KR20130056304A - 전기화학 셀용 전기 전도체 - Google Patents

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Abstract

전기화학 셀에 있어서, 전기적 포일 전도체의 사용으로서, 상기 포일은 전기 전도체로 코팅된 기판을 포함하며, 상기 기판은 상기 전기 전도체보다 낮은 단위 면적당 질량을 갖는다.

Description

전기화학 셀용 전기 전도체{ELECTRICAL CONDUCTOR FOR ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 전도성 다층 포일들 뿐만 아니라 상기 다층 포일들을 포함한 전기화학 셀들의 신규성있는 이용에 관한 것이다.
2차 셀들 및 1차 셀들에 있어서, 여러 재료들이 전기 전도체로서 이용된다. 특히, 전기 전도체에 의해 충족되어야 하는 요건들은 매우 우수한 전기 전도성, 기계적 및 열적 안정성 뿐만 아니라 기계적 및 화학적으로 영구적으로 안정적인, 전자 활성 재료에 의한 코팅의 가능성이다. 또한, 나이프 코팅, 페이스트 코팅 또는 라미네이트와 같은 기술적 처리 이유로, 전기 전도체를 위한 대응하는 재료들 및 전기 전도체의 대응하는 층 두께가 선택되어야 한다. 따라서, 리튬 이온 셀들에 대한 애노드의 경우에, 전기 전도체들은 구리로 바람직하게 형성된다. 구리 전기 전도체들의 단점은 높은 밀도 (8.92 g/cm3) 로 인하여, 전기화학 셀의 총 중량이 비교적 크고 이에 따라 전체 전기화학 셀에 대한 에너지 밀도의 감소가 발생한다는 점이다.
따라서, 특히 리튬 이온 셀의 개발에 있어 한 목적은 높은 산화 전위를 갖는 신규성있는 캐소드 재료들을 통하여 에너지 밀도를 증가시키는 것이다. 그 결과, 예를 들어, 전기화학 셀에 있어서 전기화학적 안정성에 대한 캐소드의 전기 전도체에 의해 특정 요건들이 충족되어야 한다. 많은 경우에, 내화 금속들만이 충분한 전기화학적 안정성을 갖는다.
(예를 들어, 통상적으로 이용된 그래파이트 애노드와 같은) 리튬의 전기화학적 퇴적에 밀접한 환원 전위를 갖는 애노드 재료에 대해서는, 예를 들어, 알루미늄과 같은 경금속들에 대한 합금 형성의 전위가 리튬과 그래파이트의 원하는 삽입 화합물보다 포지티브이기 때문에 리튬과 합금들을 형성하지 못하는 전기 전도체 재료들이 이용되어야 한다. 이러한 재료들의 이용은 리튬 합금 형성을 통해 전기 전도체의 기계적 파괴를 가져온다. 따라서, 리튬 이온 셀들의 애노드 용으로 자주 이용되는 금속은 화학적 및 기계적 요건들을 충족시키는 구리이다. 구리의 고밀도로 인하여, 구리는 전기화학 셀의 에너지 밀도를 높게 유지하기 위하여 가능한 얇은 포일로서 바람직하게 처리된다. 그러나, 구리 전도체들에 대한 제조 및 처리 방법들 및 그에 따른 결과적인 기계적 저항들은 실제적인 제약을 가져온다. 8 ㎛ 미만의 포일 두께는 기술적 이유로 적합하지 못하다.
따라서, 본 발명의 목적은 저밀도에서 우수한 전기 전도율을 가지며 열적 및 기계적으로 안정적이며 이에 따라 전기화학 셀의 에너지 밀도의 증가에 긍정적으로 기여하는, 전기 전도체, 특히 리튬 이온 셀들과 같은 전기화학 셀들의 애노드용의전기 전도체를 개발하는 것이다.
본 발명은 우수한 전기 전도체로 코팅되어 있고 안정적이지만 경량인 기판 재료로 전기 전도체가 구성되어야 한다는 발견에 기초한다.
따라서, 본 발명은 전기화학 셀 (Z) 에서 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용을 교시하며, 포일 (F) 은 전기 전도체 (L) 로 코팅된 기판 (T) 을 포함하며, 기판 (T) 은 전도체 (L) 보다 낮은 고유 밀도 (mg/cm3) 를 갖는 것을 특징으로 한다.
전기화학 셀 (Z) 은 1차 셀 또는 2차 셀일 수 있다. 바람직하게 전기화학 셀은 2차 셀이다. 1차 셀들은 충전가능하지 못한 셀을 의미하지만 2차 셀들은 충전가능하다.
일 구체예에서, 전기화학 셀 (Z) 은 리튬 이온 셀, 특히 2차 리튬 이온 셀이다. 리튬 이온 셀들은 일반적으로 알려져 있다. 무엇보다도, 리튬 이온 셀은 Chemische Technik (Volume 6b, Winnacker 등 저, 5th edition, 2006) 에 언급되어 있다.
본 발명의 의미에서, 전도체 (L) 는 전류를 수송할 수 있는 전도체이다.
본 발명의 의미에서, 포일 (F) 은 얇은 박층의 가요성 전기 전도체이다. 바람직하게, 포일 (F) 은 적어도 7.5 x 106 S/m 의 전기 전도율을 가지며, 보다 바람직하게는 적어도 25.0 x 106 S/m, 예컨데 적어도 38.0 x 106 S/m 의 전기 전도율을 갖는다. 특히, 이들 전기 전도율은 애노드 전도체용의 포일들 (F) 에 적용한다.
포일 (F) 의 단위 면적당 질량은 통상적인 전기 전도체들에 비해, 특히 리튬 이온 셀들과 같은 전기화학 셀들의 애노드용 전도체들에 비해 작다. 따라서, 포일 (F) 은 바람직하게 7.0 mg/cm2 이하, 더 바람직하게는 5.0 mg/cm2 이하, 특히 2.5 내지 4.2 mg/cm2 의 단위 면적당 질량을 갖는다.
리튬 이온 셀과 같은 전기화학 셀의 전체적인 구성을 비교적 작게 유지하기 위하여, 포일 (F) 의 두께는 20.0 ㎛ 를 초과하지 않아야 한다. 특히 적절한 결과들은 15.0 ㎛ 이하의 두께를 갖는 포일들 (F), 특히 10.0 내지 14.0 ㎛, 예컨데, 11.5 내지 13.5 ㎛ 의 범위에서의 두께를 갖는 포일들 (F) 로 얻어진다.
포일 (F) 에서 전도체 (L) 와 기판 (T) 간의 층 두께 (㎛ 단위) 의 비 [(L)/(T)] 는 바람직하게 0.05/12.00 내지 1.00/12.00 이며 특히 0.09/12.00 내지 0.50/12.00 이다.
구체적으로, 포일 (F) 은 기판 (T) 및 전도체 (L) 로 구성된다.
위에 설명된 바와 같이, 포일 (F) 은 기판 (T) 을 포함한다. 상기 기판 (T) 은 저밀도에서 기계적 저항성을 보장한다. 따라서, 기판 (T) 은 전도체 (L) 보다 낮은 고유 밀도 (mg/cm3) 를 갖는다는 점에서 특징이 있다. 원칙적으로, 기판이 전도체 (L) 로 코팅될 수 있는 한은 기판 (T) 에 대한 제약은 없다. 또한, 기판 (T) 은 전기 전도성일 수 있지만, 반드시 그럴 필요가 있는 것은 아니다. 특히, 높은 고유 용량을 갖는 전기화학 셀들의 경우, 결과적인 열 손실에 의한 셀 내부의 과열을 방지하기 위하여 기판의 우수한 열 전도성 및 높은 전류 밀도에서의 낮은 전압 손실이 요구된다. 이 경우에, 알루미늄과 같이, 고유의 높은 열 및 전류 전도율을 갖는 경금속들은 다른 기판 재료들에 비해 기판 (T) 으로서 바람직하다.
기판 (T) 은 바람직하게는 4.5 mg/cm2 이하, 보다 바람직하게는 2.7 mg/cm2 이하, 특히 1.7 mg/cm2 이하의 단위 면적당 질량을 갖는다. 단위 면적당 질량에 대한 바람직한 범위는 1.4 내지 4.5 mg/cm2 이다.
포일 (F) 과 마찬가지로, 기판 (T) 도 또한 정의된 두께를 초과하지 않아야 한다. 따라서, 기판 (T) 은 바람직하게는 14.0 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 13.0 ㎛ 이하의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 두께는 10.0 내지 14.0 ㎛, 예컨데 11.0 내지 13.0 ㎛ 의 범위에 있다.
폴리머들, 무기 재료들, 합금들 및 금속들 뿐만 아니라 섬유강화 플라스틱 포일들과 같은 이들로부터의 화합물 재료들은 특히 유용한 것으로 입증되었다. 이들 중 폴리머들 및 금속들이 바람직하게 언급될 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 기판 (T) 은 금속이다.
기판 (T) 이 폴리머인 경우, 열가소성 재료들의 그룹으로부터 선택된다. 이들은 또한 섬유 또는 섬유 강화 재료일 수 있다.
금속이 기판 (T) 으로서 이용되면, < 5 g/cm3 의 고유 밀도를 갖는 경금속들의 그룹으로부터 선택된다.
바람직한 일 특정 실시형태에서, 기판 (T) 은 알루미늄이다. 예를 들어, 알루미늄으로 된 12 ㎛ 기판 (T) 은 3.6 ㎛ 두께의 구리 포일에 상당하는 단위 면적당 질량을 갖는다. 그러나, 이러한 두께의 구리 포일들은 기계적 안정성 및 처리능력의 결여로 인하여 전기화학 셀들에서의 전도체로서 적합하지 못하다.
기판 (T) 이 필요한 기계적 강도를 보장할 때, 전도체 (L) 가 얇게 제공될 수 있다. 이에 따라, 기판 (T) 보다 높은 고유 밀도를 갖는 전도체 (L) 는 전기화학 셀의 총 에너지 밀도에 대한 영향이 낮다는 점에서는 전기화학 셀의 총 중량에 기여하지 않는다.
전도체 (L) 의 단위 면적당 질량은 주로 0.5 내지 6.0 mg/cm2 의 범위, 바람직하게는, 1.0 내지 2.0 mg/cm2 의 범위에서와 같이 0.7 내지 4.0 mg/cm2 의 범위에 있다.
전도체 (L) 의 두께는 0.5 ㎛ 이하, 특히 0.4 ㎛ 이여야 한다. 일 실시형태에서, 두께는 0.1 내지 0.3 ㎛이다.
전도체 (L) 는 바람직하게 적어도 30.0 x 106 S/m 의 전기 전도율을 갖고, 특히 바람직하게는 적어도 50.0 x 106 S/m, 예컨데 적어도 55.0 x 106 S/m 의 전기 전도율을 갖는다.
애노드 전도체 용의 전도체 (L) 는 리튬과 합금을 형성하지 못하는 재료로 되는 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 전도체는 Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Ag 로 구성된 그룹으로부터 바람직하게 선택된다.
특히 바람직한 일 실시형태에서는, 전도체 (L) 는 구리이다.
기판 (T) 상에 전도체 (L) 를 제공하는 것은 화학적 또는 물리적 프로세스들에 의해 획득될 수 있다. 구체적으로, 갈바니 프로세스 (galvanic processes), 스퍼터 또는 CVD 프로세스들이 고려가능하다. 알루미늄 기판 상의 구리 전도체의 경우, 수용성 전해 용액으로부터의 갈바니 퇴적 (갈바니 코팅) 이 고려가능하다.
본 발명의 의미에서 용어, 코트 또는 코팅은 전도체 (L) 가 기판 (T) 의 표면을 전체적으로 커버하는 것을 의미한다.
본 발명은 리튬 이온 셀들과 같은 전기화학 셀들에서 전기 전도체 (L) 로서, 특히 애노드용 전기 전도체로서 포일 (F) 의 이용 뿐만 아니라 전기 전도체 (L) 로서, 특히 애노드용 전기 전도체로서 포일 (F) 을 포함하는 리튬 이온 셀들과 같은 전기화학 셀들의 이용에 관한 것이다.
다음에서는, 본 발명을 실시예들로 자세히 설명한다.
실시예들
전기 전도체로서 8 ㎛ 두께 구리 포일 상의 그래파이트 애노드를 갖는 리튬 이온 셀에서, 구리 포일은 7.14 mg/cm2 의 단위 면적당 질량을 갖는다. 8 ㎛ 는 Li-이온-셀들용 그래파이트 애노드들이 산업적 스케일에서 제조될 수 있는, 현재의 전해 방식으로 제조된 구리 포일들에 대한 최저 재료 두께이다. 순수 구리의 인장 강도는 약 200 N/mm2 이다. 따라서, 이상적인 상태 하에서, 10 mm 폭의 포일 스트립 상의 16 N 의 인장 강도가 포일의 파손을 가져온다. 1 m 길이 및 10 mm 폭의 포일 스트립의 전기 저항은 약 0.2 Ohm 이다.
그러나, 12 ㎛ 두께를 갖는 알루미늄 포일은 단지 3.24 mg/cm2 의 단위 면적당 질량을 갖지만, 약 300 mV 의 전위에서의 LiAl 합금들 대 Li/Li+ 의 형성을 이미 가져오기 때문에 요구된 화학적 안정성을 갖지 못하고 그 결과 Li-이온-셀의 로딩 동안에 포일의 기계적 파괴가 일어난다. 순수 알루미늄은 구리에 비해 약 50 N/mm2 의 실질적으로 더 낮은 인장 강도를 갖는다. 따라서, 10 mm 폭 및 12 ㎛ 두께의 알루미늄 포일은 포일의 파단까지 약 6N 의 인장 부하 최대값을 갖는다. 그러나, 이 인장 강도는 Li-이온-셀용 전기화학 셀들로의 처리에 여전히 충분하다. Li-이온-셀들용 캐소드들은 이러한 얇은 알루미늄 포일들에 대한 산업적 스케일에서 이미 준비되어 있다. 12 ㎛ 의 두께를 갖는 1 m 길이 및 10 mm 폭의 Al 포일 스트립의 전기 저항은 약 0.22 Ohm 이며 따라서 8 ㎛ 의 재료 두께를 갖는 상술한 구리 포일에 상당하게 된다.
콤팩트한 구리 포일과 같이 동일한 화학적 안정성을 갖는 2 ㎛ 구리 층이 양측에 코팅되어진 이러한 12 ㎛ 두께 알루미늄 포일에서는 3.60 mg/cm2 의 단위 면적당 질량이 얻어진다. 구리 층에 의해, 포일의 인장 강도는 부정적인 영향을 받지 않고, 따라서, 이러한 재료가 Li-이온-셀들용 애노드로서 처리될 수 있다. 구리 층으로 인하여 포일의 전도성은 개선된다. 1 m 길이 및 10 mm 폭의 상기 Cu 코팅된 포일 스트립의 전기 저항은 약 0.21 Ohm 이다.
설명된 실시형태에서 본 발명의 다층 포일의 단위 면적당 고유 질량은 7.14 mg/cm2 에서 3.60 mg/cm2 으로 감소된다. 이는 애노드 전체 포일의 50 % 의 중량 감소에 대응한다.
상업적으로 입수가능한 4Ah-리튬 이온 셀에서는, 애노드의 전기 전도체를 포함한 구리 포일의 중량비가 셀 전체 질량에 대해 20 % 이다. 8 ㎛ 두께 구리 포일이 기판으로서 12 ㎛ 알루미늄 포일 및 포일 양측에 0.2 ㎛ 두께 구리 층으로 된 본 발명의 다층 포일로 대체되면, 셀 질량이 동일한 에너지 용량 및 불변의 성능에서 10% 만큼 감소한다. 한편, 같은 질량의 배터리에서는 약 11 % 보다 큰 에너지가 저장될 수 있고 또한 11 % 보다 큰 전력이 모여질 수도 있다.

Claims (10)

  1. 전기화학 셀 (Z) 에서 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용으로서,
    상기 포일 (F) 은 전기 전도체 (L) 로 코팅된 기판 (T) 을 포함하고, 상기 기판 (T) 은 전기 전도체 (L) 보다 낮은 고유 밀도 (mg/cm3) 를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 전기 전도체 (L) 와 상기 기판 (T) 간의 층 두께 (㎛ 단위) 의 비 [(L)/(T)] 는 0.05/12.00 내지 1.00/12.00 이고,
    및/또는
    (b) 상기 포일 (F) 의 단위 면적당 질량은 7.0 mg/cm2 이하이며,
    및/또는
    (c) 상기 포일 (F) 의 두께는 15.0 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 (T) 은,
    (a) 4.5 mg/cm2 이하의 단위 면적당 질량,
    및/또는
    (b) 14.0 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도체 (L) 는,
    (a) 0.5 내지 6.0 mg/cm2 범위에서의 단위 면적당 질량,
    및/또는
    (b) 0.5 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (a) 상기 전기화학 셀 (Z) 은 리튬 이온 셀이고,
    및/또는
    (b) 상기 포일 (F) 은 애노드 전도체로서 이용되는 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포일 (F) 의 상기 기판은 폴리머 (P) 또는 금속 (M) 인 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  7. 제 6 항에 있어서,
    (a) 상기 폴리머 (P) 는 열가소성 재료들의 그룹으로부터 선택되고,
    및/또는
    (b) 상기 금속 (M) 은 경금속들의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (a) 상기 전기화학 셀 (Z) 은 리튬 이온 셀이고 상기 전기 전도체 (L) 는 리튬과 합금을 형성하지 않고,
    및/또는
    (b) 상기 전기 전도체 (L) 는 Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Ag 로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 전도체로서의 포일 (F) 의 이용.
  9. 캐소드 전도체 및 애노드 전도체를 포함하는 전기화학 셀 (Z) 로서,
    상기 캐소드 전도체 또는 상기 애노드 전도체가 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 포일 (F) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 리튬 이온 셀인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
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