KR20120102631A - 캐소드 전극 및 전기화학적 셀 - Google Patents

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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 활성 물질이 도포되거나 피복되어 있는 하나 이상의 캐리어를 포함하는 캐소드 전극에 관한 것으로, 상기 활성 물질은 스피넬 구조로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)로 된 혼합물을 포함한다. 본 발명은 또한 상기 캐소드 전극을 포함하는 전기화학적 셀, 및 하나 이상의 다공질 세라믹 물질을 포함하는 세퍼레이터에 관한 것이다.

Description

캐소드 전극 및 전기화학적 셀 {CATHODIC ELECTRODE AND ELECTROCHEMICAL CELL THEREFOR}
2009년 10월 14일에 출원된 우선권 특허출원 DE 10 2009 049 326호는 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 발명은 하나 이상의 활성 물질이 코팅 또는 피복되어 있는 하나 이상의 기재(substrate)를 포함하는 전기화학적 셀용 캐소드 전극(cathodic electrode)에 관한 것으로, 상기 활성 물질은 스피넬 구조로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물이다.
본 발명은 또한, 이러한 활성 물질을 가지는 캐소드 전극뿐 아니라, 애노드 전극(anodic electrode) 및 이들 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 세퍼레이터를 포함하는 전기화학적 셀에 관한 것이다.
상기 캐소드 전극, 또는 상기 전기화학적 셀은 바람직하게는 전지, 특히 높은 에너지 밀도 및/또는 높은 전력 밀도(power density)를 가진 전지(각각, "고전력 전지", "고에너지 전지"라고도 함)에 사용된다. 이러한 고에너지 및/또는 고전력 밀도를 가진 전지는 바람직하게는 전동 공구(power tool) 및 전기식 작동 차량, 예를 들면 하이브리드 구동부를 가진 차량에 사용된다. 리튬-이온 전지는 그러한 전지에 대한 예이다.
본 발명에 따르면, 캐소드 전극, 또는 전기화학적 셀은 바람직하게는 리튬-이온 셀 및 리튬-이온 전지에 사용된다. 또한 바람직하게는, 상기 리튬-이온 셀 및 리튬-이온 전지는 전동 공구 및 차량의 구동 시스템, 특히 완전히 또는 거의 전기식으로 작동되는 차량 또는 이른바 "하이브리드"로서 작동되는 차량, 즉 연소 기관과 함께 작동되는 차량에 사용된다. 연료 전지와 함께 이러한 전지의 용도는 정지형(stationary) 응용 분야에서의 용도와 아울러 본 발명에 포함된다.
전지 기술 분야에 있어서, 특히 리튬-이온 전지에 관하여, 각각의 계획된 용도를 위한 캐소드 전극 물질의 선택이 특히 적합하다고 일반적으로 알려져 있고 수긍된다. 따라서, 휴대용 전자 장치(통신 전자기기)에 사용하기 위한 활성 물질, 특히 리튬-코발트 산화물(예: LiCoO2), 리튬-망간 산화물(예: LiMn2O4) 또는 리튬(니켈) 코발트 알루미늄 산화물(NCA)이 알려져 있다. 그러나, 이러한 상용화되어 널리 사용되는 활성 물질은 전기 차량 또는 하이브리드 엔진이 장착된 차량에 적용하기에 꼭 적절한 것은 아니다.
원리상 전기화학적 셀 및 전동 공구, 전기적으로 작동되는 구동 차량 또는 하이브리드 엔진이 장착된 차량에 사용되는 전지용으로 사용될 수 있는 캐소드 전극용 활성 물질은 니켈, 망간 및 코발트와 함께 리튬의 복합 산화물이다(리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물, "NMC"). 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물은 안전상 이유에서 리튬-코발트 산화물에 비해 바람직하다. 또한, 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물은, 에너지 밀도를 고려할 때, 활성 물질로서 사용되는 리튬-폴리음이온 화합물, 예를 들면 LiFePO4에 비해 바람직하다("LiPF는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물보다 약 50% 낮은 에너지 밀도를 가지며, 이것은 비-정지형 응용에 특히 적합하다).
캐소드 전극용으로 바람직하게 사용되는 본 발명에 따른 활성 물질, 즉 리튬의 니켈-망간-코발트 복합 산화물(일부 문헌에서는 "NCM"으로 지칭되기도 함)은, 이 복합 산화물을 기재로 하는 캐소드 전극이 장시간 적용시 에이징으로 인한 열화를 나타낼 수 있다는 점에서 단점을 가질 수 있는 것으로 종종 생각된다.
캐소드 전극 물질로서 NMC의 감소된 안정성은, 캐소드 전극, 애노드 전극 및 세퍼레이터를 가진 전기화학적 셀에 관해 더 큰 층 두께를 가지는 세퍼레이터의 사용을 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 캐소드 전극용의 개선된 활성 물질을 제공하는 것이다. 상기 캐소드 전극용의 개선된 활성 물질은 보다 안전하고, 대등한 고에너지 및/또는 고전력 밀도 및/또는 에이징(작동 수명)에 관해 향상된 안정성을 가지는 이점을 가진다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 전기화학적 셀을 제공하는 것이다. 상기 개선된 전기화학적 셀은 상대적으로 작은 치수를 가지되, 향상된 작동 수명을 가지므로, 향상된 에너지 밀도 및/또는 전력 밀도를 가진다.
전술한 본 발명의 목적 및 그밖의 목적은 본 발명에 따라, 전기화학적 셀용 캐소드 전극이, 하나 이상의 활성 물질이 도포되거나 피복되어 있는 하나 이상의 기재를 포함하고, 상기 활성 물질은 스피넬 구조로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물인 캐소드 전극에 의해 달성된다.
상기 본 발명의 목적은 또한 본 발명에 따라, 하기 성분을 포함하는 캐소드 전극을 구비한 전기화학적 셀을 제공함으로써 달성된다:
ㆍ 하나 이상의 활성 물질이 도포되거나 피복되어 있는 하나 이상의 기재로서, 상기 활성 물질은 스피넬 구조로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물인 기재;
ㆍ 애노드 전극; 및
ㆍ 상기 전극들 사이에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 세퍼레이터.
상기 세퍼레이터는 바람지하게는 유기 기재 물질 상의 층으로서 적용되어 있는 하나 이상의 다공질 세라믹 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 캐소드 전극, 또는 상기 전기화학적 셀은 바람직하게는 전동 공구 및 하이브리드 엔진을 가지거나 연료 전지를 가지는 차량을 포함하여 전기식 작동 차량에 사용되는 전지에 사용된다.
"캐소드 전극"이라는 용어는, 소비자 부하에 연결될 경우에, 예를 들면 전기 모터의 작동시, 전자를 수용하는 전극을 의미한다. 따라서, 이러한 의미에서 캐소드 전극은 "양극"이다.
본 발명에 따른 캐소드 전극 또는 애노드 전극의 "활성 물질"은 리튬을 이온 형태, 금속 형태 또는 임의의 다른 중간체 형태로 혼입할 수 있는 물질이다. 특히, 활성 물질은 리튬을 격자 구조로 혼입할 수 있다("층간삽입(intercalation)"). 따라서, 활성 물질은 충전 및 방전시 일어나는 전기화학적 반응에서 "활성적으로" 참여한다(전극의 다른 존재가능한 성분들, 예를 들면 바인더, 안정화제 또는 기재와는 상반됨).
본 발명에 따른 캐소드 전극은 하나 이상의 활성 물질을 포함하고, 상기 활성 물질은, 스피넬 구조로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물이다.
상기 활성 물질은 캐소드 전극의 활성 물질의 총량에 대해(따라서, 활성 물질에 추가하여 전기 전도성 첨가제, 바인더, 안정화제 등을 포함할 수 있는 캐소드 전극 전체에 대해서가 아님) 30몰% 이상, 바람직하게는 50몰% 이상의 NMC 및 동시에 10몰% 이상, 바람직하게는 30몰% 이상의 LMO를 포함한다.
NMC와 LMO는 함께, 캐소드 전극의 활성 물질의 총량에 대해(따라서, 활성 물질에 추가하여 전기 전도성 첨가제, 바인더, 안정화제 등을 포함할 수 있는 캐소드 전극 전체에 대해서가 아님), 60몰% 이상, 보다 바람직하게는 70몰% 이상, 더욱 바람직하게는 80몰% 이상, 더 바람직하게는 90몰% 이상의 활성 물질을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 활성 물질은 본질적으로 NMC와 LMO로 구성되므로, 추가적 활성 물질을 2몰%보다 많은 양으로 함유하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 기재에 피복된 물질은 본질적으로 활성 물질인 것이 바람직하고, 이는 상기 물질의 총중량에 대해(따라서, 활성 물질에 추가하여 전기 전도성 첨가제, 바인더, 안정화제 등을 포함할 수 있는, 기재를 제외한 캐소드 전극 전체에 대해), 캐소드 전극의 기재 상에 피복된 물질의 80~95중량%, 보다 바람직하게는 86~93중량%가 상기 활성 물질임을 의미한다.
활성 물질로서 NMC 대 활성 물질로서 LMO의 중량부의 비에 관해서, 이 비가 9(NMC):1(LMO) 내지 3(NMC):7(LMO)인 것이 바람직하고, 여기서 7(NMC):3(LMO) 내지 3(NMC):7(LMO)인 것이 바람직하고, 6(NMC):4(LMO) 내지 4(NMC):6(LMO)인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따르면, 바람직한 활성 물질인 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC)과 하나 이상의 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물은 캐소드 전극의 더 높은 안정성을 가져오고, 특히 향상된 수명(사이클 수명)을 가져온다. 이에 관해 이론에 얽매이고 싶지 않지만, 그러한 개선은 순수한 NMC에 비해 망간 비율이 높은 데 기인하는 것으로 생각된다. 여기서, 상기 혼합물의 리튬-망간 산화물(LMO)에 비해 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC)의 고에너지 밀도 및 그밖의 이점들은 최대로 가능한 범위까지 유지된다. 시험 결과, 전술한 리튬-망간-코발트들의 복합 산화물의 혼합물은 250회의 충방전 사이클 후 용량에 있어서, 또는 온도 에이징 테스트에 있어서 거의 손실을 나타내지 않는 것으로 나타났다. 본래의 용량에 대해 80% 용량 한계는 25,000회의 완벽한 사이클 이전에 도달되지 않았다. 완전 충전된 상태에서 수행된 온도 에이징 테스트는 "순수한" NMC에 비해 우수한 안정성을 나타냈는데, 이는 12년보다 긴 수명을 나타내는 것이다. 온도 안정성도 향상되었다.
따라서, 캐소드 전극의 열 안정성이 높을수록 전기화학적 셀에 있어서 더 얇은 세퍼레이터층을 설계할 수 있게 되고, 여기서 감소된 고유 저항은 셀의 더 높은 에너지와 전력 밀도를 가져온다(캐소드 전극, 세퍼레이터 및 애노드 전극의 전기화학적 셀에 관한 이하의 구현예 참조).
코발트, 망간 및 니켈을 포함하는 복합 산화물, 특히 단상의 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물은 전기화학적 셀용으로 가능한 활성 물질로서 종래 기술로부터 알려져 있다(예를 들면, Ohzuku의 2001년도 과학 논문[T. Ohzuku et al., Chem. Letters 30 2001, 642~643페이지] 및 동 논문을 근거로 한 특허문헌 WO 2005/056480 참조).
일반적으로, 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물의 조성에 관해서 제한은 없지만, 이러한 산화물 이외의 산화물은 리튬에 추가하여, 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물 중에 전이 금속의 총량 기준으로 5몰% 이상, 바람직하게는 15몰% 이상, 보다 바람직하게는 30몰% 이상의 니켈, 망간 및 코발트를 함유해야 한다. 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물은, 전술한 Ni, Mn 및 Co의 최소 몰량이 존재하기만 하면 임의의 다른 금속, 특히 전이 금속으로 도핑될 수 있다.
다음과 같은 화학양론의 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물이 특히 바람직하다: Li[Co1/3Mn1/3Ni1/3]O2, 여기서 Li, Co, Mn, Ni 및 O의 양은 ±5% 만큼 변동될 수 있다.
본 발명에 따른 이러한 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물은 스피넬 구조로는 존재하지 않는다. 바람직하게는, 상기 복합 산화물은 "O3-구조"와 같은 층형 구조로 존재한다. 또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 이러한 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물은 충전 및 방전시 상 전환되어 스피넬 구조로 바뀌지 않는다(이는 5%를 초과하지 않음을 의미한다).
리튬-망간 산화물(LMO)은 스피넬 구조로 존재한다. 스피넬 구조의 본 발명에 따른 리튬-망간 산화물은, 산화물 중에 존재하는 전이 금속의 총량에 대해 전이 금속으로서 50몰% 이상, 바람직하게는 70몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90몰% 이상의 망간을 포함한다. 리튬-망간 산화물의 특히 바람직한 화학양론은 Li1+xMn2-yMyO4이고, 식에서 M은 하나 이상의 금속, 특히 하나 이상의 전이 금속이고, -0.5(바람직하게는 -0.1)≤x≤0.5(바람직하게는 0.2)이고, 0≤y≤0.5이다.
여기서 요구되는 "스피넬 구조"는 그것의 주된 대표물인, 무기질 "스피넬(마그네슘-알루미네이트, MgAl2O4)에 따라 명명되고 당업자에게 잘 알려져 있는 ABxX4 타입의 화합물에 대한 가장 공통적인 결정 구조이다. 상기 구조는 칼코게나이드(여기서는, 산소) 이온의 입방최밀충전(cubic closest packing; ccp)으로 구성되고, 여기서 4면체 또는 8면체 인터스티셜 사이트(interstitial site)를 (부분적으로) 금속 이온이 차지하고 있다. 스피넬은 문헌 예를 들면, Nazri/Pistoia(ISBN: 978-1-4020-7628-2)에 의해 간행된 "Lithium Batteries"의 Chapter 12에 리튬-이온 셀용 캐소드 물질로서 기재되어 있다.
순수한 리튬-망간 산화물은 예를 들면 LiMn2O4의 화학양론적으로 존재할 수 있다. 본 발명에 따라 사용되는 리튬-망간 산화물은 바람직하게는 변형되어 안정화되는데, 그것은 순수한 LiMn2O4가 특정한 조건 하에서는 스피넬 구조로부터 Mn-이온이 추출된다는 단점을 가지기 때문이다. 원칙적으로, 리튬-이온 셀의 작동 조건 하에서 얻고자 하는 수명 동안 리튬-망간 산화물이 안정적으로 유지되는 한, 리튬-망간 산화물의 안정화를 달성하는 방법에는 제한이 없다. 공지되어 있는 안정화 방법에 관해서, 예를 들면 특허문헌 WO 2009/011157, US 6,558,844, US 6,183,718 또는 EP 0 816 292를 참고할 수 있다. 이러한 간행 문헌에는 리튬-이온 전지의 캐소드 전극용 셀 활성 물질로서 스피넬 구조로 되어 있는 안정화된 리튬-망간 산화물을 이용하는 방법이 기재되어 있다. 특히 바람직한 안정화 방법은 도핑 및 코팅을 포함한다.
두 가지 활성 물질인 NMC와 LMO를 혼합하는 방법에 관해서는 제한이 없다. 물리적 혼합물(예; 에너지의 도입에 의한 입자 또는 분말의 혼합) 또는 화학적 혼합물(예; 기상 또는 액상, 예를 들면 분산액으로부터 조합된 퇴적물)이 바람직하고, 상기 두 활성 물질은 혼합 공정의 결과로서 균질한 혼합물로서 존재하는데, 이는 두 성분이 모두 물리적 수단이 아니면 분리된 상으로서 식별될 수 없음을 의미한다.
바람직한 혼합물은 균질한 분말 또는 페이스트 또는 분산액으로서 존재한다. 바람직한 구현예에 있어서, 상기 혼합물은 연속적으로 제조되고 적용되며, 또한 선택적으로는 사전 혼합 및 건조 없이 페이스트 압축에 의해 전극으로 컴팩팅(compacting)된다.
상기 혼합물에 관해서, 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물 및 리튬-망간 산화물은 각각 입자상 형태로, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 2㎛ 내지 40㎛, 더욱 바람직하게는 4㎛ 내지 20㎛의 평균 직경을 가지는 입자로서 존재한다. 상기 입자는 또한 1차 입자를 기재로 하여 구성되는 2차 입자일 수 있다. 전술한 평균 직경은 2차 입자에 관한 것이다.
두 가지 상, 특히 입자 형태로 된 두 가지 상의 균질하고 강렬한 혼합은 이 혼합물의 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물의 에이징에 대한 내성을 제공하는 유리한 효과에 기여한다.
다른 형태의 "혼합물", 예를 들면 기재 상의 교대형 퇴적층 또는 LMO를 이용하는 NMC-입자의 코팅도 가능하다.
본 발명에 따른 활성 물질은 기재 상에 "도포(applied)"된다. 이러한 기재 상에 활성 물질을 "도포"하는 방법에 관해서는 제한이 없다. 활성 물질은 페이스트 또는 분말로서 도포될 수 있고, 또는 기상 또는 액상으로부터, 예를 들면 분산액으로서 퇴적될 수 있다.
압출 방법이 바람직하다. 바람직하게는, 활성 물질은 페이스트 또는 분산액으로서 캐소드 전극에 직접 도포된다. 전기화학적 셀, 특히 애노드 전극 및 세퍼레이터의 다른 성분들과의 공압출(coextrusion)에 의해 라미네이트화 복합물이 제조된다(하기 압출물 및 라미네이트에 대한 설명 참조). 그러한 방법은, 예를 들면 EP 1 783 852에 개시되어 있다. "페이스트" 및 "분산액"이라는 용어는 상호 교환적으로 사용된다.
활성 물질은 그 자체로 기재에 도포되지 않고, 다른 비활성(리튬 혼입이 없는 것을 의미함) 성분들과 함께 도포되는 것이 바람직하다.
하나 이상의 활성 물질에 추가하여, 하나 이상의 바인더 또는 하나의 바인더 시스템, 즉 캐소드 전극의 성분(기재 없이)이 존재하는 것이 바람직하다. 상기 바인더는 SBR, PVDF, PVDF-호모- 또는 -코폴리머(예를 들면 Kynar 2801 또는 Kynar 761)일 수 있고, 또는 이것들을 포함할 수 있다.
캐소드 전극은 선택적으로, Aerosil 또는 Sipernat과 같은 안정화제를 포함한다. 이들 안정화제는 캐소드 전극의 기재에 도포되는 물질의 총중량 기준으로, 5중량% 이하, 바람직하게는 3중량% 이하의 중량비로 존재하는 것이 바람직하다.
이 안정화제가 이하에 기재된 바와 같이, 분말상 첨가제로서 하나 이상의 다공질 세라믹 물질, 특히 이하에 기재된 "Separion" 물질인 세퍼레이터를, 캐소드 전극의 기재에 도포되는 물질의 총중량 기준으로, 바람직하게는 1중량% 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1중량% 내지 2.5중량%의 중량비로 함유하는 것이 바람직하다. 이것은 이하에 기재된 바와 같이 하나, 특히 이상의 다공질 세라믹 물질을 포함하는 세퍼레이터 층을 가지는 전기화학적 셀에 관해서, 특히 안정적이고 확고한 셀을 제공한다.
또한, 하나 이상의 활성 물질에 추가하여(아울러, 필요할 경우에, 하나 이상의 바인더 또는 바인더 시스템 및/또는 하나 이상의 안정화제에 추가하여), 즉 캐소드 전극의 성분(기재 제외)으로서 하나 이상의 전기 전도성 첨가제가 존재하는 것이 바람직하다. 그러한 전기 전도성 첨가제는, 예를 들면 카본 블랙(Enasco) 또는 흑연(GS 6)을, 캐소드 전극의 기재에 도포되는 물질의 총중량 기준으로, 바람직하게는 1중량% 내지 6중량%, 보다 바람직하게는 1중량% 내지 3중량%의 중량비로 포함한다. 모든 이러한 구조적 물질, 특히 나노미터 범위의 구조적 물질 또는, 예를 들면 Bayer사의 "Baytubes®"와 같은 전도성 탄소-"나노튜브"가 도입될 수 있다.
앞에서 정의된 전극용, 특히 캐소드 전극용 활성 물질은 기재 상에 존재한다. 본 발명에 따르면, 하나 이상의 활성 물질, 특히 캐소드 전극용 하나 이상의 활성 물질을 지지하기에 적합해야 한다는 점 이외에는 기재 또는 기재의 물질에 관해서 제한은 없다. 또한, 상기 기재는 본질적으로, 셀 또는 전지의 작동중에, 특히 충전 및 방전중에 활성 물질에 대해 불활성, 또는 최대한의 범위까지 불활성이어야 한다. 기재는 균질할 수 있고, 또는 층형 구조이거나 층형 구조를 포함할 수 있고, 또는 복합 물질이거나 복합 물질을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 기재는 전자의 충전 또는 방전에 기여한다. 따라서, 기재의 물질은 바람직하게는 적어도 부분적으로 전기 전도성이고, 바람직하게는 전기 전도성이다. 이 구현예에 있어서, 기재의 물질은 바람직하게는 알루미늄이나 구리를 포함하고, 또는 알루미늄이나 구리로 구성된다. 기재는 바람직하게는 하나 이상의 전자 전도체에 연결된다.
기재는 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있고, 복합 물질일 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 구현예에 있어서, 전술한 캐소드 전극은 전기화학적 셀에 사용되고, 이 전기화학적 셀은 다음을 포함한다:
ㆍ 하나 이상의 활성 물질이 도포되거나 피복되어 있는 하나 이상의 기재를 포함하는 캐소드 전극, 여기서 상기 활성 물질은 스피넬 구조로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물임,
ㆍ 하나 이상의 애노드 전극, 및
ㆍ (각각) 상기 전극들 사이에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 하나 이상의 세퍼레이터.
모든 전술한 구현예는 상기 전기화학적 셀용 캐소드 전극에 관해 바람직하다.
"애노드 전극"이라는 용어는, 예를 들면 전기 모터와 같은 소비자 부하에 연결될 경우에, 전자를 방출하는 전극을 의미한다. 따라서, 이러한 의미에서 애노드 전극은 "음극"이다.
일반적으로, 애노드 전극에 관해서는, 전극이 리튬 이온을 도입하고 방출할 수 있어야 한다는 것 이외에는 제한이 없다. 애노드 전극은 바람직하게는 탄소 및/또는 리튬 티타네이트를 포함하고, 보다 바람직하게는 코팅된 흑연을 포함한다.
전기화학적 셀의 매우 바람직한 구현예에 있어서, 코팅된 흑연을 포함하는 애노드 전극이 사용된다. 그러므로, 애노드 전극이 통상적 흑연 또는 이른바 "연질(soft)" 탄소를 포함하고, 상대적 경질인 탄소, 특히 "경질 탄소(hard carbon)"으로 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 상대적 경질인 탄소는 ≥1,000N/㎟, 바람직하게는 ≥5,000N/㎟의 경도를 가진다.
상기 "통상적" 흑연은 Kropfmuehl사의 UFG8과 같은 천연 흑연일 수 있다. 여기서 38% 이하의 C-섬유량이 선택적이다.
바람직하게는, "경질 탄소 + 연질 탄소"에 대한 "경질 탄소"의 양은 15% 이하이다.
본 발명에 따르면, "경질 탄소"로 코팅되어 있는 통상적 흑연("연질 탄소", 천연 흑연)을 포함하는 애노드 전극은 캐소드 전극과 함께 전기화학적 셀의 안정성을 뚜렷하게 증가시킨다.
바람직하게는, 상기 전극 및 세퍼레이터는 층으로서, 포일(foil)로서, 또는 스택(stack)으로서 존재한다. 이것은, 전극과 세퍼레이터가 층으로서, 또는 대응하는 물질의 층으로서 구성되는 것을 의미한다. 전기화학적 셀 내에서, 이들 층 또는 스택을 이룬 층은 서로 중첩 배열되어, 라미네이션되거나 권취될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 층 또는 스택은 라미네이션되지 않고 서로 중첩 배열되는 것이 바람직하다.
캐소드 전극과 애노드 전극을 분리시키는 본 발명의 전기화학적 셀 또는 전지에 사용되는 세퍼레이터는, 대전 입자(charge carrier)를 용이하게 통과시킬 수 있도록 설계되어야 한다.
세퍼레이터는 이온 전도성이며, 바람직하게는 다공질 구조를 포함한다. 세퍼레이터는 리튬 이온으로 작동되는 전기화학적 셀의 경우에, 리튬 이온이 세퍼레이터를 통과할 수 있게 한다.
세퍼레이터는 하나 이상의 무기 물질, 바람직하게는 세라믹 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 세퍼레이터는, 바람직하게는 유기 기재 물질 상에 도포되는 층으로서 하나 이상의 다공질 세라믹 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
원칙적으로, 그러한 세퍼레이터는 특허문헌 WO 99/62620으로부터 공지되어 있고, 또는 동 문헌에 개시된 방법에 따라 제조될 수 있다. 그러한 세퍼레이터는 또한 Evonik사로부터 Separion®이라는 상표로 상업적으로 입수가능하다.
바람직하게는, 상기 세라믹 물질은 하나 이상의 금속 이온의 산화물, 인산염, 황산염, 티탄산염, 규산염, 알루미늄-실리케이트, 및 붕산염의 군으로부터 선택된다.
또한, 규산염(특히 제올라이트), 붕산염 및 인산염뿐 아니라 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 실리콘, 지르코늄 및 티타늄의 산화물이 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 세퍼레이터용 물질 및 이러한 세퍼레이터의 제조 방법은 특허문헌 EP 1 783 852에 개시되어 있다.
그러한 세라믹 물질은, 세라믹 물질을 포함하지 않는 통상적 세퍼레이터에 비해 온도에 대한 내성이 상당히 더 크고, 상대적으로 높은 온도에서 덜 수축되는, 전기화학적 셀의 기능을 위해 충분한 다공도(porosity)를 가진다. 세라믹 세퍼레이터는 또한 높은 기계적 안정성의 이점을 가진다.
특히, 더 높은 열 안정성 및 에이징 내성을 제공하는, 캐소드 전극용 본 발명에 따른 활성 물질과의 조합에 있어서, 세라믹 세퍼레이터의 층 두께는, 셀 치수가 감소되고 그에 따라 에너지 밀도가 감소될 수 있도록 감소될 수 있으므로, 안전성 및 기계적 안정성이 더 우수하다.
2~50㎛, 특히 5~25㎛, 더 나아가 10~20㎛의 세퍼레이터 두께가 본 발명에 따른 전기화학적 셀용으로 바람직하다. 앞에서 나타난 바와 같이, 캐소드 전극의 증가된 열 안정성 및 에이징 내성은, 종래의 세퍼레이터에 비해 세퍼레이터 층 두께와 그의 고유 저항을 최소화할 수 있게 하고, 따라서 상대적으로 작은 셀 임피던스에 도달할 수 있게 한다.
또한, 무기 물질, 또는 세라믹 물질은 100nm 미만의 최대 직경을 가진 입자의 형태로 존재한다. 이것들은 바람직하게는 유기 기재 물질 상에 존재한다.
세퍼레이터는 바람직하게는 폴리에테르이미드(PEI)로 코팅된다.
바람직하게는, 세퍼레이터용 기재 물질로서 유기 물질이 사용되는데, 그것은 바람직하게는 부직포로 설계되고, 상기 유기 물질은 바람직하게는 폴리에틸렌-글리콜-테레프탈레이트(PET), 폴리올레핀(PO) 또는 폴리에테르 이미드(PEI)를 포함한다. 기재 물질은 유리하게는 포일 또는 박층으로서 설계된다. 특히 바람직한 구현예에 있어서, 상기 유기 물질은 폴리에틸렌-글리콜-테레프탈레이트(PET)이다.
상기 유기 물질은 바람직하게는, -40℃ 내지 200℃의 온도에서 이온을 전도하는, 무기질 이온 전도성 물질로 코팅된다.
바람직하게는 하나 이상의 유기 기재 물질과 하나 이상의 무기질(세라믹) 물질의 복합체로서 존재하는 세퍼레이터의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 세퍼레이터는 바람직하게는 일면 또는 양면이 폴리에테르 이미드로 코팅되어 있는 포일의 형태로 된 층형 복합체로서 설계된다.
세퍼레이터의 바람직한 구현예에 있어서, 세퍼레이터는 바람직하게는 일면 또는 양면이 폴리에테르 이미드로 코팅되어 있는 산화마그네슘의 층으로 구성된다.
또 다른 구현예에 있어서, 50~80중량%의 산화마그네슘이 산화칼슘, 산화바륨, 탄산바륨, 리튬-, 나트륨-, 칼륨-, 마그네슘-, 칼슘-, 바륨-포스페이트 또는 리튬-, 나트륨-, 칼륨-보레이트 또는 이들 화합물의 혼합물로 치환될 수 있다.
바람직한 구현예에 있어서, 일면 또는 양면 상에 무기 물질의 층 상에 코팅된 폴리에테르 이미드는 세퍼레이터에 관해 전술한 바와 같이, 부직포로서 존재하는 것이 바람직하다. "부직포"라는 용어는 섬유가 직조되지 않은 방식으로 존재하는 것을 의미한다. 그러한 부직포는 종래 기술로부터 공지되어 있고, 및/또는 공지의 방식으로, 예를 들면 특허문헌 DE 195 01 271 A1에 인용된 바와 같이 스핀 본딩(spin bonding) 방법 또는 멜트 블로잉(melt blowing) 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
폴리에테르 이미드는 공지의 폴리머이고, 및/또는 공지의 방법에 따라 제조될 수 있다. 그러한 방법은, 예를 들면 특허문헌 EP 0 926 201에 개시되어 있다. 폴리에테르 이미드는 예를 들면 Ultern®이라는 상표명 하에 상업적으로 입수가능하다. 상기 폴리에테르 이미드는 본 발명에 따른 세퍼레이터 내에 하나의 층 또는 여러 개의 층으로 존재할 수 있고, 상기 층의 일면 및/또는 양면 상에 무기 물질로 코팅되어 있다.
바람직한 구현예에 있어서, 폴리에테르 이미드는 추가적 폴리머를 포함한다. 이러한 적어도 추가적 폴리머는 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아크릴니트릴, 폴리카르보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 및 폴리스티롤로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 추가적 폴리머는 폴리올레핀이다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌이다.
바람직하게는 부직포의 형태로 되어 있는 폴리에테르 이미드는 상기 추가적 폴리머, 바람직하게는 폴리올레핀의 하나 이상의 층으로 코팅되고, 바람직하게는 부직포로서 존재한다.
상기 추가적 폴리머, 바람직하게는 폴리올레핀에 의한 폴리에테르의 코팅은 접착, 라미네이션, 화학 반응, 용접 또는 기계적 결합에 의해 달성될 수 있다. 그러한 폴리모 복합체 및 그의 제조 방법은 특허문헌 EP 1 852 926으로부터 알려져 있다.
바람직하게는, 상기 부직포는 사용되는 폴리머의 나노섬유 또는 기술적 유리로부터 제조된다. 따라서, 부직포는 작은 기공 직경이 형성되어 있는 높은 다공도를 가지고 제조된다.
폴리에테스 이미드 부직포의 섬유 직경은 바람직하게는 추가적 폴리머 부직포, 바람직하게는 폴리올레핀 부직포의 섬유 직경보다 크다.
바람직하게는, 폴리에테르 이미드의 부직포는 추가적 폴리머로부터 제조된 부직포보다 큰 기공 직경을 가진다.
폴리에테르 이미드에 추가하여 폴리올레핀을 사용하는 것은, 셀이 너무 강하게 또는 불필요하게 온도 상승되어, 세퍼레이터를 통한 전하 수송이 감소되거나 또는 종결될 경우에 올레핀의 기공이 수축하기 때문에 전기화학적 셀의 안전성을 확실히 높여준다. 전기화학적 셀의 온도가 폴리올레핀이 용융되기 시작할 정도로 상승할 경우에, 온도의 영향에 대해 안정적인 폴리에테르 이미드가 세퍼레이터의 용융을 막도록 작용함으로써 전기화학적 셀이 제어불가능하게 파괴되는 것을 방지한다.
유리하게는, 세라믹 세퍼레이터가 가요성 세라믹 복합 물질로 만들어진다. 상기 복합 물질은 상이한, 조밀하게 결합된 물질로 제조된다. 특히, 이 복합 물질을 세라믹 물질 및 폴리머계 물질로 만드는 것을 생각할 수 있다. PET의 부직포에 세라믹 처리 또는 코팅을 추가하는 방법이 알려져 있다. 그러한 복합 물질은 200℃보다 높은 온도에 견딜 수 있다(부분적으로는 700℃ 이하).
유리하게는, 세퍼레이터 층 또는 세퍼레이터는, 하나 이상의 전극, 특히 인접한 전극의 경계 에지를 벗어나서 적어도 부분적으로 연장된다. 특히, 세퍼레이터 층 또는 세퍼레이터는, 특별히 인접한 전극의 모든 경계 에지를 벗어나서 연장된다. 따라서, 전극 팩의 전극들의 에지 사이에서 전류는 감소된다.
본 발명에 따른 전기화학적 셀을 제조하기 위해, 일반적으로 알려져 있는 방법, 및 예를 들면 "Handbook of Batteries", Third Edition, McGraw-Hill, Editors: D. Linden, TlB. Reddy, 35.7.1에 기재되어 있는 방법을 사용할 수 있다.
일 구현예에서, 세퍼레이터 층은 음극 또는 양극 상에, 또는 음극과 양극 상에 직접 형성된다.
바람직하게는, 세퍼레이터의 무기 물질은 페이스트 또는 분산액으로서 음극 및/또는 양극 상에 직접 도포된다. 라미네이트 복합체는 공압출에 의해 제조된다. 본 발명에 대해서는 페이스트 압출이 특히 바람직하다.
이 경우에, 라미네이트 복합체는 전극과 세퍼레이터, 또는 전극들 및 전극들 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다.
압출 후, 제조된 복합체는, 필요할 경우에 통상적 방법을 이용하여 건조되거나 또는 여과될 수 있다.
애노드 전극과 캐소드 전극 및, 세퍼레이터인 무기 물질의 층은 서로 별도로 제조할 수도 있다. 그 경우에, 무기 물질, 또는 세라믹 물질은 바람직하게는 포일로서 설계된다. 전극과 세퍼레이터는 서로 별도로 제조되기 때문에, 가공 유닛으로 연속적으로 전달되고, 거기에서 음극, 세퍼레이터 및 양극이 합쳐져서 셀 복합체로서 적층된다. 가공 유닛은 바람직하게는 라미네이팅 롤을 포함하거나 라미네이팅 롤로 구성된다. 그러한 방법은 특허문헌 WO 01/82403으로부터 공지되어 있다.
본 발명에 의하면, 보다 안전하고, 고에너지 밀도, 고전력 밀도 및/또는 에이징에 관해 향상된 안정성을 가지는 캐소드 전극용 활성 물질이 제공된다. 또한 본 발명에 의하면, 상대적으로 작은 치수를 가지면서, 향상된 작동 수명을 가지며, 행상된 에너지 밀도 및/또는 전력 밀도를 가지는 전기화학적 셀이 제공된다.
실시예
이하에서, 2개의 전극, 특히 캐소드 전극 및 전해질 중의 세퍼레이터 및 하우징을 가진 본 발명에 따른 전기화학적 셀의 제조 방법을 기재한다.
캐소드 전극의 열 안정성 및 에이징 내성의 증가로 인해 상당히 더 작은 세퍼레이터 두께가 선택될 수 있다(즉, 본 발명에 따른 방법, 및 캐소드 전극으로서 오로지 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물을 사용하는 방법이 비교됨). 따라서, 총체적으로, 더높은 에너지 및 전력 밀도가 얻어진다.
a) 디메틸 포름아미드 폴리에테르 이미드로부터 출발하여 약 2㎛의 평균 섬유 직경을 가진 섬유를 정전기 방식으로 방사하고, 추가로 가공하여 약 15㎛의 두께를 가지는 부직포를 만든다.
b) LiPF6 25중량부, 에틸렌 카르보네이트 20중량부, 프로필렌 카르보네이트 또는 EMC 10중량부, 산화마그네슘 25중량부 및 바인더인 Kynar 2801® 5g을 혼합하고, 균일한 분산액이 제조될 때까지 분산기에서 분산시킨다.
c) 상기 b)에서 제조된 분산액을 a)에 따라 제조된 부직포에, 도포된 층이 약 20㎛의 두께를 가지도록 도포한다(세퍼레이터).
d) MCMB 25/28®(메조카본 마이크로비즈: Osaka Gas Chemicals) 75중량부, 리튬옥살레이토보레이트 10중량부, Kynar 2801® 8중량부 및 프로필렌 카르보네이트 7중량부의 혼합물을 압출기를 이용하여 두께 18㎛의 알루미늄 포일 상에 도포한다. 도포된 층의 두께는 약 20~40㎛이다(애노드 전극).
e) 층상 구조로 되어 있는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 50중량부, 스피넬 구조로 되어 있는 리튬-망간 산화물(LMO) 30중량부, Kynar 2801® 10중량부 및 프로필렌 카르보네이트 10중량부의 페이스트 혼합물을 두께 18㎛의 알루미늄 포일 상에 코팅한다(캐소드 전극).
f) c)에 따른 생성물이 d) 및 e)에 따른 생성물의 코팅 사이에 배치되도록 상기 c), d) 및 e)에 따라 제조된 층들을 권취기(winding machine)에 권취하고, 폴리에테르 이미드 부직포를 실시예 e)에 따른 생성물의 코팅에 접촉시킨다. 금속박에 도체를 제공하고, 전체 시스템을 수축 포일 내에 수납시킨다.
이하의 섹션은 일반적인 캐소드 전극의 제조에 적용된다:
NMC/LMO의 총 함량은 LMO 86~93%이고, 나머지 성분들의 감소 및 그와 관계되는 후자는 높은 다이나믹 셀(dynamic cell)로 되어 있는 것이 바람직하다
전해질 및 예를 들면 EC/EMC 3:1과 같은 혼합물의 성분은 압출시 유동 보조제로서 사용될 수 있다.
불활성 방식으로, 본질적으로는 무수 상태로 작동될 수 있는 니더(kneader), TP-65 grd TP 및 그 이하에서 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 페이스트 압출에 의해 전극 또는 셀 라미네이트를 제조하는 것이 유리하다. 피스톤 로드 프레스(piston rod press) 원리에 따라 작동하는 페이스트 압출기(예; Common Tec) 내에 활성 물질을 주입하고, 이어서 노즐을 통해 프레싱한다. 압출기에 수용된 윤활제는 건조 구역에서 제거되고, 이어서 압출물은 소결 및/또는 칼랜더링 처리된다. 따라서, 마모가 최소화됨으로써 집합체(aggregate) 및 셀의 수명 증가에 기여한다.
압출이 실온에서 수행될 수 있고, 복잡한 제어형 균질한 가열이 필요하지 않으므로 에너지가 절감된다. 또한, 연화제(softener)의 흄(fume)으로 인한 압출기에서의 악취가 최소화된다.
바람직하게는, 페이스트 압출시, 제거제(scavenger)와 같은 화합물 또는 이온성 액체도 마이크로인젝션(microinjection)에 의해 압출된다. 상기 화합물은 셀의 연장된 수명을 가져온다. 이들 화합물의 압출은, 예를 들면, 압출된 화합물 또는 안정화제의 면적/질량 또는 비닐렌 카르보네이트와 같은 첨가제 또는 파이어소르브(firesorb)와 같은 난연제, 또는 나노미터 구조 물질과 같은 마이크로캡슐 상부의 인젝션에 의해 이루어질 수 있다(캡슐화는, 특히 캡슐로부터 상승된 온도에서만 확산되는 Stoba와 같은 폴리머계 물질로 구성되고, 따라서 전극을 이온적으로 밀봉 또는 격리시킨다).
30㎛ 또는 20㎛의 구리 및 알루미늄의 컬렉터 밴드(collector band)가, 10C-충전 및 20C-방전 가동을 위한 셀을 제조하는 목적을 가진 또 다른 예시적 접근법에서 선택된다. 이러한 컬렉터 밴드는 동시에 셀과 전극 물질을 양호하게 냉각시킬 수 있고, 따라서 전류 부하 용량을 개선할 수 있다. 캐소드의 경우에 55~125㎛이고 애노드의 경우에 18~80㎛인 두께 범위를 가진 전극이 컬렉터 바인더 상의 칼렌더링에 의해 제조된다. "고에너지" 셀에 있어서는 상기와 같은 높은 범위의 두께로 된 전술한 전극이 사용되고, 또는 "고전력" 셀에 있어서는 얇은 전극이 사용된다. 전술한 안정화제 및 전기 전도성 첨가제는 각각 3% 이하의 양으로 공정에 따라 주입된다.
본 실시예에 따라 사용되는 애노드는 바람직하게는 "경질 탄소"로 코팅된 "연질 탄소"로 구성되는 흑연 시스템이고, 여기서 "경질 탄소는 15% 이하의 양으로만 존재한다.
캐소드는 큰 사이즈의 셀 팩용으로 구성되는데, 이는 특히 패턴 형태로서 또는 패턴 형태로 코팅되어 있음을 의미한다. 그에 따라 제조된 셀은 10C 이하의 안정적인 부하 요량을 나타내고, 에이징 내성이며, "고에너지" 구현예에 있어서도 >5,000회 완전 사이클(80%)의 우수한 사이클 특성을 가진다. 구리 플러프(fluff) 또는 칩(chip)의 삽입에 의해, 주입된 폴리머는 둘러싸이고, 따라서 부분적으로 "핫 스폿(hot spot)"이 형성되는 것이 방지된다. "고전력" 구현예는 매우 사이클 안정적이며, 20℃보다 높은 온도에서 탄성을 가진다.
전해질에 관해서, EC/EM 1:3과 VC와 같은 첨가제로 된 간단한 혼합물 또는 "산화환원 셔틀(redox shuttle)"을 사용하는 것으로(추가의 부분적 오염성, 문제가 되는 첨가제를 사용하지 않고) 충분하다는 것을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 전해질은 환경 친화적이며, 저렴하다. 또한 "콜드 크래킹 테스트"에서 매우 양호한 결과를 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 하나 이상의 활성 물질이 도포되거나 피복되어 있는 하나 이상의 기재(substrate)를 포함하는, 전기화학적 셀용 캐소드 전극(cathodic electrode)으로서,
    상기 활성 물질은, 스피넬 구조(spinell structure)로는 존재하지 않는 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC) 및 스피넬 구조로 존재하는 리튬-망간 산화물(LMO)의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    캐소드 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성 물질은, 상기 캐소드 전극에서 상기 활성 물질의 총량 기준으로, 30몰% 이상, 바람직하게는 50몰% 이상의 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물을 포함하는 동시에, 10몰% 이상, 바람직하게는 30몰% 이상의 리튬-망간 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    NMC와 LMO의 합계량이, 상기 캐소드 전극에서 상기 활성 물질의 총량 기준으로, 상기 활성 물질의 60몰% 이상, 바람직하게는 70몰% 이상, 보다 바람직하게는 80몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90몰% 이상, 보다 더 바람직하게는 96몰% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성 물질이 NMC 및 LMO로 구성되고, 따라서 다른 활성 물질을 2몰%보다 많은 양으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재에 도포되는 물질이, 상기 기재에 도포되는 물질의 총량 기준으로, 80~90중량%, 바람직하게는 86~93중량%의 상기 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성 물질로서 NMC 대 활성 물질로서 LMO의 중량부의 비가, 9(NMC):1(LMO) 내지 3(NMC):7(LMO)이고, 여기서 7(NMC):3(LMO) 내지 3(NMC):7(LMO)인 것이 바람직하고, 6(NMC):4(LMO) 내지 4(NMC):6(LMO)인 것이 더욱 바람직한 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물 및 상기 리튬-망간 산화물이 입자상 형태로 존재하고, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 40㎛, 보다 바람직하게는 4㎛ 내지 20㎛의 평균 직경을 가지는 입자로 존재하는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극이, 상기 기재에 도포되는 상기 캐소드 전극의 총질량의 총중량 기준으로, 바람직하게는 5중량% 이하, 보다 바람직하게는 3중량% 이하의 중량비로 안정화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 안정화제가, 각각의 전기화학적 셀에 사용되는 세퍼레이터에 존재하는 하나 이상의 다공질 세라믹 물질을 포함하거나, 또는 하나 이상의 다공질 세라믹 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(NMC)이, 하기 화학양론을 가지는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극: Li[Co1/3Mn1/3Ni1/3]O2, 여기서 Li, Co, Mn, Ni 및 O의 함량은 약 ±5% 만큼 변동될 수 있음.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리튬-망간 산화물(LMO)이, 하기 화학양론을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드 전극: Li1+xMn2-yMyO4, 여기서 M은 하나 이상의 금속, 특히 하나 이상의 전이 금속이고, -0.5≤x≤0.5 및 0≤y≤0.5임.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 전극, 애노드 전극 및 상기 전극들 사이에 적어도 부분적으로 배치되는 세퍼레이터를 구비하는 전기화학적 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 세퍼레이터가, 바람직하게는 유기 기재 물질 상의 하나의 층으로서 코팅되어 있는 하나 이상의 다공질 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 셀.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 세퍼레이터가, 그 일면 또는 양면 상에 폴리에테르 이미드로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학적 셀.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 세라믹 물질이, 하나 이상의 금속 이온의 산화물, 인산염, 황산염, 티탄산염, 규산염, 알루미늄 실리케이트 또는 붕산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 셀.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터가 2~50㎛, 바람직하게는 5~25㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 셀.
  17. 전자 공구 및 전기 차량, 특히 완전히 또는 거의 전기식으로 작동되는 차량 또는 이른바 "하이브리드"로서 작동되는 차량, 즉 연소 기관과 함께 작동되는 차량 또는 연료 전지와 함께 작동되는 차량 및 정지형(stationary) 전지 응용 분야를 위한 리튬-이온 전지에서 사용되는, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 전극 또는 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 셀의 용도.
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