KR20170095023A - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극 전극부; 및 음극 전극부;를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 음극 전극부의 음극 활물질이 팽창 흑연(expanded graphite) 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 음극 전극부의 음극 활물질이 부피의 팽창 및 축소가 탄력적인 팽창 흑연을 포함함으로써, 이차전지의 충·방전이 반복됨에 따라 음극 활물질의 부피 팽창이 발생하더라도 팽창하는 부피만큼 상기 팽창 흑연의 부피가 유연하게 축소되기 때문에 전체적으로 이차전지의 음극 전극부의 부피를 일정하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능 저하 및 파괴를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

Description

이차전지{Secondary battery}

본 발명은 반복 지속되는 충·방전에도 음극 전극부의 부피 변화를 최소화할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.

리튬이온 이차전지는 가역적으로 리튬 이온의 삽입과 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해질을 충전시켜 제조하는 것으로, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 환원 및 산화 반응에 의하여 전기 에너지를 생성하게 된다. 상기 리튬 이차 전지는 사용되는 전극 활물질의 재료에 따라 전지의 충방전 전압, 사이클 수명 특성 및 보존 특성 등이 크게 좌우되며, 이러한 전지의 특성을 향상시키기 위해 양 전극의 활물질을 개선하고자 하는 노력이 꾸준히 진행되고 있다.

현재 리튬 이차 전지의 음극 활물질로서 상용화되는 탄소계 활물질은 고체전해질 막(solid electrolyte interface)에 의한 안정성 및 초기 비가역 용량 감소를 통한 용량 증가를 이루기 위해 표면 개질 등에 대한 연구가 진행되고 있는 실정이다.

고용량의 음극 물질 중, 리튬 합금계인 LiyM (M = Al, Si, Sn, Pb, Ge, In 등)는 0.1 내지 1.0 V의 범위에서 리튬 금속과 다른 반응 전위를 가지며, 충전 용량이 탄소재에 비해서 2 내지 10배 정도 높다. LixSn (x =1 ~ 4.4) 경우는 Li-rich상의 녹는점이 400℃ 이상으로 폭발의 위험이 현저하게 감소되어 전지의 안전성을 도모할 수 있다.

그러나, 합금 형성 및 분해(alloy forming/decomposition) 과정에서 일어나는 큰 부피 변화로 인한 기계적 응력이 입자들 간의 점진적인 균열을 일으키며, 심지어 전류 집전체와의 혹은 금속 입자간의 접촉을 잃게 하는 파쇄를 일으켜 사이클 특성이 저하되는 문제점을 갖고 있다. 따라서, 저장 용량면에서의 잇점에도 불구하고, 리튬 합금계는 상용화되기 어려운 실정이었으며, 합금계의 모양(morphology)이나 구조를 조절하여도 사이클 특성은 여전히 불만족스러웠다. 이런 단점을 극복하기 위한 주된 접근법으로서, 고에너지 밀링 방법을 이용한 나노 입자화로 활물질의 입자 크기를 줄이거나 또는 부피 변화가 적은 재료와의 다상(multi-phase) 혹은 금속간 화합물을 만들어 부피 팽창을 줄이는데 초점이 맞추어졌으나, 여전히 비가역적 용량 손실과 사이클 특성에서 큰 문제점을 가지고 있다.

실리콘 이차전지의 경우 역시 전지의 충·방전시 발생하는 실리콘 활물질의 부피 변화 및 이로 인한 전극의 열화에 의해 장수명 사이클 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

즉, 반복되는 충·방전시 음극 활물질의 부피변화로 인해 막이 전류 집전체로부터 박리(exfoliation)되고, 결과적으로 상기의 문제점들로 인해 전기적 접촉 저하에 따른 전지의 사이클 특성 저하가 발생하는 문제는 비단 상기의 리튬이온 이차전지에만 국한되는 것이 아니라, 공기-아연 이차전지, 실리콘 이차전지 등 다른 타입의 이차전지에도 정도의 차이는 있지만 공통적으로 발생하는 문제이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명 목적은 이차전지의 충·방전이 반복됨에 따라 음극 활물질의 부피 팽창이 발생하더라도 이차전지의 음극 전극부 전체의 부피 변화를 최소화할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극 전극부; 및 음극 전극부;를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 음극 전극부의 음극 활물질이 팽창 흑연(expanded graphite) 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 음극 전극부의 음극 활물질이 부피의 팽창 및 축소가 탄력적인 팽창 흑연을 포함함으로써, 이차전지의 충·방전이 반복됨에 따라 음극 활물질의 부피 팽창이 발생하더라도 팽창하는 부피만큼 상기 팽창 흑연의 부피가 유연하게 축소되기 때문에 전체적으로 이차전지의 음극 전극부의 부피를 일정하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능 저하 및 파괴를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 일예인 공기-아연 이차전지의 구조를 개념적으로 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극 전극부; 및 음극 전극부;를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 음극 전극부의 음극 활물질이 팽창 흑연(expanded graphite) 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 이차전지는 반복적으로 충·방전이 가능한 전지를 의미하며, 예를 들면 공기-아연 이차전지, 리튬이온 이차전지, 실리콘 이차전지 등이 이에 해당된다.

본 발명에서 상기 양극 전극부는 양극 집전체 및 양극 활물질을 포함하는 개념이며, 상기 음극 전극부는 음극 집전체 및 음극 활물질을 포함하는 개념이다.

본 발명에서 상기 음극 활물질은 상기 이차전지가 공기-아연 이차전지일 경우에는 아연(Zn)을 포함하는 아연 활물질이며, 상기 이차전지가 리튬이온 이차전지일 경우에는 리튬을 포함하는 리튬 활물질이고, 상기 이차전지가 실리콘 이차전지인 경우에는 실리콘을 포함하는 실리콘 활물질일 수 있다.

본 발명에서 상기 팽창 흑연(expanded graphite)은 일반적으로 흑연의 층 사이에 황산과 같은 산을 도포한 층간화합물 또는 잔류화합물을 1000℃에 가까운 온도로 급 가열하게 되면 산이 기화되어 가스가 발생되고, 발생한 가스의 팽창압에 의해 흑연의 층간이 팽창하게 되어 형성되는 것으로서, 상기 팽창 흑연은 탄성력이 좋아 상황에 따라 부피의 팽창 및 축소가 가능한 특성을 가지고 있다.

본 발명은 음극 전극부의 음극 활물질이 부피의 팽창 및 축소가 탄력적인 팽창 흑연을 포함함으로써, 이차전지의 충·방전이 반복됨에 따라 음극 활물질의 부피 팽창이 발생하더라도 팽창하는 부피 만큼 상기 팽창 흑연의 부피가 유연하게 축소되기 때문에 전체적으로 이차전지의 음극 전극부의 부피를 일정하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능 저하 및 파괴(균열)를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명에서 상기 음극 활물질에 포함되는 팽창 흑연 분말의 함량은 특별히 제한적인 것은 아니다. 팽창 흑연의 함량이 소량일 경우에는 팽창 흑연의 함량이 지나치게 낮아 음극 활물질의 부피 팽창에 따른 음극 전극부의 부피 팽창 억제 효과를 기대하기 어려운 문제가 있으며, 반대로 팽창 흑연의 함량이 대량일 경우에는 음극 전극부의 부피 팽창 억제 효과는 우수하나, 음극 활물질이 차지하는 비중이 지나치게 낮아져 이차전지의 용량을 현저히 저하시키는 문제가 발생하기 때문이다.

이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면에 도시된 일예를 통해 설명하다. 하지만, 하기 도면에 도시된 일예는 본 발명을 설명하기 위한 예시에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 일예인 공기-아연 이차전지의 구조를 개념적으로 도시한 것이다. 도 1에 의하면, 본 발명의 일예에 따른 공기-아연 이차전지는 케이스(100) 내에 양극 전극부인 공기 양극부(200) 및 음극 전극부인 아연겔 음극부(400)를 포함하며, 상기 공기 양극부(200) 및 아연겔 음극부(400) 사이에 세퍼레이터(300)가 개재되어 있다. 한편, 상기 케이스(100)의 상부에는 외부의 공기가 전지 내로 유입되도록 하는 복수의 공기구멍(110)이 형성되어 있고, 하부에는 단자 노출부(120)가 형성되어 있다.

본 발명의 일예에 따른 공기-아연 이차전지는 상기 아연겔 음극부(400)의 음극 활물질에 해당하는 아연겔 내에 팽창 흑연 분말(500)을 포함하고 있어, 공기-아연 이차전지의 충·방전이 반복됨에 따라 음극 활물질인 아연겔의 부피 팽창이 발생하더라도 팽창하는 부피만큼 상기 팽창 흑연의 부피가 유연하게 축소되기 때문에 전체적으로 공기-아연 이차전지의 아연겔 전극부(400)의 부피를 일정하게 유지할 수 있으며, 결과적으로 공기-아연 이차전지의 성능 저하 및 파괴를 최소화할 수 있게 된다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 케이스 110 : 공기구멍
120 : 단자 노출부 200 : 공기 양극부
300 : 세퍼레이터(separator) 400 : 아연겔 음극부
500 : 팽창 흑연 분말

Claims (2)

1. 양극 전극부; 및
   음극 전극부;를 포함하는 이차전지에 있어서,
   상기 음극 전극부의 음극 활물질이 팽창 흑연(expanded graphite) 분말을 포함하는 이차전지.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 음극 활물질은 아연 활물질, 리튬 활물질 및 실리콘 활물질로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
   

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