KR20070023293A - Lithium Secondary Battery with Improved Safety - Google Patents

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KR20070023293A
KR20070023293A KR1020050077720A KR20050077720A KR20070023293A KR 20070023293 A KR20070023293 A KR 20070023293A KR 1020050077720 A KR1020050077720 A KR 1020050077720A KR 20050077720 A KR20050077720 A KR 20050077720A KR 20070023293 A KR20070023293 A KR 20070023293A
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박현우
전호진
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 구성되어 있는 이차전지에 있어서, 전지의 온도가 소정의 온도 이상으로 상승하였을 때 흡열반응에 의한 난연성 가스 발생과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 물질, 바람직하게는, 팽창성 카본을 상기 양극 및/또는 전해질에 포함함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention is a secondary battery composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, when the temperature of the battery rises above a predetermined temperature, an expandable material that expands simultaneously with the generation of flame retardant gas by endothermic reaction, preferably Including the expandable carbon in the positive electrode and / or the electrolyte provides a lithium secondary battery that can improve the safety of the battery.

Description

안전성이 향상된 리튬 이차전지 {Lithium Secondary Battery with Improved Safety}Lithium Secondary Battery with Improved Safety

본 발명은 안전성이 향상된 리튬 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지의 온도가 소정의 온도 이상으로 상승할 때 흡열반응에 의한 난연성 가스 발생과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 물질이 양극 및/또는 전해질에 포함되어 있어서 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention relates to a lithium secondary battery having improved safety, and more particularly, to an anode and / or an expandable material in which a volume expands simultaneously with the generation of a flame retardant gas by an endothermic reaction when the temperature of the battery rises above a predetermined temperature. It is included in the electrolyte to provide a lithium secondary battery that can improve the safety.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.As the development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as energy sources is increasing rapidly. Among them, many researches on lithium secondary batteries with high energy density and discharge voltage have been conducted and commercialized. It is widely used.

그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성에 노출된다. 구체적으로, 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진되고, 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되며, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환으로 인해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고, 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.However, in the conventional lithium secondary battery, when a large current flows within a short time due to overheating, overcharge, external short circuit, nail penetration, local crush, etc., the battery is heated by IR heating. Exposure to fire / explosion hazards. Specifically, when the temperature of the battery rises, the reaction between the electrolyte and the electrode is promoted, and as a result, heat of reaction is generated, which further increases the temperature of the battery, which in turn accelerates the reaction between the electrolyte and the electrode. Thus, the temperature of the battery rises rapidly, which in turn accelerates the reaction between the electrolyte and the electrode. Due to this vicious cycle, a thermal runaway phenomenon in which the temperature of the battery rises rapidly occurs, and when the temperature rises to a certain level or more, the battery may ignite. In addition, as a result of the reaction between the electrolyte and the electrode, gas is generated to increase the battery internal pressure, and the lithium secondary battery explodes above a certain pressure. The risk of ignition / explosion can be said to be the most fatal drawback of lithium secondary batteries.

따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 과충전에 의한 리튬 이차전지의 발화/폭발을 방지하기 위한 안전장치로는 크게 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.Therefore, essential considerations for the development of a lithium secondary battery are to ensure safety. Safety devices for preventing the ignition / explosion of the lithium secondary battery due to overcharging include a method of mounting a device outside the cell and using a material inside the cell. PTC devices, CID devices, temperature protection circuits, and safety vents using changes in the breakdown voltage of the battery are examples of the former. The latter is the addition of substances that can be changed chemically and electrochemically.

셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은 온도나 전압 그리고 내압을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있는 반면에, 추가적인 설치 공정 및 설치 공간이 요구되며, CID 소자의 경우 원통형 전지에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 테스트에 대해서는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다. Devices mounted outside the cell use a temperature, voltage, and withstand voltage, which can lead to reliable blocking, but require an additional installation process and installation space, and CID devices can be applied only to cylindrical batteries. In addition, it is known that it does not properly protect against tests requiring fast response time such as internal short circuit, nail penetration, local crush, and the like.

셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 예를 들어, 과충전 등의 조건에서 전기화학적 중합 반응을 일으키는 물질을 전해액에 첨가하여, 과충전시 이러한 물질의 중합 생성물이 전극에 부동막을 형성하거나 전해액을 고화시켜 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법 등이 있다. 화학적 안전장치는 추가적인 공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 신뢰성 있는 작동을 제공하지 못하며 물질의 첨가로 인해 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. One method of using a substance inside a cell is to add an additive that improves safety to an electrolyte or an electrode. For example, a method in which an electrochemical polymerization reaction is added to an electrolyte under conditions such as overcharging, and a polymerization product of such a material forms an antifreeze film on the electrode or solidifies the electrolytic solution during overcharging, thereby suppressing abnormal operation of the battery. have. Chemical safety devices have the advantage that they can be applied to all kinds of batteries do not require additional processes and space, but do not provide a reliable operation and there is a problem that the performance of the battery is degraded due to the addition of materials.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.

본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 예의 주시하고 많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 소정의 온도 이상에서 흡열반응에 의한 난연성 가스 발생과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 물질을 양극 및/또는 전해질에 첨가하여 전지를 제조함으로써, 전지의 온도가 급격히 상승하는 경우 흡열반응에 의해 전지 내부 반응열을 감소시키고, 발생하는 난연성 가스에 의해 연소 반응을 억제시키며, 상기 팽창성 물질이 전지 내부의 저항을 증가시켜 통전 및 전극과 전해액의 반응을 억제하여 궁극적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 발견하였다.The present inventors have carefully observed the problems of the prior art, and after many experiments and in-depth studies, an anode and / or an electrolyte with an expandable material that expands in volume at the same time as the generation of a flame retardant gas due to an endothermic reaction above a predetermined temperature. By adding a battery to produce a battery, when the temperature of the battery rises sharply, the heat of reaction inside the battery is reduced by the endothermic reaction, and the combustion reaction is suppressed by the flame retardant gas generated, and the expandable material increases the resistance inside the battery. And it was found that by suppressing the reaction of the electrode and the electrolyte can ultimately improve the safety of the battery.

본 발명은 이러한 발견을 기초로 완성되었다.The present invention has been completed based on this finding.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 음극, 양극, 분리막 및 전해질로 구성되어 있으며, 전지의 온도가 소정의 온도 이상으로 상승하였을 때 흡열반응에 의한 난연성 가스 발생과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 물질을 상기 양극 및/또는 전해질에 포함하여 전지의 안전성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.Lithium secondary battery according to the present invention for achieving this purpose is composed of a negative electrode, a positive electrode, a separator and an electrolyte, when the temperature of the battery rises above a predetermined temperature when the flame retardant gas generated by the endothermic reaction and the volume expands at the same time Including an expandable material in the positive electrode and / or electrolyte to improve the safety of the battery.

상기에서 "소정의 온도(specific temperature)"란, 전지의 안전성을 위협할 수 있는 온도로서, 상기 팽창성 물질이 흡열반응과 동시에 부피가 팽창하기 시작하는 온도를 의미하는 바, 전지의 설계에 따라 달라질 수는 있겠지만, 바람직하게는 80 내지 200℃의 범위, 더욱 바람직하게는 150 내지 190℃의 범위이다.The term "specific temperature" refers to a temperature at which the safety of the battery may be threatened, and refers to a temperature at which the expandable material begins to expand in volume at the same time as the endothermic reaction, and may vary depending on the design of the battery. Although it is possible, it becomes like this. Preferably it is the range of 80-200 degreeC, More preferably, it is the range of 150-190 degreeC.

본 발명에서 팽창성 물질 은 전지의 온도가 상기 소정의 온도 이상으로 상승하였을 때 흡열반응이 일어나면서 난연성 가스가 발생하고 부피가 팽창하는 물질로서, 양극 및/또는 전해질 내에서 리튬 이온의 이동을 억제하여 통전 및 전극과 전해액의 반응을 억제하며 흡열 반응으로 인해 전지 내반응열을 감소시키고, 난연성 가스 발생으로 인해 연소 반응을 억제 시킨다. 또한, 상기 팽창성 물질은 상기 소정의 온도 이하에서는 반응하지 않으며, 전지의 성능 및 작동에 영향을 미치지 않는다.In the present invention, the expandable material is a material in which an endothermic reaction occurs when the temperature of the battery rises above the predetermined temperature, a flame retardant gas is generated, and the volume expands, thereby inhibiting the movement of lithium ions in the positive electrode and / or the electrolyte. It suppresses the energization and the reaction between the electrode and the electrolyte, reduces the heat of reaction in the battery due to the endothermic reaction, and suppresses the combustion reaction due to the generation of flame retardant gas. In addition, the expandable material does not react below the predetermined temperature and does not affect the performance and operation of the battery.

이러한 팽창성 물질은 다양할 수 있으며, 그 중에서도 150℃ 이상에서 흡열반응과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 카본(expandable carbon)이 특히 바람직하 다. Such expandable materials may vary, and among these, expandable carbon is particularly preferable in which the volume expands at the same time as the endotherm at 150 ° C. or higher.

상기 팽창성 카본은 카본의 층상(layered) 결정구조 내부에 산성물질이 포함되어 있는 물질로서, 흡열반응에 의하여 층 사이에 존재하는 산성물질이 기화되면서 초기 부피의 300 내지 400% 까지 빠르게 팽창하는 특성이 있다. 더욱이, 카본은 그 자체로서 도전성을 나타내는 물질이므로 전지내부에 포함시켰을 때 전지의 성능 및 작동에 악영향을 미치지 않는다. 따라서, 팽창성 카본을 전지의 양극 및/또는 전해질에 첨가하여 본 발명에서와 같은 소망하는 안전성을 구현할 수 있다. 상기 층상 결정구조 내부에 포함되어 있는 산성물질은 일반적으로, 황산, 질산, 또는 이들의 혼합물이다. 이러한 팽창성 카본의 재원과 제조방법은 공지되어 있으므로, 그에 대한 추가적인 설명은 본 명세서에서 생략한다.The expandable carbon is a material in which an acidic substance is contained in a layered crystal structure of carbon, and as the acidic substance existing between layers is vaporized by an endothermic reaction, it expands rapidly to 300 to 400% of the initial volume. have. Moreover, since carbon is a conductive material in itself, it does not adversely affect the performance and operation of the battery when included in the battery. Thus, expandable carbon can be added to the battery's positive electrode and / or electrolyte to achieve the desired safety as in the present invention. The acidic material contained in the layered crystal structure is generally sulfuric acid, nitric acid, or a mixture thereof. Since sources and methods for producing such expandable carbon are known, further description thereof is omitted herein.

일반적으로 시판 중인 팽창성 카본은 150 ㎛의 입경을 가지고 있는 반면에, 본 발명에서는 이를 40 ㎛ 이하의 입경으로 분쇄하여 첨가하는 것이 바람직하다. In general, commercially available expandable carbon has a particle size of 150 μm, whereas in the present invention, it is preferable to grind and add it to a particle size of 40 μm or less.

상기 팽창성 카본은 앞서 설명한 바와 같이 전지의 양극 및/또는 전해질에 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 양극에 첨가한다. The expandable carbon may be added to the positive electrode and / or the electrolyte of the battery as described above, and preferably added to the positive electrode.

상기 팽창성 카본을 양극에 첨가할 경우, 양극 활물질, 도전제, 및 결착제 등의 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%의 함량으로 첨가할 수 있으며, 예를 들어, NMP 등의 용매를 사용하여 양극 슬러리를 제조할 때 양극 합제에 함께 혼합한 후 양극 집전체 상에 도포함으로써 팽창성 카본이 포함된 양극을 제조할 수 있다. 상기 팽창성 카본을 전해질에 첨가할 경우, 상기 전해질 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%로 첨가할 수 있다. 양극 및/또는 전해질에서 팽창성 카본의 첨가량이 너무 적은 경우에는 첨가에 따른 효과를 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우에는 활물질의 함량 내지 전해질의 함량이 상대적으로 적어지므로 바람직하지 않다. 이러한 사실은 이하 실시예 및 비교예를 통해 확인할 수 있다.When the expandable carbon is added to the positive electrode, it may be added in an amount of 0.5 to 20% by weight based on the total weight of the positive electrode mixture such as the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder, and for example, a solvent such as NMP may be added. It is possible to prepare a positive electrode containing expandable carbon by mixing together in a positive electrode mixture when the positive electrode slurry is used to apply a positive electrode current collector and then coated on the positive electrode current collector. When the expandable carbon is added to the electrolyte, it may be added at 0.5 to 20% by weight based on the total weight of the electrolyte. If the amount of the expandable carbon added in the positive electrode and / or the electrolyte is too small, it is difficult to exert the effect of the addition. On the contrary, if the amount of the expandable carbon is too small, the content of the active material or the content of the electrolyte is relatively low, which is not preferable. This fact can be confirmed through the following examples and comparative examples.

이하, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성요소들에 대하여 설명하겠다.Hereinafter, other components of the lithium secondary battery according to the present invention will be described.

본 발명의 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해질 등으로 구성되어 있다. The lithium secondary battery of the present invention is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte, and the like.

양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다.The positive electrode is produced by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler is further added.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. The positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 μm. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. The current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2, and the like; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cu 2 V 2 O 7 and the like; Ni-site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 , wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x = 0.01 to 0.3; Formula LiMn 2-x M x O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (wherein M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like, but are not limited to these.

상기 도전제는 통상적으로 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 양극 활물질에 도전성의 제 2 피복층이 부가됨으로 인해 상기 도전제의 첨가를 생략할 수도 있다.The conductive agent is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the positive electrode mixture. Such a conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. Examples of the conductive agent include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used. In some cases, since the conductive second coating layer is added to the positive electrode active material, the addition of the conductive agent may be omitted.

상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive agent to the current collector, and is usually added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the positive electrode mixture. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, Polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers, and the like.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery. Examples of the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.

음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.The negative electrode is manufactured by applying and drying a negative electrode material on the negative electrode current collector, and if necessary, the components as described above may be further included.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ㎛. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used. In addition, like the positive electrode current collector, fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.The negative electrode material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), Li x WO 2 (0 ≦ x ≦ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 <x ≦ 1; 1 ≦ y ≦ 3; 1 ≦ z ≦ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separator is interposed between the cathode and the anode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ㎛ ㎛, thickness is generally 5 ~ 300 ㎛. As such a separator, for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.

리튬염 함유 비수계 전해질은 전해질용 유기용매와 리튬염으로 이루어져 있다. 상기 전해질용 용매로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of an organic solvent for electrolyte and a lithium salt. As the solvent for the electrolyte, a nonaqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.

상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.As said non-aqueous electrolyte, N-methyl- 2-pyrrolidinone, a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyl Low lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxolon, aceto Nitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative Aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolytes include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.In addition, for the purpose of improving charge / discharge characteristics, flame retardancy, etc., the non-aqueous electrolyte solution includes, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexaphosphate triamide. Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. It may be. In some cases, in order to impart nonflammability, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 투입하여 제조할 수 있다.The lithium secondary battery according to the present invention can be produced by conventional methods known in the art. That is, it may be prepared by inserting a porous separator between the anode and the cathode and injecting an electrolyte therein.

양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.The positive electrode may be manufactured by, for example, applying a slurry containing the lithium transition metal oxide active material, the conductive material, and the binder described above onto a current collector and then drying. Similarly, the negative electrode can be prepared by, for example, applying a slurry containing the above-described carbon active material, a conductive material and a binder onto a thin current collector and then drying it.

본 발명에 따른 리튬 이차전지에서 상기 양극, 음극 및 분리막의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 이들 각각의 시트를 권회식(winding type) 또는 적층식(stacking type)으로 원통형, 각형 또는 파우치형의 케이스에 삽입한 형태일 수 있다.In the lithium secondary battery according to the present invention, the structure of the positive electrode, the negative electrode, and the separator is not particularly limited. For example, each of these sheets may be wound, wound, or stacked in a cylindrical, rectangular, or pouch type. It may be inserted into the case of the mold.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1] Example 1

음극은 활물질에 결착제인 PVDF와 도전제인 카본블랙을 93 : 6 : 1의 조성비로 혼합하고 NMP와 함께 2 시간 동안 교반한 후, 집전체인 Cu 포일(foil)에 코팅한 다음, 120℃에서 2 시간 동안 건조하여 제조하였다. The negative electrode was mixed with PVDF, which is a binder, and carbon black, which is a conductive agent, in a composition ratio of 93: 6: 1, stirred with NMP for 2 hours, coated on Cu foil, which is a current collector, and then, at 120 ° C. Prepared by drying over time.

양극은 활물질에 결착제인 PVDF와 도전제인 카본블랙을 85 : 5: 10 의 조성비로 혼합하고 입경이 10 ㎛인 팽창성 그라파이트를 5 중량%로 첨가하여 NMP와 함께 교반한 후, 집전체인 Cu 포일에 코팅한 다음, 120℃에서 2 시간 동안 건조하여 제조하였다.The positive electrode was mixed with PVDF, which is a binder, and carbon black, which is a conductive agent, in a composition ratio of 85: 5: 10, and 5 wt% of expandable graphite having a particle size of 10 μm was stirred with NMP, and then mixed with Cu. After coating, it was prepared by drying at 120 ℃ for 2 hours.

이렇게 제조한 음극과 양극 사이에 분리막을 배치하여 조립한 후, 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.After separating and assembling a separator between the negative electrode and the positive electrode thus prepared, an electrolyte was injected to prepare a lithium secondary battery.

[실시예 2]Example 2

입경이 10 ㎛인 팽창성 그라파이트를 10 중량%로 첨가하여 양극을 제조하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 10 wt% of expanded graphite having a particle diameter was added to prepare a positive electrode.

[실시예 3]Example 3

입경이 1 ㎛인 팽창성 그라파이트를 5 중량%로 첨가하여 양극을 제조하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an anode was prepared by adding 5 wt% of expandable graphite having a particle diameter of 1 μm.

[비교예 1]Comparative Example 1

팽창성 그라파이트를 첨가하지 않았다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that expandable graphite was not added.

[실험예 1]Experimental Example 1

상기의 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1의 리튬 이차전지들을 1 & 5 C rate의 조건으로 120 분 이상 연속 충전하였고, 그러한 과정에서의 전지의 발화 여부를 관찰하였다. 실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were continuously charged for 120 minutes or more under conditions of 1 & 5 C rate, and whether or not the batteries were ignited in such a process was observed. The experimental results are shown in Table 1 below.

Figure 112005046651764-PAT00001
Figure 112005046651764-PAT00001

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1 ~ 3의 전지들은 비교예 1에 비해 안전성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, it can be confirmed that the batteries of Examples 1 to 3 have improved safety compared to Comparative Example 1.

이상의 설명과 같이 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소정의 온도에서 흡열반응과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 물질을 포함함으로써, 전지의 온도가 급상승하였을 때 상기 팽창성 물질이 전지 내부의 저항을 증가시켜 통전 및 전극과 전 해액의 반응을 억제하여 궁극적으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the lithium secondary battery according to the present invention includes an expandable material that expands in volume at the same time as the endothermic reaction at a predetermined temperature, so that the expandable material increases the resistance inside the battery when the temperature of the battery rises rapidly. By suppressing the reaction between the electrode and the electrolyte has the effect of ultimately improving the safety of the battery.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (8)

양극, 음극, 분리막 및 전해질로 구성되어 있는 리튬 이차전지로서, 전지의 온도가 소정의 온도 이상으로 상승하였을 때 흡열반응에 의한 난연성 가스 발생과 동시에 부피가 팽창하는 팽창성 물질을 양극 및/또는 전해질에 포함하여 전지의 안전성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.A lithium secondary battery composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, wherein when a battery temperature rises above a predetermined temperature, an expandable material that expands in volume at the same time as generating a flame retardant gas by an endothermic reaction, is formed on the positive electrode and / or the electrolyte. Lithium secondary battery, including improving the safety of the battery. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 온도는 80 내지 200℃의 범위 내인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the predetermined temperature is in a range of 80 to 200 ° C. 제 2 항에 있어서, 상기 소정의 온도는 140 내지 180℃의 범위 내인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 2, wherein the predetermined temperature is in a range of 140 to 180 ° C. 4. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창성 물질은 팽창성 카본(expandable carbon)인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 1, wherein the expandable material is expandable carbon. 제 4 항에 있어서, 상기 팽창성 카본은 40 ㎛ 이하의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery according to claim 4, wherein the expandable carbon has a particle diameter of 40 μm or less. 제 4 항에 있어서, 상기 팽창성 카본은 양극에 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 4, wherein the expandable carbon is included in a positive electrode. 제 6 항에 있어서, 상기 팽창성 카본은 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%의 함량으로 포함된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 6, wherein the expandable carbon is included in an amount of 0.5 to 20 wt% based on the total weight of the positive electrode mixture. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창성 카본은 전해질의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 20 중량%의 함량으로 전해질에 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The lithium secondary battery of claim 1, wherein the expandable carbon is included in the electrolyte in an amount of 0.5 to 20 wt% based on the total weight of the electrolyte.
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