WO2013002504A2 - 신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a novel polymer electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same. More particularly, the present invention relates to a multilayer of a first polymer layer providing mechanical rigidity against external force and a second polymer layer securing a conductive path of lithium ions. Structure, wherein the first polymer layer contains 0 to 60% by weight of the organic electrolyte solution containing the ionic salt, based on the weight of the polymer matrix of the first polymer layer, and the second polymer layer is the ionic salt.
  • the present invention relates to a polymer electrolyte and a lithium secondary battery comprising the same, containing an organic electrolyte solution containing 60 to 400 wt% based on the weight of the polymer matrix of the second polymer layer.
  • Secondary batteries are mainly used as such power storage devices.
  • secondary batteries especially lithium secondary batteries, they are mainly used in portable devices, and the demand for light weight, high voltage, and capacity is increasing. Its use area has been expanded greatly for electric vehicles, power auxiliary power supply through gridization, and the like.
  • Ni-based materials or Mn-based materials having higher capacities than LiCoO 2 used in the past are being studied.
  • a negative electrode, Si, Sn, etc. are used instead of graphite Li alloys, rather than intercalation reactions, are typically studied.
  • stable olivine-based positive electrode active materials such as LiFePO 4 or negative electrode active materials such as Li 4 Ti 5 O 12 have been studied.
  • a material for improving safety has a fundamentally low energy density, and also does not fundamentally solve the safety problem that appears in the structure of a lithium secondary battery.
  • the safety of a secondary battery can be largely classified into internal safety and external safety, and, if broken down, can be classified into electrical safety, impact safety, and thermal safety.
  • These various safety problems are commonly accompanied by a rise in temperature when a problem occurs, in this case, the shrinkage of the stretch membrane commonly used inevitably occurs.
  • the electrode active material currently used is in the form of a solid, and when using a solid electrolyte or a polymer electrolyte, the contact surface with the active material for lithium migration becomes very small. As a result, even if the conductivity of the solid electrolyte or the polymer electrolyte itself has the current liquid electrolyte level of 10 ⁇ 5 S / cm, the ion conductivity is very low.
  • a binding force is important, and even in the case of a solid electrolyte having high conductivity, a polymer binder is indispensable, and thus ionic conductivity is further lowered.
  • ionic conductivity is not merely required for the separation layer.
  • a material capable of improving the ionic conductivity is also required in the positive electrode and the negative electrode active material, and when a solid electrolyte or a polymer electrolyte is included as an electrode component, a problem of reducing capacity occurs.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application after in-depth study and various experiments, vary the weight ratio of the organic electrolyte solution containing the ionic salt to the weight of the polymer matrix of the polymer layer. It has been found that the conductivity can be properly adjusted, and the present invention has been completed.
  • an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte having a multilayer structure capable of securing flexibility and mechanical strength and excellent ion conductivity and a lithium secondary battery including the same.
  • the polymer electrolyte according to the present invention has a multilayer structure of a first polymer layer providing mechanical rigidity against external force and a second polymer layer securing a conductive path of lithium ions, wherein the first polymer layer is ionic.
  • the organic electrolyte solution containing the salt is contained in an amount of 0 to 60% by weight based on the weight of the polymer matrix of the first polymer layer, and the second polymer layer comprises the organic electrolyte solution containing the ionic salt in the polymer of the second polymer layer. It consists of a composition containing 60 to 400% by weight relative to the weight of the matrix.
  • the polymer electrolyte according to the present invention has a multilayer structure of a first polymer layer providing excellent flexibility and mechanical strength, and a second polymer layer securing a conduction path of lithium ions in the battery as the organic electrolyte present therein diffuses to the electrode. This prevents internal short circuits caused by externally acting forces and exhibits excellent ion conductivity.
  • the first polymer layer provides excellent flexibility and mechanical strength to prevent internal short circuit caused by externally acting force
  • the second polymer layer has lithium in the battery as the organic electrolyte present therein diffuses to the electrode. It provides excellent ion conductivity by securing the conduction path of ions.
  • the first polymer layer also provides a predetermined lithium ion conduction path
  • the second polymer layer also provides a predetermined mechanical rigidity
  • the first polymer layer of the polymer electrolyte according to the present invention contains an organic electrolyte solution containing an ionic salt in an amount of 0 to 60% by weight based on the weight of the polymer matrix of the first polymer layer, and the second polymer layer is an ion It consists of a composition containing 60 to 400% by weight of the organic electrolyte solution containing a salt to the weight of the polymer matrix of the second polymer layer.
  • the content of the organic electrolyte in the second polymer layer is 60% by weight or more, the ion conductivity may be increased, but since the self-support of the gel is lost and becomes a fluid, it is not preferable because the elastic modulus is lowered and the mechanical properties are lowered. When it is 400 weight% or more, since organic electrolyte may leak, it is not preferable.
  • the first polymer layer may contain an organic electrolyte solution containing an ionic salt in an amount of 0 to 60% by weight, and preferably 0.1 to 60% by weight, based on the weight of the polymer matrix of the first polymer layer. have.
  • the first polymer layer is a generic expression of a polymer layer providing mechanical rigidity to external force
  • the second polymer layer is a generic expression of a polymer layer securing a conductive path of lithium ions, and thus, the present invention.
  • the polymer electrolyte according to the present invention has a multilayer structure including the first polymer layer and the second polymer layer, and is not limited to a two-layer structure consisting of only the first and second polymer layers.
  • the polymer electrolyte has a structure in which a first polymer layer is stacked on an upper surface and / or a lower surface of a second polymer layer in contact with one of an anode or a cathode, or an anode or It may have a structure in which the second polymer layer is stacked on the upper and / or lower surface of the first polymer layer contacting any one of the electrodes.
  • the organic electrolyte solution is not particularly limited, but may be an organic electrolyte solution including an ionic salt.
  • the ionic salt may for example be a lithium salt, the lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 Nli, may be one or more selected from the group consisting of lithium chloroborane, lower aliphatic carbonate and lithium tetraphenylborate, but are limited to these It is not.
  • the organic electrolyte is selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, gamma butyrolactone, sulfolane, methyl acetate and methyl propionate. It may be one or more, but is not limited to these.
  • the viscoelastic structure obtained in the composition as described above may be made of a structure in which independent gels made of crosslinked polymers are physically interconnected by linear polymers in a state where a liquid component is impregnated.
  • independent gels composed of the crosslinked polymers each form a crosslinking point, and are physically interconnected by linear polymers, thereby forming a kind of network, whereby the liquid component may be impregnated with a high content.
  • the linear polymers may have a physical connection structure, for example, in a shape of a part thereof penetrating the gel of the crosslinked polymers.
  • a structure is more preferable for formation of the network structure described above, and the portion of the linear polymer penetrated into the gel of the crosslinked polymer is preferably less than 50%, more preferably 5 to 45% based on the total size of the linear polymer. It may be in the range of.
  • the polymer chain since the polymer chain has an appropriate fluidity due to the linear polymer, it may have high ionic conductivity, and the crosslinked polymer forms a crosslinking point in the matrix and the linear polymer interconnects it. Since it can have elasticity can exhibit excellent mechanical properties.
  • the polymer layers according to the present invention are made of the above-described viscoelastic structure, ion conductivity of 10 ⁇ 5 S / cm to 10 ⁇ 3 S / cm, tensile strength of 1 MPa to 100 MPa, and elongation of 20% to 500% Can have
  • the polymer layer has a tensile strength of 0.1 MPa or less when having an ion conductivity of 10 ⁇ 3 S / cm, and thus the polymer layer according to the present invention satisfies both flexibility and mechanical stiffness at the same time and improves ion conductivity.
  • the ratio of the linear polymer and the crosslinked polymer is not particularly limited as long as it is a ratio capable of forming a viscoelastic structure, but may be 1: 9 to 8: 2 by weight.
  • the ratio of the linear polymer and the crosslinked polymer is more preferably 3: 7 to 7: 3 by weight.
  • the linear polymer constituting the polymer matrix is not limited in kind, but may be one or more selected from the group consisting of polyoxide-based non-crosslinked polymers and polar non-crosslinked polymers.
  • the polymer matrix may include both a polyoxide-based noncrosslinked polymer and a polar noncrosslinked polymer.
  • Non-limiting examples of the polyoxide-based non-crosslinked polymer may be at least one selected from the group consisting of Poly (ethylene oxide), Poly (propylene oxide), Poly (oxymethylene) and Poly (dimethylsiloxane).
  • Non-limiting examples of the polar non-crosslinked polymer include Polyacrylonitrile, Poly (methyl methacrylate), Poly (vinyl chloride), Poly (vinylidene fluoride), Poly (vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene), Poly (ethylene imine) and Poly (p-phenylene terephthalamide) and one or more selected from the group consisting of.
  • the crosslinked polymer constituting the polymer matrix may be a polymer of a monomer having two or more functional groups, or a copolymer of a monomer having two or more functional groups and a polar monomer having one functional group.
  • the monomer having two or more functional groups is not particularly limited in kind, but is preferably trimethylolpropane ethoxylate triacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, Polyethylene glycol diacrylate, divinylbenzene, polyester dimethacrylate, divinyl ether, trimethylolpropane, trimethylolpropane trimethacrylate, and ethoxy It may be one or more selected from the group consisting of ethoxylated bis phenol A dimethacrylate.
  • the polar monomer having one functional group is not particularly limited in its kind, but preferably methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, methyl acrylate, butyl acrylate, ethylene glycol methyl ether acryl Ethylene glycol methyl ether methacrylate, acrylonitrile, vinyl acetate, vinyl chloride, and vinyl fluoride.
  • first and the second polymer layer may each further comprise a solid component that provides mechanical rigidity, wherein the solid component is 5 to 5 based on the weight of the first polymer matrix or the second polymer matrix, respectively 80 wt%.
  • the solid phase component When the solid phase component is included in less than 5% by weight based on the weight of the polymer matrix, the effect of supporting the polymer layer, for example, the mechanical strength of the polymer layer may be insufficient, contained in more than 80% by weight In this case, the ion conductivity is lowered, which deteriorates the performance of the battery and may be brittle in the charging and discharging process due to the rigid characteristics.
  • the solid phase component is more preferably contained in 20 to 50% by weight based on the weight of the polymer matrix.
  • the content of the solid phase component can of course be adjusted according to the desired mechanical rigidity.
  • the solid component is a solid compound that is not reactive with lithium ions, and preferably, may be solid particles having an average particle diameter of 10 nm to 5 ⁇ m. If the average particle diameter of the solid phase component is too small, it may be present in an aggregated form, and the support of the separation layer may not be properly performed. On the contrary, if the average particle diameter is too large, the thickness of the separation layer may be thicker than necessary, which is not preferable. For the same reason as above, the average particle diameter of the solid phase component is more preferably 50 nm to 200 nm.
  • the solid compound may be one or more selected from the group consisting of oxides, nitrides and carbides which are not reactive with lithium ions, but are not limited thereto.
  • the oxide which is not reactive with the lithium ion is not particularly limited in kind, but may be one or more selected from the group consisting of MgO, TiO 2 (Rutile) and Al 2 O 3 .
  • the first polymer layer is preferably 10% to 100% of the thickness of the second polymer layer. Since the first polymer layer secures mechanical stiffness, it is obvious that the thicker the thickness of the first polymer layer is, the higher the thickness of the first polymer layer is, thereby increasing the overall size of the lithium secondary battery. It is not preferable because the internal resistance increases by the thickness.
  • the mechanical rigidity can be maintained and the thickness thereof can be made thin, and the first polymer layer is the thickness of the second polymer layer. It is more preferable that it is 50% to 100%.
  • the thickness of the first polymer layer is less than 50% of the thickness of the second polymer layer, it may be difficult to secure the desired ionic conductivity and mechanical strength against external forces, and if it is more than 100%, the thickness of the first polymer layer is thicker than the thickness of the second polymer layer. This is not preferable because the internal resistance increases.
  • the present invention also provides an electrode assembly comprising the polymer electrolyte positioned between the positive electrode, the negative electrode, the positive electrode and the negative electrode.
  • the positive electrode is produced by applying and drying a slurry prepared by, for example, adding a positive electrode mixture containing a positive electrode active material to a solvent such as NMP on a positive electrode current collector.
  • the binder may further include a binder, a conductive material, a filler, a viscosity modifier, and an adhesion promoter.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can be used.
  • the positive electrode current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming minute unevenness on the surface thereof, as in the negative electrode current collector, and may be used in various forms such as film, sheet, foil, net, porous body, foam, and nonwoven fabric. Form is possible.
  • the cathode active material is a material capable of causing an electrochemical reaction, and is a lithium transition metal oxide, and includes two or more transition metals, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium substituted with one or more transition metals.
  • LiCoO 2 lithium cobalt oxide
  • binder examples include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), cellulose, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose Rhodes, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers, high polymer polymerized poly Vinyl alcohol, and the like.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM s
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • graphite Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and summer black
  • Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers
  • Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder
  • Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate
  • Conductive metal oxides such as titanium oxide
  • Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • Specific examples of commercially available conductive materials include Chevron Chemical Company, Denka Singapore Private Limited, Gulf Oil Company, Ketjenblack and EC, which are acetylene black series. Family (Armak Company), Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Company) and Super P (manufactured by Timcal).
  • the filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the viscosity modifier is a component for adjusting the viscosity of the electrode mixture to facilitate the mixing process of the electrode mixture and the coating process on the current collector thereof, it may be added up to 30% by weight based on the total weight of the negative electrode mixture.
  • examples of such viscosity modifiers include, but are not limited to, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, and the like.
  • the solvent described above can serve as a viscosity modifier.
  • the adhesion promoter is an auxiliary component added to improve the adhesion of the active material to the current collector, it may be added in less than 10% by weight compared to the binder, for example, oxalic acid (oxalic acid), adipic acid (adipic acid), Formic acid, acrylic acid derivatives, itaconic acid derivatives, and the like.
  • the negative electrode is prepared by, for example, applying and drying a slurry prepared by adding a negative electrode mixture including a negative electrode active material to a solvent such as NMP on a negative electrode current collector, and optionally, a binder, a conductive material, It may further include other components described in connection with the configuration of the positive electrode, such as filler, viscosity regulator, and adhesion promoter.
  • the negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the negative electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • carbon and graphite materials such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, and activated carbon; Metals such as Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pt, Ti which can be alloyed with lithium, and compounds containing these elements; Composites of metals and compounds thereof with carbon and graphite materials; Lithium-containing nitrides; and the like.
  • a carbon-based active material, tin-based active material, silicon-based active material, or silicon-carbon-based active material is more preferable, and these may be used alone or in combination of two or more.
  • the moment when the risk is maximized inside the secondary battery is a state of charge with increased energy, and a short circuit situation that may occur due to shrinkage of the separator in the state of charge includes (1) a charged positive electrode and a charged negative electrode, ( 2) the charged positive electrode and the negative electrode current collector, (3) the negative electrode current collector and the positive electrode current collector, and (4) the positive electrode current collector and the charged negative electrode.
  • the electrode assembly according to the present invention does not shrink the polymer matrix and the solid phase components at a high temperature, it is possible to prevent the occurrence of events such as explosions as in the above experiment, it is excellent in high temperature safety.
  • the liquid component is partially introduced into the electrode in the manufacturing process of the electrode assembly, for example, the lamination process, the liquid component is impregnated to improve the ion conductivity of the electrode, thereby improving performance of the battery.
  • the electrode assembly of the present invention may be defined as containing or embedding some organic electrolyte solution derived from the polymer electrolyte in relation to the state of the organic electrolyte solution.
  • the amount of the organic electrolyte derived from the polymer electrolyte and included in the electrode is not particularly limited, and may be, for example, 10 to 90% based on the total amount of the organic electrolyte contained in the entire electrode assembly.
  • the polymer electrolyte is composed of a polymer matrix in which a linear polymer and a crosslinked polymer form a viscoelastic structure in a state in which an organic electrolyte solution and, in some cases, a solid phase component are incorporated therein, so that charging and discharging of the battery proceeds.
  • the volume expansion and contraction of the electrode is continuously repeated, but the viscoelastic structure can cancel the volume change, thereby providing excellent durability and thus improving cycle characteristics.
  • the present invention also provides a lithium secondary battery comprising the electrode assembly.
  • the lithium secondary battery may include the electrode assembly and optionally a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte.
  • the lithium secondary battery does not include a separate lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, or may contain only a small amount.
  • the present invention also provides a medium-large battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the battery module.
  • the battery pack may be used in a variety of medium-large and large devices that require high rate characteristics and high temperature safety, for example, a power tool that is driven by an electric motor; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; It may be used as a power source such as an electric golf cart, and may be used for a power storage system, but is not limited thereto.
  • a power tool that is driven by an electric motor
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)
  • Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters
  • It may be used as a power source such as an electric golf cart, and may be used for a power storage system, but is not limited thereto.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an electrode assembly comprising a polymer electrolyte of a multi-layer structure according to the present invention
  • FIG. 3 is a graph measuring cycle life characteristics of a specific embodiment according to the present invention.
  • the electrolyte membrane After preparing the electrolyte membrane by casting the mixture of the prepared first polymer layer on a glass plate and evaporating acetone, the mixture of the prepared second polymer layer is cast on the first polymer layer and the acetone is evaporated to make the first polymer layer and the second polymer layer.
  • a polymer electrolyte membrane was prepared.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a polymer electrolyte 130 having a multilayer structure according to the present invention.
  • the multilayer polymer electrolyte 130 has a two-layer structure, and includes a first polymer layer 131 that provides mechanical rigidity against external force and a second polymer layer 132 that secures a conductive path of lithium ions. . As shown by the arrow, it can be seen that the organic electrolyte contained in the first polymer layer 131 and the second polymer layer 132 diffuses into the positive electrode and the negative electrode.
  • An electrolyte membrane was prepared by casting a mixture of the first polymer layer of Example 1 on a glass plate to evaporate acetone.
  • An electrolyte membrane was prepared by casting a mixture of the second polymer layer of Example 1 on a glass plate to evaporate acetone.
  • Example 1 Tensile strength and ionic conductivity of Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 were measured, and the results are shown in Table 1.
  • Comparative Example 1 shows poor mechanical conductivity while showing excellent mechanical properties
  • Comparative Example 2 shows excellent ion conductivity while showing a weak mechanical strength.
  • Example 1 has improved ion conductivity and mechanical rigidity at the same time compared to Comparative Examples 1 to 2.
  • the electrode assembly 100 includes a positive electrode 110, a negative electrode 120, and a polymer electrolyte 130 having a multilayer structure. Specifically, a polymer electrolyte 130 having a multilayer structure is interposed between the anode 110 and the cathode 120.
  • LiCoO 2 , PVdF, and carbon black were added to N-methylpyrrolidone to prepare a slurry, and then coated on copper foil and dried at about 130 ° C. for 2 hours to prepare a positive electrode.
  • a second polymer layer was coated to form a multilayer polymer electrolyte layer.
  • a half cell was manufactured using Li metal as a positive electrode and a counter electrode coated with the prepared polymer electrolyte.
  • the cell of Example 2 has an increased cell resistance compared to the cell in Comparative Example 3 with the liquid electrolyte, but similar to Comparative Example 3 in which the liquid electrolyte is used, excellent capacity implementation rate and charge It can be confirmed that the discharge characteristics are exhibited. In addition, it can be seen that there is no capacity drop during 15 charge / discharge processes. That is, it can be confirmed that the battery of Example 2 exhibits excellent cycle characteristics.
  • the polymer electrolyte according to the present invention has a first polymer layer providing excellent flexibility and mechanical strength, and a second electrode for securing a conductive path of lithium ions in the battery as the organic electrolyte present therein diffuses to the electrode. Since the multilayered structure of the polymer layer prevents internal short circuit due to externally acting force, it has an effect of exhibiting excellent ion conductivity.
  • the lithium secondary battery according to the present invention has an effect of minimizing electrode deterioration due to uneven penetration of the electrolyte, which is the biggest problem that appears in the feces as the electrolyte is uniformly wetting the electrode.
  • the lithium secondary battery according to the present invention is composed of a polymer matrix in which a linear polymer and a crosslinked polymer form a viscoelastic structure in a state where a polymer electrolyte contains an organic electrolyte and, in some cases, a solid phase component, thereby preventing charge and discharge of the battery. While the volume expansion and contraction of the electrode is continuously repeated during the process, the viscoelastic structure can cancel the volume change, thereby having excellent durability and thus improving cycle characteristics.

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Abstract

본 발명은 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자 층과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층의 다층 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0 내지 60 중량%로 함유하고 있고, 상기 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60 내지 400 중량%로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
본 발명은 신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자 층과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층의 다층 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0 내지 60 중량%로 함유하고 있고, 상기 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60 내지 400 중량%로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경 오염의 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다. 이러한 전력 저장 장치로는 이차전지가 주로 사용되고 있고, 이차전지 중에서도 특히 리튬 이차전지의 경우, 휴대용 기기에 주로 사용되기 시작하여 경량, 높은 전압 및 용량으로 인한 수요가 증가하여, 현재는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차용, 그리드(grid)화를 통한 전력 보조전원 등으로 그 사용 영역이 크게 확대되고 있다.
그러나, 대용량 전원으로 리튬 이차전지를 사용하기 위해 해결해야 할 많은 과제들이 남아 있으며, 그 중 가장 중요한 과제는 에너지 밀도 향상과 안전성의 증대라 할 수 있다. 또한, 대면적화로 인한 wetting의 균일화 및 공정 시간의 단축 또한 해결해야 할 가장 중요한 과제이다. 이에 많은 연구자들이 에너지 밀도를 향상시키면서 저비용을 충족시킬 수 있는 재료의 연구에 박차를 가하고 있으며, 또한 안전성을 향상시키기 위한 재료의 연구에도 노력을 기하고 있다.
에너지 밀도 향상을 위한 재료로는 기존에 사용하던 LiCoO2보다 높은 용량을 가지는 Ni계 물질 또는 Mn계 물질 등이 대표적으로 연구되고 있으며, 음극으로는 기존의 흑연계에서 벗어나 Si, Sn 등을 이용한 기존의 intercalation 반응이 아닌 Li alloy 반응에 의한 재료가 대표적으로 연구되고 있다.
안전성을 향상시키기는 측면에서는, LiFePO4와 같은 안정한 올리빈계 양극 활물질 또는 Li4Ti5O12와 같은 음극 활물질 등이 연구되고 있다. 그러나, 안전성을 향상시키기 위한 이러한 재료는 근본적으로 낮은 에너지 밀도를 가지게 되고, 또한 리튬 이차전지의 구조상 나타나는 안전성의 문제를 근본적으로 해결해 주지는 못하는 실정이다.
이차전지의 안전성은 내적 안전성(internal safety)과 외적 안전성(external safety)으로 크게 구별할 수 있고, 세분화하면 electrical safety, impact safety, thermal safety 등으로 구별할 수 있다. 이러한 다양한 안전성 문제들은 공통적으로 문제 발생시 온도 상승을 수반하게 되고, 이 경우 일반적으로 사용하는 연신 분리막의 수축이 필연적으로 일어나게 된다.
이에 많은 연구자들이 안전성의 문제를 개선하기 위해서 all solid 형태의 전지를 제안하고 있으나, 실제 상용화된 전지를 대체하기에는 여러 가지 문제점을 내포하고 있다.
첫째, 현재 사용하고 있는 전극 활물질은 고체 형태를 이루고 있으며, 또한 고체 전해질 또는 폴리머 전해질을 사용할 경우 리튬 이동을 위한 활물질과의 접촉면이 매우 적어지게 된다. 그 결과, 고체 전해질 또는 폴리머 전해질 자체의 전도도가 현재 액체 전해질 수준인 10-5 S/cm를 가진다 하더라도 그 이온 전도도는 매우 낮아지는 문제점을 가지게 된다.
둘째, 상기와 같은 이유로 고체와 고체의 계면, 또는 고체와 폴리머의 계면에서 일어나는 이온 전도도는 더욱 낮아질 수 밖에 없다.
셋째, 전지로 구성하기 위해서는 결착력이 중요하고, 전도도가 높은 고체 전해질의 경우에도 폴리머 바인더가 필수적으로 요구되고, 이로 인하여 이온 전도도는 더욱 낮아지게 된다.
넷째, 전지를 구성하기 위해서는 단순히 이온 전도도가 분리층에만 필요한 것이 아니다. 전극의 이온 전도도를 향상시키기 위해서는 양극 및 음극 활물질에도 이온 전도도를 향상시켜 줄 수 있는 물질이 필요하고, 고체 전해질 또는 폴리머 전해질이 전극 성분으로 포함되는 경우 용량이 감소하는 문제가 발생하게 된다.
다섯째, 유기 전해액을 포함하는 폴리머 전해질의 경우, 유기용매의 함량에 따라 기계적 물성과 이온 전도도가 서로 상반관계에 있으므로, 이온 전도도를 증가시키기 위해 유기 전해액의 양을 증가시키면, 폴리머 전해질 층의 기계적 물성이 매우 열악해지는 문제점이 초래된다.
따라서, 분리막 수축에 의한 단락을 방지하고 전기적 성능이 우수한 전지의 구조에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량에 대하여 이온성 염을 포함하는 유기 전해액의 중량비를 달리함에 따라 상반관계에 있는 고분자 층의 기계적 물성과 이온전도성을 적절히 조절할 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 유연성 및 기계적 강도의 확보가 가능하며 이온전도성이 우수한 다층 구조의 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 폴리머 전해질은 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자 층과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층의 다층 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0 내지 60 중량%로 함유하고 있고, 상기 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60 내지 400 중량%로 함유하는 구성으로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 폴리머 전해질은 우수한 유연성 및 기계적 강도를 제공하는 제 1 고분자 층, 및 내부에 존재하는 유기 전해액이 전극으로 확산됨에 따라 전지 내의 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층의 다층 구조이므로, 외부에서 작용하는 힘에 의한 내부 단락을 방지하는 동시에 우수한 이온전도성을 발휘한다.
즉, 상기 제 1 고분자 층은 우수한 유연성 및 기계적 강도를 제공함으로써 외부에서 작용하는 힘에 의한 내부 단락을 방지하고, 상기 제 2 고분자 층은 내부에 존재하는 유기 전해액이 전극으로 확산됨에 따라 전지 내의 리튬 이온의 전도 경로를 확보함으로써 우수한 이온전도성을 제공한다.
상기와 같은 고분자 층들의 작용은 당해 고분자 층의 주요 기능을 의미하는 것이므로, 제 1 고분자 층 역시 소정의 리튬 이온 전도 경로를 제공하고, 제 2 고분자 층 역시 소정의 기계적 강성을 제공함은 물론이다.
그러나, 폴리머 전해질의 기계적 물성과 이온 전도도는 서로 상반관계에 있으므로, 하나의 고분자 층에서 두 가지 성질을 동시에 만족시키는 데에는 한계가 있음은 전술한 바와 같다.
따라서, 본 발명에 따른 고분자 전해질의 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0 내지 60 중량%로 함유하고 있고, 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60 내지 400 중량%로 함유하는 구성으로 이루어져 있다.
한편, 제 2 고분자 층에서 유기 전해액의 함량이 60 중량% 이상인 경우에는, 이온 전도성은 증대될 수 있지만 겔의 자립성이 없어져 유동체로 되어 버리므로, 탄성률이 저하되어 기계적 물성이 저하되므로 바람직하지 않고, 400 중량% 이상인 경우에는, 유기 전해액이 누액될 수 있으므로 바람직하지 않다.
따라서, 상기 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0 내지 60 중량%로 함유하고 있고, 바람직하게는 0.1 내지 60 중량%로 함유할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 제 1 고분자 층은 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 고분자 층을 총칭하여 표현한 것이고, 상기 제 2 고분자 층은 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 고분자 층을 총칭하여 표현한 것이므로, 본 발명에 따른 폴리머 전해질은 상기 제 1 고분자 층 및 제 2 고분자 층을 포함하는 다층 구조이며, 단순히 제 1 및 제 2 고분자 층으로 이루어진 2층 구조에 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명에 따른 바람직한 하나의 실시예에서 상기 폴리머 전해질은 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극에 접하는 제 2 고분자 층의 상면 및/또는 하면에 제 1 고분자 층이 적층되어 있는 구조, 또는 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극에 접하는 제 1 고분자 층의 상면 및/또는 하면에 제 2 고분자 층이 적층되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 유기 전해액은 전극에 일부 유입되어 전극의 이온 전도도를 높일 수 있는 것이면 그 구성에 있어 별도의 제한은 없지만, 바람직하게는 이온성 염을 포함하는 유기 전해액일 수 있다.
상기 이온성 염은 예를 들어 리튬염일 수 있고, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2Nli, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 4페닐붕산리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 전해액은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 감마부티로락톤, 설포레인, 메틸아세테이트 및 메틸프로피오네이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 고분자 층 및 제 2 고분자 층은, 이온성 염을 포함하고, 전극조립체의 제작 과정에서 분리층으로부터 전극으로 일부 유입되어 전극의 이온 전도도를 향상시키는 유기 전해액; 및 상기 유기 전해액에 대해 친화성을 가지며 양극과 음극에 대한 결착력을 제공하는 선형 고분자, 삼차원적 네트워크 구조를 가지는 가교 고분자 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 폴리머 매트릭스; 를 포함하는 2상(two-phase)으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 조성에서 얻어지는 점탄성 구조체는 액상 성분이 함침된 상태에서 가교 고분자로 이루어진 독립된 겔(gel)들이 선형 고분자들에 의해 물리적으로 상호 연결된 구조로 이루어진 것일 수 있다.
즉, 상기 가교 고분자로 이루어진 독립된 겔들이 각각 가교 포인트를 형성하고, 선형 고분자들에 의해 물리적으로 상호 연결됨으로써, 일종의 네트워크를 형성할 수 있고, 이로 인하여 액상 성분이 높은 함량으로 함침될 수 있다.
상기 선형 고분자들은, 예를 들어, 그것의 일부가 가교 고분자들의 겔에 침투한 형상으로 물리적 연결 구조를 이루고 있을 수 있다. 이러한 구조는 상기에서 설명한 네트워크 구조의 형성을 위해 더욱 바람직하며, 가교 고분자의 겔에 침투한 선형 고분자의 부위는 선형 고분자 전체 크기를 기준으로 바람직하게는 50% 미만, 더욱 바람직하게는 5 내지 45%의 범위일 수 있다.
일반적으로 하나의 가교 구조체로 구성된 가교도가 높은 막의 경우, 이온의 이동에 영향을 주는 고분자 사슬(polymer chain)의 유동성(mobility)가 억제되어 이온 전도도가 떨어지는 경향이 있고, 기계적 물성 측면에서 취성(brittleness)를 나타내는 경향이 있다.
반면에, 상기와 같은 점탄성 구조체의 경우, 선형 고분자로 인하여 고분자 사슬이 적정한 유동성을 가지므로 높은 이온 전도성을 가질 수 있고, 가교 고분자가 매트릭스 내에서 가교 포인트를 형성하고 선형 고분자가 이를 상호 연결하는 구조를 가지므로, 탄성을 가질 수 있어 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 고분자 층들은 상기한 점탄성 구조체로 이루어지므로 10-5 S/cm 내지 10-3 S/cm의 이온 전도성, 1 MPa 내지 100 MPa의 인장강도, 20% 내지 500%의 신장률을 가질 수 있다. 일반적인 고분자 층은 10-3 S/cm의 이온 전도성을 갖는 경우 0.1 MPa 이하의 인장강도를 갖는다는 점에서 본 발명에 따른 고분자 층은 유연성과 기계적 강성을 동시에 만족시킴과 동시에 이온전도성이 향상된다.
상기 제 1 및 제 2 폴리머 매트릭스에 있어서, 선형 고분자와 가교 고분자의 비율은 점탄성 구조체를 형성할 수 있는 비율이면 별도의 제한은 없지만, 바람직하게는 중량비로 1 : 9 내지 8 : 2일 수 있다.
상기 선형 고분자가 너무 적거나 많은 경우, 탄성이 약하여 기계적 물성이 저하되고 액상 성분의 함침 성능이 저하되므로 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로 상기 선형 고분자와 가교 고분자의 비율은 중량비로 3 : 7 내지 7 : 3인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 폴리머 매트릭스를 구성하는 선형 고분자는 그 종류에 있어 별도의 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직한 예로 폴리옥사이드계의 비가교 고분자 및 극성 비가교 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 폴리머 매트릭스는 폴리옥사이드계의 비가교 고분자와 극성 비가교 고분자를 모두 포함하고 있을 수 있다.
상기 폴리옥사이드계 비가교 고분자의 비제한적인 예로 Poly(ethylene oxide), Poly(propylene oxide), Poly(oxymethylene) 및 Poly(dimethylsiloxane)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
상기 극성 비가교 고분자의 비제한적인 예로 Polyacrylonitrile, Poly(methyl methacrylate), Poly(vinyl chloride), Poly(vinylidene fluoride), Poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene), Poly(ethylene imine) 및 Poly(p-phenylene terephthalamide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
본 발명에서 폴리머 매트릭스를 구성하는 가교 고분자는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체의 중합체, 또는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체와 1개의 관능기를 가지는 극성 단량체의 공중합체일 수 있다.
상기 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체는 그 종류에 있어 별도의 제한은 없지만, 바람직하게는 트리메티롤프로판 에톡실레이트 트리아크릴레이트 (trimethylolpropane ethoxylate triacrylate), 폴리에틸렌글리콜 디메타클레이트(polyethylene glycol dimethacrylate), 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 (polyethylene glycol diacrylate), 디비닐벤젠, 폴리에스테르 디메타크릴레이트, 디비닐에테르, 트리메티롤프로판 (trimethylolpropane),트리메티롤프로판트리메타크릴레이트(trimethylolpropane trimethacrylate), 및 에톡시레이티드 비스페놀A디메타크릴 레이트(ethoxylated bis phenol A dimethacrylate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 1개의 관능기를 가지는 극성 단량체는 그 종류에 있어 별도의 제한은 없지만, 바람직하게는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 메틸에테르메타크릴레이트, 아크릴로니트릴, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드, 및 비닐플로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
한편, 상기 제 1 및 제 2 고분자 층은 각각 기계적 강성을 제공하는 고상 성분을 더 포함할 수 있고, 이 때, 상기 고상 성분은 각각 제 1 폴리머 매트릭스 또는 제 2 폴리머 매트릭스의 중량을 기준으로 5 내지 80 중량%로 포함될 수 있다.
상기 고상 성분이 폴리머 매트릭스의 중량을 기준으로 5 중량% 미만으로 포함되어 있는 경우에는 고분자 층을 지지하는 효과, 예를 들어, 고분자 층의 기계적 강도가 부족할 수 있고, 80 중량% 초과로 포함되어 있는 경우에는 이온 전도도가 저하되어 전지의 성능을 저하시키고 경직한 특성으로 인해 충방전 과정에서 취성이 나타날 수 있으므로 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로 상기 고상 성분은 폴리머 매트릭스의 중량을 기준으로 20 내지 50 중량%로 포함되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
상기 고상 성분의 함량은 소망하는 기계적 강성에 따라 조절할 수 있음은 물론이다.
상기 고상 성분은 리튬 이온과 반응성이 없는 고체 화합물로서, 바람직하게는, 10 nm 내지 5 ㎛의 평균 입경을 가진 고상 입자일 수 있다. 고상 성분의 평균 입경이 지나치게 작으면 응집된 형태로 존재할 수 있고 분리층의 지지가 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 반대로 지나치게 크면 분리층의 두께가 필요 이상으로 두꺼워질 수 있으므로 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로 고상 성분의 평균 입경은 50 nm 내지 200 nm인 것이 더욱 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 고체 화합물은 리튬 이온과 반응성이 없는 산화물, 질화물 및 탄화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온과 반응성이 없는 산화물은 그 종류에 있어 별도의 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직한 예로 MgO, TiO2(Rutile) 및 Al2O3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 또 하나의 바람직한 실시예에서, 상기 제 1 고분자 층은 제 2 고분자 층의 두께 대비 10% 내지 100%인 것이 바람직하다. 상기 제 1 고분자 층은 기계적 강성을 확보하므로 두께가 두꺼울수록 우수한 기계적 강도를 갖는 것은 자명하나, 상기 제 1 고분자 층의 두께가 두꺼울수록 리튬 이차전지의 전반적인 크기가 증가하게 되고, 제 1 고분자 층의 두께만큼 내부 저항이 증가하게 되므로 바람직하지 않다.
이 경우, 상기 제 1 고분자 층에는 상기 고상 성분을 제 2 고분자 층에 비해 더 많이 첨가함으로써 기계적 강성을 유지시키는 동시에 그 두께를 얇게 제조할 수 있고, 상기 제 1 고분자 층은 제 2 고분자 층의 두께 대비 50% 내지 100%인 것이 더욱 바람직하다.
제 1 고분자 층의 두께가 제 2 고분자 층의 두께 대비 50% 미만일 경우에는 소망하는 이온 전도도 및 외력에 대한 기계적 강도를 확보하기 어려울 수 있고, 100% 초과인 경우에는 제 2 고분자 층의 두께보다 두껍게 되어 내부저항이 증가하게 되므로 바람직하지 않다.
또한, 본 발명은 양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 위치하는 상기 폴리머 전해질로 이루어지는 전극조립체를 제공한다.
본 발명의 전극조립체에 있어서, 상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 첨가하여 제조한 슬러리를 도포 및 건조하여 제작되며, 상기 양극 합제에는 선택적으로 바인더, 도전재, 충진제, 점도 조절제, 및 접착 촉진제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.
상기 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 NMP 등의 용매에 첨가하여 제조한 슬러리를 도포 및 건조하여 제작되며, 상기 음극 합제에는 선택적으로 바인더, 도전재, 충진제, 점도 조절제, 및 접착 촉진제 등과 같이 양극의 구성과 관련하여 설명한 기타 성분들을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연 재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연 재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 주석계 활물질, 규소계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
본 발명자들의 실험에 따르면, 이차전지 내부에서 위험성이 극대화되는 순간은 에너지가 높아진 충전 상태이고, 충전 상태에서 분리막 수축 등으로 일어날 수 있는 단락의 상황은 (1) 충전된 양극과 충전된 음극, (2) 충전된 양극과 음극 집전체, (3) 음극 집전체와 양극 집전체, 및 (4) 양극 집전체와 충전된 음극이 만나는 4가지 경우이다.
충전된 전극을 건조실(dry room)에서 상기 상황들을 모두 실험한 결과, 예상과는 다르게 충전된 음극과 양극 집전체의 접촉에서 가장 극심한 열폭주(thermal runaway)를 확인할 수 있었다. 심도있는 연구의 결과, 이는, 예를 들어, 양극 집전체인 Al-foil에서 4Al + 3O2 2Al2O3의 급격한 발열반응에 의한 것을 알 수 있었다. 실제 전지가 폭발된 모든 경우에서 Al-foil은 그 형태를 찾아볼 수 없었다.
상기 실험에서는 충전된 음극과 양극 집전체의 접촉시에만 열폭주가 일어나는 것을 볼 수 있었지만, 다른 3가지 경우도 안전하다고 단정할 수는 없다. 전지에서는 양극과 음극의 어떠한 부분이라도 상호 접촉하는 것이 위험하다.
반면에, 본 발명에 따른 전극조립체는 폴리머 매트릭스와 고상 성분이 고온에서 수축되지 않으므로, 상기 실험에서와 같은 폭발 등의 이벤트 발생을 방지할 수 있어 고온 안전성이 우수하다.
뿐만 아니라, 상기 액상 성분이 전극조립체의 제작 과정, 예를 들어 라미네이션 과정에서 전극으로 일부 유입되어 전극을 함침시키므로 전극의 이온 전도도가 향상되어 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 전해액이 전극에 균일하게 wetting 됨에 따라서 대변적화에서 나타나는 가장 큰 문제점인 전해액의 불균일 침투에 따른 전극 퇴화를 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전극조립체는, 유기 전해액의 상태와 관련하여, 폴리머 전해질로부터 유래된 일부 유기 전해액이 전극에 포함 내지 내장되어 있는 것으로 정의할 수도 있다. 이때, 폴리머 전해질로부터 유래되어 전극에 포함 내지 내장된 유기 전해액의 양은 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 전극조립체 전체에 포함된 유기 전해액의 전체량을 기준으로 10 내지 90%일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 폴리머 전해질이 유기 전해액과 경우에 따라 고상 성분을 내장한 상태에서 선형 고분자와 가교 고분자가 점탄성 구조체를 형성하고 있는 폴리머 매트릭스로 구성되어 있어서, 전지의 충방전이 진행되는 동안 전극의 부피 팽창 및 수축이 지속적으로 반복되지만, 상기 점탄성 구조체로 인하여 상기 부피 변화를 상쇄할 수 있어서 내구성이 우수하고 이에 따라 사이클 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 전극조립체의 제조방법은,
(1) 선형 고분자, 가교 고분자용 단량체, 이온성 염을 포함하는 유기 전해액, 선택적으로 고상 성분 및 중합 개시제를 균일하게 혼합하는 과정;
(2) 제 1 고분자 층을 구성하는 혼합물을 하나의 전극 위에 코팅하고, 상기 제 1 고분자 층 상에 제 2 고분자 층을 구성하는 혼합물을 코팅하는 과정;
(3) UV 조사 또는 열의 인가에 의해 중합반응을 수행하여 분리층을 형성하는 과정; 및
(4) 상기 분리층 위에 대응 전극을 탑재하고 가압하는 과정;
을 포함하고 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 리튬 이차전지는 상기 전극조립체와 선택적으로 리튬염 함유 비수계 전해액을 포함할 수 있다. 바람직한 하나의 예에서, 상기 리튬 이차전지는 별도의 리튬염 함유 비수계 전해액을 포함하지 않거나, 소량만을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 특히 높은 레이트 특성과 고온 안전성이 요구되는 다양한 중대형 디바이스에 사용될 수 있으며, 예를 들어, 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등의 전원으로 사용될 수 있고, 전력저장용 시스템에 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 다층 구조의 폴리머 전해질을 포함하는 전극조립체의 수직 단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 구체적인 실시예 및 비교예의 충방전 특성을 비교한 그래프이다;
도 3은 본 발명에 따른 구체적인 실시예의 사이클 수명 특성을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면 및 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 도면 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
제 1 고분자 층 혼합물의 제조
PVdF-HFP 5% 및 유기 전해액(1M LiPF6, EC/PC=1/1)을 70:30의 중량비 로 혼합하고, 폴리머를 녹이는 용매로 아세톤을 사용하여 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자 층을 제조하였다.
제 2 고분자 층 혼합물의 제조
PVdF-HFP 5% 및 유기 전해액(1M LiPF6, EC/PC=1/1)을 22:78의 중량비로 혼합하고, 폴리머를 녹이는 용매로 아세톤을 사용하여 이온 전도성을 제공하는 제 2 고분자 층을 제조하였다.
폴리머 전해질 막의 제조
준비된 제 1 고분자 층의 혼합물을 유리판에 캐스팅하여 아세톤을 증발시킴으로써 전해질 막을 제조한 후, 준비된 제 2 고분자 층의 혼합물을 제 1 고분자 층에 캐스팅하고 아세톤을 증발시켜 제 1 고분자 층과 제 2 고분자 층으로 구성된 폴리머 전해질 막을 제조하였다.
도 1에는 본 발명에 따른 다층 구조의 폴리머 전해질(130)의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
다층 구조의 폴리머 전해질(130)은 이층 구조로 이루어져 있으며, 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자 층(131)과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층(132)으로 이루어져 있다. 화살표와 같이, 제 1 고분자 층(131) 및 제 2 고분자 층(132)에 포함되어 있는 유기 전해액은 양극, 음극으로 확산됨을 알 수 있다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 제 1 고분자 층의 혼합물을 유리판에 캐스팅하여 아세톤을 증발시킴으로써 전해질 막을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 제 2 고분자 층의 혼합물을 유리판에 캐스팅하여 아세톤을 증발시킴으로써 전해질 막을 제조하였다.
<실험예 1>
기계적 물성 및 이온 전도성 측정
실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 2의 인장강도와 이온 전도도를 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure PCTKR2012004827-appb-I000001
상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 비교예 1은 우수한 기계적 물성을 보이는 반면 열악한 이온 전도성을 보이고, 비교예 2는 약한 기계적 강도를 보이는 반면 우수한 이온 전도성을 보이고 있다. 이에 반해 실시예 1은 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 향상된 이온 전도성과 기계적 강성을 동시에 지니고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 전극 조립체(100)은 양극(110), 음극(120) 및 다층 구조의 폴리머 전해질(130)을 포함한다. 구체적으로 양극(110)과 음극(120) 사이에 다층 구조의 폴리머 전해질(130)이 개재되어 있다.
이하, 음극(120)으로서 Li 금속을 사용하고, 반쪽 전지를 제작하여 다층 구조의 폴리머 전해질(130)이 전지의 성능에 미치는 영향을 확인하였다.
<실시예 2>
LiCoO2, PVdF, 카본블랙을 N-메틸피롤리돈에 첨가하여 슬러리로 제조한 후 구리 호일에 도포하고 약 130℃에서 2시간동안 건조하여 양극을 제조하였다. 상기 양극에 실시예 1의 제 1 고분자 층을 코팅한 후 제 2 고분자 층을 코팅하여 다층의 폴리머 전해질 층을 형성하였다. 준비된 폴리머 전해질이 코팅된 양극과 상대극으로는 Li 금속을 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다.
<비교예 3>
실시예 2의 양극과 세퍼레이터, 상대극으로 Li 금속, 유기 전해액(1M LiPF6, EC/PC=1/1)을 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다.
<실험예 2>
전지 성능 실험
실시예 2 및 비교예 3에서 제조된 전지를 사용하여 충방전 특성을 평가하였다. 충전시 0.1 C의 전류밀도로 4.25 V까지 정전류 충전 후 정전압으로 4.25V로 일정하게 유지시켜 전류밀도가 0.05 C이 되면 충전을 종료하였다. 방전시 0.1 C의 전류밀도로 3.0 V까지 정전류 모드로 방전을 완료하였다. 동일한 조건으로 충방전을 15회 반복하였다. 이에 대한 결과를 도 2와 도 3에 나타내었다.
도 2에서, 실시예 2에 대응하는 그래프는 점선으로 표시하고, 비교예 3 대응하는 그래프는 실선으로 표시하였다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 실시예 2의 전지는 액체 전해액이 적용된 비교예 3이 전지에 비해 증가된 전지 저항을 갖지만, 액체 전해액이 사용된 비교예 3과 마찬가지로, 우수한 용량 구현율 및 충방전 특성을 발휘하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 15회의 충방전 과정 동안 용량 저하가 없음을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 2의 전지는 우수한 사이클 특성을 발휘함을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리머 전해질은 우수한 유연성 및 기계적 강도를 제공하는 제 1 고분자 층 및 내부에 존재하는 유기 전해액이 전극으로 확산됨에 따라 전지 내의 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층의 다층 구조이므로, 외부에서 작용하는 힘에 의한 내부 단락을 방지하는 동시에 우수한 이온전도성을 발휘하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 전해액이 전극에 균일하게 wetting 됨에 따라서 대변적화에서 나타나는 가장 큰 문제점인 전해액의 불균일 침투에 따른 전극 퇴화를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 폴리머 전해질이 유기 전해액과 경우에 따라 고상 성분을 내장한 상태에서 선형 고분자와 가교 고분자가 점탄성 구조체를 형성하고 있는 폴리머 매트릭스로 구성되어 있어서, 전지의 충방전이 진행되는 동안 전극의 부피 팽창 및 수축이 지속적으로 반복되지만, 상기 점탄성 구조체로 인하여 상기 부피 변화를 상쇄할 수 있어서 내구성이 우수하고 이에 따라 사이클 특성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 외력에 대해 기계적 강성을 제공하는 제 1 고분자 층과, 리튬 이온의 전도 경로를 확보하는 제 2 고분자 층의 다층 구조로 이루어져 있고, 상기 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0 내지 60 중량%로 함유하고 있고, 상기 제 2 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 2 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 60 내지 400 중량%로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  2. 제 1 항에 있어서, 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극에 접하는 상기 제 2 고분자 층의 상면 및/또는 하면에는 제 1 고분자 층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  3. 제 1 항에 있어서, 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극에 접하는 상기 제 1 고분자 층의 상면 및/또는 하면에는 제 2 고분자 층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이온성 염은 리튬염인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 층 및 제 2 고분자 층은,
    이온성 염을 포함하고, 전극조립체의 제작 과정에서 분리층으로부터 전극으로 일부 유입되어 전극의 이온 전도도를 향상시키는 유기 전해액; 및
    상기 유기 전해액에 대해 친화성을 가지며 양극과 음극에 대한 결착력을 제공하는 선형 고분자, 삼차원적 네트워크 구조를 가지는 가교 고분자 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 폴리머 매트릭스;
    를 포함하는 2상(two-phase)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 고분자 층은 인장강도가 1 MPa 내지 100 MPa인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 고분자 층은 신장률이 20% 내지 500%인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 층은 이온성 염을 포함하고 있는 유기 전해액을 제 1 고분자 층의 폴리머 매트릭스의 중량 대비 0.1 내지 60 중량%로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 고분자 층은 이온 전도성이 10-5 S/cm 내지 10-3 S/cm인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 선형 고분자와 가교 고분자의 비율은 중량비로 1 : 9 내지 8 : 2인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 선형 고분자는 폴리옥사이드계의 비가교 고분자 및 극성 비가교 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 폴리머 매트릭스는 폴리옥사이드계의 비가교 고분자과 극성 비가교 고분자를 모두 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 가교 고분자는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체의 중합체, 또는 2개 이상의 관능기를 가지는 단량체와 1개의 관능기를 가지는 극성 단량체의 공중합체인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  14. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 층 및 제 2 고분자 층은 기계적 강성을 제공하는 고상 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 고상 성분은 폴리머 매트릭스의 중량을 기준으로 5 내지 80 중량%로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 고상 성분은 리튬 이온과 반응성이 없는 고체 화합물로서 10 nm 내지 5 ㎛의 평균 입경을 가진 고상 입자인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 고체 화합물은 리튬 이온과 반응성이 없는 산화물, 질화물 및 탄화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 층은 제 2 고분자 층의 두께 대비 10% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 폴리머 전해질.
  19. 제 1 항에 따른 폴리머 전해질이 양극과 음극 사이에 위치하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  21. 제 20 항에 따른 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 제 21 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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