KR20140061735A - 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 활물질과 혼합하여 전지 반응을 촉진하고 반응에서 형성된 반응 부산물 즉, 전자를 집전체로 효과적으로 전달할 수 있도록 함으로써 배터리 수명 특성과 출력 특성을 개선할 수 있는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명은, 양극 합재로 이루어진 양극과, 음극 합재로 이루어진 음극, 및 상기 양극과 음극 사이를 구분하는 전해질을 포함하여 구성된 것으로, 상기 양극 합재 혹은 음극 합재는 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리를 제공한다.

Description

혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리 {Lithium ion battery using mixed conductive material}
본 발명은 리튬 이온 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자와 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 이용하여 이차전지의 수명 특성과 출력 특성을 개선하는 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 충/방전 과정에서 리튬 이온 소스가 되는 극에서 리튬 이온이 탈리되고 전해질로 구분된 음극과 양극 사이를 리튬 이온이 왕복하며 활물질 내로 리튬 이온이 삽입되는 반응이나 활물질 표면에서 일어나는 전기 화학 반응으로 발생된 전자를 외부 회로로 방출하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 장치로서, 대표적으로는 리튬금속 배터리가 있다.
일반적인 리튬 이온 배터리를 구성하는 전해질은 액체 상태로 양극과 음극 사이의 전기적 절연을 유지하면서 리튬 이온의 이동은 원활한 리튬 이온 전도성 액체이며, 이렇게 리튬 이온 전도성 액체를 전해질로 사용하는 경우 양극과 음극을 구성하는 활물질 분말은 전해액과 젖음성을 유지해야 리튬 소스와 활물질의 삽입/탈리 반응이나 표면 전기 화학 반응이 원활하게 일어난다. 그리고, 삽입/탈리 반응이나 표면 전기 화학 반응으로 생성된 전자는 효율적으로 집전체로 모여야 한다.
상기의 전해액은 전기적인 부도체이므로 활물질의 전자전도성이 약한 경우에는 도전성 물질을 첨가하여 전기적 경로를 형성해 준다.
한편, 종래에는 양극에서 활물질의 로딩량을 높이고 치밀한 극판을 만들기 위해 도 5와 같이 활물질 분말의 크기를 줄이거나 건조된 극판을 롤 프레스 등의 공정을 거치게 한다. 그러나, 이처럼 전극 합재의 극판 밀도를 증가시킨 경우에는 활물질 분말 사이에 전해질의 침투가 용이하지 않아 리튬 이온의 전달이 용이하지 않게 된다.
이에 종래에는 도 6과 같이 고상에서 리튬 이온을 전달할 수 있는 고체전해질을 양극에 혼합하여 리튬 이온 전달성을 향상시키고자 하였다. 특히, 고체전해질을 사용하는 전고체 전지의 경우 액체에 의한 젖음성 확보가 불가능하여 양극에 활물질, 전기 도전재, 고체전해질을 혼합하여 사용하였다. 그러나, 이 경우 고체전해질을 첨가함에 의해 전지 반응에 사용되는 활물질의 비율을 현저하게 감소시키게 되며, 전극 합재를 구성하는 성분이 증가하면서 혼합 공정이 추가되어 공정 복잡성이 증가하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 활물질과 혼합하여 전지 반응을 촉진하고 반응에서 형성된 반응 부산물 즉, 전자를 집전체로 효과적으로 전달할 수 있도록 함으로써 배터리 수명 특성과 출력 특성을 개선할 수 있는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양극 합재로 이루어진 양극과, 음극 합재로 이루어진 음극, 및 상기 양극과 음극 사이를 구분하는 전해질을 포함하여 구성된 것으로, 상기 양극 합재 혹은 음극 합재는 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 양극 합재는 활물질과 혼합전도체를 혼합한 혼합물로 구성되거나, 또는 혼합전도체로 표면처리된 활물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 음극 합재는 리튬금속 또는 리튬합금과 혼합전도체를 혼합한 혼합물로 구성되거나, 또는 혼합전도체로 표면처리된 리튬금속 또는 리튬합금으로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 혼합전도체로는 황화티타늄(Titanium sulfide, TiS), 황화철(Iron sulfide, FeS), 산화코발트(Cobalt oxide, CoO), 리티에이티드 페로브스카이트(Lithiated Perovskite) 중 선택된 1종이 사용되거나 또는 선택된 2종 이상으로 된 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이온 배터리는 전극 합재에 전자/이온 혼합전도체를 함유시켜 전극 내에서 전자 및 이온의 이동 경로를 확보하여 전지 반응을 용이하게 할 수 있고, 이를 통해 배터리의 수명 특성과 출력 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이온 배터리를 나타낸 모식도,
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 리튬 이온 배터리를 나타낸 모식도,
도 3은 본 발명의 리튬 이온 배터리에서 활물질에 혼합하여 사용하는 혼합전도체와 종래의 리튬 이온 배터리에서 활물질에 혼합하여 사용하는 고체전해질의 전도특성을 비교하여 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따라 제작한 리튬금속 배터리의 출력전압과 방전용량을 기존의 리튬금속 배터리와 비교하여 나타낸 도면,
도 5 및 도 6은 종래의 서로 다른 리튬 이온 배터리를 나타낸 모식도.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명에서는 이차전지의 양극 합재 또는 음극 합재에 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 전자/이온 혼합전도체를 함유시켜 전하 전달 경로와 이온 전달 경로를 동시에 확보하는 구조를 형성하여 이차전지의 수명 특성 및 출력 특성을 개선하고자 한다.
특히 본 발명에서는 고체전해질을 사용하는 이차전지의 경우 전극 합재를 활물질과 혼합전도체로 구성하여 종래(합재를 활물질, 도전재, 고체전해질로 구성함) 대비 조성을 단순화함으로써 활물질 비율을 증가시키고 혼합 공정을 간소화한다.
전고체 전지의 경우 활물질과 전해질이 고체-고체 접촉을 유지하며, 따라서 활물질로 구성된 극판 내에서 활물질과 전해질 사이의 이온 전달과 활물질과 집전체 사이의 전자 전달이 용이한 구조가 필요하다.
이를 위해 기존에는 양극의 경우 전자 전달을 위한 도전재와 이온 전달을 위한 고체전해질 분말을 활물질과 혼합하여 합재를 구성하였으나, 본 발명에서는 이온 전도성과 전자 전도성을 동시에 가지는 혼합전도물질(혼합전도체)을 사용하여 활물질과 함께 합재를 구성함으로써 종대 대비 동등 수준 이상의 리튬 이온 전달성과 전자 전달성을 확보하도록 한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 배터리는 양극 합재로 이루어진 양극과, 음극 합재로 이루어진 음극, 및 상기 양극과 음극 사이를 구분하는 전해질을 포함하여 구성된 것으로, 상기 양극 합재 혹은 음극 합재는 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 함유하여 구성된다.
도 1은 리튬 이온 배터리의 양극에 혼합전도체를 사용한 일 예를 도시한 것으로, 양극 활물질(1)과 혼합전도체(2)를 분말 형태로 혼합하여 양극 합재로 사용한 양극 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 리튬 이온 배터리의 양극 합재는 양극 활물질(1)과 혼합전도체(2)를 혼합한 혼합물로 구성될 수 있다. 이 경우 활물질과 이웃하고 있는 혼합전도체를 통해 전자 전달 경로와 이온 전달 경로를 동시에 확보하여 전자 전달과 이온 전달이 용이한 구조를 형성할 수 있다.
도 2는 리튬 이온 배터리의 양극에 혼합전도체를 사용한 다른 예를 도시한 것으로, 혼합전도체(2)로 코팅한 양극 활물질(1)을 양극 합재로 사용한 양극 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
도 2와 같이 양극 활물질(1)을 혼합전도체(2)로 표면처리하여 양극 합재로 사용하는 경우, 활물질 입자 표면에 코팅된 혼합전도체(2)를 통해 전자/이온 전도 네트워크를 효과적으로 형성할 수 있으며, 이에 따라 전자/이온의 삽입/탈리 반응이 원활하게 이루어질 수 있다.
여기서 도면부호 3은 양극 집전체이고, 4는 전해질이다.
도면으로 나타내지는 않았으나, 리튬 이온 배터리의 음극에 혼합전도체를 사용하는 경우, 리튬금속 또는 리튬합금을 혼합전도체와 분말 형태로 혼합한 혼합물을 음극 합재로 사용하거나, 또는 혼합전도체로 코팅한 리튬금속 또는 리튬합금을 음극 합재로 사용할 수 있다.
상기와 같이 음극 합재 또는 양극 합재에 사용되는 혼합전도체로는 황화티타늄(Titanium sulfide, TiS), 황화철(Iron sulfide, FeS), 산화코발트(Cobalt oxide, CoO), 리티에이티드 페로브스카이트(Lithiated Perovskite) 중 선택된 1종을 사용하거나 또는 선택된 2종 이상으로 된 혼합물을 사용할 수 있다.
한편, 고체전해질인 페로브스카이트(혹은 페로브스카이트 구조의)는 이온 전도 특성만을 가진다. DC법을 이용하여 이온전도도와 혼합전도도를 측정하면 그 차이가 없는 바 이온 단일 전도체인 것을 알 수 있다.
전자/이온 혼합전도체인 리티에이티드 페로브스카이트(Lithiated Perovskite)는 리튬 이온 전도체를 리튬 금속과 반응시켜 페로브스카이트(Perovskite) 내의 티타늄의 발란스(valance)를 변경시켜 여분의 전자를 형성하여 전자 전도성을 가지게 된다.
즉, 리티에이티드 페로브스카이트는 최적 조성의 리튬 전도체인 페로브스카이트를 합성하고 합성한 페로브스카이트를 리튬 금속과 반응시켜 얻을 수 있다.
고체전해질인 페로브스카이트와 혼합전도체인 리티에이티드 페로브스카이트의 비대칭 직류 평가법을 이용한 전도성 평가결과는 도 3에 나타낸 바와 같다.
도 3에서 보이듯이, 혼합전도체인 리티에이티드 페로브스카이트의 전자/이온 혼합 전도성이 고체전해질인 페로브스카이트의 이온 전도성보다 매우 높은 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기의 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
활물질로 입도 325 mesh를 가지는 유황 60 중량%를 사용하고, 전자/이온 혼합전도체로 리티에이티드 페로브스카이트 20 중량%를 사용하고, 바인더로 flex 2801의 폴리플루오린화비닐리덴(PVdF) 20 중량%를 이용하여 양극 슬러리(양극 합재)를 제조한 다음, 양극 집전체인 20 ㎛ 두께의 알루미늄에 상기 양극 슬러리를 도포하고 80℃에서 24시간 동안 건조하여 양극을 제작하였다.
이어서, 전해질로 농도 1M의 LiTFSI를 함유한 TEGDME/DIOX를 사용하고, 음극으로 200 ㎛ 두께의 리튬 포일을 이용하여 리튬금속 배터리를 제작하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 리튬금속 배터리를 제작하되, 양극 슬러리에 혼합전도체 대신 순수 도전재인 VGCF(vapor grown carbon fiber)를 이용하여 리튬금속 배터리를 제작하였다.
실험예
상기 실시예 1과 비교예 1의 리튬금속 배터리에 대해 방전 특성을 평가하였으며, 이를 방전 전압과 유황당 용량으로 표기하였다. 반복 수명 테스트를 실시하였고 그 중 1,2,5,10번째 사이클의 측정결과를 도 4에 나타내었다.
상기 실시예 1과 비교예 1에서 제작한 리튬금속 배터리에 대해 전지 특성 평가를 실행한 결과, 도 4에 보이듯이 비교예 1과 같은 일반적인 고밀도 배터리보다 실시예 1과 같이 이온/전자 혼합전도체를 적용한 배터리가 출력 전압 및 방전 용량이 높고, 방전 커브와 수평 특성에서 향상되었음을 알 수 있다. 이는 혼합전도체를 통한 양극에서의 효과적인 전자/이온 전달에 의한 효과로 판단된다.
1 : 양극 활물질
2 : 혼합전도체
3 : 양극 집전체
4 : 전해질

Claims (4)

  1. 양극 합재로 이루어진 양극과, 음극 합재로 이루어진 음극, 및 상기 양극과 음극 사이를 구분하는 전해질을 포함하여 구성된 것으로,
    상기 양극 합재 혹은 음극 합재는 전자와 리튬 이온을 동시에 전달가능한 혼합전도체를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 합재는 활물질과 혼합전도체를 혼합한 혼합물로 구성되거나, 또는 혼합전도체로 표면처리된 활물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 합재는 리튬금속 또는 리튬합금과 혼합전도체를 혼합한 혼합물로 구성되거나, 또는 혼합전도체로 표면처리된 리튬금속 또는 리튬합금으로 된 것을 특징으로 하는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리.
  4. 청구항 1 내지 3 중 한 항에 있어서,
    상기 혼합전도체로는 황화티타늄(Titanium sulfide, TiS), 황화철(Iron sulfide, FeS), 산화코발트(Cobalt oxide, CoO), 리티에이티드 페로브스카이트(Lithiated Perovskite) 중 선택된 1종이 사용되거나 또는 선택된 2종 이상으로 된 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 혼합전도체를 이용한 리튬 이온 배터리.
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