KR20110134246A - 2차 전원용 전극 및 이를 포함하는 2차 전원 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차 전원용 전극 및 이를 포함하는 2차 전원에 관한 것으로 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전원용 전극은 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질; 및전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층;을 포함하고 리튬 박막층의 리튬은 전극물질에 도핑된 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 리튬 이온의 균일하게 도핑되어 있는 전극을 포함하는 2차 전원을 제공할 수 있고, 상기 2차 전원은 장수명, 고용량, 고출력 특성을 나타낸다.

Description

2차 전원용 전극 및 이를 포함하는 2차 전원 {ELECTRODE FOR SECONDARY POWER AND SECONDARY POWER COMPRISING THEREOF}
본 발명은 2차 전원용 전극 및 이를 포함하는 2차 전원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬이 균일하게 도핑된 전극을 포함하는 2차 전원에 관한 것이다.
전기자동차(EV)나 엔진과 모터를 병용한 하이브리드차(HEV)가 개발되면서, 연비 개선을 위한 새로운 방법들은 에너지 용량과 출력을 만족시킬 수 있는 새로운 에너지 저장장치가 개발되었다. 특히 오늘날 전기자동차나 하이브리드 자동차용 에너지 저장장치로 언급되고 있는 것으로 2차 전지(Ni-MH battery, 리튬 이온 배터리(Li ion battery: LiB) 등)와 전기화학 캐패시터(슈퍼캐패시터)가 있다.
리튬 이온 배터리와 같은 2차 전지는 에너지 밀도가 높은 대표적인 에너지 저장장치이다. 그러나 2차 전지는 슈퍼캐패시터에 비해 출력 특성이 제한적이다. 이에 반해, 슈퍼 캐패시터는 고출력 전원이지만, 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮은 한계를 갖고 있다. 이러한 각각의 단점을 극복하기 위해 리튬 프리 도핑(Li pre-doping) 기술이 고안되었다. 이미 리튬 이온 캐패시터(LiC; Li ion capacitor)라는 슈퍼 캐패시터가 상용화되고 있으며, 리튬 이온 캐패시터는 기존의 전기 이중층 캐패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor) 타입의 슈퍼 캐패시터의 에너지 밀도를 3-4배 향상시키고 있다. 이런 슈퍼 캐패시터의 용도로는 앞에서 언급한 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 에너지 저장용 외에도, 태양광 및 태양열 발전, 풍력발전, 굴삭기 같은 건설기기용 중장비 등의 전원으로써 최근에 많이 적용이 되고 있거나 검토되고 있는 실정이다.
특히, 리튬 이온 캐패시터에서 가장 중요한 것은 바로 리튬을 프리 도핑 하는 방법이다. 얼마나 빨리, 균일하게 도핑 하느냐에 따라서 셀의 특성, 양산성 및 가격 경쟁력이 결정되기 때문이다.
종래의 리튬 프리 도핑 기술에서는, 메쉬(mesh) 도전성 시트를 함께 사용하였다. 메쉬 도전성 시트의 사용은 슬러리(slurry) 유동성을 발생시켜 전극의 두께 조절을 어렵게 하였고, 부족한 메쉬 도전성 시트의 장력으로 인하여 권취형 셀(winding type cell)을 제작하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 원하는 양의 리튬 이온이 균일하게 도핑된 2차 전원용 전극을 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전원용 전극은, 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질; 및 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층;을 포함하고 리튬 박막층의 리튬은 전극물질에 도핑된 것을 특징으로 한다.
상기 도전성 시트는 포일형 도전성 시트일 수 있다.
상기 도전성 시트 위에 도핑된 리튬은 0~0.15v OCP(open-circuit potential)의 도핑 레벨로 도핑될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 리튬 이온 캐패시터는 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질; 및 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층;을 포함하고, 리튬 박막층의 리튬은 전극물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 제1 전극; 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극; 및 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리하는 세퍼레이터;가 적층되어 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 권취형 리튬 이온 캐패시터는 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질; 및 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층;을 포함하고, 리튬 박막층의 리튬은 전극물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 제1 전극; 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극; 및 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리하는 세퍼레이터;가 권취되어 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2차 전원은 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질; 및 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층;을 포함하고 리튬 박막층의 리튬은 전극물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 제1 전극; 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극; 및 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리하는 세퍼레이터;를 포함한다.
상기 2차 전원은 리튬 이온 배터리일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전원용 전극은 권취형 셀과 같은 다양한 형태의 셀을 제작하는 데에 적합하며, 셀에는 리튬이 균일하게 원하는 정도로 도핑되어 있어, 셀 성능이 최적화된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전원은 출력 특성이 향상되거나, 에너지 밀도 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 적층형 리튬 이온 캐패시터 셀을 개략적으로 나타내는 단면도,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 적층형 리튬 이온 캐패시터의 음극을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 권취형 리튬이온 캐패시터 셀을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 3를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전원용 전극 및 이를 포함하는 2차 전원에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 적층형 리튬이온 캐패시터 셀을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 적층형 리튬 이온 캐패시터 셀(101)은 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 세퍼레이터(130)를 포함한다.
제2 전극(120)(이하, 본 발명의 일 실시예에서는 '음극'으로 상정하여 설명한다.)은 음극 도전성 시트(121)에 음극 전극 물질층(123)을 도포하여 형성된다. 상기 음극 전극 물질층(123)은 리튬 이온을 가역적으로 담지할 수 있는 물질을 사용할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면 그래파이트, 하드 카본 코크스 등의 탄소재료, 폴리아센계 물질(이하, PAS라고도 한다)등을 사용할 수 있다.
또한, 음극 전극 물질층(123)과 도전성 재료를 혼합하여 음극을 형성할 수 있고, 상기 도전성 재료는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 아세틸렌 블랙, 그래파이트, 금속 분말 등이 있다.
상기 음극 전극 물질층(123)의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 10 내지 100 μm로 형성될 수 있다.
상기 음극 도전성 시트(121)는 음극 전극 물질층(123)에 전기적 신호를 전달하고, 축적된 전하를 모으는 역할을 하는 것으로 금속박으로 이루어질 수 있다. 상기 금속박은 스테인레스, 동, 니켈, 티타늄 등으로 이루어질 수 있다.
도전성 시트(121) 형태로서는 메쉬(mesh) 도전성 시트, 포일(foil) 도전성 시트 등 유공성 또는 무공성 시트 형상 금속이 사용되고 있다.
음극을 제조하는 자세한 방법에 대해서는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 추후에 설명하기로 한다.
제1 전극(110)(이하, 본 발명의 일 실시예에서는 '양극'으로 상정하여 설명한다.)은 양극 도전성 시트(111)에 양극 전극 물질층(113)을 도포하여 형성된다. 상기 양극 전극 물질층(113)은 리튬 이온을 가역적으로 담지 가능한 물질을 사용할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 활성탄을 사용할 수 있고, 상기 활성탄과 도전성 재료 및 바인더를 혼합하여 양극을 형성할 수 있다.
상기 양극 전극 물질의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 10 내지 400μm로 형성될 수 있다.
상기 양극 도전성 시트(111)는 상기 음극 전극 물질층(113)에 전기적 신호를 전달하고, 축적된 전하를 모으는 도전성 시트 역할을 하는 것으로, 음극 도전성 시트와 마찬가지로 금속박으로 이루어질 수 있다. 상기 금속박은 알루미늄, 스테인레스, 티타늄 등으로 이루어질 수 있다.
상기 세퍼레이터(130, separator)는 이온의 투과가 가능하도록 다공성 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우 다공성 물질의 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 유리섬유 등을 들 수 있다.
하나의 음극(120), 세퍼레이터(130) 및 양극(110)을 캐패시터의 단위셀(100)을 형성하며, 복수개의 단위 셀이 적층되면 보다 높은 전기 용량을 얻을 수 있다.
종래 기술에서는 다수의 음극(120) 및 양극(110)을 적층한 후에 전해액을 함침하여 캐패시터를 제조하였다. 이 경우 리튬 이온을 도핑하기 위하여 적층셀에는 별도의 리튬 금속이 필요하였고, 별도의 전류를 인가할 필요가 있었다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 리튬 이온 캐패시터의 음극 제조 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극(1)을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 상기 음극(120)은 도전성 시트(111)에 전극 물질층(113)이 도포됨으로써 형성된다.
본 발명의 일 실시예의 경우, 상기 도전성 시트(111)로 포일 도전성 시트만 사용하여도 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 캐패시터의 제작이 가능하다. 메쉬는 셀 조립 후에 리튬 이온을 도핑하기 위하여 필요하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예의 경우 음극(120) 상태에서 리튬 이온의 도핑이 이루어지며, 리튬 박막층(140)을 활용하기 때문에 메쉬가 필요 없다. 메쉬가 없이도, 도전성 시트(111)에 리튬 박막층(140)에 의하여 고르게 리튬 이온이 고르게 도핑될 수 있다.
따라서, 포일 도전성 시트를 사용하므로 전극의 두께를 용이하게 조절할 수 있고, 권취형 등 다양한 형태의 셀 제작이 용이해진다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 박막층(140)이 증착되는 단계를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 본 발명의 일 실시예의 경우 도전성 시트(121)에 음극 전극 물질층(123)을 도포한 후에, Li을 증착하여 리튬 박막층(140)을 형성한다.
종래 기술에서는 리튬 이온을 도핑 함에 있어서, 전해액에 함침시키고 별도의 전기를 인가해야 도핑이 이루어졌다. 그러나 리튬 박막층(140)을 먼저 형성함으로써, 리튬이 먼저 전극 물질층(123)에 얇게 증착되어 있기 때문에, 전해액에 함침시키는 것만으로도 리튬 이온의 도핑이 이루어질 수 있다.
또한, 종래에는 리튬 이온 도핑을 위한 적층셀에 별도의 리튬 금속층이 필요하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예의 경우 리튬 박막층(140)이 증착되어 있으므로, 리튬 금속층을 배치하는 공정이 필요하지 않다. 따라서 종래 리튬 금속층으로 인하여 형성되었던 데드 볼륨(dead volume)을 감소시킬 수 있어 전극의 두께가 얇아져 캐패시터의 소형화가 가능해 진다.
더 나아가, 리튬 도핑에 필요한 리튬 금속의 양을 최적화 할 수 있고, 전체 도전성 시트에 걸쳐 리튬 도핑을 균일하게 할 수 있어 캐패시터의 에너지 밀도 및 사이클 특성이 향상된다.
실질적으로 리튬의 도핑을 위하여 필요한 양은 매우 작다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬은 진공 증착법에 의하여 적절한 양의 리튬 박막층을 형성할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온의 도핑 단계를 개략적을 나타내는 단면도이다.
종래 기술에서 리튬 이온 캐패시터의 경우 리튬 이온을 도핑하는 경우 전기 도금법(electroplating)을 이용하였다. 전기 음극과 리튬 금속 사이에 세퍼레이터를 두고, 전해액에 함침시켜 대향 배치하였다. 또한, 전기 음극과 금속 사이에 전류를 인가하여 금속에서 음극으로의 도핑을 유도하였다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑 공정을 나타내는 도면이다. 리튬이 증착된 음극을 전해액에 함침함으로써, 확산에 의하여 집전층(121)에 리튬 이온이 도핑되게 된다. 상기 전해액은 이에 한정되는 것은 아니나, 리튬염의 비프로톤성 유기용매 전해질 용액 등을 들 수 있다.
한편, 얇게 리튬이 증착되어 있기 때문에, 별도의 전력 인가 등의 공정이 필요 없이 확산에 의하여 리튬 이온의 도핑이 이루어 질 수 있다. 또한, 리튬 박막층이 균일하게 증착되어 있으므로, 음극 전체의 표면적에 대하여 균일하게 리튬 이온의 도핑이 이루어질 수 있고, 그 만큼 에너지 밀도 및 사이클 특성이 향상될 수 있다.
또한, 도핑되는 리튬 이온의 량을 모니터 유닛(150)에서 측정하여 도핑량을 최적화 할 수 있다. 도핑량의 최적화 하기 위하여, 도핑 레벨(doping level)이 0 ~ 0.15V 개방회로전위차(OCP; Open Circuit potential) 레벨로 유지되도록 모니터 하는 것이 바람직하다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 캐패시터의 단위셀(100)을 도시하는 개략적이 분해도 이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 캐패시터는 음극(120), 세퍼레이터(130) 및 양극(110)이 적층되어 하나의 단위셀(100)을 형성하게 된다. 그리고 복수의 단위셀(100)이 적층되어 도 1에 도시된 적층형 캐패시터 셀(101)을 형성하게 된다.
종래 기술에서는 상기 단위셀(100)을 적층하여 별도의 도핑 공정이 필요하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극에 리튬 이온이 도핑되어 있으므로 적층셀 전부를 함침할 필요가 없다. 따라서, 단위셀(100) 적층 후의 제조 공정이 매우 간단해진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 권취형 리튬 이온 캐패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2d의 단위셀(100)을 권취함으로써 권취형 리튬 이온 캐패시터를 형성한다. 본 발명의 일 실시예의 경우, 포일 도전성 시트를 사용하고, 리튬 박막층을 사용하여 별도의 리튬 금속층이 존재하지 않기 때문에, 전극의 두께가 얇고 형태가 자유로워진다.
본 발명의 일 실시예의 경우, 상기 도전성 시트는 포일 도전성 시트일 수 있다. 포일 도전성 시트의 사용으로 슬러리가 유동적이지 않아 전극 두께 조절이 용이해진다. 그리고 슬러리의 장력으로 인하여 권취형 셀의 제작이 용이해진다.
한편, 도전성 시트(111) 위에 양극 전극 물질(113)이 도포된 양극(110)을 준비하고, 세퍼레이터(130)를 준비한다. 상기 음극(120), 세퍼레이터(130) 및 양극(110)을 적층하여 셀을 만들고, 상기 셀들을 적층하거나 권취하여, 적층형 캐패시터 셀 또는 권취형 캐패시터 셀을 만든다.
본 발명의 일 실시예의 2차 전원 제조 방법에 따라서 제조된 리튬 이온 캐패시터는, 상기 언급한 바와 같이, 메쉬 도전성 시트가 사용되지 않아 권취형 등의 자유로운 형태의 셀 제작이 가능해지고, 데드 볼륨(dead volume)이 감소되며 리튬 도핑의 최적화로 에너지 밀도 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 리튬 포일을 삽입하는 공정을 배제할 수 있기 때문에, 셀 구조가 안정되고 단순해진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전원은 리튬 이온 캐패시터로 상정하였으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 다른 2차 전원에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다. 예를 들어, 일 예로 2차 전원은 리튬 이온 배터리 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서 상기 전극 제조 방법을 적용하여 리튬 이온 배터리를 제조할 수 있다. 리튬 이온 배터리는 제1 전극과 제2 전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 대향 배치하여 이루어진다. 종래 기술에서는 리튬 프리 도핑 공정이 실제 제조 공정과 상이하기 때문에 프리 도핑 공정을 활용하지 않았다. 그러나 본 발명의 일 실시예의 리튬 프리 도핑 기술은 LiB 제조 공정에 추가 공정으로서 적용이 가능하며, 음극 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 리튬 프리 도핑 기술은 음극 물질에 초기의 고체 전해질 계면(SEI; solid electrolyte interface)의 형성을 방지하여 Li 손실을 방지할 수 있고, 비표면적이 넓은 음극 사용을 극대화하여 LiB의 출력 특성을 극대화할 수 있다.

Claims (7)

  1. 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질; 및
    상기 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층;을 포함하고
    상기 리튬 박막층의 리튬은 상기 전극 물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 2차 전원용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 시트는 포일형 도전성 시트인 2차 전원용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 물질 위에 도핑된 리튬은 0~0.15v OCP(open-circuit potential)의 도핑 레벨로 도핑된 2차 전원용 전극.
  4. 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질 및 상기 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층을 포함하고,
    상기 리튬 박막층의 리튬은 상기 전극 물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리하는 세퍼레이터;
    를 포함하며, 적층된 형태인 리튬 이온 캐패시터.
  5. 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질 및 상기 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층을 포함하고,
    상기 리튬 박막층의 리튬은 상기 전극 물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리하는 세퍼레이터;
    를 포함하며, 권취된 형태인 리튬 이온 캐패시터.
  6. 도전성 시트 상에 형성된 전극 물질 및 상기 전극 물질 상에 형성되어 리튬을 제공하는 리튬 박막층을 포함하고
    상기 리튬 박막층의 리튬은 상기 전극 물질에 도핑된 것을 특징으로 하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 분리하는 세퍼레이터;
    를 포함하는 2차 전원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2차 전원은 리튬 이온 배터리인 것을 특징으로 하는 2차 전원.
KR1020100074733A 2010-06-08 2010-08-02 2차 전원용 전극 및 이를 포함하는 2차 전원 KR101153610B1 (ko)

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