KR20180014800A - 리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 고출력 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 고출력 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 리튬 이차전지용 전극은 전극 활물질층 상에 형성되고 유전율 상수(k)가 20 내지 1000인 고유전율 물질로 이루어진 고유전층을 포함하고 있어서, 전지가 고출력으로 작동시 발생할 수 있는 전극 표면의 리튬이온 결핍층을 완화시켜 전극 표면을 양전하로 교환함으로써 분극에 의해 리튬이온의 이동을 빠르게 하므로 전지 출력특성을 향상시키며 용량 감소를 방지한다.

Description

리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 고출력 리튬 이차전지{ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND HIGH POWER LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 고출력 리튬 이차전지에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 활물질층 상에 유전율 상수(k)가 20 내지 1000인 고유전율 물질로 이루어진 고유전층이 형성된 전극을 제공하는 것이다.
리튬 이차전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털카메라 및 캠코더 등의 휴대용 전원으로서뿐만 아니라 전동공구(power tool), 전기자전거, 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(plug-in HEV, PHEV) 등의 중대형 전원으로 그 응용이 급속히 확대되고 있다. 이와 같은 응용분야의 확대 및 수요의 증가에 따라 전지의 외형적인 모양과 크기도 다양하게 변하고 있으며, 기존의 소형전지에서 요구되는 특성보다 더욱 우수한 성능과 안정성이 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해서는 전지 구성 성분들은 대전류가 흐르는 조건에서 전지의 성능구현이 안정적으로 이루어 져야 한다.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 두 전극 사이에 다공성 분리막을 설치한 후 전해질을 주입시켜 제조되며, 상기 음극 및 양극에서의 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 따른 산화 환원반응에 의해 전기가 생성 또는 소비된다.
리튬 이온 전지의 출력특성, 사이클특성, 보존특성 등의 전지특성을 개선하기 위해 전해질 구비 성분으로서 비수계 용매나 첨가제에 대한 다양한 검토가 이루어지고 있다. 또한, 전지 성능 향상을 위하여 특정 화합물을 첨가제로서 전해질에 첨가하는 경우에도 대부분의 전지성능 중 일부 항목의 성능 향상은 기대할 수 있으나 다른 항목의 성능을 오히려 감소시키게 되는 등의 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 리튬 이차전지에 있어서 고출력으로 인한 전극표면의 이온 결핍 현상을 방지할 수 있는 리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함한 고출력 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 전극은 전류 집전체; 상기 전류 집전체 상에 형성되고 전극 활물질로 이루어진 전극 활물질층; 및 상기 전극 활물질층 상에 형성되고 고유전율 물질로 이루어진 고유전층을 포함한다.
상기 전극 활물질은 양극 활물질로서 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 -yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 양극 활물질은 바람직하게는 고출력 특성이 우수한 LiCoO2일 수 있다.
상기 전극 활물질은 음극 활물질로서 하기 a) 내지 c) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
a) 결정질 탄소, 비결정질 탄소, 탄소 복합체, 및 이들의 혼합물 중 선택되는 어느 하나의 탄소질 재료;
b) 리튬 금속 또는 리튬 합금; 및
c) 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 실리콘계 합금, 주석계 합금, 알루미늄계 합금, 및 이들의 혼합물 중 선택되는 어느 하나의 리튬과 합금화 가능한 금속화합물.
다만, 본 발명에서 상기 음극 활물질은 이에 한정되지 않으며, 바람직한 음극 활물질은 리튬 금속이다.
상기 고유전율 물질은 유전율 상수(k)가 20 내지 1000, 바람직하게는 100 내지 1000인 물질로서, 예를 들어 HfO2(20), ZrO2(23), BaSrTiO3(300), PbLaZrTiO3(1000) 및 이들의 혼합물 또는 복합체 중에서 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 고유전층은 전극 표면에 부분적으로 도포될 수도 있으나 바람직하게는 전극의 표면 전체에 균일하게 도포될 수 있다.
상기 고유전층의 두께는 0.1 내지 5㎛일 수 있고, 고유전 물질의 도포량은 0.05 내지 2mg/cm2일 수 있다.
상기 고유전 물질은 입경이 10 내지 100nm일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극을 1 이상 포함하는 고출력 리튬 이차전지에 관한 것이다. 즉, 상기 전극 활물질층 상에 고유전층이 형성된 이차전지용 전극을 양극, 음극, 또는 양극과 음극 모두에 사용함으로써 고출력 특성이 우수한 리튬 이차전지이다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전극은 고유전층이 형성되어 있어서 전극 표면의 전하 분포를 균일하게 함으로써 리튬 이온 결핍층을 보완하여 전지의 용량 저하를 방지하고 고출력 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 리튬 이차전지에서 고출력 동작시 전극표면에 대한 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 전극의 단면 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에서 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 발명에서, '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.
도 1은 기존의 리튬 이차전지에서 고출력 동작시 전극표면에 대한 모식도이고, 도 2는 고출력 동작시 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 전극의 단면모식도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 종래의 리튬 이차전지용 전극(10)은 전류 집전체(11) 상에 음극 또는 양극의 전극 활물질층(12)이 형성되어 있다. 전지가 고출력으로 작동시 전극 활물질층(12) 표면에 리튬 이온(Li+)이 고갈된 리튬이온 고갈층(21)이 형성됨으로써 음전하를 띄게 되고 용량 감소가 발생한다.
반면에 도 2를 참조하면 본 발명의 일 예에 따른 리튬 이차전지용 전극(100)은, 전류 집전체(110) 상에 전극 활물질층(120)이 형성되어 있고, 그 표면에 고유전층(130)이 형성되어 있다. 상기 고유전층(130)의 형성으로 인해 전지의 고출력시 고유전 물질(30)과 전극 활물질층(120)의 표면의 음전하가 접촉하여 전하분포를 균일하게 만들고, 전극 표면을 양전하로 교환함으로써 분극에 의해 리튬이온의 이동을 빠르게 하므로 전지 출력특성을 향상시키며 용량 감소를 방지한다. 또한, 전극 표면에서 금속이온의 석출을 억제하는 역할을 함으로써 이로 인한 전해액의 분해반응을 억제할 수도 있다.
상기 전류 집전체(110)는 구리, 알루미늄, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다. 상기 스테인리스스틸은 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리될 수 있으며, 상기 합금으로는 알루미늄-카드뮴 합금을 사용할 수 있고, 그 외에도 소성 탄소, 도전재로 표면 처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수도 있다. 일반적으로 음극 집전체로는 구리 박판, 양극 집전체로는 알루미늄 박판이 이용될 수 있다.
상기 전극 활물질층(120)은 양극 활물질 또는 음극 활물질로 이루어진다. 상기 전류 집전체(110) 상에 상기 전극 활물질층(120)을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며 재료의 특성 등을 감안하여 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 활물질, 용매, 바인더, 선택적으로 도전재를 포함하는 전극 활물질층 형성용 조성물을 상기 전류 집전체(110) 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수도 있다. 이 밖에도, 다이캐스팅(die casting), 콤마코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 사용할 수도 있다.
상기 양극 활물질의 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 -yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용할 수 있다. 더욱 바람직한 예에서, 상기 양극 활물질은 고출력 전지에 적합한 LiCoO2일 수 있다.
상기 음극 활물질의 예로는 하기 a) 내지 c) 를 들 수 있으며, 바람직하게는 고출력 전지에 적합한 리튬 금속일 수 있다.
a) 결정질 탄소, 비결정질 탄소, 탄소 복합체, 및 이들의 혼합물 중 선택된 탄소질 재료;
b) 리튬 금속 또는 리튬 합금;
c) 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 실리콘계 합금, 주석계 합금, 알루미늄계 합금, 및 이들의 혼합물 중 선택된 리튬과 합금화 가능한 금속화합물.
상기 바인더는 전극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 전극 활물질을 상기 전류 집전체(110)에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무 및 이들의 다양한 공중합체 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 용매의 바람직한 예로는 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 아세톤 또는 물 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 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 고유전층(130)은 상기 전극 표면의 일부 또는 전부에 형성될 수 있고 경우에 따라 패턴화되거나 리튬 이온 결핍층이 주로 발생되는 일부분에만 형성될 수도 있으나, 상기 전극 표면의 전부에 균일한 두께로 도포되는 것이 바람직하다. 상기 고유전층(130)의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며 공지의 다양한 코팅방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅, 딥(dip) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 슬릿다이(slit die) 코팅, 스크린(screen) 코팅 등의 방법이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 고유전 물질(30)을 포함하는 고유전층 조성액을 상기 전극 활물질층(120) 위에 도포한 후 건조하여 박막의 상기 고유전층 (130)을 형성한다.
상기 고유전층(130)을 구성하는 상기 고유전 물질(30)은 유전율 상수(k)가 20 내지 1000, 바람직하게는 100 내지 1000, 더욱 바람직하게는 150 내지 1000, 더더욱 바람직하게는 300 내지 1000으로서, 예를 들어 k값이 20인 HfO2, k값이 23인 ZrO2, k값이 300인 BaSrTiO3, k값이 1000인 PbLaZrTiO3 등을 들 수 있으며, 이들의 단독 또는 둘 이상의 혼합물 또는 복합체의 형태로 사용될 수 있다. 이러한 고유전 물질(30)은 치환되는 원소의 종류 및 온도에 따라 비유전율과 결정구조가 변화하며, 유전성을 띠는 정도를 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 고유전 물질(30)의 높은 유전성이 유지되기 위해서는 첨가 원소에 따라 Tc(Curie temperature)를 조정하여, 특정한 온도범위에서 작동하도록 하거나, 사용온도의 제한이 없도록 하는 것이 가능하다.
상기 고유전층(130)의 두께가 0.1㎛ 미만이면 이온전도성 및 전자전도성이 부족하여 전지 용량감소가 초래되고, 5㎛를 초과할 경우 동일규격 대비 에너지밀도 향상에 불리하므로, 바람직한 것은 0.1 내지 5㎛ 범위로 유지하는 것이다. 또한, 상기 고유전 물질(30)의 도포량은 단위면적당 0.05 내지 2mg/cm2이 바람직하다.
상기 고유전 물질(30)의 입경은 특별히 제한되지 않지만 전극표면에의 균일한 도포와 개개의 입자가 현저한 고유전성을 나타내기 위해서는 100nm를 초과하면 곤란하고 입경이 10nm 미만이면 응집이 발생하여 코팅성이 떨어지는 문제가 있으므로 바람직한 것은 10 내지 100nm 범위로 유지하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상술한 이차전지용 전극을 양극 및/또는 음극에 1 이상 포함한 고출력 특성의 리튬 이차전지에 관한 것이다.
상기 리튬 이차전지는 특별히 한정되지 않으며 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있고, 본 발명에서는 이들 모두를 포함한다.
일 예에서, 상기 리튬 이차전지는 음극과 양극 사이에 분리막을 배치하여 전극 조립체를 제조하고, 이를 케이스에 위치시키며 리튬염 함유 비수계 전해질을 주입함으로써 제조할 수 있다. 여기서, 음극 및 양극은 앞서 설명한 본 발명에 따른 전극이 바람직하게 이용될 수 있다.
상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 상기 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛ 이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 상기 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해질은 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥솔란, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥솔란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥솔란 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, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 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, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠유도체, 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 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
( 실시예 1)
LCO계 양극 활물질, Super-P 및 PVdF를 95:2.5:2.5의 중량비로 혼합한 후, 이를 알루미늄 집전체에 도포하여 양극 활물질층을 형성하였다.
한편, PbLaZrTiO3(입경: 50nm) 및 PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexaflouro propylene))를 0.5:9.5의 중량비로 DMC(dimethyl carbonate)에 첨가하여 제조된 슬러리(slurry)를 상기 제조된 양극 활물질층 표면에 2㎛ 두께로 코팅하여 고유전층을 형성하였다(1mg/cm2).
음극으로는 150㎛ 두께의 리튬 금속(Li metal)을 사용하였다.
상기 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 전해질을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
상기 전해질은 EC:EMC(혼합 부피비=3:7)로 이루어진 유기용매에 1M 농도의 LiPF6를 용해시켜 제조한 것을 사용하였다.
( 실시예 2)
상기 PbLaZrTiO3를 대신하여 BaSrTiO3를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 실시예 3)
상기 PbLaZrTiO3를 대신하여 ZrO2를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 실시예 4)
상기 PbLaZrTiO3를 대신하여 HfO2를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 실시예 5)
상기 PbLaZrTiO3(입경: 50nm)를 대신하여 PbLaZrTiO3(입경: 20nm)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 실시예 6)
상기 PbLaZrTiO3(입경: 50nm)를 대신하여 PbLaZrTiO3(입경: 90nm)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 실시예 7)
상기 고유전층의 두께를 4㎛(2mg/cm2)로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 실시예 8)
상기 고유전층의 두께를 1㎛(0.5mg/cm2)로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
( 비교예 1)
상기 고유전층을 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일하게 실시하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
[ 실험예 : 제조된 리튬 이차전지의 성능 측정]
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차전지에 대하여 0.2C 대비 2C의 방전 용량 비교하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
0.2C 대비 2C 방전 용량(%)
실시예 1 97.2
실시예 2 96.3
실시예 3 94.5
실시예 4 93.9
실시예 5 96.5
실시예 6 94.2
실시예 7 92.3
실시예 8 95.5
비교예 1 92.6
상기 표 1을 참고하면, 상기 실시예에서 제조된 리튬 이온 전지가 상기 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지에 비하여, 0.2C 대비 2C의 방전 용량이 더 우수함을 알 수 있다. 이는 상기 실시예에서 제조된 리튬 이온 전지의 양극에 고유전층이 형성되어 있어서 전극 표면의 전하 분포를 균일하게 함으로써 리튬 이온 결핍층을 보완하여 전지의 용량 저하를 방지하고 고출력 특성을 향상시켰음을 알 수 있다.
한편, 상기 실시예 2 내지 4의 경우 상기 고유전 물질이 상기 실시예 1의 상기 고유전 물질에 비하여 낮은 유전율 상수를 가짐에 따라 상기 실시예 1에 비하여 0.2C 대비 2C의 방전 용량이 약간 저하됨을 알 수 있다.
상기 실시예 5의 경우 상기 고유전 물질이 상기 실시예 1의 상기 고유전 물질에 비하여 사이즈가 감소되어 표면적이 증가함에 따른 부반응 및 코팅 공정성 악화로 인하여, 상기 실시예 1에 비하여 0.2C 대비 2C의 방전 용량이 약간 저하됨을 알 수 있다.
상기 실시예 6의 경우 상기 고유전 물질이 상기 실시예 1의 상기 고유전 물질에 비하여 사이즈가 증가됨에 따라 출력 특성이 상기 실시예 1에 비하여 저하됨을 알 수 있다.
상기 실시예 7의 경우 상기 고유전층의 코팅 두께 증가에 따른 저항 증가로 인하여 상기 실시예 1에 비하여 0.2C 대비 2C의 방전 용량이 약간 저하됨을 알 수 있다.
상기 실시예 8의 경우 상기 고유전층의 코팅 두께 감소에 따라 상기 실시예 1에 비하여 출력 특성 증가 효과가 약간 감소됨을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10, 100: 리튬 이차전지용 전극 11, 110: 전류 집전체
12, 120: 전극 활물질층 130: 고유전층
21: 리튬이온 결핍층 30: 고유전 물질

Claims (4)

  1. 전류 집전체;
    상기 전류 집전체 상에 형성되고 전극 활물질로 이루어진 전극 활물질층; 및
    상기 전극 활물질층 상에 형성되고 유전율 상수(k)가 20 내지 1000인 고유전율 물질로 이루어진 고유전층;을 포함하고,
    상기 고유전층은 전극 표면 전체에 균일하게 도포되며,
    상기 고유전율 물질은 BaSrTiO3(300) 및 PbLaZrTiO3(1000) 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 고유전층의 두께는 0.1 내지 5㎛이고, 상기 고유전율 물질의 도포량은 0.05 내지 2mg/cm2이며, 상기 고유전율 물질은 입경이 10 내지 100nm인 리튬 이차전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 활물질은 음극 활물질로서 하기 a) 및 b) 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 전극:
    a) 리튬 금속 또는 리튬 합금;
    b) 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 인듐(In), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 실리콘계 합금, 주석계 합금, 알루미늄계 합금, 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나의 리튬과 합금화 가능한 금속화합물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음극 활물질은 리튬 금속인 것을 특징으로 하는, 리튬 이차전지용 전극.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 전극을 1 이상 포함하는, 고출력 리튬 이차전지.
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