KR20100017316A - 난흑연화성 탄소 전극과 에너지 저장 조립체를 구비한 전기화학 전지 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 분리막(A, K)으로 분리되는 양극(K)과 음극(A)을 구비한 전기화학 전지(2)에 관한 것으로, 양극(K)은 적어도 리튬 전이금속 산화물 계열의 이상(two-phase) 활성물질을 포함하고, 음극(A)은 음극(A)이 적어도 0.7V의 총 이동 거리(total travel)를 가진 개방 회로 전압 곡선과 변곡점이 없는 급격한 전압 방전 곡선을 갖도록 하는 적어도 그러한 물질을 포함한다.

Description

난흑연화성 탄소 전극과 에너지 저장 조립체를 구비한 전기화학 전지{ELECTROCHEMICAL CELL WITH A NON-GRAPHITIZABLE CARBON ELECTRODE AND ENERGY STORAGE ASSEMBLY}
우선권의 주장
본 출원은 2007년 4월 24일에 제출된 독일 출원 일련번호 10 2007 019 625.5와 2007년 5월 10일에 접수된 일련번호 10 2007 022 435.6에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 참조에 의해 본 출원에 통합된다.
본 발명은 전기화학 전지와 복수의 전기화학 전지를 포함하는 에너지 저장 조립체 및 이를 사용하는 전기 차량이나 하이브리드형 전기 차량에 관한 것이다. 에너지 저장 조립체(배터리 팩이라고도 함)는 복수의 평판 전기화학 전지(배터리 전지라고도 함)를 포함하며, 이들을 각각 외부 단자 등을 통하여 전기화학 전지를 서로 전기적으로 연결하는 한 쌍의 전극을 포함한다.
예를 들면, 전기 차량, 하이브리드 차, 전기 도구 등과 같은 적용을 위한, 보다 높은 입출력 전원 요건을 충족시키기 위해, 납산 배터리, 리튬 이온 배터리, 니켈 금속 하이브리드 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 전기 이중층 캐패시터 등 새로운 에너지 저장 조립체가 개발되어 왔다.
이러한 새로운 에너지 저장 조립체는 전자식 구동 모터와 차량의 차상 전기 시스템에 전원을 공급한다. 에너지 저장 조립체의 충전-방전 절차를 제어하기 위해, 차량 작동 중에 에너지 저장 조립체가 충전될 수 있도록 충전-방전 절차, 제동 에너지에서 전기 에너지로의 변환(재생가능 제동) 과정 등을 관리하는 제어기가 통합된다.
에너지 저장 조립체 또는 단일 전기화학 전지는 전류 400A 하에 최대 전압 범위 100V 내지 450V, 그리고 고온 등 극한 상황에서는 500A까지의 전류 하에서 견딜 수 있는 우수한 특성을 발휘해야 한다. 그리고 직류는 80A 내지 100A 범위에 있고 적용상황에 따라서 더 높을 수도 있다.
그러한 극한 상황의 경우 에너지 저장 조립체의 전기화학 전지 연결부가 극심한 스트레스를 받는다.
따라서 발명의 목적은 예를 들어 전기 차량 또는 하이브리드형 전기 차량을 위해 극한 충전-방전 상황에서, 예를 들면 15년까지의 높은 운전 안전성과 높은 신뢰성을 갖는 전기화학 전지 및 에너지 저장 조립체를 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위해, 충전식 배터리, 특히 충전식 리튬 이온 배터리나 전지의 양극 및 음극용의 신규한 전극 자재 조합을 갖는 전기화학 전지가 제공된다.
발명의 핵심적 측면에 따라 전기화학 전지는 분리막으로 분리되는 양극과 음극을 포함하며, 여기서:
- 양극은 적어도 리튬 전이 금속 산화물 계열의 이상(two-phase) 활성물질을 포함하고,
- 음극은, 음극이 적어도 0.7V 특히 1.3V보다 큰, 예를 들면 1.5V의 총 이동 거리(total travel)를 갖는 개방 회로 전압 곡선과 변곡점이 없는 급격한 전압 방전 곡선을 갖도록 하는 적어도 그러한 물질을 포함한다. 바람직하게, 적어도 물질은 흑연보다 높은 격자 무질서(lattice disorder)를 갖는 적어도 난흑연화성 탄소 물질(non-graphitizable carbone material)이다. 대안적으로, 이 물질은 텅스텐 이산화물이나 다른 적절한 접합 금속 산화물 또는 금속 리튬이다.
양극은 적어도 활성 물질, 특히 리튬 전이 금속 산화물(예: 리튬 망간 스피넬(LiMn2O4), 리튬 이온 인산염(LiFePO4), 리튬 코발트 인산염(LiCoPO4)), 기타 적합한 인산염(예: 리튬 망간 인산염(LiMnPO4)) 또는 기타 물질(예: LI(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O2, 또는 Li(Ni1 .5Mn0 .5)O2, LiCoO2, Li(Ni0 .8Co0 .2)O2(부분적으로 Al 적용)) 계열의 이상 활성 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
음극 물질로서 흑연보다 높은 격자 무질서(lattice disorder)를 갖는 난흑연화성 탄소 물질과 양극 물질로서 리튬 전이 금속 산화물의 물질 조합은 전지의 높은 안전성과 높은 비용 효율성을 제공한다. 나아가, 이 전지는 전지의 질량이나 전지의 부피 확장 없이 높은 충전/방전 용량을 바탕으로 기대 수명이 길다. 이러한 전극 물질 조합을 갖는 전기화학 전지는 간편하고 효율적으로 매우 신속하게 생산할 수 있다. 전지, 특히 활성 전극 물질을 갖는 박막 표면은 전지의 높은 에너지 밀도에 효율적으로 최적화할 수 있다.
양극 물질로 사용되는 리튬 전이 금속 산화물은 리튬과의 가역 반응을 허용한다. 이는 리튬이 추가될 때 격자 구조가 본질적으로 변화하지 않는 삽입 반응(intercalation-type reaction)을 가리킨다. 나아가 삽입/제거 시 리튬과 매우 빠른 반응을 하므로 높은 전력 밀도가 달성된다. 나아가, 리튬 전이 금속 산화물은 일반적, 전통적으로 사용되는 저렴한 환경소재이다.
바람직하게, 음극용 난흑연화성 탄소는 경질 탄소 또는 연질 탄소를 함유한 비정질 탄소이다. 음극용 경질 탄소/연질 탄소와 양극용 리튬 전이 금속 산화물 간의 전극 물질 조합은 전압/충전상태 곡선(V/SoC), 특히 급격한 상승 기울기를 갖는 전압 방전 곡선을 나타내므로, 전지 에너지 회복 시에 음극의 리튬 플레이팅(lithium plating) 위험을 피할 수 있다. 동시에, 전압/충전상태 곡선의 급격한 상승이 충전 상태에 따라 에너지 밀도와 가용 배터리 용량이 심하게 감소되지 않는 급격한 상승을 보여서는 안 된다.
가능한 실시예에서, 경질 또는 연질 탄소는 예를 들어 열분해법으로 열분해된 탄소 섬유(예: 면직물)이다. 한 가지 가능한 방법으로서, 경질 탄소는 음극의 전극 도전물질로 사용되는 경질 탄소/리튬 화합물 혼합체를 형성하기 위해 리튬 화합물을 탄소 전구체와 혼합하여 만든다. 연질 또는 경질 탄소 전구체는 적어도 다음 중 한 개 이상의 성분이나 그 조합을 포함한다: 석유계 피치, 페놀, 셀룰로스, 면직물, 페놀 수지. 이러한 물질은 과방전 및 과충전 시에 매우 안정적이므로 예를 들어 구조가 변하거나 품질이 저하되지 않는다. 나아가, 이 물질은 일반적, 전통적으로 사용되는 저렴한 환경소재이다. 경질 탄소는 일반적으로 열경화성 수지로 제조하고; 연질 탄소는 일반적으로 열가소성 수지나 피치로 제조한다.
발명의 추가적 실시예에서 전해 분리막은 적어도 고분자 또는 고분자 복합체를 포함한다.
발명의 핵심적 측면에 따라 에너지 저장 조립체는 복수의 평판 전기화학 전지를 포함하고, 이들은 각각 분리막으로 분리되는 양극과 음극을 포함하며, 여기서:
- 양극은 적어도 리튬 전이금속 산화물 계열을 포함하는 금속 산화물의 이상(two-phase) 활성물질을 포함하고,
- 음극은, 음극이 적어도 0.7V의 총 이동 거리(total travel)를 가진 개방 회로 전압 곡선과 변곡점이 없는 급격한 전압 방전 곡선을 갖도록 하는 적어도 그러한 물질을 포함한다. 바람직하게, 음극 물질은 흑연보다 높은 격자 무질서(lattice disorder)를 갖는 난흑연화성 탄소 물질이다.
적용 상황에 따라, 에너지 저장 조립체의 전기화학 전지들은 직렬, 병렬 또는 병렬-직렬로 연결된다.
이 발명은 전기 자동차, 하이브리드 전기 차량, 특히 병렬 하이브리드 전기 차량, 직렬 하이브리드 전기 차량 또는 병렬/직렬 하이브리드 전기 차량에 사용할 수 있다. 나아가, 이 발명은 풍력 에너지나 기타 생산된 에너지(예: 태양 에너지) 저장에도 사용할 수 있다. 그리고 에너지 저장 조립체는 차량 전원 공급 시스템에서 별도로 또는 다른 에너지 저장 장치와 함께 일차적 또는 이차적 에너지 저장 장치로 사용할 수도 있다.
이제 아래와 같이 도면을 통하여 실시예를 구체적으로 언급하면서 본 발명에 대하여 자세히 설명한다. 하지만, 이들 실시예는 여기에 언급된 혁신적 내용에 관한 복수의 유용한 사용법의 예에 불과하다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 각 전지의 외부 단자 쌍을 통하여 서로 연결되는 복수의 전기화학 전지가 포함된 에너지 저장 조립체의 도면을 도시하고,
도 2는 전기화학 전지 중 하나의 도면을 도시한다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1 에너지 저장 조립체
2 전기화학 전지
3.A 양극의 외부 단자
3.K 음극의 외부 단자
4 케이싱
5.A 내부 양극 도체
5.K 내부 음극 도체
A 양극
K 음극
본 발명은 전기화학 전지와 복수의 전기화학 전지를 구비한 에너지 저장 조 립체와 관련된 것이다. 발명은 예를 들어 구동 모터와 내연 엔진을 구비하고 구동 모터는 에너지 저장 조립체로부터 공급되는 전원에 의해 구동되는 하이브리드 전기 차량 등 다양한 적용 용도로 사용할 수 있다. 대안적으로 에너지 저장 조립체는 에너지 저장 조립체로부터 공급되는 전원에 의해 구동되는 구동 모터를 구비한 전기 차량에서 사용할 수도 있다. 나아가 에너지 저장 조립체는 조립체가 풍력 또는 태양 에너지 설비에 통합되어 있는 방식에서 풍력 또는 태양 에너지 저장 용도로 사용할 수 있다.
도 1은 복수의 평판 전기화학 전지(2)(배터리 전지 또는 단일 갈바니 전지 또는 다면적 전지라고도 함)를 구비한 에너지 저장 조립체(1)(배터리 팩이라고도 함)의 모습을 나타내고 있다.
각 전기화학 전지(2)들은 한 쌍의 전극(A 및 K)을 포함하며, 여기서 전극 중 하나(K)는 양극(+)이고, 다른 전극(A)은 음극(-)이다.
각 전기화학 전지(2)는 평판 전지이고, 이는 예를 들어 전극(A 및 K)과 같이 복수의 내부 전극 박막(미표시)을 포함하며, 여기서 상이한 전극 박막은 미표시된 분리막(separator film)에 의해 분리된다. 이 분리막은 예를 들어 비친수성 전해질로 세정된다. 대안적으로, 전극용 박막 대신에 분리판(separator plate)을 사용할 수 있다.
전기화학 전지(2)를 서로 전기적으로 연결하기 위해, 각 전지(2)의 전극(A 및 K)이 외부 단자(3.A, 3.K)와 연결된다. 적용 상황에 따라, 전기화학 전지(2)는 외부 단자(3.A, 3.K)를 통하여 병렬, 직렬 또는 병렬-직렬로 연결할 수 있다.
도 1에 따라 표시된 실시예는 직렬로 연결된 전기화학 전지(2)를 나타낸다.
나아가, 각각의 전지(2)는 케이싱(4)으로 주위를 감쌀 수 있다. 케이싱(4)은 한 개의 전지(2)를 인접 전지로부터 격리하는 박막 케이싱 또는 플레이트 케이싱으로 제공될 수 있다.
바람직한 것은, 적어도 전지(2)를 케이싱(4)을 통하여 서로 간에 전기적으로 격리하는 것이다. 추가적으로, 전지(2)는 사용 자재에 따라 서로 간에 열 격리를 할 수 있다. 대안적으로, 전지(2)는 케이싱 표면을 통하여 전기적으로 연결할 수 있다. 전기적 격리를 위해 자재(예: 수지)를 전지(2) 사이에 채우므로 다른 대안적 실시예를 제공할 수도 있다.
전체 에너지 저장 조립체(1)도 예를 들어 플레이트 케이싱 또는 박막 케이싱(“소프트 팩”이라고도 함) 등 미표시된 케이싱으로 그 주변을 감쌀 수 있다.
에너지 저장 조립체(1)의 전기화학 전지(2) 중 하나가 도 2에 자세히 표시되어 있다.
전기화학 전지(2)는 리튬이온 전기화학 전지이다.
발명의 가능한 실시예에서 각 전기화학 전지(2)는 분리막(E)으로 격리되는 음극(A)과 양극(K)을 포함한다. 전기화학 전지(2)를 다른 전지와 전기적으로 연결하기 위해서 전극(A 및 K)은 전기적으로 도체(5.A, 5.K)와 연결된다. 이러한 “내부” 도체(5.A, 5.K)는 외부 단자(3.A, 3.K)와 연결된다.
양극 또는 (+) 전극(K)은 적어도 활성 물질, 특히 리튬 전이 금속 산화물 (예: 리튬 망간 스피넬(LiMn2O4), 리튬 이온 인산염(LiFePO4), 리튬 코발트 인산염(LiCoPO4)), 기타 적합한 인산염(예: 리튬 망간 인산염(LiMnPO4)) 또는 기타 물질(예: LI(Co1 /3Ni1 /3Mn1 /3)O2, 또는 Li(Ni1 .5Mn0 .5)O2, LiCoO2, Li(Ni0 .8Co0 .2)O2(부분적으로 Al 적용)) 계열의 이상(two-phase) 활성 물질을 포함한다. 음극 또는 (-) 전극(A)은, 음극(A)이 적어도 0.7V의 총 이동 거리(total travel)를 가진 개방 회로 전압 곡선과 변곡점이 없는 급격한 전압 방전 곡선을 갖도록 하는 물질을 포함한다. 음극 물질은 적어도 흑연보다 높은 격자 무질서(lattice disorder)를 갖는 난흑연화성 탄소 물질일 수 있다.
그런데 난흑연화성 탄소는 경질 탄소 또는 연질 탄소를 함유한 비정질 탄소가 바람직하다. 경질 또는 연질 탄소는 예를 들어 열분해법으로 열분해된 탄소 섬유(예: 면직물)이다.
양극 전극 물질로서의 리튬 전이 금속 산화물과 음극 전극 물질로서의 경질 또는 연질 탄소의 전극 물질 조합은 적어도 높은 에너지 저장 효율, 긴 수명 및 비용 최소화를 위해 플래토(plateau)가 없는 최적의 개방 회로 전압 곡선을 얻을 수 있는 최적화된 조합이다. 나아가 그러한 조합의 결과, 배터리 상태의 측정결과가 향상된다.

Claims (17)

  1. 분리막(A, K)으로 분리되는 양극(K)과 음극(A)을 구비한 전기화학 전지(2)로서,
    상기 양극(K)은 적어도 리튬 전이금속 산화물 계열의 활성물질을 포함하고,
    상기 음극(A)은 상기 음극(A)이 적어도 0.7V의 총 이동 거리(total travel)를 가진 개방 회로 전압 곡선과 변곡점이 없는 급격한 전압 방전 곡선을 갖도록 하는 적어도 그러한 물질을 포함하는
    전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극(1)은 흑연보다 높은 격자 무질서(lattice disorder)를 갖는 난흑연화성 탄소(non-graphitizable carbon)를 포함하는
    전기화학 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    난흑연화성 탄소 물질은 경질 탄소 또는 연질 탄소를 함유한 비정질 탄소인
    전기화학 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    경질 탄소는 예를 들어 열분해법으로 열분해된 탄소 섬유, 예를 들면 면직물인
    전기화학 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 경질 탄소는 음극(A)의 전극 도전물질로 사용되는 경질 탄소/리튬 화합물 혼합체를 형성하기 위해 리튬 화합물을 탄소 전구체와 혼합하여 만들어지는
    전기화학 전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    탄소 전구체, 예를 들면 경질 탄소 전구체 또는 연질 탄소 전구체는 석유계 피치, 페놀, 셀룰로스, 면직물, 페놀 수지 중 하나 이상의 성분 또는 그 조합물을 포함하는
    전기화학 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극(K)은 적어도 리튬 철 인산염(LiFePO4), 리튬 코발트 인산염(LiCoPO4), 리튬 망간 인산염 또는 기타 적합한 인산염을 포함하는
    전기 화학 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막은 고분자 또는 고분자 복합체를 포함하는
    전기화학 전지.
  9. 각각 분리막(A, K)으로 분리되는 양극(K)과 음극(A)을 구비한 복수의 평판 전기화학 전지(2)를 갖는 에너지 저장 조립체(1)에 있어서,
    상기 양극(K)은 적어도 리튬 전이금속 산화물 계열의 이상(two-phase) 활성물질을 포함하고,
    상기 음극(A)은 상기 음극(A)이 적어도 0.7V의 총 이동 거리(total travel)를 가진 개방 회로 전압 곡선과 변곡점이 없는 급격한 전압 방전 곡선을 갖도록 하는 적어도 그러한 물질을 포함하는
    에너지 저장 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 음극(A)은 적어도 흑연보다 높은 격자 무질서(lattice disorder)를 갖는 난흑연화성 탄소를 포함하는
    에너지 저장 조립체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    각각의 상기 전기화학 전지(2)는 상기 전기화학 전지(2)를 서로 전기적으로 연결하는 한 쌍의 전극들(A, K)을 포함하는
    에너지 저장 조립체.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지들(2)은 직렬로 연결되는
    에너지 저장 조립체.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지들(2)은 병렬로 연결되는
    에너지 저장 조립체.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 전지들(2)은 병렬-직렬로 연결되는
    에너지 저장 조립체.
  15. 제 9 항에 따른 에너지 저장 조립체(1)에서 공급되는 전원으로 구동되는 구동 모터를 구비한 전기 차량.
  16. 구동 모터와 내연 엔진을 구비한 하이브리드형 전기 차량에 있어서, 상기 구동 모터가 제 9 항에 따른 에너지 저장 조립체(1)에서 공급되는 전원으로 구동되는
    하이브리드형 전기 차량.
  17. 차량 전원 공급 시스템 내의 다른 에너지 저장 장치와 별도로 또는 함께 인 일차적 또는 이차적 에너지 저장 장치로서의 제 9 항에 따른 에너지 저장 조립체의 용도.
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