Li 에 대해 4.4V 와 5.4V 사이의 이들 화합물의 중합 전위 (polymerization potential) 는 양전극이 고-전압 전극이라 불리는 전극의 배터리, 더욱 구체적으로는, VLi +/ Li 에 대해 약 3.8V 내지 4V 의 전위에서 리튬을 삽입 및 탈삽입하는, LiNiO2, LiCoO2 또는 LiMn2O4 타입의 양전극을 포함하는 배터리에 대해 적합하다. 그러나, 양전극이 저-전압 전극이라 불리는 전극의 배터리, 구체적으로, 더 낮은 리튬 삽입 및 탈삽입 전위의 양전극을 포함하는 배터리에 대해서는 부적합하다. 첨가물이 중합되기 전에, 초과하여서는 배터리가 열화되고 때로는 폭발할 수도 있는 전압에 실제로 도달하기 쉽다.
미국 특허 제 6074777 호는 페닐-R-페닐 (R 은 지방족 하이드로카바이드), 플루오린으로 치환된 바이페닐 및 3-티오펜액토니트릴 (3-thiophenactonitrile) 로부터 선택되는 첨가물을 전해 용매에 첨가하는 것을 제안한다. 첨가물의 목적은 양전극이 고-전압 전극이라 불리는 전극인 리튬 배터리, 즉, 최대 충전 전압이 4 볼트를 초과하는 배터리에서 가스를 생성하여, 전기적 비접속 디바이스를 활성화시키는데 있다. 또한, 미국 특허 제 6074777 호에서는 과부하 동안에 충전 전류를 감소시키도록 배터리 내부 저항을 증가시키기 위해 중합된 첨가물을 이용하는 가능성을 설명하고 있다. 그러나, 이들 화합물은 저-전압 배터리에는 적합하지 않다.
미국 특허 제 4857423 호에서는, 메탈로신 (metallocene) 이라는 이름으로 알려진, 유기금속 화합물이 배터리를 있을 수 있는 과부하로부터 보호하기 위해 사용된다. 따라서, 이 화합물은 양전극의 충전 및 방전 안정 전위보다 약간 더 높은 전위에서 가역적으로 산화되고, 일단 산화되면, 화합물은 음전극의 표면에서의 제 2 차 반응에서 환원될 수 있다. 이전의 첨가물과는 달리, 산화 및 환원 상태 사이에서 순방향 및 역방향으로의 유기금속 화합물의 변화는, 배터리는 동작하게 하면서, 있을 수 있는 과부하로부터 배터리를 보호할 수 있게 한다. 그러나, 이러한 타입의 화합물은 리튬 삽입 및 탈삽입 전위가 VLi +/ Li 에 대해 3 볼트보다 더 낮은 양전극을 갖는 배터리에 대해서만 이용가능하다. 이는 이러한 전위가 얻어질 수 있는 소수의 양전극에 대한 이들 첨가물의 적용의 범위를 상당히 감소시킨다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 부적절한 사용의 경우, 더욱 구체적으로는 과부하에서의 사용시에, 정상적인 동작 조건에서의 양호한 성능을 유지하면서 보호되는, 양전극이 저-전압 전극이라 불리는 리튬 배터리를 얻는데 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 양전극이 Li+/Li 커플의 전기화학적 전위에 대해 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 재료를 함유하고, 중합성 첨가물이 카바졸 및 그 유도체로부터 선택된다는 사실에 의해 달성된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전해물은 전해물의 총 질량에 대해 2 질량퍼센트 와 10 질량퍼센트 사이의 중합성 첨가물을 포함한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 양전극은 LiFePO4, V2O5, LiV3O8, MnO2, V6O13 및 TiS2 로부터 선택되는 화합을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 음전극은 하나 이상의 리튬 삽입 화합물을 포함한다.
특정 실시형태에 따르면, 리튬 삽입 화합물은 카본 합성 재료 또는 티타늄 및 리튬 산화물로부터 선택된다.
본 발명의 또 다른 목적은 부적절한 사용의 경우에 리튬 배터리가 동작하는 것을 방지하기 위해, 카바졸 및 그 유도체로부터 선택되는 중합성 첨가물의 유효하고 적절한 사용을 달성하는데 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 양전극이 Li+/Li 커플의 전기화학적 전위에 대해 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 재료를 함유하고, 중합성 첨가물이, 배터리의 단자 접속부의 전압이 첨가물의 중합을 초래하는 값에 도달하자 마자 배터리가 동작하는 것을 막는다는 사실에 의해 달성된다.
도면의 간단한 설명
다른 이점 및 특징들은, 첨부도면에 표현되고 비한정적인 예로서 주어진 본 발명의 특정 실시형태의 이하의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1 은, 양전극이 저-전압 전극이라 불리는 전극이고, 종래 기술에 따른 비 수용성 전해물을 포함하는 리튬 배터리의 [1.5V-2V] 범위에서 수행되는 C/10 영역의 정전류 사이클을 나타낸다.
도 2 는, 양전극이 저-전압 전극이라 불리고, 이전에 정상적인 동작에서 충전 및 방전 사이클을 경험한, 본 발명에 따른 리튬 배터리의 [1.5V-3.5V] 범위에서 수행되는 C/10 영역의 정전류 사이클을 나타낸다.
특정 실시형태의 설명
바람직하게는 리튬-이온 타입의, 리튬 배터리는, 양전극, 음전극 및 이 양전극 및 음전극 사이에 배치되는 비수용성 전해물을 적어도 포함한다. 리튬-이온 타입의 배터리란, 음전극이 예를 들어 금속 리튬 등의 Li+ 양이온 소스에 의해 형성되는 리튬-금속 타입의 배터리와는 달리, 그 음전극이 리튬 삽입물 또는 삽입재를 적어도 포함하는 리튬 배터리를 말한다.
양전극은 리튬 삽입 및 탈삽입 전위가 Li+/Li 커플의 전기화학적 전위 (VLi+/Li) 에 대해 3.5 볼트 이하이고, 바람직하게는 3 볼트보다 더 높은 재료를 함유한다. 예를 들어, 양전극은 LiFePO4, V2O5, LiV3O8, MnO2, V6O13 및 TiS2 로부터 선택되는 화합물을 함유할 수 있다.
음전극은 바람직하게는, 예를 들어 카본 합성 재료 또는 Li4Ti5O12 와 같은 티타늄 및 리튬 산화물로부터 선택되는 하나 이상의 리튬 삽입 화합물을 함유한다.
비수용성 전해물은 비양성자성 유기 용매에 용해된 리튬염을 적어도 포함한 다. 리튬염은 바람직하게는 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiPF4, LiRFSO3, LiCH3SO3, LiN(RFSO2)2, LiN(RFSO2)3 로부터 선택되고, RF 는 1 내지 8 개의 카본 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬기와 플루오린 원자로부터 선택된다. 비양성자성 유기 용매는 에틸렌 카보네이트 및 디메틸 카보네이트의 혼합물과 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트의 혼합물로부터 선택되는 혼합물에 의해 유리하게 형성된다. 특정 실시형태에 따르면, 양전극과 음전극 사이에 배치된 분리 소자는 비수용성 전해물에 의해 침지되어 전해물을 지지한다. 이러한 분리 소자는 예를 들어, 미공성의 폴리에틸렌 필름에 의해 형성된다.
리튬 배터리가 부적절한 조건, 더욱 구체적으로는 과부하에서 사용될 때 보호하기 위해, 카바졸 및 그 유도체로부터 선택되는 중합성 첨가물이 비수용성 전해물의 비양성자성 유기 용매에 첨가된다. 9-아자플루오렌 (9-azafluorene), 디벤조피롤 (dibenzopyrrole) 또는 디페닐레니민 (diphenylenimine) 으로도 불리는 카바졸의 실험식은 C12H9N 이고, 카바졸 유도체란 임의의 타입의 공지의 기에 의해 치환된 카바졸을 의미한다. 카바졸 유도체는 예를 들어, N-알킬카바졸, 알킬디벤조피롤, 및 3,6-디클로로-9H-카바졸로부터 선택된다. 따라서, 전해물은 전해물의 총 질량에 대해 2 질량퍼센트와 10 질량퍼센트 사이의 중합성 첨가물을 포함하는 것이 바람직하다.
중합성 첨가물은 예를 들어, 주변 온도의 불활성 공기에서, 바람직하게는 1ppm 미만의 수분 및 산소 함유량을 갖는 아르곤 하에서, 비수용성 전해물에 첨가 된다. 그 후, 전해물은 배터리에 사용되기 전에 적어도 24 시간 동안 안정 상태에 둔다.
이러한 중합성 첨가물의 존재는, 배터리 단자의 전압, 즉, 양전극의 전위와 음전극의 전위 사이의 차이가 Upolymerization 으로 표시되는, 첨가물의 중합을 초래하는 값에 도달하자 마자 배터리의 동작이 방지될 수 있도록 한다. 첨가물의 중합은 실제로 배터리 내부 저항의 큰 증가를 야기하고, 이는 전류의 점진적인 감소를 초래하며, 배터리의 동작을 방지할 수 있을 만큼 감소될 수도 있다. 배터리 단자의 Upolymerization 값은 Vp 로 표시되는 첨가물의 중합 전위와 음전극의 전위 사이의 전위 차이에 대응한다. 전극의 전위 또는 중합 전위란 VLi +/ Li 에 대해 측정된 전위, 즉, Li+/Li 커플의 전기화학적 전위를 의미한다.
또한, 중합성 첨가물이 가장 적합한 순간에 배터리가 동작하는 것을 방지하기 위해서는, Upolymerization 의 값은, Umax 로 표시되는 배터리의 최대 충전 전압과, Upolymerization 보다 더 높고 Urisk 로 표시되는 전압으로서, 그것을 초과하여서는 배터리가 손상될 위험이 있고 특히 화재 및/또는 폭발의 위험이 있는 전압 사이에서 이루어져야한다.
부적절한 사용에 대해 배터리를 효과적으로 보호하기 위해서는, 전압 Upolymerization 은 Umax 의 값보다 기껏해야 약 500mV 정도 더 높아야 한다. 배터리 단자의 최대 충전 전압 Umax 은, 가능한 가장 낮은 커패시턴스 손실, 통상적으로 휴대용 애플리케이션에 대해 500 회의 충전 및 방전 사이클에 대해 최대값으로 20% 의 손실을 보장할 수 있도록, 배터리를 구성하는 재료에 따라 선택된다.
카바졸 또는 그 유도체 중 하나의 중합 전위 Vp 는 VLi +/ Li 에 대해 약 3.8 볼트이고, 따라서, 이들 중합 첨가물은 양전극이 저-전압 전극이라 불리는 전극의 배터리, 즉, VLi +/ Li 에 대해 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 양전극으로 구성되는 배터리에 대해 특히 적합하다.
이는 카바졸 및 그 유도체가, 저-전압 전극이라 불리는 양전극을 갖는 배터리에 대해 종래 기술의 중합성 첨가물보다 더 양호한 중합성 첨가물이 되게끔하고, 특히 US6074776 문헌에 인용된 첨가물보다 더 양호하게끔 한다. 종래 기술에 따른 중합성 첨가물은 실제로 VLi +/ Li 에 대해 4.4V 와 5.4V 사이에서 이루어지는 중합 전위를 갖는다. 따라서, 이들은 VLi +/ Li 에 대해 3.8V 와 4V 사이에서 이루어지는 리튬 삽입 및 탈삽입 전위의 양전극, 예를 들어, LiCoO2, LiNiO2 또는 LiMn2O4 로 이루어지는 양전극을 포함하는 배터리에 대해 특히 적합하다. 그러나, 이러한 중합성 첨가물은, 이러한 첨가물의 중합이 최대 충전 전압에 대해 너무 높은 전압에서 발생하는 경향이 있어, 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 양전극에 사용될 수 없다.
따라서, 카바졸 및 그 유도체는, VLi +/ Li 에 대해 약 3.5V 의 LiFePO4 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 화합물 LiFePO4 를 포함하는 양전극을 갖는 배터리에 대해 특히 적합하다.
특정 실시형태에 따르면, 리튬 배터리, 더욱 구체적으로는, 버튼 셀 포맷의 리튬-이온 배터리는 Li4Ti5O12 로 이루어진 음전극 및 LiFePO4 로 이루어진 양전극을 포함한다. 미공성의 폴리에틸렌 필름에 의해 형성된 분리 소자는 두 전극들 사이에 위치하고, 전해물로 침지된다. 전해물은 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 1:1 혼합물로 형성된 유기 용매 1 리터당 1 몰의 리튬염 LiPF6 를 함유한다. 또한, 용매는 전해물의 총 질량에 대해 2.5 질량퍼센트의 카바졸을 함유한다.
이러한 리튬 배터리를 정상적인 사용 조건과 과부하 조건에서 테스트하였다. 따라서, 도 2 는, 10 시간 후에 중단되는 조건 하에서, 1.5V 와 3.5V 사이로 이루어지는 범위에 대해 수행되는, C/10 영역의 충전 종단부에서, 시간에 대한 배터리 단자 전압의 변화 (곡선 A2) 및 시간에 대한 배터리의 전류의 변화 (곡선 B2) 를 나타낸다. 도 2 에서, 파트 a 는 정상적인 사용 조건의 기간에 대응하고, 파트 b 는 카바졸의 중합을 초래하는 과부하 기간에 대응하고, 반면, 파트 c 는 방전 기간에 대응하며, 도 2 에 나타낸 테스트에서 배터리의 동작이 완전히 억제되는 포인트에는 도달하지 않았다.
영역 a 에 대응하는 기간 동안, 배터리는 카바졸을 포함하지 않는 동등한 배터리에 대해 예상되는 것과 동일한 성능을 나타낸다. 배터리 단자의 명목상의 전압은 실제로 1.9 볼트이고, 양전극 및 음전극의 안정 전위는 VLi +/ Li 에 대해 각각 3.45V 및 1.55V 이다.
또한, 과부하에서, 도 2 의 파트 b 에 대응하는 기간에서, 배터리 단자의 전압은 Upolymerization 값, 즉, 초과되면 카바졸이 중합되는 전압 값에 대응하는 2.3 볼트의 값을 초과하지 않는다. 이 경우, 배터리의 최대 충전 전압 값은 매우 높은 값인 3.5 볼트에 신중하게 고정되었다. 그러나, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 카바졸의 존재가 2.3V 의 전압값에서, 즉, 배터리의 명목상의 전압에 불과 400mV 초과한 값에서 배터리가 동작하는 것을 방지하기 때문에, 이러한 최대 전압 값에는 결코 도달되지 않는다.
종래 기술에서, 과부하의 문제와 관련된 위험을 현저하게 제거하는 더 안전한 배터리를 얻기 위해, 카바졸 타입의 첨가물의 사용이 다른 첨가물들 중에서 언급되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 2003/099886 호는
Figure 112006057600873-PCT00001
와 같은 일반식의 첨가 화합물 및 리튬 염이 용해된 유기 용매를 포함하는 비수용성 전해물을 설명한다. R1 내지 R8 의 모든 기가 수소이고, 기 X 가 -NH 기일 때, 첨가 화합물은 실제로 카바졸에 대응한다.
그러나, 종래 기술에서 카바졸이 리튬 배터리의 안전성을 향상시킬수 있는 첨가 화합물 중에서 인용되었다 하더라도, 출원인은 카바졸은 저-저압 양전극, 즉, 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 재료를 함유하는 양전극, 더욱 구체적으로는 LiFePO4 의 양전극에서만 이용가능하다는 것을 발견하였다. 카바졸 및 그 유도체는, 통상적인 상용화된 리튬-이온 배터리, 더욱 구체적으로는, 미국 특허 제 2003/099886 호에 설명된 것과 같은 양전극을 포함하는 리튬-이온 배터리에서는, 배터리 충전의 종료 전에 카바졸 및 그 유도체가 중합되기 때문에 실제로 사용될 수 없다.

Claims (9)

  1. 양전극, 음전극 및 상기 양전극과 음전극 사이에 배치되어 배터리의 단자 접속부의 전압이 첨가물의 중합을 초래하는 값에 도달하자 마자 상기 배터리가 동작하는 것을 방지하도록 하는 중합성 첨가물이 첨가된 비양성자성 유기 용매 (aprotic organic solvent) 에 용해된 리튬염을 적어도 포함하는 비수용성 전해물을 적어도 포함하고,
    상기 양전극은 Li+/Li 커플의 전기화학적 전위에 대해 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위 (lithium insertion and deinsertion potential) 를 갖는 재료를 함유하고, 상기 중합성 첨가물은 카바졸 및 그 유도체로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해물은, 상기 전해물의 총 질량에 대해 2 질량퍼센트와 10 질량퍼센트 사이의 중합성 첨가물을 포함하는 것을 특징으로하는 리튬 배터리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 양전극은 LiFePO4, V2O5, LiV3O8, MnO2, V6O13 및 TiS2 로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음전극은 하나 이상의 리튬 삽입 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 리튬 삽입 화합물은 카본 합성 재료 또는 티타늄 및 리튬 산화물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비양성자성 유기 용매는 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트로부터 선택되는 용매의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiPF4, LiRFSO3, LiCH3SO3, LiN(RFSO2)2, LiN(RFSO2)3 로부터 선택되고, RF 는 1 내지 8 개의 카본 원자를 포함하는 퍼플루오로알칼기와 플루오린 원자로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리는 비수용성 전해물로 침지되고, 상기 양전극과 음전극 사이에 배치된 분리 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리.
  9. 카바졸 및 그 유도체로부터 선택되고, 리튬 배터리가 부적절하게 사용되는 경우에 리튬 배터리의 동작을 방지하도록 하는 중합성 첨가물의 이용으로서,
    상기 배터리는,
    - 양전극
    - 음전극, 및
    -상기 양전극과 음전극 사이에 배치되고, 비양성자성 유기 용매에 용해된 리튬염을 적어도 포함하는 비수용성 전해물을 적어도 포함하고,
    상기 중합성 첨가물은 상기 비수용성 전해물의 용매에 첨가되며,
    상기 양전극은 Li+/Li 커플의 전기화학적 전위에 대해 3.5 볼트 이하의 리튬 삽입 및 탈삽입 전위를 갖는 재료를 함유하고, 상기 중합성 첨가물은 상기 배터리의 단자 접속부의 전압이 상기 첨가물의 중합을 초래하는 값에 도달하자 마자 상기 배터리가 동작하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 중합성 첨가물의 이용.
KR1020067016271A 2004-02-12 2005-02-04 부적절한 사용의 경우에 보호되는 리튬 배터리 KR20070001129A (ko)

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