KR20170094540A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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KR20170094540A
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박승희
변인섭
어수미
홍찬
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Abstract

Si계 물질 및 흑연을 포함하는 음극, 양극, 그리고 전해액을 포함하고, 상기 음극은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 Si 원소를 0 초과 2 중량% 이하로 포함하고, 방전 컷 오프(cut off) 전압이 3.1V 이상인 리튬 이차 전지가 제공된다.

Description

리튬 이차 전지{RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY}
리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용함에 따라, 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 나타내며, 그 결과 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.
이러한 리튬 이차 전지는 리튬을 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극 및 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 전지 셀에 전해액을 주입하여 사용된다.
상기 음극 활물질 중에서 현재 고용량 소재로 Si계 물질이 알려져 있다. 상기 Si계 물질은 비가역 용량이 커서 단독으로 사용하는데 한계가 있어, 그래파이트와 같은 다른 활물질과 혼합하여 사용하고 있으며, 이와 같이 혼합하여 사용하는 경우 Si계 물질을 단독으로 사용하는 것보다 비가역이 줄어들고 팽창도 줄어들며 셀의 용량도 증가하게 된다.
그러나 Si계 물질은 방전 전위가 높아 셀 용량을 제대로 사용하기 위해서는 셀의 방전 컷 오프(cut off) 전압을 낮게 조정할 필요가 있다. 그러나 현재 스마트폰 등의 IT 기기들의 경우 기존 그래파이트의 시스템을 기준으로 설계되어 있어 낮은 전위까지 방전을 내려 쓰기 어렵고 이로 인하여 고용량 재료를 사용함에도 불구하고 기존 그래파이트 대비 높은 용량의 구현이 어려운 실정이다.
일 구현예는 방전 컷 오프(cut off) 전압을 낮게 조정하지 않아도 Si계 물질의 고용량 특성을 최대화시킴에 따라 스마트폰과 같은 기기에서 고용량의 구현이 가능한 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
일 구현예는 Si계 물질 및 흑연을 포함하는 음극; 양극; 및 전해액을 포함하고, 상기 음극은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 Si 원소를 0 초과 2 중량% 이하로 포함하고, 방전 컷 오프(cut off) 전압이 3.1V 이상인 리튬 이차 전지를 제공한다.
상기 음극은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 상기 Si 원소를 0.1 내지 2 중량% 포함할 수 있다.
상기 음극은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 Si 원소를 0 초과 1.6 중량% 이하로 포함할 수 있다.
상기 방전 컷 오프(cut off) 전압이 3.1V 내지 3.4V 일 수 있다.
상기 Si계 물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Si-C 복합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 구체적으로는 SiOx(0<x<2)을 포함할 수 있다.
상기 Si계 물질은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 0 초과 3 중량% 이하로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.1 내지 2.8 중량%로 포함될 수 있다.
상기 리튬 이차 전지는 단셀(unit cell) 구조를 가질 수 있다.
기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
방전 컷 오프(cut off) 전압을 낮게 조정하지 않아도 Si계 물질의 고용량 특성이 최대화됨에 따라, 스마트폰과 같은 기기에 사용할 수 있는 고용량의 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 보여주는 개략도이다.
도 2는 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 리튬 이차 전지의 방전 컷 오프(cut off) 전압에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일 구현예에 따른 리튬 이차 전지에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 양극(114), 양극(114)과 대향하는 음극(112), 양극(114)과 음극(112) 사이에 배치되어 있는 세퍼레이터(113), 그리고 양극(114), 음극(112) 및 세퍼레이터(113)를 함침하는 전해액(도시하지 않음)을 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 담고 있는 전지 용기(120) 및 상기 전지 용기(120)를 밀봉하는 밀봉 부재(140)를 포함한다.
상기 음극(112)은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 위에 형성되는 음극 활물질층을 포함한다.
상기 음극 집전체는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 포함한다.
상기 음극 활물질은 Si계 물질 및 흑연을 포함할 수 있다. 상기 Si계 물질과 상기 흑연을 혼합하여 사용할 경우 Si계 물질이 갖는 비가역 특성 및 팽창 특성이 완화되어 셀의 용량이 증가하므로 고용량을 얻을 수 있다.
상기 Si계 물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Si-C 복합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 Y는 구체적으로 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이들 중 구체적으로는 상기 SiOx(0<x<2)가 사용될 수 있다.
상기 Si계 물질은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 0 초과 3 중량% 이하로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.1 내지 2.8 중량%로 포함될 수 있고, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 2.4 중량%로 포함될 수 있고, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 1.9 중량%로 포함될 수 있다.
또한 상기 음극은 상기 음극 활물질 중 상기 Si계 물질에 함유되어 있는 Si 원소를 포함할 수 있다. 상기 Si 원소는 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 0 초과 2 중량% 이하로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.1 내지 2 중량%로 포함될 수 있고, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 1.8 중량%로 포함될 수 있고, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 1.5 중량%로 포함될 수 있고, 더욱 더 구체적으로는 0.1 내지 1.2 중량%로 포함될 수 있다.
음극 내에 Si 원소가 상기 함량 범위 내로 포함되어 있을 경우, Si계 물질의 방전 전위가 높음에도 불구하고 셀의 방전 컷 오프(cut off) 전압을 낮추지 않더라도 Si계 물질의 이론적으로 가능한 용량을 모두 사용할 수 있다. 이에 따라 방전 컷 오프(cut off) 전압을 낮게 조정하지 않아도 Si계 물질의 고용량 특성을 최대화시킴에 따라 스마트폰과 같은 기기에서 고용량의 구현이 가능해진다.
이때 상기 셀의 방전 컷 오프(cut off) 전압은 3.1V 이상일 수 있고, 구체적으로는 3.1V 내지 3.4V 일 수 있고, 더욱 구체적으로는 3.2V 내지 3.4V 일 수 있다. 상기 셀의 방전 컷 오프 전압이 상기 범위 내일 경우 현재의 스마트폰 등의 IT 기기들에 적용 가능하다.
상기 셀은 단셀(unit cell) 구조일 수 있다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 음극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 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 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 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 양극(114)은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체에 형성되는 양극 활물질층을 포함한다. 상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 포함한다.
상기 양극 집전체로는 Al(알루미늄)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:
LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 -bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 - αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 - αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 양극 활물질은 더욱 구체적으로, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 양극 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 디아세틸셀룰로오스, 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 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 양극 및 음극은 각각 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 비수성 유기 용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매에서 선택될 수 있다.
상기 카보네이트계 용매로는 예컨대 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC), 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC) 등이 사용될 수 있다.
특히, 사슬형 카보네이트 화합물 및 환형 카보네이트 화합물을 혼합하여 사용하는 경우, 유전율을 높이는 동시에 점성이 작은 용매로 제조될 수 있어서 좋다. 이 경우 환형 카보네이트 화합물 및 사슬형 카보네이트 화합물은 약 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.
또한 상기 에스테르계 용매로는 예컨대 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르 용매로는 예컨대 디부틸에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다.
상기 리튬염의 구체적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO3C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB), 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 약 0.1M 내지 약 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해액 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 세퍼레이터(113)는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다.　 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.　 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.　 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 세퍼레이터가 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
상기 리튬 이차 전지는 단셀(unit cell) 구조를 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 　다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3
(양극 제조)
LiCoO2, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 카본 블랙을 96:2:2의 중량비로 혼합하여, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질층 조성물을 제조하였다. 상기 양극 활물질층 조성물을 두께 20 ㎛의 알루미늄 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 양극을 제조하였다.
*(음극 제조)
SiO 및 흑연을 하기 표 1의 중량비로 혼합한 음극 활물질 96 중량%, 스타이렌 부타디엔 러버(SBR) 2 중량%, 그리고 카르복실메틸 셀룰로오스 2 중량%를 혼합하여, 물에 분산시켜 음극 활물질층 조성물을 제조하였다. 상기 음극 활물질층 조성물을 두께 15 ㎛의 구리 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 음극을 제조하였다.
(전해액 제조)
에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 3:5:2의 부피비로 혼합한 혼합 용매에 1.3M의 LiPF6을 용해하여 전해액을 제조하였다.
(리튬 이차 전지 제작)
상기 양극, 상기 음극과 폴리에틸렌 재질의 두께 18㎛의 세퍼레이터를 사용하여 권취하여 제조한 전극 조립체를 준비하였다. 이어서 상기 전극 조립체를 전지 용기에 담은 후, 상기 전해액을 상기 전지 용기 내로 주입하여 리튬 이차 전지를 제작하였다.
SiO:흑연의 중량비 SiO 및 흑연의 총량에 대한 Si 원소의 함량(중량%)
실시예 1 0.5:99.5 0.32
실시예 2 1:99 0.64
실시예 3 1.5:98.5 0.96
실시예 4 2:98 1.28
실시예 5 2.5:97.5 1.6
실시예 6 3:97 1.92
비교예 1 0:100 0
비교예 2 4:96 2.56
비교예 3 5:95 3.2
평가 1: 리튬 이차 전지의 용량 평가
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 리튬 이차 전지를 0.5 C-rate로 4.35V까지 CC/CV로 충전 후 0.2 C-rate로 도 2에서 보는 바와 같이 각각 2.75V, 3.0V, 3.3V의 컷 오프 조건으로 방전하였다. 각 방전 컷 오프 전압에 따른 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 방전 용량을 평가하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2는 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 리튬 이차 전지의 방전 컷 오프(cut off) 전압에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참고하면, Si계 물질의 방전 용량을 충분히 사용할 수 있는 2.75V와 3.0V의 방전 컷 오프 전압에서는 Si계 원소의 함량이 높아질수록 용량이 점진적으로 증가하나, 3.3V와 같이 방전 컷 오프 전압을 올릴 경우에는 셀의 효율이 감소하므로 용량 증가의 장점이 사라지게 된다. 따라서 3.1V 이상의 방전 컷 오프 전압에 있어서는, 실시예 1 내지 6에서와 같이 Si 원소를 0 초과 2 중량% 이하로 포함할 경우 Si계 물질의 이론적 용량을 최대한 사용할 수 있음을 알 수 있다. 3.1V 이상의 방전 컷 오프 전압에서 Si 원소를 포함하지 않거나 상기 함량 범위 이상으로 사용한 비교예 1 내지 3의 경우에는 용량이 크게 감소됨을 볼 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 리튬 이차 전지
112: 음극
113: 세퍼레이터
114: 양극
120: 전지 용기
140: 봉입 부재

Claims (4)

  1. Si계 물질 및 흑연을 포함하는 음극;
    양극; 및
    전해액을 포함하고,
    상기 음극은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 Si 원소를 0.1 내지 1.6 중량%로 포함하고,
    상기 Si계 물질은 SiOx(0 < x < 2)이고,
    방전 컷 오프(cut off) 전압이 3.1V 내지 3.4V인
    리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Si계 물질은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 0 초과 3 중량% 이하로 포함되는 리튬 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Si계 물질은 상기 Si계 물질 및 상기 흑연의 총량에 대하여 0.1 내지 2.8 중량%로 포함되는 리튬 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 이차 전지는 단셀(unit cell) 구조를 가지는 리튬 이차 전지.
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