KR20080110679A

KR20080110679A - 리튬이온 배터리

Info

Publication number: KR20080110679A
Application number: KR1020087027872A
Authority: KR
Inventors: 지안종 얀; 용지 마오; 핑 안; 후이 첸; 루 키
Original assignee: 시틱 구오안 맹굴리 뉴 에너지 테크놀로지 씨오., 엘티디.
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2008-12-18

Abstract

본 발명은 리튬이온 배터리에 관한 것으로서, 양극과 음극 사이 또는 전극과 셀 내벽 사이에 비금속 재료의 편상 또는 봉상의 다공 탄성체를 구비하며, 상기 배터리는 충/방전 사이클 도중에 발생하는 셀의 팽창을 효과적으로 방지하며, 제작이 간편하고 배터리의 생명주기를 연장시키며 안전성을 제고시킨다.

리튬이온, 배터리, 배터리, 탄성체, 다공성, 카본재료

Description

리튬이온 배터리{Lithium ion battery}

본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 특히 리튬이온 배터리에 관한 것이다.

현재의 리튬이온 배터리는 충/방전 과정에 양극과 음극에 모두 격자구조 변화가 발생하며, 두 부분의 변화량이 부동한 바, 충전 시, Li⁺는 양극으로부터 이탈하여 전해액으로 들어가고 이어 음극으로 들어가며, 방전은 이와 상반되는 과정이다. 상기 매커니즘에 의하여 Li⁺의 이동 경로가 길어서는 아니되기 때문에 격막의 두께를 일정한 범위 내(30㎛ 좌우)로 염격하게 제한하며, 종래의 2차 전지(납산 배터리, 니켈-카드늄 전지, 아연-은 전지, 니켈-수소 전지 등 포함)용 격막보다 훨씬 얇다. 이러한 두께의 차이로 인하여, 흡수 전극의 변형 면에서, 현저한 다른 점을 보이고 있다. 종래의 2차 전지 격막은 일정한 범위 내에서 전극의 표면 방향과 수직되는 변형을 흡수할 수 있으며, 전지 내부에서 발생하는 응력을 완충시킬 수 있다.

그러나 리튬이온 배터리에 있어서, 격막의 전극 체적 변화 수용공간으로서의 작용은 거의 기대할 수 없으며, 전극의 체적변화는 격막을 압박하여 전해액의 분포상황을 개변하며, 전극의 전반적인 팽창을 초래하고 셀을 밀어내어 비가역적인 변형을 일으킴으로써, 불안정한 상태를 만들고 안전에 위험을 가져다 준다. 이러한 상황은 대용량 동력 전지에 있어서 더욱 심각하게 존재한다. 여러 개의 단일 전지를 조합하여 사용하기 때문에, 단일 전지의 팽창은 전지그룹의 최초 크기에 영향을 주며 안전성을 저하시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 내부의 응력을 완화시키고 전지의 팽창을 방지하여, 전지의 안전성과 생명주기를 연장시키는 리튬이온 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 양극, 음극 및 격막을 포함하여 구성되는 전극, 전해액과 셀을 포함하여 구성되며, 양극과 음극 사이 또는 전극과 셀 내벽 사이에 폴리올레핀 재료, 및/또는 폴리비닐리덴 플로라이드 하이드로 카본 재료의 편상 또는 봉상의 다공 탄성체를 구비하며, 상기 탄성체의 두께는 0.5mm~5.0mm, 간격율은 10%~80%인 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리를 제공한다.

상기 구성의 본 발명의 리튬이온 배터리는, 종래 기술에 비하여 다음과 같은 우점과 효과가 있다.

（a）비금속 재료의 탄성체를 구비하며, 상기 탄성체의 두께는 0.5mm~5.0mm로서, 전지 내부의 응력을 완화시키고 전극의 팽창과 수축으로 인한 위치변화를 흡수 또는 방출하며, 전지의 화학 시스템에 영향을 주지않기 때문에 전지의 안전성을 향상시킨다

（b） 간격율이 10%~80%인 다공 탄성체는 일정량의 전해액을 보존할 수 있기 때문에 전지의 순환과 전지 배율 방전 기능에 대하여 모두 현저한 개선 효과가 있다.

（c） 영활하게 배치할 수 있고 조작이 간편하며 조합이 용이하기 때문에 리튬이온 배터리의 생산공정 배정에 영향을 주지 않는다.

도1은 본 발명에 따른 리튬이온 배터리의 구조 사시도

이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 의한 리튬이온 배터리에 대하여 설명하도록 한다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 리튬이온 배터리는 양극(양극의 활설재료는 LiCo0₂, LiCo_xNi₁ _- _xO₂, LiCo_xNi_yMn_1-x-y0₂, LiMn₂O₄ 중의 한가지 또는 이들의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되지 않고, 그 중에서 0<x<1, 0<y<1, 그리고 0<x+y<1)(1), 음극(음극의 활성재료는 인조 흑연 또는 변성, 복합 천연 흑연 또는 이들의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되지 않음)(2) 및 격막(3)을 포함하여 구성되는 전극, 전해액(1mol/L LipF₆ /EC+EMC+DEC일 수 있으나 이에 제한되지 않음)(4)과 셀(5)을 포함하여 구성되며, 양극과 음극 사이에 비금속 재료의 다공 탄성체(6)를 구비하며, 예를 들면, 폴리올레핀, 폴리비닐리덴 플로라이드 하이드로 카본 종류의 플라스틱이고, 상기 탄성체는 편상 또는 봉상의 형상을 가지거나 전극의 구조에 따라 기타 형상을 구성하며, 상기 탄성체의 두께는 0.5mm~5.0mm, 간격율은 10%~80%이며, 상기 탄성체는 회선형 전극 또는 극판을 겹체 형성된 전극의 경우에는 극판 사이에 설치할 수도 있다.

상기 탄성체는 전지 내부의 응력을 완화시키고 전극의 팽창과 수축으로 인한 위치변화를 흡수 또는 방출하며, 일부분 전극의 지나친 충전이나 방전을 방지한다. 그리고 이에 구비된 미세홀은 전해액 보존을 위한 여분의 공간을 제공하여 전지의 생명주기를 연장시키고 전지의 비가역적인 변형을 방지하여 안전성과 신뢰도를 향상시킨다. 그러나 전지의 화학기능(리튬이온 배터리 전해액 에스테르 용제와 유기 산화 리튬에 대하여 타성을 나타낸다) 및 전기화학 기능에 영향을 주지않기 때문에 전지의 안전성을 향상시킨다.

실시예1

전동 자전거용 187286(두께 18mm, 너비 72mm, 높이 86mm) 전지를 제조하는 바 도면은 도1과 같다. 전극의 외면에 두께가 1.0mm이고, 간격율이 45%인 폴리비닐리 덴 플로라이드 고무를 받쳐 넣고, 테이프로 전극과 탄성체를 한데 묶은 후, 셀 삽입, 레이제 용접, 액체 주입, 예비 충전, 밀봉, 포메이션(전지에 충/방전 하여 전지를 활성화 시키는 것), 노화, 그레이딩(전지의 용량에 대하여 분류) 등 과정을 거쳐 샘플을 제작하며, 샘플1로 표기한다.

전지를 환경온도가 25土3℃인 조건 하에서, 1시간율 전류를 이용하여 충/방전 순환을 진행하며, 테스트 과정은 하기와 같다.

（1）10min 방치;

（2）8.0A의 안정전류로 충전, 시간제한 70min, 압력제한 4.20v;

（3）안정전압으로 충전, 압력제한 4.20v, 시간제한 60min, 컷오프 전류 400mA;

（4）10min 방치;

（5）8.0A 안정전류로 방전, 시간제한 70min, 압력제한 3.00v.

상기 (1)-(5) 단계에 따라 500회 진행.

상기 탄성체를 구비하지 않은 전지(대조 샘플)도 동일한 조건에 따라 제작하며, 아울러 동일한 조건으로 충/방전 순환을 진행한다. 500회 테스트를 진행한 후, 상관 테스트 수치는 표1에서와 같다.

표1에서 알 수 있는 바와 같이, 탄성체를 구비한 샘플은 500회 순환 후, 용량 보존율이 75.4%이고, 전지의 두께는 18.22mm로서, 최초의 18.00mm에 대비하여 1.2%만 변화하였으나, 대조 샘플은 500회 순환 후, 용량 보존율이 69.5%이고, 전지의 두께는 19.98mm으로 변화여, 11.0%의 변화율을 보여주어, 샘플1의 9배에 달했다.

[표 1]

	샘플1	대조 샘플
최초 용량/Ah	8.23	8.27
500회 순환 후 보존 용량/Ah	6.21	5.75
두께 변화율/mm	0.22	1.98

실시예2

전동 자전거용 187286(두께 18mm, 너비 72mm, 높이 86mm) 전지를 제조하는 바 도면은 도1과 같다. 전극의 외면에 두께가 1.0mm이고, 간격율이 55%인 폴리에틸렌 플라스틱을 받쳐 넣고, 테이프로 전극과 탄성체를 한데 묶은 후, 셀 삽입, 레이제 용접, 액체 주입, 예비 충전, 밀봉, 포메이션(전지에 충/방전 하여 전지를 활성화 시키는 것), 노화, 그레이딩(전지의 용량에 대하여 분류) 등 과정을 거쳐 샘플을 제작하며, 샘플2로 표기한다. 테스트 환경과 테스트 과정은 실시예1과 동일하다.

상기 탄성체를 구비하지 않은 전지(대조 샘플)도 동일한 조건에 따라 제작하며, 아울러 동일한 조건으로 충/방전 순환을 진행한다. 500회 테스트를 진행한 후, 상관 테스트 수치는 표2에서와 같다.

표2에서 알 수 있는 바와 같이, 탄성체를 구비한 샘플은 500회 순환 후, 용량 보존율이75.1%이고, 전지의 두께는18.24mm로서, 최초의 18.00mm에 대비하여 1.3%만 변화하였으나, 대조 샘플은 500회 순환 후, 용량 보존율이 69.9%이고, 전지의 두께는 19.92mm으로 변화여, 10.7%의 변화율을 보여주어, 샘플1의 8배에 달했다.

[표 2]

	샘플2	대조 샘플
최초 용량/Ah	8.35	8.41
500회 순환 후 보존 용량/Ah	6.27	5.88
두께 변화율/mm	0.24	1.92

본 발명은 각종 전자장치에 사용되는 충/방전 가능한 이차전지 등에 적용될 수 있다.

Claims

양극, 음극 및 격막을 포함하여 구성되는 전극, 전해액과 셀을 포함하여 구성되며, 양극과 음극 사이 또는 전극과 셀 내벽 사이에 비금속 재료의 편상 또는 봉상의 다공 탄성체를 구비하며, 상기 탄성체의 두께는 0.5mm 내지 5.0mm, 간격율은 10% 내지 80%인 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리.
제1항에 있어서,

상기 비금속 재료는 폴리올레핀 재료인 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리.
제1항에 있어서,

상기 비금속 재료는 폴리비닐리덴 플로라이드 하이드로 카본 재료인 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리.
제2항에 있어서,

상기 폴리올레핀 재료는 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리.
제3항에 있어서,

상기 폴리비닐리덴 플로라이드 하이드로 카본 재료는 폴리비닐리덴 플로라이 드인 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리.