KR20160008270A - 버튼형 리튬 2차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버튼형 리튬 2차 전지에 관한 것으로서, 3차원 양극, 3차원 음극, 및 분리 독립된 2개의 가스켓을 포함하는 버튼형 리튬 2차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 3차원 전도성 네트워크 구조를 이루고 있는 3차원 양극 및 음극을 포함함으로써 고용량 및 우수한 율속 특성을 나타내고, 2중 가스켓을 포함함으로써 안전성이 향상된 버튼형 리튬 2차 전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

버튼형 리튬 2차 전지{COIN TYPE LITHIUM RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 버튼형 리튬 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 구조의 양극 및 음극을 포함하고, 상호 분리 독립된 2중 가스켓을 구비한 새로운 구조의 버튼형 리튬 2차 전지에 관한 것이다.
리튬 2차 전지는 소형이고 또한 경량이고, 에너지 밀도가 높고, 또한 보존 특성이 우수하므로, 종래부터 각종 전자 기기의 주전원이나 백업용 전원으로서 널리 사용되고 있다. 이들 기기 중에 조립되는 리튬 2차 전지로서는 코인형이나 원통형 등이 이용되고 있다.
통상적으로 버튼형 및, 코인형 전지는 매우 얇은 단추의 형상을 가지는 것으로서, 전기 제품들 중에서 전자계산기, 손목시계 등 소형화, 슬림화된 제품들의 전원으로 주로 이용되며, 이를 위해 소형화, 경량화되고 장시간 사용이 가능해야 한다.
일반적인 버튼형 전지의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 버튼형 및, 코인형 전지는 캔(1)의 내측에 양극 활물질 펠렛(2)이 충전되고, 컵(3)의 내측에 음극 활물질 펠렛(4)이 충전된다. 상기 컵(3)은 상기 캔(1)의 개방된 입구를 밀폐하는 방식으로 뒤집힌 상태에서 설치된다. 상기 양극 활물질 펠렛(2)과 음극 활물질 펠렛(4)은 세퍼레이터(5)에 의해서 상호 분리된다. 도면 번호 6 으로 표시된 것은 가스켓으로, 상기 컵(3)과 상기 캔(1) 사이를 절연시키기 위하여 상기 캔(3)의 말단부를 둘러싸는 형상으로 제조된다.
종래 버튼형 전지는 주로 1차 전지에 적용되어 왔으나, 최근 장시간의 수명을 필요로 하는 전자시계, 메모리 백업 전원 등의 요구에 따라 충방전이 가능한 2차 전지에도 버튼형 전지의 적용이 필요하게 되었으며, 이러한 요구에 가장 적합한 전지로서 리튬 2차 전지가 주목을 받고 있다.
리튬 2차 전지는 음극의 충전반응이 비교적 빠르게 이루어지는 리튬 이온의 유입 반응으로 인하여 급속 충전이 가능하고, 장기간 반복 사용이 가능할 뿐만 아니라 고전압전지로서 안전성이 확보되어 있어 가장 주목받고 있는 전지중의 하나이다.
일반적으로 상기 리튬 2차 전지는 양극 활물질로는 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬니켈 산화물(LiNiO2), 리튬망간 산화물(LiMn2O4) 등을 사용하고 있으며, 음극 활물질로는 리튬 금속이나 그 합금을 사용하였으나 충방전 횟수에 따른 안정성 문제가 대두되어 카본 재료가 그 대체물로서 사용되고 있다.
기존의 버튼형 리튬 2차 전지는 양극활물질 층의 두께를 200 ㎛ 이상으로 하여 제조함으로써 고용량을 나타내도록 하였으나, 이러한 경우 단위 면적당 용량이 30 mAh/cm2 이상으로 단위 면적당 용량이 증가하면서 사용 가능한 율속 특성(c-rate)의 한계를 보여왔다. 즉, 기존의 고용량 버튼형 리튬 2차 전지는 최고연속방전속도(Max. continuous discharge rate)를 0.1 C 이하로 하고, 표준 충방전 속도(standard charge/discharge rate)를 0.01 C 이하로 하여 사용하고 있다.
대한민국 등록특허 제 10-0484103 호
본 발명은 상기와 같은 종래 버튼형 전지의 용량 특성을 개선하기 위하여 고용량을 가지면서 향상된 율속 특성을 나타낼 수 있도록 3차원 양극 및 음극을 포함하고, 상기와 같은 3차원 양극 및 음극 적용에 의한 용량 증가에 따른 내압 증가시 누액 문제를 개선하기 위하여 분리 독립된 2중 가스켓을 구비하는 새로운 구조의 버튼형 리튬 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
바닥이 있는 원통형으로 형성되고 제 1 전극 단자를 겸하는 제 1 외장캔;
상기 제 1 외장캔 내에 순차적으로 적층되어 수용되는
3차원 양극;
세퍼레이터; 및
3차원 음극; 를 포함하는 발전부;
제 2 전극 단자를 겸하고, 뒤집어진 바닥이 있는 원통형으로 형성되어 상기 제 1 외장캔에 수용되는 발전부를 커버하면서 상기 제 1 외장캔의 내부에 수용되는 제 2 외장캔;
상기 제 2 외장캔의 내부로부터 상기 제 1 외장캔으로 연장 형성되어 상기 제 2 외장캔의 말단부와 상기 제 1 외장캔 사이를 절연시키는 제 1 가스켓; 및
상기 제 2 외장캔의 외부와 상기 제 1 외장캔 사이에 형성되는 제 2 가스켓; 을 포함하는 버튼형 리튬 2차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 3차원 양극 또는 3차원 음극을 감싸는 형태로 형성되고, 상기 제 1 가스켓은 상기 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터가 감싸는 3차원 양극 또는 3차원 음극 사이에 삽입되어 제 1 외장캔까지 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지는 3차원 구조의 양극, 음극을 포함하는 발전부 및 제 1 외장캔과 제 2 외장캔 사이에 형성되는 별도로 분리 독립된 2개의 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 2 에 (a)기존 방식에 의한 버튼형 리튬 2차 전지, 및 (b)본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지의 구조를 나타내었다.
도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지는 바닥이 있는 원통형으로 형성되고 제 1 전극 단자를 겸하는 제 1 외장캔(110), 상기 제 1 외장캔 내에 순차적으로 적층되어 수용되는 3차원 양극(121); 세퍼레이터(122); 및 3차원 음극(123); 을 포함하는 발전부(120); 제 2 전극 단자를 겸하고, 뒤집어진 바닥이 있는 원통형으로 형성되어 상기 제 1 외장캔에 수용되는 발전부를 커버하면서 상기 제 1 외장캔의 내부에 수용되는 제 2 외장캔(130); 상기 제 2 외장캔의 내부로부터 상기 제 1 외장캔으로 연장 형성되어 상기 제 2 외장캔의 말단부와 상기 제 1 외장캔 사이를 절연시키는 제 1 가스켓(140); 및 상기 제 2 외장캔의 외부와 상기 제 1 외장캔 사이에 형성되는 제 2 가스켓(150)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존처럼 1개의 가스켓을 이용하여 조립하게 되면, 3차원 발전부에서 전기 화학 반응이 진행되면서 엣지(edge) 부분에서 세퍼레이터가 들뜨는 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 쇼트가 발생할 수 있게 되어 안정성이 취약하게 된다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 외장캔(130)의 내부로부터 상기 제 1 외장캔(110)으로 연장 형성되어 상기 제 2 외장캔의 말단부와 상기 제 1 외장캔 사이를 절연시키는 제 1 가스켓(140); 및 상기 제 2 외장캔의 외부와 상기 제 1 외장캔 사이에 형성되는 제 2 가스켓(150)를 포함한다. 또한, 본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지는 세퍼레이터(122)가 상기 3차원 양극 또는 3차원 음극을 감싸는 형태로 형성되고, 상기 제 1 가스켓(140)은 상기 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터가 감싸는 3차원 양극 또는 3차원 음극 사이에 삽입되어 제 1 외장캔까지 연장 형성되는 구조로 형성됨으로써, 전기 화학 반응이 진행되어 세퍼레이터 및 외장캔이 들뜨는 경우에도 제 1 외장캔(110)과 제 2 외장캔(130)을 확실히 절연시킬 수 있게 된다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 3차원 양극 또는 음극은 3차원 전도성 네트워크 구조를 이루고 있는 양극 또는 음극을 의미한다. 상기 3차원 양극 또는 음극을 통해 전기 전도가 3차원적으로 이루어지므로 율속 특성이 향상될 뿐 아니라, 리튬 2차 전지의 충방전시 리튬의 흡장 방출에 따른 부피 변화에 대해 효과적으로 대응할 수 있다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 양극은 3차원 전도성 지지체 상에 양극활물질이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 전도성 지지체는 카본페이퍼, 카본펠트, 카본클로스, 금속 폼, 금속 페이퍼, 금속 펠트, 금속 클로스, 금속 메쉬로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 전도성 지지체 상에 양극활물질을 형성하는 제조 방법은 특별히 한정되지 않으나, 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating), 분무 코팅(spray coating), 화학증착법(CVD) 등을 통해 전도성 지지체 상에 양극활물질을 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 양극활물질은 특별히 제한되지는 않으며, 원소 황, 황 계 화합물, LiaA1 - bRbD2(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); LiaA2-bRbD4(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); EO2; ES2; LiES2; V2O5; LiV2O5; LiGO2; LiNiVO4; Li(3-d)J2(PO4)3(0≤d≤2); Li(3-d)Fe2(PO4)3(0≤d≤2); 및 LiFePO4 로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 한다. (상기 화학식 중에서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고, R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고, D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고, E는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고, G는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합임)
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 음극은 3차원 망상 구조를 형성하는 복수개의 섬유 표면에 음극활물질 막이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 섬유는 금속으로 이루어지고, 상기 금속은 Cu, SUS. Ti, Ni, Al, Sn, W, Ag, Cr, V, Mo, Zr, Y, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 섬유는 탄소 섬유인 것을 특징으로 한다. 탄소 섬유란 PAN(polyacrylonitrile), 레이온 또는 피치(pitch) 등의 탄소 전구체를 1500℃ 이상의 고온에서 탄화와 흑연화 공정을 통하여 만들어지는 탄소 함유율이 90% 이상인 섬유를 의미한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 망상 구조를 형성하는 복수개의 섬유 표면에 음극활물질 막을 형성하기 위한 방법은 특별히 한정되지 않으나, 전해 도금, 무전해 도금, 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating), 분무 코팅(spray coating), 화학증착법(CVD) 등을 통해 제조할 수 있다.
다른 실시예에 의한 본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 음극은 3차원 전도성 지지체 상에 음극활물질이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 3차원 전도성 지지체는 카본페이퍼, 카본펠트, 카본클로스, 금속 폼, 금속 페이퍼, 금속 펠트, 금속 클로스, 금속 메쉬로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 음극활물질은 Si, Sn, SiOx(0<x<2), SnOx(0<x<2) 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 한다. 상기 실리콘계 또는 주석계 음극활물질을 이용하는 경우 고용량의 버튼형 리튬 2차 전지의 제조가 가능한 이점이 있다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 음극활물질은 탄소 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 전도성 지지체 상에 음극활물질을 형성하는 제조 방법은 특별히 한정되지 않으나, 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating), 분무 코팅(spray coating), 화학증착법(CVD) 등을 통해 전도성 지지체 상에 음극활물질을 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 양극 또는 3차원 음극의 두께는 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 3차원 전도성 네트워크 구조를 이루고 있는 양극 및 음극을 포함하기 때문에, 양극 또는 음극의 두께가 200 ㎛ 이상이어도 우수한 율속 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 3차원 양극과 외장캔 사이에 접합되는 알루미늄 집전체; 및 상기 3차원 음극과 외장캔 사이에 접합되는 구리 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전기 전도가 3차원적으로 이루어지는 3차원 양극 및 음극을 포함하는 버튼형 리튬 2차 전지를 포함함으로써 고용량을 가지면서도 우수한 율속 특성을 나타내는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 버튼형 리튬 2차 전지를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 의한 버튼형 리튬 2차 전지를 나타내는 모식도이다.
도 4는 SUS 부직포에 Sn이 도금된 SEM 사진이다.
도 5는 Carbon paper에 Sn이 도금된 SEM 사진이다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 3차원 양극 극판 제조
NMP에 평균 입경이 15 ㎛인 양극 활물질(LiNi0 .4Co0 .2Mn0 .4O2) 분말을 90 중량%로 하고, 도전재로 super-p 3 중량% 및 바인더로 폴리비닐리덴플루오라이드를 7 중량%로 혼합한 후, 상기 혼합물을 12 시간동안 300 rpm으로 볼밀링하여 분산된 양극 슬러리를 제조하였다.
SUS로 이루어진 복수의 금속 섬유(Shine 사 제조)를 준비하였다. 금속 섬유는, 평균 단면 지름(D)이 10 um이고, 평균 길이(L)가 1 mm인 시트 형상으로 성형된 것을 사용하였다. 상기 복수의 금속 섬유는 인접하는 금속 섬유들 사이에 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 평균 크기의 기공 및 기공률 80%을 갖는 3차원 네트워크 구조를 형성하였다. 상기 준비된 양극 슬러리를 3차원 금속 집전체 상에 도포하고 100 ℃에서 건조하였다. 이후, 진공 분위기 하에 120 ℃에서 1 시간 동안 소성하여 상기 양극에 포함된 복수의 금속 섬유에 의해 형성된 기공 내에 양극 활물질을 채웠다.
< 실시예 2> 3차원 양극 극판 제조
상기 실시예 1에서 제조된 슬러리를 카본 페이퍼에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 3차원 양극 극판을 제조하였다. 상기 카본 페이퍼 복수의 탄소 섬유를 포함하며, 평균 단면 지름(D)이 6 um이고, 평균 길이(L)가 2 mm인 시트 형상으로 성형된 것을 사용하였다. 상기 복수의 탄소 섬유는 인접하는 탄소 섬유들 사이에 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 평균 크기의 기공 및 기공률 90%을 갖는 3차원 네트워크 구조를 형성하였다.
< 비교예 1>
상기 슬러리를 알루미늄 집전체에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 양극 극판을 제조하였다.
< 실시예 3> 3차원 음극 제조
20 ℃의 아르곤 가스가 충진된 진공 글로브 박스 내에서 전기 도금(electrodeposition)을 하여 복수의 금속 섬유에 의해 형성된 3차원 네트워크 구조의 표면 및 내부에 주석 및 구리가 함유된 3차원 음극을 제조하였다.
작용 전극(working electrode)으로 SUS Fiber(5mm X 5mm 면적)를 사용하였고, 기준 전극(reference electrode)으로 SCE 전극을 사용하였고, 상대 전극(counter electrode)으로 백금 메쉬를 사용하였다. 상기 전극들을 전해질 용액에 담그었다. 상기 전해질 용액으로 0.09 M tin pyrophosphate (Sn2P2O7), 0.40 M potassium pyrophosphate (K4P2O7), 0.05 M tartaric acid를 사용하였다.
증류수에 그래파이트 분말(평균 입경: 10 ㎛)과 바인더를 97:3의 중량비로 혼합 및 분산시켜 슬러리를 준비하였다. 상기 준비된 슬러리를 상기 주석 함유층이 형성된 음극 상에 도포하고 상온에서 건조하였다. 이후, 진공 분위기 하에 100 ℃에서 12 시간 동안 소성하여 상기 음극에 포함된 복수의 금속 섬유에 의해 형성된 기공 내에 그래파이트를 채웠고, 상기 복수의 금속 섬유에 의해 형성된 3차원 네트워크 구조의 표면 및 내부에 음극 100 중량부에 대하여 10 중량부의 주석이 함유된 2 ㎛ 두께의 주석 함유층이 형성된 음극을 제조하였다.
< 실시예 4> 3차원 음극 제조
작용 전극(working electrode)으로 Carbon paper(5mm X 5mm 면적)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 하여 3차원 음극을 제조하였다.
< 비교예 2>
상기 슬러리를 구리 집전체에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 3와 동일하게 하여 음극을 제조하였다.
< 실시예 5> 버튼형 리튬 이차 전지 제조
상기 실시예 1에서 제조된 3차원 양극과 상기 실시예 3에서 제조된 3차원 음극, 및 세퍼레이터를 사용하여 버튼형 리튬 이차 전지를 제조하였다. 이 때 전해액으로는 1M LiPF6를 에틸렌 카보네이트, 디에틸카보네이트 1:1의 비율로 용해시켜 사용하였다.
< 실시예 6> 버튼형 리튬 이차 전지 제조
상기 실시예 2에서 제조된 3차원 양극과 상기 실시예 4에서 제조된 3차원 음극을 이용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 하여 버튼형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
< 비교예 3>
상기 비교예 1에서 제조된 양극과 비교예 2에서 제조된 음극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 하여 버튼형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
< 실험예 1> 충방전 특성 평가
상기 실시예 5, 6 및 비교예 3에서 제조된 버튼형 리튬 이차 전지를 상온에서 3 내지 4.2 V의 전압 범위에서 0.01 C 내지 0.1 C rate의 정전류로 충방전시키면서 방전용량을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 0.01C rate 에서의
방전용량 (mAh)		 0.05C rate 에서의
방전용량 (mAh)		 0.1C rate 에서의
방전용량 (mAh)
실시예 5 20.21 19.13 18.84
실시예 6 20.35 20.22 19.65
비교예 3 20.08 17.37 11.95
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 3차원 양극 및 음극을 포함하는 실시예 5 및 6의 경우 0.01 C에서의 방전 용량과 0.1 C에서도 방전 용량이 크게 달라지지 않는 반면, 비교예 3의 경우 0.1 C에서의 방전 용량이 크게 저하된 것을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 바닥이 있는 원통형으로 형성되고 제 1 전극 단자를 겸하는 제 1 외장캔;
    상기 제 1 외장캔 내에 순차적으로 적층되어 수용되는
    3차원 양극;
    세퍼레이터; 및
    3차원 음극; 을 포함하는 발전부;
    제 2 전극 단자를 겸하고, 뒤집어진 바닥이 있는 원통형으로 형성되어 상기 제 1 외장캔에 수용되는 발전부를 커버하면서 상기 제 1 외장캔의 내부에 수용되는 제 2 외장캔;
    상기 제 2 외장캔의 내부로부터 상기 제 1 외장캔으로 연장 형성되어 상기 제 2 외장캔의 말단부와 상기 제 1 외장캔 사이를 절연시키는 제 1 가스켓 ; 및
    상기 제 2 외장캔의 외부와 상기 제 1 외장캔 사이에 형성되는 제 2 가스켓; 을 포함하는 버튼형 리튬 2차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 3차원 양극 또는 3차원 음극을 감싸는 형태로 형성되고,
    상기 제 1 가스켓은 상기 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터가 감싸는 3차원 양극 또는 3차원 음극 사이에 삽입되어 제 1 외장캔까지 연장 형성되는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 양극은 3차원 전도성 지지체 상에 형성되는 양극활물질을 포함하는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서
    상기 3차원 전도성 지지체는 카본페이퍼, 카본펠트, 카본클로스, 금속 폼, 금속 페이퍼, 금속 펠트, 금속 클로스, 및 금속 메쉬로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 양극활물질은 원소 황, 황계 화합물, LiaA1 - bRbD2(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); LiaA2 - bRbD4(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); EO2; ES2; LiES2; V2O5; LiV2O5; LiGO2; LiNiVO4; Li(3-d)J2(PO4)3(0≤d≤ 2); Li(3-d)Fe2(PO4)3(0≤d≤2); 및 LiFePO4 로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
    (상기 화학식 중에서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고, R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고, D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고, E는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고, G는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합임)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 음극은 3차원 망상 구조를 형성하는 복수개의 섬유 표면에 음극활물질 막이 형성되는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 3차원 망상 구조를 형성하는 복수개의 섬유는 Cu, SUS. Ti, Ni, Al, Sn, W, Ag, Cr, V, Mo, Zr, Y, Sb 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 금속인 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 3차원 망상 구조를 형성하는 복수개의 섬유는 탄소로 이루어진 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 음극은 3차원 구조의 전도성 지지체 상에 음극활물질이 형성된 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 3차원 구조의 전도성 지지체는 카본페이퍼, 카본펠트, 카본클로스, 금속 폼, 금속 페이퍼, 금속 펠트, 금속 클로스, 금속 메쉬로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  11. 제 6 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 음극활물질은 Si, Sn, SiOx(0<x<2), SnOx(0<x<2) 및 이들의 조합에서 선택되는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 음극활물질은 탄소 재료를 더 포함하는 것인 버튼형 리튬 2차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 양극 또는 3차원 음극의 두께는 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 버튼형 리튬 2차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 양극과 외장캔 사이에 접합되는 알루미늄 집전체; 및
    상기 3차원 음극과 외장캔 사이에 접합되는 구리 집전체를 더 포함하는 버튼형 리튬 2차 전지.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180039364A (ko) * 2016-10-10 2018-04-18 한국과학기술원 블록 공중합체 패치 입자의 제조방법 및 그로부터 제조된 블록 공중합체 패치 입자
WO2020009477A1 (ko) * 2018-07-06 2020-01-09 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 제조방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN207398237U (zh) * 2017-10-25 2018-05-22 深圳市能锐创新科技有限公司 新型扣式锂离子电池用壳体

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100484103B1 (ko) 2002-09-03 2005-04-19 삼성에스디아이 주식회사 버튼형 및 코인형 전지

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100710969B1 (ko) * 2000-08-09 2007-04-24 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 코인형 전지
JP2005347104A (ja) * 2004-06-03 2005-12-15 Hitachi Maxell Ltd コイン形電池
JP4844849B2 (ja) * 2008-04-23 2011-12-28 ソニー株式会社 リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池
KR101416277B1 (ko) * 2014-03-17 2014-07-09 경상대학교산학협력단 3차원 다공성 집전체를 이용한 전극, 이를 이용한 전지 및 그 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100484103B1 (ko) 2002-09-03 2005-04-19 삼성에스디아이 주식회사 버튼형 및 코인형 전지

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180039364A (ko) * 2016-10-10 2018-04-18 한국과학기술원 블록 공중합체 패치 입자의 제조방법 및 그로부터 제조된 블록 공중합체 패치 입자
WO2020009477A1 (ko) * 2018-07-06 2020-01-09 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 제조방법
KR20200005346A (ko) * 2018-07-06 2020-01-15 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 제조방법
CN112352342A (zh) * 2018-07-06 2021-02-09 株式会社Lg化学 二次电池及其制造方法
US11664556B2 (en) 2018-07-06 2023-05-30 Lg Energy Solution, Ltd. Secondary battery comprising a deformed gasket and method for manufacturing the same

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