KR20220046267A - 무음극 리튬이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

무음극 리튬이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 무음극 리튬이차전지는 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층; 상기 양극 상에 배치되는 음극 집전체; 및 상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 충전 과정에서 상기 음극 집전체 상에 리튬층이 생성되고, 방전 과정에서 상기 리튬층은 소모된다. 상기 방전이 종료된 상태에서도 상기 희생 양극활물질은 탈리튬화된 상태에 있다.

Description

무음극 리튬이차전지 및 그 제조방법{Anodeless lithium secondary battery and preparing method thereof}
본 발명은 리튬이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무음극 리튬이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 휴대용 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 이차전지의 예로 니켈카드뮴 전지, 니켈수소전지, 니켈아연 전지, 리튬이차전지 등이 있다. 이 중 리튬이차전지는 재충전이 가능하고 작동 전압이 높으며 단위중량 당 에너지 밀도가 높은 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
리튬이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈 리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 양극 및 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응 및 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.
리튬이차전지의 양극활물질로 LiCoO2가 대표적으로 사용된다. 하지만, LiCoO2의 경우 비가역 리튬 이온의 발생으로 가역 용량이 감소하는 단점이 있다.
한편, 고용량 고에너지 밀도의 차세대 리튬이차전지를 개발하기 위해 음극활물질로 실리콘이 주목받아왔다. 하지만 실리콘의 경우 부피팽창의 문제로 리튬금속 자체를 음극 활물질로 이용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 리튬 금속은 높은 반응성으로 인하여 자발적으로 액체전해액과 반응하여 생기는 SEI(Solid electrolyte interface) 층이 존재한다. SEI 층은 물리적 또는 전기화학적으로 열등한 특성으로 인해 반복적인 충방전 시 부반응을 일으켜 리튬이차전지 효율 특성을 저하시키고 표면 반응을 일으킨다. 이로 인해 리튬성장이 수지상(dendrite) 형태로 자라기 때문에 심할 경우 전지의 단락(short circuit)이 일어나 폭발의 위험이 있다. 또한 불균일한 반응으로 인해 리튬이온이 리튬금속의 표면에 다공성으로 증착됨에 따라 발생하는 부피변화 때문에 리튬이차전지 시스템의 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 리튬이차전지의 양극활물질의 가역 용량의 감소를 막을 수 있는 무음극 리튬이차전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한, 음극재로 인한 전지 불안정성을 개선하고 경제적이면서 전지 수명특성을 향상시킬 수 있는 무음극 리튬이차전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 일 측면은 무음극 리튬이차전지를 제공한다. 상기 무음극 리튬이차전지는 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층; 상기 양극 상에 배치되는 음극 집전체; 및 상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 충전 과정에서 상기 음극 집전체 상에 리튬층이 생성되고, 방전 과정에서 상기 리튬층은 소모된다. 상기 방전이 종료된 상태에서도 상기 희생 양극활물질은 탈리튬화된 상태에 있다.
상기 방전이 종료된 상태에서에서의 탈리튬화된 희생 양극활물질은 하기 화학식 3으로 나타내어질 수 있다.
[화학식 3] Li2-xCu1-yNiyO2 (0≤y≤1)
상기 화학식 3에서 x는 0.5 내지 1.8일 수 있다
상기 충전이 종료되는 충전전압은 4 내지 5V이고, 상기 방전이 종료되는 방전전압은 2.5 내지 3.5V일 수 있다. 상기 메인 양극활물질과 상기 희생 양극활물질의 총 중량을 100으로 했을 때, 상기 희생 양극활물질은 3 내지 40 wt%로 함유될 수 있다.
상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 분리막을 더 포함하고, 상기 전해질은 비수계 액체 전해질일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 무음극 리튬이차전지 제조방법을 제공한다. 먼저, 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층; 상기 양극 상에 배치되는 음극 집전체; 및 상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 배치된 전해질을 포함하는 무음극 리튬이차전지를 조립한다. 상기 무음극 리튬이차전지를 초기충전하여 상기 희생 양극활물질 및 상기 메인 양극활물질을 탈리튬화하여 상기 음극 집전체 상에 리튬층을 생성하는 단계; 및 방전하여 상기 리튬층은 소모하면서 상기 메인 양극활물질을 리튬화하되 상기 방전이 종료된 상태에서도 상기 희생 양극활물질은 탈리튬화된 상태에 있는 단계를 구비하는 화성 단계를 진행한다.
상기 조립 단계에서의 희생 양극활물질은 하기 화학식 1로 나타내어질 수 있다.
[화학식 1] Li2Cu1-yNiyO2 (0≤y≤1).
상기 방전이 종료된 상태에서에서의 탈리튬화된 희생 양극활물질은 하기 화학식 3으로 나타내어질 수 있다.
[화학식 3] Li2-xCu1-yNiyO2 (0≤y≤1)
상기 화학식 3에서 x는 0.5 내지 1.8일 수 있다.
상기 충전이 종료되는 충전전압은 4 내지 5V이고, 상기 방전이 종료되는 방전전압은 2.5 내지 3.5V일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 무음극 리튬이차전지 제조방법을 제공한다. 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 하기 화학식 1로 나타낸 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층을 제공한다. 상기 양극 상에 음극 집전체를 제공한다. 상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 전해질을 제공한다.
[화학식 1] Li2Cu1-yNiyO2 (0≤y≤1).
상기 메인 양극활물질과 상기 희생 양극활물질의 총 중량을 100으로 했을 때, 상기 희생 양극활물질은 3 내지 40 wt%로 함유될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 리튬이차전지의 불안정성을 개선하고 경제적이면서 전지 수명특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무음극 리튬이차전지의 단면도이다. 도 1의 단면도는 조립직후의 단면도일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무음극 리튬이차전지의 충전 및 방전 과정을 나타낸 단면도이다.
도 3a은 제조예들과 비교예 2에서 사용된 Li2Cu0.6Ni0.4O2에 대한 XRD 그래프이고, 도 3b는 제조예들과 비교예 2에서 사용된 Li2Cu0.6Ni0.4O2를 촬영한 SEM 사진들을 보여준다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c은 각각 양극활물질로서 Li2Cu0.6Ni0.4O2만을 사용한 비교예 2에 따른 리튬이차전지의 충방전 그래프, 충방전 사이클 수에 따른 방전용량변화를 나타내는 그래프, 및 충방전 사이클 수에 따른 쿨롱효율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 제조예들 1 내지 3 및 비교예 1의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 제조예들 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 리튬이차전지의 수명특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 실시예에서 “무음극 리튬이차전지”는 전지의 조립과정에서 음극 활물질층을 형성하지 않는 경우를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무음극 리튬이차전지의 단면도이다. 도 1의 단면도는 조립직후의 단면도일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무음극 리튬이차전지는 양극 집전체(10), 상기 양극 집전체 상에 배치되는 양극 활물질층(20), 상기 양극 활물질층(20) 상에 배치되는 분리막(30), 및 상기 분리막 상에 배치되는 음극 집전체(40)를 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질층(20)과 음극 집전체(40) 사이에 전해질(미도시)이 배치될 수 있다.
상기 양극 집전체(10)에서 상기 양극 활물질층(20) 내 포함된 양극 활물질의 전기화학적 반응을 통한 전자의 이동이 일어난다. 상기 양극 집전체(10)는 내열성을 갖는 금속일 수 있는데, 일 예로서 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인레스강, 티탄, 탄탈, 금, 백금 등일 수 있다. 일 실시예서, 양극 집전체는 알루미늄 또는 스테인레스강일 수 있다. 이러한 양극 집전체(10)의 상부면 또한 상기 양극 활물질층(20)과의 접착강도 향상을 위해 조면화된(roughened) 것일 수 있다.
상기 양극 활물질층(20)은 메인 양극활물질과 희생 양극활물질을 함유할 수 있다. 상기 메인 양극활물질은 리튬-전이금속 산화물 또는 리튬-전이금속 인산화물로서, 1몰당 1몰의 리튬을 함유하는 물질일 수 있다. 상기 리튬-전이금속 산화물은 코발트, 망간, 니켈, 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 전이금속과 리튬과의 복합산화물일 수 있다. 리튬-전이금속 산화물은 일 예로서, Li(Ni1-x-yCoxMny)O2 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), Li(Ni1-x-yCoxAly)O2 (0≤x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1), 또는 Li(Ni1-x-yCoxMny)2O4 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)일 수 있다. 리튬-전이금속 인산화물은 철, 코발트, 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 전이금속과 리튬과의 복합인산화물일 수 있다. 리튬-전이금속 인산화물은 일 예로서, Li(Ni1-x-yCoxFey)PO4 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)일 수 있다.
상기 희생 양극활물질은 1몰당 리튬을 2몰 함유하는 리튬 과량(Li-rich) 전이금속 산화물로서, 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
Li2Cu1-yNiyO2 (0≤y≤1)
상기 화학식 1에서 y는 0.1 내지 0.7, 0.2 내지 0.6, 구체적으로는 0.3 내지 0.5일 수 있다. 일 예에서 y는 0.35 내지 0.45 구체적으로는 0.4일 수 있다.
메인 양극활물질과 희생 양극활물질의 총 중량을 100으로 했을 때, 상기 희생 양극활물질은 약 3 내지 45 wt%, 10 내지 40 wt%, 15 내지 35 wt% 구체적으로는 약 25 내지 33 wt%로 함유될 수 있다.
상기 양극 활물질층(20)은 고분자 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 고분자 바인더는 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 사불화에틸렌, 불화비닐리덴계 공중합체, 육불화프로필렌 등의 불소 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지; 카복시메틸 셀룰로오스 등의 셀룰로오스를 포함할 수 있다. 상기 도전재는 전도성 탄소재료로서, 카본블랙, 카본블랙(carbon black, CB), 전도성 흑연(conducting graphite), 에틸렌 블랙(ethylene black) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 음극 집전체(40)는 리튬이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 갖는 재료라면 특별한 제한 없이 사용이 가능하다. 일 예로서 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인레스강, 티탄, 탄탈, 금, 백금 등일 수 있다. 구체적으로, 음극 집전체는 구리 또는 스테인레스강일 수 있다.
상기 분리막(30)은 상기 음극집전체(40) 및 상기 양극 활물질층(20)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하다. 특히, 전해질의 이온 이동에 대하여 낮은 저항성을 가지면서 전해액 함습력이 우수한 것이 바람직하다. 일예로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)를 포함할 수 있고, 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있다.
상기 전해질은 액체 전해질일 수 있다. 상기 액체 전해질은 비수계 전해질 용액일 수 있다. 비수계 전해질 용액은 리튬염인 전해질과 매질을 구비하는데, 리튬염은 리튬퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬트리플루오르메탄셀포네이트(LiCF3SO3), 리튬헥사플루오르아세네이트(LiAsF6), 또는 리튬트리플루오르메탄설포닐이미드(Li(CF3SO2)2N)일 수 있다. 상기 매질는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트. 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 아크릴로니트릴, γ-카프로락톤, 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 매질은 디메틸카보네이트와 플로오로에틸렌카보네이트의 조합일 수 있다. 상기 액체 전해질은 리튬염과 매질에 더하여, 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 LiNO3일 수 있다.
본 발명에 따른 무음극 리튬이차전지의 제조방법에 대해 설명한다. 각 구성요소에 대한 구체적인 설명은 위에서 설명한 바와 같다.
메인 양극활물질, 희생 양극활물질, 고분자 바인더, 도전재, 및 용매를 섞어 슬러리를 형성한 후, 슬러리를 양극 집전체(10) 상에 도포 및 건조하여 양극 활물질층(20)을 형성할 수 있다. 상기 양극 활물질층(20) 상에 분리막(30)와 음극 집전체(40)를 차례로 배치한 후, 액체 전해질을 함침시킬 수 있다.
이와 같이 무음극 리튬이차전지의 조립직후 상기 음극 집전체(40)는 상기 분리막(30)과 바로 접촉할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무음극 리튬이차전지의 충전 및 방전 과정을 나타낸 단면도이다. 각 구성요소에 대한 구체적인 설명은 위에서 설명한 바와 같다. 또한, 하기 초기충전과 그 이후의 방전은 리튬이차전지의 제조과정 중 화성단계에서 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 무음극 리튬이차전지를 초기충전혹은 최초충전하면, 메인 양극활물질과 희생 양극활물질은 탈리튬화되고, 양극활물질로부터 생성된 리튬이온은 음극 집전체(40) 상에서 환원되어 리튬층(50)을 형성한다. 리튬층(50)은 리튬메탈층 혹은 고체리튬층으로 명명될 수 있다. 이 때, 충전전압은 상기 메인 양극활물질과 상기 희생 양극활물질이 충분히 탈리튬화될 수 있을 정도로 높은 전압 예를 들어, 약 4 내지 5V, 구체적으로 약 4.1 내지 4.5V일 수 있다.
상기 희생 양극활물질은 상기 화학식 1로 나타낸 것으로, 탈리튬(delithiation) 반응에 의해 하기 화학식 2와 같은 물질을 생성할 수 있다.
[화학식 2]
Li2-xCu1-yNiyO2 (0≤y≤1)
상기 화학식 2에서 x는 0.5 내지 1.8 구체적으로 1 내지 1.5일 수 있다.
이 후, 상기 리튬이차전지를 방전하면, 리튬층(50)은 산화되어 리튬 이온을 생성하고, 생성된 리튬 이온은 양극 활물질층(50)에서 환원될 수 있다. 이 때, 상기 초기충전과정에서 탈리튬화되었던 메인 양극활물질은 충분히 혹은 거의 완전히 리튬화되는 반면, 상기 초기충전과정에서 탈리튬화되었던 희생 양극활물질은 거의 리튬화되지 않고 하기 화학식 2에서 표시된 상태로 남아 있을 수 있다.
이 때, 방전전압은 상기 메인 양극활물질을 충분히 혹은 거의 완전히 리튬화시킬 수 있는 반면, 상기 희생 양극활물질을 거의 리튬화시킬 수 없을 정도의 전압범위 예를 들어 2.5 내지 3.5V 구체적으로는 2.7 내지 3.3V일 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 2로 나타낸 탈리튬화된 희생 양극활물질은 방전전압이 약 1.5V로 내려가야 충분히 혹은 완전히 리튬화될 수 있지만, 방전전압을 상기 탈리튬화된 희생 양극활물질이 충분히 혹은 완전히 리튬화할 수 있는 방전전압인 1.5V보다 높은 전압범위에서 사용하는 경우 상기 희생 양극활물질은 방전종료 후에도 화학식 2에서 표시된 바와 같이 탈리튬화된 상태로 남아 있을 수 있다.
상기 방전과정이 종료된 이후, 상기 음극 집전체(40) 상에 잔존하는 리튬층을 잉여리튬층(50′)으로 명명할 수 있고, 이 잉여리튬층(50′)은 상기 초기충전과정에서 희생 양극활물질의 탈리튬화에 의해 생성된 후 상기 방전과정에서 상기 희생 양극활물질이 리튬화하지 않아 상기 음극 집전체(40) 상에 잔존하는 것일 수 있다. 이러한 잉여리튬층(50′)은 수 마이크로미터 일 예로, 약 2 내지 8 ㎛, 구체적으로 약 3 내지 6㎛, 더 구체적으로 약 4 내지 5.5㎛일 수 있다. 한편, 이 잉여리튬층(50′)은, 상기 리튬이차전지가 이후 충방전을 반복적으로 수행하는 과정에서 비가역 반응에 의해 소모되는 리튬을 보충하는 역할을 할 수 있다.
상기 리튬이차전지가 이후 충전과 방전 사이클을 수행하는 경우에는 상기 희생 양극활물질은 상기 화학식 2의 탈리튬화된 상태를 지속적으로 유지하는 반면, 상기 메인 양극 활물질은 충전과정에서는 탈리튬화되고 방전과정에서 거의 완전히 리튬화될 수 있다. 또한, 충전과정에서 상기 리튬층(50)이 생성되고 방전과정에서 소모되어 잉여리튬층(50′)으로 잔존하는 것을 반복할 수 있다.
메인 양극활물질과 희생 양극활물질의 총 중량을 100으로 했을 때, 상기 희생 양극활물질은 약 3 내지 45 wt%, 약 10 내지 40 wt%, 15 내지 35 wt% 구체적으로는 약 25 내지 33 wt%로 함유될 수 있는데, 이 범위 내에서 상기 잉여리튬층(50′)이 적절한 정도로 생성될 수 있다. 이 때, 적절한 정도는 비가역 반응에 의해 소모되는 리튬을 충분히 보충할 수 있으면서도 양극용량과 음극용량이 균형을 이룰 수 있는 정도를 의미할 수 있다.
이와 같이, 방전 후 잔존하는 잉여리튬층(50′)은 조립시 별도의 리튬메탈층을 배치하는 경우 대비 10% 이하로 매우 얇아 상대적으로 편평하므로, 충전과정에서 리튬의 불균일한 전착에 의한 리튬덴드라이트 등의 비활성화된 리튬의 량을 줄일 수 있다. 한편, 상기 희생 양극활물질을 사용하지 않아 잉여리튬층(50′)이 전혀 없는 경우 대비 비가역반응에 의해 소모되는 리튬을 충분히 보충할 수 있다. 그 결과, 전지 불안정성을 개선하고 전지 수명특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 설명한다. 그러나, 이들 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
<제조예 1>
양극 집전체인 Al 포일 상에 메인 양극 활물질인 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 21.6g, 희생양극 활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2 2.4g, 카본블랙(super P 및 KS6) 0.5g, 바인더인 PVDF(polyvinylidene difluoride) 0.5g가 혼합된 양극활물질층을적층 후 건조하여 양극을 제조하였다. 이 때, 양극 활물질과 희생양극 활물질은 9:1의 중량비를 갖는다. 상기 양극, 분리막(Celgard 2400), 및 음극 집전체인 Cu 포일을 차례로 적층하고, 상기 양극과 상기 Cu 포일 사이에 전해액을 넣어 2032 코인 형태의 무음극 리튬이차전지를 제조하였다. 이 때 전해액은 DMC/FEC(4/1, v/v)의 혼합용매 내에 전해질인 1M LiPF6과 첨가제인 0.2M LiNO3을 사용하였다.
<제조예 2>
메인양극 활물질과 희생양극 활물질은 8:2의 중량비(메인양극 활물질인 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 19.2g, 희생양극 활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2 4.8g)를 갖는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 무음극 리튬이차전지를 제조했다.
<제조예 3>
메인양극 활물질과 희생양극 활물질은 7:3의 중량비(메인양극 활물질인 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 16.8g, 희생양극 활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2 7.2g)를 갖는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 무음극 리튬이차전지를 제조했다.
<비교예 1>
희생양극 활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2을 사용하지 않고, 메인양극 활물질인 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 24g 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 무음극 리튬이차전지를 제조했다.
<비교예 2>
메인양극 활물질인 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2을 사용하지 않고, 희생양극 활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2 24g 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 무음극 리튬이차전지를 제조했다.
도 3a은 제조예들과 비교예 2에서 사용된 Li2Cu0.6Ni0.4O2에 대한 XRD 그래프이고, 도 3b는 제조예들과 비교예 2에서 사용된 Li2Cu0.6Ni0.4O2를 촬영한 SEM 사진들을 보여준다.
도 3a를 참조하면, Li2Cu0.6Ni0.4O2의 결정상은 사방정계 (orthorhombic phase)이고, 공간군은 Immm인 것으로 나타났다.
도 3b를 참조하면, Li2Cu0.6Ni0.4O2는 수 마이크로미터 일 예로서, 약 3 내지 5 ㎛의 입자크기를 나타낸다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c은 각각 양극활물질로서 Li2Cu0.6Ni0.4O2만을 사용한 비교예 2에 따른 리튬이차전지의 충방전 그래프, 충방전 사이클 수에 따른 방전용량변화를 나타내는 그래프, 및 충방전 사이클 수에 따른 쿨롱효율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 양극활물질로서 Li2Cu0.6Ni0.4O2만을 사용한 리튬이차전지를 4.3V 까지 충전한 후 1.5V까지 방전하는 경우 첫 번째 사이클(4.3-1.5 V 1st)에서충전용량은 약 395 mAh/g이고 방전용량이 약 340 mAh/g인 것으로 나타나 비가역용량이 약 55 mAh/g인 것을 알 수 있다. 이 후, 두 번째 사이클(4.3-1.5 V 2nd)에서의 방전용량은 약 170 mAh/g인 것으로 나타났다. 그러나, 양극활물질로서 Li2Cu0.6Ni0.4O2만을 사용한 리튬이차전지를 4.3V 까지 충전한 후 3.0V까지 방전하는 경우에는 첫 번째 사이클(4.3-3.0 V 1st)에서충전용량은 약 395 mAh/g인 반면 방전용량이 약 65 mAh/g인 것으로 나타나 비가역용량이 무려 330 mAh/g인 것을 알 수 있다. 이로부터, Li2Cu0.6Ni0.4O2는 방전전압이 1.5V 근처까지 낮아야 탈리된 리튬이 다시 삽입될 수 있으나, 방전전압아 약 3.0V 근처로 높은 경우 탈리된 리튬의 삽입이 어려워 비가역용량이 매우 큰 것으로 추정되었다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 양극활물질로서 Li2Cu0.6Ni0.4O2만을 사용한 리튬이차전지를 4.3V 까지 충전한 후 1.5V까지 방전하는 경우(4.3-1.5 V)에는 사이클 수가 증가할수록 방전용량이 지속적으로 감소하여 쿨롱효율의 감소가 나타나는 반면, 양극활물질로서 Li2Cu0.6Ni0.4O2만을 사용한 리튬이차전지를 4.3V 까지 충전한 후 3.0V까지 방전하는 경우(4.3-3.0 V)에는 사이클 수가 증가하더라도 방전용량의 감소는 비교적 완화되는 것을 알 수 있다.
도 5a는 제조예들 1 내지 3 및 비교예 1의 첫 번째 사이클에서의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 이 때, 충전은 4.3V까지 그리고 방전은 3.0V까지 ~C로 진행하였다.
도 5a를 참조하면, 비교예 1 대비 제조예들 1 내지 3은 비가역용량이 큰 것을 알 수 있다. 이는 희생양극활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2가 충전과정에서 탈리튬화된 후 방전과정에서 리튬화가 충분히 이루어지지 않았기 때문이다. 또한, 제조예들 1 내지 3을 비교하면 희생양극활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2의 함량이 커질수록 비가역용량은 증가하는 것으로 나타났다. 비교예 1에 대한 제조예들 1 내지 3의 충전용량의 차이는 음극 집전체 상에 전착된 잉여리튬층의 형성에 기여하는 정도로 이해할 수 있다. 이로부터 희생양극활물질의 량이 증가할수록 잉여리튬층의 생성량이 증가하는 것으로 이해될 수 있다.
한편, 메인양극활물질과 희생양극활물질의 합계질량을 100으로 할 때 희생양극활물질이 10 wt%(제조예 1)에서 20 wt%(제조예 2)로 증가하는 경우에는 방전용량이 증가하나, 희생양극활물질이 20 wt%(제조예 2)에서 30 wt%(제조예 3)로 증가하는 경우에는 방전용량이 오히려 다소 감소하는 것으로 나타났다.
도 5b는 제조예들 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 리튬이차전지의 수명특성을 나타낸 그래프이다. 이 때, 충전은 4.3V까지 그리고 방전은 3.0V까지 0.3C로 진행하였다.
도 5b를 참고하면, 희생양극활물질인 Li2Cu0.6Ni0.4O2를 포함하는 제조예1 내지 3에 의해 제조된 무음극 리튬이차전지가 Li2Cu0.6Ni0.4O2를 포함하지 않는 비교예 1에 따른 무음극 리튬이차전지에 비해 수명특성이 우수함을 알 수 있다. 또한, 제조예 1 내지 3 중 메인양극활물질과 희생양극활물질의 합계질량을 100으로 할 때 희생양극활물질이 30 wt%로 함유된 제조예 3에 따른 리튬이차전지의 수명특성이 가장 우수함을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (11)

  1. 양극 집전체;
    상기 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층;
    상기 양극 상에 배치되는 음극 집전체; 및
    상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 배치된 전해질을 포함하고,
    충전 과정에서 상기 음극 집전체 상에 리튬층이 생성되고, 방전 과정에서 상기 리튬층은 소모되며,
    방전이 종료된 상태에서도 상기 희생 양극활물질은 탈리튬화된 상태에 있는 무음극 리튬이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전이 종료된 상태에서에서의 탈리튬화된 희생 양극활물질은 하기 화학식 3으로 나타내어지는 무음극 리튬이차전지:
    [화학식 3]
    Li2-xCu1-yNiyO2 (0≤y≤1)
    상기 화학식 3에서 x는 0.5 내지 1.8일 수 있다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전이 종료되는 충전전압은 4 내지 5V이고,
    상기 방전이 종료되는 방전전압은 2.5 내지 3.5V인 무음극 리튬이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 양극활물질과 상기 희생 양극활물질의 총 중량을 100으로 했을 때, 상기 희생 양극활물질은 10 내지 40 wt%로 함유되는 무음극 리튬이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 분리막을 더 포함하고,
    상기 전해질은 비수계 액체 전해질인 무음극 리튬이차전지.
  6. 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층; 상기 양극 상에 배치되는 음극 집전체; 및 상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 배치된 전해질을 포함하는 무음극 리튬이차전지를 조립하는 단계; 및
    상기 무음극 리튬이차전지를 초기충전하여 상기 희생 양극활물질 및 상기 메인 양극활물질을 탈리튬화하여 상기 음극 집전체 상에 리튬층을 생성하는 단계; 및 방전하여 상기 리튬층은 소모하면서 상기 메인 양극활물질을 리튬화하되 상기 방전이 종료된 상태에서도 상기 희생 양극활물질은 탈리튬화된 상태에 있는 단계를 구비하는 화성 단계를 포함하는 무음극 리튬이차전지 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조립 단계에서의 희생 양극활물질은 하기 화학식 1로 나타내어지는 무음극 리튬이차전지 제조방법:
    [화학식 1]
    Li2Cu1-yNiyO2 (0≤y≤1).
  8. 제6항에 있어서,
    상기 방전이 종료된 상태에서에서의 탈리튬화된 희생 양극활물질은 하기 화학식 3으로 나타내어지는 무음극 리튬이차전지 제조방법:
    [화학식 3]
    Li2-xCu1-yNiyO2 (0≤y≤1)
    상기 화학식 3에서 x는 0.5 내지 1.8일 수 있다.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 충전이 종료되는 충전전압은 4 내지 5V이고,
    상기 방전이 종료되는 방전전압은 2.5 내지 3.5V인 무음극 리튬이차전지 제조방법.
  10. 양극 집전체 상에 메인 양극활물질과 하기 화학식 1로 나타낸 희생 양극활물질을 함유하는 양극 활물질층을 제공하는 단계;
    상기 양극 상에 음극 집전체를 제공하는 단계; 및
    상기 양극 활물질층과 상기 음극 집전체 사이에 전해질을 제공하는 단계를 포함하는 무음극 리튬이차전지 제조방법:
    [화학식 1]
    Li2Cu1-yNiyO2 (0≤y≤1).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 메인 양극활물질과 상기 희생 양극활물질의 총 중량을 100으로 했을 때, 상기 희생 양극활물질은 10 내지 40 wt%로 함유되는 무음극 리튬이차전지 제조방법.
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