KR20080026823A - 토르마린을 포함하는 발전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명을 토르마린(Tourmaline)을 포함하는 발전 소자, 특히 토르마린을 포함하는 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리튬 이온 전지 등은 일반적으로 리튬 이온 전지 등을 구성하는 양극, 음극, 전해질, 분리막, 외장 부재 중의 적어도 한 곳에 토르마린이 첨가되는 것을 특징으로 한다.
토르마린, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지
Description
본 발명을 토르마린(Tourmaline)을 포함하는 전지, 특히 토르마린을 포함하는 리튬 이온 전지에 관한 것으로서, 토르마린의 작용으로 리튬 이온 전지의 성능을 향상시키기 위한 것이다.
토르마린은 육방정계에 속하는 천연 광물로서, 그 화학 성분은 철, 마그네슘, 알칼리금속 등과 알루미늄의 복잡한 붕규산염이다. 대개는 6각 또는 9각 때로는 3각 주상(柱狀)을 이루며, 굳기는 7.0∼7.5, 비중은 2.98∼3.20이다. 토르마린은 그 자체가 전기를 발생하는 특성 때문에 전기석이라고 불리며, 또한 지구상에 존재하는 광물 중에서 유일하게 영구적인 전기 특성을 가지고 있어서 극성 결정체라고도 불린다.
이러한 토르마린은 토르마린에서 생성되는 음이온, 미약 전류 및 원적외선이 인체의 건강과 환경에 유리하게 작용한다는 사실이 알려져 있다. 구체적으로 토르마린에서 나오는 음이온은 인체의 신진 대사 촉진, 세포 기능 및 면역 기능 활성화, 혈액 정화, 자율 신경 안정 등의 효능이 있다. 특히 토르마린을 TV, 전자 레인지 등 가전제품 옆에 두면 가전제품에서 나오는 전자파 때문에 양이온 이 증가해도 토르마린에서 방출되는 음이온에 의해 이온 밸런스가 유지되어 전자파의 악영향이 줄어든다． 또한, 토르마린은 토르마린 자체에 함유되어 있는 마그네슘, 철, 붕소, 실리콘, 칼슘 등의 원소가 용출됨에 따른 미네랄 효과도 있다. 일반적으로 마그네슘은 세포의 활성화, 심장 강화 등의 효능이 있으며, 철은 혈액 관계 및 항균에 좋으며, 붕소는 성장과 발육을 촉진시키며, 실리콘은 피부 강화 및 신장, 간장 등에 좋은 영향을 주며, 칼슘은 뼈의 발육을 촉진시킨다.
한편, 휴대용, 무선 전자 제품들의 개발이 증가하고 있는 현재의 추세로 볼 때, 이들 제품들의 소형화 및 경량화를 위해 에너지 밀도가 높은 이차 전지의 필요성이 크게 대두 되고 있으며, 리튬 이온 전지는 이와 같은 요구를 충족시킬 수 있는 강력한 후보이다. 리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고, 작동 전압이 높을 뿐 아니라 우수한 보존 및 수명 특성을 보이는 등의 많은 장점을 지니고 있다. 따라서 리튬 이온 전지는 3C로 불리는 개인용 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기 외에도 휴대용 CD 플레이어나 PDA와 같은 개인용 무선 전자 제품에도 폭넓게 적용되고 있다.
리튬 이온 전지는 크게 음극, 양극 및 전해질로 구성된다. 리튬 이온 전지의 음극 활성 물질로서는 탄소가 사용되며, 양극 활성 물질로서는 LiCoO2, LINiO2, LiMn2O4 등이 사용되고 있다. 이러한 음극 활성 물질과 양극 활성 물질을 금속 박판에 도포시켜 리튬 이온 전지의 음극과 양극으로 사용하고 있다. 또한 전해질로는 현재 LiPF6가 주로 사용되고 있으나, 내열성 등이 우수한 고분자 전해질이나 안 정성 등을 고려한 고체 전해질이 사용될 수 있다. 또한, 리튬 이온 전지의 음극과 양극 사이에는 고강도 박막화가 가능한 예를 들어, 폴리오레핀(polyolefin)으로 이루어지는 미다공성의 분리막(seperator)이 배치된다.
일반적으로 이차 전지의 충방전 과정은 화학 물질의 물리화학적 변환 과정으로서 그 본질은 이온화 과정으로 설명할 수 있다. 다시 말하여 전지의 충전은 물질이 이온화되면서 전기가 저장되고 방전은 전기를 소모되면서 물질이 중성화되는 과정으로 설명된다． 따라서, 중성화된 전지, 즉 완전히 방전된 전지는 그대로 방치하거나 어떤 충격 또는 온도 변화 등의 외부적인 작용에 의해 일시적으로 전지 능력을 회복하게 된다. 리튬 이온 전지를 비롯한 일부 전지들은 이러한 자체 회복 능력이 상대적으로 강하게 나타나지만 자연 상태에서 그 회복 시간이 너무 오래기 때문에 실용적으로 이용될 수는 없었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자체 회복 능력이 현저히 개선되어 전지의 충전 시간을 단축시키고 전지의 사용 시간을 증가시킬 수 있는 리튬 이온 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전 소자는 토르마린을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전 소자는 토르마린이 발전 소자의 구성 요소들 - 양극, 음극, 전해질, 분리막 또는 외 장 부재를 포함함 - 중 적어도 하나를 구성하는 물질과 혼합되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 토르마린이 양극, 음극, 전해질 또는 분리막 중 적어도 하나를 구성하는 물질과 혼합되는 경우, 토르마린의 혼합량은 1 내지 20 중량 퍼센트인 것을 특징으로 한다. 또한, 토르마린이 외장 부재를 구성하는 물질과 혼합되는 경우, 토르마린의 혼합량은 5 내지 30 중량 퍼센트인 것을 특징으로 한다. 또한, 토르마린은 분말 형태로 혼합되어 있으며, 분말의 크기는 300 내지 4,000 메쉬(mesh)인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전 소자는 토르마린이 발전 소자 내부의 소정의 장소에 첨가되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 발전 소자는 토르마린이 발전 소자의 구성 요소들 - 양극, 음극, 전해질, 분리막 또는 외장 부재를 포함함 - 중 적어도 하나의 표면에 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 발전 소자는 발전 소자의 구성 요소를 이루는 물질에 토르마린 분말이 첨가(즉, 혼합)되어 있는 것이다. 여기서, 발전 소자의 구성 요소는 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지 등을 상정하는 경우 양극, 음극, 전해질, 분리막 및 외장 부재(외장 케이스) 등을 말한다. 따라서, 양극, 음극을 구성하는 활성 물질이나 전해질을 구성하는 전해질 용매와 같은 물질과 소정량 의 토르마린 분말을 혼합한 것을 소스 물질로 하여 리튬 이온 전지의 양극, 음극, 전해질을 제조하게 되면 최종적으로 토르마린을 포함하는 리튬 이온 전지가 완성된다. 여기서 주목해야 할 점은 상술한 바와 같은 발전 소자의 구성 요소를 이루는 물질들에 대하여 토르마린은 화학적으로 안정하며, 전해질이나 분리막에 사용되는 필름 재료 및 폴리머와 같은 수지 재료들과 용이하게 혼합될 수 있다는 점이다.
예를 들어, 현재 리튬 이온 전지 등의 음극 활성 물질로 사용되고 있는 탄소 물질에 소정량의 토르마린 분말을 혼합한 후, 이를 음극 활성 물질로 하여 금속 박판에 도포하면 토르마린이 첨가된 리튬 이온 전지용 음극이 완성되는 것이다. 이러한 음극을 리튬 이온 전지의 구성 요소로 채택하면 토르마린이 포함된 리튬 이온 전지를 얻을 수 있다.
위와 같은 과정은 음극뿐만 아니라 음극 이외의 리튬 이온 전지를 이루는 모든 구성 요소에 적용할 수 있다. 리튬 이온 전지의 분리막인 경우에는 분리막의 수지 물질에 토르마린 분말을 혼합한 후, 이를 사용하여 분리막용 다공성 필름을 제조하면 된다. 실례로 폴리오레핀계 열가소성 수지 물질과 토르마린 분말을 분말 혼합기에서 혼합한 후, 이를 소스 물질로 하여 압출 공정에 따라 다공성 필름을 제조하면 토르마린이 첨가된 분리막을 제조할 수 있다． 이때, 분리막은 일반적으로 리튬 이온 전지 등의 기본 부품으로 사용되는 것 만큼 기존의 분리막을 토르마린이 첨가된 분리막, 즉 "토르마린 분리막"으로 대체하게 되면 기존의 리튬 이온 전지의 제조 공정을 그대로 이용하면서 토르마린을 포함하는 리 튬 이온 전지를 용이하게 제조할 수 있다. 외장 케이스의 경우도 마찬가지이다. 예를 들어, 리튬 이온 폴리머 전지의 외장 케이스는 알루미늄 적층 필름이 많이 사용되는데, 이 경우 필름을 이루는 수지 물질에 토르마린 분말을 혼합한 후, 이를 필름의 원료 물질로 하여 알루미늄 박판에 적층하면 토르마린이 첨가된 알루미늄 적층 필름을 제조할 수 있다． 실례로, 폴리에스테르 수지 물질과 토르마린 분말을 분말 혼합기에서 혼합한 후, 이를 소스 물질로 하여 압출 공정에 따라 필름을 제조하고 이를 알루미늄 박판에 적층하면 토르마린이 첨가된 외장 케이스를 완성할 수 있다.
상술한 바와 같은 토르마린 첨가의 효과는 다음과 같은 실험에 의하여 확인할 수 있었다. 먼저, 3.7V, 660mAh의 리튬 이온 폴리머 전지(전지 1)에 대하여, 전지 1의 제작 단계에서 양극 활성 물질에 1중량％，음극 활성 물질에 1중량％，분리막 필름 물질에 5중량％의 양으로 토르마린 분말을 혼합하여 리튬 이온 폴리머 전지(전지 2)를 제조하였다. 본 실험에서 사용한 토르마린 분말의 조성은 ((Na,Ca)(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18(BO3)3](OH,F)4)이었다. 그 후, 전지 1 및 전지 2를 50회 충방전시키고, 3.7V, 200mA의 LED에 대하여 전압이 3.8V에서 3.6V로 감소하는 시간을 측정하였다. 측정 결과, 전지 1은 17분이고, 전지 2는 35분으로서 토르마린을 첨가한 전지가 그렇지 않은 전지와 비교하여 전압이 감소하는 데에 소요되는 시간이 2배 정도 길었다.
상술한 바와 같이, 토르마린을 포함하는 발전 소자를 제조하기 위해서는, 발 전 소자의 구성 요소 - 음극，양극，전해질，분리막, 외장 케이스 등 - 를 제조할 때, 이들 구성 요소를 이루는 물질에 먼저 소정량의 토르마린 분말을 혼합한 후, 이를 소스 물질로 하여 기존의 공정에 따라 구성 요소를 제조하고 조립하는 방식이 가장 합리적이다.
발전 소자의 구성 요소들에 토르마린 첨가시, 그 첨가량은 적절하게 조정되어야만 한다. 즉, 발전 소자의 각 구성 요소 모두에 토르마린 분말을 가능한 많이 첨가한다고 해서 발전 소자의 성능이 일률적으로 개선되는 것은 아니다． 왜냐하면, 발전 소자는 일단 그 구성 요소의 조립이 완성되면 각각의 구성 요소는 전지로서 일체가 되기 때문에, 구성 요소 중 어느 하나의 구성 요소에라도 토르마린이 첨가되기만 하면 토르마린의 전기적 및 이온화 작용 효과는 발전 소자 내부에 균등하게 미칠 수 있기 때문이다． 오히려 토르마린이 20중량％ 이상으로 지나치게 많이 첨가되면 발전 소자의 고유한 화학 반응에 참가하는 물질의 양이 상대적으로 작아져서 발전 소자의 성능이 저하될 수 있다. 표 1은 표준 특성이 3.7V，660mAh의 리튬 이온 전지에 토르마린 분말의 첨가량이 주는 영향에 대한 실험 결과이다. 표 1은 토르마린 첨가량이 많다고 해서 전지의 성능이 개선되는 것은 아니라는 점을 보여준다.
| 토르마린 첨가량（중량％） | 전지 용량（ｍＡｈ） |
| 10 이하 | 689 |
| 12 | 713 |
| 15 | 725 |
| 17 | 714 |
| 20 | 692 |
| 22 이상 | 546 이하 |
따라서, 리튬 이온 전지 등을 포함하는 발전 소자에 토르마린 첨가시 토르마린 첨가 효과가 나타나는 데에 최소한 1중량％ 이상이 필요한 것을 감안하면 토르마린의 첨가량은 1 내지 20중량％의 범위로 설정하는 것이 바람직하다． 한편, 토르마린이 외장 케이스에 첨가되는 경우에는, 인체의 건강과 환경에 유익한 영향을 주는 부수적인 효과도 얻을 수 있기 때문에, 토르마린의 첨가량은 5 내지 30중량%의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
한편 토르마린은 아무리 작게 파쇄하여도 그 입자 각각은 그대로 전기적 특성 및 이온화 특성을 보유하기 때문에, 발전 소자에 토르마린 첨가시 토르마린 입자의 크기는 가능한 작은 것이 바람직하며, 나노 크기의 토르마린 분말을 사용하는 것도 더욱 바람직하다. 또한, 경제성을 고려할 때 300 내지 4,000 메쉬 정도의 토르마린 분말을 사용하여도 인체의 건강과 환경에 유익한 영향을 주면서 리튬 이온 전지의 성능을 향상시키고자 하는 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있다.
상기의 방식 이외에 리튬 이온 전지에 토르마린을 첨가하는 방식으로는 리튬 이온 전지에 토르마린을 외부적으로 첨가하는 방법도 있다. 즉, 이미 완성된 리튬 이온 전지에 토르마린을 외부에서 첨가하는 방식으로서, 이 방식의 토르마린 첨가 효과 역시 다음과 같은 실험을 통하여 확인할 수 있다. 먼저, 전자수첩(Visor, PalmOS)에 내장된 리튬 이온 폴리머 전지(3.7V, 200mAh)의 외장 케이스에 2mm 정도의 구멍을 뚫어서, 전지 내부에 2,000 메쉬의 토르마린 분말 500mg(5 내지 8 마이크로미터의 크기에 해당됨)을 주입하였다. 본 실험에서 사용한 토르마린 분말의 조성은 ((Na,Ca)(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18(BO3)3](OH,F)4)이었다. 그 후 전지 특성을 비교 측정하였더니 토르마린을 주입하지 않은 경우 사용 시간이 72시간에 불과하였으나, 토르마린을 주입한 경우에는 480시간을 사용하여도 전기 소모량이 30% 밖에 되지 않음을 확인할 수 있었다.
또한, 리튬 이온 전지의 구성 요소인 양극, 음극, 분리막, 외장 케이스의 표면에 토르마린을 부착시킴으로써, 리튬 이온 전지에 토르마린을 첨가하는 방식도 사용할 수 있다. 토르마린을 부착시키는 구체적인 방법으로는 토르마린 분말을 페이스트 형태로 제조하여 양극 등의 표면에 도포하는 방식, 토르마린 테이프를 제조하여 양극 등의 표면에 붙이는 방식 등을 고려할 수 있다.
본 발명에 따른 토르마린을 포함하는 리튬 이온 전지는 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
본 발명에 따르면, 토르마린의 전기적 및 이온화 작용으로 리튬 이온 전지의 자체 회복 능력이 개선되어 전지의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 전지에 포함된 토르마린에 의하여 인체의 건강과 환경에 유리하게 작용할 수 있다.
Claims (8)
- 토르마린(Tourmaline)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 토르마린은 상기 발전 소자의 구성 요소들 - 양극, 음극, 전해질, 분리막 또는 외장 부재를 포함함 - 중 적어도 하나를 구성하는 물질과 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제2항에 있어서,상기 토르마린이 상기 양극, 음극, 전해질 또는 분리막 중 적어도 하나를 구성하는 물질과 혼합되는 경우, 상기 토르마린의 혼합량은 1 내지 20 중량 퍼센트인 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제2항에 있어서,상기 토르마린이 상기 외장 부재를 구성하는 물질과 혼합되는 경우, 상기 토르마린의 혼합량은 5 내지 30 중량 퍼센트인 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제2항에 있어서,상기 토르마린은 분말 형태로 혼합되어 있으며, 상기 분말의 크기는 300 내 지 4,000 메쉬(mesh)인 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 토르마린은 상기 발전 소자 내부의 소정의 장소에 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 토르마린은 상기 발전 소자의 구성 요소들 - 양극, 음극, 전해질, 분리막 또는 외장 부재를 포함함 - 중 적어도 하나의 표면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 소자.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 발전 소자는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 소자.
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- 2006-09-21 KR KR1020060091877A patent/KR20080026823A/ko not_active Application Discontinuation
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