KR20160079406A

KR20160079406A - 리튬황 전고체 전지

Info

Publication number: KR20160079406A
Application number: KR1020140190716A
Authority: KR
Inventors: 박상진; 류희연
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-06
Also published as: KR101693639B1

Abstract

본 발명은 리튬황 전고체 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건식 공정을 이용하여 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들을 배치하여 전지를 제조함으로써 전지의 대면적화를 가능하게 하는 동시에 전극 면적 당 전지 용량을 증대시키고, 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있는 리튬황 전고체 전지에 관한 것이다.

Description

리튬황 전고체 전지{Li-SULFUR ALL SOLID BATTERY}

리튬황 전고체 배터리는 건식 공정 및 습식 공정에 의해 제조될 수 있는데, 습식공정으로 전극을 제작할 경우 용매 및 바인더의 불안정성으로 인해 전지 용량이 건식 공정 대비 약 20 % 수준으로 감소되는 문제가 있다.

이에 반하여 건식 공정에 의해 제작하는 경우 에너지용량을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나 일반적으로 건식 공정으로는 대면적의 전고체 전지를 제작하는 것이 어렵다.

도 1은 종래 리튬황 전고체 전지의 습식 공정 및 건식 공정에 따른 방전용량 그래프이다. 상기 도 1을 참조하면, 습식 공정에 의해 제작된 양극은 건식 공정에 의해 제작된 양극과 대비하여 20 % 수준으로 방전용량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

도 2는 종래 리튬황 전고체 전지의 고전압(100 bar) 및 저전압(35 bar)에 따른 방전용량 그래프이다. 상기 도 2를 참조하면, 35 bar의 저전압 보다 100 bar의 고전압에서 전고체 전지를 제조하는 경우 방전 용량이 2배 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 전지용량을 향상시키는 동시에 대면적이 가능한 전고체 전지에 대한 개발이 필요하다.

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 전지 용량이 우수하지만 대면적 제작이 어려웠던 건식 공정을 이용하여 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들을 배치하여 전지를 제조함으로써 전지의 대면적화를 가능하게 하고, 기존 전극 대비 전극 면적 당 전지 용량을 증대시키고, 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 건식 공정을 이용하여 전극 면적 당 전지 용량을 향상시킬 수 있는 리튬황 전고체 전지를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전지의 대면적화가 가능하고, 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있는 리튬황 전고체 전지를 제공하는데 있다.

본 발명은 엔드 플레이트, 절연체, 집전장치, 바이폴라 플레이트와 전고체셀을 포함하는 개스킷으로 이루어진 리튬황 전고체 전지에 있어서, 상기 개스킷은 다수개의 전고체셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 리튬황 전고체 전지는 건식 공정을 이용하여 전고체셀을 제조함으로써 기존 전극 대비 전극 면적 당 전지 용량을 향상시킬 수 있다.

또한 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들을 배치하여 전지를 제조함으로써 전지의 대면적화를 가능하게 하고, 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 리튬황 전고체 전지의 습식 공정 및 건식 공정에 따른 방전용량 그래프이다.
도 2는 종래 리튬황 전고체 전지의 고전압(100 bar) 및 저전압(35 bar)에 따른 방전용량 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬황 전고체 전지의 적층구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다수개의 전고체셀들을 포함하는 제1 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다수개의 전고체셀들을 포함하는 제2 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 비교예 1(a) 및 실시예 1(b)에서 제조된 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 비교예 2(a) 및 실시예 2(b)에서 제조된 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 리튬황 전고체 전지는 엔드 플레이트, 절연체, 집전장치, 바이폴라 플레이트와 전고체셀을 포함하는 개스킷으로 이루어진 리튬황 전고체 전지에 있어서, 상기 개스킷은 다수개의 전고체셀들을 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 다수개의 전고체셀들은 상기 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 전고체셀은 상기 개스킷에 다수개의 전고체셀들을 규칙성을 가지며 등간격으로 배열하는 것이 공정성을 확보하고 대면적 전고체셀을 제작할 수 있는 이점이 있다. 또한 상기 전고체셀을 상기 개스킷에 각각 하나씩 실링하여 결합하는 것보다 다수개를 규칙성을 가지며 등간격으로 배열하는 것이 전체 부피를 감소시키고, 각각의 전고체셀을 별도로 실링할 필요가 없어 공정성을 향상시킬 수 있다. 이에 반하여 기존의 건식 제작 방법으로 한 개의 대면적 전고체셀을 제작하는 것은 공정성이 좋지 않아 제작이 어려운 단점이 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 전고체셀은 양극, 고체전해질 및 음극이 적층된 구조로 이루어진 것일 수 있다. 이러한 상기 전고체셀은 건식 공정에 의해 제조되어 전극 면적 당 전지 용량을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 전고체셀은 평균 면적이 0.5 ~ -7 cm² 인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 전고체셀의 평균 면적이 0.5 cm² 보다 작으면 대면적을 위해 다수의 전고체셀이 필요하여 공정 비용이 상승할 수 있고, 7 cm² 보다 크면 건식 방법으로 제작하는 것이 어렵다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 전고체셀들은 동일 형상 및 크기를 갖는 것일 수 있다. 이러한 상기 전고체셀들은 전극 면적을 높이기 위해 다양한 형태로 제작할 수 있는데, 바람직하게는 상기 전고체셀들은 원형, 삼각형, 마름모형, 오각형, 육각형 및 팔각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 평면 형태인 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는 원형 또는 육각형의 평면 형태인 것이 좋다. 이러한 다양한 평면 형태의 셀을 사용하여 규칙성을 가지며 등간격으로 배치할 경우 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 다수개의 전고체셀들 사이에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 체결 홀들을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 체결 홀들은 상기 전고체셀 사이에 위치하여 상기 전고체셀들이 움직이는 것을 방지하고 셀 전체에 균일한 면압을 가할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 체결 홀은 평균 면적이 0.5 ~ 2 cm²인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 체결 홀의 평균 면적이 0.5 cm² 보다 작으면 셀 내부 충분한 면압이 가해질 수 없고, 2 cm² 보다 크면 전지 용량이 감소할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 리튬황 전고체 전지는 상기 개스킷 및 바이폴라 플레이트가 교대로 반복 적층된 구조로 이루어진 것일 수 있다. 상기 개스킷은 각 층간 절연과 동시에 셀 내부를 실링하는 역할을 하고 상기 바이폴라 플레이트는 층간 전자를 이동시키는 역할을 하는데, 이들을 교대로 반복 적층함으로써 전지 용량의 향상을 극대화시키는 바이폴라 적층셀을 제작할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 리튬황 전고체 전지의 적층구조를 나타낸 단면도이다. 상기 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 리튬황 전고체 전지의 상부와 하부에는 엔드 플레이트, 절연체 및 집전장치가 적층되어 있으며, 그 사이에 바이폴라 플레이트 및 개스킷이 교대로 반복 적층된 구조로 이루어진 리튬황 전고체 전지의 구현예를 보여준다.

도 4는 본 발명에 따른 다수개의 전고체셀들을 포함하는 제1 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다. 상기 도 4를 참조하면, 평면 형태가 직사각형인 상기 제1 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들이 배치되어 있다. 이러한 배치는 건식 제작 셀을 대면적으로 구현할 수 있도록 배치함으로써 전고체 전지의 전지 용량을 증대시킬 수 있다. 또한 상기 전고체셀들 사이에 다수개의 체결 홀들이 규칙성을 가지며 등간격으로 배치되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다수개의 전고체셀들을 포함하는 제2 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다. 상기 도 5를 참조하면, 평면 형태가 육각형인 상기 제2 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들이 배치되어 있다. 또한 상기 전고체셀들의 가장 자리에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 체결 홀들이 배치되어 있다.

따라서 본 발명에 따른 리튬황 전고체 전지는 건식 공정을 이용하여 전고체셀을 제조함으로써 기존 전극 대비 전극 면적 당 전지 용량을 향상시킬 수 있다. 또한 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들을 배치하여 전지를 제조함으로써 전지의 대면적화를 가능하게 하고, 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

성형 몰드에 고체전해질 분말 0.2 g을 넣고 50 MPa의 압력 및 25 ℃의 온도에서 10 초 동안 프레싱하였다. 그 다음 그 위에 양극 분말을 고르게 분포시킨 후 200 MPa의 압력에서 1 분간 프레싱하였으며, 반대면에 Li 금속 100 ㎛를 부착한 후 고체전해질과 동일한 조건에서 프레싱하여 코인셀을 제작하였다. 제작된 상기 코인셀은 평균 직경이 16 mm 였다.

상기 코인셀의 배치를 통한 대면적화를 위해 상기한 전고체 전지의 코인셀 4개를 제작하였으며, 상기 코인셀 4개를 43 mm x 43 mm 면적을 갖는 개스킷에 2 x 2의 형태로 배치한 후 체결 홀을 이용하여 볼팅 타입으로 체결하여 대면적 전고체 전지를 제작하였다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제작하였으며, 제작된 코인셀 4개를 38 mm x 38 mm 면적을 갖는 개스킷에 2 x 2의 형태로 병렬 배치한 후 밴드 타입으로 대면적 전고체 전지를 제작하였다.

비교예 1

유황, 탄소재, 바인더, 고체전해질을 30:15:5:50 중량비로 볼밀 혼합된 양극 슬러리를 니켈 호일에 캐스팅법을 이용하여 코팅 후 상온 12 시간 및 80 ℃에서 2 시간 건조하여 양극을 제작하였다. 고체전해질 및 바인더가 97:3 질량비로 볼밀 혼합된 고체전해질 슬러리를 제작된 양극 위에 캐스팅법으로 코팅한 후 상온 12 시간 및 80 ℃에서 2 시간 건조하였다. 제작된 고체전해질막 위에 100 ㎛의 리튬 금속을 올려놓고 50 MPa의 압력으로 10 초간 프레싱하여 습식 공정을 이용한 전고체 셀을 제작하였다.

비교예 2

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 전고체셀을 제작하였으며, 제작된 전고체셀을 38 mm x 38 mm 면적을 갖는 개스킷에 체결 홀을 사용하지 않고 밴드 타입으로 체결하여 대면적 전고체 적층 전지를 제작하였다.

실험예 1

상기 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 개스킷을 이용한 전고체 전지의 전지용량을 확인하기 위해 면적 당 전지용량을 측정하였으며, 그 결과는 도 6 및 하기 표 1에 나타내었다.

도 6은 상기 비교예 1(a) 및 실시예 1(b)에서 제조된 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 비교예 1에서는 6.25 ㎠의 전극 면적을 갖는 전고체셀이 개스킷의 중앙에 위치하고 그 가장자리는 8개의 체결 홀들이 규칙성을 가지며 등간격으로 위치된 볼팅 타입 형태로 이루어진 개스킷을 보여주고 있다. 또한 상기 실시예 1에서는 8.03 ㎠의 총 전극 면적을 갖는 4개의 전고체셀들이 등간격 하에 바둑판 형식으로 개스킷의 중앙에 위치하고 그 가장자리는 8개의 체결 홀들이 규칙성을 가지며 등간격으로 위치하여 볼팅 타입 형태로 이루어진 개스킷을 보여준다.

구분	비교예 1	실시예 1
전극 면적	6.25 ㎠	8.03 ㎠
전지용량(1)	1.05 mAh/㎠ (전극 면적 기준)	4.83 mAh/㎠ (전극 면적 기준)
전체 면적	18.49 ㎠	18.49 ㎠
전지용량(2)	0.35 mAh/㎠ (전체 면적 기준)	2.10 mAh/㎠ (전체 면적 기준)

상기 표 1의 결과에 의하면, 상기 비교예 1에 비해 상기 실시예 1은 전극 면적이 8.03 ㎠로 증가되었으며, 전지용량(1)도 전극면적 기준으로 4.83 mAh/㎠의 높은 용량을 가지는 것을 확인하였다. 이로 인한 전체 면적 기준의 전지용량(2)은 상기 비교예 1 과 대비하여 약 6배 이상의 전지용량이 향상되었음을 확인하였다.

실험예 2

상기 비교예 2 및 실시예 2에서 제조된 개스킷을 이용한 전고체 전지의 전지용량을 확인하기 위해 면적 당 전지용량을 측정하였으며, 그 결과는 도 7 및 하기 표 2에 나타내었다.

도 7은 상기 비교예 2(a) 및 실시예 2(b)에서 제조된 개스킷의 셀 배치 형태를 나타내는 평면도이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 비교예 2에서는 11.56 ㎠의 전극 면적을 갖는 전고체셀이 개스킷의 중앙에 위치하고 그 가장자리는 밴드 타입의 형태로 이루어진 개스킷을 보여주고 있다. 또한 상기 실시예 2에서는 8.03 ㎠의 총 전극 면적을 갖는 4개의 전고체셀들이 등간격 하에 바둑판 형식으로 개스킷의 중앙에 위치하고 그 가장자리는 밴드타입의 형태로 이루어진 개스킷을 보여준다.

구분	비교예 2	실시예 2
전극 면적	11.56 ㎠	8.03 ㎠
전지용량(1)	1.02 mAh/㎠ (전극 면적 기준)	4.90 mAh/㎠ (전극 면적 기준)
전체 면적	14.44 ㎠	14.44 ㎠
전지용량(2)	0.82 mAh/㎠ (전체 면적 기준)	2.72 mAh/㎠ (전체 면적 기준)

상기 표 2의 결과에 의하면, 상기 실시예 2의 전극 면적은 상기 비교예 2에 비해 감소되었으나, 상기 비교예 2의 낮은 용량 대비 상기 실시예 2에서 제조된 개스킷의 전지용량(1)은 4.90 mAh/㎠의 높은 용량을 가지는 것을 확인하였다. 이로 인해 전체 면적 기준의 전지용량(2)은 상기 비교예 2와 대비하여 약 3.3 배인 2.72 mAh/㎠로 전지용량이 향상되었음을 확인하였다.

따라서 상기 실시예 1,2에서 제조된 개스킷을 이용한 리튬황 전고체 전지는 건식 공정을 이용하여 전고체셀을 제조함으로써 기존 전극 대비 전극 면적 당 전지 용량을 향상시킬 수 있다. 또한 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 전고체셀들을 배치하여 전지를 제조함으로써 전지의 대면적화를 가능하게 하고, 전극 면적 손실을 최소화하여 전지 용량을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Claims

엔드 플레이트, 절연체, 집전장치, 바이폴라 플레이트와 전고체셀을 포함하는 개스킷으로 이루어진 리튬황 전고체 전지에 있어서,
상기 개스킷은 다수개의 전고체셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 다수개의 전고체셀들은 상기 개스킷에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 전고체셀은 양극, 고체전해질 및 음극이 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 전고체셀은 평균 면적이 0.5 ~ 7 cm² 인 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 전고체셀들은 동일 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 전고체셀은 원형, 삼각형, 마름모형, 오각형, 육각형 및 팔각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 평면 형태인 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 다수개의 전고체셀들 사이에 규칙성을 가지며 등간격으로 배열된 다수개의 체결 홀들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 리튬황 전고체 전지는 상기 개스킷 및 바이폴라 플레이트가 교대로 반복 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬황 전고체 전지.