KR20100098560A - 비수 전해질 2차 전지 - Google Patents

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Abstract

양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 리튬 이온 2차 전지에 있어서, 저온 환경 하에서 높은 출력 특성을 나타내는 비수 전해질 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 양극 활물질이, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 함유하고, 상기 음극 활물질이, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 함유하며, 상기 세퍼레이터가 무기 입자를 함유하는 비수 전해질 2차 전지를 이용한다.

Description

비수 전해질 2차 전지{NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY}
본 발명은 비수 전해질 2차 전지에 관한 것이고, 특히, 저온 환경 하에서 높은 출력 특성을 나타내는 비수 전해질 2차 전지에 관한 것이다.
산업용 기기 또는 업무용 기기의 백업 전원이나 자동차의 스타터용 전원으로서 납축 전지가 널리 이용되고 있다.
최근, 백업 전원에 이용되고 있는 납축 전지를 니켈 수소 전지나 리튬 이온 2차 전지로 치환하기 위한 개발이 활발화되고 있다. 납축 전지를 니켈 수소 전지나 리튬 이온 2차 전지로 치환함으로써, 고 에너지 밀도화에 의한 전원의 소형화나, 납을 이용하지 않는 것에 의한 환경 부하의 저감이 기대된다.
현재, 자동차의 스타터용 전원으로서 이용되고 있는 납축 전지를 니켈 수소 전지나 리튬 이온 2차 전지로 치환하는 움직임은 활발하지 않다. 그러나, 자동차의 스타터용 전원으로서도 납을 함유하지 않는 환경 부하가 작은 전지로 치환하는 것은 환경 부하를 저감할 수 있는 점에서 바람직한 것이다. 자동차의 스타터용 전원으로서 이용하는 경우에는, 니켈 수소 전지보다도 경량인 리튬 이온 2차 전지가 보다 유망하다.
자동차의 스타터용 전원으로서 이용될 수 있는 4V급 리튬 이온 2차 전지를 구성할 수 있는 양극 활물질로서는 LiCoO2가 알려져 있다. 그러나, 자동차용 전지와 같은 대형 2차 전지에 이용하는 경우에 있어서는, 비싼 코발트는 양산화에 적합하지 않다.
또한, 양극 활물질로서 LiCoO2를 이용하고 음극 활물질로서 흑연을 이용한 것과 같은 종래의 일반적인 리튬 이온 전지의 작동 전압은 3.7V이며, 이를 3개 직렬로 한 경우에는 11.1V, 4개 직렬로 한 경우에는 14.8V가 얻어진다. 이 경우, 납축 전지의 동작 전압 범위는 12V이기 때문에, 일반적인 LiCoO2-흑연계 리튬 이온 전지의 조(組)전지에서는 납축 전지의 동작 전압 범위에 적합시킬 수 없었다.
그래서, 이러한 코발트 대신에 저렴한 망간을 구성 요소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로서 이용하고, 또한 조전지로서 납축 전지의 동작 범위에 적합시키기 위해 음극 활물질로서 환원 전위가 높은 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 리튬 이온 2차 전지가 개발되고 있다. 양극 활물질로서 LiCoO2를 이용하고, 음극 활물질로서 예컨대 Li4Ti5O12와 같은 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 리튬 이온 2차 전지의 작동 전압은 2.5V이기 때문에, 5개 직렬함으로써 12.5V의 작동 전압이 얻어지므로, 납축 전지의 동작 전압 범위에 적합시킬 수 있다.
이러한 리튬 이온 2차 전지로서는, 예컨대 비특허문헌 1에, 양극 활물질로서 스피넬(spinel)형 구조의 리튬 망간 복합 산화물(Li1 .1Al0 .1Mn1 .8O4)을 이용하고, 음극 활물질로서 스피넬형 구조의 리튬 타이타늄 복합 산화물(Li4 /3Ti5 /3O4)을 이용한 리튬 이온 2차 전지가 개시되어 있다.
또한, 예컨대 특허문헌 1에는, Li1+xMyMn2-x-yO4-z(M은 타이타늄, 바나듐, 크로뮴, 철, 코발트, 니켈, 아연, 구리, 텅스텐, 마그네슘, 알루미늄으로부터 선택되는 1종 이상, 0≤x≤0.2, 0≤y<0.5, 0≤z<0.2)로 표시되고, CuKα선을 이용한 분말 X선 회절법에 의한 (400) 회절 피크의 반치폭이 0.02θ 이상 0.1θ 이하(θ는 회절각)이며, 1차 입자의 형상이 팔면체를 이루는 리튬 망간 복합 산화물로 이루어진 양극 활물질이 개시되어 있다. 그리고, 이러한 양극 활물질을 포함하는 양극과, LiaTibO4(0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5)로 표시되는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 음극 활물질로서 포함하는 음극을 구비하는 전지가 제안되어 있다.
자동차의 스타터용 전원이나 백업 전원의 분야에 이용되고 있는 납축 전지를 리튬 이온 2차 전지 등의 비수 전해질 2차 전지로 치환할 경우, 고출력 특성이 요구된다. 특히, 자동차의 스타터용 전원으로서 이용하는 경우, 한랭지에서도 사용되는 것을 고려하면 저온 환경 하에서의 고출력 특성이 중요하게 된다.
비특허문헌 1 및 특허문헌 1에 개시된 바와 같은, 양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 리튬 이온 2차 전지는 저온 환경 하에서의 출력 특성이 낮다는 문제가 있었다.
일본 특허공개 2001-210324호 공보
T. Ohzuku 등 저, Chemistry Letters, 35, 848-849 (2006)
본 발명은, 양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 리튬 이온 2차 전지로서, 저온 환경 하에서 높은 출력 특성을 나타내는 비수 전해질 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 국면은, 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어진 전극군과, 비수 전해질을 구비하는 비수 전해질 2차 전지로서, 상기 양극 활물질이, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 함유하고, 상기 음극 활물질이, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 함유하며, 상기 세퍼레이터가 무기 입자를 함유하는 비수 전해질 2차 전지에 관한 것이다.
본 발명의 목적, 특징, 국면 및 이점은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 보다 명백해진다.
도 1은 본 실시형태의 비수 전해질 2차 전지의 일 실시형태인 원통형 전지의 부분 단면도를 나타낸다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내지만, 본 발명은 본 실시형태에 의해 조금도 한정되지 않는다.
본 발명자들은, 양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 비수 전해질 2차 전지가 저온 환경 하에서 낮은 출력 특성을 나타내는 원인을 예의 검토한 결과, 세퍼레이터에 무기 입자를 함유시킴으로써, 양극 또는 음극의 전하 이동 저항을 저하시켜 저온 환경 하에서의 출력 특성을 개선할 수 있음을 발견했다. 이에 의해 본 발명에 도달했다.
본 발명에 따른 본 실시형태의 비수 전해질 2차 전지는, 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어진 전극군과, 비수 전해액을 구비하는 비수 전해질 2차 전지로서, 상기 양극 활물질이, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 함유하고, 상기 음극 활물질이, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 함유하며, 상기 세퍼레이터가 무기 입자를 함유하는 것이다.
먼저, 양극에 관하여 설명한다.
양극은, 양극 집전체 표면에 양극 활물질을 함유하는 양극 합제층이 형성되어 이루어지는 것이다. 그리고, 양극 활물질로서, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 함유하는 것이다. 이러한 양극은, 양극 집전체 상에, 양극 합제를 액체 매체 중에 분산시킨 양극 합제 페이스트를 도포 및 건조한 후, 압연하는 방법이나, 양극 합제를 압착한 후, 압연하는 방법 등에 의해 얻어진다. 양극 합제는 양극 활물질, 도전제 및 결착제를 함유한다.
양극 활물질로서 이용되는 리튬 망간 복합 산화물로서는, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 복합 산화물이면 특별히 한정되지 않는다. 그 구체예로서는, 예컨대 하기 화학식 (1) 또는 (2)로 표시되는 바와 같은 복합 산화물 등을 들 수 있다.
하기 화학식 (1)로 표시되고, 또한 층 구조를 갖는 복합 산화물.
Li1 ±α[Me]O2···(1)
(화학식 (1) 중, 0≤α<0.2이며, Me는 철, 코발트, 니켈, 타이타늄 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과 망간을 포함하는 전이금속)
하기 화학식 (2)로 표시되고, 또한 스피넬 구조를 갖는 복합 산화물.
Li1 ±α[Me]2O4···(2)
(화학식 (2) 중, 0≤α<0.5이며, Me는 철, 코발트, 니켈, 타이타늄 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과 망간을 포함하는 전이금속)
한편, 화학식 (1) 또는 화학식 (2) 중의 상기 α는 입자 성장을 제어하기 위해 조정되는 인자이다. 즉 1±α의 값이 작은 경우에는, 합성시의 입자 성장이 억제되기 때문에, 전체 입자의 총량으로서 표면적이 커지는 경향이 있다. 한편, 1±α의 값이 큰 경우에는, 합성시의 입자 성장이 촉진되기 때문에, 전체 입자의 총량으로서 표면적이 작아지는 경향이 있다.
이와 같이, 리튬의 조성비를 조정함으로써 입자 직경을 제어할 수 있다.
상기 양극 활물질 중에서도, Li1±xNi1/2Mn1/2O2(x≤0.1), Li1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≤0.1), Li1±xMn2O4(x≤0.1), Li1±xAl0.1Mn1.8O4(x≤0.1), Li1±xNi2/3Mn4/3O4(x≤0.1)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 화학식 (1) 또는 화학식 (2) 중의 [Me]의 일부를, 알루미늄, 마그네슘, 스트론튬, 칼슘, 이트리븀, 세륨 및 이트리븀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 치환한 것은, 안전성이 높은 점에서 특히 바람직하다.
화학식 (1) 또는 화학식 (2)로 표시되는 바와 같은 리튬 망간 복합 산화물의 제조 방법의 구체예를 이하에 나타낸다.
예컨대, 목적으로 하는 조성의 양극 활물질을 구성하기 위한 원소를 포함하는 산화물, 수산화물 및/또는 탄산염 등을, 소정의 조성이 되도록 혼합한 후, 소성하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 이 방법에 의하면, 각 산화물, 수산화물 및/또는 탄산염 등의 입자 직경을 맞추는 것이나, 반응을 균일하게 하기 위해 충분히 혼합하는 것이 필요하다.
또한, 다른 제조 방법으로서, 목적으로 하는 조성의 양극 활물질을 구성하기 위한 원소 조성이 되도록, NiSO4·6H2O 등의 니켈 화합물, CoSO4·7H2O 등의 코발트 화합물, MnSO4·5H2O 등의 망간 화합물, 그 밖의 전이금속 화합물 등의 수용액에 수산화리튬 등의 용액을 적하함으로써 수산화물 또는 탄산염으로서 공침물(共沈物)을 공침시킨 후, 공침물을 여과, 건조 및 분쇄하고, 분급함으로써 얻어진다. 이 방법에 의하면, 균일하게 분산되기 어려운 니켈이나 망간이 미리 입자 내에 균일하게 분산되기 때문에 합성이 비교적 용이하다. 후술하는 실시예에서는, 수산화물로서 공침시킨 리튬 망간 복합 산화물을 이용했다. 또한, 리튬원으로서는 수산화리튬을 이용했다. 소성시에는, 펠릿 형상으로 성형함으로써 반응을 촉진시킬 수도 있다.
양극의 양극 합제층 중에는, 양극의 도전성을 높이기 위해 도전재가 함유되는 것이 바람직하다.
도전재로서, 구성된 비수 전해질 2차 전지의 충방전시에 화학 변화를 일으키기 어려운 전자 전도성 재료가 특별히 한정 없이 이용될 수 있다. 이러한 도전재의 구체예로서는, 예컨대 천연 흑연(인편상(鱗片狀) 흑연 등) 및 인조 흑연 등의 흑연류; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 써멀 블랙 등의 카본 블랙류; 탄소 섬유 및 금속 섬유 등의 도전성 섬유류; 불화 카본; 구리, 니켈, 알루미늄 및 은 등의 금속 분말류; 타이타늄산칼륨 등의 도전성 위스커류; 산화아연, 산화타이타늄 등의 도전성 금속 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 이용하여도, 2종 이상을 조합하여 이용하여도 좋다. 이들 중에서는, 인조 흑연, 아세틸렌 블랙, 니켈 분말이 특히 바람직하게 이용된다.
도전재의 배합 비율은 특별히 한정되지 않지만, 양극 합제층 중에 1∼50질량%, 나아가서는 1∼30질량% 함유되는 것이 바람직하다. 특히, 흑연류나 카본 블랙류를 이용하는 경우에는, 2∼15질량%인 것이 바람직하다.
또한, 양극 합제층 중에는 결착제가 함유된다. 결착제는, 구성된 비수 전해질 2차 전지의 충방전시에 화학 변화를 일으키기 어려운 것이 바람직하다. 따라서, 분해 개시 온도가 200℃ 이상인 폴리머가 바람직하게 이용된다. 이러한 결착제의 구체예로서는, 예컨대 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화바이닐리덴(PVDF), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬바이닐에터 공중합체(PFA), 불화바이닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화바이닐리덴-클로로트라이플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE 수지), 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(PCTFE), 불화바이닐리덴-펜타플루오로프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트라이플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 불화바이닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체 및 불화바이닐리덴-퍼플루오로메틸바이닐에터-테트라플루오로에틸렌 공중합체 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 이용하여도, 2종 이상을 조합하여 이용하여도 좋다. 이들 중에서는, 폴리불화바이닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 바람직하게 이용된다.
양극 집전체로서는, 구성된 비수 전해질 2차 전지의 충방전시에 화학 변화를 일으키기 어려운 전자 전도체이면 특별히 한정 없이 이용될 수 있다. 양극 집전체를 구성하는 재료의 구체예로서는, 예컨대 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 타이타늄, 여러 가지의 합금, 탄소 등 외에, 알루미늄이나 스테인레스강의 표면을 카본, 니켈, 타이타늄 또는 은으로 표면 처리한 복합 재료 등을 들 수 있다. 또한, 이들 재료의 표면을 산화 처리하거나 요철 부여 처리를 실시한 것이어도 좋다. 본 실시형태에 있어서는, 후에 상세히 설명하는 바와 같이, 양극 집전체 및 음극 집전체로서 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 알루미늄계 금속을 이용하는 것이 특히 바람직하다.
양극 집전체의 형상은 종래부터 비수 전해질 2차 전지에 이용되고 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 형상의 구체예로서는, 예컨대 호일, 필름, 시트, 네트, 펀칭된 것, 라스체, 다공질체, 발포체, 섬유군 및 부직포 등을 들 수 있다. 양극 집전체의 두께도 특별히 한정되지 않고, 예컨대 1∼500㎛인 것이 바람직하게 이용된다.
다음으로, 음극에 관하여 설명한다.
음극은, 음극 집전체 표면에 음극 활물질을 함유하는 음극 합제층이 형성되어 이루어지는 것이며, 음극 활물질로서, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 함유하는 것이다. 이러한 음극은, 음극 집전체 표면에, 음극 활물질, 결착제, 및 필요에 따라 배합되는 도전재 등을 액체 매체 중에 용해 또는 분산시켜 이루어진 슬러리를 혼련하여 이루어지는 음극 합제층 페이스트를 도포 및 건조한 후, 압연하는 방법이나, 음극 합제를 압착한 후, 압연하는 방법 등에 의해 얻어진다.
음극 활물질로서 이용되는 리튬 타이타늄 복합 산화물로서는, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 복합 산화물이면 특별히 한정되지 않지만, 스피넬 구조를 갖는 리튬 타이타늄 복합 산화물이 특히 바람직하게 이용된다.
리튬 타이타늄 복합 산화물의 구체예로서는, 예컨대 Li4Ti5O12, LixTiO2(0<x≤0.8) 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 특히 Li4Ti5O12가 바람직하게 이용된다.
Li4Ti5O12는 시판되는 리튬 이온 2차 전지의 음극 활물질로서 이용되고 있고, 시판품으로서 고품질의 것을 입수할 수 있다. 또한, 리튬 화합물인 탄산리튬 또는 수산화리튬 등과, 타이타늄원이 되는 산화타이타늄을 목적하는 재료 조성이 되도록 혼합하고, 대기 중 또는 산소 기류 중 등의 산화 분위기에서 800℃∼1100℃ 정도의 온도에서 소성함으로써 합성할 수도 있다.
음극 합제층 중에는, 음극의 도전성을 높이기 위해 필요에 따라 도전재가 배합된다. 도전재로서는, 양극에서 이용되는 것과 동일한 것이 이용될 수 있다. 도전재의 배합 비율은 특별히 한정되지 않지만, 통상, 음극 합제층 중에 0∼10질량%, 나아가서는 0∼5질량% 함유시키는 것이 바람직하다.
또한, 음극 합제층 중에는 결착제가 함유된다. 결착제로서는, 양극 합제층에 배합되는 결착제에 더하여, 스타이렌 뷰타다이엔계 고무(SBR) 등의 고무계 결착제도 바람직하게 이용될 수 있다.
음극 집전체로서는, 구성된 비수 전해질 2차 전지의 충방전시에 화학 변화를 일으키기 어려운 전자 전도체이면 특별히 한정 없이 이용될 수 있다. 음극 집전체를 구성하는 재료의 구체예로서는, 예컨대 알루미늄이나 Al-Cd 합금 등의 알루미늄 합금과 같은 알루미늄계 금속, 스테인레스강, 니켈, 구리, 타이타늄, 탄소 등 외에, 구리나 스테인레스강의 표면을 카본, 니켈, 타이타늄 또는 은으로 표면 처리한 것 등이 이용된다. 또한, 이들 재료의 표면을 산화 처리하거나 요철 부여 처리를 실시하거나 한 것이어도 좋다.
음극 집전체의 형상으로서는, 종래부터 비수 전해질 2차 전지의 음극에 이용되고 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 그 구체예로서는, 예컨대 호일, 필름, 시트, 네트, 펀칭된 것, 라스체, 다공질체, 발포체, 섬유군 및 부직포 등을 들 수 있다. 음극 집전체의 두께도 특별히 한정되지 않고, 예컨대 1∼500㎛인 것이 바람직하게 이용된다.
한편, 본 실시형태의 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 양극 집전체 및 음극 집전체 모두가 알루미늄계 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 알루미늄계 금속도 이용한 경우에는, 리튬 이온 2차 전지의 음극 집전체 재료로서 종래 일반적으로 이용되고 있었던 구리 등을 이용하는 경우와 비교하여 전지의 경량화 및 비용 절감을 도모할 수 있다.
음극 활물질로서 흑연을 이용한 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 전위가 리튬 금속에 대하여 0.2V 이하로 낮아, 알루미늄계 금속을 집전체에 이용할 수는 없었다. 이는, 음극의 흑연이 충방전되는 전위보다도 높은 전위에서 알루미늄계 금속이 리튬 이온과 반응을 개시하기 때문이다. 한편, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 음극의 충방전 전위가 1.55V로 높기 때문에, 그 전위 이하에서 반응하는 알루미늄계 금속을 집전체로서 이용할 수 있다.
또한, 음극 집전체로서 구리를 이용하는 경우, 심한 방전에 의해 음극의 전위가 상승한 경우에는 비수 전해질 중에 구리 이온이 용출되는 현상이 일어난다. 이 경우, 재충전시에 리튬의 삽입 반응보다도 먼저 구리가 음극 표면에 석출되어 리튬의 삽입 반응을 저해한다. 그리고, 이 경우에는, 음극 표면 상에 리튬이 침상(針狀) 결정의 형태로 석출된다. 이에 의해 전지의 안전성이 저하되거나, 사이클 수명의 저하가 야기되거나 하는 원인이 된다. 한편, 음극 집전체로서 알루미늄을 이용하는 경우에는, 금속 이온의 용출 및 재석출은 일어나지 않는다.
나아가, 음극 규제의 전지를 충전기에 접속하고 있을 때에 충전기가 고장난 경우, 전지가 과충전됨으로써 음극에 과잉의 리튬이 공급될 우려가 있다. 이때, 음극 집전체로서 구리를 이용한 경우에는, 음극 표면에 과잉의 리튬 금속이 침상 결정으로서 석출되게 된다. 이러한 침상 결정의 리튬 금속은 전지의 과충전 안전성을 저하시키게 된다. 한편, 음극 집전체로서 알루미늄계 금속을 이용한 경우에는, 알루미늄은 리튬을 흡장하는 능력이 높기 때문에, 과충전시에 리튬 금속이 음극 표면에 석출되지 않고 집전체에 리튬이 흡장된다. 따라서, 음극 집전체로서 알루미늄계 금속을 이용한 경우에는, 집전체에 전지의 과충전에 대한 안전 기구를 담당하게 할 수 있다.
이상, 양극 및 음극에 관하여 설명했지만, 양극 및 음극은 상기 구성에 한정되지 않고, 예컨대 집전체와 합제층의 밀착성, 도전성, 사이클 특성 및 충방전 효율 개량 등의 목적으로 집전체와 합제층 사이에 하도층(下塗層))을 개재시키거나, 합제층을 기계적 또는 화학적으로 보호할 목적으로 합제층 표면에 보호층을 형성하거나 하여도 좋다. 한편, 하도층이나 보호층은, 예컨대 결착제, 도전제 입자 및 도전성을 가지지 않는 무기 입자 등으로부터 형성된다.
다음으로, 세퍼레이터에 관하여 설명한다.
세퍼레이터는 비수 전해질 2차 전지의 세퍼레이터로서 이용하는 데 충분한 이온 투과도와 기계적 강도와 절연성을 구비하고, 또한 세퍼레이터 중에 무기 입자를 함유하는 다공질 박막, 직포 또는 부직포 등이면 특별히 한정 없이 이용된다.
한편, 세퍼레이터로서는, 단독 재료로 이루어진 단층의 것이어도 좋고, 셧다운(shutdown) 기능을 발휘시키기 위한 다공질 수지층과 같은 층이 적층된 것과 같은 다층의 것이어도 좋다. 한편, 셧다운 기능이란, 충방전시에 전지가 고온이 되었을 때에, 다공질 수지 박막의 관통 구멍을 열 용융에 의해 폐색시켜 이온 전도를 억제함으로써 줄(Joule) 열의 발생 등을 억제하는 기능이다.
이러한 무기 입자를 함유하는 세퍼레이터의 제조 방법의 일례를 이하에 설명한다.
먼저, 세퍼레이터를 형성하기 위한 수지를 유기 용매에 용해시킨 수지 용액을 조제한다. 그리고, 얻어진 수지 용액에 염화리튬 분말 등의 수용성 분말을 교반하면서 용해하고, 추가로 무기 입자를 교반하면서 첨가하여 무기 입자의 분산액을 얻는다. 그리고, 얻어진 무기 입자의 분산액을 소정의 두께로 기판 상에 도포한 후, 건조 처리함으로써 박막을 형성시킨다. 그리고, 얻어진 박막을 탕욕에 침지하여 상기 박막 중의 염화리튬 등의 수용성 물질을 용해 제거함으로써 미세한 구멍을 형성하고, 추가로 수세함으로써 무기 입자를 함유하는 다공질 박막이 형성된다.
상기 세퍼레이터를 형성하기 위한 수지의 구체예로서는, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀 수지나, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 아라미드, 폴리페닐렌 설파이드, 또는 폴리에터이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에터나이트릴, 폴리에터에터케톤, 폴리벤즈이미다졸 등의 하중 휨 온도가 200℃ 이상인 내열성 수지를 들 수 있다. 상기 폴리올레핀 수지는, 내구성이 우수하고, 또한 셧다운 기능을 발휘하기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 내열성 수지는 내부 단락 안전의 점에서 바람직하다. 한편, 하중 휨 온도는 ASTM-D648의 1.82MPa에서 측정했을 때의 온도이다.
이와 같이 형성된 세퍼레이터의 두께는 10∼300㎛이며, 바람직하게는 10∼40㎛, 더 바람직하게는 10∼30㎛, 특히 바람직하게는 15∼25㎛의 범위이다.
또한, 다른 제조 방법으로서는, 다음과 같은 방법을 들 수 있다. 소정량의 결착제와 무기 입자와 유기 용매를 함유하는 페이스트를 양극판 또는 음극판의 표면에 도포한 후, 용매를 건조 제거시켜 미세한 구멍을 형성시킨다. 이러한 방법에 의해, 양극 표면 또는 음극 표면에 접착 적층된 무기 입자를 함유하는 다공질 박막이 형성된다. 이러한 제조 방법에 의해 얻어지는 세퍼레이터는 형상 안정성이 우수한 점에서 바람직하다. 상기 결착제는 무기 입자끼리를 결착시킴과 동시에 세퍼레이터의 유연성을 확보하기 위한 성분이다.
이 방법에 있어서는, 세퍼레이터 중의 결착제의 함유 비율은 1∼50질량% 정도인 것이 바람직하다. 결착제의 비율이 지나치게 많은 경우에는, 무기 입자 사이의 간극에 의해 구성되는 세공이 적어지고, 지나치게 적은 경우에는 무기 입자끼리를 결착하는 결착력이 저하되기 때문에 무기 입자가 탈락될 우려가 있다.
상기 결착제로서는, 일반적으로 이용되고 있는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화바이닐리덴(PVDF), 스타이렌 뷰타다이엔계 고무(SBR), 폴리아크릴로나이트릴 단위를 포함하는 고무상 고분자 등을 예시할 수 있다. 특히 비수 전해질 2차 전지의 안전성의 관점에서 분해 개시 온도가 200℃ 이상이며, 극판에 유연성을 갖게 하기 위한 고무 탄성을 갖는 폴리아크릴로나이트릴 단위를 포함하는 고무상 고분자가 바람직하게 이용된다.
이와 같이 형성된 세퍼레이터의 두께는 1∼35㎛, 나아가서는 3∼25㎛의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 다른 제조 방법으로서는, 소정량의 결착제와 무기 입자와 유기 용매를 함유하는 페이스트를 부직포 또는 부직포의 표면에 도포한 후, 용매를 건조 제거시켜 미세한 구멍을 형성시킴으로써, 무기 입자를 함유하는 다공질 박막이 형성된다.
상기 부직포로서는, 0.1㎛ 이상의 평균 세공 직경을 갖고, 부직포를 구성하는 섬유의 직경이 1∼3㎛ 정도인 것이, 전지 특성의 관점에서 바람직하다. 또한, 가열한 캘린더 롤 처리에 의해 섬유끼리를 부분적으로 융착시킨 것 등은, 박형화 및 강도 향상에 효과적인 점에서 바람직하다.
또한, 다른 제조 방법으로서는, 미리 무기 입자를 함유시킨 수지를 멜트 블로우(melt blow)함으로써 무기 입자를 함유하는 섬유로부터 형성되는 부직포를 얻을 수 있다.
또한, 다른 제조 방법으로서는, 미리 형성된 미세한 구멍을 갖는 다공질 박막, 직포, 부직포의 표면에 무기 입자를 적량 뿌린 후, 그들을 형성하는 수지가 연화될 정도의 적절한 온도에서 프레스 가공함으로써 무기 미립자를 압착한다. 그리고, 무기 입자를 압착한 후, 압착되어 있지 않은 무기 미립자를 제거하기 위해 세퍼레이터에 기류를 내뿜거나, 또는 액 중에 침지하여 초음파 세정함으로써 무기 입자를 함유하는 세퍼레이터가 형성된다.
상기 무기 입자로서는, 구성된 비수 전해질 2차 전지의 충방전시에 화학 변화를 일으키기 어렵고, 망간 이온을 흡착하는 작용을 갖는 재료이면 특별히 한정 없이 이용된다. 그 구체예로서는, 예컨대 알루미나, 마그네시아, 타이타니아, 지르코니아, 실리카 등의 무기 산화물 입자나, 유리 분말, 마이카 위스커, 세라믹 미분말 등이 바람직하게 이용된다. 이들 중에서는, 알루미나, 마그네시아, 타이타니아, 지르코니아, 실리카 등의 무기 산화물 입자, 특히 알루미나, 마그네시아, 실리카가 망간 이온을 흡착하는 작용이 높은 점에서 바람직하게 이용된다. 상기 무기 입자는 단독으로 이용하여도, 2종 이상을 조합하여 이용하여도 좋다.
상기 무기 입자의 평균 입자 직경으로서는, 중앙 직경(median diameter)이 0.1∼5㎛, 나아가서는 0.2∼1.5㎛인 것이 세퍼레이터의 형상 안정성과 이온 전도성의 점에서 바람직하다. 상기 중앙 직경이 지나치게 큰 경우에는 이온 전도성이 저하되는 경향이 있고, 상기 중앙 직경이 지나치게 작은 경우에는 상기 무기 입자끼리의 결착성이 저하되어, 충분한 형상 안정성을 얻기 어려운 경향이 있다. 한편, 동일 종이고 중앙 직경이 상이한 무기 입자를 혼합하여 이용한 경우에는, 치밀한 다공질 박막이 형성되는 점에서 바람직하다.
세퍼레이터 중의 무기 입자의 함유 비율로서는, 0.1∼99질량%, 나아가서는 25∼75질량%인 것이 망간 이온을 흡착하는 효과를 충분히 발휘할 수 있는 점에서 바람직하다.
세퍼레이터의 공공률(空孔率)로서는, 30∼70%, 나아가서는 35∼60%의 범위인 것이 충분한 이온 전도성을 확보할 수 있는 점에서 바람직하다. 여기서 공공률이란, 세퍼레이터 부피에서 차지하는 구멍부의 부피비를 나타낸다.
다음으로, 비수 전해질에 관하여 설명한다.
비수 전해질로서는, 종래부터 리튬 이온 2차 전지의 비수 전해질로서 널리 이용되고 있는 비수 전해액이나 고체 전해질이 이용될 수 있다. 특히, 본 실시형태의 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용하고 있기 때문에, 후술하는 바와 같이 보다 넓은 범위의 비수 전해질의 선택이 가능하게 된다.
비수 전해액은 유기 용매와 상기 유기 용매에 용해된 리튬염 등의 용질로 구성된다.
비수 전해액에 이용되는 유기 용매로서는, 종래부터 리튬 이온 2차 전지의 비수 용매로서 이용되고 있는 것이면 특별히 한정 없이 이용된다. 유기 용매의 구체예로서는, 예컨대 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 뷰틸렌 카보네이트(BC) 및 바이닐렌 카보네이트(VC) 등의 환상 카보네이트; γ-뷰티로락톤(GBL) 등의 환상 카복실산 에스터; 다이메틸 카보네이트(DMC), 다이에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 다이프로필 카보네이트(DPC) 등의 비환상 카보네이트; 폼산메틸(MF), 아세트산메틸(MA), 프로피온산메틸(MP) 및 프로피온산에틸(MA) 등의 지방족 카복실산 에스터; 환상 카보네이트와 비환상 카보네이트를 포함하는 혼합 용매; 환상 카복실산 에스터를 포함하는 혼합 용매; 환상 카복실산 에스터와 환상 카보네이트를 포함하는 혼합 용매 등을 들 수 있다. 한편, 지방족 카복실산 에스터는 용매 중량 전체의 30% 이하, 보다 바람직하게는 20% 이하의 범위로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용하고 있기 때문에, 이하에서 설명하는 바와 같은 전위창이 좁은 유기 용매를 바람직하게 이용할 수 있다. 한편, 탄소 재료로 이루어지는 음극 활물질을 이용한 종래의 일반적인 리튬 이온 전지에서는 전위창이 좁은 유기 용매를 이용하는 것은 곤란했다.
비수 전해액에 이용되는 유기 용매는 전위창을 가지고 있다. 전위창은 내산화성 및 환원성의 척도이며, 전위창이 넓을수록 안정한 유기 용매라고 할 수 있다.
양극 활물질로서 코발트산리튬을 이용하고, 음극 활물질로서 탄소 재료를 이용한 것과 같은 종래의 일반적인 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 코발트의 충방전 전위인 4.25V 근방까지에 대한 내산화성과, 흑연의 충방전 전위인 0V 근방까지에 대한 내환원성이 필요하게 된다. 한편, 전위는 리튬 금속 기준이며, 이하의 설명에 있어서도 마찬가지이다. 따라서, 종래 일반적인 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 4.25V 근방 및 0V 근방을 전위창에 포함하지 않는 유기 용매는 이용하기 어려웠다.
4.25V 근방 및 0V 근방을 전위창에 포함하지 않는 유기 용매로서는, 락톤계 유기 용매나, 프로필렌 카보네이트를 들 수 있다. 이들은 염가이며, 또한 유전율이 크기 때문에 전해질을 용해시키는 능력이 높고, 나아가 내산화성도 우수한 유용한 용매이다. 또한, 트라이메틸 포스페이트(TMP)나 트라이에틸 포스페이트(TEP)는 소화(消火) 작용을 가져 안전성이 우수한 유기 용매이지만, 이들도 내환원성이 낮기 때문에 이용하는 것이 곤란했다. 음극 활물질로서 흑연을 이용한 리튬 이온 2차 전지에 이러한 유기 용매를 이용한 경우에는 내환원성이 낮고, 흑연의 충방전시에 분해되기 때문에 이용하는 것이 곤란했다.
예컨대, 음극으로서 Li4Ti5O12(Li[Li1 /3Ti5 /3]O4)를 이용한 비수 전해질 2차 전지의 경우에는, 음극측의 전위는 1.55V가 된다. 따라서, 유기 용매에 요구되는 내환원성의 레벨이 대폭 완화된다. 따라서, 흑연을 이용한 리튬 이온 2차 전지의 충방전시에 생기는, 음극 표면에서의 프로필렌 카보네이트 등의 용매의 분해가 발생하지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용하고 있기 때문에, 상술한 바와 같은 전위창이 좁은 유기 용매를 이용할 수 있다.
또한, 양극으로서 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 복합 산화물을 이용한 경우에는, 양극의 전위는 4.55V 이상 정도로까지 오르지만, 상술한 각 유기 용매의 내산화성은 5V 이상이기 때문에 그 사용에 문제는 없다. 또한, 내산화성이 우수한 설폴레인(SL), 메틸다이글림, 아세토나이트릴(AN), 프로피오나이트릴(PN), 뷰티로나이트릴(BN), 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라플루오로프로필에터(TFETFPE), 2,2,3,3-테트라플루오로프로필다이플루오로메틸에터(TFPDFME), 다이플루오로아세트산메틸(MDFA), 다이플루오로아세트산에틸(EDFA) 및 불소화 에틸렌 카보네이트 등도 적합한 용매라고 생각된다. 또한, 종래부터 사용되고 있는 다이메틸 카보네이트(DEC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 및 다이메틸 카보네이트(DMC) 등의 용매도, 점성이 높은 용매의 희석제로서 사용할 수 있다.
또한, EC는 유전율이 큰 용매이고 액의 안정성을 높이는 점에서 바람직한 유기 용매이다. 또한, EC의 수소를 불소화함으로써 얻어지는 불소화 EC는 내산화성이 높은 점에서 보다 바람직하다. 불소화 EC는, EC와 비교하여, 전지의 고온 보존시에 양극 표면에서의 EC의 분해에 의한다고 생각되는 CO2 가스의 발생을 억제하는 것 때문에 유용하고 생각되고 있다. 그러나, 음극 활물질에 탄소 재료를 이용한 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 불소화 EC는 환원 분해되기 때문에 이용하는 것이 곤란했다. 본 실시형태의 2차 전지에 있어서는, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용하기 때문에 불소화 EC를 이용할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용하는 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 종래의 비수 전해질 2차 전지와 비교하여 유기 용매의 선택 범위를 대폭 넓힐 수 있다.
비수 전해액에 이용되는 용질로서는, 종래부터 리튬 이온 2차 전지의 전해질로서 이용되고 있는 무기 음이온의 리튬염이나 유기 음이온의 리튬염 등이 특별히 한정 없이 이용된다. 그 구체예로서는, 예컨대 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiCF3SO2, LiAsF6, LiB10Cl10, 저급 지방족 카복실산리튬, 클로로보레인리튬, 사페닐붕산리튬이나, LiN(CF3SO2)(C2F5SO2), LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)(C4F9SO2) 등의 이미드류를 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 이용하여도, 2종 이상을 조합하여 이용하여도 좋다. 이들 중에서는, LiPF6를 함유하는 용질이 바람직하게 이용된다.
리튬염의 비수 용매에 대한 용해량은 특별히 한정되지 않지만, 0.2∼2mol/리터가 바람직하다.
또한, 비수 전해액의 첨가량은 특별히 한정되지 않고, 양극 활물질이나 음극 활물질의 양이나 전지의 크기에 따라서 적절히 조정된다.
비수 전해질 2차 전지에는 고체 전해질을 이용하여도 좋다. 본 실시형태의 비수 전해질 2차 전지에 있어서는 양극 및 음극의 부피 팽창이 작다. 따라서, 고체 전해질을 사용하는 데에 있어서 문제가 되는, 극판의 팽창 및 수축에 의한 극판과 고체 전해질의 계면 박리를 대폭 억제할 수 있다.
고체 전해질은 무기 고체 전해질과 유기 고체 전해질로 분류된다.
무기 고체 전해질로서는, Li의 질화물, 할로젠화물, 산소산염 등을 들 수 있다. 특히, 80Li2S-20P2O5, 비정질 물질인 Li3PO4-63Li2S-36SiS2, 44LiI-38Li2S-18P2S5 등의 황화물, Li2 .9PO3 .3N0 .46의 산화물이나 결정질 물질로서 Li3 .25Ge0 .25P0 .75S4의 황화물, La0 .56Li0 .33TiO3, Li1 .4Al0 .3Ti1 .6(PO4)3의 산화물 등이 바람직하게 이용된다. 나아가, LiF, LiBO2의 혼합 소결재를 사용함으로써 각 재료의 소결을 도모함과 동시에 접합 계면에 고체 전해질층을 형성시키는 방법 등도 바람직하게 이용된다.
또한, 유기 고체 전해질의 구체예로서는, 예컨대 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리포스파젠, 폴리아지리딘, 폴리에틸렌 설파이드, 폴리바이닐 알코올, 폴리불화바이닐리덴, 폴리헥사플루오로프로필렌 등이나 이들의 유도체, 혼합물, 복합체 등의 폴리머 재료를 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용하여도, 2종 이상을 조합하여 이용하여도 좋다. 이들 중에서는, 불화바이닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체나 폴리불화바이닐리덴과 폴리에틸렌 옥사이드의 혼합물이 특히 바람직하게 이용된다. 또한, 유기 고체 전해질에 비수 전해액을 함유시킨 겔 전해질도 바람직하게 이용된다.
다음으로, 비수 전해질 2차 전지의 구성에 관하여 설명한다.
도 1에, 비수 전해질 2차 전지의 일 실시형태인 원통형 전지의 부분 단면도를 나타낸다. 도 1에 나타내는 원통형 전지에 있어서는, 양극 및 음극이 세퍼레이터를 통해서 복수회 소용돌이 형상으로 권회(捲回)되어 얻어진 극판군(4)이, 전지 케이스(1) 내에 수납되어 있다. 그리고, 양극으로부터는 양극 리드(5)가 끌어내어져 봉구(封口)판(2)에 접속되고, 음극으로부터는 음극 리드(6)가 끌어내어져 전지 케이스(1)의 저부에 접속되어 있다. 전지 케이스나 리드판에는, 내(耐)유기전해액성의 전자 전도성을 가지는 금속이나 합금이 이용된다. 그 구체예로서는, 예컨대 철, 니켈, 타이타늄, 크로뮴, 몰리브덴, 구리, 알루미늄 등의 금속 또는 그들의 합금이 이용된다. 특히, 전지 케이스는 스테인레스강판, Al-Mn 합금판을 가공한 것, 양극 리드는 알루미늄이 바람직하다. 음극 리드의 재료로서는, 니켈이나 알루미늄이 바람직하게 이용된다. 또한, 전지 케이스에는, 경량화를 도모하기 위해 각종 엔지니어링 플라스틱, 또는 각종 엔지니어링 플라스틱과 금속을 조합한 것을 이용하는 것도 가능하다.
극판군(4)의 상하부에는 각각 절연 링(7)이 설치되어 있다. 그리고, 전해액을 주입하고, 봉구판을 이용하여 개스킷(3)을 통해서 전지 케이스를 밀봉한다. 이 때, 봉구판에 안전 밸브를 설치하여도 좋다.
또한, 종래부터 알려져 있는 여러 가지 안전 소자, 예컨대 과전류 방지 소자로서 퓨즈, 바이메탈, PTC 소자 등을 이용하여도 좋다. 또한, 안전 밸브 외에 전지 케이스의 내압 상승 대책으로서, 전지 케이스에 칼자국을 내는 방법, 캐스킷 균열 방법, 봉구판 균열 방법 또는 리드판과의 절단 방법을 이용할 수 있다. 또한, 충전기에 과충전이나 과방전 대책을 마련해 넣은 보호 회로를 구비시키거나, 또는 독립적으로 접속시켜도 좋다. 갭, 전지 케이스, 시트, 리드판의 용접법에 관해서는, 공지된 방법(예컨대, 직류 또는 교류의 전기 용접, 레이저 용접 또는 초음파 용접 등)을 이용할 수 있다. 또한, 봉구용 시일제로서는, 아스팔트 등의 종래부터 알려져 있는 화합물이나 혼합물을 이용할 수 있다.
전지의 형상으로서는, 코인형, 버튼형, 시트형, 원통형, 편평형, 각형 등 어느 형상이든 적용할 수 있다. 전지의 형상이 코인형이나 버튼형일 때는, 양극 합제나 음극 합제는 주로 펠릿의 형상으로 압축되어 이용된다. 그 펠릿의 두께나 직경은 전지의 크기에 따라 결정하면 좋다. 한편, 본 발명에 있어서의 전극의 권회체는 반드시 진원통형일 필요는 없고, 그 단면이 타원인 장원통형 또는 직사각형 등인 각기둥상의 형상이어도 상관 없다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명한다. 한편, 본 발명은 실시예에 의해 조금도 한정되지 않는다.
[실시예]
먼저, 본 실시예에서 이용한 실시예 전지 1A∼9T 및 비교예 전지 1U∼11Z의 제조에 관하여 설명한다.
<실시예 전지 1A>
(양극판의 제작)
Li1 .1Al0 .1Mn1 .8O4 3kg과, PVDF 용액(고형분 12질량%의 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액, 구레하화학(주)제 #1320) 1.5kg과, 아세틸렌 블랙 120g과, 적량의 NMP를 쌍완식 혼합기를 이용하여 교반함으로써 양극 합제층 페이스트를 제작했다. 얻어진 양극 합제층 페이스트를 20㎛ 두께의 알루미늄박으로 이루어진 집전체의 양면에 도포한 후, 건조하고, 추가로 총 두께가 160㎛가 되도록 압연하여 양극 합제층과 집전체의 적층체를 형성했다. 얻어진 적층체를 원통형 18650의 전지 케이스에 삽입 가능한 폭으로 절단함으로써 양극판이 얻어졌다.
(음극판의 제작)
Li4Ti5O12 3kg과, 상기 PVDF 용액 1.5kg과, 아세틸렌 블랙 120g과, 적량의 NMP를 쌍완식 혼합기를 이용하여 교반함으로써 음극 합제층 페이스트를 제작했다. 얻어진 음극 합제층 페이스트를 20㎛ 두께의 알루미늄박으로 이루어진 집전체의 양면에 도포한 후, 건조하고, 추가로 총 두께가 140㎛가 되도록 압연하여 양극 합제층과 집전체의 적층체를 형성했다. 얻어진 적층체를 원통형 18650의 전지 케이스에 삽입 가능한 폭으로 절단함으로써 음극판이 얻어졌다.
(알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막의 제작)
N-메틸피롤리돈 800g에, 아라미드 수지 섬유(하중 휨 온도 320℃ 이상의 3mm 절단 섬유, 도레이 듀퐁(주)제 KEVLAR) 200g을 80℃에서 용해시켜 수지 용액을 얻었다. 그리고, 얻어진 수지 용액에 염화리튬 분말(간토화학(주)제) 10g을 교반하면서 용해하고, 추가로 알루미나 분말(중앙 직경 0.3㎛) 0.2g(수지 성분에 대하여 0.1질량%)을 충분히 교반하면서 첨가하여 알루미나 입자 분산액을 얻었다. 다음으로, 60℃로 데워진 유리판 상에, 200㎛ 두께의 갭을 갖는 바 코터를 이용하여 상기 알루미나 입자 분산액을 도포한 후, 110℃의 건조로 중에서 3시간 건조 처리함으로써 백색 박막이 얻어졌다. 그리고, 상기 박막을 60℃ 증류수의 탕욕에 2.5시간 침지함으로써 박막 중의 염화리튬이 용해되었다. 그리고, 이 박막을 순수 세정함으로써 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막이 얻어졌다. 얻어진 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막의 두께는 30㎛였다.
(비수 전해질 2차 전지의 조립)
리드를 상기 양극판 및 상기 음극판 각각에 초음파 용접했다. 그리고, 상기 양극판과 상기 음극판을, 상기 무기 입자 함유 다공질 아라미드 박막(세퍼레이터)을 사이에 두고 적층한 후, 권회하고, 소정의 길이로 절단하여 전극군을 구성했다. 그리고, 원통형 18650의 전지 케이스에 상기 전극군을 수납하고, 추가로 EC·MEC 혼합 용매(부피 비율 1:3)에 LiPF6 1.5M을 용해시켜 이루어진 비수 전해액을 5g 첨가했다. 그리고, 전지 케이스를 봉구함으로써 원통형 18650 리튬 이온 2차 전지가 얻어졌다. 이를 실시예 전지 1A로 한다.
<실시예 전지 2A>
알루미나 분말(중앙 직경 0.3㎛) 970g과, 니폰제온(주)제 폴리아크릴로나이트릴 변성 고무 결착제 BM-720H(고형분 8중량%) 375g과, 적량의 NMP를 쌍완식 혼합기에 의해 교반함으로써 다공질 박막층 페이스트를 제작했다. 그리고, 실시예 전지 1A에서 이용한 것과 동일한 양극판의 양 표면에, 다공질 박막층 페이스트를 각각 30㎛의 두께로 도포한 후, 건조함으로써 양극판 표면에 다공질 박막층을 접착 적층했다. 한편, 상기 다공질 박막층은 세퍼레이터로서의 기능을 갖는다.
그리고, 다공질 박막층이 형성된 양극판, 및 실시예 전지 1A에서 이용한 것과 동일한 음극판 각각에 리드를 용착했다. 그리고, 상기 양극판과 상기 음극판을 적층한 후, 권회하고, 소정의 길이로 절단하여 전극군을 구성했다. 그리고, 얻어진 전극군을 이용한 것 이외에는, 실시예 전지 1A의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이를 실시예 전지 2A로 한다.
<실시예 전지 3A>
양극판 표면에 다공질 박막층을 형성하는 대신에 음극판 표면에 다공질 박막층을 형성한 것 이외에는, 실시예 전지 2A의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이를 실시예 전지 3A로 한다.
<실시예 전지 4A>
실시예 전지 1A에 이용한 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막과 두께가 다른 것 이외에는 동일한 구성인, 두께 5㎛의 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막을 제작했다.
그리고, 얻어진 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막의 한 면에, 셧다운층으로서, 두께 25㎛의 셧다운 기능을 갖는 폴리에틸렌·폴리프로필렌 복합 필름(셀가드(주)제 2300(셧다운 온도: 120℃), 이하, PE·PP 박막이라고도 부름)을 포개고, 90℃로 가열한 열 롤 프레스기로 프레스 접착함으로써, 셧다운층과 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막이 적층되어 이루어진 두께 30㎛의 세퍼레이터를 제작했다.
실시예 전지 1A에서 이용된 세퍼레이터 대신에 이 세퍼레이터를 이용한 것 이외에는, 실시예 전지 1A의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이를 실시예 전지 4A로 한다.
<실시예 전지 5A, 6A>
전지의 조립 공정에 있어서 양극판과 음극판을, PE·PP 박막을 사이에 두고 권회한 것 이외에는, 실시예 전지 2A, 3A 각각의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이들을 각각 실시예 전지 5A, 6A로 한다.
<실시예 전지 7A, 8A>
PE·PP 박막 대신에, 폴리프로필렌 섬유로 이루어지는 두께 30㎛의 부직포(평균 세공 직경: 0.3㎛, 섬유 직경: 2㎛, 이하, PP 부직포라고도 부름)를 이용한 것 이외에는, 실시예 전지 5A, 6A 각각의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이들을 각각 실시예 전지 7A, 8A로 한다.
<실시예 전지 9A>
알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막 대신에, 하기에 나타내는 알루미나 입자 함유 폴리프로필렌 부직포를 이용한 것 이외에는, 실시예 전지 1A의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이를 실시예 전지 9A로 한다. 한편, 알루미나 입자 함유 폴리프로필렌 부직포는 다음과 같이 하여 제작되었다.
실시예 전지 2A의 제조에 이용한 다공질 박막층 페이스트를, 폴리프로필렌 섬유로 이루어지는 두께 25㎛의 부직포(평균 세공 직경: 0.7㎛, 섬유 직경: 2㎛)의 양면에 각각 5㎛씩 도포함으로써 함침시킨 후, 건조시킴으로써 알루미나 입자 함유 폴리프로필렌 부직포가 얻어졌다. 얻어진 알루미나 입자 함유 폴리프로필렌 부직포의 ICP 발광 분석에 의해 확인한 알루미나 함유량은 0.5질량%였다.
<실시예 10A>
알루미나 분말의 첨가량을 0.2g(0.1질량%)으로 하는 대신에, 알루미나 분말의 첨가량을 0.1g(0.05질량%)으로 대체하여 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막을 제작한 것 이외에는, 실시예 전지 1A의 제작과 동일한 방법에 의해 2차 전지가 얻어졌다. 이를 실시예 전지 10A로 한다.
<실시예 1B∼9B>
양극 활물질을 LiNi1 /2Mn1 /2O2로 한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1B∼9B가 얻어졌다.
<실시예 1C∼9C>
양극 활물질을 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2로 한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1C∼9C가 얻어졌다.
<실시예 1D∼9D>
양극 활물질을 Li1.1Mn2O4로 한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1D∼9D가 얻어졌다.
<실시예 1E∼9E>
양극 활물질을 LiNi2/3Mn4/3O4로 한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1E∼9E가 얻어졌다.
<실시예 1F∼9F>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, PC·MEC 혼합 용매(부피 비율 1:1)에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1F∼9F가 얻어졌다.
<실시예 1G∼9G>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, TMP 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1G∼9G가 얻어졌다.
<실시예 1H∼9H>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, SL에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1H∼9H가 얻어졌다.
<실시예 1I∼9I>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, AN에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1I∼9I가 얻어졌다.
<실시예 1J∼9J>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, PN에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1J∼9J가 얻어졌다.
<실시예 1K∼9K>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, BN에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지가 1K∼9K가 얻어졌다.
<실시예 1L∼9L>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, TFETFPE에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1L∼9L이 얻어졌다.
<실시예 1M∼9M>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, TFPDFME에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1M∼9M이 얻어졌다.
<실시예 1N∼9N>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, MDFA에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1N∼9N이 얻어졌다.
<실시예 1O∼9O>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, EDFA에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1O∼9O가 얻어졌다.
<실시예 1P∼9P>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, ETFEC(에틸 2,2,2-트라이플루오로에틸 카보네이트)에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1P∼9P가 얻어졌다.
<실시예 1Q∼9Q>
EC·MEC 혼합 용매에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액 대신에, DTFEC(다이-(2,2,2-트라이플루오로에틸)카보네이트)에 LiPF6 1.5M을 용해시킨 비수 전해액을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1Q∼9Q가 얻어졌다.
<실시예 1R∼9R>
알루미나 분말(중앙 직경 0.3㎛) 대신에 마그네시아 분말(중앙 직경 0.3㎛)을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1R∼9R이 얻어졌다.
<실시예 1S∼9S>
알루미나 분말(중앙 직경 0.3㎛) 대신에 유리 섬유(아사히 파이버 글라스(주)제 ZP150)를 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1S∼9S가 얻어졌다.
<실시예 1T∼9T>
알루미나 분말(중앙 직경 0.3㎛) 대신에 마이카 위스커(중앙 직경 0.3㎛)를 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1T∼9T의 제작과 동일한 방법에 의해 실시예 전지 1R∼9R이 얻어졌다.
<비교예 1U, 1V>
알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막을 제작할 때에 알루미나를 가하지 않은 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A, 1E의 제작과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 1U, 1V가 얻어졌다.
<비교예 1W, 1X>
알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막 대신에 25㎛의 폴리에틸렌·폴리프로필렌 복합 필름(셀가드(주)제 2300)을 사용한 것 이외에는, 각각 실시예 1A, 1E의 작성과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 1W, 1X가 얻어졌다.
<비교예 1Y∼9Y>
음극 활물질로서 Li4Ti5O12 대신에 인조 흑연 분말을 이용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 1Y∼9Y가 얻어졌다.
<비교예 10Y>
음극 활물질로서 Li4Ti5O12 대신에 인조 흑연 분말을 이용하고, 또한 알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막을 제작할 때에 알루미나를 가하지 않은 것 이외에는, 실시예 전지 1A의 제작과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 10Y가 얻어졌다.
<비교예 11Y>
알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막 대신에 25㎛의 폴리에틸렌·폴리프로필렌 복합 필름(셀가드(주)제 2300)을 사용한 것 이외에는, 실시예 전지 1A의 제작과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 11Y가 얻어졌다.
<비교예 1Z∼9Z>
양극 활물질로서 Li1 .1Al0 .1Mn1 .8O4 대신에 LiCoO2(코발트산리튬)를 이용한 것 이외에는, 각각 실시예 전지 1A∼9A의 제작과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 1Z∼9Z가 얻어졌다.
<비교예 10Z>
알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막을 제작할 때에 알루미나를 가하지 않은 것 이외에는, 비교예 전지 1Z의 작성과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 10Z가 얻어졌다.
<비교예 11Z>
알루미나 입자 함유 다공질 아라미드 박막 대신에 25㎛의 폴리에틸렌·폴리프로필렌 복합 필름(셀가드(주)제 2300)을 사용한 것 이외에는, 비교예 전지 1Z의 제작과 동일한 방법에 의해 비교예 전지 11Z가 얻어졌다.
[평가]
얻어진 각 실시예 전지 및 비교예 전지에 대하여, -18℃에서의 출력 특성 및 전하 이동 저항을 이하의 방법에 의해 평가했다. 결과를 표 1∼표 5에 나타낸다.
(출력 특성)
각 실시예 전지 및 비교예 전지를 이하에 나타내는 길들이기 충방전 패턴에 의해 길들이기 충방전을 2회 행하고, 그 후 40℃ 환경에서 2일간 보존했다. 그리고, 25℃ 환경 하에서, 1400mA의 정전류에서 전지 전압이 2.9V(3,6V, 4.2V 중 어느 하나)가 될 때까지 충전한 후, 그 전압에서 충전 전기량이 30mA로 내려갈 때까지 정전압 충전했다. 그리고, -18℃ 환경 하에서, 16A의 정전류에서 30초간 방전했을 때의 30초째에서의 전압을 측정했다. 한편, 종지 전압은, 직렬(4 직렬 또는 5 직렬)로 한 경우 납 전지의 동작 범위인 14.4∼10.2V 상당이 되도록 선택했다. 단, 비교예 전지 1W∼11W에 관해서는, 작동 전압 범위 밖이 되기 때문에, 리튬 이온 2차 전지의 통상적인 동작 범위인 4.2V∼3.0V의 범위로 충방전했다.
·길들이기 충방전 패턴
충전: 25℃ 환경 하에서, 400mA의 정전류에서 전지 전압이 2.9V, 3.6V, 4.2V 중 어느 하나가 될 때까지 충전한 후, 그 전압에서 충전 전기량이 50mA가 될 때까지 정전압 충전했다.
방전: 25℃ 환경 하에서, 400mA의 정전류에서 전지 전압이 2V가 될 때까지 방전했다.
(전하 이동 저항 측정)
전지 충방전 특성 평가 후의 각 실시예 전지 및 비교예 전지를 이용하여, -18℃ 환경 하에서, 2.9V, 3.6V, 4.2V 중 어느 하나의 충전 상태로 교류 임피던스법에 의해 구했다.
한편, 교류 임피던스 측정에는, 주파수 응답 애널라이저 solartron 1260 및 포텐쇼/갈바노스태트 solartron 1287(둘 모두 (주)도요테크니카제, 주파수 10KHz∼0.01Hz)을 이용했다. 한편, 양극판과 음극판의 시상수(時常數)가 비슷하기 때문에, 양극판과 음극판 중 어느 것의 전하 이동 저항이 저감되고 있는지는 분리할 수 없었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
표 1∼5로부터도 알 수 있는 바와 같이, 실시예 전지 1A∼9A, 1B∼9B, 1C∼9C, 1D∼9D, 1E∼9E, 1F∼9F, 1G∼9G, 1H∼9H, 1I∼9I, 1J∼9J, 1K∼9K, 1L∼9L, 1M∼9M, 1N∼9N, 1O∼9O, 1P∼9P, 1Q∼9Q, 및 1R∼9R, 1S∼9S 및 1T∼9T는, 상기 구성을 갖지 않는 비교예 전지 1U, 1V, 1W, 1X, 1Y∼11Y, 및 1Z∼11Z와 비교하여, 저온 환경 하에서의 전하 이동 저항의 값이 낮고, 또한 고율(高率) 방전시의 유지 전압이 높아지는 경향이 얻어졌다.
또한, 무기 입자(알루미나)의 첨가량을 0.1질량%보다 적은 0.05질량%로 한 실시예 전지 10A는, 비교예 전지 1U와 비교하여 전하 이동 저항이 약간 저감되는 정도이고, 고율 방전시의 유지 전압도 비교예 전지 1U와 동일한 정도였다.
본 발명의 일 국면은, 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어진 전극군과, 비수 전해질을 구비하는 비수 전해질 2차 전지로서, 상기 양극 활물질이, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 함유하고, 상기 음극 활물질이, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 함유하며, 상기 세퍼레이터가 무기 입자를 함유하는 비수 전해질 2차 전지에 관한 것이다.
상기 구성에 의해 저온 환경 하에서의 출력 특성이 향상되는 직접적인 이유는 현시점에서는 분명히는 되어 있지 않다. 그러나, 여러 가지 검토에 의해, 이하에 설명하는 바와 같이 양극 또는 음극의 충전 상태에 있어서의 전하 이동 저항의 크기가 영향을 주고 있음을 나타내는 현상을 발견했다.
리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로서 이용한 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 충방전시에 양극 활물질로부터 비수 전해질 중에 망간 이온이 용출된다. 이 경우에 있어서, 리튬 타이타늄 복합 산화물을 음극 활물질로서 이용한 경우에는, 망간은 음극 표면에 석출되지 않고 비수 전해질 중에 망간 이온으로서 존재한다. 이는, 망간의 석출 전위가 리튬 타이타늄 복합 산화물의 산화 환원 전위보다도 낮기 때문이다. 그리고, 본 발명자들은, 비수 전해질 중에 망간 이온이 존재하는 전지에 있어서, 세퍼레이터 중에 무기 입자를 함유시킨 경우, 충전 상태에서의 전극의 전하 이동 저항이 특이적으로 저감되는 것, 및 저온 하에서의 출력 특성이 향상되는 것을 발견했다. 한편, 음극 활물질로서 탄소 재료를 이용한 경우, 망간이 음극 표면에 석출되어 비수 전해질 중에는 망간 이온이 거의 존재하지 않게 된다. 이는, 망간의 석출 전위가 탄소 재료의 산화 환원 전위보다도 높기 때문이다. 그리고, 이 경우에는, 세퍼레이터 중에 무기 입자를 함유시키더라도, 4.2V의 충전 상태에서의 전극의 전하 이동 저항은 변하지 않고, 또한 저온 환경 하에서의 출력 특성은 약간 향상될 뿐이었다.
또한, 양극 활물질로서 코발트산리튬을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 비수 전해질 2차 전지에 있어서는, 세퍼레이터 중에 무기 입자를 함유시키더라도, 2.9V의 충전 상태에서의 전극의 전하 이동 저항은 변하지 않고, 저온 하에서의 출력 특성이 약간 향상되는 정도였다. 이는, 전해액 중에 망간 이온이 존재하지 않기 때문이라고 생각된다.
상술한 현상으로부터 추측하면, 양극 활물질로서 리튬 망간 복합 산화물을 이용하고, 음극 활물질로서 리튬 타이타늄 복합 산화물을 이용한 비수 전해질 2차 전지에 있어서, 세퍼레이터 중에 무기 입자를 함유시킨 경우에 저온 환경 하에서의 출력 특성이 향상되는 메커니즘은, 전해액 중에 용출된 망간 이온의 일부가 세퍼레이터 표면의 무기 입자에 흡착되어, 이러한 무기 입자가 전극 근방에 존재함으로써 전극 표면의 특성이 변화되고, 그 때문에 저온 환경 하에서의 전극 근방의 리튬 이온의 이동 속도가 증가한 것은 아닌가라고 생각하고 있다.
또한, 상기 세퍼레이터는, 상기 양극 및/또는 상기 음극의 표면에 형성된, 상기 무기 입자를 함유하는 다공질 박막층, 구체적으로는 상기 무기 입자를 결착제로 결합시켜 형성된 박막층인 것이 형상 안정성이 우수한 점에서 바람직하다.
또한, 상기 무기 입자가 무기 산화물 입자, 구체적으로는 알루미나 및/또는 마그네시아인 것이 망간 이온을 흡착하는 효과가 높은 점에서 바람직하다.
또한, 상기 양극이, 양극 집전체와, 상기 양극 집전체 표면에 형성된 상기 양극 활물질을 함유하는 양극 합제층으로 이루어지고, 상기 음극이, 음극 집전체와, 상기 음극 집전체 표면에 형성된 상기 음극 활물질을 함유하는 음극 합제층으로 이루어지며, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체가 알루미늄계 금속으로 이루어지는 것이 전지의 경량화 및 비용의 점에서 바람직하다.
또한, 상기 비수 전해질이, 전해질을 비수 용매에 용해시켜 이루어지는 것이고, 상기 비수 용매가, 프로필렌 카보네이트, 트라이메틸 포스페이트, 설폴레인, 아세토나이트릴, 프로피오나이트릴, 뷰티로나이트릴, 불소화 에터, 불소화 카복실산 에스터, 불소화 에틸렌 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것이, 비용, 전해질의 용해 능력, 안전성 등이 우수한 점에서 바람직하다.

Claims (7)

  1. 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어진 전극군과,
    비수 전해질을 구비하는 비수 전해질 2차 전지로서,
    상기 양극 활물질이, 리튬과 망간을 구성 원소로서 함유하는 리튬 망간 복합 산화물을 함유하고, 상기 음극 활물질이, 리튬과 타이타늄을 구성 원소로서 함유하는 리튬 타이타늄 복합 산화물을 함유하며, 상기 세퍼레이터가 무기 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 비수 전해질 2차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터가, 상기 양극 및/또는 상기 음극의 표면에 형성된, 상기 무기 입자를 함유하는 다공질 박막층인 비수 전해질 2차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 무기 입자를 함유하는 다공질 박막층이, 상기 무기 입자를 결착제로 결합시켜 형성된 박막층인 비수 전해질 2차 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 입자가 무기 산화물 입자인 비수 전해질 2차 전지.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 입자가 알루미나 및/또는 마그네시아인 비수 전해질 2차 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극이, 양극 집전체와, 상기 양극 집전체 표면에 형성된 상기 양극 활물질을 함유하는 양극 합제층으로 이루어지고, 상기 음극이, 음극 집전체와, 상기 음극 집전체 표면에 형성된 상기 음극 활물질을 함유하는 음극 합제층으로 이루어지며,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체가 알루미늄계 금속으로 이루어지는 것인 비수 전해질 2차 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비수 전해질이, 전해질을 비수 용매에 용해시켜 이루어지는 것이고,
    상기 비수 용매가, 프로필렌 카보네이트, 트라이메틸 포스페이트, 설폴레인, 아세토나이트릴, 프로피오나이트릴, 뷰티로나이트릴, 불소화 에터, 불소화 카복실산 에스터, 불소화 에틸렌 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 비수 전해질 2차 전지.
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