KR20190076769A - Lithium metal negative electrode, manufanturing method thereof and lithium metal battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예들은, 전착 공정을 이용하여 보호층이 형성된 집전체의 공극 또는 오목부에 리튬 금속이 위치하는 리튬 금속 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a lithium metal cathode in which a lithium metal is located in a void or a concave portion of a current collector in which a protective layer is formed by using an electrodeposition process, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery comprising the same.
최근 전자 제품의 소형화 및 경량화 추세에 따라 전원으로 사용하는 전지도 소형화 및 경량화가 요구되고 있다.2. Description of the Related Art [0002] In recent years, miniaturization and weight reduction of a battery used as a power source have been demanded due to the trend toward miniaturization and weight reduction of electronic products.
소형화 및 경량화와 함께 고용량으로 충방전이 가능한 전지로 최근 리튬 금속 이차 전지에 대한 개발이 활발하다.Lithium metal secondary batteries have recently been actively developed as a battery capable of charging and discharging at a high capacity with miniaturization and light weight.
리튬 금속 이차 전지는 음극으로 리튬 금속을 사용한다. 그러나, 리튬 금속은 리튬의 높은 반응성으로 공기 중의 수분과 반응하여 여러 가지 부산물을 생성한다. 따라서, 리튬 금속 이차 전지의 제조, 보관, 이송 및 전극 조립체 제조 후 케이스에 내장하기 전까지의 공정에서 음극에 포함되는 리튬 금속의 반응을 방지하기 위한 기술의 개발이 필요하다. The lithium metal secondary battery uses lithium metal as the cathode. However, lithium metal reacts with moisture in the air with high reactivity of lithium to produce various by-products. Therefore, it is necessary to develop a technique for preventing the reaction of the lithium metal contained in the negative electrode in the process of manufacturing, storing, transporting, and assembling the lithium metal secondary battery and forming the electrode assembly in the case.
한편, 일반적으로 리튬 금속 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되며, 내부에 전해액을 주입된 구조를 갖는다. 그런데 리튬 금속을 포함하는 음극은 전해액에 노출되는 경우 전해액과 반응하여 고 저항을 유발하는 생성물을 형성하기 때문에 이로 인해 전지의 성능이 크게 떨어지는 문제가 있다. 또한, 리튬 금속 및 전해액 간의 반응에 의해 리튬 덴드라이트가 음극 표면에 성장할 수 있으며, 이러한 리튬 덴드라이트가 분리막을 관통하는 경우 전지에서 내부 단락이 발생하는 문제점도 있다.In general, a lithium metal secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrode assembly including a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. The electrode assembly has a structure in which an electrolyte is injected into the battery case. However, when a negative electrode containing a lithium metal is exposed to an electrolyte, it reacts with an electrolyte solution to form a product causing high resistance, thereby deteriorating the performance of the battery. In addition, lithium dendrites can grow on the surface of the cathode by the reaction between the lithium metal and the electrolytic solution, and internal short-circuiting occurs when the lithium dendrites penetrate the separation membrane.
따라서, 보관 및 이송 등의 용이함과 동시에 전지에 적용하는 경우 리튬 금속 이차 전지의 성능을 저해하지 않으면서 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 금속 음극의 개발이 시급하다. Therefore, it is urgent to develop a lithium metal anode capable of improving safety without deteriorating the performance of a lithium metal secondary battery when it is applied to a battery at the same time as easy storage and transportation.
본 실시예들은 공정 중에 공기 중 보관 및 이송 동의 용이하고, 리튬 이차 전지에 채용하는 경우 구조적인 안정성 및 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 금속 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다.The present embodiments provide a lithium metal cathode capable of facilitating storage and transportation in the air during a process, improving structural stability and performance of a battery when employed in a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the same I want to.
일 측면에서, 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극은, 적어도 일 면에 오목부를 포함하는 집전체, 및 공극을 포함하는 다공성 집전체 중 적어도 하나인 집전체, 상기 집전체의 적어도 일 면에 위치하는 보호층, 그리고 상기 집전체의 오목부 또는 공극 내에 위치하는 금속 리튬을 포함하는 리튬 금속층을 포함할 수 있다.In one aspect, a lithium metal anode according to an embodiment includes a current collector, at least one of a current collector including a concave portion on at least one surface thereof and a porous current collector including a void, A protective layer, and a lithium metal layer including metallic lithium located in the recess or pore of the current collector.
다른 측면에서, 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극의 제조 방법은, 적어도 일 면에 오목부를 포함하는 집전체, 및 공극을 포함하는 다공성 집전체 중 적어도 하나인 집전체를 준비하는 단계, 상기 집전체의 적어도 일 면을 덮도록 보호층을 형성하는 단계, 도금액 내에 상기 보호층이 형성된 집전체를 위치시킨 후 상기 보호층과 소정의 간격을 두고 리튬 공급원을 위치시키는 단계, 그리고 상기 집전체 및 상기 리튬 공급원 사이에 전류를 인가하여, 상기 집전체의 오목부 또는 공극 내에 리튬 금속을 위치시켜 리튬 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In another aspect, a method of manufacturing a lithium metal anode according to an embodiment includes the steps of: preparing a current collector that is at least one of a current collector including a concave portion on at least one surface thereof and a porous current collector including a void; Forming a protective layer on at least one side of the protective layer, positioning a current collector on which the protective layer is formed in the plating liquid, and positioning a lithium source at a predetermined interval from the protective layer, And forming a lithium metal layer by applying a current between the source and the lithium metal in the recess or the cavity of the current collector.
또 다른 측면에서, 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는, 음극, 양극 및 전해질을 포함하고, 상기 음극은, 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극일 수 있다.In another aspect, a lithium secondary battery according to an embodiment includes a cathode, an anode, and an electrolyte, and the cathode may be a lithium metal cathode according to an embodiment.
실시예들에 따른 리튬 금속 음극은, 집전체의 오목부 또는 공극 내에 리튬 금속이 위치하고, 상기 집전체를 덮는 보호층이 위치하기 때문에 공정 중에 공기 중의 수분이나 이산화탄소와 리틈 금속이 반응하는 것을 저비용으로 방지할 수 있다.Since the lithium metal anode according to the embodiments has lithium metal located in the concave portion or the pore of the current collector and the protective layer covering the current collector is located, it is possible to prevent the moisture and carbon dioxide in the air from reacting with the release metal at low cost .
또한, 실시예들에 따른 리튬 금속 음극을 리튬 이차 전지에 적용하는 경우 충방전 과정에서 리튬 금속의 부피 증감에 영향을 받지 않으므로 구조적인 안정성이 뛰어나고, 전해액과 리튬 금속 간의 부반응이 차단되기 때문에 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, when the lithium metal anode according to the embodiments is applied to a lithium secondary battery, since it is not affected by the increase or decrease in the volume of lithium metal in the charging and discharging process, it is excellent in structural stability and the side reaction between the electrolyte and lithium metal is blocked. Performance can be improved.
도 1 내지 도 4는 각각 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b는 리튬 금속층을 형성하는 단계를 보다 구체적으로 나타낸 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.FIGS. 1 to 4 schematically show cross sections of a lithium metal cathode according to an embodiment, respectively.
5 schematically shows a method of manufacturing a lithium metal anode according to an embodiment.
6A and 6B show the step of forming the lithium metal layer in more detail.
7 schematically shows a structure of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용 이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Also, throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification. It will be understood that when an element such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the element directly over another element, Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.
그러면, 이하에서 실시예들에 따른 리튬 금속 음극에 대하여 설명한다.Hereinafter, the lithium metal cathode according to the embodiments will be described.
도 1에는 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극(111)을 개략적으로 나타내었다. FIG. 1 schematically shows a
도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극(111)은, 집전체(10), 보호층(20) 및 리튬 금속층(30)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a
도 1을 참고하면, 상기 집전체(10)는 적어도 일 면에 오목부(10a)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the
이때, 상기 오목부(10a)의 수평 단면적(xy 평면)은, 상기 집전체(10) 수평 단면적의 30% 내지 60%, 보다 구체적으로 40% 내지 50%일 수 있다. 오목부(10a)의 수평 단면적이 30% 미만인 경우에는 리튬 금속이 투입되는 충분한 공간 확보가 어려운 문제점이 있다. 또한, 오목부(10a)의 수평 단면적이 60%를 초과하는 경우에는 개구부의 면적이 넓어져서 보호층(20)을 지지해줄 면적이 줄어들어 보호층(20)의 기계적 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 오목부(10a)의 수평 단면적은 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다. The horizontal cross-sectional area (xy plane) of the
또한, 상기 집전체(10)는, 적용하고자 하는 리튬 이차 전지의 전압 영역에서 안정한 금속이라면 모두 사용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 집전체(10)는, 구리, 니켈, 철, 크롬, 아연, 스테인레스 스틸 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. The
상기 적어도 일 면에 오목부(10a)를 포함하는 집전체(10)의 평균 두께는 30㎛ 내지 100㎛, 보다 구체적으로 50㎛ 내지 70㎛ 범위일 수 있다. 집전체(10)의 평균 두께가 30㎛ 미만인 경우, 전착 공정에서 충분한 양의 리튬 금속을 담지할 수 없기 때문에 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있다. 또한, 집전체(10)의 두께가 100㎛를 초과하면, 집전체(10)의 오목부(10a) 내에 채워지는 리튬 금속의 양은 충분하지만 리튬 이온의 확산거리가 증가하기 때문에 일정 수준 이상의 충방전 속도에서는 채워진 리튬을 다시 사용할 수 없게 된다. 이에 따라 집전체(10)의 두께 증가에 따른 부피 에너지 밀도의 감소만 유발하는 문제점이 있다. The average thickness of the
한편, 상기 보호층(20)은, 적어도 일 면에 오목부(10a)를 포함하는 집전체(10)의 적어도 일 면에 위치한다.On the other hand, the
보호층(20)은, 리튬 이온 전도성을 갖는 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 풀루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (PVDF-co-HFP), LiPON, Li3N, LixLa1 - xTiO3(0 < x < 1), Li2S-GeS-Ga2S3로, 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The
상기 보호층(20)의 평균 두께는 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛, 보다 구체적으로 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위일 수 있다. 보호층의 두께는 얇은수록 본 실시예에 따른 리튬 금속 음극을 리튬 이차 전지에 적용할 경우 전지의 출력 특성에 유리하다. 다만, 일정 두께 이상으로 형성되어야만 전지의 충방전 과정에서 형성되는 리튬 덴드라이트의 성장을 차단할 수 있다. 따라서, 보호층(20)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 전지의 출력 특성을 향상시킴과 동시에 리튬 덴드라이트의 성장을 효과적으로 차단할 수 있다. The average thickness of the
다음으로, 상기 리튬 금속층(30)은, 집전체(10)의 오목부(10a) 내에 위치하는 금속 리튬을 포함한다.Next, the
이때, 상기 리튬 금속층(30)에 포함된 상기 리튬 금속의 순도는 98% 이상일 수 있고, 보다 구체적으로, 99.9% 내지 100%일 수 있다.At this time, the purity of the lithium metal contained in the
한편, 상기 리튬 금속층(30)은 리튬 금속이 집전체(10)의 오목부(10a) 전체 부피의 40 부피% 내지 60 부피%를 채우도록 형성될 수 있다. Meanwhile, the
리튬 금속층(30)이 오목부(10a) 전체 부피의 60 부피%를 초과하도록 리튬 금속이 채워진 형태로 형성되면 양극 활물질로부터 이동한 리튬이 들어가 공간이 부족하게 되므로 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.When the
또한, 리튬 금속층(30)이 오목부(10a) 전체 부피의 40 부피% 미만이 되도록 리튬 금속이 채워진 형태로 형성되면 본 실시예의 리튬 금속 음극을 채용한 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.If the
따라서, 리튬 금속층(30)은 리튬 금속이 집전체(10)의 오목부(10a) 전체 부피의 40 부피% 내지 60 부피%를 채우도록 형성되는 것이, 우수한 성능을 갖는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다는 측면에서 바람직하다.Therefore, the
아울러, 리튬 금속층에 포함되는 리튬 금속의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 적어도 일 면에 오목부(10a)를 포함하는 집전체(10)의 표면에 리튬 이온 전도성을 갖는 물질로 구성된 보호층(20)이 직접적으로 접촉하여 위치하기 때문에 전지의 충방전 과정에서 상기 보호층(20)의 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.In addition, when the content of the lithium metal contained in the lithium metal layer satisfies the above-described range, a protective layer (not shown) made of a material having lithium ion conductivity is formed on at least one surface of the
도 2는 다른 실시예에 따른 리튬 금속 음극을 개략적으로 나타낸 것이다.2 schematically shows a lithium metal anode according to another embodiment.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 리튬 금속 음극(111)은, 집전체(10), 보호층(20) 및 리튬 금속층(30)을 포함할 수 있다.2, the
본 실시예에서, 상기 집전체(10)는 양 면에 오목부(10a)를 포함한다. In the present embodiment, the
또한, 상기 보호층(20)은 상기 오목부(10a)를 포함하는 집전체(10)의 양 면에 위치할 수 있다. The
본 실시예에서, 집전체(10)의 양 면에 오목부(10a)를 포함하고, 보호층(20)이 집전체(10)의 양 면에 위치하는 것을 제외한 다른 구성은 앞서 도 1을 참고하여 설명한 것과 동일한 바, 다른 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 1 except that recesses 10a are provided on both sides of the
도 3은 또 다른 실시예에 따른 리튬 금속 음극을 개략적으로 나타낸 것이다.3 schematically shows a lithium metal anode according to another embodiment.
도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 리튬 금속 음극(111)은, 집전체(10), 보호층(20) 및 리튬 금속층(30)을 포함할 수 있다.3, the
본 실시예에서, 상기 집전체(10)는 공극(10a)을 포함하는 다공성 집전체이다. In the present embodiment, the
상기 다공성 집전체의 공극률은 20% 내지 80%, 보다 구체적으로 30% 내지 50% 일 수 있다. 또한, 상기 다공성 집전체에 포함되는 상기 공극의 평균 직경은 5㎛ 내지 500㎛, 보다 구체적으로, 10㎛ 내지 100㎛ 또는 20㎛ 내지 30㎛ 범위일 수 있다. 기계적 안정성이 우수한 보호층을 형성하기 위해서 다공성 집전체의 공극률 및 공극의 평균 직경이 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다. The porosity of the porous current collector may be 20% to 80%, more specifically 30% to 50%. In addition, the average diameter of the voids included in the porous current collector may be in the range of 5 탆 to 500 탆, more specifically, in the range of 10 탆 to 100 탆 or 20 탆 to 30 탆. It is preferable that the porosity of the porous current collector and the average diameter of the pores satisfy the above range in order to form a protective layer excellent in mechanical stability.
한편, 상기 공극을 포함하는 다공성 집전체의 평균 두께는 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 보다 구체적으로 50 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 집전체(10)의 평균 두께가 20㎛ 미만인 경우 충분한 양의 금속 리튬을 담지 할 수 없기 때문에 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. 또한, 집전체(10)의 평균 두께가 200㎛를 초과하면 공극 내 리튬 금속의 양은 충분하지만 리튬 이온의 확산거리가 증가하기 때문에 일정 수준 이상의 충방전 속도에서는 채워진 리튬을 다시 사용할 수 없게 된다. 이에 따라 집전체(10)의 두께 증가에 따른 부피 에너지 밀도의 감소만 유발하는 문제점이 있다.On the other hand, the average thickness of the porous current collector including the voids may be 20 탆 to 200 탆, more specifically 50 탆 to 100 탆. If the average thickness of the
본 실시예에서, 상기 리튬 금속층(30)은 상기 공극(10a) 내에 위치하는 리튬 금속을 포함한다. In this embodiment, the
이때, 상기 리튬 금속층(30)은 리튬 금속이 집전체(10)의 상기 공극(10a) 전체 부피의 40 부피% 내지 60 부피%를 채우도록 형성될 수 있다. At this time, the
리튬 금속층(30)이 공극(10a) 전체 부피의 60 부피%를 초과하도록 리튬 금속이 채워진 형태로 형성되면 양극 활물질로부터 이동한 리튬이 들어가 공간이 부족하게 되므로 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.When the
또한, 리튬 금속층(30)이 공극(10a) 전체 부피의 40 부피% 미만이 되도록 리튬 금속이 채워진 형태로 형성되면 본 실시예의 리튬 금속 음극을 채용한 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.If the
따라서, 리튬 금속층(30)은 리튬 금속이 집전체(10)의 공극(10a) 전체 부피의 40 부피% 내지 60 부피%를 채우도록 형성되는 것이, 우수한 성능을 갖는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다는 측면에서 바람직하다.Therefore, it is preferable that the
한편, 상기 공극(10a)을 포함하는 집전체(10)의 일 면에는 보호층(20)이 위치한다. On the other hand, a
본 실시예에서, 집전체(10)가 공극(10a)을 포함하고, 상기 공극(10a) 내에 리튬 금속이 위치하는 리튬 금속층(30)을 포함하는 것을 제외한 다른 구성은 앞서 도 1을 참고하여 설명한 것과 동일한 바, 다른 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 1 except that the
도 4는 또 다른 실시예에 따른 리튬 금속 음극을 개략적으로 나타낸 것이다.4 schematically shows a lithium metal anode according to another embodiment.
도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 리튬 금속 음극(111)은, 집전체(10), 보호층(20) 및 리튬 금속층(30)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the
본 실시예에서, 상기 집전체(10)는 공극(10a)을 포함하는 다공성 집전체이다.In the present embodiment, the
다공성 집전체에 관한 구체적인 내용은 도 3을 참고하여 설명한 것과 동일한 바 여기서는 생략하기로 한다.The details of the porous collector are the same as those described with reference to FIG. 3, and will not be described here.
한편, 본 실시예에서, 상기 보호층(20)은 다공성 집전체의 양면에 위치한다. On the other hand, in this embodiment, the
본 실시예에서, 집전체(10)가 공극(10a)을 포함하고, 보호층(20)이 집전체(10)의 양 면에 위치하는 것을 제외한 다른 구성은 앞서 도 1 및 도 3을 참고하여 설명한 것과 동일한 바, 다른 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 1 and 3, except that the
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극의 제조 방법에 대하여 설명한다.Next, a method of manufacturing a lithium metal anode according to an embodiment of the present invention will be described.
도 5에는 일 실시예에 따른 리튬 금속 음극의 제조 방법을 개략적으로 나타내었다.FIG. 5 schematically shows a method of manufacturing a lithium metal anode according to an embodiment.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 리튬 금속 음극의 제조 방법은, 집전체를 준비하는 단계(S10), 상기 집전체의 적어도 일 면을 덮도록 보호층을 형성하는 단계(S20), 도금액 내에 상기 보호층이 형성된 집전체를 위치시킨 후 상기 보호층과 소정의 간격을 두고 리튬 공급원을 위치시키고 상기 집전체 및 상기 리튬 공급원 사이에 전류를 인가하여, 상기 집전체의 오목부 또는 공극 내에 리튬 금속을 위치시켜 리튬 금속층을 형성하는 단계(S30)를 포함한다. Referring to FIG. 5, a method of manufacturing a lithium metal anode according to the present invention includes the steps of preparing a current collector (S10), forming a protective layer (S20) covering at least one surface of the current collector Placing a current collector on which the protective layer is formed, placing a lithium source at a predetermined distance from the protective layer, and applying a current between the current collector and the lithium source to form a lithium metal To form a lithium metal layer (S30).
먼저, 집전체를 준비하는 단계(S10)에서 상기 집전체로는, 예를 들면, 적어도 일 면에 오목부를 포함하는 집전체 및 공극을 포함하는 다공성 집전체 중 적어도 하나를 준비한다. First, in the step of preparing the current collector (S10), at least one of the current collector including the concave portion and the porous current collector is provided on the current collector, for example, at least one surface.
이때, 일 면에 오목부를 포함하는 집전체는, 예를 들면, 에칭 등을 이용하여 평평한 집전체의 표면에 오목부가 형성되도록 하는 방법으로 제조할 수 있다.At this time, the current collector including the concave portion on one surface can be manufactured by a method of forming a concave portion on the surface of the flat current collector by, for example, etching.
공극을 포함하는 다공성 집전체는, 예를 들면, 구리 등 집전체를 구성하는 금속 분말을 소결하는 공정 조건을 조절하여 공극을 포함하는 다공성 집전체를 구성하거나, 날카로운 도구를 이용하여 집전체에 공극을 기계적으로 형성하는 방법으로 제조할 수 있다. The porous current collector including the void may be formed by forming a porous current collector including voids by adjusting the process conditions for sintering the metal powder constituting the current collector such as copper or by forming a gap In the presence of a catalyst.
다음으로, 상기 집전체의 적어도 일 면을 덮도록 보호층을 형성하는 단계(S20)를 수행한다. Next, a step (S20) of forming a protective layer to cover at least one surface of the current collector is performed.
이때, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 예를 들면, 물리 증착, 스크인 인쇄, 진공 증착, 분무 코팅, 스핀 코팅, 딥 코팅, 그라비아 코팅, 바 코팅 및 열간 압착 중 적어도 하나의 방법으로 수행될 수 있다.At this time, the step of forming the protective layer may be performed by at least one of physical vapor deposition, scribe printing, vacuum deposition, spray coating, spin coating, dip coating, gravure coating, bar coating and hot pressing .
여기서, 상기 열간 압착은, 예를 들면, 테이프 캐스팅, 압출, 롤컴팩션 등의 공정으로 별도의 필름을 제조한 후, 상기 집전체의 적어도 일 면에 열을 가하여 압착하는 방법으로 보호층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 열간 압착은, 필요한 경우, 40 내지 80℃ 범위의 열을 가하여 수행할 수도 있다. Here, the hot-pressing may be performed by forming a separate film by a process such as tape casting, extrusion, roll compaction, etc., and then applying heat to at least one surface of the current collector to press- can do. At this time, the hot pressing may be performed by applying heat in the range of 40 to 80 ° C, if necessary.
이후, 보호층이 형성된 집전체에 리튬 금속층을 형성하는 단계(S30)를 수행한다. Thereafter, a step (S30) of forming a lithium metal layer on the collector on which the protective layer is formed is performed.
도 6a 및 도 6b에는 리튬 금속층을 형성하는 단계를 보다 구체적으로 나타내었다. 6A and 6B show more specifically the step of forming the lithium metal layer.
도 6a를 참고하면, 도금액(300) 내에 보호층(20)이 형성된 집전체(10)를 위치시킨 후 상기 보호층(20)의 일 면에 소정의 간격을 두고 리튬 공급원(210)을 위치시킨 후 상기 집전체(10) 및 상기 리튬 공급원(210) 사이에 전류를 인가하는 방법으로 리튬 금속층을 형성할 수 있다.6A, a
즉, 전기화학적인 방법 중 하나인 전기 도금(전착) 공정을 사용하여 집전체(10)의 오목부 또는 공극에 리튬 금속이 위치하는 리튬 금속층을 형성한다. That is, a lithium metal layer in which a lithium metal is located in a concave portion or a cavity of the
구체적으로, 도 6a와 같이 보호층(20)이 형성된 집전체(10) 및 리튬 공급원(210)을 위치시키고, 전원 공급 장치를 이용하여 집전체(10)와 리튬 공급원(210)에 각각 전류를 인가한다. 이때 집전체(10)는 (-) 전극과 연결되고, 리튬 공급원(210)은 (+) 전극과 연결된다.6A, the
이때, 보호층(20)은 전자에 대해 부도체이기 때문에 리튬 공급원(210)으로부터 방출된 리튬 이온(Li+)과 반응하지 않고 전도할 수 있다.At this time, since the
즉, 리튬 공급원(210)에 (+) 전극을 연결하고 집전체(10)를 (-) 전극과 연결하면 리튬 공급원(210)으로부터 방출된 Li+ 이온이 보호층(20)을 통과하여 집전체(10)로부터 전자(e-)를 받아 리튬 금속으로 환원되어 집전체(10)의 오목부 또는 공극 내부에 리튬 금속(Li0) 상태로 위치한다. [Li+ + e- = Li0 (금속)]That is, when the positive electrode is connected to the
한편, 도 6b을 참고하면, 도금액(300) 내에 보호층(20)이 양 면에 형성된 집전체(10)를 위치시킨 후, 상기 보호층(20)과 소정의 간격을 두고 상 하에 리튬 공금원(210)을 위치시킨 후 상기 집전체(10) 및 상기 리튬 공급원(210) 사이에 전류를 인가하는 방법으로 리튬 금속층을 형성할 수도 있다.6B, after the
보호층(20)의 상 하에 리튬 공급원(210)을 위치시켜 전착 공정을 수행하는 것을 제외한 구체적인 내용은 도 6a를 참고하여 설명한 것과 동일한 바 여기서는 생략하기로 한다. Except for placing the
한편, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 리튬 금속층을 형성하는 단계에서, 상기 리튬 공급원(210) 및 보호층(20) 사이에는 필요에 따라 다공성 절연막(220)을 위치시킬 수 있다. 상기 다공성 절연막(220)으로는, 예를 들면, 리튬 이차 전지에 사용하는 폴리올레핀계 분리막, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 분리막 등을 사용할 수 있으며 이의 상세한 예는 후술하기로 한다. 6B, in the step of forming the lithium metal layer, the porous insulating
이와 같이 리튬 공급원(210) 및 보호층(20) 사이에 소정의 간격 없이 다공성 분리막(220)을 위치시킨 후 적층하는 경우, 리튬 공급원(210) 및 보호층(20)-다공성 분리막과-다공성 집전체에 압력을 인가하면 전극과 집전체의 간격이 최소화된다. 이에 따라 동일 전류를 흘리는데 인가되는 전압이 감소하며 생성되는 리튬 금속층이 다공성 혹은 수지상 구조로 자라지 않고 치밀하게 형성되는데 기여 할 수 있다.When the
이때, 상기 도금액은 리튬이온을 전도 할 수 있는 보조 용매 및 첨가제를 포함한다.At this time, the plating solution includes an auxiliary solvent capable of conducting lithium ion and an additive.
상기 보조 용매는 유기 용매로, 예를 들면, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤, ε-카프로락톤 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The auxiliary solvent is an organic solvent such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2- (DEC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (DMC), methyl ethyl ketone The solvent may be selected from the group consisting of carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, ethylpropyl carbonate, dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methylpropyl ether, ethylpropyl ether, methyl acetate, ethyl acetate, Ethyl propionate, propyl propionate,? -Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolac , Ε- caprolactone may include a lactone, and at least one of the mixtures thereof.
상기 첨가제는, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The additive is selected from the group consisting of F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N (CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - 3) 3 PF 3 -, ( CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - .
전술한 실시예들에 따른 방법으로 제조된 리튬 금속 음극은 리튬 이차 전지의 음극으로 유용하게 사용될 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 전술한 리튬 금속 음극과 함께 양극, 전해질 및 분리막을 포함한다.The lithium metal anode manufactured by the method according to the above embodiments can be usefully used as a cathode of a lithium secondary battery. That is, the lithium secondary battery according to one embodiment includes the anode, the electrolyte, and the separator together with the lithium metal cathode described above.
도 7은 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.7 schematically shows a structure of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참고하면, 리튬 이차 전지(100)는 양극(112), 음극(111), 그리고 상기 양극(112)과 상기 음극(111) 사이에 배치된 분리막(113)을 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있다. 7, the lithium
이러한 전극 조립체는 와인딩되거나 접혀서 전지 용기에 수용된다. Such an electrode assembly is wound or folded and housed in a battery container.
이후, 상기 전지 용기에 전해질이 주입되고 밀봉되어 리튬 이차 전지(100)가 완성될 수 있다. 이때, 전지 용기는 원통형, 각형, 파우치형, 코인형 등의 형태를 가질 수 있다. Thereafter, an electrolyte is injected into the battery container and sealed to complete the lithium
상기 음극(10)은, 전술한 실시예들에 따른 리튬 금속 음극(10)을 적용한다.The
상기 양극(70)은 양극 활물질층 및 양극 집전체을 포함할 수 있다. The anode 70 may include a cathode active material layer and a cathode current collector.
양극 활물질층은, 예를 들면, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 적어도 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The cathode active material layer may include at least one of, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiNiMnCoO 2 and a compound represented by the following general formula (1) or a mixture thereof.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2 LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2
상기 화학식 1에서, M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo 중 적어도 하나이고, 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1이다. In Formula 1, M 1 and M 2 are independently at least one of Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo, 0.5, 0? Z < 0.5, and x + y + z?
경우에 따라, 상기 양극 활물질층에는 도전재가 첨가될 수도 있다. Optionally, a conductive material may be added to the cathode active material layer.
상기 도전재는, 예를 들면, 카본 블랙 및 초미세 그라파이트 입자, 아세틸렌 블랙과 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The conductive material may be, for example, carbon black and ultrafine graphite particles, fine carbon such as acetylene black, nano metal particle paste, and the like, but is not limited thereto.
양극 집전체는 상기 양극 활물질층을 지지하는 역할을 한다. 양극 집전체로는, 예를 들면, 알루미늄 박판 (Foil), 니켈 박판 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode collector serves to support the positive electrode active material layer. As the positive electrode collector, for example, an aluminum foil, a nickel foil or a combination thereof may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 리튬 이차 전지(100)에 충진되는 전해질(80)로는 비수계 전해액 또는 고체 전해질 등을 사용할 수 있다.As the electrolyte 80 to be filled in the lithium
상기 비수계 전해액은, 유기 용매 및 전해질 염을 포함할 수 있다.The non-aqueous liquid electrolyte may include an organic solvent and an electrolyte salt.
상기 유기 용매는, 예를 들면, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤, ε-카프로락톤 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The organic solvent is, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate , 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate Methyl ethyl ketone, ethyl propyl carbonate, dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, Propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ-valerolactone, ε-capro Of the tone, and mixtures thereof can include at least one.
상기 전해질 염은, 예를 들면, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The electrolyte salt may, for example, F -, Cl -, Br -, I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, ( CF 3 SO 2) 3 C - , CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - at least one - and (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N .
상기 고체 전해질은, 예를 들면, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질을 사용할 수 있다.As the solid electrolyte, for example, a gel polymer electrolyte obtained by impregnating a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile with an electrolytic solution, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N can be used.
한편, 상기 분리막(113)은 양극과 음극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 분리막은, 예를 들면, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리부틸렌(polybutylene), 폴리펜텐 (polypentene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybutylene terephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드 (polyphenylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylene sulfide) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 (polyethylene naphthalate) 중 적어도 하나 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 것일 수 있으며, 부직포 또는 직포 형태일 수 있다. The
한편, 상기 전해질로 고체 전해질이 사용되는 경우, 고체 전해질이 분리막(113)을 겸할 수도 있다.When the solid electrolyte is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as the
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples. These experimental examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실시예Example 1 One
(1) 양극의 제조(1) Preparation of positive electrode
양극 활물질로 LiCoO2 95중량%, 도전재로 카본블랙(Super-P) 2.5중량%, 및 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 2.5중량%를 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 95% by weight of LiCoO 2 as a cathode active material, 2.5% by weight of carbon black (Super-P) as a conductive material, and 2.5% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to prepare a cathode active material slurry.
다음, 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 포일 전류 집전체에 도포하고, 건조하여 양극을 제조하였다.Next, the above-mentioned cathode active material slurry was applied to an aluminum foil current collector and dried to prepare a cathode.
(2) 음극의 제조(2) Manufacture of cathodes
평균 공극 크기가 5㎛이고, 기공도가 60%인 구리 집전체음극 집전체를 준비하였다.A copper collector current collector having an average pore size of 5 탆 and a porosity of 60% was prepared.
상기 구리 폼의 양면에 5㎛ 두께의 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (PVDF-co-HFP) 필름을 열간 압착하여, 보호층이 형성된 음극 집전체를 제조하였다.A polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-co-HFP) film having a thickness of 5 μm was hot-pressed on both sides of the copper foams to produce a negative electrode current collector having a protective layer formed thereon.
다음, 도 3과 같은 공정으로 리튬 금속 음극을 제조하였다. Next, a lithium metal anode was produced by the same process as shown in FIG.
먼저, 3M LiFSI(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide)를 녹인 DME(dimethyl ether) 용액으로 구성된 도금액(300)을 준비하였다. First, a
상기 도금액(300) 내에 리튬 공급원(210)과 상기 보호층(20)이 형성된 음극 집전체(10)를 소정의 간격을 두고 적층한 후, 전원공급장치를 사용하여 리튬 공급원(20)과 보호층(20)이 형성된 집전체(10)를 각각 (+)와 (-) 전극으로 하여 전류를 인가하는 방법으로 집전체(10)의 공극 내부에 리튬 금속이 위치하도록 리튬 금속층을 형성하여 리튬 금속 음극을 제조하였다. 이때, 공정의 평균 전류 밀도는 0.2mA/cm2, 공정 시간은 약 20시간으로 하였다. 또한, 집전체(10)의 공극 부로 전착된 리튬 금속의 양은 상기 음극 집전체 및 보호층의 전체 중량을 기준으로 25 중량%가 되도록 하였다. A
(3) 리튬 이차 전지의 제조(3) Production of lithium secondary battery
상기 제조된 양극과 음극 사이에 폴리프로필렌계 다공성 막을 개재시켜 전극 조립체를 제조하였다. An electrode assembly was prepared by interposing a polypropylene porous film between the prepared anode and cathode.
상기 전극 조립체를 코인셀 2032 케이스에 삽입하고 전해질을 주입한 후 밀봉하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. 이때, 상기 전해질로 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate, EC) 및 에틸메틸카보네이트 (Ethyl methyl carbonate, EMC)의 혼합 용매(EC:EMC = 3:7, 부피비)를 사용하였다.The electrode assembly was inserted into the case of the coin cell 2032, the electrolyte was injected, and the battery was sealed to fabricate a lithium secondary battery. At this time, a mixed solvent (EC: EMC = 3: 7, volume ratio) of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) was used as the electrolyte.
비교예Comparative Example 1 One
(1) 양극의 제조(1) Preparation of positive electrode
상기 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was prepared in the same manner as in (1) of Example 1 above.
(2) 음극의 제조(2) Manufacture of cathodes
구리 호일(Cu foil)의 양면에 물리 증착 (Physical Vapor Deposition, PVD) 방법을 이용하여 두께 20㎛인 리튬 금속층을 형성하였다. 상기 리튬 금속층 상에 5㎛ 두께의 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (PVDF-co-HFP) 필름을 열간 압착하여, 집전체의 양면에 리튬 금속층 및 보호층이 순차 적층된 음극을 제조하였다. A 20 탆 thick lithium metal layer was formed on both sides of a copper foil by physical vapor deposition (PVD). A polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-co-HFP) film having a thickness of 5 탆 was hot-pressed on the lithium metal layer to form a negative electrode having a lithium metal layer and a protective layer successively laminated on both sides of the current collector .
(3) 리튬 이차 전지의 제조(3) Production of lithium secondary battery
상기 실시예 1의 (3)과 동일한 방법으로 리튬 이차 전지를 제조하였다. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in (3) of Example 1 above.
실험예Experimental Example 1 -전지의 단락 지점 측정 및 1 - measure the short-circuit point of the battery and 충방전Charging and discharging 수명 평가 Life evaluation
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차 전지에 대하여 충방전을 반복한 후 전지의 단락 지점을 측정하였다. 결과는 하기 표 1에 나타내었다. The lithium secondary battery produced in Example 1 and Comparative Example 1 was repeatedly charged and discharged, and the short circuit point of the battery was measured. The results are shown in Table 1 below.
또한, 초기 방전 용량 대비 80%를 기준으로 충방전 수명을 평가한 결과를 표 2에 나타내었다.Table 2 shows the results of evaluating the charge-discharge lifetime based on 80% of the initial discharge capacity.
충전 단계는 0.2C로 4.25V까지 정전류로 충전한 후, 4.25V에서 0.05C까지 정전위로 충전하였으며, 방전 단계는 0.5C로 3.0V까지 정전류로 방전하였다.The charging step was charged with a constant current up to 4.25V at 0.2C and then charged up to 4.25V to 0.05C. The discharging step was discharged at a constant current of 0.5C to 3.0V.
표 1을 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 경우 150 사이클 충방전 후에 전지의 단락이 발생하였다. 이에 반해 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차 전지의 경우 실시예 1의 약 26% 수준인 1/4 수준인 40 사이클 후에 전지의 단락이 발생하였다. Referring to Table 1, in the case of the lithium secondary battery produced according to Example 1, the battery short-circuit occurred after 150 cycles of charging and discharging. On the other hand, in the case of the lithium secondary battery produced according to Comparative Example 1, a short circuit of the battery occurred after 40 cycles, which is about a quarter of the level of Example 1, which is about 26%.
따라서, 본 실시예와 같이 오목부 또는 기공을 포함하는 집전체의 오목부 또는 기공 내에 리튬 금속을 전착시켜 형성된 리튬 금속층과 상기 집전체 및 리튬 금속층을 덮는 보호층을 포함하는 구조의 리튬 금속 음극을 리튬 이차 전지에 적용하는 경우 전지의 안정성 및 수명 특성이 현저하게 향상되는 것을 확인할 수 있다. Therefore, a lithium metal cathode having a structure including a lithium metal layer formed by electrodeposition of lithium metal in a concave portion or pore of a current collector including a concave portion or a pore and a protective layer covering the current collector and the lithium metal layer, It can be confirmed that the stability and lifetime characteristics of the battery are remarkably improved when applied to a lithium secondary battery.
또한, 표 2를 참고하면, 실시예 1에 따른 리튬 금속 음극을 포함하는 리튬 이차 전지의 충방전 특성이 비교예 1과 비교할 때 8배 이상 우수한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예들에 따른 리튬 금속 음극을 적용하는 경우 충방전 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. The charge / discharge characteristics of the lithium secondary battery including the lithium metal negative electrode according to Example 1 were 8 times or more superior to those of Comparative Example 1, as shown in Table 2. Therefore, when a lithium metal anode according to the embodiments is applied, a lithium secondary battery having excellent charge / discharge characteristics can be realized.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
100: 리튬 이차 전지
111: 리튬 금속 음극
112: 양극
113: 분리막
10: 집전체
20: 보호층
30: 리튬 금속층
10a: 오목부, 공극
300: 도금액
210: 리튬 공급원
220: 다공성 절연막100: Lithium secondary battery
111: Lithium metal cathode
112: anode
113: Membrane
10: The whole house
20: Protective layer
30: Lithium metal layer
10a: concave portion, air gap
300: plating solution
210: source of lithium
220: porous insulating film
Claims (18)
상기 집전체의 적어도 일 면에 위치하는 보호층; 그리고
상기 집전체의 오목부 또는 공극 내에 위치하는 금속 리튬을 포함하는 리튬 금속층;
을 포함하는 리튬 금속 음극. A current collector which is at least one of a current collector including a concave portion on at least one side and a porous current collector including a gap;
A protective layer disposed on at least one surface of the current collector; And
A lithium metal layer including metal lithium located in a concave portion or a gap of the current collector;
≪ / RTI >
상기 오목부는 상기 집전체의 양 면에 위치하는 리튬 금속 음극. The method according to claim 1,
And the concave portion is located on both surfaces of the current collector.
상기 오목부의 수평 단면적은, 상기 집전체의 수평 단면적의 30% 내지 50%인 리튬 금속 음극. The method according to claim 1,
And the horizontal cross-sectional area of the concave portion is 30% to 50% of the horizontal cross-sectional area of the current collector.
상기 다공성 집전체의 공극률은 20% 내지 80%인 리튬 금속 음극.
상기 다공성 집전체에 포함되는 상기 공극의 평균 직경은 5㎛ 내지 500㎛인 리튬 금속 음극. The method according to claim 1,
Wherein the porosity of the porous collector is 20% to 80%.
Wherein the average diameter of the pores contained in the porous current collector is 5 to 500 占 퐉.
상기 적어도 일 면에 오목부를 포함하는 집전체의 평균 두께는 30㎛ 내지 100㎛인 리튬 금속 음극.The method according to claim 1,
Wherein an average thickness of the current collector including the concave portion on at least one surface thereof is 30 占 퐉 to 100 占 퐉.
상기 공극을 포함하는 다공성 집전체의 평균 두께는 20 ㎛ 내지 200 ㎛인 리튬 금속 음극.The method according to claim 1,
Wherein the average thickness of the porous current collector including the void is 20 占 퐉 to 200 占 퐉.
상기 보호층은,
폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 풀루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (PVDF-co-HFP), LiPON, Li3N, LixLa1 - xTiO3(0 < x < 1), Li2S-GeS-Ga2S3로, 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 금속 음극. The method according to claim 1,
The protective layer may be formed,
(PEO), polyacrylonitrile (PAN), polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF- HFP), LiPON, Li 3 N, Li x La 1 - x TiO 3 (0 <x <1), Li 2 S-GeS-Ga 2 S 3 and mixtures thereof.
상기 보호층의 평균 두께는 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛인 리튬 금속 음극.The method according to claim 1,
Wherein the average thickness of the protective layer is 0.01 탆 to 50 탆.
상기 리튬 금속층은,
상기 리튬 금속이 상기 집전체의 오목부 또는 공극 전체 부피의 40 부피% 내지 60 부피%를 채우도록 형성된 것인 리튬 금속 음극. The method according to claim 1,
Wherein the lithium metal layer comprises
Wherein the lithium metal is formed so as to fill 40% by volume to 60% by volume of the total volume of the concave portion or the pore of the current collector.
상기 집전체의 적어도 일 면을 덮도록 보호층을 형성하는 단계;
도금액 내에 상기 보호층이 형성된 집전체를 위치시킨 후 상기 보호층과 소정의 간격을 두고 리튬 공급원을 위치시키는 단계; 그리고
상기 집전체 및 상기 리튬 공급원 사이에 전류를 인가하여, 상기 집전체의 오목부 또는 공극 내에 리튬 금속을 위치시켜 리튬 금속층을 형성하는 단계
를 포함하는 리튬 금속 음극의 제조 방법.Preparing a current collector that is at least one of a current collector including a concave portion on at least one side thereof and a porous current collector including a gap;
Forming a protective layer to cover at least one surface of the current collector;
Placing a current collector on which the protective layer is formed in a plating solution and locating a lithium source at a predetermined distance from the protective layer; And
A current is applied between the current collector and the lithium source to form a lithium metal layer by locating a lithium metal in a recess or a cavity of the current collector
And a cathode.
상기 리튬 금속층을 형성하는 단계는,
상기 리튬 공급원으로부터 공급된 리튬 이온이 상기 보호층을 통과하여 상기 집전체의 오목부 또는 공극 내에 리튬 금속이 위치하도록 수행되는 리튬 금속 음극의 제조 방법. 11. The method of claim 10,
Wherein the forming the lithium metal layer comprises:
Wherein lithium ions supplied from the lithium source are passed through the protective layer so that lithium metal is located in the concave portion or the pore of the current collector.
상기 보호층을 형성하는 단계는,
물리 증착, 스크인 인쇄, 진공 증착, 분무 코팅, 스핀 코팅, 딥 코팅, 그라비아 코팅, 바 코팅 및 열간 압착 중 적어도 하나의 방법으로 수행되는 리튬 금속 음극의 제조 방법.11. The method of claim 10,
The step of forming the protective layer may include:
A method for producing a lithium metal anode, which is carried out by at least one of physical vapor deposition, scribe printing, vacuum deposition, spray coating, spin coating, dip coating, gravure coating, bar coating and hot pressing.
상기 보호층을 형성하는 단계는 40 내지 80℃ 온도 범위에서 열처리하는 공정을 포함하는 리튬 금속 음극의 제조 방법. 13. The method of claim 12,
Wherein the step of forming the protective layer comprises a step of heat treating at a temperature in the range of 40 to 80 占 폚.
상기 도금액 내에 상기 보호층이 형성된 집전체를 위치시킨 후 상기 보호층과 소정의 간격을 두고 리튬 공급원을 위치시키는 단계는,
상기 보호층 및 상기 리튬 공급원 사이에 다공성 절연막을 위치시키는 단계를 포함하는 리튬 금속 음극의 제조 방법. 11. The method of claim 10,
The step of locating the current collector on which the protective layer is formed in the plating solution and locating the lithium source at a predetermined distance from the protective layer,
And placing a porous insulating film between the protective layer and the lithium source.
상기 도금액은 보조 용매 및 첨가제를 포함하는 리튬 금속 음극의 제조 방법. 11. The method of claim 10,
Wherein the plating liquid comprises an auxiliary solvent and an additive.
상기 보조 용매는,
에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤, ε-카프로락톤 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 금속 음극의 제조 방법.16. The method of claim 15,
The co-
Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate (DMSO), and the like. Dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone, and mixtures thereof Method for producing a lithium metal cathode comprising one.
상기 첨가제는,
F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 중 적어도 하나를 포함하는 리튬 금속 음극의 제조 방법.16. The method of claim 15,
Preferably,
F -, Cl -, Br - , I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, At least one of CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - .
양극; 및
전해질을 포함하고,
상기 음극은, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 리튬 금속 음극인 리튬 이차 전지.
cathode;
anode; And
Comprising an electrolyte,
The negative electrode is the lithium metal negative electrode according to any one of claims 1 to 9.
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