KR20200084209A - Lithium primary battery having inorganic coating layer with excellent thermal stability - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a lithium primary battery having an inorganic coating layer with excellent thermal stability, which is designated to overcome an initial voltage delay effect occurring in an early stage discharge process. According to the present invention, the lithium primary battery comprises: a case having an open upper side and having an electrolyte immersed thereinto; a lithium negative electrode disposed inside the case; a positive electrode disposed inside the case to face the lithium negative electrode; a separator disposed between the lithium negative electrode and the positive electrode; and a header covering and sealing the upper side of the case. The lithium negative electrode comprises a lithium metal layer and an inorganic coating layer covering a surface of the lithium metal layer.

Description

열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지{LITHIUM PRIMARY BATTERY HAVING INORGANIC COATING LAYER WITH EXCELLENT THERMAL STABILITY}Lithium primary battery with inorganic coating layer with excellent thermal stability{LITHIUM PRIMARY BATTERY HAVING INORGANIC COATING LAYER WITH EXCELLENT THERMAL STABILITY}

본 발명은 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초기 방전 과정에서 발생되는 초기전압 지연 현상을 극복하는 것이 가능하도록 설계된 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, and more specifically, a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, which is designed to overcome an initial voltage delay phenomenon generated during an initial discharge process. It is about.

일반적으로, 전지는 화학물질의 산화/환원 반응을 유발하여 전기를 발생시키는 구동원으로서, 휴대가 용이하고 소형으로 제작이 가능하여 다양한 종류 및 목적의 장비에 전기를 공급하는 용도로 사용되고 있다.Generally, a battery is a driving source that generates electricity by inducing an oxidation/reduction reaction of a chemical substance, and is used for supplying electricity to various types and purposes of equipment because it is easy to carry and can be manufactured in a small size.

리튬일차전지인 리튬 염화티오닐 전지(Li/SOCl2)는 우수한 에너지 밀도 및 3 V 이상의 높은 작동 전압 특성을 지니고 있어 고용량 및 장기 신뢰성이 높은 전원으로 널리 이용되고 있다.Lithium thionyl chloride battery (Li/SOCl 2 ), which is a lithium primary battery, has excellent energy density and high operating voltage characteristics of 3 V or more, and thus is widely used as a power source having high capacity and long-term reliability.

이러한 장점을 갖는 리튬 염화티오닐 전지도 장시간 저장 후 사용시에는 리튬 표면에 발생되는 부도체막인 염화리튬(LiCl)이 형성되어 내부저항이 증가되어 초기 전압지연 현상과 작동전압이 감소되는 현상이 발생되는 문제점이 존재하였다.Lithium thionyl chloride batteries with these advantages also have lithium chloride (LiCl), a non-conductive film generated on the surface of lithium, when used for a long time after storage, resulting in increased internal resistance, resulting in a decrease in initial voltage and a decrease in operating voltage. There were problems.

이를 해결하기 위해, 종래에는 리튬 음극의 표면에 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 계열의 유기 물질을 코팅한 음극처리 기술이 적용되어 왔다.In order to solve this, conventionally, a cathodic treatment technology in which a cyanoacrylate-based organic material is coated on the surface of a lithium anode has been applied.

그러나, 이 기술은 초기전압 지연시간을 수초 내지 수백초 이내로 단축하였으나 70℃ 이상의 고온저장 후 최저 강하전압(TMV: Transient Minimum Voltage)의 저하 현상은 개선하지 못하였다.However, this technique shortened the initial voltage delay time to within a few seconds to hundreds of seconds, but did not improve the phenomenon of a drop in the lowest minimum voltage (TMV) after high temperature storage above 70°C.

또한, 종래의 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 계열의 유기 물질을 코팅한 음극처리 기술은 유기물이 설포닐(SO2Cl2) 전해액 또는 티오닐(SOCl2) 전해액 내에서 화학적 반응에 의해 발생된 가스 생성물이 누적되며 지속적으로 전지 내압을 상승 시키는 문제가 있었다.In addition, the conventional cyanoacrylate (cyanoacrylate)-based cathodic treatment technology coated with an organic material is a gas generated by a chemical reaction in organic sulfonyl (SO 2 Cl 2 ) electrolyte or thionyl (SOCl 2 ) electrolyte The product accumulates and there is a problem of continuously increasing the internal pressure of the battery.

또한, 유기물 코팅층은 고분자의 열 변형온도 이상의 온도에서 변형 및 경화로 인한 부서짐 문제가 나타나기 때문에 열충격 시 성능 저하, 발화 등의 안전성에 취약해지는 문제가 있었다.In addition, the organic coating layer had a problem in that it was vulnerable to safety degradation, ignition, and other safety during thermal shock because a problem of deformation and hardening occurred at a temperature higher than the thermal deformation temperature of the polymer.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0873166호(2008.12.10. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 리튬/염화티오닐 전지가 기재되어 있다.As a related prior document, there is Korean Patent Registration No. 10-0873166 (announced on December 10, 2008), and the document describes a lithium/thionyl chloride battery.

본 발명의 목적은 초기 방전 과정에서 발생되는 초기전압 지연 현상을 극복하는 것이 가능하도록 설계된 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, which is designed to overcome an initial voltage delay phenomenon generated during an initial discharge process.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 상측이 개방되며, 내부에 전해액이 함침되는 케이스; 상기 케이스의 내부에 배치된 리튬 음극; 상기 케이스의 내부에서, 상기 리튬 음극과 대면하도록 배치된 양극; 상기 리튬 음극 및 양극 사이에 배치된 세퍼레이터; 및 상기 케이스의 상측을 덮어 밀봉하는 헤더;를 포함하며, 상기 리튬 음극은 리튬 금속층과, 상기 리튬 금속층의 표면을 덮는 무기물 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.Lithium primary battery having an inorganic coating layer excellent in thermal stability according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is the upper side is opened, the case is impregnated with an electrolyte solution; A lithium negative electrode disposed inside the case; An anode disposed inside the case to face the lithium anode; A separator disposed between the lithium anode and the anode; And a header covering and sealing the upper side of the case, wherein the lithium negative electrode comprises a lithium metal layer and an inorganic coating layer covering the surface of the lithium metal layer.

상기 리튬 음극, 양극 및 세퍼레이터는 상기 케이스의 내부에서 롤 형태로 감기는 권취 구조를 갖는다.The lithium negative electrode, positive electrode, and separator have a winding structure wound in a roll shape inside the case.

상기 무기물 코팅층은 1 ~ 100㎛의 두께를 갖는다.The inorganic coating layer has a thickness of 1 ~ 100㎛.

상기 무기물 코팅층은 세라믹 입자 70 ~ 99 중량% 및 바인더 1 ~ 30 중량%를 포함한다.The inorganic coating layer includes 70 to 99% by weight of ceramic particles and 1 to 30% by weight of binder.

이때, 상기 세라믹 입자는 Li1 + xAlxGe2 -x(PO4)3 (LAGP), Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3 (LATP), Li1 + xTi2 - xAlxSiy(PO4)3 -y, LiAlxZr2 -x(PO4)3, LiTixZr2 -x(PO4)3, Li10GeP2S12 (LGPS) 및 Al2O3를 포함하는 세라믹 물질 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.At this time, the ceramic particles are Li 1 + x Al x Ge 2 -x (PO 4 ) 3 (LAGP), Li 1 + x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (LATP), Li 1 + x Ti 2 - x Al x Si y (PO 4) 3 -y, LiAl x Zr 2 -x (PO 4) 3, LiTi x Zr 2 -x (PO 4) 3, Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) and Al 2 O 3 may include one or more selected from among ceramic materials.

(여기서, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1)(Where 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1)

상기 세라믹 입자는 1 ~ 30㎛의 평균 입도를 갖는 것이 바람직하다.The ceramic particles preferably have an average particle size of 1 ~ 30㎛.

또한, 상기 바인더는 PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVDF(polyvinyleden floride), PVA(Polyvinyl alcohol) 및 에폭시 수지(epoxy resin) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In addition, the binder includes at least one selected from polyvinyl chloride (PVC), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyleden floride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), and epoxy resin.

본 발명에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 리튬 음극의 표면에 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 계열의 유기 물질을 코팅하는 것이 아니라, 세라믹 입자 및 바인더를 포함하는 무기물 코팅층을 형성하는 것에 의해, 유기물을 최소화시켜 내압 발생을 감소시킬 수 있다.A lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to the present invention does not coat a cyanoacrylate-based organic material on the surface of a lithium anode, but forms an inorganic coating layer containing ceramic particles and a binder. Thereby, the generation of internal pressure can be reduced by minimizing the organic matter.

방전 말기에 발생되는 열에 의하여 기존의 유기 물질을 코팅하는 기술에서는 코팅층의 변형 및 발화 가능성이 있었으나, 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 리튬 음극의 표면에 인화점 및 열변형 온도가 상당히 높은 세라믹계의 무기물 코팅층을 형성하는 것에 의해, 리튬 음극에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있으므로 우수한 열안정성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅층의 변형 및 발화 가능성을 원천적으로 해소할 수 있다.In the technique of coating the existing organic material by heat generated at the end of discharge, there was a possibility of deformation and ignition of the coating layer, but the lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention has a flash point on the surface of the lithium anode. And by forming a ceramic-based inorganic coating layer having a considerably high heat deflection temperature, it is possible to effectively dissipate heat generated from the lithium anode, thereby ensuring excellent thermal stability, as well as fundamentally deforming and igniting potential of the coating layer. Can be solved.

이 결과, 본 발명에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 초기 전압지연 현상에 직접적으로 기여하는 표면 강도에서도 고분자인 종래 기술보다 세라믹 입자 강도가 높아 효과적으로 초기 전압지연을 개선할 수 있다.As a result, the lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to the present invention can effectively improve the initial voltage delay because the ceramic particle strength is higher than the prior art polymer, even in the surface strength directly contributing to the initial voltage delay phenomenon. .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지를 나타낸 평면도.
도 3은 도 1의 리튬 음극을 확대하여 나타낸 단면도.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬일차전지의 초기 출력 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬일차전지의 출력 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프.
1 is a cross-sectional view showing a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a plan view showing a lithium primary battery having an inorganic coating layer excellent in thermal stability according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged cross-sectional view of the lithium anode of FIG. 1.
Figure 4 is a graph showing the results of evaluating the initial output characteristics of the lithium primary battery prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.
5 is a graph showing the results of evaluating the output characteristics of the lithium primary battery prepared according to Example 2 and Comparative Example 2.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지를 나타낸 평면도이다.1 is a cross-sectional view showing a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view showing a lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention to be.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지(100)는 케이스(110), 리튬 음극(120), 양극(130), 세퍼레이터(140) 및 헤더(150)를 포함한다.1 and 2, the lithium primary battery 100 having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention is a case 110, a lithium cathode 120, a cathode 130, a separator 140 ) And header 150.

케이스(110)는 상측이 개방되며, 내부에 전해액이 함침된다. 이러한 케이스(110)는 상측이 개방되는 원통 형상을 갖거나, 직육면체, 육각기둥 등의 각형 형상으로 설계될 수 있다. 이러한 케이스(110)의 재질로는 스테인리스 강(SUS)이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The upper side of the case 110 is opened, and an electrolyte is impregnated therein. The case 110 may have a cylindrical shape in which the upper side is opened, or may be designed in a rectangular shape such as a rectangular parallelepiped or a hexagonal column. Stainless steel (SUS) may be used as the material of the case 110, but is not limited thereto.

이때, 전해액으로는 설포닐(SO2Cl2) 전해액 또는 티오닐(SOCl2) 전해액이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, as the electrolyte, sulfonyl (SO 2 Cl 2 ) electrolyte or thionyl (SOCl 2 ) electrolyte may be used, but is not limited thereto.

리튬 음극(120)은 케이스(110)의 내부에 배치되며, 양극(130)과 대면하여 감겨 있다. 이러한 리튬 음극(120)은 세퍼레이터(140)에 의해 양극(130)과 전기적으로 분리된다. 특히, 본 발명에서, 리튬 음극(120)은 무기물 코팅층(도 3의 124)을 가질 수 있으며, 이러한 리튬 음극(120)의 세부 구성에 대해서는 후술하도록 한다.The lithium negative electrode 120 is disposed inside the case 110 and is wound facing the positive electrode 130. The lithium cathode 120 is electrically separated from the anode 130 by the separator 140. In particular, in the present invention, the lithium negative electrode 120 may have an inorganic coating layer (124 of FIG. 3), and the detailed configuration of the lithium negative electrode 120 will be described later.

양극(130)은 케이스(110)의 내부에 배치되며, 음극(120)과 대면하여 감겨 배치된다. 이때, 양극(130)은 카본과 바인더로 이루어진 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The positive electrode 130 is disposed inside the case 110 and is wound around the negative electrode 120. At this time, the positive electrode 130 may be made of a material made of carbon and a binder, but is not limited thereto.

세퍼레이터(140)는 리튬 음극(120) 및 양극(130) 사이에 배치된다. 이에 따라, 리튬 음극(120), 양극(130) 및 세퍼레이터(140)는 케이스(110)의 내부에서 롤 형태로 감기는 권취 구조를 가지며, 상측이 개방되는 케이스(110)의 내부에 삽입된다.The separator 140 is disposed between the lithium negative electrode 120 and the positive electrode 130. Accordingly, the lithium negative electrode 120, the positive electrode 130, and the separator 140 have a winding structure wound in a roll shape inside the case 110, and are inserted into the case 110 in which the upper side is opened.

이러한 세퍼레이터(140)는 리튬 음극(120) 및 양극(130) 사이에 배치되어, 리튬 음극(120)과 양극(130) 간을 전기적으로 분리시킨다. 이때, 세퍼레이터(140)의 재질로는 글래스 파이버(Glass Fiber), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐리덴클로라이드(PVDC), 폴리 아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴아미드(PAAm), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리설폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 셀룰로오스계 고분자 및 폴리아크릴계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자를 이용하여 제조된 미세 다공성 필름이 이용될 수 있다. 또한, 세퍼레이터(140)는 다공성 필름을 중합시킨 다층 필름이 이용될 수도 있다.The separator 140 is disposed between the lithium negative electrode 120 and the positive electrode 130 to electrically separate the lithium negative electrode 120 from the positive electrode 130. At this time, the material of the separator 140 is glass fiber (Glass Fiber), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene chloride (PVDC), polyacrylonitrile ( PAN), polyacrylamide (PAAm), polytetrafluoro ethylene (PTFE), polysulfone, polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), polyamide (PA), polyimide (PI), polyethylene oxide ( PEO), polypropylene oxide (PPO), a microporous film prepared by using at least one polymer selected from the group consisting of cellulose-based polymers and polyacrylic polymers may be used. In addition, the separator 140 may be a multilayer film obtained by polymerizing a porous film.

헤더(150)는 케이스(110)의 상측을 덮어 밀봉한다. 이러한 헤더(150)는 케이스(110)와 점 용접, 레이저 용접 등에 의해 접합될 수 있다. 이때, 헤더(150)는 유리(170)와 결합되어 있을 수 있으며, 헤더(150)의 중앙 부분에는 헤더 핀(160)이 체결되어 있을 수 있다.The header 150 covers and seals the upper side of the case 110. The header 150 may be joined to the case 110 by spot welding or laser welding. At this time, the header 150 may be coupled to the glass 170, the header portion 160 may be fastened to the central portion of the header 150.

또한, 도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 헤더(150)에는 전해액을 함침시키기 위한 전해액 주입구(미도시)가 구비될 수 있다.In addition, although not shown in detail in the drawings, the header 150 may be provided with an electrolyte injection hole (not shown) for impregnating the electrolyte.

이때, 본 발명에서는 상측이 개방되는 케이스(110) 내부에는 리튬 음극(120) 및 양극(130)과, 리튬 음극(120) 및 양극(130) 사이에 세퍼레이터(140)가 병렬구조로 적층된 상태에서 롤(ROLL) 형태로 감기는 권취 구조를 가지며, 리튬 음극(120), 양극(130) 및 세퍼레이터(140)는 케이스(110)의 중심부에 삽입된다. 이후, 케이스(110)의 상측을 헤더(150)로 용접한 후, 헤더(150)의 전해액 주입구를 통하여 케이스(110)의 내부에 전해액을 함침시킨 후, 최종적으로 마감재인 서브볼(미도시)로 용접하여 밀봉하게 된다.At this time, in the present invention, the lithium anode 120 and the anode 130 and the separator 140 between the lithium anode 120 and the anode 130 are stacked in a parallel structure inside the case 110 in which the upper side is opened. In the roll (ROLL) has a winding structure, the lithium cathode 120, the anode 130 and the separator 140 is inserted into the center of the case (110). Thereafter, after welding the upper side of the case 110 with the header 150, after impregnating the electrolyte inside the case 110 through the electrolyte injection hole of the header 150, a final sub-ball (not shown) It is sealed by welding.

이때, 헤더(150)의 하면에는 상부 절연판(145)이 더 배치되어 있을 수 있다. 이러한 상부 절연판(145)은 케이스(110) 내부의 전해액이 새는 것을 방지한다.At this time, the upper insulating plate 145 may be further disposed on the lower surface of the header 150. The upper insulating plate 145 prevents the electrolyte from leaking inside the case 110.

한편, 도 3은 도 1의 리튬 음극을 확대하여 나타낸 단면도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Meanwhile, FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the lithium negative electrode of FIG. 1, and will be described in more detail with reference to this.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 음극(120)은 리튬 금속층(122)과, 리튬 금속층(122)의 표면을 덮는 무기물 코팅층(124)을 포함한다.3, the lithium cathode 120 according to an embodiment of the present invention includes a lithium metal layer 122 and an inorganic coating layer 124 covering the surface of the lithium metal layer 122.

이와 같이, 본 발명에서는 리튬 금속층(122)의 표면에 무기물 코팅층(124)이 형성되는 것에 의해, 무기물 코팅층(124)이 LiCl의 성장을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 금속층(122)에서 발생되는 열을 효과적으로 분산시켜 안정성 향상에 기여할 수 있다. 이 결과, 리튬일차전지의 전기적 출력 특성 및 열안정성을 향상시킬 수 있게 된다.As described above, in the present invention, by forming the inorganic coating layer 124 on the surface of the lithium metal layer 122, the inorganic coating layer 124 can not only inhibit the growth of LiCl, but also occur in the lithium metal layer 122. It can dissipate heat effectively and contribute to improving stability. As a result, it is possible to improve the electrical output characteristics and thermal stability of the lithium primary battery.

이를 위해, 무기물 코팅층(124)은 세라믹 입자 및 바인더를 포함한다. 보다 구체적으로, 무기물 코팅층(124)은 세라믹 입자 70 ~ 99 중량% 및 바인더 1 ~ 30 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.To this end, the inorganic coating layer 124 includes ceramic particles and a binder. More specifically, the inorganic coating layer 124 preferably includes 70 to 99% by weight of ceramic particles and 1 to 30% by weight of binder.

세라믹 입자는 Li1 + xAlxGe2 -x(PO4)3 (LAGP), Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3 (LATP), Li1 + xTi2 -xAlxSiy(PO4)3-y, LiAlxZr2 -x(PO4)3, LiTixZr2 -x(PO4)3, Li10GeP2S12(LGPS) 및 Al2O3를 포함하는 세라믹 물질 중 선택된 1종 이상을 포함하며, 이 중 LATP를 이용하는 것이 바람직하다.The ceramic particles are Li 1 + x Al x Ge 2 -x (PO 4 ) 3 (LAGP), Li 1 + x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (LATP), Li 1 + x Ti 2 -x Al x Si y (PO 4 ) 3-y , LiAl x Zr 2 -x (PO 4 ) 3 , LiTi x Zr 2 -x (PO 4 ) 3, Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) and Al 2 O 3 It includes at least one selected from among the ceramic materials, and it is preferable to use LATP.

여기서 0≤x≤1이고, 0≤y≤1이다.Here, 0≤x≤1 and 0≤y≤1.

그리고, 바인더는 PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVDF(polyvinyleden floride), PI(polyimide), PVA(polyvinyl alcohol) 및 에폭시 수지(epoxy resin) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이 중 PVC를 이용하는 것이 바람직하다.In addition, the binder may include one or more selected from polyvinyl chloride (PVC), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyleden floride (PVDF), polyimide (PI), polyvinyl alcohol (PVA), and epoxy resin. It is preferable to use heavy PVC.

세라믹 입자의 첨가량이 70 중량% 미만일 경우에는 열 분산 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 세라믹 입자의 첨가량이 99 중량%를 초과할 경우에는 바인더 함량이 낮아 코팅층 결착력 저하로 탈리될 수 있다.If the addition amount of the ceramic particles is less than 70% by weight, it may be difficult to properly exhibit the heat dissipation effect. Conversely, when the addition amount of the ceramic particles exceeds 99% by weight, the binder content may be low, and thus the coating layer may be detached due to a decrease in binding force.

이러한 무기물 코팅층(124)은 1 ~ 100㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 무기물 코팅층(124)의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 두께가 너무 얇아 열 분산 효과가 약하여 열안정성 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있고, LiCl 성장 방해를 효과적으로 하지 못하게 되어 초기전압지연 개선 효과가 없을 수 있다. 반대로, 무기물 코팅층(124)의 두께가 100㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께 만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하며, 두께 증가에 의한 내부 저항 증가로 인해 배터리 출력이 감소될 수 있다.The inorganic coating layer 124 preferably has a thickness of 1 ~ 100㎛. When the thickness of the inorganic coating layer 124 is less than 1 µm, the thickness is too thin, so the heat dissipation effect is weak, so it may be difficult to properly exhibit the effect of improving the thermal stability, and it may not effectively prevent the growth of LiCl, thereby improving the initial voltage delay. It may not be. Conversely, when the thickness of the inorganic coating layer 124 exceeds 100 μm, it may act as a factor to increase only the thickness without increasing the effect, and is not economical, and the battery output may be reduced due to the increase in internal resistance due to the increase in thickness. Can.

또한, 세라믹 입자는 1 ~ 30㎛의 평균 입도를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 세라믹 입자의 평균 입도가 1㎛ 미만일 경우에는 그 크기가 미세화됨에 따라 입자의 분산성의 문제로 인해 부착력이 저하될 수 있다. 반대로, 세라믹 입자의 평균 입도가 30㎛를 초과할 경우에는 상대적으로 바인더 함량을 증가시켜야 하므로 열안정성 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다.In addition, it is preferable to use ceramic particles having an average particle size of 1 to 30 μm. When the average particle size of the ceramic particles is less than 1 μm, the adhesion force may be reduced due to the problem of dispersibility of the particles as the size becomes finer. Conversely, when the average particle size of the ceramic particles exceeds 30 μm, it is necessary to relatively increase the binder content, so that it may be difficult to properly exhibit the effect of improving the thermal stability.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 리튬 음극의 표면에 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 계열의 유기 물질을 코팅하는 것이 아니라, 세라믹 입자 및 바인더를 포함하는 무기물 코팅층을 형성하는 것에 의해, 유기물을 최소화시켜 내압 발생을 감소시킬 수 있다.As described so far, the lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention does not coat the surface of the lithium anode with a cyanoacrylate-based organic material, but also ceramic particles and By forming the inorganic coating layer containing the binder, it is possible to minimize the organic matter and reduce the occurrence of internal pressure.

방전 말기에 발생되는 열에 의하여 기존의 유기 물질을 코팅하는 기술에서는 코팅층의 변형 및 발화 가능성이 있었으나, 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 리튬 음극의 표면에 인화점 및 열변형 온도가 상당히 높은 세라믹계의 무기물 코팅층을 형성하는 것에 의해, 리튬 음극에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있으므로 우수한 열안정성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅층의 변형 및 발화 가능성을 원천적으로 해소할 수 있다.In the technique of coating the existing organic material by heat generated at the end of discharge, there was a possibility of deformation and ignition of the coating layer, but the lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention has a flash point on the surface of the lithium anode. And by forming a ceramic-based inorganic coating layer having a considerably high heat deflection temperature, it is possible to effectively dissipate heat generated from the lithium anode, thereby ensuring excellent thermal stability, as well as fundamentally deforming and igniting potential of the coating layer. Can be solved.

이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지는 초기 전압지연 현상에 직접적으로 기여하는 표면 강도에서도 고분자인 종래 기술보다 세라믹 입자 강도가 높아 효과적으로 초기 전압지연을 개선할 수 있다.As a result, the lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability according to an embodiment of the present invention has a higher ceramic particle strength than the prior art polymer, even at the surface strength directly contributing to the initial voltage delay phenomenon, thereby effectively improving the initial voltage delay. can do.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is provided as a preferred example of the present invention and cannot be interpreted as limiting the present invention by any means.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.The contents not described herein will be sufficiently technically inferred by those skilled in the art, and thus the description thereof will be omitted.

1. One. 리튬일차전지Lithium primary battery 제조 Produce

실시예Example 1 One

리튬 금속층의 표면에 17㎛의 평균 입도를 갖는 LATP 85wt% 및 PVC(polyvinyl chloride) 15wt%로 조성되는 무기물 코팅층을 25㎛의 두께로 형성하여 리튬 음극을 마련하였다.On the surface of the lithium metal layer, an inorganic coating layer composed of 85 wt% of LATP and 15 wt% of polyvinyl chloride (PVC) having an average particle size of 17 μm was formed to a thickness of 25 μm to prepare a lithium negative electrode.

다음으로, 리튬 음극과 양극 사이에 긴 세퍼레이터를 두고 롤(Roll) 형태로 말아 놓은 구조로 권취하여 상측이 개방되는 케이스 안에 삽입하였다.Next, a long separator was placed between the lithium negative electrode and the positive electrode, and wound into a rolled structure to be inserted into a case in which the upper side was opened.

다음으로, 케이스의 상측을 헤더로 용접한 후, 헤더의 전해액 주입구를 통하여 케이스의 내부에 전해액을 주입하고 밀봉하여 리튬일차전지를 제조하였다.Next, after welding the upper side of the case with a header, a lithium primary battery was manufactured by injecting and sealing the electrolyte inside the case through the electrolyte injection hole of the header.

실시예Example 2 2

리튬 금속층의 표면에 11㎛의 평균 입도를 갖는 LATP 76wt% 및 PVC(polyvinyl chloride) 24wt%로 조성되는 무기물 코팅층을 100㎛의 두께로 형성하여 리튬 음극을 마련한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬일차전지를 제조하였다.The same method as in Example 1, except that a lithium negative electrode was prepared by forming an inorganic coating layer composed of 76 wt% of LATP and 24 wt% of polyvinyl chloride (PVC) having an average particle size of 11 μm on the surface of the lithium metal layer to a thickness of 100 μm. In order to prepare a lithium primary battery.

비교예Comparative example 1 One

무기물 코팅층을 형성하는 것 없이, 리튬 금속층만으로 이루어진 리튬 음극을 준비하였다.A lithium negative electrode composed of only a lithium metal layer was prepared without forming an inorganic coating layer.

다음으로, 리튬 음극과 양극 사이에 긴 세퍼레이터를 두고 롤(Roll) 형태로 말아 놓은 구조로 권취하여 상측이 개방되는 케이스 안에 삽입하였다.Next, a long separator was placed between the lithium negative electrode and the positive electrode, and wound into a rolled structure to be inserted into a case in which the upper side was opened.

다음으로, 케이스의 상측을 헤더로 용접한 후, 헤더의 전해액 주입구를 통하여 케이스의 내부에 전해액을 주입하고 밀봉하여 리튬일차전지를 제조하였다.Next, after welding the upper side of the case with a header, a lithium primary battery was manufactured by injecting and sealing the electrolyte inside the case through the electrolyte injection hole of the header.

비교예Comparative example 2 2

리튬 금속층의 표면에 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate)로 이루어진 유기물 코팅층을 120㎛의 두께로 형성하여 리튬 음극을 마련하였다.On the surface of the lithium metal layer, an organic material coating layer made of cyanoacrylate was formed to a thickness of 120 µm to prepare a lithium negative electrode.

다음으로, 리튬 음극과 양극 사이에 긴 세퍼레이터를 두고 롤(Roll) 형태로 말아 놓은 구조로 권취하여 상측이 개방되는 케이스 안에 삽입하였다.Next, a long separator was placed between the lithium negative electrode and the positive electrode, and wound into a rolled structure to be inserted into a case in which the upper side was opened.

다음으로, 케이스의 상측을 헤더로 용접한 후, 헤더의 전해액 주입구를 통하여 케이스의 내부에 전해액을 주입하고 밀봉하여 리튬일차전지를 제조하였다.Next, after welding the upper side of the case with a header, a lithium primary battery was manufactured by injecting and sealing the electrolyte inside the case through the electrolyte injection hole of the header.

2. 물성 평가2. Property evaluation

표 1은 실시예 1 및 비교예 2에 사용되는 코팅 물질의 특성을 비교하여 나타낸 것이다.Table 1 compares the properties of the coating materials used in Example 1 and Comparative Example 2.

[표 1] [Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1에 도시된 바와 같이, 유기물인 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate)는 인화점이 대략 85 ~ 93℃이나, 세라믹계인 LATP는 인화점이 대략 500℃ 이상으로 유기물에 비하여 상당히 높다.As shown in Table 1, the organic material cyanoacrylate (cyanoacrylate) has a flash point of approximately 85 to 93°C, but the ceramic type LATP has a flash point of approximately 500°C or higher, which is significantly higher than that of organic materials.

또한, 유기물인 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate)는 열변형 온도가 대략 74 ~ 100℃이나, 세라믹계인 LATP는 열변형 온도가 대략 900℃ 이상으로 상당히 높다.In addition, the organic material cyanoacrylate (cyanoacrylate) has a heat deflection temperature of approximately 74 to 100°C, but the ceramic type LATP has a heat deflection temperature of approximately 900°C or higher.

한편, 도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬일차전지의 초기 출력 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 72℃ 3일 저장 조건으로 고온 가속 후, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 리튬일차전지의 초기출력을 측정하였다.On the other hand, Figure 4 is a graph showing the results of evaluating the initial output characteristics of the lithium primary battery prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. At this time, after accelerating the high temperature under the storage condition of 72°C for 3 days, the initial output of the lithium primary battery prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 was measured.

도 4에 도시된 바와 같이, 무기물 코팅층을 형성한 실시예 1에 따라 제조된 리튬일차전지가 리튬 음극에 코팅층을 형성하지 않은 비교예 1에 따라 제조된 리튬일차전지에 비하여 초기출력 특성이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.As illustrated in FIG. 4, the initial output characteristics of the lithium primary battery prepared according to Example 1 in which the inorganic coating layer was formed is significantly higher than that of the lithium primary battery prepared according to Comparative Example 1 in which the coating layer is not formed on the lithium anode. You can see the improvement.

도 5는 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬일차전지의 출력 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 전지 용량 1% 사전 방전 후 72℃ 3일 저장 조건으로 고온 가속 후, 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 리튬일차전지의 초기출력을 측정하였다.5 is a graph showing the results of evaluating the output characteristics of the lithium primary battery prepared according to Example 2 and Comparative Example 2. At this time, after the battery capacity 1% pre-discharge, after accelerating the high temperature in 72 days 3 days storage conditions, the initial output of the lithium primary battery prepared according to Example 2 and Comparative Example 2 was measured.

도 5에 도시된 바와 같이, 무기물 코팅층을 형성한 실시예 2에 따라 제조된 리튬일차전지가 유기물 코팅층을 형성한 비교예 2에 따라 제조된 리튬일차전지에 비하여 출력 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the lithium primary battery prepared according to Example 2 in which the inorganic coating layer was formed was improved compared to the lithium primary battery prepared according to Comparative Example 2 in which the organic coating layer was formed.

위의 실험 결과로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 리튬일차전지는 인화점 및 열변형 온도가 상당히 높아 열안정성이 우수할 뿐만 아니라, 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 리튬일차전지에 비하여 전기적 출력 특성이 향상된 것을 확인하였다.As can be seen from the above experimental results, the lithium primary batteries prepared according to Examples 1 to 2 have not only excellent thermal stability due to a very high flash point and heat deflection temperature, as well as lithium primary batteries prepared according to Comparative Examples 1 to 2. Compared with the above, it was confirmed that the electrical output characteristics were improved.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been mainly described, but various changes or modifications can be made at the level of a person skilled in the art to which the present invention pertains. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention should be judged by the claims set forth below.

100 : 리튬일차전지 110 : 케이스
120 : 리튬 음극 122 : 리튬 금속층
124 : 무기물 코팅층 130 : 양극
140 : 세퍼레이터 150 : 헤더
160 : 헤더 핀
100: lithium primary battery 110: case
120: lithium cathode 122: lithium metal layer
124: inorganic coating layer 130: anode
140: separator 150: header
160: header pin

Claims (7)

상측이 개방되며, 내부에 전해액이 함침되는 케이스;
상기 케이스의 내부에 배치된 리튬 음극;
상기 케이스의 내부에서, 상기 리튬 음극과 대면하도록 배치된 양극;
상기 리튬 음극 및 양극 사이에 배치된 세퍼레이터; 및
상기 케이스의 상측을 덮어 밀봉하는 헤더;를 포함하며,
상기 리튬 음극은 리튬 금속층과, 상기 리튬 금속층의 표면을 덮는 무기물 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
A case in which the upper side is opened and the electrolyte is impregnated therein;
A lithium negative electrode disposed inside the case;
An anode disposed inside the case to face the lithium anode;
A separator disposed between the lithium anode and the anode; And
Includes a header that covers and seals the upper side of the case.
The lithium negative electrode is a lithium primary battery having an inorganic coating layer excellent in thermal stability, characterized in that it comprises a lithium metal layer, an inorganic coating layer covering the surface of the lithium metal layer.
제1항에 있어서,
상기 리튬 음극, 양극 및 세퍼레이터는
상기 케이스의 내부에서 롤 형태로 감기는 권취 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
According to claim 1,
The lithium negative electrode, the positive electrode and the separator
Lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, characterized in that it has a winding structure wound in a roll form inside the case.
제1항에 있어서,
상기 무기물 코팅층은
1 ~ 100㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
According to claim 1,
The inorganic coating layer
Lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, characterized in that it has a thickness of 1 ~ 100㎛.
제1항에 있어서,
상기 무기물 코팅층은
세라믹 입자 70 ~ 99 중량% 및 바인더 1 ~ 30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
According to claim 1,
The inorganic coating layer
A lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, comprising 70 to 99% by weight of ceramic particles and 1 to 30% by weight of a binder.
제4항에 있어서,
상기 세라믹 입자는
Li1 + xAlxGe2 -x(PO4)3 (LAGP), Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3 (LATP), Li1 + xTi2 - xAlxSiy(PO4)3 -y, LiAlxZr2-x(PO4)3, LiTixZr2 -x(PO4)3, Li10GeP2S12 (LGPS) 및 Al2O3를 포함하는 세라믹 물질 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
(여기서, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1)
According to claim 4,
The ceramic particles
Li 1 + x Al x Ge 2 -x (PO 4 ) 3 (LAGP), Li 1 + x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (LATP), Li 1 + x Ti 2 - x Al x Si y Ceramic containing (PO 4 ) 3 -y , LiAl x Zr 2-x (PO 4 ) 3 , LiTi x Zr 2 -x (PO 4 ) 3 , Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) and Al 2 O 3 Lithium primary battery having an inorganic coating layer excellent in thermal stability, characterized in that it comprises at least one selected from the material.
(Where 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1)
제4항에 있어서,
상기 세라믹 입자는
1 ~ 30㎛의 평균 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
According to claim 4,
The ceramic particles
Lithium primary battery having an inorganic coating layer having excellent thermal stability, characterized in that it has an average particle size of 1 ~ 30㎛.
제4항에 있어서,
상기 바인더는
PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVDF(polyvinyleden floride), PI(polyimide), PVA(Polyvinyl alcohol) 및 에폭시 수지(epoxy resin) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열안정성이 우수한 무기물 코팅층을 갖는 리튬일차전지.
According to claim 4,
The binder
Excellent thermal stability, characterized by containing at least one selected from polyvinyl chloride (PVC), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyleden floride (PVDF), polyimide (PI), polyvinyl alcohol (PVA), and epoxy resin. Lithium primary battery having an inorganic coating layer.
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