KR20070066942A - Lithium secondary battery and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 개략 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극 활물질을 나타내는 모식도.Figure 2a is a schematic diagram showing a negative electrode active material of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 2b은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극 활물질을 나타내는 단면 모식도.Figure 2b is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode active material of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
[산업상 사용 분야][Industrial use]
본 발명은 리튬 이차 전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 첫 번째 충방전에 의하여 발생하는 비가역 용량이 적고, 덴드라이트가 발생하거나, 전해액이 분해되거나, 음극 집전체가 용해될 우려가 없는 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and a method for manufacturing the same, more particularly, less irreversible capacity generated by the first charging and discharging, dendrites are generated, the electrolyte is decomposed, or the negative electrode current collector may be dissolved. The present invention relates to a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same.
[종래 기술][Prior art]
리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 물질을 전극활성물질에 사용한 리튬 이차 전지가 실용화되어 있다. 리튬 이차 전지의 양극 활물질에는, 예를 들면 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4) 등이 사용되고 있다. 또, 리튬 이차 전지의 음극 활물질에는, 일반적으로 탄소재료가 사용되고 있다. 탄소재료의 구체적인 예로서는, 흑연, 비정질탄소 또는 저결정성 탄소 등을 들 수 있다. BACKGROUND ART A lithium secondary battery using a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions as an electrode active material has been put to practical use. As a positive electrode active material of a lithium secondary battery, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), and the like are used, for example. Moreover, the carbon material is generally used for the negative electrode active material of a lithium secondary battery. As a specific example of a carbon material, graphite, amorphous carbon, low crystalline carbon, etc. are mentioned.
양극 활물질에는 리튬이 포함되어 있어, 충방전에 따라 이 리튬이 리튬 이온의 형태로 양극과 음극과의 사이를 왕래하고, 양극 활물질 또는 음극 활물질에 가역적으로 인터칼레이션, 및 디인터칼레이션 된다. The positive electrode active material contains lithium, and this lithium travels between the positive electrode and the negative electrode in the form of lithium ions upon charge and discharge, and is reversibly intercalated and deintercalated with the positive electrode active material or the negative electrode active material.
여기에서 흑연, 비정질탄소 또는 저결정성 탄소 등의 탄소재료는, 큰 충방전 용량을 갖고 있는 한편, 비가역용량도 가지고 있다. 비가역용량이란, 탄소재료 중에 인터칼레이션된 리튬 이온 중, 두 번째 이후의 방전 과정에서 탄소재료 중에 포획된 상태로 디인터칼레이션 되지 않고, 전지반응에 기여하지 않는 리튬 이온이 담당하는 용량이다. 특히, 첫 충전 시의 탄소재료의 비가역용량은, 전지 전체의 충방전 용량의 5% 내지 10%정도에 달한다. Here, carbon materials such as graphite, amorphous carbon, or low crystalline carbon have a large charge and discharge capacity, and also have an irreversible capacity. The irreversible capacity is a capacity of lithium ions intercalated in the carbon material, which is not deintercalated in the captured state in the carbon material during the second and subsequent discharge processes and which does not contribute to the battery reaction. In particular, the irreversible capacity of the carbon material at the time of first charge reaches about 5%-about 10% of the charge / discharge capacity of the whole battery.
최초의 충전으로 양극 활물질로부터 음극 활물질에 공급된 리튬 이온의 일부가, 그 후의 방전에 의해 회수될 수 없게 되면, 예를 들어, 큰 충방전 용량을 소유하는 탄소재료를 사용한다 하여도, 그 비가역용량이 크면, 두 번째 이후의 충방전 반응에 기여하는 리튬 이온의 양이 적어져, 고용량의 리튬 이차 전지를 얻을 수 없다. 또한, 이러한 비가역용량의 발생은, 탄소재료에 한정되지 않고, Si계 재료, Sn계 재료, Al계 재료 등에 있어서도 동일하게 발생되는 현상이다. If part of the lithium ions supplied from the positive electrode active material to the negative electrode active material by the first charge cannot be recovered by subsequent discharge, even if a carbon material possessing a large charge / discharge capacity is used, for example, the irreversible If the capacity is large, the amount of lithium ions contributing to the second and subsequent charge / discharge reactions is small, and a high capacity lithium secondary battery cannot be obtained. In addition, generation of such an irreversible capacity | capacitance is a phenomenon which is not limited to a carbon material but is similarly generated also in Si type material, Sn type material, Al type material, etc.
한편, 두 번째 이후의 충방전 반응에서는, 탄소재료의 비가역용량이 지극히 작아져, 충방전 반응에 기여하는 리튬 이온의 양이 대폭 감소할 우려가 없다. 따라서 리튬 이차 전지의 고용량화를 도모하기 위한 대응책으로서, 탄소재료를 개량하여 첫 충전시의 비가역용량 자체를 감소시키거나, 또는 비가역용량에 대응하는 양의 리튬을 미리 전지 내부에 충전해 두는 등의 대응책이 고려되고 있다. On the other hand, in the second and subsequent charge and discharge reactions, the irreversible capacity of the carbon material is extremely small, and there is no fear that the amount of lithium ions that contributes to the charge and discharge reaction is greatly reduced. Therefore, as a countermeasure to increase the capacity of the lithium secondary battery, countermeasures such as improving the carbon material to reduce the irreversible capacity itself at the time of the first charge, or charging lithium inside the battery in advance corresponding to the irreversible capacity, etc. This is under consideration.
특히, 후자의 대응책으로서, 비가역용량 분의 금속 리튬을 미리 음극 전극에 포함시켜 두고, 이 금속 리튬을 첫 번째 방전시에 활성물질로서 사용함으로써, 비가역용량 분의 리튬을 보충하도록 하는 리튬 이차 전지가 제안되어 있다. In particular, as a countermeasure for the latter, a lithium secondary battery in which metal lithium for an irreversible capacity is included in a negative electrode electrode in advance, and this metal lithium is used as an active material at the first discharge, thereby replenishing lithium for an irreversible capacity is provided. It is proposed.
또, 금속 리튬 대신, 리튬 함유 복합 질화물을 탄소재료와 함께 음극전극에 함유시킨 리튬 이차 전지도 제안되어 있다(일본 특허공개공보 제2002-117836호).In addition, a lithium secondary battery in which a lithium-containing composite nitride is contained in a negative electrode along with a carbon material instead of metallic lithium is also proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-117836).
그러나, 비가역용량 분의 금속 리튬을 미리 음극전극에 포함시킨 리튬 이차 전지에서는, 비가역용량의 예측이 어려우므로, 미리 비가역용량에 비하여 약간 과잉량의 금속 리튬을 음극 활물질에 포함시키는 설계가 이루어진다. 이렇게 설계된 리튬 이차 전지에서는, 첫 번째 방전 후에 음극전극 중에 금속 리튬이 잔존하는 경우가 있다. However, in a lithium secondary battery in which metal lithium for an irreversible capacity is included in a negative electrode electrode in advance, it is difficult to predict the irreversible capacity. Thus, a design in which a slight excess amount of metallic lithium is included in the negative electrode active material in comparison with the irreversible capacity in advance is made. In the lithium secondary battery designed as described above, metallic lithium may remain in the negative electrode after the first discharge.
이 잔존한 금속 리튬의 표면에는, 다음 번 충전시 리튬 이온이 석출될 가능성이 있다. 리튬 이온의 석출 형태는 일반적으로 흔히 말해지는 바와 같이, 덴드라이트(dendrite) 형태로 석출되기 때문에, 이 덴드라이트형 리튬이 세퍼레이터를 뚫어 양극과의 사이에서 쇼트를 일으킬 우려가 있다. On the surface of this remaining metallic lithium, lithium ions may be precipitated at the next charge. Since the precipitated form of lithium ions is generally precipitated in the form of a dendrite, this dendrite lithium may penetrate the separator and cause a short between the anode and the anode.
또, 일본 특허공개공보 제2002-117836호에 있어서 리튬 함유 복합 질화물은, 물과 반응하여 분해되는 성질이 있다. 따라서, 이 리튬 함유 복합 질화물을 포함하는 음극전극을 제조할 경우에는, 제조시의 분위기를 건조 분위기로 할 필요가 있으며, 이에 따라 생산 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다. In Japanese Patent Laid-Open No. 2002-117836, the lithium-containing composite nitride has a property of reacting with water to decompose. Therefore, when manufacturing the negative electrode electrode containing this lithium containing composite nitride, it is necessary to make the atmosphere at the time of manufacture into a dry atmosphere, and there exists a problem that production cost increases accordingly.
또한, 일본 특허공개공보 제2002-117836호의 도 2에는, 양극을 LiCoO2, 음극을 탄소재료 및 리튬 함유 복합 질화물로 한 리튬 이차 전지의 충방전 곡선이 공개되어 있는데, 상기 도 2에 의하면, 전지전압이 2.5 내지 3V의 범위에서 리튬 함유 복합 질화물의 방전 반응이 일어나는 것으로 보여진다. 그러나, 상기 충방전 곡선은, 충방전 전류와, 충전시 및 방전시의 종지 전압을 조절하는 것만으로 얻어진 것이며, 첫 번째의 충전 용량에 대하여 방전 용량을 조정하는 방법은 전혀 고려되고 있지 않다. 이 때문에, 첫 번째 충방전시의 비가역용량에 대하여 리튬 함유 복합 질화물을 과잉으로 첨가하면, 소위 과방전 상태가 오래 계속되어, 전해액의 분해나 음극집전체의 용해가 일어나는 문제가 있다.Further, in Fig. 2 of Japanese Patent Laid-Open No. 2002-117836, a charge / discharge curve of a lithium secondary battery having a positive electrode as LiCoO 2 and a negative electrode as a carbon material and a lithium-containing composite nitride is disclosed. It is shown that the discharge reaction of the lithium-containing composite nitride occurs in the voltage range of 2.5 to 3V. However, the above charging and discharging curves are obtained only by adjusting the charging and discharging current and the final voltage at the time of charging and discharging, and no method of adjusting the discharge capacity with respect to the first charging capacity is considered. For this reason, when lithium-containing composite nitride is excessively added with respect to the irreversible capacity at the time of the first charge / discharge, a so-called overdischarge state continues for a long time, and there exists a problem of decomposition | disassembly of electrolyte solution or melt | dissolution of an anode collector.
본 발명의 목적은 첫 번째 충방전에 의하여 발생하는 비가역 용량이 적고, 덴드라이트가 발생하거나, 전해액이 분해되거나, 음극 집전체가 용해될 우려가 없는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having a low irreversible capacity generated by the first charge and discharge, no dendrites, no electrolyte decomposition, or no negative electrode current collector.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 리튬 이차 전지를 제조하는 제조 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a manufacturing method for manufacturing the lithium secondary battery.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 양극 활물질이 함유된 양극, 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 음극 활물질이 함유된 음극, 및 비수전해질을 포함하며, 상기 음극은, 물에 불활성이고, 적어도 방전시에 리튬을 디인터칼레이션 할 수 있는 리튬 함유 금속화합물을 포함하는 것인 리튬 이차 전지를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a positive electrode containing a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium And a nonaqueous electrolyte, wherein the negative electrode is inert to water and provides a lithium secondary battery comprising at least a lithium-containing metal compound capable of deintercalating lithium at discharge.
상기 리튬 함유 금속화합물은 금속 리튬을 대극으로 했을 때 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 하는 전위가 1.0 내지 4.0V인 것이 바람직하다. The lithium-containing metal compound preferably has a potential of 1.0 to 4.0 V for intercalating and deintercalating lithium when metal lithium is used as a counter electrode.
상기 리튬 함유 금속화합물은 Li, 및 S, P, O, Cl, Se, F, Br, I, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 것이 바람직하다. The lithium-containing metal compound preferably contains an element selected from the group consisting of Li and S, P, O, Cl, Se, F, Br, I, and combinations thereof.
상기 리튬 함유 금속화합물은 Ni, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Si, Al, Fe, V, Mn, Ti, Mo, Cr, Nb, Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다. The lithium-containing metal compound is selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Si, Al, Fe, V, Mn, Ti, Mo, Cr, Nb, Pt, and combinations thereof. It is preferable to further include.
또한, 상기 리튬 함유 금속화합물은 올리빈계 리튬 함유 금속화합물인 것이 바람직하다. In addition, the lithium-containing metal compound is preferably an olivine-based lithium-containing metal compound.
상기 리튬 함유 금속화합물은 Li3T2(PO4)3(단, T는 Fe, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.)를 포함하는 것이 바람직하다. The lithium-containing metal compound preferably includes Li 3 T 2 (PO 4 ) 3 (wherein T is selected from the group consisting of Fe, V, and combinations thereof).
상기 리튬 함유 금속화합물은 Li2CuO2를 포함하는 것이 바람직하다. The lithium-containing metal compound preferably comprises a Li 2 CuO 2.
상기 음극 활물질은 C; Si; Sn; Al; Si합금; Sn합금; Al합금; C, Si, Sn, Al, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 금속화합물; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. The negative active material is C; Si; Sn; Al; Si alloys; Sn alloy; Al alloy; A metal compound containing an element selected from the group consisting of C, Si, Sn, Al, and combinations thereof; And combinations thereof.
본 발명은 또한, 양극 활물질을 포함하는 양극, 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질, 및 물에 불활성이고, 적어도 방전시에 리튬을 디인터칼레이션 할 수 있는 리튬 함유 금속화합물을 포함하는 음극, 및 비수전해질을 준비하고, 상기 양극과 상기 음극과의 사이에 상기 비수전해질을 개재시켜 기본전지를 구성하고, 상기 기본전지의 전압이 충전 종지 전압에 도달할 때까지 상기 기본전지의 충전을 행하고; 방전 용량이 상기 충전시의 충전 용량과 같은 용량이 될 때까지 상기 기본전지의 방전을 실시하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지의 제조 방법을 제공한다. The present invention also provides a positive electrode comprising a positive electrode active material, a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium, and a lithium-containing metal that is inert to water and capable of deintercalating lithium at least at discharge. Preparing a negative electrode including a compound and a nonaqueous electrolyte, and interposing the nonaqueous electrolyte between the positive electrode and the negative electrode to form a base battery, and the base battery until the voltage of the base battery reaches the end-of-charge voltage Charging the battery; It provides a method for manufacturing a lithium secondary battery comprising the step of discharging the primary battery until the discharge capacity is the same as the charge capacity at the time of charging.
상기 리튬 이차 전지의 제조 방법에서 상기 음극의 전위가 금속 리튬을 대극으로 했을 때 1.0 내지 4.0V가 될 때까지 첫 번째 방전을 실시하는 것이 바람직하다. In the manufacturing method of the said lithium secondary battery, it is preferable to perform a 1st discharge until the potential of the said negative electrode turns into 1.0-4.0V when metal lithium is made into a counter electrode.
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해서 상세하게 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, one Example of this invention is described in detail.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는, 양극과, 음극과, 비수전해질을 포함하며, 상기 구성요소들은 예를 들면, 원통형, 각형, 코인형, 시트형 등의 각종 형상의 전지 케이스에 수납되어서 구성된다. 또, 비수전해질이 비수전해액으로 구성될 경우에는, 양극과 음극과의 사이에 세퍼레이터를 개재시킨다. 세퍼레이터는, 비수전해질이 고체전해질인 경우에도 양극과 음극의 사이에 개재시킬 수 있다. A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, and the components are housed in a battery case having various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a sheet shape. It is constructed. Moreover, when a nonaqueous electrolyte consists of a nonaqueous electrolyte, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator can be interposed between the positive electrode and the negative electrode even when the nonaqueous electrolyte is a solid electrolyte.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하면, 상기 리튬 이차 전지(1)는 양극(11), 음극(12) 및 상기 양극(11)과 음극(12) 사이에 존재하는 세퍼레이터(13)를 포함하는 전극조립체(14)를 케이스(15)에 넣은 다음, 케이스(15)의 상부에 전해액을 주입하고 캡 플레이트(16) 및 가스켓(17)으로 밀봉한 구조를 가진다. Referring to FIG. 1, a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention is described. The lithium
(양극)(anode)
상기 양극으로는, 양극 활물질, 도전제, 및 결착제를 포함하는 양극합재; 및 이 양극합재에 접합되는 양극집전체를 포함하는 시트상의 전극을 사용할 수 있다. 또, 상기 양극합재를 원판형으로 형성시켜 이루어진 펠릿형 또는 시트상의 전극을 사용할 수 있다. Examples of the positive electrode include a positive electrode material containing a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder; And a positive electrode current collector bonded to the positive electrode mixture can be used. In addition, a pellet-like or sheet-like electrode formed by forming the cathode mixture in a disc shape can be used.
양극 활물질은, 리튬을 인터칼레이션, 및 디인터칼레이션 할 수 있는 물질로 이루어지며, 이러한 물질로는 예를 들면 Li를 포함한 화합물, 산화물, 황화물 등을 들 수 있다. 양극 활물질은 Mn, Co, Ni, Fe, Al, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 양극 활물질로는 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFeO2, LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2, LiNi0 .8Co0 .2O2등을 사용하는 것이 바람직 하다. 상기 결착제로는 폴리플루오로 비닐리덴, 폴리테트라플루오로 에틸렌 등이 바람직하다. 상기 도전제로는, 카본블랙, 케첸블랙, 흑연 등의 탄소를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양극집전체로는, 알루미늄, 스테인리스강 등으로 이루어지는 금속박 또는 금속망을 사용하는 것이 바람직하다. The positive electrode active material is made of a material capable of intercalating and deintercalating lithium. Examples of such a material include a compound containing Li, an oxide, a sulfide, and the like. The positive electrode active material preferably includes one selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, Fe, Al, and a combination thereof. As the cathode active material is preferably used as the LiMn 2 O 4, LiCoO 2, LiNiO 2, LiFeO 2,
(음극)(cathode)
음극으로는, 음극 활물질과 본 발명에 따른 리튬 함유 금속화합물, 도전제,및 결착제를 포함하는 음극합재; 및 상기 음극합재에 접합되는 음극집전체를 포함하는 시트형의 전극을 사용할 수 있다. 또, 상기의 음극합재를 원판형으로 형성시켜 이루어진 펠릿형 또는 시트형의 전극도 사용할 수 있다. The negative electrode may include a negative electrode mixture including a negative electrode active material and a lithium-containing metal compound, a conductive agent, and a binder according to the present invention; And a negative electrode current collector bonded to the negative electrode mixture. Moreover, the pellet type or sheet type electrode which formed said negative electrode mixture in disk shape can also be used.
음극 활물질은, 리튬을 인터칼레이션, 및 디인터칼레이션을 할 수 있는 재료로 이루어지며, 예를 들면, C; Si; Sn; Al; Si합금; Sn합금; Al합금; C, Si, Sn, Al, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 금속화합물; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 음극 활물질의 구체적인 예로는 흑연, 비정질탄소, 저결정성 탄소 등의 탄소재료, Si분말, 산화 주석 등을 들 수 있다. The negative electrode active material is made of a material capable of intercalating and deintercalating lithium, for example, C; Si; Sn; Al; Si alloys; Sn alloy; Al alloy; A metal compound containing an element selected from the group consisting of C, Si, Sn, Al, and combinations thereof; And it is preferable to include those selected from the group consisting of a combination thereof. Specific examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite, amorphous carbon, low crystalline carbon, Si powder, tin oxide, and the like.
상기 리튬 함유 금속화합물은 Li와, S, P, O, Cl, Se, F, Br, I, 및 이들의조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 또, 상기 리튬 함유 금속화합물은 Ni, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Si, Al, Fe, V, Mn, Ti, Mo, Cr, Nb, Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 더 포함할 수도 있다. The lithium-containing metal compound preferably contains an element selected from Li, S, P, O, Cl, Se, F, Br, I, and combinations thereof. In addition, the lithium-containing metal compound is selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Si, Al, Fe, V, Mn, Ti, Mo, Cr, Nb, Pt, and combinations thereof. It may further include an element.
상기 리튬 함유 금속화합물로는, 올리빈계 리튬 함유 금속화합물을 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 올리빈계 화합물로서 특히, Li3T2(PO4)3 (단, 원소 T는 Fe, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.)을 예시할 수 있다. 상기 Li3T2(PO4)3은, 두 번째 이후의 충방전 과정에 있어서도 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있다. As the lithium-containing metal compound, an olivine-based lithium-containing metal compound can be preferably used, and as the olivine-based compound, in particular, Li 3 T 2 (PO 4 ) 3 (wherein the element T is Fe, V, and these It is selected from the group consisting of a combination). The Li 3 T 2 (PO 4 ) 3 may also intercalate and deintercalate lithium in the second and subsequent charge and discharge processes.
Li2CuO2도 리튬 함유 금속화합물로서 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 Li2CuO2은 첫 번째의 방전 과정에서 리튬을 디인터칼레이션 하지만, 두 번째 이후의 충방전에서는 결정 구조가 변화되어, 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 없다. Li 2 CuO 2 can also be suitably used as a lithium-containing metal compound. The Li 2 CuO 2 deintercalates lithium during the first discharging process, but the crystal structure is changed during the second and subsequent charge and discharge, and thus lithium cannot be intercalated and deintercalated.
상기 리튬 함유 금속화합물은 적어도 첫 번째의 방전시에 리튬을 디인터칼레이션하는 것이 가능하다. 상기 Li3T2(PO4) 3, 및 Li2CuO2는 화합물 1몰당 1몰 정도의 리튬을 디인터칼레이션 할 수 있다. 상기 리튬 함유 금속화합물은 금속 리튬을 대극으로 했을 때 리튬을 인터칼레이션, 및 디인터칼레이션 하는 전위가 1.0 내지 4.0V인 것이 바람직하다. 상기 전위 범위는, 양극 활물질로서 상기 LiMn2O4, 또는 LiCoO2등을 사용하는 전지의 경우, 0V 내지 1V의 전지 전압과 같다. The lithium-containing metal compound can deintercalate lithium at least at the first discharge. The Li 3 T 2 (PO 4 ) 3 , and Li 2 CuO 2 may deintercalate about 1 mole of lithium per mole of the compound. The lithium-containing metal compound preferably has a potential of 1.0 to 4.0 V for intercalating and deintercalating lithium when metal lithium is used as a counter electrode. The potential range is equal to the battery voltage of 0 V to 1 V in the case of a battery using LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , or the like as the positive electrode active material.
상기 리튬 함유 금속화합물은, 비가역용량을 보완하기 위하여 첨가하는 것으로, 그 첨가량은 비가역용량과 동일한 양인 것이 바람직하지만, 전지를 설계하는 단계에서 정확한 비가역용량을 파악하는 것이 곤란하므로, 상기 첨가량은 음극 활 물질의 이론 용량에 대하여 5% 내지 15%정도의 용량에 대응하는 양으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 음극 활물질이 탄소재료의 경우에는 그 탄소재료의 질량당 5질량% 내지 10질량%의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다. 또, 음극 활물질이 Si분말의 경우에는 Si분말의 질량당 7질량% 내지 15질량%의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 음극 활물질이 이하에서 설명하는 다상합금분말의 경우에는 다상합금분말의 질량당 7질량% 내지 15질량%의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다. The lithium-containing metal compound is added to compensate for the irreversible capacity, and the amount of the lithium-containing metal compound is preferably equal to the irreversible capacity. It is preferable that the amount corresponds to a capacity of about 5% to 15% of the theoretical capacity of the substance. Specifically, when the negative electrode active material is a carbon material, it is preferable to add it in the range of 5% by mass to 10% by mass per mass of the carbon material. Moreover, when a negative electrode active material is Si powder, it is preferable to add in the range of 7 mass%-15 mass% per mass of Si powder. In the case of the polyphase alloy powder described below, the negative electrode active material is preferably added in the range of 7% by mass to 15% by mass per mass of the polyphase alloy powder.
전지 1개당 음극 활물질의 첨가량은, 양극 활물질의 이론용량과의 관계로 결정하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 양극 활물질의 이론용량보다도 음극 활물질의 이론용량이 더 크도록 음극 활물질의 첨가량을 조정한다. 양극 활물질의 이론용량에 대한 음극 활물질의 이론용량의 과잉분은, 리튬 함유 금속화합물에 의해 보완되는 리튬 이온의 저장량에 해당된다. 이에 따라, 두 번째 이후의 충방전 과정에 있어서, 과잉의 리튬 이온이 음극 표면에서 금속 리튬으로 석출되는 것이 방지된다. It is preferable to determine the addition amount of the negative electrode active material per battery in relation to the theoretical capacity of the positive electrode active material, and specifically, the addition amount of the negative electrode active material is adjusted so that the theoretical capacity of the negative electrode active material is larger than the theoretical capacity of the positive electrode active material. The excess of the theoretical capacity of the negative electrode active material relative to the theoretical capacity of the positive electrode active material corresponds to the storage amount of lithium ions to be supplemented by the lithium-containing metal compound. Accordingly, in the second and subsequent charge and discharge processes, excess lithium ions are prevented from being precipitated as metallic lithium on the surface of the negative electrode.
음극의 결착제는, 유기질 또는 무기질 중 어느 것이라도 사용할 수 있지만, 음극 활물질 및 리튬 함유 금속화합물과 함께 용매에 분산 혹은 용해되고, 용매를 제하여 음극 활물질을 결착시킬 수 있는 것이면 어떤 것이라도 사용할 수 있다. 또, 음극 활물질과 혼합한 후, 가압 형성 등의 고화 형성을 행하여 음극 활물질을 결착 시킬 수 있는 것도 사용할 수 있다. The binder of the negative electrode may be either organic or inorganic, but any agent may be used as long as it is dispersed or dissolved in a solvent together with the negative electrode active material and the lithium-containing metal compound and the solvent is removed to bind the negative electrode active material. have. Moreover, after mixing with a negative electrode active material, what can solidify formation, such as pressurization, and bind | conclude a negative electrode active material can also be used.
이러한 결착제로는 비닐계 수지, 셀룰로스계 수지, 페놀 수지, 열 가소성 수 지, 열경화성 수지 등을 사용하는 것이 바람직하고, 폴리 불화 비닐리덴, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로오스, 스티렌부타디엔러버 등의 수지를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 음극 활물질 및 결착제 이외에, 도전제로서 카본블랙, 흑연분말, 탄소섬유, 금속분말, 금속섬유 등을 첨가하여도 좋다. 상기 음극집전체로는, 구리로 이루어지는 금속박 또는 금속망을 사용하는 것이 바람직하다. As such a binder, it is preferable to use vinyl resin, cellulose resin, phenol resin, thermoplastic resin, thermosetting resin, and the like. Resin such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, styrene butadiene rubber is preferably used. It is more preferable to use. In addition to the negative electrode active material and the binder, carbon black, graphite powder, carbon fiber, metal powder, metal fiber, or the like may be added as the conductive agent. As the negative electrode current collector, it is preferable to use a metal foil or a metal net made of copper.
상기 음극 활물질은 특히, 이하에서 설명하는 다상합금분말을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 다상합금분말은, Si상 및 SiM상을 반드시 포함하고, X상 또는 SiX상 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함하는 분말이다. 상기 다상합금분말은 입자표면의 Si상의 함량이 입자내부의 Si상의 함량보다 적은 것이 바람직하다. 도 2a에는, 다상합금분말을 구성하는 한 입자의 모식도를 나타내었고, 도 2b에는 도 2a에 나타낸 한 입자의 단면모식도를 나타내었다. 도 2a 및 도 2b 에 도시한 바와 같이, 음극 활물질을 구성하는 다상합금분말입자(211)에는 Si상(212)과 SiM상(213), 및 X상 또는 SiX상(214)이 함유되어 있다. As for the said negative electrode active material, it is more preferable to use the polyphase alloy powder demonstrated below especially. The multiphase alloy powder is a powder that necessarily includes a Si phase and a SiM phase and includes either or both of an X phase and a SiX phase. In the multiphase alloy powder, the Si phase content on the particle surface is preferably less than the Si phase content in the particles. The schematic diagram of the one particle which comprises a multiphase alloy powder is shown in FIG. 2A, and the cross-sectional schematic diagram of the one particle shown in FIG. 2A is shown in FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B, the polyphase
Si상(212)은, 입자표면보다도 입자 내부에 많이 존재한다. 상기 Si상(212)은, 충전시에 리튬과 합금이 되어 LiSix상을 형성하고, 방전시에는 리튬을 디인터칼레이션하여 다시 Si상(212)이 된다. 입자표면에서의 Si상(212)의 함량은 입자내부의 Si상(212)의 함량보다 적기 때문에 입자표면에서의 Si상(212)에 의한 전해액의 분해 반응이 억제된다.
상기 SiM상(213)은, 충방전시에 리튬과 반응 하지 않고, 상기 입자(211)의 형상을 유지하여 입자(211) 자체의 팽창 수축을 억제한다. SiM상(213)을 구성하는 원소M은, 리튬과 합금화하지 않는 금속 원소이며, Ni, Co, As, B, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다. 특히, 원소M으로는 Ni를 사용하는 것이 바람직하고, 이 경우 SiM상(213)의 조성은 Si2Ni상이 된다. The
또 X상(214)은, 다상합금분말에 전기 전도성을 부여해서 음극 활물질 자체의 비저항을 감소시킨다. X상(214)을 구성하는 원소X는, 비저항이 3Ω·m이하의 금속 원소이며, Ag, Cu, Au 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다. In addition, the
특히 리튬과 합금을 형성하지 않으므로, 팽창 억제 효과가 있는 Cu를 사용하는 것이 바람직하다. 또, Ag은 Si와 거의 합금을 형성하지 않기 때문에, 원소M으로 Ag과 합금을 형성하지 않는 금속을 선택 함으로써, Ag이 단독상으로서 존재할 수 있도록 하고, 입자의 전도도를 향상 시킬 수 있어 바람직하다. Since it does not form an alloy especially with lithium, it is preferable to use Cu which has an expansion suppression effect. Since Ag hardly forms an alloy with Si, by selecting a metal which does not form an alloy with Ag as element M, Ag can be present as a single phase and the conductivity of the particles can be improved.
한편, Cu는 Si와 합금을 형성하는 동시에, Si보다도 저항이 작기 때문에, 원소M과 원소X의 양쪽의 성질을 소유하는 원소다. 따라서, 본 발명에서는, 원소M과 원소X의 둘 모두에 Cu를 선택할 수 있지만, Cu는 원소M과 원소X에 동시에 선택되지 않는 것으로 하였다. On the other hand, Cu forms an alloy with Si and has a smaller resistance than Si, and therefore Cu is an element possessing both the properties of element M and element X. Therefore, in the present invention, Cu can be selected for both the element M and the element X, but Cu is not selected at the same time as the element M and the element X.
X상(214)을 대신하여, 또는 X상(214)과 함께, SiX상이 석출되어도 좋다. SiX상은, X상(214)과 동일하게 다상합금분말에 전기 전도성을 부여하여 음극 활물질 자체의 비저항을 감소시킨다. A SiX phase may be deposited instead of the
Si상(212), SiM상(213), X상(214), SiX상의 결정 형태는, 급냉속도, 합금조성, 급냉 후의 열처리의 유무에 의해 정해진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에서는, 각 상 모두가 결정질 상이 될 수도 있고, 비정질 상이어도 양호하며, 결정질 상과 비정질 상이 혼재할 수도 있다. 또, Si상, SiM상, X상, SiX상 이외에 다른 합금상을 포함하고 있어도 좋다. The crystal forms of the
Si는, Si단상과 SiM상 또한 SiX상을 형성하는 원소이기 때문에, 합금의 상태도로부터 판단하여 SiM상, SiX상을 형성해도 여전히 Si단상이 생성되도록 조성비를 선택함으로써 Si의 용량을 얻을 수 있다. 그러나, Si량이 과잉으로 증가하면, Si상이 많이 석출되어 충방전시 음극 활물질 전체의 팽창 수축량이 커지고, 음극 활물질이 미분화하여 사이클 특성이 저하되므로 바람직하지 않다. 구체적으로는, 음극 활물질에 있어서의 Si의 조성비가 30질량% 내지 70질량%인 것이 바람직하다. Since Si is an element which forms a Si single phase, a SiM phase, and a SiX phase, the capacity | capacitance of Si can be obtained by selecting a composition ratio so that a Si single phase may still be produced even if it forms SiM phase and SiX phase judged from the state diagram of an alloy. However, when the amount of Si increases excessively, many Si phases precipitate, and the expansion and shrinkage amount of the whole negative electrode active material becomes large at the time of charge and discharge, and it is unpreferable because the negative electrode active material is micronized and the cycling characteristics fall. It is preferable that the composition ratio of Si in a negative electrode active material is 30 mass%-70 mass% specifically ,.
원소M은, Si와 함께 SiM상을 형성하는 원소이기 때문에, 그 전량이 Si와 합금을 형성하도록 첨가하는 것이 바람직하다. M량이 Si와 합금을 형성할 수 있는 양을 초과하면, Si가 모두 합금을 형성하여, 용량의 큰 저하를 초래하게 된다. Since element M is an element which forms SiM phase with Si, it is preferable to add so that the whole quantity may form an alloy with Si. When the amount of M exceeds the amount capable of forming an alloy with Si, all of Si forms an alloy, which causes a large decrease in capacity.
또, M량이 적으면, SiM상이 적어지고, Si상의 팽창 억제 효과가 감소되며, 사이클 특성이 저하 되어 바람직하지 않다. 또, M상은 다른 원소, M1상, M2상, M3상과 같이 복수개가 존재하여도 무방하다. M의 조성비는 Si와의 고용한계가 원소에 따라 다르기 때문에 구체적으로 한정할 수는 없지만, Si와 M이 고용한계까지 합금화이 형성되었다고 하여도 여전히 Si상이 존재하도록 하는 조성비인 것이 바람직하다. 원소M은 리튬과 합금을 형성하지 않으므로 비가역용량을 갖지 않는다. 또 한, 원소M은 알칼리 용액에 대하여 불용성인 것이 바람직하다. Moreover, when there is little M amount, SiM phase will become small, the expansion suppression effect of Si phase will decrease, cycling characteristics will fall, and it is unpreferable. Moreover, a plurality of M phases may exist like other elements, M1 phase, M2 phase, and M3 phase. Although the composition ratio of M cannot be specifically limited because the solid solution limit with Si differs from element, it is preferable that it is a composition ratio which makes a Si phase exist even if alloying is formed to the solid solution limit of Si and M. Element M does not form an alloy with lithium and therefore does not have an irreversible capacity. In addition, the element M is preferably insoluble in the alkaline solution.
또, X의 조성비가 많아지면, 비저항을 감소시키지만, Si상이 상대적으로 감소해서 충방전 용량이 저하되어 버린다. 한편, X의 조성비가 적으면, 음극 활물질의 비저항이 높아져서 충방전 효율이 저하된다. 이 때문에, 음극 활물질에 있어서 X의 조성비는 1질량% 내지 30질량%의 범위인 것이 바람직하다. 또한 원소X는 알칼리 용액에 대하여 불용성인 것이 바람직하다. In addition, when the composition ratio of X increases, the specific resistance is decreased, but the Si phase is relatively decreased, and the charge / discharge capacity is lowered. On the other hand, when the composition ratio of X is small, the specific resistance of the negative electrode active material becomes high and the charge / discharge efficiency falls. For this reason, it is preferable that the composition ratio of X in a negative electrode active material is the range of 1 mass%-30 mass%. In addition, the element X is preferably insoluble in the alkaline solution.
다상합금분말의 평균 입경은 5μm 내지 30μm인 것이 바람직하다. 일반적으로 Si가 포함되는 합금분말은 리튬 이차 전지의 기존에 음극재료로서 사용되고 있는 흑연분말보다 저항이 높기 때문에, 도전제를 사용하는 것이 바람직하지만, 평균 입경이 5μm 이하로 되면, 도전제의 입경보다 다상합금분말의 평균 입경이 작아질 경우가 생기고, 도전제의 효과를 얻기 어려워져, 용량이나 사이클 특성 등의 전지특성이 저하되므로 바람직하지 않다. 평균 입경이 30μm을 넘으면, 리튬 이차 전지에 있어서의 음극 활물질의 충전 밀도가 저하되므로 바람직하지 않다. It is preferable that the average particle diameter of a polyphase alloy powder is 5 micrometers-30 micrometers. In general, an alloy powder containing Si has a higher resistance than graphite powder which is conventionally used as a negative electrode material of a lithium secondary battery, and therefore, it is preferable to use a conductive agent. However, when the average particle diameter is 5 μm or less, it is better than the particle size of the conductive agent. Since the average particle diameter of a polyphase alloy powder may become small, it becomes difficult to obtain the effect of a electrically conductive agent, and battery characteristics, such as a capacity | capacitance and a cycle characteristic, fall, and are unpreferable. When the average particle diameter exceeds 30 µm, the packing density of the negative electrode active material in the lithium secondary battery is lowered, which is not preferable.
도 2a 및 도 2b 에 도시한 바와 같이, 다상합금분말의 입자표면에는, 다수의 미세 기공(215)이 형성되어 있다. 이 미세 기공(215)은, 합금용탕을 급냉한 직후에 알카리성용액에 함침 처리하여 형성된 것이며, 급냉한 직후에 입자표면에 노출되어 있던 Si상이 용출되면서 생긴 흔적이다. 이렇게 Si가 입자표면에 노출되지 않음으로써 충전시 전해액과의 반응이 억제 되는 동시에, 상기 미세 기공(215)이 형성 되는 것에 의해 다상합금분말의 비표면적이 증대되고, 전해액과의 접촉 면적이 커져서 충방전 효율이 향상된다. As shown in Figs. 2A and 2B, a plurality of
미세기공(215)의 평균 구경은 10nm 내지 5μm인 것이 바람직하다. 또, 미세기공(215)의 깊이는 10nm 내지 1μm인 것이 바람직하다. 또한, 다상합금분말의 비표면적은 0.2m2/g 내지 5m2/g인 것이 바람직하다. The average diameter of the
상기 음극 활물질은, 다음과 같은 방법으로 제조 할 수 있다. The negative electrode active material can be manufactured by the following method.
상기 음극 활물질의 제조 방법은, Si와 원소M과 원소X를 함유하는 급냉 합금분말을 얻는 공정과, 얻어진 급냉 합금분말을 알카리성 용액에 함침 처리하는 공정으로 구성된다. 이하, 각 공정을 순차로 설명한다. The method for producing the negative electrode active material comprises a step of obtaining a quenched alloy powder containing Si, an element M, and an element X, and a step of impregnating the obtained quenched alloy powder in an alkaline solution. Hereinafter, each process is demonstrated one by one.
먼저, 급냉합금분말을 제조하는 공정에서는, Si와 원소M과 원소X를 포함하는 합금용탕을 급냉시켜서 급냉합금분말을 만든다. 합금용탕은, 상기 원소M 및 원소X와, Si를 포함하는 것으로, 상기 원소들의 단체 혹은 합금을 예를 들면, 고주파 유도 가열법에 의해 동시에 용해시킴으로써 합금용탕을 얻을 수 있다. First, in the process of manufacturing a quenching alloy powder, quenching alloy powder is quenched by quenching the molten alloy containing Si, element M, and element X. The molten alloy contains the above-mentioned elements M, X, and Si. The alloy molten metal can be obtained by simultaneously dissolving a single substance or an alloy of the above elements by, for example, a high frequency induction heating method.
상기 합금용탕에 있어서의 Si의 함유율은 30질량% 내지 70질량%인 것이 바람직하다. 합금용탕에 있어서의 Si의 함유율이 상기 범위를 벗어나면, Si가 지나치게 적어서 Si상이 석출되지 않거나, Si량이 지나치게 많아서 팽창 수축하기 쉬운 음극 활물질이 생성되므로 바람직하지 않다. It is preferable that the content rate of Si in the said molten alloy is 30 mass%-70 mass%. If the content of Si in the molten alloy is out of the above range, it is not preferable because the Si content is too small to precipitate the Si phase, or the amount of Si is excessively large to produce a negative electrode active material that is easy to expand and contract.
합금용탕을 급냉시키는 방법으로서 가스아토마이즈법, 물아토마이즈법, 롤급냉법 등을 사용하는 것이 바람직하다. 가스아토마이즈법 및 물아토마이즈법에서는 분말상의 급냉 합금이 얻어지고, 롤급냉법에서는 얇은 띠 형태의 급냉합금이 얻어진다. 얇은 띠 형태의 급냉합금은 분쇄하여 분말로 만들 수 있다. 이렇게 얻어진 급냉합금분말의 평균 입경이, 최종적으로 얻고자 하는 다상합금분말의 평균 입경이 된다. 따라서, 급냉합금분말을 얻을 때는, 그 평균 입경을 5μm이상 30μm이하의 범위로 조정하는 것이 필요하다. It is preferable to use the gas atomizing method, the water atomizing method, the roll quenching method, or the like as a method of rapidly cooling the molten alloy. In the gas atomizing method and the water atomizing method, a powdery quenching alloy is obtained, and in the roll quenching method, a thin band-shaped quenching alloy is obtained. Thin strip quenched alloys can be ground to powder. The average particle diameter of the quench alloy powder thus obtained becomes the average particle diameter of the multiphase alloy powder to be finally obtained. Therefore, when obtaining a quenching alloy powder, it is necessary to adjust the average particle diameter to the range of 5 micrometers or more and 30 micrometers or less.
합금용탕으로 얻어진 급냉합금분말은, 조직 전체가 비정질 상인 급냉합금, 또는 일부가 비정질 상임과 동시에 잔부가 결정질상 입자로 되는 급냉합금, 또는 조직 전체가 결정질상인 급냉합금이 된다. 또 급냉합금분말에는, SiX상 및 SiM상이 반드시 포함되고, X상과 SiX상 중 어느 하나의 상 또는 두 상 모두가 포함될 수 있다. 또, Si상, SiM상, X상, SiX상의 각 상들은 합금조직 안에 균일하게 혼재한 상태로 있다. The quench alloy powder obtained from the molten alloy is a quench alloy in which the entire structure is in an amorphous phase, or a quench alloy in which a part is in an amorphous phase and the remainder is crystalline particles, or a quench alloy in which the entire structure is in a crystalline phase. In the quenching alloy powder, a SiX phase and a SiM phase are necessarily included, and either or both phases of the X phase and the SiX phase may be included. In addition, the Si phase, SiM phase, X phase, and SiX phase are in a state in which alloy phases are uniformly mixed.
게다가, 급냉의 경우 급냉속도는, 100K/초 이상인 것이 바람직하다. 급냉속도가 100K/초 미만인 경우에는, Si상, SiM상, X상, SiX상의 각 상이 합금조직 안에 균일하게 석출되지 않을 우려가 있고, 각 상의 결정의 크기가 지나치게 커져서, 균일한 팽창 억제 효과, 전기 전도성 부여 효과를 얻기 어려워지므로 바람직하지 않다. In addition, in the case of quenching, the quenching speed is preferably 100 K / sec or more. If the quenching rate is less than 100 K / sec, there is a fear that the phases of the Si phase, the SiM phase, the X phase, and the SiX phase may not be uniformly precipitated in the alloy structure, and the size of the crystals of each phase becomes too large, resulting in a uniform expansion inhibiting effect It is not preferable because it becomes difficult to obtain the effect of imparting electrical conductivity.
이어서, 급냉합금을 알카리성용액에 함침처리하는 공정에서는, 급냉합금분말의 입자표면에 석출되는 Si상을 용출시켜 제거한다. 구체적으로는, 급냉합금분말을, 알카리성용액에 함침시킨 후, 세정 및 건조시킨다. 상기 함침은 실온에서 30분 내지 5시간 정도 천천히 휘저으면서 행하는 것이 바람직하다. 또 알카리성 용액으로서 수산화나트륨이나 수산화 칼륨 수용액을 사용하는 것이 바람직하고, 농도는 1 내지5N인 것이 바람직하다. Next, in the step of impregnating the quench alloy with the alkaline solution, the Si phase precipitated on the particle surface of the quench alloy powder is eluted and removed. Specifically, the quench alloy powder is impregnated with an alkaline solution, followed by washing and drying. The impregnation is preferably performed while stirring at room temperature slowly for about 30 minutes to 5 hours. Moreover, it is preferable to use sodium hydroxide and potassium hydroxide aqueous solution as an alkaline solution, and it is preferable that concentration is 1-5N.
여기에서 설명한 함침 조건은 어디까지나 일 실시예이며, 실제로는 입자표면에 석출된 Si상만이 용출 제거되는 것을 확인하는 것으로 함침 조건을 결정지을 수 있다. 과도한 함침 처리는, 표면뿐만 아니라 입자내부의 Si상까지 용출 제거시켜버려, 음극 활물질의 충방전 용량이 저하되어버리므로 바람직하지 않다. 또, 입자내부의 Si상까지 용출 되어버리면, 입자자체의 강도가 저하되므로 바람직하지 않다. 또한, 불충분한 함침 처리는, 입자표면에 Si상이 잔존하여, 전해액의 분해 반응을 일으키므로 바람직하지 않다. The impregnation conditions described herein are only one example, and in practice, the impregnation conditions can be determined by confirming that only the Si phase precipitated on the particle surface is eluted and removed. Excessive impregnation treatment is not preferable because not only the surface but also the Si phase inside the particles are eluted and removed, and the charge / discharge capacity of the negative electrode active material is lowered. Moreover, when eluting to the Si phase inside a particle | grain, since the intensity | strength of the particle itself falls, it is not preferable. Insufficient impregnation treatment is not preferable because the Si phase remains on the surface of the particles, causing decomposition reaction of the electrolyte solution.
구체적으로, Si상을 제거한 후, 분말의 비표면적이, Si상을 제거하기 전의 급냉합금분말의 비표면적의 1.2배 이상이 될 때까지 알카리성 용액에 의한 함침 처리를 행하는 것이 바람직하다. 비표면적이 당초의 1.2배 이상이 될 때까지 함침 처리를 행함으로써, 표면의 Si의 일부 또는 모두를 제거 할 수 있고, 전해액과의 반응을 억제 할 수 있다. Specifically, after removing the Si phase, it is preferable to perform impregnation with an alkaline solution until the specific surface area of the powder becomes 1.2 times or more of the specific surface area of the quench alloy powder before removing the Si phase. By performing the impregnation treatment until the specific surface area becomes 1.2 times or more of the original, part or all of Si on the surface can be removed, and the reaction with the electrolyte solution can be suppressed.
Si상을 제거한 후, 분말의 비표면적이 최소한, Si상을 제거하기 전의 급냉합금분말의 비표면적의 50배 이하가 되도록 알카리성 용액에 의한 함침 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 필요이상의 Si의 용해를 저지하고, 전지용량의 감소를 방지 할 수 있다. After removing the Si phase, it is preferable to perform an impregnation treatment with an alkaline solution so that the specific surface area of the powder is at least 50 times the specific surface area of the quench alloy powder before removing the Si phase. Thereby, dissolution of Si more than necessary can be prevented, and reduction of battery capacity can be prevented.
상기의 함침 처리를 행함으로써, 급냉합금분말의 입자표면에 석출하고 있는 Si상이 용출 제거되어, 입자표면에는 SiM상과 X상 또는 SiX상이 잔존한다. 또, Si상이 제거된 부분에는 미세기공이 형성된다. 또한, 입자표면의 Si상이 제거되는 것으로, 입자표면에 있어서의 Si상의 양이 입자내부에 있어서의 Si상의 양보다도 적어진다. By performing the above impregnation treatment, the Si phase precipitated on the particle surface of the quench alloy powder is eluted and the SiM phase and the X phase or SiX phase remain on the particle surface. Further, micropores are formed in the portion from which the Si phase is removed. In addition, since the Si phase on the particle surface is removed, the amount of the Si phase on the particle surface becomes smaller than the amount of the Si phase on the inside of the particle.
또한, 원소M 및 원소X는 알칼리 용액에 대하여 불용이며, 또한 SiM상, SiX상도 알칼리 용액에 잘 녹지 않으므로 Si상이 우선하여 용출된다. In addition, the element M and the element X are insoluble with respect to the alkaline solution, and since the SiM phase and the SiX phase are also insoluble in the alkali solution, the Si phase is eluted first.
상기의 제조 방법에 의하면, 원소M과 원소X와 Si를 함유하는 합금용탕을 급냉 시킴으로써, SiX상 및 SiM상이 반드시 포함되고, X상, SiX상, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 상을 포함하는 급냉합금분말을 용이하게 형성시킬 수 있다. 얻어진 급냉합금분말을 알카리성 용액에 함침시켜서 입자표면의 Si상을 제거함으로써, 입자표면에 있는 Si상의 양이 입자내부에 있는 Si상의 양보다도 적어진다. 이렇게 얻어진 음극 활물질은, 전해액의 분해 반응을 억제시키고, 동시에 입자자체의 팽창 수축량을 적게 함으로써, 사이클 특성을 향상되는 것이 가능하게 된다. According to the above production method, by quenching the molten alloy containing the element M, element X and Si, the SiX phase and SiM phase are necessarily included, and the phase selected from the group consisting of X phase, SiX phase, and combinations thereof It is possible to easily form a quenching alloy powder containing. By immersing the obtained quenching alloy powder in an alkaline solution to remove the Si phase on the particle surface, the amount of Si phase on the particle surface becomes smaller than the amount of Si phase on the inside of the particle. The negative electrode active material thus obtained can improve the cycle characteristics by suppressing the decomposition reaction of the electrolyte solution and simultaneously reducing the amount of expansion and shrinkage of the particles themselves.
또한, 상기의 제조 방법에 의하면, SiX상 및 SiM상이 반드시 포함되고, X상, SiX상, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 상을 포함하는 다상합금분말을 용이하게 제조할 수 있다. 특히 가스아토마이즈법 또는 물아토마이즈법에 의하면, 구형분말이 얻어지므로, 음극 활물질의 충전 밀도를 높일 수 있고, 음극 활물질의 에너지 밀도를 높이는 것이 가능하다. In addition, according to the above production method, a multiphase alloy powder containing a phase selected from the group consisting of an SiX phase and a SiM phase and an X phase, a SiX phase, and a combination thereof can be easily produced. In particular, according to the gas atomization method or the water atomization method, since the spherical powder is obtained, the packing density of the negative electrode active material can be increased, and the energy density of the negative electrode active material can be increased.
(비수전해질)(Nonaqueous electrolyte)
비수전해질로서는, 비양성자성 용매에 리튬 염이 용해 되어 이루어지는 비수전해액을 사용하는 것이 바람직하다. As the nonaqueous electrolyte, it is preferable to use a nonaqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an aprotic solvent.
비양성자성 용매로서는, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌카보 네이트, 벤조 니트릴, 아세토 니트릴, 테트라 하이드로퓨란, 2-메틸 테트라 하이드로 퓨란, γ-부티로락톤, 디옥솔란, 4-메틸 디옥솔란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸 아세트아미드, 디메틸 설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시 에탄, 설포란, 디클로로 에탄, 클로로 벤젠, 니트로벤젠, 디메틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸이소프로필 카보네이트, 에틸부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디이소프로필 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비양성자성 용매가 바람직하고, 특히 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트(BC), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비양자성 용매를 반드시 포함하고, 디메틸 카보네이트(DMC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 디에틸 카보네이트(DEC), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비양자성 용매를 반드시 포함하는 것이 더욱 바람직하다. As an aprotic solvent, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetra hydrofuran, 2-methyl tetra hydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyl dioxolane, N , N-dimethylformamide, dimethyl acetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxy ethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, dimethyl carbonate, methylethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl Preferred are aprotic solvents selected from the group consisting of propyl carbonate, methylisopropyl carbonate, ethylbutyl carbonate, dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, dimethyl ether, and combinations thereof, Especially propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and aprotic solvents selected from the group consisting of combinations thereof, and in the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), methylethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), and combinations thereof More preferably, the aprotic solvent selected is necessarily included.
리튬 염으로서는, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2) (CyF2y +1SO2) (단 x, y는 자연수), LiCl, LiI, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 리튬 염을 포함하는 것이 바람직하고, 특히 LiPF6을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x +1 SO 2 ) (C y F 2y +1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, and combinations thereof Preferably, it is more preferable to include LiPF 6 especially.
상기 비수전해액 대신, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA) 등의 폴리머에 상기 리튬 염 중 어느 하나를 혼합시킨 것이나, 팽윤성이 높은 폴리머에 유기전해액을 함침시킨 것 등의 폴리머 전해질을 사용할 수도 있다. Instead of the non-aqueous electrolyte, a polymer electrolyte such as a polymer obtained by mixing any one of the lithium salts with a polymer such as polyethylene oxide (PEO) and polyvinyl alcohol (PVA) or impregnated with an organic electrolyte solution into a polymer having high swellability may be used. have.
(세퍼레이터)(Separator)
세퍼레이터의 재질로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀 수지로 이루어지는 미세다공질막이 바람직하다. As a material of a separator, the microporous membrane which consists of polyolefin resins, such as polypropylene and polyethylene, is preferable.
(리튬 이차 전지의 제조 방법) (Method for producing lithium secondary battery)
이하, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 리튬 이차 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, in one Example of this invention, the manufacturing method of a lithium secondary battery is demonstrated.
먼저, 양극용의 결착제(예를 들면 폴리플루오로 비닐리덴)을 용제(예를 들면 N-메틸 피롤리돈)에 용해하고, 이 용액에 양극 활물질 및 도전제를 첨가하여 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 양극집전체에 도포하여 건조하고, 적당한 크기로 잘라내어, 양극을 제조한다. First, a binder for positive electrode (for example, polyfluoro vinylidene) is dissolved in a solvent (for example, N-methyl pyrrolidone), and a positive electrode active material and a conductive agent are added to this solution to prepare a slurry. This slurry is applied to a positive electrode current collector, dried, cut into appropriate sizes, and a positive electrode is produced.
또, 음극용의 결착제(예를 들면 폴리플루오로 비닐리덴)을 용제(예를 들면 N-메틸 피롤리돈)에 용해하고, 이 용액에 음극 활물질 및 리튬 함유 금속화합물와 필요에 따라 도전제를 첨가하여 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 음극집전체에 도포하여 건조하고, 적당한 크기로 잘라내어, 음극을 제조한다. A negative electrode binder (e.g., polyfluorovinylidene) is dissolved in a solvent (e.g., N-methyl pyrrolidone), and a negative electrode active material and a lithium-containing metal compound and a conductive agent are optionally added to the solution. It is added to prepare a slurry, the slurry is applied to a negative electrode current collector, dried, and cut to a suitable size to prepare a negative electrode.
얻어진 양극 및 음극의 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 전극군을 형성하고, 이 전극군을 예를들면 원통상의 전지용기에 수납하고, 전해액을 주입 한 후 전지용기의 입구를 밀봉 함으로써, 기본전지를 제조한다. A base cell is manufactured by forming an electrode group through a separator between the obtained positive electrode and negative electrode, storing the electrode group in a cylindrical battery container, for example, injecting an electrolyte solution and then sealing the inlet of the battery container. do.
고체전해질을 사용하는 경우에는, 양극 및 음극의 사이에 고체전해질과 필요에 따라 세퍼레이터를 개재시켜 전극군을 형성하고, 이 전극군을 예를 들면 원통상의 전지용기에 수납하고 전지용기의 입구를 밀봉하여, 기본전지를 제조한다. In the case of using a solid electrolyte, an electrode group is formed between a positive electrode and a negative electrode through a solid electrolyte and a separator, if necessary, and the electrode group is stored in, for example, a cylindrical battery container and the inlet of the battery container is opened. It seals and manufactures a basic battery.
다음으로, 제조된 기본전지를 0.05C 내지 0.2C로 충전 종지 전압이 4.1V 내지 4.3V이 될 때까지 정전류 충전을 행하고, 10시간 내지 2.5시간의 정전압 충전을 행하여, 첫 번째의 충전을 실시한다. 이어서, 방전 용량이 첫 번째 충전시의 충전 용량과 같은 용량이 될 때까지 0.1C 내지 0.2C로 기본전지를 방전(첫 번째 방전)시킨다. Next, the manufactured base battery is charged at 0.05C to 0.2C until the end voltage of charging is 4.1V to 4.3V, followed by constant current charging for 10 hours to 2.5 hours, and the first charging is performed. . Subsequently, the primary cell is discharged (first discharge) at 0.1C to 0.2C until the discharge capacity becomes the same as the charge capacity at the time of the first charge.
첫 번째의 충전에 따라 양극 활물질에 포함된 리튬이 음극 활물질에 인터칼레이션 된다. 이 시점에서의 전지전압은 4.1V 내지 4.3V정도가 된다. 그 다음, 첫 번째의 방전을 실시하면, 음극 활물질에 인터칼레이션 된 리튬의 대부분이 양극 활물질에 인터칼레이션 되지만, 일부는 음극 활물질 중에 잔존한다. 상기 잔존하는 리튬에 상당하는 용량이 비가역용량이 된다. 음극 활물질로부터 리튬이 디인터칼레이션되는 시점의 전지전압은 양극 활물질 및 음극 활물질의 조합에 따라 다르지만, 2.7V정도가 된다. 이 시점에서의 방전 용량은, 비가역용량이 있기 때문에, 충전 용량보다도 낮아진다. According to the first charge, lithium included in the positive electrode active material is intercalated with the negative electrode active material. At this point, the battery voltage is about 4.1V to 4.3V. Then, when the first discharge is performed, most of the lithium intercalated to the negative electrode active material is intercalated to the positive electrode active material, but some remain in the negative electrode active material. The capacity equivalent to the remaining lithium is an irreversible capacity. The battery voltage at the time of lithium deintercalation from the negative electrode active material varies depending on the combination of the positive electrode active material and the negative electrode active material, but is about 2.7 V. The discharge capacity at this point is lower than the charging capacity because there is an irreversible capacity.
방전 용량을 충전 용량과 같게 하기 위하여, 방전을 계속 할 필요가 있다. 방전을 계속해서 전지전압이 1V 내지 0V정도(금속 리튬을 대극으로 했을 때의 음극전위가 3.0V 내지 4.0V의 범위에 해당한다.)가 되면, 리튬 함유 금속화합물로 리튬이 디인터칼레이션 되기 시작한다. 리튬 함유 금속화합물은, 비가역용량을 보완할 수 있는 정도로 첨가되어 있으므로, 방전 용량이 충전 용량과 같은 정도가 될 때까지 비가역용량의 용량에 상당하는 리튬이 리튬 함유 금속화합물로 디인터칼레이션된다. 방전 용량이 충전 용량에 도달하였을때 방전을 종료함으로써, 첫 번째 충전 시에 음극측으로 이동한 리튬과 같은 양의 리튬이 양극측으로 복귀된다. In order to make the discharge capacity equal to the charge capacity, it is necessary to continue the discharge. When discharge continues, when the battery voltage is about 1V to 0V (the negative electrode potential when the metal lithium is counter electrode is in the range of 3.0V to 4.0V), lithium is deintercalated with the lithium-containing metal compound. To start. Since the lithium-containing metal compound is added to the extent that the irreversible capacity can be compensated, lithium corresponding to the capacity of the irreversible capacity is deintercalated into the lithium-containing metal compound until the discharge capacity is about the same as the charging capacity. By discharging when the discharge capacity reaches the charge capacity, the same amount of lithium that has moved to the cathode side during the first charge is returned to the anode side.
이상과 같이 하여, 음극 활물질의 비가역용량이, 리튬 함유 금속화합물에 포함된 리튬에 의해 보완되는 리튬 이차 전지를 제조할 수 있다. As described above, a lithium secondary battery in which the irreversible capacity of the negative electrode active material is supplemented by lithium contained in the lithium-containing metal compound can be produced.
제조된 리튬 이차 전지의 충방전을 실시하는 경우, 충전 종지 전압을 4.1V 내지 4.3V정도로, 방전 종지 전압을 2.7V로 하여 충방전을 실시하는 것이 바람직하다.When charging and discharging the manufactured lithium secondary battery, it is preferable to perform charging and discharging with a charge end voltage of about 4.1V to 4.3V and a discharge end voltage of 2.7V.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일 실시예의 리튬 이차 전지에 의하면, 리튬 함유 금속화합물이 음극에 첨가되어 있으므로, 첫 번째의 충방전에 의해 발생하는 비가역용량을, 방전시에 리튬 함유 금속화합물로부터 디인터칼레이션하는 리튬에 의해 보충할 수 있어, 리튬 이차 전지의 충방전 용량을 높일 수 있다. 또, 리튬 함유 금속화합물이 물에 대하여 불활성이므로, 제조시의 취급이 용이하다. As described above, according to the lithium secondary battery of one embodiment according to the present invention, since the lithium-containing metal compound is added to the negative electrode, the irreversible capacity generated by the first charge / discharge is discharged from the lithium-containing metal compound at the time of discharge. It can replenish with lithium to deintercalate, and can charge and discharge capacity of a lithium secondary battery. In addition, since the lithium-containing metal compound is inert to water, handling at the time of manufacture is easy.
또한, 리튬 함유 금속화합물의 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션하는 전위가, 금속 리튬을 대극으로 했을 때에 3.0V 내지 4.0V이하이고, 상기 전위 범위는, 양극 활물질에 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등(이하, LiCoO2등 라고 함)을 사용한 전지에 있어서 0V 내지 1V의 전지전압과 동일하다. 양극 활물질에 LiCoO2등을 사용한 전지에 있어서, 통상의 방전 종지 전압은 2.7V정도이며, 1V정도까지 방전하지 않는다. In addition, the potential for intercalating and deintercalating lithium of a lithium-containing metal compound is 3.0 V to 4.0 V or less when the metal lithium is a counter electrode, and the potential range is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 In a battery using the light (hereinafter, referred to as LiCoO 2 or the like), it is the same as the battery voltage of 0V to 1V. In a battery using LiCoO 2 or the like as the positive electrode active material, the normal discharge termination voltage is about 2.7V and does not discharge to about 1V.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에서는, 첫 번째의 방전 과정에 있어서만, 방전 종지 전압을 0V 내지 1V로 설정하여 리튬 함유 금속화합물 로부터 리튬을 디인터칼레이션시키고, 두 번째의 방전 이후에는 방전 종지 전압을 예를 들면 2.7V로 하여, 과방전을 피할 수 있고, 전해액에 분해나 음극집전체의 용해를 피할 수 있다. Therefore, in the lithium secondary battery according to the embodiment of the present invention, only during the first discharge process, the discharge end voltage is set to 0V to 1V to deintercalate lithium from the lithium-containing metal compound, and the second discharge Thereafter, the discharge end voltage can be, for example, 2.7 V, so that overdischarge can be avoided, and decomposition and dissolution of the negative electrode current collector in the electrolyte can be avoided.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 제조 방법에 의하면, 전지전압이 소정의 충전 종지 전압에 도달할 때까지 기본전지의 충전을 행하고, 이어서, 충전시의 충전 용량과 같은 용량만큼만 기본전지의 방전을 실시하므로, 방전 시에, 음극 활물질 뿐만 아니라 리튬 함유 금속화합물로부터 리튬이 디인터칼레이션되어, 첫 번째의 충전시에 발생한 비가역용량을 상기 리튬 함유 금속화합물로부터 디인터칼레이션 되는 리튬에 의해 보완 할 수 있고, 높은 충방전 용량을 보유하는 리튬 이차 전지를 제조할 수 있다. 또, 충전 용량과 방전 용량을 동일하게 함으로써, 양극 활물질의 충전 용량에 비하여 과잉량의 리튬을 인터칼레이션시킬 우려가 없고, 과충전을 방지 할 수 있다. In addition, according to the method for manufacturing a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, the base battery is charged until the battery voltage reaches a predetermined end voltage of charging, and then only the capacity equal to the charging capacity at the time of charging is obtained. Since the base battery is discharged, lithium is deintercalated from the lithium-containing metal compound as well as the negative electrode active material at the time of discharge, and the irreversible capacity generated during the first charge is deintercalated from the lithium-containing metal compound. The lithium secondary battery can be supplemented with lithium, and has a high charge / discharge capacity. In addition, by making the charge capacity and the discharge capacity the same, there is no risk of intercalating an excessive amount of lithium as compared with the charge capacity of the positive electrode active material, and overcharge can be prevented.
또, 음극의 전위가, 금속 리튬을 대극으로 했을 때 상기의 방전 종지 전압이 될 때까지 첫 번째의 방전을 실시함으로써, 첫 번째의 방전 과정에 있어서만 리튬 함유 금속화합물로부터 리튬이 디인터칼레이션되므로, 이것에 의해 과방전을 피할 수 있고, 전해액에 분해나 음극집전체의 용해를 피할 수 있다.In addition, when the potential of the negative electrode is the counter electrode, the first discharge is performed until the discharge termination voltage is reached, whereby lithium deintercalates from the lithium-containing metal compound only in the first discharge process. Therefore, overdischarge can be avoided by this, and decomposition and dissolution of a negative electrode current collector in an electrolyte solution can be avoided.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited by the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
폴리비닐리덴 플루오라이드를 N-메틸 피롤리돈에 용해하여 농도 50%의 용액을 만들고, 상기 용액에 LiCoO2및 카본블랙을 첨가하여 슬러리를 만들었다. 상기 슬러리를 Al박에 도포하여 건조하고, 적당한 크기로 잘라내어 양극을 제조하였다. 양극의 이론용량(충방전 용량)은 140mAh/g이었다. Polyvinylidene fluoride was dissolved in N-methyl pyrrolidone to make a solution at a concentration of 50%, and LiCoO 2 and carbon black were added to the solution to make a slurry. The slurry was applied to Al foil, dried, and cut to an appropriate size to prepare a positive electrode. The theoretical capacity (charge / discharge capacity) of the positive electrode was 140 mAh / g.
또, 폴리비닐리덴 플루오라이드를 N-메틸 피롤리돈에 용해하여 농도 50%의 용액을 만들고 상기 용액에 흑연 및 Li3V2(PO4)3을 첨가하여 슬러리를 만들었다. 상기 슬러리를 Cu박에 도포하여 건조하고, 적당한 크기로 잘라내어 음극을 제조하였다. Further, polyvinylidene fluoride was dissolved in N-methyl pyrrolidone to make a solution having a concentration of 50%, and graphite and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 were added to the solution to form a slurry. The slurry was applied to Cu foil, dried, and cut to an appropriate size to prepare a negative electrode.
Li3V2(PO4)3의 첨가량은 흑연의 질량당 10질량%였다. 또, 음극의 이론용량(충방전 용량)은 330mAh/g이며, Li3V2(PO4)3의 전기 용량은 120mAh/g이었다. The addition amount of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 was 10 mass% per mass of graphite. Moreover, the theoretical capacity (charge / discharge capacity) of the negative electrode was 330 mAh / g, and the electric capacity of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 was 120 mAh / g.
제조된 양극 및 음극 사이에 폴리프로필렌 세퍼레이터를 개재시켜 전극군을 형성하고, 상기 전극군을 코인형의 전지용기에 수납하였다. 그리고, 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)가 EC:DMC=30:70 용량비의 비율로 혼합되어 이루어지는 혼합 용매에 1.3M의 LiPF6을 용해시켜 이루어지는 전해액을 주액하고, 전지용기의 입구를 밀봉함으로써, 실시예 1의 기본전지를 제조하였다. An electrode group was formed through a polypropylene separator between the prepared positive and negative electrodes, and the electrode group was accommodated in a coin-type battery container. Then, the electrolyte solution obtained by dissolving 1.3 M LiPF 6 in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) are mixed at a ratio of EC: DMC = 30: 70 capacity ratio is injected, and the inlet of the battery container is poured. By sealing, the basic battery of Example 1 was manufactured.
(실시예 2) (Example 2)
Li3V2(PO4)3를 대신하여, Li2CuO2를 첨가한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 기본전지를 제조하였다. 한편, Li2CuO2의 첨가량은 흑연의 질 량당 10질량%이며, 음극의 이론용량(충방전 용량)은 330mAh/g이며, Li2CuO2의 전기 용량은 110mAh/g이었다. 또 양극의 이론용량(충방전 용량)은 140mAh/g이었다. A basic battery of Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that Li 2 CuO 2 was added in place of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 . On the other hand, the amount of Li 2 CuO 2 added was 10 mass% per mass of graphite, the theoretical capacity (charge and discharge capacity) of the negative electrode was 330 mAh / g, and the electric capacity of Li 2 CuO 2 was 110 mAh / g. The theoretical capacity (charge / discharge capacity) of the positive electrode was 140 mAh / g.
(비교예 1) (Comparative Example 1)
Li3V2(PO4)3을 첨가하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 비교예 1의 기본전지를 제조하였다. 한편, 음극의 이론용량(충방전 용량)은 330mAh/g이며, 양극의 이론용량(충방전 용량)은 140mAh/g이었다. A basic battery of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 was not added. On the other hand, the theoretical capacity (charge / discharge capacity) of the negative electrode was 330 mAh / g, and the theoretical capacity (charge / discharge capacity) of the positive electrode was 140 mAh / g.
실시예 1, 2및 비교예 1의 기본전지에 대해서, 0.2C로 충전 종지 전압이 4.2V가 될 때까지 정전류 충전을 행하고, 그 후, 2.5시간 동안 정전압 충전을 행함으로써, 첫 번째의 충전을 실시하였다. The primary batteries of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 were subjected to constant current charging until the end-of-charge voltage was 4.2V at 0.2C, and then constant voltage charging for 2.5 hours. Was carried out.
그 다음에, 실시예 1및 2의 기본전지에 대해서, 방전 용량이 첫 번째 충전시의 충전 용량과 같은 용량이 될 때까지 0.1C로 방전(첫 번째 방전)을 실시하였다. 이 때의 방전 종지 전압은 0V 정도(상대전극을 Li로 했을 경우로 환산해서 4.0V정도)였다. Subsequently, the base batteries of Examples 1 and 2 were discharged at 0.1 C (first discharge) until the discharge capacity was the same as the charge capacity at the time of the first charge. The discharge end voltage at this time was about 0V (about 4.0V in the case where the counter electrode was Li).
한편, 비교예 1의 기본전지에 대해서는, 전압이 2.75V가 될 때까지 0.1C로 방전(첫 번째 방전)을 실시하였다. On the other hand, about the basic battery of the comparative example 1, discharge (first discharge) was performed at 0.1 C until voltage became 2.75V.
그 후, 실시예 1, 2 및 비교예 1의 기본전지에 대해서, 같은 조건으로 충방전을 4회 반복하였다. 충전 조건은, 0.5C로 충전 종지 전압 4.2V가 될 때까지 정전류 충전을 행하고, 그 후, 1시간의 정전압 충전을 행하였으며, 방전 조건은 0.5C로, 방전 종지 전압 2.75V의 조건으로 하였다. Thereafter, charging and discharging were repeated four times for the basic batteries of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 under the same conditions. The charging conditions were constant current charging until charging end voltage 4.2V was 0.5 C, and the constant voltage charge was performed for 1 hour after that, discharge conditions were 0.5C, and the discharge end voltage was 2.75V.
각 기본전지에 대해서, 각 충방전 사이클 마다 충방전 효율(n번째의 방전 용량/n번째의 충전 용량×100 (%))을 구하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.For each basic battery, charge and discharge efficiency (nth discharge capacity / nth charge capacity x 100 (%)) was obtained for each charge and discharge cycle. The results are shown in Table 1.
표 1에 기재된 바와 같이, 실시예 1및 2에서는, 1사이클의 충방전 효율이 100%이며, 2사이클 이후에 있어서도 99%정도의 높은 충방전 효율을 유지하고 있다. As shown in Table 1, in Examples 1 and 2, the charge and discharge efficiency of one cycle is 100%, and the charge and discharge efficiency of about 99% is maintained even after two cycles.
한편, 비교예 1에서는, 1사이클의 충방전 효율이 91.3%로, 실시예 1및 2과 비교하여 저하되었다. 이것은, 리튬의 일부가 음극 활물질에 비가역용량으로서 포획되었기 때문이라 생각된다. 비교예 1의 2사이클 이후의 충방전 효율은 실시예 1및 2과 큰 차이가 없어 보이지만, 실제의 충방전 용량을 비교해 보면, 첫 번째의 충방전 효율의 차이를 반영하면, 비교예 1의 충방전 용량이 실시예 1및 2에 대하여 10%정도 저하되고 있음을 알 수 있다.On the other hand, in Comparative Example 1, the charge and discharge efficiency of one cycle was 91.3%, which was lower than that of Examples 1 and 2. This is considered to be because part of lithium was trapped in the negative electrode active material as an irreversible capacity. The charge and discharge efficiency after two cycles of Comparative Example 1 does not appear to be significantly different from Examples 1 and 2, but when comparing the actual charge and discharge capacity, reflecting the difference of the first charge and discharge efficiency, the charge of Comparative Example 1 It can be seen that the discharge capacity is reduced by about 10% with respect to Examples 1 and 2.
본 발명의 리튬 이차 전지에 의하면, 물에 불활성이며 방전시에 있어서 리튬의 디인터칼레이션이 가능한 리튬 함유 금속화합물이 음극에 첨가되어 있으므로, 첫 번째의 충방전에 의해 발생하는 비가역용량을, 리튬 함유 금속화합물이 방전시에 디인터칼레이션하는 리튬에 의해 보충 시킬 수 있어, 리튬 이차 전지의 충방전 용량을 높일 수 있다. According to the lithium secondary battery of the present invention, since the lithium-containing metal compound which is inert to water and capable of deintercalation of lithium at the time of discharge is added to the negative electrode, the irreversible capacity generated by the first charge / discharge is reduced to lithium. The containing metal compound can be replenished by lithium deintercalated at the time of discharge, and the charge / discharge capacity of a lithium secondary battery can be raised.
또, 리튬 함유 금속화합물이 물에 대하여 불활성이므로, 제조시의 취급이 용 이하다. In addition, since the lithium-containing metal compound is inert to water, handling at the time of manufacture is easy.
또, 리튬 함유 금속화합물의 리튬을 인터칼레이션, 디인터칼레이션하는 전위는, 금속 리튬을 대극으로 했을 때에 1.0V이상 4.0V이하의 범위이고, 이 전위범위는, 양극 활물질에 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4등 (이하, LiCoO2등 라고 함)을 사용한 전지에 있어서 0V 내지 1V의 전지전압에 해당한다. 양극 활물질에 LiCoO2등을 사용한 전지에 있어서, 통상의 방전 종지 전압은 2.7V정도이며, 1V정도까지 방전하지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 리튬 함유 금속화합물을 구비한 리튬 이차 전지에서는, 첫 번째의 방전 과정에 있어서만, 방전 종지 전압을 0V 내지 1V 로 설정해서 리튬 함유 금속화합물에서 리튬을 디인터칼레이션 시키고, 두 번째 방전 이후에는 방전 종지 전압을 2.7V로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 과방전을 방지할 수 있고, 전해액의 분해나 음극집전체의 용해를 완전히 방지할 수 있다. The potential for intercalating and deintercalating lithium of a lithium-containing metal compound is in the range of 1.0 V or more and 4.0 V or less when the metal lithium is the counter electrode, and the potential range is LiCoO 2 , LiNiO in the positive electrode active material. 2 , a battery using LiMn 2 O 4 (hereinafter referred to as LiCoO 2 and the like) corresponds to a battery voltage of 0V to 1V. In a battery using LiCoO 2 or the like as the positive electrode active material, the normal discharge termination voltage is about 2.7V and does not discharge to about 1V. Therefore, in the lithium secondary battery with a lithium-containing metal compound according to the present invention, only during the first discharge process, the discharge end voltage is set to 0V to 1V to deintercalate lithium in the lithium-containing metal compound, After the first discharge, the discharge end voltage is preferably set to 2.7V. As a result, overdischarge can be prevented and decomposition of the electrolyte solution and dissolution of the negative electrode current collector can be completely prevented.
또, 본 발명의 리튬 이차 전지의 제조 방법에 의하면, 음극에 리튬 함유 금속화합물을 첨가해서 기본전지를 구성하고, 전지전압이 소정의 충전 종지 전압에 도달할 때까지 기본전지의 충전을 행하고, 이어서, 충전시의 충전 용량과 동일한 용량으로만 기본전지의 방전을 실시하므로, 방전시에, 음극 활물질에서 뿐만 아니라 리튬 함유 금속화합물에서도 리튬이 디인터칼레이션되어, 첫 번째의 충전시에 있어서 발생한 비가역용량을 이 리튬 함유 금속화합물의 리튬에 의해 보완 할 수 있고, 이에 따라, 높은 충방전 용량을 보유하는 리튬 이차 전지를 제조 할 수 있다. 또, 양극 활물질의 충전 용량에 대하여 과량의 리튬을 인터칼레이션시킬 우려 가 없고, 과충전을 방지 할 수 있다. In addition, according to the method for producing a lithium secondary battery of the present invention, a lithium-containing metal compound is added to a negative electrode to form a base battery, and the base battery is charged until the battery voltage reaches a predetermined end-of-charge voltage. Since the base battery is discharged only at the same capacity as the charging capacity at the time of charging, at the time of discharge, lithium is deintercalated not only in the negative electrode active material but also in the lithium-containing metal compound, and thus irreversible generated during the first charging. The capacity can be supplemented by lithium of this lithium-containing metal compound, whereby a lithium secondary battery having a high charge and discharge capacity can be produced. Moreover, there is no possibility of intercalating excess lithium with respect to the charge capacity of a positive electrode active material, and overcharge can be prevented.
또, 음극의 전위가, 금속 리튬을 대극으로 했을 때에 상기 방전 종지 전압이 될 때까지 첫 번째의 방전을 실시하므로, 첫 번째의 방전 과정에 있어서만 리튬 함유 금속화합물로부터 리튬이 방출되므로, 과방전을 피할 수 있고, 전해액에 분해나 음극집전체의 용해를 방지할 수 있다.In addition, since the first discharge is performed until the potential of the negative electrode becomes the discharge end voltage when the metal lithium is made counter electrode, lithium is discharged from the lithium-containing metal compound only in the first discharge process, thereby overdischarging. Can be avoided and decomposition or dissolution of the negative electrode current collector in the electrolyte can be prevented.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.
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