KR20200011699A - 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지를 방전하여 리튬 금속 상에 형성된 표면 산화막을 제거하는 스트리핑 단계, 및 전지를 충전하여 상기 스트리핑 단계에 의해 표면 산화막이 제거된 리튬 금속 상에 리튬 금속을 보충하는 플레이팅 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법{METHOD FOR PRE-TREATING LITHIUM METAL USED IN LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 전기 화학적 폴리싱(polishing) 기법으로서 스트리핑(stripping) 단계 및 플레이팅(plating) 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동전위를 나타내고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 있다.
리튬 금속 이차전지는 최초로 상용화된 리튬 이차전지로서, 리튬 금속을 음극으로 사용한다. 그러나, 리튬 금속 이차전지는 리튬 금속 음극의 표면에 형성되는 리튬 수지상에 의해 셀의 부피팽창, 용량 및 에너지 밀도의 점진적인 감소, 수지상 지속 성장에 따른 단락발생, 사이클 수명 감소와 셀 안정성 문제(폭발 및 발화)가 있어 상용화된지 불과 몇 년 만에 생산이 중단되었다. 이에, 리튬 금속 대신에 보다 안정하고 격자나 빈공간 내에 리튬을 이온상태로 안정하게 저장할 수 있는 탄소계 음극이 사용되었으며, 상기 탄소계 음극 사용으로 인해 본격적인 리튬 이차전지의 상용화 및 보급이 진행되었다.
현재까지 리튬 이차전지는 탄소계 또는 비탄소계 음극 소재들이 주류를 이루고 있으며, 대부분의 음극재 개발은 탄소계(흑연, 하드카본, 소프트 카본 등)와 비탄소계(실리콘, 주석, 티타늄 산화물 등) 소재에 집중되어 있다. 그러나, 탄소계 소재들은 이론용량이 400 mAh/g을 넘지 못하고 있고, 비탄소계는 1000 mAh/g이 넘는 소재들이지만 충방전시 부피팽창 및 성능저하 문제가 있다.
한편, 최근에는 중대형 리튬 이차전지가 활성화 되면서 고용량 및 고에너지밀도 특성이 요구되고 있으나, 기존 탄소계 또는 비탄소계 음극 소재들은 이러한 성능을 맞추기에는 한계가 있다.
이에, 최근 리튬-공기 전지와 같이 리튬 금속을 다시 활용하려는 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 동시에 리튬 금속 이차전지에 대한 관심이 다시 고조되고 있다. 리튬은 매우 가볍고, 이론용량이 3800 mAh/g을 상회하는 우수한 에너지 밀도를 구현할 가능성을 가지고 있다.
그러나, 리튬 금속을 이차전지의 음극소재로 적용하기 위해서는 극복해야 할 문제점들이 산적해 있다. 먼저, 리튬 금속의 경우, 반응과정에서 부피 변화가 크고, 전해액과의 부반응으로 인해 낮은 효율 특성을 나타낼 수 있다. 이를 해결하기 위해 리튬 금속 보호용 인-시츄 SEI 층(in-situ SEI layer) 또는 엑스-시츄 패시베이션 층(ex-situ passivation layer)을 개발 및 적용함으로써 리튬 금속의 효율을 개선하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
또한, 리튬 금속 표면에는 자연적으로 Li2O, Li2CO3와 같은 표면 산화막(native layer)이 형성될 수 있는데, 이러한 표면 산화막의 존재로 인해 반응과정에서 리튬 금속 표면에서의 불균일한 반응을 야기하여 낮은 효율 특성을 나타낼 수 있다. 이를 제어하기 위해 하기 비특허문헌 1과 같이 기계적인 폴리싱(Mechanical polishing) 기법을 이용하여 물리적으로 표면 산화막을 제거하면 리튬 금속 표면에서의 균일 반응을 유도할 수 있다. 그러나, 이러한 기계적인 폴리싱 기법은 브러싱(brushing) 공정 자체에서 리튬 금속 표면이 불균일하게 형성되거나, 전지 조립 과정에서 재산화가 나타나는 이차적인 문제가 발생할 가능성이 높다. 따라서, 해당 기술 분야에서는 상기 기계적인 폴리싱 기법의 단점을 보완하여 효율적으로 표면 산화막을 제거할 수 있는 새로운 기법이 요구되고 있다.
Ryou,M.H. et al., Mechanical Surface Modifi cation of Lithium Metal: Towards Improved Li Metal Anode Performance by Directed Li Plating, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 834-841.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 리튬 이차전지가 조립된 상태에서 전지의 충·방전을 통한 전기 화학적 폴리싱 기법을 사용함으로써, 음극인 리튬 금속에 자연적으로 형성된 표면 산화막을 효과적으로 제거할 수 있는 리튬 금속의 전처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면,
본 발명은 전지를 방전하여 리튬 금속 상에 형성된 표면 산화막을 제거하는 스트리핑 단계, 및 전지를 충전하여 상기 스트리핑 단계에 의해 표면 산화막이 제거된 리튬 금속 상에 리튬 금속을 보충하는 플레이팅 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 스트리핑 단계는 5 내지 20mAh/cm2의 전류 밀도로 전지를 방전하여 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 스트리핑 단계는 20 내지 120초의 시간 및 1 내지 13회의 횟수로 전지를 방전하여 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 스트리핑 단계는 하기 수학식 1로 표시되는 ECPS factor 값이 6.0×10-4 내지 3.0×10-2의 범위에서 전지를 방전하여 수행된다.
[수학식 1]
ECPS factor(mAh/cm2/s/n2)= 전류 밀도(mAh/cm2)/시간(s)/(횟수(n))2
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 플레이팅 단계는 0.01 내지 0.2mAh/cm2의 전류 밀도로 전지를 충전하여 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 플레이팅 단계는 1,000 내지 7,000초의 시간 및 1 내지 13회의 횟수로 전지를 충전하여 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 스트리핑 단계 및 상기 플레이팅 단계가 2회 이상 수행되는 경우, 상기 스트리핑 단계 및 플레이팅 단계는 동일한 횟수로, 번갈아 순차적으로 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 스트리핑 단계에서 방전 시 전류 밀도와 상기 플레이팅 단계에서 충전 시 전류 밀도의 비율은 50:1 내지 200:1이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 스트리핑 단계에서 방전 시 ECPP factor 값과 상기 플레이팅 단계에서 충전 시 ECPP factor 값의 비율은 1.3:1 내지 1:1.3이며, 상기 ECPP factor 값은 하기 수학식 2로 표시된다.
[수학식 2]
ECPP factor(mAh·s/cm2)=전류 밀도(mAh/cm2)·시간(s)
본 발명의 제2 측면에 따르면,
본 발명은 상술한 리튬 금속의 전처리 방법에 의해 전처리된 리튬 금속을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 금속의 전처리 방법에 의하면, 전지가 조립된 후 전처리가 수행되기 때문에 전처리 후 발생할 수 있는 리튬 금속의 재산화 문제를 원천적으로 방지할 수 있다. 또한, 기계적 또는 화학적인 방법이 아니기 때문에 장치나 시약에 의해 리튬 금속이 손상되지 않고, 스트리핑 단계와 플레이팅 단계의 조건을 적절하게 조절하면 전처리 후 균일한 리튬 금속 표면을 형성할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 리튬 금속을 전처리한 후 전처리된 리튬 금속을 사진 촬영하여 나타낸 이미지이다.
도 2는 비교예 5에 따라 리튬 금속을 전처리한 후 전처리된 리튬 금속을 사진 촬영하여 나타낸 이미지이다.
도 3은 실시예 1 및 2와 비교예 4 및 6 각각에 따른 리튬 금속의 전처리 과정을 수행한 리튬 이차전지의 수명 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
본 발명은 리튬 이차전지에서 음극 소재로 사용되는 리튬 금속에 자연적으로 형성되는 Li2O, Li2CO3와 같은 표면 산화막을 효과적으로 제거하는 방법을 제공한다. 본 발명에서 리튬 이차전지의 음극 소재는 리튬 금속으로 한정되기 때문에, 본 명세서의 리튬 이차전지는 리튬 금속 이차전지로 해석될 수 있다. 상기 표면 산화막은 공기 중에 노출된 리튬 금속이 산소 또는 이산화탄소와 반응하여 자연스럽게 형성될 수 있으며, 이러한 표면 산화막이 두껍게 형성된 리튬 금속을 리튬 이차전지에 적용하는 경우 리튬 금속 표면에서의 균일한 반응을 저해할 수 있다. 따라서, 상기 표면 산화막이 제거된 상태의 리튬 금속이 리튬 이차전지에 적용되는 것이 리튬 이차전지의 수명 특성에 있어서 유리할 수 있다.
종래에는 리튬 금속에서 표면 산화막을 제거하기 위한 방법으로 기계적인 폴리싱 기법과 화학적인 폴리싱 기법이 주로 사용되었다. 이러한 기법은 기계적인 장치 또는 화학적인 시약을 사용하여 수행되는데, 리튬 금속이 리튬 이차전지에 적용된 상태에서는 이러한 기법이 수행될 수 없다. 따라서, 종래의 기계적인 폴리싱 기법과 화학적인 폴리싱 기법을 이용하는 경우 전지 조립 과정에서 리튬 금속이 재산화되는 문제의 발생은 불가피하다. 또한, 종래의 기계적인 폴리싱 기법과 화학적인 폴리싱 기법은 마이크로 또는 나노 스케일로 정교하게 컨트롤하기 어려워 작업 후에도 리튬 금속 표면이 불균일하게 형성되거나 리튬 금속이 손실되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 달리, 본 발명에 따른 방법은 리튬 금속이 리튬 이차전지에 적용된 상태에서 수행되기 때문에 리튬 금속의 재산화 문제가 발생하지 않고, 리튬 금속 상에 표면 산화막을 탈리하는 작업과 리튬 금속을 부착하는 작업이 순차적으로 진행되기 때문에 리튬 금속의 손실을 최소화할 수 있다.
리튬 금속의 전처리 방법
본 발명은 리튬 이차전지가 본격적인 전지의 구동 전에 전기 화학적 폴리싱 기법을 이용하여 리튬 금속 표면에 형성된 표면 산화막을 균일하게 제거하는 리튬 금속의 전처리 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 리튬 금속의 전처리 방법은 크게 스트리핑 단계 및 플레이팅 단계를 포함한다. 상기 스트리핑 단계 및 상기 플레이팅 단계는 각각 2회 이상 수행될 수 있는데, 특별히 이에 제한되는 것은 아니지만, 동일한 횟수로, 번갈아 순차적으로 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 이하에서는 상술한 스트리핑 단계와 플레이팅 단계에 대해서 구체적으로 설명한다.
먼저, 스트리핑 단계는 리튬 금속 상에 형성된 표면 산화막을 제거하는 단계이며, 이는 리튬 이차전지를 방전하는 방법을 통해 수행된다. 리튬 이차전지를 방전하는 경우 표면 산화막뿐만 아니라 노출된 리튬 금속도 함께 제거될 수 있기 때문에, 표면 산화막을 균일하게 제거하면서 리튬 금속의 손실을 최소화하기 위하여 방전 조건을 적절한 범위에서 설정하는 것이 중요하다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 스트리핑 단계는 5 내지 20mAh/cm2, 바람직하게는 8 내지 16mAh/cm2의 전류 밀도로 전지를 방전하여 수행될 수 있다. 상기 스트리핑 단계에서 5mAh/cm2 미만의 전류 밀도로 전지를 방전하는 경우 표면 산화막 제거의 효과가 미미할 수 있고, 균일하게 표면 산화막을 제거하기 어렵다. 상기 스트리핑 단계에서 20mAh/cm2 초과의 전류 밀도로 전지를 방전하는 경우 리튬 금속이 함께 제거될 수 있고, 균일하게 표면 산화막을 제거하기 어렵다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 스트리핑 단계는 20 내지 150초, 바람직하게는 30 내지 120초의 시간 및 1 내지 13회, 바람직하게는 3 내지 10회의 횟수로 전지를 방전하여 수행될 수 있다. 상기 스트리핑 단계에서 20초 미만의 시간으로 전지를 방전하는 경우 표면 산화막 제거의 효과가 미미할 수 있고, 150초 초과의 시간으로 전지를 방전하는 경우 리튬 금속이 함께 제거될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 스트리핑 단계를 14회 이상 수행하는 경우 리튬 금속의 손실이 가속화될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 목적인 표면 산화막의 제거는 실질적으로 스트리핑 단계에 의해 일어나기 때문에, 플레이팅 단계보다 더 중요할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 스트리핑 단계에서 전지의 방전 시 전류 밀도, 시간 및 횟수 등의 조건 설정이 결과에 크게 영향을 미칠 수 있는데, 각 조건의 개별적인 설정뿐만 아니라 유기적인 설정도 중요할 수 있다. 본 발명에서는 스트리핑 단계에서 전지의 방전 시 전류 밀도, 시간 및 횟수의 유기적인 관계를 정의하기 위해 하기 수학식 1로 표현되는 ECPS(ElectroChemical Polishing Stripping) factor 값을 도입한다.
[수학식 1]
ECPS factor(mAh/cm2/s/n2)= 전류 밀도(mAh/cm2)/시간(s)/(횟수(n))2
상기 수학식 1에 따르면, 상기 ECPS factor 값은 전류 밀도를 시간과 횟수의 제곱으로 나눈 값을 의미한다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 스트리핑 단계는 하기 수학식 1로 표시되는 ECPS factor 값이 6.0×10-4 내지 3.0×10-2, 바람직하게는 6.5×10-4 내지 1.5×10-2의 범위에서 전지를 방전하여 수행될 수 있다. 상기 범위를 벗어나게 ECPS factor 값을 설정하는 경우, 표면 산화막의 제거 효과가 미미하거나 표면 산화막과 함께 다량의 리튬 금속이 제거되어 바람직하지 않다.
플레이팅 단계는 상기 스트리핑 단계에 의해 표면 산화막이 제거된 리튬 금속 상에 리튬 금속을 보충하는 단계이며, 이는 리튬 이차전지를 충전하는 방법을 통해 수행된다. 플레이팅 단계에 의해 리튬 금속이 보충될 때, 리튬 금속 상에 표면 산화막이 완전히 제거되어 노출된 부분이 우선적으로 보충될 수 있기 때문에, 플레이팅 단계는 스트리핑 단계에서 불균일하게 반응이 진행되어도 이를 보완할 수 있다. 상기 플레이팅 단계는 상기 스트리핑 단계에 비해 낮은 전류 밀도로 장시간 동안 수행될 수 있는데, 이와 같이 반응을 서서히 진행하는 경우 보다 균일한 리튬 금속 표면을 얻을 수 있다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 플레이팅 단계는 0.01 내지 0.2mAh/cm2, 바람직하게는 0.04 내지 0.16mAh/cm2의 전류 밀도로 전지를 충전하여 수행될 수 있다. 상기 플레이팅 단계에서 0.01mAh/cm2 미만의 전류 밀도로 전지를 충전하는 경우 리튬 금속의 보충량이 부족하거나 리튬 금속의 보충 속도가 느려져서 바람직하지 않다. 상기 플레이팅 단계에서 0.2mAh/cm2 초과의 전류 밀도로 전지를 충전하는 경우 스트리핑 단계에 의해 형성된 불균일한 리튬 금속 또는 표면 산화막의 표면을 균일하게 보충하기 어려워 바람직하지 않다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 플레이팅 단계는 1,000 내지 7,000초, 바람직하게는 3,000 내지 6,000초의 시간 및 1 내지 13회, 바람직하게는 3 내지 10회의 횟수로 전지를 충전하여 수행될 수 있다. 상기 플레이팅 단계에서 1,000초 미만의 시간으로 전지를 충전하는 경우 리튬 금속 보충의 효과가 미미할 수 있고, 7,000초 초과의 시간으로 전지를 충전하는 경우 전체적인 전처리 과정이 너무 느려져서 실용적이지 않다. 또한, 상기 플레이팅 단계를 14회 이상 수행하는 경우 스트리핑 단계에 의해 손실된 리튬 금속을 효율적으로 보충하지 못하여 바람직하지 않다.
플레이팅 단계는 스트리핑 단계와 독립적으로 수행되지만, 플레이팅 단계의 조건은 스트리핑 단계의 조건을 고려하여 조절하는 것이 보다 적절할 수 있다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 스트리핑 단계에서 방전 시 전류 밀도와 상기 플레이팅 단계에서 충전 시 전류 밀도의 비율은 50:1 내지 200:1일 수 있다. 상기 비율 범위 내에서 스트리핑 단계 및 플레이팅 단계를 수행하는 경우, 표면 산화막을 효율적으로 제거할 수 있으면서, 전처리 후 균일한 표면을 갖는 리튬 금속을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 상기 스트리핑 단계의 전류 밀도 및 시간과 상기 플레이팅 단계의 전류 밀도 및 시간 사이의 관계를 정의하기 위해 하기 수학식 2로 표현되는 ECPP(ElectroChemical Polishing Plating) factor 값을 도입한다.
[수학식 2]
ECPP factor(mAh·s/cm2)=전류 밀도(mAh/cm2)·시간(s)
상기 수학식 2에 따르면, 상기 ECPP factor 값은 전류 밀도와 시간을 곱한 값을 의미한다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 스트리핑 단계에서 방전 시 ECPP factor 값과 상기 플레이팅 단계에서 충전 시 ECPP factor 값의 비율은 1.3:1 내지 1:1.3일 수 있다. 상기 비율 범위 내에서 스트리핑 단계 및 플레이팅 단계를 수행하는 경우, 스트리핑 단계와 플레이팅 단계의 균형을 적절하게 맞출 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 금속의 전처리 방법을 적용하면, 표면 산화막이 형성되기 전 최초의 리튬 금속과 비교하여 약 90 중량% 이상의 리튬 금속을 얻을 수 있으며, 얻어진 리튬 금속은 표면 산화막이 완전히 제거된 상태로 리튬 이차전지에 바로 적용되기 때문에, 리튬 이차전지의 수명 특성 등을 향상시킬 수 있다.
리튬 이차전지
상술한 리튬 금속의 전처리 방법은 리튬 이차전지의 조립 후 수행되는 것이기 때문에, 리튬 이차전지의 구성에 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 금속의 전처리 방법이 적용 가능한 리튬 이차전지는 음극이 리튬 금속이면 특별히 제한되지는 않지만, 이하에서는 리튬 이차전지의 각 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 리튬 금속의 전처리 방법이 적용 가능한 리튬 이차전지는 음극; 양극; 상기 음극과 양극 사이에 배치되는 분리막; 및 전해질을 포함한다. 상기 리튬 이차전지의 음극은 리튬 금속으로 한정되며, 본 발명은 이러한 리튬 금속 상에 형성된 표면 산화막을 제거하기 위한 전처리 방법에 관한 것이다.
상기 양극은 특별히 제한하는 것은 아니나, 리튬 박막이거나 집전체 일면 상에 양극 활물질층이 형성되어 있는 것일 수 있다. 만약, 상기 양극이 집전체 일면 상에 양극 활물질층이 형성되어 있는 것인 경우, 상기 양극은 집전체 일면 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 슬러리를 도포한 후 건조하여 제조할 수 있으며, 이때 상기 슬러리는 양극 활물질 이외에 바인더 및 도전재, 충진제, 분산제와 같은 첨가제를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 양극 활물질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대, 황 계열 활물질, 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 등일 수 있다. 상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간 코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물 등일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(여기서, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 - yMnyO2(여기서, 0≤y<1), Li(NidCoeMnf)O4(여기서, 0<d<2, 0<e<2, 0<f<2, d+e+f=2), LiMn2 - zNizO4, 또는 LiMn2 - zCo2O4(여기서, 0<z<2)일 수 있다.
상기 바인더는 상기 양극 활물질과 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질 슬러리 총량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 바인더는 특별히 제한하는 것은 아니나, 예컨대 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부티렌 고무(SBR) 및 불소 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 도전재는 특별히 제한하지 않으나, 예컨대 천연흑연이나 인조흑연 등의 흑연; 카본블랙(super-p), 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 덴카 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등일 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 상기 양극 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 0.05 중량% 내지 5 중량%의 함량일 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 필요에 따라 사용 여부를 정할 수 있으며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한하는 것은 아니나, 예컨대 폴리에틸렌 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질일 수 있다.
상기 분산제(분산액)로는 특별히 제한하는 것은 아니나, 예컨대 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등일 수 있다.
상기 도포는 당업계에 통상적으로 공지된 방법에 의하여 수행할 수 있으나, 예컨대 상기 양극 활물질 슬러리를 상기 양극 집전체 일측 상면에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시켜 수행할 수 있다. 이외에도, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 통하여 수행할 수 있다.
상기 건조는 특별히 제한하는 것은 아니나 50℃ 내지 200℃의 진공오븐에서 1일 이내로 수행하는 것일 수 있다.
분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저 저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.
또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 기공도 30~50%의 다공성이고, 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다.
구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 사용할 수 있고, 고융점의 유리 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다. 이 중 바람직하기로 다공성 고분자 필름을 사용한다.
만일 버퍼층 및 분리막으로 모두 고분자 필름을 사용하게 되면, 전해액 함침량 및 이온 전도 특성이 감소하고, 과전압 감소 및 용량 특성 개선 효과가 미미하게 된다. 반대로, 모두 부직포 소재를 사용할 경우는 기계적 강성이 확보되지 못하여 전지 단락의 문제가 발생한다. 그러나, 필름형의 분리막과 고분자 부직포 버퍼층을 함께 사용하면, 버퍼층의 채용으로 인한 전지 성능 개선 효과와 함께 기계적 강도 또한 확보할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면 에틸렌 단독중합체(폴리에틸렌) 고분자 필름을 분리막으로, 폴리이미드 부직포를 버퍼층으로 사용한다. 이때, 상기 폴리에틸렌 고분자 필름은 두께가 10 내지 25μm, 기공도가 40 내지 50%인 것이 바람직하다.
전해액은 리튬염을 함유하는 비수계 전해액으로서 리튬염과 용매로 구성된다.
상기 리튬염은 비수계 유기 용매에 쉽게 용해될 수 있는 물질로서, 예컨대, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiB(Ph)4 , LiC4BO8, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSO3CH3, LiSO3CF3, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SO2F)2, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 테트라 페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군으로부터 하나 이상일 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리튬염은 리튬 이미드가 바람직할 수 있다.
상기 리튬염의 농도는, 전해액 혼합물의 정확한 조성, 염의 용해도, 용해된 염의 전도성, 전지의 충전 및 방전 조건, 작업 온도 및 리튬 이차전지 분야에 공지된 다른 요인과 같은 여러 요인에 따라, 0.1 내지 8.0 M, 바람직하기로 0.5 내지 2.0 M일 수 있다. 만약, 리튬염의 농도가 상기 범위 미만이면 전해액의 전도도가 낮아져서 전지 성능이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 전해액의 점도가 증가하여 리튬 이온(Li+)의 이동성이 감소될 수 있으므로 상기 범위 내에서 적정 농도를 선택하는 것이 바람직하다.
상기 비수계 유기 용매는 리튬염을 잘 용해시킬 수 있는 물질로서, 바람직하기로 N-메틸-2-피롤리돈, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 1-에톡시-2-메톡시 에탄, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 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, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양성자성 유기 용매가 사용될 수 있으며, 이들 중 하나 또는 둘 이상의 혼합 용매 형태로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 비양성자성 용매는 디옥솔란, 디메틸에테르, 또는 이들의 조합이 바람직할 수 있다.
본 발명의 리튬-황 전지용 비수계 전해액은 첨가제로서 질산 또는 아질산계 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 질산 또는 아질산계 화합물은 리튬 전극에 안정적인 피막을 형성하고 충방전 효율을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 질산 또는 아질산계 화합물로는 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나, 질산리튬(LiNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산세슘(CsNO3), 질산바륨(Ba(NO3)2), 질산암모늄(NH4NO3), 아질산리튬(LiNO2), 아질산칼륨(KNO2), 아질산세슘(CsNO2), 아질산암모늄(NH4NO2) 등의 무기계 질산 또는 아질산 화합물; 메틸 니트레이트, 디알킬 이미다졸륨 니트레이트, 구아니딘 니트레이트, 이미다졸륨 니트레이트, 피리디늄 니트레이트, 에틸 니트라이트, 프로필 니트라이트, 부틸 니트라이트, 펜틸 니트라이트, 옥틸 니트라이트 등의 유기계 질산 또는 아질산 화합물; 니트로메탄, 니트로프로판, 니트로부탄, 니트로벤젠, 디니트로벤젠, 니트로 피리딘, 디니트로피리딘, 니트로톨루엔, 디니트로톨루엔 등의 유기 니트로 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하게는 질산리튬을 사용한다.
또한, 상기 비수계 전해액은 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 예시로는 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아마이드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄, 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 프로펜 설톤(PRS), 비닐렌 카보네이트(VC) 등을 들 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막을 배치하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체는 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음 전해질을 주입하여 제조할 수 있다. 또는, 상기 전극 조립체를 적층한 후, 이를 전해질에 함침시키고 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하여 제조할 수도 있다.
상기 전지 케이스는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이 채택될 수 있고, 전지의 용도에 따른 외형에 제한이 없으며, 예를 들면 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
리튬 이차전지의 제공
하기의 실시예에서 사용된 리튬 이차전지는 이하의 방법으로 제조된다.
물을 용매로 하고, 황, 슈퍼피(Super-P, SP), 도전재 및 바인더를 볼밀로 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때 도전재로는 덴카블랙을, 바인더로는 SBR과 CMC의 혼합 형태의 바인더를 사용하였으며, 혼합 비율은 중량비로 황 및 SP(9:1비율):도전재:바인더가 90:10:10가 되도록 하였다. 제조한 양극활물질층 형성용 조성물을 알루미늄 집전체에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다(양극의 에너지 밀도: 2.5 mAh/㎠).
상기 제조한 양극과 음극을 대면하도록 위치시킨 후, 두께 20μm 기공도 45%의 폴리에틸렌 분리막을 상기 양극과 음극 사이에 개재하였다.
그 후, 케이스 내부로 전해질을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때 상기 전해질은, 디옥솔란(DOL) 및 디메틸에테르 (DME) (혼합 부피비= 1:1)로 이루어진 유기용매에 1M 농도의 리튬 비스(트리플루오로메틸 설포닐)이미드(LiTFSI)와 1 wt%의 LiNO3를 용해시켜 제조하였다.
실시예 1
상술한 리튬 이차전지를 8mAh/cm2의 전류 밀도로 60초 동안 방전하여 표면 산화막을 스트리핑한 후, 0.08mAh/cm2의 전류 밀도로 6,000초 동안 충전하여 리튬 금속을 플레이팅하였다. 상기 충·방전 과정을 순차적으로 10회 반복하여 리튬 금속의 전처리 과정을 마무리하였다.
실시예 2 내지 7
하기 표 1과 같이, 전류 밀도, 시간 및 횟수를 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속의 전처리 과정을 마무리하였다.
비교예 1 내지 5
하기 표 1과 같이, 전류 밀도, 시간 및 횟수를 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속의 전처리 과정을 마무리하였다.
비교예 6
본 발명에 따른 리튬 금속의 전처리 과정을 수행하지 않았다.
스트리핑 단계 플레이팅 단계 횟수(n)
전류 밀도
(mAh/cm2)		 시간
(s)		 전류 밀도
(mAh/cm2)		 시간
(s)
실시예 1 8.0 60 0.08 6,000 10
실시예 2 8.0 60 0.08 6,000 5
실시예 3 8.0 60 0.08 6,000 3
실시예 4 12.0 40 0.08 6,000 10
실시예 5 8.0 30 0.04 6,000 10
실시예 6 16.0 30 0.08 6,000 10
실시예 7 8.0 120 0.16 6,000 10
비교예 1 2.67 180 0.08 6,000 10
비교예 2 8.0 180 0.24 6,000 10
비교예 3 8.0 240 0.32 6,000 10
비교예 4 8.0 60 0.08 6,000 15
비교예 5 8.0 60 0.08 6,000 20
상기 표 1에 표시된 정보를 바탕으로 상술한 ECPS factor 및 ECPP factor 값을 계산하여 하기 표 2에 나타내었다.
스트리핑 단계 플레이팅 단계
ECPS factor
(mAh/cm2/s/n2)		 ECPP factor
(mAh·s/cm2)		 ECPP factor (mAh·s/cm2)
실시예 1 0.00133 480 480
실시예 2 0.00533 480 480
실시예 3 0.0148 480 480
실시예 4 0.003 480 480
실시예 5 0.00267 240 240
실시예 6 0.00533 480 480
실시예 7 0.000667 960 960
비교예 1 0.000148 480 480
비교예 2 0.000444 1,440 1,440
비교예 3 0.000333 1,920 1,920
비교예 4 0.000593 480 480
비교예 5 0.000333 480 480
실험예
실험예 1
리튬 금속의 전처리 이후 리튬 금속의 회수율(recovery ratio)을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 상기 리튬 금속의 회수율은 하기 수학식 3을 통해 계산된다.
[수학식 3]
리튬 금속의 회수율(%)= 전처리 이후 리튬 금속의 함량(g)/전처리 이전 리튬 금속의 함량(g)×100
전처리 전후의 리튬 금속의 함량은 Micro valence(Mettler Toledo, XP105 model)를 통해 무게를 측정하여 확인하였다. 특히, 전처리 후의 리튬 금속의 무게 측정은 정확한 측정을 위해 디메톡시에탄(dimethoxyethane)으로 세척 및 건조한 후 진행하였다.
리튬 금속의 회수율
(%)		 리튬 금속의 회수율
(%)
실시예 1 98.5 실시예 7 93.3
실시예 2 99.1 비교예 1 81.6
실시예 3 99.5 비교예 2 88.4
실시예 4 96.7 비교예 3 85.3
실시예 5 95.8 비교예 4 81.5
실시예 6 92.7 비교예 5 75.5
상기 표 3에 따르면, 실시예 1 내지 7의 조건으로 스트리핑 및 플레이팅 단계에서 전류 밀도, 시간 및 횟수를 조절하는 경우 표면 산화막을 효과적으로 제거한 후에 리튬 금속을 90% 이상 회수할 수 있었다.
실험예 2
실시예 1 및 비교예 5 각각에 따라 리튬 금속을 전처리한 후 전처리된 리튬 금속을 사진 촬영하여 도 1 및 도 2에 나타내었다.
상기 도 1에 따르면, 실시예 1에 따라 리튬 금속을 전처리한 경우, 스트리핑 단계 이후에 플레이팅 단계에서 리튬 금속이 충분하게 보충되어 상대적으로 광택이 없고, 균일한 형태의 표면이 형성된 것을 확인 할 수 있었다. 이와 달리, 상기 도 2에 따르면, 비교예 5에 따라 리튬 금속을 전처리한 경우, 스트리핑 단계 이후에 플레이팅 단계에서 리튬 금속이 불충분하게 보충되어 광택이 있고, 균일한 형태의 표면이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3
리튬 금속의 전처리 이후 리튬 이차전지의 성능을 평가하기 위해, 실시예 1 및 2와 비교예 4 및 6 각각에 따라 리튬 금속을 전처리한 후 리튬 이차전지를 반복적으로 충·방전하면서 각 사이클에서 전지의 용량 보유율(capacity retention)을 측정하여 도 3에 나타내었다. 리튬 이차전지의 충·방전은 1.5V ~ 2.8V(vs. Li/Li+)의 전위 범위 내에서 0.1C/0.1C 충전/방전 3 사이클, 0.2C/0.2C 충전/방전 3 사이클 이후, 0.3C/0.5 충전/방전 10 사이클과 0.2C/0.2C 충전/방전 3 사이클을 순차적으로 반복하여 수행하였다.
도 3에 따르면, 실시예 1 및 2에 따른 리튬 금속의 전처리 과정을 수행한 리튬 이차전지는 리튬 금속의 표면에 형성된 표면 산화막을 효과적으로 제거할 수 있어 리튬 금속의 전처리 과정을 수행하지 않은 비교예 6에 따른 리튬 이차전지에 비해 수명 특성이 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1 및 2에 따른 리튬 금속의 전처리 과정을 수행한 리튬 이차전지는 리튬 금속의 회수율이 높아 비교예 4에 따른 리튬 금속의 전처리 과정을 수행한 리튬 이차전지에 비해 마찬가지로 수명 특성이 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (10)

  1. 전지를 방전하여 리튬 금속 상에 형성된 표면 산화막을 제거하는 스트리핑 단계; 및
    전지를 충전하여 상기 스트리핑 단계에 의해 표면 산화막이 제거된 리튬 금속 상에 리튬 금속을 보충하는 플레이팅 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트리핑 단계는 5 내지 20mAh/cm2의 전류 밀도로 전지를 방전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스트리핑 단계는 20 내지 120초의 시간 및 1 내지 13회의 횟수로 전지를 방전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트리핑 단계는 하기 수학식 1로 표시되는 ECPS factor 값이 6.0×10-4 내지 3.0×10-2의 범위에서 전지를 방전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법:
    [수학식 1]
    ECPS factor(mAh/cm2/s/n2)= 전류 밀도(mAh/cm2)/시간(s)/(횟수(n))2.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 플레이팅 단계는 0.01 내지 0.2mAh/cm2의 전류 밀도로 전지를 충전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 플레이팅 단계는 1,000 내지 7,000초의 시간 및 1 내지 13회의 횟수로 전지를 충전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트리핑 단계 및 상기 플레이팅 단계가 2회 이상 수행되는 경우, 상기 스트리핑 단계 및 플레이팅 단계는 동일한 횟수로, 번갈아 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트리핑 단계에서 방전 시 전류 밀도와 상기 플레이팅 단계에서 충전 시 전류 밀도의 비율은 50:1 내지 200:1인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트리핑 단계에서 방전 시 ECPP factor 값과 상기 플레이팅 단계에서 충전 시 ECPP factor 값의 비율은 1.3:1 내지 1:1.3이며, 상기 ECPP factor 값은 하기 수학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 금속의 전처리 방법:
    [수학식 2]
    ECPP factor(mAh·s/cm2)=전류 밀도(mAh/cm2)·시간(s).
  10. 청구항 1에 따른 리튬 금속의 전처리 방법에 의해 전처리된 리튬 금속을 포함하는 리튬 이차전지.
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