KR20220120268A - 대류 유도형 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

대류 유도형 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지용 액체 전해질, 이를 포함하는 이차전지 및 이차전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지용 액체 전해질은 용매; 전해질염; 및 이방성 자성 입자;를 포함한다. 액체 전해질에 함유된 이방성 자성 입자는 액체 전해질의 액상 매질에 분산된 상태이며, 외부 자기장 인가를 통해 이방성 자성 입자의 회전 발생시키고, 내부 전해질의 미세 대류 및 동적상태를 유도할 수 있다. 이를 통해 금속 덴드라이트 형성을 억제할 수 있다.

Description

대류 유도형 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 이차전지{Convection Induction Type Electrolyte for Secondary Battery and the Secondary Battery Including the Same}
본 발명은 이차전지용 전해질, 이를 포함하는 이차전지 및 이차전지 시스템에 관한 것으로, 상세하게, 금속 덴드라이트(metal dendrite) 형성을 효과적으로 억제할 수 있는 이차전지용 전해질 및 이를 채택한 이차전지에 관한 것이다.
전자제품, 전기/하이브리드 차량, 항공우주/드론 등 다양한 산업 분야에서 장수명, 고에너지 밀도 및 고전력 밀도의 이차전지에 대한 수요가 계속 증가하고 있다.
이러한 요구에 따라 이차전지를 이루는 각 요소별로 대용량 고출력화를 위한 연구가 이루어지고 있으나, 전기차등을 위한 중대형 이차전지의 상용화를 위해서는 무엇보다 안전성 확보(폭발위험 해소)가 필수적으로 선결되어야 하며, 고속(대전류) 충방전 조건에서도 10년 이상의 장기 수명이 담보되어야 한다.
이차전지에서 금속 덴드라이트는 전지 단락을 초래하여 전지의 수명과 안정성을 크게 저하시키며, 덴드라이트로부터 유래하는 비활성 금속(dead metal)은 용량 감소는 물론, 충방전시 금속 이온의 확산 경로를 증가시키고 전지 내부 저항을 증가시키는 요인으로 작용하고 있다.
이러한 금속 덴드라이트 형성 문제를 해결하기 위해, 액체 전해질에 덴드라이트 형성 억제용 첨가제를 사용(대한민국 공개특허 2020-0143269)하거나, 전극을 패턴화(대한민국 공개특허 2018-0113404)하는 등 다양한 기술개발이 이루어지고 있으나, 전지가 대용량화 될 수록 덴드라이트 형성 억제 효과가 떨어져, 중대형 이차전지에서도 안정적으로 금속 덴드라이트 형성을 억제할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 2020-0143269 대한민국 공개특허 2018-0113404
본 발명의 목적은 이차전지에서 금속 덴드라이트 형성을 억제할 수 있는 이차전지용 전해질을 제공하는 것이며, 특히 중대형 전지에서도 금속 덴드라이트 형성을 억제할 수 있는 이차전지용 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 액체 전해질은 이차전지용 전해질이며, 용매; 전해질염; 및 이방성 자성 입자;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 이방성 자성입자는 외부 회전 자기장 인가시 상기 액체 전해질 내에서 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 이방성 자성 입자는 이방성의 자성체 코어 및 상기 코어를 감싸는 절연성 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 이방성 자성 입자의 장축 길이를 단축 길이로 나눈 종횡비(aspect ratio)는 2 내지 50일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 이방성 자성 입자의 평균 단축 길이는 20 내지 300nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 액체 전해질은 0.01 내지 1.0mg/mL 농도로 상기 이방성 자성 입자를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 자성체 코어의 자성체는 Fe3O4, Fe2O4, MnFe2O4 및 ZnFe2O4에서 하나 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 자성체 코어는 자성 미립자가 일 방향으로 배열된 응집체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 절연성 코팅층은 산화물, 질화물 또는 산질화물의 무기물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 액체 전해질은 콜로이드 상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 아민계 및 포스핀계 용매에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 비수계 용매일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 전해질에 있어, 상기 용매는 비환형 에테르계 용매, 환형 에테르계 용매 또는 이들의 혼합 용매를 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 액체 전해질을 포함하는 이차전지를 포함한다.
상세하게, 본 발명에 따른 이차전지는 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 상술한 이차전지용 액체 전해질을 포함한다.
본 발명은 상술한 이차전지를 포함하는 이차전지 시스템을 포함한다.
상세하게, 본 발명에 따른 이차전지 시스템은 상술한 이차전지; 및 상기 이차전지에 자기장을 인가하는 자기장인가부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 시스템에 있어, 상기 자기장인가부는 상기 이차전지에 회전 자기장을 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 액체 전해질은 용매 및 전해질염과 함께 분산상인 이방성 자성 입자를 함유하며, 이방성 자성 입자는 외부 자기장에 의해 회전할 수 있다. 본 발명에 따른 이차전지용 액체 전해질은 이방성 자성 입자의 회전에 의해 액체 전해질 내부에서 발생하는 미세 유동에 의해 전해질에 함유된 이온들의 불균일한 분포(구배)가 억제되어, 금속 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있으며, 치밀한 금속의 전착이 발생하여 사이클 특성과 전지 수명 및 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 외부에서 인가되는 물리적 힘이 아닌, 액체 전해질 내부에 콜로이드 상을 이루며 균질하게 분산된 이방성 자성 입자 자체에 의해 액체 전해질 내에서 미세 유동이 발생함에 따라, 중대형 전지에도 제약없이 매우 효과적으로 적용 가능한 장점이 있다.
도 1은 이방성 자성 나노입자 제조 공정을 도시한 모식도이다.
도 2는 외부 자기 교반기 유무에 따른 전해질 내 이방성 자성 나노입자의 회전 유도와 이온 전달 현상 향상에 대한 모식도이다.
도 3은 이방성 자성 나노입자를 관찰한 투과전자현미경 사진을 도시한 도면이다.
도 4는 액체 전해질 내 함유된 이방성 자성 나노입자를 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 제조된 액체 전해질을 관찰한 광학 사진이다.
도 6은 제조된 이차전지(실시예의 전지 NRS 및 기준 전지 Bare)에서, 일정 전류 밀도 조건 하의 전착시 전지 용량에 따른 전압을 측정 도시한 도면이다.
도 7은 제조된 이차전지(실시예의 전지 NRS 및 기준 전지 Bare)에서, 전류밀도 별로 구리 디스크에 전착된 리튬을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 0.5 mA/cm2 전류 밀도 조건에서 제조된 이차전지(실시예의 전지 NRS 및 기준 전지 Bare)의 전착 리튬을 관찰한 저배율 주사전자현미경 사진 및 저배율 주사전자현미경 사진에서 붉은색 사각으로 도시된 부분을 확대 관찰한 사진 및 리튬이 전착된 구리 디스크의 단면을 관찰한 단면 사진이다.
도 9는 제조된 이차전지(실시예의 전지 NRS 및 기준 전지 Bare)의 충방전 사이클에 따른 쿨롱 효율 특성을 측정 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 액체 전해질을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 출원인은 이차전지의 충방전에 관여하는 활성 금속(활성 이온)의 전착/용해시 활성 금속의 덴드라이트 형성을 방지하고자 다양한 연구를 수행한 결과, 덴드라이트 형성의 주된 이유가 불균일한 활성 이온 분포(확산)임을 주목하여, 외부 자력에 의해 회전하는 이방성 입자를 이용한 물리적 유동을 통해 활성 이온 분포(확산)의 불균일성을 감소시키는 경우, 덴드라이트 형성이 현저하게 억제됨과 동시에 대용량 전지에 효과적으로 적용 가능함을 확인하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명에 따른 이차전지용 액체 전해질은 용매; 전해질염; 및 이방성 자성 입자;를 포함한다. 이방성 자성 입자는, 액체 전해질에 함유된 상태 및 액체 전해질이 이차전지의 케이스 내부에 밀봉된 상태 모두에서, 액체 전해질 내부에서 자유로이 움직임 가능한 상태이다. 자유로이 움직임 가능한 상태는 액제 전해질의 액상 내에 분산된 상태를 의미할 수 있다.
액체 전해질에 함유된 이방성 자성 입자는 입자가 갖는 자성에 의해, 액체 전해질에 외부 자기장이 인가될 때 액체 전해질 내에서 회전될 수 있으며, 회전에 의해 액체 전해질에 미세 대류(미세 유동)를 발생시킬 수 있다. 이러한 미세 대류는 액체 전해질 내 활성 이온의 확산을 도우며 활성 이온의 불균일성을 억제할 수 있다. 이때, 외부에서 인가되는 자기장은 회전 자기장일 수 있으며, 회전 자기장이 인가될 때, 이방성 자성 입자는 입자의 장축 방향 또는 이방성 자성 입자의 중심에서 장축 방향에 수직인 방향을 회전축으로 회전될 수 있다.
유리한 일 예에 있어, 이방성 자성 입자의 장축 길이를 단축 길이로 나눈 종횡비(aspect ratio)는 2 내지 50, 보다 유리하게, 10 내지 40, 보다 더 유리하게 10 내지 30일 수 있다. 이러한 종횡비는 이방성 형상에 의해 액체 전해질에 보다 큰 미세 유동을 발생시킬 수 있으며, 보다 낮은 자성 입자의 함량으로도 전해질 내 균질한 활성 이온 분포를 야기할 수 있다.
이러한 종횡비와 함께, 이방성 자성 입자의 평균 단축 길이(평균 단축 직경)은 20 내지 300nm, 유리하게 20 내지 200nm, 보다 유리하게 20 내지 150nm 수준일 수 있다. 이러한 이방성 자성 입자의 평균 단축 직경과 종횡비에 의해 비수계 전해액 내에서 이방성 자성 입자가 균질하게 분산된 상태(콜로이드 상)를 유지할 수 있으며, 나아가, 1200rpm에 이르는 외부 회전 자기장이 인가되는 경우에도 안정적으로 콜로이드 상이 유지될 수 있다.
이방성 자성 입자는 이방성 형상을 갖는 자성체 코어 및 코어를 감싸는 절연성 코팅층을 포함할 수 있다. 자성체 코어는 이방성 자성 입자에 자성 특성을 부여함과 동시에 이방성 형상의 틀을 제공한다. 절연성 코팅층은 자성체 코어와 전해액의 접촉을 차단시켜 전기화학 반응으로부터 자성체 코어와 전해액 양쪽을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
절연성 코팅층은 산화물, 질화물, 산질화물 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 복합물인 무기물일 수 있다. 상세하게, 절연성 코팅층은 Al, Ti, Ba, Pb, Zr, Sr, Hf, Li, Zn, Ce, Mg, Ca, Zn, Y, Nb 및 Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 산화물, 질화물 또는 산질화물일 수 있으며, 유리하게, 전기화학적 안정성이 가장 우수한 산화물일 수 있다. 실질적인 일 예로, 절연성 코팅층은 실리콘 산화물(실리카), 티타늄 산화물(티타니아)등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 절연성 코팅층의 두께는 5 내지 100nm 수준, 구체적으로 10 내지 70nm 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
자성체 코어의 자성체는 상자성체 또는 강자성체일 수 있으며, 유리하게 강자성체일 수 있다. 자성체 코어가 강자성체인 경우, 보다 작은 세기의 외부 자기장 인가로도 이방성 자성 입자가 회전될 수 있다. 유리한 자성체의 예로, Fe3O4, Fe2O4, MnFe2O4 및 ZnFe2O4에서 하나 이상 선택되는 물질을 들 수 있으나, 본 발명이 자성체의 구체 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.
유리한 일 예에 있어, 자성체 코어는 자성 미립자가 일 방향으로 배열된 응집체일 수 있다. 즉, 자성체 코어의 이방성은 구형 자성 미립자들이 일 방향으로 배열되어 형성된 것일 수 있다. 자성체 코어가 구형 자성 미립자들이 일 방향으로 배열 응집된 경우, 자성 미립자에 의해 표면 요철(굴곡)이 형성될 수 있으며, 이와 함께 자성 미립자들간의 미세한 정렬 뒤틀림에 의한 요철(굴곡)을 가질 수 있다. 이러한 자성체 코어 상의 굴곡들은 절연성 코팅층에 형성된 후에도 실질적으로 거의 그대로 유지되어, 이방성 자성 입자가 이방성과 함께 표면 요철(굴곡)을 가질 수 있게 한다. 이방성 자성 입자에 형성된 표면 요철(굴곡)은 이방성 자성 입자의 회전에 의한 전해액 유동과 함께 표면 요철(굴곡)에 의한 유동 또한 발생하여 유리하다. 자성 미립자의 크기(직경)은 굴곡 형성에 유리하도록 실질적으로 목적하는 이방성 자성 입자의 단축 직경에 근접할 수 있다. 실질적인 일 예로, 자성 미립자의 크기(직경)은 10 내지 150nm, 유리하게 20 내지 100nm, 보다 유리하게 20 내지 60nm 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
액체 전해질은 0.01 내지 1.0mg/mL 농도, 구체적으로 0.05 내지 0.50mg/mL 농도, 보다 구체적으로 0.05 내지 0.30mg/mL의 농도로 이방성 자성 입자를 함유할 수 있다. 이러한 낮은 농도는 자성 입자의 높은 이방성과 유리한 일 예에 따른 자성 입자의 표면 굴곡에 의해 미량의 이방성 자성 입자로도 전해액 내 활성 이온의 균질한 분포가 담보될 수 있기 때문이다.
액체 전해질은 상술한 이방성 자성 나노입자와 함께, 용매 및 전해질염을 함유할 수 있다. 용매 및 전해질염은 이차전지의 구체 종류를 고려하여, 해당 이차전지에서 통상적으로 사용되는 물질이면 족하다.
충방전 반응에 관여하는 활성 금속(활성 이온)이 리튬(리튬 이온)인 리튬 이차전지를 일 예로, 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 아민계 및 포스핀계 용매에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 비수계 용매일 수 있으며, 실질적으로, 카보네이트계 용매, 에테르계 용매 또는 이들의 혼합 용매일 수 있다. 이때, 에테르계 용매 또는 카보네이트계 용매와 에테르계 혼합 용매는 활성 금속(일 예로, 리튬) 덴드라이트 형성 억제에 유리하다. 대표적인 카보네이트계 용매로, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌카보네이트, 플루오르에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디(2,2,2-트리플루오로에틸) 카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸 카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 2,2,2-트리플루오로에틸 메틸 카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 2,2,2-트리플루오로에틸 프로필 카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 또는 이들의 혼합 용매등을 들 수 있다. 에테르계 용매는 비환형 에테르계 용매, 환형 에테르계 용매 또는 이들의 혼합용매일 수 있다. 환형 에테르계 용매의 실질적인 예로, 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 4,5-디메틸-디옥소란(4,5-dimethyl-dioxolane), 4,5-디에틸-디옥소란(4,5-diethyl-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥소란(4-methyl-1,3-dioxolane), 4-에틸-1,3-디옥소란(4-ethyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란(2-methyl tetrahydrofuran), 2,5-디메틸 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethyl tetrahydrofuran), 2,5-디메톡시 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethoxy tetrahydrofuran), 2-에톡시 테트라하이드로퓨란(2-ethoxy tetrahydrofuran), 2-메틸-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-비닐-1,3-디옥소란(2-vinyl-1,3-dioxolane), 2,2-디메틸-1,3-디옥소란(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane), 2-메톡시-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥소란(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로파이란(tetrahydropyran), 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 1,2-디메톡시 벤젠(1,2-dimethoxy benzene), 1,3-디메톡시 벤젠(1,3-dimethoxy benzene), 1,4-디메톡시 벤젠(1,4-dimethoxy benzene), 아이소소바이드 디메틸 에테르 또는 이들의 혼합 용매등을 들 수 있으며, 비환형 에테르계 용매로, 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 1,2-디부톡시에탄(1,2-dibuthoxyethane), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(diethylene glycol diethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(triethylene glycol diethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(tetraethylene glycol diethyl ether) 또는 이들의 혼합 용매등을 들 수 있으나, 본 발명이 전해질의 구체 용매 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.
이차전지의 충방전에 관여하는 활성 금속이 리튬인 경우를 일 예로, 전해질염은 리튬염일 수 있으며, 리튬 이차전지의 전해질에 사용되는 대표적인 리튬염으로 LiSCN, LiBr, LiI, LiNO3, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, 및 LiN(CF3CF2SO2)2에서 선택되는 하나 이상의 화합물등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 액체 전해질 내 전해질 염의 농도는 0.5 내지 3M 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
필요시 선택적으로, 액체 전해질은 할로겐 치환 또는 비치환된 환형 카보네이트계 화합물, 니트릴계 화합물, 포스페이트계 화합물, 보레이트계 화합물, 설페이트계 화합물, 설톤계 화합물, 리튬염계 화합물등과 같이 SEI(Solid Electrolyte Interface) 막 형성을 위한 첨가제등, 종래 액체 전해질에 통상적으로 사용되는 알려진 첨가제를 더 포함할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상술한 액체 전해질을 포함하는 이차전지를 포함한다. 구체적으로, 이차전지는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 상술한 이차전지용 액체 전해질을 포함할 수 있다. 이차전지는 리튬 이차 전지, 리튬-설퍼 전지, 나트륨 전지, 알루미늄 전지, 마그네슘 전지, 칼슘 전지, 아연 전지, 아연-공기 전지, 나트륨-공기 전지, 마그네슘-공기 전지, 칼슘-공기 전지등과 같이, 액체 전해질이 구비될 수 있으며 충방전 가능한 전지이면 무방하며, 본 발명은 이차전지의 구체 종류에 의해 한정되지 않는다.
양극, 분리막 및 음극 각각은 구체 이차전지 종류를 고려하여 해당 이차전지에서 통상적으로 사용하는 양극, 분리막 및 음극이면 족하다. 실질적인 일 예로, 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있으며, 리튬 이차전지는 리튬 이온전지 또는 리튬금속전지를 포함할 수 있다.
대표적인 이차전지인 리튬 이차전지를 일 예로, 양극은 리튬 이온의 가역적인 탈/삽입이 가능한 물질이면 무방하며, 일 예로, LiMO2(M은 Co 및 Ni에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 전이금속), LiαNixCoyMzO2(1≤α≤1.2인 실수, 0.2≤x≤0.9인 실수, 0.01≤y≤0.5인 실수, 0.01≤z≤0.5인 실수, x + y + z =1, M은 Mg, Sr, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo, W, B, Al, Fe, Cr, Mn 및 Ce로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 원소)등으로 대표되는 층상 구조의 리튬산화물이나 Li4Mn5O12등으로 대표되는 스피넬 구조의 리튬산화물; 또는 LiMPO4(M은 Fe, Co, Mn)등으로 대표되는 올리빈 구조의 리튬 포스페이트계 물질, 또는 이들의 혼합물등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
음극은 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장(Intercalation) 또는 방출(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장 또는 방출할 수 있는 물질의 예로, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물등을 들 수 있으며, 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질의 예로, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘등을 들 수 있다. 리튬 합금의 예로, 리튬(Li)과, 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금등을 들 수 있다.
알려진 바와 같이, 양극 또는 음극은 필요시 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플로라이드-트리클로로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌(PVdF-CTFE), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌-코-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈, 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌등과 같은 유기 바인더 및/또는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 탄소 섬유, 금속 섬유, 탄소 나노 튜브나 그래핀 등과 같은 도전재를 더 함유할 수 있음은 물론이다.
분리막은 리튬 이온등과 같은 활성 이온을 전도시키며 양극과 음극을 전기적으로 단락시킬 수 있는 절연성 미세 다공막이면 족하다. 분리막의 일 예로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐, 폴리메틸펜텐, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리에틸렌옥사이드 및 이들의 공중합체 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 다공막등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 양극/분리막/음극 및 액체 전해질의 전지 구성요소는 파우치나 각형 케이스등에 장입되어 밀폐된 상태일 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상술한 이차전지를 포함하는 이차전지 시스템을 포함한다. 본 발명에 따른 이차전지 시스템은 적어도 상술한 이차전지 및 이차전지에 자기장(외부 자기장)을 인가하는 자기장인가부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 시스템은 자기장인가부에 의해 이차전지에 인가되는 자기장에 의해 이차전지 내 액체 전해질에 함유된 이방성 자성 입자가 회전될 수 있다.
자기장인가부에 의한 외부 자기장 인가는 이차전지의 충전 중, 방전 중, 대기중(idle), 충방전 중, 또는 충방전과 대기 상태 중 인가될 수 있다. 자기장의 인가는 연속적 인가 또는 불연속적 인가를 포함할 수 있다. 연속적 인가는 외부 자기장이 충전 중, 방전 중, 대기중(idle), 충방전 중, 또는 충방전과 대기 상태 중 지속적으로 인가되는 경우를 의미하며, 불연속적 인가는 충전 중, 방전 중, 대기중(idle), 충방전 중, 또는 충방전과 대기 상태 중 기 설정된 시간과 간격으로 외부 자기장이 인가되는 경우를 의미할 수 있다. 실질적인 일 예로, 자기장인가부는 충전 중, 방전 중 또는 충방전 중 연속적으로 자기장을 이차전지에 인가할 수 있다.
자기장인가부에 의해 인가되는 자기장은 회전 자기장일 수 있다. 이에, 자기장 인가부는 회전 자기장을 발생시키는 통상의 구조를 가지면 족하다. 일 예로, 자기장인가부는 영구자석, 영구자석을 회전시키는 모터, 교류를 직류로 변환시켜 모터에 전달하는 컨버터, 모터의 회전 속도를 제어하는 제어부등을 포함할 수 있다.
자기장인가부에 의해 이차전지에 인가되는 회전 자기장의 회전속도는 100 내지 1500rpm, 구체적으로 100 내지 1000rpm, 보다 구체적으로 100 내지 500rpm 수준일 수 있다. 이때, 회전 자기장의 회전 속도는 액체 전해질 내 이방성 자성 입자의 회전 속도에 상응할 수 있으며, 상술한 회전 속도로 회전하는 이방성 자성 입자에 의해 생성되는 유동에 의해 활성 금속의 덴드라이트 형성이 대면적에서도 균일하게 억제될 수 있다. 인가되는 외부 자기장의 세기는 10 내지 800 mT 수준, 구체적으로 100 내지 600mT 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 이차전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은 a) 이방성 자성입자, 용매 및 전해질염을 혼합 및 교반하여 액체 전해질을 제조하는 단계; b) 양극, 분리막 및 음극이 적층된 전극 조립체를 전지 케이스의 내부 공간에 장입하고 액체 전해질을 주입한 후 전지 케이스를 밀봉하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 전지 케이스, 양극, 분리막, 음극, 용매, 전해질염 및 이방성 자성입자의 물질, 구조, 형상, 전해질염의 조성등은 앞서 이차전지에서 상술한 바와 유사 내지 동일하다. 이에, 이차전지의 제조방법은 이차전지에서 상술한 내용을 모두 포함한다.
일 구체예에서, 이차전지의 제조방법은 a) 단계 전, I) 이방성 자성입자를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. I) 단계는 이방성 자성체 코어에 절연성 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이방성 자성체 코어는 나노막대나 나노바 또는 나노와이어 형상의 자성체이거나, 자성 미립자가 일 방향으로 배열된 응집체 형상일 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 이방성 자성 입자의 표면 요철(굴곡) 형성 측면에서 자성체 코어는 자성 미립자의 응집체인 것이 유리하다. 자성 미립자의 응집체는 구형의 자성 미립자가 분산된 분산액에 외부 자기장을 인가하여 자기장 방향으로 자성 미립자들이 배열되도록 함으로써 제조될 수 있으며, 자기장이 인가된 상태에서 배열된 자성 미립자들을 감싸도록 절연성 코팅층을 형성함으로써, 자성 미립자가 일 방향으로 배열되어 이방성을 갖는 자성체 코어; 및 자성체 코어를 감싸는 절연성 코팅층;을 포함하는 이방성 자성 입자가 제조될 수 있다.
이때, 절연성 코팅층은 자성체 코어를 이루는 자성 미립자 각각을 감싸며 이와 동시에 자성 미립자가 일 방향으로 배열된 응집체의 표면을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 이는 자기장 인가에 의해 자성 미립자들을 배열하는 방법으로 자성체 코어의 길이를 제어하기 어려워, 자성체 코어에 절연성 코팅층을 형성한 후 절연성 코팅층이 형성된 자성체 코어에 초음파를 인가하여 절단함으로써, 이방성 자성 입자의 종횡비를 제어하는 것이 유리하기 때문이다. 이에, 절단된 후에도 자성체 코어가 표면으로 노출되는 것을 방지하기 위해, 자성 미립자 각각이 절연성 코팅층의 물질에 감싸이는 것이 좋다.
구체적으로, 이방성 자성 입자는, I1) 친수성으로 개질된 자성 미립자, 물 및 알코올을 함유하는 분산액에 코팅물질(무기물)의 전구체 및 염기성 물질을 투입하고 초음파를 인가하는 단계; I2) 초음파 인가를 중지하고 분산액에 자기장을 인가하고 일정시간 반응시켜 코팅물질(무기물)로 코팅된 자성 미립자가 일 방향으로 배열된 응집체가 다시 코팅물질(무기물)로 코팅된 제1이방성 자성입자를 제조하는 단계; I3) I2) 단계에서 제조된 제1이방성 자성입자에 초음파를 인가하여 제1이방성 자성입자를 절단함으로써, 제2이방성 자성입자를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. 이때, 제2이방성 자성입자가 앞서 전해액에 함유되는 이방성 자성입자에 해당될 수 있다.
자성 미립자는 통상 알려진 합성법에 의해 합성 직후 올레일 아민등의 소수성 작용기를 갖는 것이 통상적이다. 이에, 친수성으로 개질된 자성 미립자는 자성 미립자의 소수성 작용기를 덱스트란, 키토산, 시트르산등 친수성 작용기로 치환시킨 것일 수 있다.
알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 이들의 혼합물등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
분산액에 함유되는 자성 미립자 : 물의 질량비는 1 : 10 내지 20일 수 있으며, 물 : 알코올의 부피비는 1 : 5 내지 20일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
코팅물질의 전구체는 가수분해 반응과 응축반응에 기반한 졸-겔 반응에 의해 목적하는 무기물이 생성되는 것으로 알려진 어떠한 물질을 사용하여도 무방하다. 실리카를 코팅물질(무기물)로 한 일 예로, 코팅물질의 전구체는 실리콘 알콕사이드, 구체적으로는 테트라메틸 오르소실리케이트(TMOS), 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS), 테트라프로필 오르소실리케이트(TPOS) 또는 테트라부틸 오르소실리케이트(TBOS)등을 들 수 있으며, 티타니아를 코팅물질(무기물)로 한 일 예로, 코팅물질의 전구체는 지르코늄 아세테이트, 지르코닐 클로라이드 옥타히드레이트 , 지르코닐 니트레이트 히드레이트, 지르코늄(IV) tert-부톡사이드등을 들 수 있으며, 졸-겔을 이용한 무기 코팅층 형성은 구체 물질별로 당업자에게 기 주지된 것이다.
분산액에 투입되는 코팅물질의 전구체는 자성 미립자 100 중량부 기준 1 내지 10 중량부 수준일 수 있으나, 이는 분산액내 자성 미립자의 함량과 목적하는 코팅층의 두께를 고려하여 적절히 조절될 수 있음은 물론이다.
염기성 물질은 가수분해 반응 속도보다 응축반응 속도를 촉진시켜 치밀한 코팅층이 형성될 수 있도록 한다. 코팅물질(무기물)이 실리카인 경우, 염기성 물질의 대표적인 예로, 암모니아등을 들 수 있으나, 구체물질을 고려한 졸-겔 법에서 공지된 촉매를 사용하면 무방하다.
염기성 물질은 코팅물질의 전구체 대비 1 내지 10배, 구체적으로 3 내지 8배의 중량비로 분산액에 투입될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
I1) 단계는 자기장 인가에 의해 자성 미립자를 배열시키기 전, 자성 미립자를 무기물로 코팅하기 위한 단계이되, 1 내지 5nm 수준으로 얇고 균일하게 코팅하는 단계이다. 이를 위해, I1) 단계에서 초음파는 5 내지 20초 수준으로 짧게 인가될 수 있다. 이후, I2) 단계는 분산액에 외부 자기장을 인가하여 무기물로 코팅된 자성 미립자를 자기장 방향으로 일렬로 배열시킴과 동시에 일렬로 배열된 자성 미립자들의 응집체를 다시 무기물로 코팅하는 단계이다. 이때, 배열된 자성 미립자들에 물리적 충격을 주지 않고 치밀한 무기 코팅층이 형성될 수 있도록, 초음파 인가나 열을 인가하지 않되, 자기장은 지속적으로 인가되는 상태에서 가수분해 반응과 응축반응이 완료되도록 하여 무기 코팅층을 형성하는 것이 유리하다. I3) 단계는 매우 높은 종횡비로 합성된 I2)단계의 제1 이방성 자성 입자에 초음파를 인가하여 절단하는 단계이며, I3)단계는 I2)단계에서 합성된 제1이방성 자성 입자를 회수한 후 물에 재분산시키고 초음파를 인가하여 수행될 수 있으나, 액체 전해질 제조시 용매, 전해질염 및 제1 이방성 자성입자를 혼합한 후 초음파를 인가함으로써, 전해질이 제조됨과 동시에 제2 이방성 자성입자가 제조되도록 할 수도 있음은 물론이다.
(제조예)
이방성 자성 나노입자의 제조
시트르산(Citric acid) 리간드를 갖는 Fe3O4 나노입자(평균 직경 = 30nm)가 0.2mg/mL 농도로 분산된 수분산액 1mL와 중류수 2mL 및 1-프로판올(1-Propanol)을 20mL 바이알에 투입 및 혼합하였다. 이후 바이알에 암모니아 50μL와 TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 10μL를 첨가함과 동시에 10초간 초음파 인가(Sonication)를 수행하였다. 이후, 제조예에 따른 이방성 자성 나노입자 제조 공정을 도시한 모식도인 도 1과 같이 네오디뮴 자석을 이용하여 나노입자를 배열시키고 12시간 동안 방치하여 실리카 코팅층을 형성한 후 자석 방향으로 바이알 벽에 붙어있는 나노입자를 회수하고 에탄올로 3회 이상 세척하여 미세 막대 형태로 응집된 Fe3O4 미립자들의 코어에 실리카 코팅층이 형성된 이방성 자성 나노입자를 수득하였다. 제조된 이방성 자성 나노입자는 탈이온수에 분산시켜 보관하였다.
도 2는 외부 자기 교반기에 의해서 전해질 내 이방성 자성 나노입자가 미세대류를 발생시키는 것을 도식화 한 것으로, 전해질 내 미세 대류는 기존의 정적상태 전해질을 동적상태로 전환함으로써 1) 양이온의 이동도를 향상, 2) 양이온과 음이온 간의 상호작용 약화를 통한 농도 불균일 완화 및 금속 음극 덴드라이트 형성 억제를 유도한 모식도이다.
도 3은 이방성 자성 나노입자를 관찰한 투과전자현미경 사진을 도시한 도면이다. 제조된 이방성 자성 나노입자의 투과전자현미경 관찰을 통해 60nm 두께의 실리카 코팅층이 균일하게 형성된 것을 알 수 있으며 TEOS 주입양과 이후 치환반응 시간을 조절하여 코팅층 두께를 조절할 수 있다. 또한, 이방성 자성 나노입자의 자성체 코어가 Fe3O4 나노입자(미립자)가 일 방향으로 배열된 막대 형태의 응집체임을 알 수 있고, 실리카로 코팅된 후에도 이러한 자성체 미립자들에 의해 표면 요철(굴곡)을 가짐을 알 수 있다.
(실시예)
액체 전해질 제조
용매로 DOL:(Dioxolane) : DME(Dimethoxy ether)가 1 : 1 부피비로 혼합된 혼합용매를 사용하였으며, 혼합 용매에 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)를 1M 농도로 용해시키고 첨가제인 LiNO3를 전체 중량의 2중량%가 되도록 혼합하여 기본 전해질을 제조하였다. 이후 탈이온수에 분산된 이방성 자성 나노입자를 60 ℃에서 12시간동안 진공 건조한 후, 건조된 이방성 자성 나노입자와 기본 전해질을 혼합하고 10분 동안 초음파 인가를 수행하여 이차전지용 액체 전해질을 제조하였다. 이때, 액체 전해질내 이방성 자성 나노입자의 농도는 0.1 mg/mL이었으며, 초음파 인가에 의해 전해질 내 이방성 자성 나노입자를 물리적 절단하여, 도 4와 같이 이방성 자성 나노입자의 길이를 1.5~5.0μm 수준으로 조절하였다. 도 5는 제조된 액체 전해질을 관찰한 광학 사진으로, 기본 전해질 내 이방성 자성 나노입자가 균질하게 분산된 콜로이드 상의 전해질이 제조됨을 알 수 있다. 또한, 자기 교반 플레이트를 사용하여 제조된 액체 전해질의 자가 교반 능력을 관찰하였다. 전해질 자가 교반 특성은 육안으로 관찰 할 수 있었으며, 자기 교반 플레이트의 RPM 계기를 400~1400 rpm으로 조절함에 따라 전해액 색 변화 주기가 짧아지는 현상을 통해서 자성을 갖는 이방성 자성 나노입자가 분산된 액상 전해액의 자가교반 특성 유도를 확인하였다.
이차전지 제조
리튬 금속/구리 (Li||Cu) 반쪽 셀 (half cell)을 제작하고 전기화학적 성능을 테스트하였다.
코인셀 규격은 CR2032 채택하였으며, 리튬 금속 전지는 200 μm 두께 16 mm 지름을 갖는 Li 디스크를 상대/기준 전극으로 사용하고, 작동 전극(Working electrode)으로 10 μm 두께 19 mm 지름을 갖는 Cu 디스크를 사용하였다. 분리막으로 PE(Polyethylene) 미세다공막을 사용하였으며 전해액 양 효과를 배제하기 위해 충분한 전해액 양이 주입될 수 있도록 50 μm 두께 테프론(Teflon) 재질의 오링(O-ring , 내부 지름: 12.7 mm/외부 지름: 19 mm)을 추가 구성했다. 이에 따라, 주입된 전해액 양은 총 100 μL이었으며, 모든 코인형 전지는 Ar 분위기의 글러브박스 안에서 제작되었다. 전기화학 테스트를 진행하는 동안 자기장을 가하기 위해 자기 교반기를 사용하였다.
리튬 금속 전착에 따른 농도 구배의 국부적 형성, 리튬 이온 플럭스 (Li+ flux) 불균형 분포는 리튬 덴드라이트 형성을 가속화시키는 주 원인임을 감안, 이방성 자성 입자의 첨가를 통한 전지 내 전해액 자가교반특성에 의한 농도구배 완화 및 덴드라이트 성장 억제여부를 분석하였다. 비교를 위해 실시예에서 제조된 액체 전해질 대신 기준 전해질을 사용하여 동일하게 반쪽전지를 제조하였다. 이하의 설명이나 도면에서 기준 전해질을 이용하여 제조된 반쪽 전지를 기준 전지나 bare로 통칭하며, 이방성 자성 나노입자를 함유하는 전해질을 이용하여 제조된 반쪽 전지는 NRS 전지나 NRS로 통칭한다.
충방전기 (Landt, CT3001A)를 사용하여 전류밀도(0.5, 1.0, 3.0, 5.0 mA/cm2)에 따라, 제조된 기준 전지 및 NRS 전지 각각에 리튬 전착을 실시하였다. 이때, 구리 포일에 전착되는 리튬의 양은 1.0 mAh/cm2으로 고정하였고, 기준 전지 및 NRS 전지의 리튬 전착시 외부 자기 교반기(자기장 세기 490mT)의 RPM은 400rpm으로 고정하여 실험을 진행하였다. 이후 리튬이 도금된 구리 전극을 확보하여 주사전자현미경(Hitachi, S-4800) 관찰을 통해 덴드라이트 형상을 비교 분석하였다.
도 6에서 알 수 있듯이, 전해액이 이방성 자성 나노입자를 포함하는 경우 리튬 전착 시 과전압 감소하는 경향이 동일하게 관찰되었다. 또한, 이방성 자성 나노입자를 포함하지 않은 기준 전지(Bare)의 경우 전착 초반 강한 전압 피크(Peak)와 이후 전착과정에서의 과전압이 다시 상승하는 전압 프로파일을 확인 할 수 있다. 이는 리튬 핵-성장 모델에 따르면 리튬 핵 성장보다 추가적인 핵 생성으로 인한 과전압 상승으로 해석되며 전해질을 통한 이온의 확산이 제한되었을 경우에 주로 나타나는 현상으로 알려져 있다. 반면 실시예에서 제조된 NRS 전지의 경우에는 해당 과전압이 다시 상승하는 전압 프로파일이 관찰되지 않으며 선형으로 과전압이 감소하는데, 이는 향상된 이온의 확산에 의한 것으로 해석된다.
도 7은 기준전지 및 NRS 전지 각각에서, 전류밀도 별로 구리 디스크에 전착된 리튬을 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 리튬의 전착 형상을 관찰한 결과, 기준 전지(Bare)의 경우 덴드라이트 형상이 쉽게 관찰되었으며, 높은 전류 밀도하 전착에서는 빠른 핵 성장에 따라 면적당 핵 밀도가 높아진 것을 확인 할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 기준 전지는 불균일한 리튬의 전착과 여전히 높은 기공률을 보이고 있음을 확인하였다. 반면, 실시예 (NRS)의 경우, 전류 밀도의 변화와 무관하게 매우 컴팩트한 리튬 전착 형상을 관찰할 수 있으며, 리튬 덴드라이트 성장이 현저히 억제됨을 확인할 수 있다. 이는 앞선 전기화학적 결과와 동일하게 이방성 자성 나노입자를 통한 전해액 내 자가교반특성을 통해서 전해액 내 국부적인 이온 농도 구배 형성을 억제하고 이온 플럭스(Li+ flux) 균형 분포를 유도하여 리튬 전착 과정에서의 원활하고 균일한 이온 공급을 통해 덴드라이트 형성 및 성장이 억제된 것을 알 수 있다.
도 8은 0.5 mA/cm2 전류 밀도 조건에서 Bare과 NRS의 전착 리튬을 관찰한 저배율 주사전자현미경 사진 및 저배율 주사전자현미경 사진에서 붉은색 사각으로 도시된 부분을 확대 관찰한 사진 및 리튬이 전착된 구리 디스크의 단면을 관찰한 단면 사진이다. 이때, 상술한 바와 같이, 구리 디스크에 전착되는 리튬의 양은 1.0 mAh/cm2으로 고정되었다.
도 8에서 알 수 있듯이 NRS 전지의 경우 상당히 치밀한 막 형태로 리튬의 전착이 이루어짐을 알 수 전해액 측(돌출 방향)으로 성장이 억제됨과 동시에 표면의 면내 방향(in-plane)으로 성장이 촉진됨을 확인할 수 있다. 또한, Bare 대비 치밀한 리튬 전착이 이루어져 그 전착 두께가 평균 16.2μm(Bare)와 11.3μm(NRS)로, 현저하게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 기준 전지에 전착된 리튬층의 기공율은 65.7%였으며, NRS 전지에 전착된 리튬층의 기공율은 48.4%였다.
도 9는 기준전지와 NRS 전지의 충방전 사이클에 따른 쿨롱 효율 특성을 측정 도시한 도면이다. 충방전 사이클 테스트시 전류밀도는 1.0 mA/cm2으로 고정하였고, 전착 용량 또한 1.0 mAh/cm2으로 고정하였으며, 리튬의 용출은 전압이 1.0 V (vs. Li/Li+) 도달 시 종료하였다. 이때 전착 용량 대비 리튬 용출 용량을 계산하여 쿨롱 효율을 도출하고 사이클 횟수에 따른 초기 쿨롱 효율 유지 특성을 비교하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 기준 전해질이 사용된 기준전지의 경우 57 사이클 이후 쿨롱효율이 급격히 감소하는 반면, 실시예 (NRS)의 경우 90 사이클까지 96.8% 쿨롱효율을 유지하는 것으로 확인 되었다. 즉, 자성 나노입자를 이용한 전해액내 미세 대류 발생에 의해 리튬 덴드라이트의 성장이 억제됨에 따라, 리튬의 전착/용출 사이클 가역성도 개선될 수 있음을 확인하였다. 리튬 전착시의 덴드라이트 성장은 전해액과 반응면적을 넓히는 경향이 있어, 전해액과의 부반응을 가속화 시키고 가역 특성을 저해하는데 주 원인이다. 이를 감안 할 때, 덴드라이트 성장이 가속화된 Bare에서는 전해액과의 부반응 촉진으로 인한 전극표면 퇴화와 용출과정에서 전기적으로 단락된 리튬(electrically isolated Li filament, "Dead" Li)이 형성됨에 따라 리튬 활용률이 점차 감소하여 쿨롱 효율의 저하가 발생한 것으로 해석된다. 반면, 실시예 (NRS)의 경우 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제함에 따라 전해액 부반응과 단락된 Li 형성이 억제되며 연장된 사이클에서도 높은 쿨롱 효율을 유지할 수 있었던 것으로 해석된다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 용매; 전해질염; 및 이방성 자성 입자;를 포함하는 이차전지용 액체 전해질.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이방성 자성입자는 외부 회전 자기장 인가시 상기 액체 전해질 내에서 회전하는 이차전지용 액체 전해질.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이방성 자성 입자는 이방성의 자성체 코어 및 상기 코어를 감싸는 절연성 코팅층을 포함하는 이차전지용 액체 전해질.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이방성 자성 입자의 장축 길이를 단축 길이로 나눈 종횡비(aspect ratio)는 2 내지 50인 이차전지용 액체 전해질.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이방성 자성 입자의 평균 단축 길이는 20 내지 300nm인 이차전지용 액체 전해질.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 전해질은 0.01 내지 1.0mg/mL 농도로 상기 이방성 자성 입자를 함유하는 이차전지용 액체 전해질.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 자성체 코어의 자성체는 Fe3O4, Fe2O4, MnFe2O4 및 ZnFe2O4에서 하나 이상 선택되는 이차전지용 액체 전해질.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 자성체 코어는 자성 미립자가 일 방향으로 배열된 응집체인 이차전지용 액체 전해질.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 절연성 코팅층은 산화물, 질화물 또는 산질화물의 무기물인 이차전지용 액체 전해질.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 전해질은 콜로이드인 이차전지용 액체 전해질.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 아민계 및 포스핀계 용매에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 비수계 용매인 이차전지용 액체 전해질.
  12. 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 액체 전해질을 포함하는 이차전지.
  13. 제 12항에 따른 이차전지; 및 상기 이차전지에 자기장을 인가하는 자기장인가부;를 포함하는 이자전지 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 자기장인가부는 상기 이차전지에 회전 자기장을 인가하는 이자전지 시스템.
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