KR20200130394A - 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법, 리튬 이온 배터리 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 리튬 이온 전지 및 가열 장치(2)를 포함하는 리튬 이온 배터리(1)를 작동하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 경우 가열 장치(2)는, 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리(1)를 작동하도록 설계되어 있으며, 이 경우 리튬 이온 전지는 애노드(4), 캐소드(5), 세퍼레이터(6), 전류 어레스터(7) 및 전해질(3)을 포함하며, 이 경우 이 방법은 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리(1)를 작동하는 단계를 포함하며, 그리고 이 경우 전해질(3)은 전도성 염으로서의 LiBOB 그리고 용매로서의 PC 및 EC 중에서 선택된 하나 이상의 물질 또는 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리코에터 및/또는 DMC 또는 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiTFSI 및/또는 LiDFOB 및/또는 LiTDI 그리고 용매로서의 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 함유한다.

Description

리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법, 리튬 이온 배터리 및 자동차
본 발명은, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법, 리튬 이온 배터리 및 높은 사용 안전성과 수명을 가진 자동차에 관한 것이다.
지금까지 리튬 이온 배터리는 -40℃ 내지 +60℃의 온도 범위에서 작동하도록 설계되었다. 저온에서 전력 손실을 피하기 위하여, 예를 들어 DE 102012210146 A1호에 공지된 바와 같이, 전지 코어가 히터에 의해서 적절한 온도로 된다. 저온에서도 기능을 해야만 한다는 리튬 이온 배터리에 대한 요구 조건에 의해, 저비등 용매를 사용하는 것이 필요하지만, 이와 같은 저비등 용매는 재차 고온에서 예컨대 더 높은 압력 상승, 폭발성 공기-용매 혼합물을 형성하는 경향 등으로 인해 배터리의 전체적인 안전성 측면에서 단점을 야기한다. 이와 같은 상황은 냉각 장치의 사용을 필요로 한다. 종합해서 말하자면, 이와 같은 리튬 이온 배터리의 구성은 매우 복잡하고, 안전성 및 이와 더불어 리튬 이온 배터리의 수명 측면에서도 위험을 수반한다.
상기와 같은 종래 기술로부터 출발하는 본 발명의 과제는, 리튬 이온 배터리의 높은 사용자 안전성 및 긴 수명과 동시에 리튬 이온 배터리의 간단한 구조적 설계를 특징으로 하는 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법 그리고 리튬 이온 배터리 및 이와 같은 리튬 이온 배터리를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 독립 청구항들의 특징부들에 의해서 해결된다.
따라서, 상기 과제는, 특히 리튬 이온 축전지로서 설계되어 있으며, 하나 이상의 리튬 이온 전지, 대부분 복수의 적층된 리튬 이온 전지 및 가열 장치를 포함하는 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법에 의해서 해결된다. 각각의 리튬 이온 전지는 또한 애노드, 캐소드, 세퍼레이터, 전류 어레스터 및 전해질을 포함한다. 이 경우, 가열 장치는 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리를 작동하도록 설계되어 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 리튬 이온 전지는 특히 가열 장치의 사용에 의해 오로지 5 내지 90℃, 그리고 특히 10 내지 80℃의 온도 범위에서만 작동된다. 이와 같은 상황은, 다른 말로 표현하자면, 본 발명에 따른 방법의 사용에 의해 리튬 이온 배터리가 다만 양의 온도 범위에서만 작동되고, 또한 다만 이 목적으로만 설계되어 있다는 것을 의미한다. 이로 인해서는, 다음과 같은 다수의 장점들이 나타난다: 예컨대, 평소에는 저온에서 사용될 수 없는 전도성 염이 사용될 수 있다. 이와 같은 전도성 염은 자주 더 높은 수준의 안정성을 특징으로 하며, 이와 같은 특징은 리튬 이온 배터리의 영구적으로 우수한 전력 출력에 반영된다. 또한, 안전을 최적화하고, 서비스 수명을 최적화하며, 전압 수준을 최적화하고, 비용을 최적화하는 용매를 사용하는 것도 가능해진다.
따라서, 전해질은, 전도성 염으로서의 LiBOB(리튬비스옥살라토보레이트) 그리고 PC(프로필렌카보네이트), EC(에틸렌카보네이트) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 하나 이상의 용매를 포함한다. 이 전해질은, HF를 형성하는 경향이 있는 LiPF6를 함유하지 않는다. 이로써, 사용자 안전성이 개선된다. 용매는 높은 비등점을 가지며, 이와 같은 사실은 리튬 이온 배터리의 작동 중에 안전성을 크게 향상시킨다. 또한, 이 전해질이 대부분 배터리의 전극 내에서 특히 애노드 측에 존재하는 흑연과 매우 우수하게 호환됨으로써, 결과적으로 리튬 이온 배터리의 수명이 증가하게 된다. LiBOB는 또한 높은 열적 안정성을 특징으로 하며, 이와 같은 특징도 마찬가지로 리튬 이온 배터리의 수명에 도움이 된다.
대안적으로, 전해질은, 전도성 염으로서의 LiFSI(리튬비스(플루오로설포닐)이미데이트) 및/또는 LiDFOB(리튬디플루오로옥살레이트보레이트) 및 하나 이상의 글리콜에터 및/또는 용매로서의 DMC(다이메틸카보네이트)를 포함한다. 복수의 글리콜에터도 사용될 수 있다. 또한, DMC와 조합해서도 사용될 수 있다. 이 전해질도 HF를 형성하는 경향이 있는 LiPF6를 함유하지 않으며, 이로 인해서는 리튬 이온 배터리의 사용자 안전성이 개선된다. 또한, 사용되는 전도성 염은 매우 안정적이다. 글리콜에터 및 DMC가 통상적으로 높은 비등점을 가짐으로써, 결과적으로는 이와 같은 관점에서도 리튬 이온 배터리의 수명 및 안전성이 개선된다.
또 다른 대안으로서, 전해질은, 전해질 염으로서의 LiFSI(리튬비스(플루오로설포닐)이미데이트) 및/또는 LiTFSI(리튬비스(트리플루오로메탄)술폰이미데이트) 및/또는 LiDFOB(리튬디플루오로옥살라토보레이트) 및/또는 LiTDI(리튬-4,5-디시아노-2-(트리플루오로메틸)이미다졸) 그리고 용매로서의 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 포함한다. 이와 같은 사실은, 하나 또는 복수의 이미다졸륨 화합물, 하나 또는 복수의 피롤리디늄 화합물, 또는 하나 또는 복수의 이미다졸륨 화합물, 또는 이들 화합물의 임의의 조합이 용매로 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 전술된 용매는 낮은 증기압을 특징으로 하며, 대략 200℃까지 불연성이고 높은 인화점을 갖는다. 따라서, 이 전해질의 사용에 의해서는, 리튬 이온 배터리의 사용자 안전성과 수명이 크게 증가된다. 이 전해질도 HF를 형성하는 경향이 있는 LiPF6를 함유하지 않으며, 이로 인해서는 리튬 이온 배터리의 사용자 안전성이 더욱 개선된다. 또한, 전도성 염은 높은 열적 안정성을 특징으로 하며, 이와 같은 특징은 리튬 이온 배터리의 열적 안정성에 도움이 된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은, 높은 수준의 사용자 안전성, 우수한 열적 안정성 그리고 이와 더불어 높은 전력 밀도 및 전압 수준에서 배터리의 매우 우수한 수명을 갖는 리튬-이온 배터리의 작동을 가능하게 한다. 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리가 작동하도록 설계됨으로써, 또한 냉각의 필수성도 생략되며, 이와 같은 상황은 방법을 현저하게 단순화한다. 또한, 이와 같은 상황은 리튬 이온 배터리의 재료 및 디자인과 관련하여 또 다른 설계 옵션들을 가능하게 한다.
종속 청구항들은, 본 발명의 바람직한 개선예들 및 실시예들을 그 내용으로 한다.
바람직한 일 개선예에 따르면, 전해질이 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리콜에터 및/또는 DMC를 함유하는 경우에는, 전도성 염의 총 농도가 3M 내지 10M, 바람직하게는 4M 내지 7M인 것이 제안되었다. 이와 같은 상황은, 매우 우수한 장시간 안정성에서 리튬 이온 배터리의 전력 밀도를 개선한다.
열적 부하 및 높은 이용 가능성 하에서의 매우 우수한 안정성으로 인해, 글리콜에터는 바람직하게 1,1-다이메톡시에탄, 1,2-다이메톡시에탄, 비스(2-메톡시에틸)에터 및 이들의 혼합물로부터 선택되었다.
온도 안정성을 더욱 향상시키기 위해, 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물은 플루오린화 음이온을 갖는다.
특히 바람직하게는 낮은 증기압, 높은 인화점 및 낮은 가연성으로 인해, 피롤리디늄 화합물이 1-프로필-1-메틸피롤리디늄비스(플루오로설포닐)이미드이다.
사용자 안전성은 바람직한 개선예에 의해서 더욱 개선될 수 있으며, 이 개선예에 따르면 전해질에는 플루오린화 전도성 염, 특히 LiPF6가 없다.
장시간 안정성을 증가시키려는 여러 가지 이유에서, 리튬 이온 배터리의 가동 전에 전해질이 하나 이상의 부식 방지 첨가제, 특히 하나 이상의 플루오린 함유 부식 방지 첨가제를 더 포함하는 경우가 바람직하다. 이 경우 당업자는, 상업적으로 입수 가능한 부식 방지 첨가제로부터 적합한 부식 방지 첨가제를 선택할 수 있다. 알루미늄을 위한 부식 방지 첨가제로서는, 특히 소량의, 다시 말하자면 전해질의 총 질량을 기준으로 최대 3 중량-%의 LiPF6가 사용된다. 이 경우, LiPF6는 리튬 이온 배터리가 가동될 때에 알루미늄을 함유하는 표면에서, 예컨대 하우징 또는 전류 어레스터에서 부식 방지 층의 형성을 위해 완전히 소비되며, 이로써 더 이상 전해질의 성분이 아니다.
방법의 실시를 더욱 간소화하기 위해, 가열 장치는 전지 내부의 가열 장치이다. 이와 같은 사실은, 가열 장치가 직접 전지 내부에서 예컨대 소위 젤리 롤 또는 전극 스택 사이에 배열됨으로써, 결과적으로 고효율에서 열 공급이 현저하게 용이해진다는 것을 의미한다. 대안적으로, 가열 장치는 또한 외부에서 전지 하우징 상에도 배열될 수 있으며, 이 경우 가열 에너지는 전지 내부의 가열 장치와 유사하게 전지 자체에서 나온다. 가열 장치는 예를 들어 가열 매트의 형태로 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 일 양태는, 특히 리튬 이온-축전지로서 설계되어 있고, 하나 이상의 리튬 이온 전지 및 특히 전지 내부 가열 장치의 형태로 형성된 가열 장치를 포함하는 리튬 이온 배터리와 관련이 있으며, 이 경우 가열 장치는, 리튬 이온 배터리를 5 내지 90℃의 온도 범위에서 작동하도록 설계되어 있으며, 이 경우 리튬 이온 전지는 애노드, 캐소드, 세퍼레이터, 전류 어레스터 및 전해질을 포함하며, 그리고 이 경우 전해질은 전도성 염으로서의 LiBOB 그리고 용매로서의 PC 및 EC로부터 선택된 하나 이상의 물질 또는 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리콜에터 및/또는 DMC 또는 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiTFSI 및/또는 LiDFOB 및/또는 LiTDI 그리고 용매로서의 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 함유한다. 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리는, 특히 5 내지 90℃, 특히 10 내지 80℃의 온도 범위에서 가열 장치를 사용하여 작동되며, 본 발명에 따라 설계된 전해질로 인해 높은 전력 밀도에서 가열 장치와 조합하여 높은 수준의 사용자 안전성, 긴 서비스 수명 그리고 디자인 및 재료와 관련하여 높은 설계 자유도를 갖는 것을 특징으로 한다.
장점, 바람직한 효과 및 설명과 관련하여, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법에 관한 실시예들이 보충적으로 참조된다. 더 나아가서는, 본 발명에 따른 방법이 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리를 이용해서 사용되기에 적합하거나, 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리가 본 발명에 따른 방법을 실시하기에 적합하다는 내용도 언급된다. 따라서, 장점, 바람직한 효과 및 개선예가 상호 적용된다.
본 발명에 따른 또 다른 양태로서, 위에서 개시된 리튬 이온 배터리와 같은 리튬 이온 배터리를 포함하는 자동차가 또한 기술된다. 자동차는, 지속적으로 높은 출력 및 안전한 사용을 특징으로 한다. 제공된 가열 장치로 인해, 리튬 이온 배터리의 냉각 필수성이 생략됨으로써, 결과적으로는 자동차의 콤팩트 특성에 악영향을 미칠 수 있는 냉각 회로도 제공될 필요가 없다.
본 발명의 또 다른 세부 사항, 특징부들 및 장점들은 이하의 상세한 설명부 및 도면으로부터 나타난다. 도면부에서,
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리의 개략적인 단면도를 도시한다.
도면에는, 본 발명의 주요 특징부들만 도시되어 있다. 나머지 다른 특징부들은 도면에 대한 개관을 명확하게 할 목적으로 생략되었다.
세부적으로 볼 때, 도 1은, 특히 리튬 이온 축전지로서 설계되어 있고 리튬 이온 전지 및 가열 장치(2)를 포함하는 리튬 이온 배터리(1)를 도시한다. 가열 장치(2)는 전지 내부 가열 장치의 형태로 설계되어 있다. 이 경우, 리튬 이온 배터리가 복수의, 특히 적층된 리튬 이온 전지를 포함할 수 있다는 것은 자명하다.
리튬 이온 전지는 애노드(4), 캐소드(5), 세퍼레이터(6), 전류 어레스터(7) 및 전해질(3)을 포함한다. 애노드(4) 및 캐소드(5)는 종래와 같이 설계되어 있고, 통상적으로는 탄소 캐리어 재료를 포함한다. 전해질(3)은 애노드(4), 캐소드(5) 및 세퍼레이터(6) 및 경우에 따라서는 또한 세퍼레이터(7) 내에도 존재할 수 있으며, 전도성 염으로서의 LiBOB 및 PC 및 EC로부터 선택된 하나 이상의 용매를 포함하며, 이 경우에는 PC와 EC의 혼합물도 사용될 수 있다. 대안적으로, 전해질(3)은 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리콜에터 및/또는 DMC 또는 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiTFS1 및/또는 LiDFOB 및/또는 LiTDI 그리고 용매로서의 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 함유한다. 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리(1)는 통상적으로 하우징 내에 배열되어 있고, 특히 가열 장치(2)를 사용하여 5 내지 90℃, 특히 10 내지 80℃의 온도 범위에서 작동된다.
리튬 이온 배터리(1) 및 특수하게 설계된 전해질(3)의 규정에 따른 사용으로 인해, 높은 전력 밀도에서 높은 수준의 사용자 안전성, 긴 서비스 수명 그리고 디자인 및 재료 측면에서 높은 설계 자유도에 도달할 수 있다. 리튬 이온 배터리(1)는 콤팩트한 구조, 매우 우수한 열적 안정성, 높은 수준의 사용자 안전성 및 매우 우수한 전력 밀도에서의 긴 서비스 수명으로 인해 특히 자동차에 사용하기에 적합하다.
1: 리튬 이온 배터리
2: 가열 장치
3: 전해질
4: 애노드
5: 캐소드
6: 세퍼레이터
7: 전류 어레스터

Claims (10)

  1. 하나 이상의 리튬 이온 전지 및 가열 장치(2)를 포함하고, 가열 장치(2)가, 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리(1)를 작동하도록 설계되어 있으며, 리튬 이온 전지가 애노드(4), 캐소드(5), 세퍼레이터(6), 전류 어레스터(7) 및 전해질(3)을 포함하는, 리튬 이온 배터리(1)를 작동하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리(1)를 작동하는 단계를 포함하며,
    상기 전해질(3)은,
    a) 전도성 염으로서의 LiBOB 그리고 용매로서의 PC 및 EC 중에서 선택된 하나 이상의 물질 또는
    b) 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리코에터 및/또는 DMC 또는
    c) 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiTFSI 및/또는 LiDFOB 및/또는 LiTDI 그리고 용매로서의 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물로부터 선택된 하나 이상의 화합물
    을 함유하는, 리튬 이온 배터리(1)를 작동하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전해질(3)이 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리콜에터 및/또는 DMC를 함유하는 경우에는, 전도성 염의 총 농도가 3M 내지 10M, 바람직하게는 4M 내지 7M인, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 글리콜에터가 1,1-다이메톡시에탄, 1,2-다이메톡시에탄, 비스(2-메톡시에틸)에터 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물이 플루오린화 음이온을 갖는, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 피롤리디늄 화합물이 1-프로필-1- 메틸피롤리디늄비스(플루오로설포닐)이미드인, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질(3)에 플루오린화 전도성 염이 없는, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 리튬 이온 배터리(1)의 가동 전에 상기 전해질(3)이 하나 이상의 플루오린 함유 부식 방지 첨가제를 더 포함하는, 리튬 이온 배터리를 작동하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치(2)가 전지 내부의 가열 장치인, 방법.
  9. 하나 이상의 리튬 이온 전지(1) 및 가열 장치(2)를 포함하고, 가열 장치(2)가, 5 내지 90℃의 온도 범위에서 리튬 이온 배터리(1)를 작동하도록 설계되어 있으며, 리튬 이온 전지가 애노드(4), 캐소드(5), 세퍼레이터(6), 전류 어레스터(7) 및 전해질(3)을 포함하는, 리튬 이온 배터리로서,
    상기 전해질(3)은,
    a) 전도성 염으로서의 LiBOB 그리고 용매로서의 PC 및 EC 중에서 선택된 하나 이상의 물질 또는
    b) 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiDFOB 그리고 용매로서의 하나 이상의 글리코에터 및/또는 DMC 또는
    c) 전도성 염으로서의 LiFSI 및/또는 LiTFSI 및/또는 LiDFOB 및/또는 LiTDI 그리고 용매로서의 이미다졸륨 화합물, 피롤리디늄 화합물 및 피페리디늄 화합물로부터 선택된 하나 이상의 화합물
    을 함유하는, 리튬 이온 배터리.
  10. 제9항에 따른 리튬 이온 배터리(1)를 포함하는, 자동차.
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