KR20160002254A - 리튬 이온 이차 전지를 단위 전지셀로 포함하는 전지 모듈 시스템 - Google Patents

리튬 이온 이차 전지를 단위 전지셀로 포함하는 전지 모듈 시스템 Download PDF

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KR20160002254A
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Abstract

본 발명은 성능이 우수한 전지 모듈 시스템에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 종래의 납축전지와 병행하여 또는 이를 대체하여 전기 자동차 등 고출력 디바이스에 적용할 수 있는, 이온 전지를 단위 전지셀로 포함하는 전지 모듈 시스템에 대한 것이다. 본원 발명에 따른 전지 모듈 시스템은 저온에서도 저항비나 보존용량이 우수한 측면이 있다. 따라서 전지 모듈 시스템은 대형 전기 디바이스에 적합한 공칭 전압을 제공하면서도 우수한 수명 특성, 저온 성능 및 안전성이 확보된 적합한 전원 공급원으로 사용될 수 있다. 또한, 본원 발명에 따른 전지 모듈 시스템은 저온에서 일정 수준 이상의 출력이 필요한 환경에 적합하다.

Description

리튬 이온 이차 전지를 단위 전지셀로 포함하는 전지 모듈 시스템{A BATTERY MODULE SYSTEM COMPRISING LITHIUM ION SECONDARY BATTERIES AS UNIT CELLS}
본 발명은 성능이 우수한 전지 모듈 시스템에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 종래의 납축전지와 병행하여 또는 이를 대체하여 전기 자동차 등 고출력 디바이스에 적용할 수 있는, 리튬 이온 이차 전지를 단위 전지셀로 포함하는 전지 모듈 시스템에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가 하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. 또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 전류 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 음극 활물질은 주로 탄소계 물질로 이루어져 있으며, 양극 활물질은 주로 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등으로 이루어져 있다. 이 중, LiCoO2 는 양호한 전기 전도도와 높은 출력전압 및 우수한 전극특성을 보이며 현재 상업화되어 시판되고 있는 대표적인 양극 전극물질이나, 매장량 및 재료 가격에 따른 경제성과 환경적인 측면, 즉, 인체에 유해하다는 단점을 가지고 있다. LiNiO2 는 비교적 값이 싸고 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내고 있으나, 합성하기 어렵고 충전상태의 열적 안전성의 문제점을 가지고 있다. 또한, LiMn2O4, LiMnO2 등의 망간계 전극 물질은 합성하기도 쉽고 가격이 저렴하며 전기화학적 방전 특성이 좋고, 환경에 대한 오염도 적기 때문에 활물질로의 응용 가능성이 높으나, 전도성 및 이론용량이 작고 작동전압이 높아 전해질이 분해될 우려가 있다는 문제점을 가지고 있다.
이외에 고전압 양극을 사용하게 되면 전해액의 산화전위에 도달하여 전해액이 산화됨에 따라 가스 방출 및 부산물의 발생으로 전지 성능 감소 및 저항이 커지는 문제점이 발생하고 결과적으로 전지의 안전성 측면에서도 심각한 문제가 발생할 수 있다. 또한, 이러한 문제점을 유발하지 않으면서 고전압 조건에서 작동할 수 있는 이차전지의 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 기존의 자동차용 납축 전지를 대체하거나 이와 병행하여 사용할 수 있는 저온 및 수명 특성이 우수할 뿐만 아니라 고성능 및 고출력 특성을 보유한 전지 모듈 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본원 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 동종(同種) 또는 이종(異種)의 리튬 이차 전지셀을 포함하며, 상기 단위 전지셀은 각각 공칭 전압이 1.5V 내지 2.7V인 것인 전지 모듈 시스템을 제공한다. 상기 전지 모듈 시스템은 단위 전지셀 5개 내지 12개를 포함한다.
또한, 본원 발명은 상기 단위 전지셀을 5개 또는 6개 포함하고, 상기 단위 전지셀들이 직렬로 연결되는 리튬 이차 전지 모듈을 제공한다.
또한, 본원 발명은 상기 단위 전지셀을 7 내지 12개 포함하고, 상기 단위 전지셀들이 직렬 연결 및 병렬 연결을 조합하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 시스템을 제공한다.
본원 발명에 있어서, 상기 전지 모듈 시스템은 9.0V 내지 16.2V의 구동 전압 조건을 만족한다.
본원 발명은 동종(同種) 또는 이종(異種)의 리튬 이차 전지셀을 5개 내지 12개를 포함하며, 9V 내지 16.2V의 구동 전압 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 시스템을 제공한다.
여기에서, 상기 전지셀은 a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 b) 전해액;을 포함하는 리튬 이차 전지셀이며, 상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 포함한다.
상기 리튬 티타늄 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LixTiyO4
상기 식에서, 0.5≤x≤3, 1≤y≤2.5 이다.
상기 리튬 티타늄 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4일 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질로서 리튬 망간산화물, 리튬 망간-복합금속 산화물 및 리튬 니켈-망간-코발트 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 2종 이상을 포함한 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질 100중량% 대비 상기 혼합물이 80중량% 이상일 수 있다.
상기 리튬 망간-복합금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
LiaMebMn2-bO4-cAc
상기 화학식 2에서 0.5 ≤ a ≤ 1.2, 0 < b ≤ 2.0 및 0.0 ≤ c ≤ 4.0이고,
Me는 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, A 는 1가 또는 2가의 음이온이다.
또한, 상기 리튬 망간-복합금속 산화물은 LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4일 수 있다.
상기 리튬 니켈-망간-코발트 산화물은 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 3]
LioNi1-p-qMnpCoqOr
상기 화학식 3에서, 0.5≤o≤1.2, 0.15≤p≤0.45, 0.15≤q≤0.45 및 1.5 ≤r≤2.5이다.
또한, 상기 리튬 니켈-망간-코발트 복합 산화물은 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 또는 LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2 일 수 있다.
또한, 본원 발명은 상기 전지 모듈 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차와 같은 디바이스를 제공한다.
본원 발명에 따른 전지 모듈 시스템은 저온에서도 저항비나 보존용량이 우수한 측면이 있다. 따라서 전지 모듈 시스템은 대형 전기 디바이스에 적합한 공칭 전압을 제공하면서도 우수한 수명 특성, 저온 성능 및 안전성이 확보된 적합한 전원 공급원으로 사용될 수 있다. 또한, 본원 발명에 따른 전지 모듈 시스템은 저온에서 일정 수준 이상의 출력이 필요한 환경에 적합하다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 실시예 1의 전지셀과 비교예 1의 전지셀에 있어서 전지 사용 시간에 따른 보존용량(Capacity retention) 및 저항변화(resistance increase) 경향을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본원 발명에 따른 전지 모듈 시스템의 구체적인 일 실시양태를 개략적으로 도시한 것이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명을 상세하게 설명한다.
종래 자동차용 납축 전지는 1차 전지로 짧은 수명, 큰 무게라는 단점을 가지고 있다. 납축 전지의 일반적인 수명은 5년 이하이며 자가방전 등의 이유로 완전 방전이 이루어지면 성능이 현저히 낮아지는 단점이 있다. 이에 따라 납축 전지를 대체하기 위한 전원 공급 시스템으로서 리튬 이온 이차 전지를 이용한 전지 모듈 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 납축 전지를 리튬 이차 전지로 대체하기 위해서는 적합한 공칭 전압과 우수한 수명 특성, 저온 성능 및 안전성이 확보된 셀을 개발할 필요가 있다.
이에 본원 발명은 종래 고출력 디바이스에 사용되는 전원 공급 시스템인 납축 전지를 대체하거나 이와 병행하여 사용할 수 있는 전지 모듈 시스템을 제공한다. 상기 전지 모듈 시스템은 동종(同種) 또는 이종(異種)의 리튬 이차 전지셀을 포함하며, 상기 단위 전지셀은 각각 공칭 전압이 1.5V 내지 2.7V, 바람직하게는 1.5 V~ 2.6V, 또는 2.0V ~ 2.6V, 또는 2.15V~ 2.6V 범위 내에서 조절이 가능하다.
여기서 '동종'은 리튬 이차 전지셀에 사용된 양극 활물질과 음극 활물질의 재료와 조성이 같은 것을 의미하고, '이종'은 리튬 이차 전지셀에 사용된 양극 활물질과 음극 활물질 중 적어도 하나의 재료가 다른 것을 의미한다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전지 모듈 시스템은 단위 전지로서 바람직하게는 5개 내지 12개의 리튬 이차 전지셀들이 상호 조합되어 구성된다. 여기서 ‘상호 조합’은 직렬 또는 직렬과 병렬이 조합된 구성을 의미한다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전지 모듈 시스템은 단위 전지셀의 개수가 7개 미만인 경우에는 포함되는 단위 전지셀들이 모두 직렬로 연결되는 것이 바람직하다. 한편, 전지 모듈 시스템 내 단위 전지의 개수가 7개 이상인 경우에는 단위 전지셀들이 직렬 연결 및 병렬 연결을 조합하여 연결된다.
도 2는 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전지 모듈 시스템의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 이차 전지 모듈 시스템(100)은 직렬 연결된 6개의 전지셀(110)과, 최외곽 전지셀의 단자측 도선에서 방전 전류의 순방향으로 구비된 다이오드(120)를 포함한다. 다이오드(120)는 일정 전압 이상에서 전류의 흐름을 원활하게 하고 그 전압 이하에서 전류의 흐름을 차단한다. 따라서 다이오드를 구비한 모듈 시스템은 전지셀들을 과방전으로부터 보호하고, 전지셀들간 전압 균형을 맞출 수 있다.
도 3는 이차 전지 모듈 시스템의 다른 조합 예를 나타낸 개략도이다. 도 3를 참고하면, 전지 모듈 시스템(200)은 두 개의 서브 모듈(230)이 병렬로 연결되며 각 서브 모듈은 5개의 단위 전지셀(210)이 직렬로 연결되어 있는 것으로서 총 10개의 전지셀이 상호 조합하여 연결된다. 한편, 상기 서브 모듈(230)은 이차 전지의 방전량을 조절하는 고정 저항 또는 가변 저항을 포함할 수 있다. 도 3에서는 가변 저항(R)을 예를 들어 도시하였다. 전지 모듈 시스템은 고정 저항 또는 가변 저항에 의해 수명 특성과 안전성을 더 우수하게 확보할 수 있다.
도 2 내지 도 3에 도시한 전지 모듈 시스템(100, 200)의 조합 구성은 하나의 예일 뿐 본 조합 예에 따른 전지 모듈 시스템의 구성은 전술한 예로 한정되지 않고 소망하는 구동 전압을 구현하는데 적합한 형태로 다양하게 변형 가능하다.
이와 같이 동종 또는 이종의 전지셀들을 다양하게 조합하여 9.0V 내지 16.2V 범위의 구동 전압을 만족하는 이차 전지 모듈 시스템을 용이하게 구성할 수 있다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 단위 전지로 사용되는 전지셀은 리튬 이온 이차 전지인 것으로서 상기 리튬 이온 이자 전지의 음극은 음극활물질로서 리튬 티타늄 산화물을 포함하는 것이다. 일반적인 리튬 이온 이차 전지에 있어서 음극 활물질로서 그라파이트 등 카본계열 물질을 사용하는데 이러한 카본계열 음극에서도 납축 전지와 유사한 성능 저하 문제가 유발되는 경우가 있다.
본원 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위해 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide; LTO) 음극이 채용된 리튬 이온 이차 전지셀을 이용한 전지 모듈 시스템을 제안한다. LTO 음극을 사용한 전지셀의 경우 완전 방전이 일어난 경우에도 용량이나 저항 측면에서 동일한 성능을 유지하는 것이 가능하다.
또한, 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 리튬 이온 이차 전지셀의 양극은 저온 성능이 우수한 리튬 망간 산화물을 양극 활물질로 포함할 수 있다. 따라서 저온 출력 성능이 요구되는 디바이스의 경우에는 양극 활물질로 리튬 망간 산화물을 사용하여 더 적합한 배터리 시스템을 구성할 수 있다. 한편, 납축 전지를 리튬 이온 이차 전지로 대체하기 위해서는 전술한 바와 같은 구동 전압을 구성할 필요가 있다. 따라서 전지의 에너지 밀도, 전극 제작의 용이성을 향상시키기 위해 상기 양극은 리튬 망간 복합금속 산화물이나 리튬 니켈-망간-코발트 산화물 등의 재료가 더 투입된 복합 양극일 수 있다.
이하 상기 전지 시스템 모듈 시스템을 구성하는 리튬 이온 이차 전지셀에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
상기 전지셀은 a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 b) 전해액;을 포함하는 리튬 이온 이차 전지셀이다.
구체적인 실시양테에 따르면, 리튬 이차 전지셀은 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막, 상기 음극, 양극 및 분리막에 함침된 전해질, 전지 용기 그리고 상기 전지 용기를 봉입하는 봉입 부재를 주된 부분으로 하여 구성되어 있다. 이러한 리튬 이차 전지셀은 음극 분리막 양극을 차례로 적층한 후 권취하여 전지 용기에 수납하여 구성된다.
상기 리튬 이차 전지셀은 사용하는 분리막과 전해질의 종류에 따라서 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있다. 전지의 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있고, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이? 전지의 구조와 제조 방법은 이 분야에서 널리 알려져 있으므로 상세한 설명을 생략한다.
상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 포함한다. 상기 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide; LTO)은 하기 화학식 1로 표시되는 것이다.
[화학식 1]
LixTiyO4
상기 식에서, 0.5≤x≤3, 1≤y≤2.5 이다.
상기 화학식 1로 표시되는 리튬 티타늄 산화물의 예로는 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4이 있다. 그러나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
LTO의 이론 용량은 175mAh/g 정도이고 전위가 1.5V(Li+/Li) 로 흑연 등 탄소계 재료에 비해 다소 높다. 그러나 충방전 전후에 결정 격자의 차이를 나타내지 않아 변형이 적으며 실제로 충방전에 따른 부피 변화가 약 0.1% 이하이다. 또한, 전위가 높아 표면에 저항을 증가시키는 SEI 층이 형성되지 않는다. LTO는 흑연에 비해 낮은 용량을 갖지만 이러한 특성들로 인해 흑연보다 우수한 수명 특성을 보인다. 첨부된 도 1을 참조하면, LTO 음극을 사용한 실시예 1의 전지셀은 흑연 음극을 사용한 비교예 1의 전지셀에 비해 사용 시간에 따른 보존용량(Capacity retention) 및 저항변화(resistance increase) 특성이 매우 우수하다.
본원 발명에 따른 구체적인 일 실시양태에 따르면 LTO는 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태인 것으로서 상기 2차 입자는 입경이 바람직하게는 30㎛ 미만인 것이다. 상기 입자의 크기가 나노미터 사이즈인 경우 출력 및 수명 특성이 향상되는 효과가 있다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고 음극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하 지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하다. 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금 속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 리튬 티타늄 산화물의 높은 전위에 대응하여, 본원 발명의 하나의 구체적인 예에서, 상기 양극은 고전압 양극을 사용한다. 상기 고전압 양극은 양극 활물질로서 리튬 망간산화물, 리튬 망간-복합금속 산화물 및 리튬 니켈-망간-코발트 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상, 바람직하게는 이 중 2종 이상의 혼합물을 사용한다. 더욱 바람직하게는 상기 양극은 양극 활물질 100중량% 대비 상기 혼합물이 80중량% 이상 또는 90중량% 이상, 또는 95중량% 이상, 또는 100%인 것이다.
구체적으로 리튬 망간 산화물은 LiMn2O4인 것이다. 상기 리튬 망간산화물은 구조 변화 안전성, 열적 안전성 및 율속 특성이 우수하며, 리튬 리튬-망간-코발트 산화물 재료에 비해 저항의 SOC 및 온도 의존성이 적은 잇점이 있다. 도 4 및 5는 리튬 망간 산화물 100% 양극의 충방전시 저항 변화 패턴을 나타낸 것이며, 도 6 및 도 7은 리튬 코발트 산화물 100% 양극의 충방전시 저항 변화 패턴을 나타낸 것이다. 이에 의하면 리튬 망간 산화물 양극에서 저항변화가 적은 것을 확인할 수 있다.
그러나 낮은 에너지 밀도 및 고온 조건에서 망간 용출에 의한 용량 저하를 보완하기 위해 리튬 망간-복합 금속 산화물이나 리튬 리튬-망간-코발트 산화물과 같은 재료와 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 리튬 망간-복합금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 것이다.
[화학식 2]
LiaMebMn2-bO4-cAc
상기 화학식 2에서 0.5 ≤ a ≤ 1.2, 0 < b ≤ 2.0 및 0 ≤ c ≤ 4.0이며,
상기 Me는 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다. 상기 A 는 1가 또는 2가의 음이온이다.
바람직하게는 상기 화학식 2로 표시되는 리튬 망간-복합금속 산화물은 Me가 Ni인 것이다. 이의 구체적인 예로 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4를 들 수 있으나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 리튬 니켈-망간-코발트 산화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 것이다.
[화학식 3]
LioNi1-p-qMnpCoqOr
상기 화학식 3에서, 0.5≤o≤1.2, 0.15≤p≤0.45, 0.15≤q≤0.45 및 1.5≤r≤2.5이다.
상기 리튬 니켈-망간-코발트 복합 산화물은 구체적으로 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 또는 LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2 를 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극에서 전술한 양극 활물질은 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 85중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상이 포함된다. 상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극에서 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 50 중량%, 바람직하게는 10 중량% 이하로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 양극에서 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20중량%, 바람직하게는 7중량% 이하로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 양극에서 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
본원 발명에 있어서, 상기 전해액은 리튬염을 함유하고 있으며, 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
또한 본원 발명은 전술한 본원 발명에 따른 전지 모듈 시스템을 포함하는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. 상기 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차 (Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(Escooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
리튬 이차 전지셀의 제조
각 실시예에 대해서, 양극 활물질, 바인더, 도전재를 하기 표 1과 같이 준비하여 N- 메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 조성물을 제조하였다. 상기 양극 조성물을 알루미늄 호일에 도포한 후 건조 및 압연하여 양극을 제조하였다. 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 하기 표 1과 같이 준비하여 N-메틸필로리돈 용매에 분산시켜 음극 조성물을 제조하였다. 다음, 구리 호일 위에 상기 음극 조성물을 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다. 전해액으로는 프로필렌카보네이트(PC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 디메틸카보네이트(DMC)의 혼합 부피비가 2:4:4인 혼합용액에 1.0M 농도의 LiPF6가 용해된 것을 사용하였다. 상기 제조된 양극 및 음극과 폴리프로필렌 재질의 세퍼레이터를 개재하고 상기 전해액을 주입한 후 권취 및 압축하여 단위셀을 제작하였다.
활물질
(성분/함량 wt%)		 도전재
(성분/함량)		 바인더/함량
(성분/함량)
실시예 1 음극 Li1.33Ti1.67O4/92wt% 카본블랙/4 wt % PVDF/4 wt %
양극 LiMn2O4/75.65wt%
LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2/13.35wt%		 카본블랙/7.5 wt % PVDF/3.5 wt %
실시예 2 음극 Li1.33Ti1.67O4/92wt% 카본블랙/4 wt % PVDF/4 wt.%
양극 LiMn2O4/44.25 wt %
LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2/44.25 wt %		 카본블랙/8.0 wt % PVDF/3.5 wt.%
리튬 이차 전지 모듈의 제조
실시예 1: 제조된 리튬 이차 전지 단위셀의 6개를 직렬로 연결하여 리튬 이차 전지 모듈을 제조하였다. 이 경우 각 단위셀의 공칭 전압은 2.4V~2.5V 이며, 상기 전지 모듈의 구동 전압은 10.8~15.6V였다.
실시예 2: 제조된 리튬 이차 전지 단위셀 6개를 직렬로 연결하여 서브 모듈을 제작하고 상기 서브 모듈을 병렬로 연결하여 리튬 이차 전지 모듈을 제작하였다. 이 경우 각 단위셀의 공칭 전압은 2.25V ~ 2.3V이며, 구동 전압은 10.8~15.6V였다.
비교예
비교예 1: 리튬 이차 전지셀의 제조
양극 활물질, 바인더, 도전재를 하기 표 2와 같이 준비하여 N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 조성물을 제조하였다. 상기 양극 조성물을 알루미늄 호일에 도포한 후 건조 및 압연하여 양극을 제조하였다. 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 하기 표 2와 같이 준비하여 용매인 탈이온수에 분산시켜 음극 조성물을 제조하였다. 다음으로, 구리 호일 위에 상기 음극 조성물을 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조하였다. 전해액으로는 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 디메틸카보네이트(DMC)의 혼합 부피가 2:4:4인 혼합 용액에 1.0M 농도의 LiPF6이 용해된 것을 사용하였다. 상기 제조된 양극 및 음극과 폴리프로필렌 재질의 세퍼레이터를 개재하고 상기 전해액을 주입한 후 권취 및 압축하여 리튬 이차 전지 단위셀을 제작하였다. 상기에서 제조된 리튬 이차 전지 단위셀 4개를 직렬로 연결하여 리튬 이차 전지 모듈을 제조하였다. 이 경우 구동 전압은 11.5~16.8V이었다.
활물질
(성분/함량 wt%)		 도전재
(성분/함량)		 바인더/함량
(성분/함량)
비교예 1 음극 그라파이트/95.8wt% 카본블랙/1 wt % SBR/2.2 wt %
양극 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2/88.5wt% 카본블랙/8.5 wt % PVDF/3.0 wt %
전지의 충방전 효율 및 저항 증가율 특성 비교
상기 실시예 1의 전지셀과 비교예 1의 전지들을 셀을 충방전 사이클 장치(제조사: TOYO, 모델: TOYO-5200) 를 이용하여 특성을 비교하였다. 실시예1은 25℃, 2.6V 충전전압, 400㎃h 전류밀도로 CC-CV(Constant current-Constant voltage)로 최초 충전 후, 10분의 휴지기간을 가지고 방전용량 1000㎃h로 CC-CV로 0V까지 방전 후 17시간 유지하였다. 이후 다시 25℃, 2.6V 충전전압, 400㎃h 전류밀도로 CC-CV(Constant current-Constant voltage)로 충전 후, 10분의 휴지기간을 가지고 방전용량 1000㎃h로 1.8V까지 방전하여 용량을 측정한 후, SOC 50%에서 저항을 측정하였다. 비교예 1은 25℃, 4.2V 충전전압, 400㎃h 전류밀도로 CC-CV(Constant current-Constant voltage)로 최초 충전 후, 10분의 휴지기간을 가지고 방전용량 1000㎃h로 CC-CV로 0V까지 방전 후 17시간 유지하였다. 이후 다시 25℃, 4.2V 충전전압, 400㎃h 전류밀도로 CC-CV(Constant current-Constant voltage)로 충전 후, 10분의 휴지기간을 가지고 방전용량 1000㎃h로 2.8V까지 방전하여 용량을 측정한 후, SOC 50%에서 저항을 측정하여 충방전 효율 및 저항증가율 특성을 비교하였으며, 도 1에 그 결과를 나타내었다. 하기 도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 LTO 음극 및 이를 이용하여 제조된 실시예 1의 리튬 이차 전지 모듈은 비교예 1의 흑연 음극을 채용한 전지 모듈에 비하여 충방전 효율 및 저항 증가율의 측면에서 우수한 효과를 나타내는 것을 확인하였다.
10 디바이스
100, 200 전지 모듈 시스템
110, 210 단위 전지셀
120, 220 다이오드
230 서브 모듈

Claims (18)

  1. 동종(同種) 또는 이종(異種)의 리튬 이차 전지셀을 포함하며, 상기 단위 전지셀은 각각 공칭 전압이 1.5V 내지 2.7V인 것인, 전지 모듈 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 모듈 시스템은 단위 전지셀 5개 내지 12개를 포함하는 것인, 전지 모듈 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 전지셀을 5개 또는 6개 포함하고, 상기 단위 전지셀들이 직렬로 연결되는 리튬 이차 전지 모듈 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위 전지셀을 7 내지 12개 포함하고, 상기 단위 전지셀들이 직렬 연결 및 병렬 연결을 조합하여 연결되는 것을 특징으로 하는 것인, 전지 모듈 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 모듈 시스템은 9.0V 내지 16.2V의 구동 전압 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 시스템.
  6. 동종(同種) 또는 이종(異種)의 리튬 이차 전지셀을 5개 내지 12개를 포함하며, 9V 내지 16.2V의 구동 전압 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 b) 전해액;을 포함하는 리튬 이차 전지셀이며,
    상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 포함하는 것인, 전지 모듈 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리튬 티타늄 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 것인, 전지 모듈 시스템:
    [화학식 1]
    LixTiyO4
    상기 식에서, 0.5≤x≤3, 1≤y≤2.5 이다.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 리튬 티타늄 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4인 것을 특징으로 하는 전지 모듈 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 양극은 양극 활물질로서 리튬 망간산화물, 리튬 망간-복합금속 산화물 및 리튬 니켈-망간-코발트 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 2종 이상을 포함한 혼합물을 포함하는 것인, 전지 모듈 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양극은 양극 활물질 100중량% 대비 상기 혼합물이 80중량% 이상인 것인 전지 모듈 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 리튬 망간-복합금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 것인, 전지 모듈 시스템:
    [화학식 2]
    LiaMebMn2-bO4-cAc
    상기 화학식 2에서 0.5 ≤ a ≤ 1.2, 0 < b ≤ 2.0 및 0.0 ≤ c ≤ 4.0이고,
    Me는 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며,
    A 는 1가 또는 2가의 음이온이다.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 리튬 망간-복합금속 산화물은 LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4인 것을 특징으로 하는 전지 모듈 시스템 .
  14. 제10항에 있어서,
    상기 리튬 니켈-망간-코발트 산화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 것인, 전지 모듈 시스템:
    [화학식 3]
    LioNi1-p-qMnpCoqOr
    상기 화학식 3에서, 0.5≤o≤1.2, 0.15≤p≤0.45, 0.15≤q≤0.45 및 1.5 ≤r≤2.5이다.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 리튬 니켈-망간-코발트 복합 산화물은 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 또는 LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2 인 것을 특징으로 하는 것인, 전지 모듈 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 전지 모듈 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제16항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것인 디바이스.

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