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KR100542198B1 - 리튬 폴리머 이차 전지 - Google Patents

리튬 폴리머 이차 전지 Download PDF

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KR100542198B1
KR100542198B1 KR1020030074218A KR20030074218A KR100542198B1 KR 100542198 B1 KR100542198 B1 KR 100542198B1 KR 1020030074218 A KR1020030074218 A KR 1020030074218A KR 20030074218 A KR20030074218 A KR 20030074218A KR 100542198 B1 KR100542198 B1 KR 100542198B1
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polymer secondary
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최윤석
조중근
이상목
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 리튬 폴리머 이차 전지에 관한 것으로서, 이 리튬 폴리머 이차 전지는 기재에 증착된 음극 활물질 층을 포함하는 음극; 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 리튬염, 유기 용매 및 폴리머를 포함하는 폴리머 전해질을 포함한다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 리튬 폴리머 이차 전지는 증착된 리튬과 화학겔 폴리머 전해질을 사용하여 사이클 수명 특성을 10%에서 95%로 증가시켰다.
증착음극,리튬폴리머전지,사이클수명

Description

리튬 폴리머 이차 전지{LITHIUM POLYMER SECONDARY BATTERY}
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 폴리머 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 향상된 사이클 수명 특성을 갖는 리튬 폴리머 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용하여 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 보임으로써 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-x CoxO2(0 < X < 1)등과 같이 리튬이 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물을 주로 사용하였다.
음극 활물질로는 초기에는 리튬 금속을 사용하였으나, 덴드라이트가 발생되어 수명이 매우 짧은 문제 등으로 인하여, 최근에는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 사용되고 있다. 그러나 상기 탄소 계열의 음극 활물질은 덴드라이트 발생 문제는 해결할 수 있고, 저전위에서 전압 평탄성이 우수하고 양호한 수명 특성을 가지고 있으나, 유기 전해액과의 높은 반응성, 물질 내 리튬의 낮은 확산 속도 등으로 인해 전력(power) 특성, 초기 비가역 제어, 충방전 중의 전극 부풀림 현상(swelling) 등의 문제점이 있다.
이에 따라, 리튬 금속의 덴드라이트 문제를 해결하여 장수명을 갖도록 리튬 합금을 음극 활물질로 사용하기 위한 연구가 진행되었다. 미국 특허 제 6,051,340 호에는 리튬과 합금되지 않는 금속과 리튬과 합금이 되는 금속을 포함하는 음극이 기술되어 있다. 이 특허에서 상기 리튬과 합금되지 않는 금속은 집전체의 역할을 하며, 상기 리튬과 합금이 되는 금속은 충전시 양극으로부터 빠져나온 리튬 이온과 합금을 형성하고, 이 합금이 음극 활물질로 작용하게 되며, 음극은 충전시 리튬을 포함하게 된다.
그러나 상술한 리튬 합금으로도 만족할만한 전지 특성, 특히 사이클 수명 특성을 얻기는 어려웠다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 사이클 수명 특성이 우수한 리튬 폴리머 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기재에 증착된 음극 활물질을 포함하는 음극; 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 리튬염, 유기 용매 및 폴리머를 포함 하는 폴리머 전해질을 포함하는 리튬 폴리머 이차 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 리튬 폴리머 이차 전지의 음극으로 고용량 전지를 제공할 수 있는 리튬 금속을 사용하기 위한 것으로서, 리튬 금속을 그대로 리튬 이차 전지에 사용할 경우 덴드라이트의 문제점을 방지하고자 리튬 금속을 기재에 증착시키고, 또한, 기재에 증착된 리튬 금속을 액체 전해액과 사용할 경우 발생될 수 있는 문제점을 화학겔 폴리머 전해질을 사용하여 고용량이며, 우수한 사이클 수명 특성을 나타내는 전지를 제공하는 것이다.
이와 같이, 리튬 금속을 기재에 증착시킨 전지와 화학겔 폴리머 전해질을 사용한 기술은 그동안 연구된 적이 없다. 미국 특허 제 5,972,539 호 및 제 5,658,686 호에는 난연성 물리겔 전해질이 기술되어 있으나 리튬 금속 음극만 예시되어 있을 뿐 본 발명과 같이 리튬 금속을 기재에 증착시킨 음극을 사용하는 내용이 아니다.
상술한 특성을 갖는 본 발명의 음극은 기재에 음극 활물질 층이 증착되어 있는 구성을 갖는다.
본 발명에서 음극 활물질로 상기 리튬 금속 이외에, 리튬 금속의 합금 또는 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 상기 리튬 금속의 합금 또는 상기 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질은 Al, Mg, K, Na, Ca, Sr, Ba, Si, Ge, Sb, Pb, In 또는 Zn를 포함한다.
상기 기재로는 집전체, 지지 폴리머 필름 또는 지지 폴리머 필름에 증착된 집전체를 사용할 수 있다.
상기 집전체는 Ni, Ti, Cu, Ag, Au, Pt, Fe, Co, Cr, W, Mo, Al, Mg, K, Na, Ca, Sr, Ba, Si, Ge, Sb, Pb, In 및 Zn로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함한다.
상기 지지 폴리머 필름에서 폴리머는 녹는점이 80℃ 이상인 것이 바람직하며, 그 대표적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리설폰을 사용할 수 있다. 이러한 지지 폴리머 필름의 두께는 1 내지 200㎛, 바람직하게는 2 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 50㎛이다. 상기 지지 폴리머 필름의 두께가 1㎛ 보다 얇은 경우에는 핸들링이 어려운 문제점이 있고, 200㎛보다 두꺼운 경우에는 에너지 밀도가 감소되어 바람직하지 않다.
상기 지지 폴리머 필름은 실리콘 함유 이형제 층을 더욱 포함할 수 있다. 이러한 실리콘 함유 이형제 층으로는 하기 화학식 1의 실리콘 함유 화합물을 사용하여 롤 코팅, 스프레이 코팅, 그라비어 코팅 등 범용적인 코팅 방법으로 형성된 것을 예로 들 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112003039581160-pat00001
(상기 화학식 1에서, R1, R2, R3 및 R4는 각각 직쇄 또는 분지쇄 알킬, 사이클로 알킬, 알케닐, 아릴, 아랄킬, 할로겐화 알킬, 할로겐화 아릴, 할로겐화 아랄킬, 페닐, 머캅탄, 메타아크릴레이트, 아크릴레이트, 에폭시 또는 비닐 에테르이고, 상기 알킬은 C1 내지 C18, 상기 사이클로알킬은 C3 내지 C18 , 상기 알케닐은 C2 내지 C18, 상기 아릴 및 상기 아랄킬은 C6 내지 C18의 탄소수를 갖는 것이며,
n 및 m은 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 1 내지 100,000의 정수이다.)
상기 기재로서 상기 지지 폴리머 필름에 집전체를 증착시켜 사용하는 경우에 상기 폴리머 필름에 증착된 집전체의 증착 두께는 50Å 내지 30000Å, 바람직하게는 60Å 내지 30000Å, 보다 바람직하게는 75Å 내지 10000Å이다. 상기 집전체의 두께가 50Å보다 얇을 경우에는 집전 능력이 저하되고, 30000Å보다 두꺼울 경우에는 에너지 밀도가 감소되어 바람직하지 않다.
본 발명의 음극에서, 상기 기재에 증착된 음극 활물질 층의 두께는 1 내지 100㎛, 바람직하게는 2 내지 90㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 80㎛이다. 상기 음극 활물질 층의 두께가 1㎛보다 얇으면 전지의 용량이 너무 작은 문제가 있고, 100 ㎛ 보다 두꺼우면 양극 용량 대비 필요한 음극 활물질의 양을 나타내는 N/P 비율이 너무 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 음극은 상기 음극 활물질 층 표면에 보호막을 더욱 포함할 수 있다. 상기 보호막은 폴리머 물질, 무기 물질 또는 그의 혼합물을 포함하는 단일막 또는 다중막이다. 상기 무기 물질은 LiPON, Li2CO3, Li3N, Li 3PO4 또는 Li5PO4이며, 상기 무기 물질을 포함하는 보호막의 두께는 10 내지 20000Å이 바람직하다. 무기 물질을 포함하는 보호막의 두께가 10Å보다 얇을 경우에는 보호막의 두께가 너무 얇아서 물리적으로 보호막이 손상될 우려가 있으며, 20,000Å보다 두꺼울 경우에는 이온 전도도 및 에너지 밀도가 저하되는 문제점이 있다.
상기 폴리머 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 폴리(비닐아세테이트), 폴리(비닐 부티랄-코-비닐알콜-코-비닐 아세테이트), 폴리(메틸메타크릴레이트-코-에틸 아크릴레이트), 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐클로라이드-코-비닐 아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리(1-비닐피롤리돈-코-비닐 아세테이트), 셀룰로즈 아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리비닐에테르, 아크릴로니트릴-부타디엔 러버, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 설포네이티드 스티렌/에틸렌-부틸렌/스티렌 트리블럭 폴리머 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물로서, 이 폴리머 물질을 포함하는 보호막의 두께는 100Å 내지 10㎛이 바람직하 다. 상기 폴리머 물질을 포함하는 보호막의 두께가 100Å 보다 얇을 경우에는 너무 얇아서 물리적으로 보호막이 손상될 수 있으며, 10㎛보다 두꺼울 경우에는 이온 전도도 및 에너지 밀도 저하의 문제점이 있다.
상술한 음극을 포함하는 본 발명의 리튬 폴리머 이차 전지에서 양극으로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 화합물인 리튬 이온 전지에서 사용되는 양극 활물질을 포함하거나 무기 유황(elemental sulfur, S8) 또는 황 계열 화합물인 리튬 설퍼 전지에서 사용되는 양극 활물질을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 화합물은 하기 화학식 2 내지 15로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
LiAO2
[화학식 3]
LiMn2O4
[화학식 4]
LiaNibBcMdO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
[화학식 4a]
LiaBcMdO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
[화학식 4b]
LiaNibMdO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
[화학식 4c]
LiaMdO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
[화학식 5]
LiaNibCocMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5a]
LiaCocMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5b]
LiaNibMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5c]
LiaNibCocMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5d]
LiaMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5e]
LiaNibMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5f]
LiaCocMeO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 5g]
LiaMeO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
[화학식 6]
LiaAMbO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1)
[화학식 7]
LiaMn2MbO4(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1)
[화학식 8]
DS2
[화학식 9]
LiDS2
[화학식 10]
V2O5
[화학식 11]
LiV2O5
[화학식 12]
LiEO2
[화학식 13]
LiNiVO4
[화학식 14]
Li(3-x)F2(PO4)3(0 ≤ x ≤ 3)
[화학식 15]
Li(3-x)Fe2(PO4)3(0 ≤ x ≤ 2)
(상기 화학식 2 내지 15에서,
A는 Co, Ni 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
B는 Co 또는 Mn이고,
D는 Ti 또는 Mo이고,
E는 Cr, V, Fe, Sc 및 Y로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
F는 V, Cr, M, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
M은 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속 또는 란타나이드 금속 중 하나 이상의 금속이다)
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 리튬 설퍼 전지의 양극 활물질로 사용되는 화합물 중 황 계열 화합물로는 Li2Sn(n ≥ 1) 또는 카본-설퍼 폴리머[(C2Sx)n, x=2.5-50, n ≥ 2]를 사용할 수 있다.
본 발명의 리튬 폴리머 전지에서 폴리머 전해질은 전지 제조 공정에서, 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함하는 전해액에 폴리머 형성용 화합물과 개시제를 첨가한 전해질 전구체 용액을 이용하여 전지를 제조한 후, 중합 공정이 일어나는 온도에서 일정 시간 방치하여 전지 내에서 폴리머 전해질이 형성되는 화학 겔 폴리머 전해질이다. 이때, 개시제는 분해되어 질소(N2) 또는 이산화탄소(CO2)를 발생하므로, 폴리머 전해질에 잔존하지는 않는다.
상기 폴리머 형성용 화합물과 전해액의 중량비는 1 : 1 내지 1:1000이 바람직하고, 1 : 5 내지 1:200가 보다 바람직하다. 상기 전해액의 양이 상기 범위보다 적으면 겔화가 너무 되어 이온 전도도가 감소하고 전해액의 양이 상기 범위보다 많으면 겔화가 잘 일어나지 않아서 액체 전해액이 자유롭게 이동하여 액체 전해액이 리튬을 부식하는 것을 잘 막아주지 못하는 문제가 있다. 또한, 상기 폴리머 형성용 화합물과 개시제의 중량비는 1 : 0.0001 내지 1 : 0.5가 바람직하고, 1 : 0.001 내지 1 : 0.2가 보다 바람직하다. 상기 개시제의 양이 상기 범위보다 작으면 겔화가 잘 일어나지 않고, 상기 범위를 초과하면 가스 발생이 심하고 또한 반응에 참여하지 않은 개시제가 전지 성능에 안좋은 영향을 줄 수도 있다.
상기 폴리머 형성용 화합물은 폴리머 형성용 화합물의 말단에 탄소-탄소 이중결합을 1개 이상 갖는 화합물로서, 그 대표적인 예로는 다관능성 아크릴레이트(폴리에스테르 폴리올이 갖는 수산기의 적어도 일부를 (메타)아크릴산 에스테르에 변환한 폴리에스테르 (메타)아크릴레이트의 중합체), 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타아크릴레이트, 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트, 폴리(에틸렌 글리콜) 디비닐 에테르 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디비닐 에테르 헥산디올 디아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 모노아크릴레이트, 카프로락톤 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 폴리머 형성용 화합물은 하기 화학식 16 내지 18로 표현되는 화합물 중 하나이다.
[화학식 16]
Figure 112003039581160-pat00002
(상기 화학식 16에서, Ra 내지 Rf는 각각 하기 화학식 16a 또는 16b 중 하나이다.
[화학식 16a]
Figure 112003039581160-pat00003
[화학식 16b]
Figure 112003039581160-pat00004
[화학식 17]
Figure 112003039581160-pat00005
[화학식 18]
Figure 112003039581160-pat00006
(상기 화학식 17 내지 18에 있어서, 상기 R5는 H 또는 CH3이고, n은 1 내지 100,000이고, R6는 H 또는 CH3이다.)
상기 폴리에스테르 폴리올은 그 수평균 분자량이 150 내지 100,000이고, 그 수산기가 5 내지 500으로서, 하기 화학식 19로 표현되는 히드록시 카르복실산을 축중합 반응하여 제조된 것이다.
[화학식 19]
HO-R7-COOH
(상기 화학식 19에서, R7은 직쇄상 또는 분지상 탄소수 1 내지 20개의 알킬렌기이다.)
또는, 상기 폴리에스테르 폴리올은 하기 화학식 20으로 표현되는 락톤을 개환중합하고 얻어진 중합체이다.
[화학식 20]
Figure 112003039581160-pat00007
(상기 화학식 20에 있어서, R8은 직쇄상 또는 분지상 탄소수 2 내지 20개의 알킬렌기이다.)
또는, 상기 폴리에스테르 폴리올은 하기 화학식 21로 표현되는 글리콜, 바람직하게 에틸렌 글리콜 또는 디에틸렌 글리콜과 하기 화학식 22로 표현되는 디카르복실산, 바람직하게는 아디프산 또는 호박산의 축중합 반응으로 얻어진 중합체이다.
[화학식 21]
HO-R9-OH
(상기 화학식 21에 있어서, R9는 직쇄상, 분지상 또는 환구조의 탄소수 2-50개의 탄화수소기를 가지며, 이 탄화수소기는 이중 결합, 방향환, 또는 에테르 결합을 포함한다)
[화학식 22]
HOOC-R10-COOH
(상기 화학식 22에 있어서, R10은 직쇄상, 분지상 또는 환구조의 탄소수 1 내지 20개의 탄화수소기를 가지며, 이 탄화수소기는 이중 결합, 방향환, 또는 에테르 결합을 포함한다.)
본 발명의 폴리머 전해질에서, 개시제로는 분해되어 질소(N2), 혹은 이산화탄소(CO2)를 발생하는 화합물이 바람직하며, 그 대표적인 예로는 디벤조일 퍼옥사이드, 석신산 퍼옥사이드, 디라우로일 퍼옥사이드 및 디데카노일 퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 디아실 퍼옥사이드류; 디큐밀 퍼옥사이드, 디-t-부틸퍼옥사이드 및 2,5-디메틸-2,5-디-(t-부틸퍼옥시) 헥산으로 이루어진 군에서 선택되는 디알킬 퍼옥사이드류; α-큐밀 퍼옥시-네오데카노에이트, 1-1-디메틸-3-하이드록시부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 및 t-부틸 퍼옥시-피발레이트로 이루어진 군에서 선택되는 퍼옥시 에스테르류; 2,5-디하이드로퍼옥시-2,5-디메틸헥산, 큐멘 하이드로퍼옥사이드 및 t-부틸 하이드로퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 3차 알킬 하이드로퍼옥사이드류; 2,2-디-(t-부틸퍼옥시)부탄 및 에틸 3,3-디-(t-부틸퍼옥시)-부틸레이트로 이루어진 군에서 선택되는 퍼옥시 케탈류; 디(n-프로필) 퍼옥시-디카보네이트, 디(sec-부틸)퍼옥시-디카보네이트 및 디(2-에틸헥실)퍼옥시-디카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 퍼옥시디카보네이트류, 아조비스이소부티로니트릴와 같은 아조류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 폴리머 전해질의 전해액에서 비수성 유기 용매로는 벤젠, 톨루엔, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤 젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, R-CN(여기에서, R은 직쇄상, 분지상, 또는 환구조의 탄소수 2-50개의 탄화수소기이고, 이 기는 이중결합, 방향환, 또는 에테르 결합을 포함하고 있어도 좋다), 디메톡시포름아마이드, 메틸아세테이트, 자일렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 사이클로헥사논, 에탄올, 이소프로필알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤 및 설포란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합 유기 용매를 사용할 수 있다.
상기 지지 전해염은 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(CF3SO3Li), 리튬 비스(트리 플루오로메틸) 술폰이미드(LiN(SO2CF3)2), 리튬 비스(퍼플루오로에틸술포닐) 이미드(LiN(SO2C2F5)2)들 중의 하나 혹은 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 전해액에서, 상기 지지 전해염의 농도는 0.1 내지 2.0M이 바람직하다. 상기 지지 전해염의 농도가 0.1M 미만이면, 전해질의 전도도가 낮아져 전해질 성능이 떨어지고 2.0M을 초과하는 경우에는 전해질의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 감소되는 문제점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
* 화학겔 제조법
(제조예 1 내지 9)
평균 분자량 330인 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트(PEGDMA) 폴리머 형성용 화합물을 전해액인 1.0M LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트/에틸메틸 카보네이트의 혼합 용매(30/30/40 부피비)에 첨가하고 10분간 교반하였다. 상기 혼합물에 개시제인 α,α'-아조비스이소부티로니트릴(α,α'-azobisisobutyronitrile: AIBN]을 소량 넣고 75℃에서 가열하여 겔화 반응을 4시간동안 진행시켰다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
조성비(g) 겔화 결과
전해액 PEGDMA AIBN
제조예 1 200 1 0.01 겔화되나 누액 존재함
제조예 2 175 1 0.01 겔화되나 누액 존재함
제조예 3 150 1 0.01 겔화됨
제조예 4 100 1 0.01 겔화됨
제조예 5 75 1 0.01 겔화됨
제조예 6 50 1 0.01 겔화됨
제조예 7 25 1 0.01 겔화됨
제조예 8 10 1 0.01 겔화됨
제조예 9 5 1 0.01 겔화됨
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 폴리머 형성용 화합물 대비 전해액의 양이 500 내지 15000%에서는 겔화가 되었고, 15000%를 넘는 경우에서는 겔화가 되지만 형성된 겔 폴리머에서 소량의 누액 현상이 관찰되었다.
상기 제조예 4의 방법으로 제조된 결과물의 이온 전도 특성을 측정하기 위하여, 디스크 형태의 시편으로 만들어 스테인리스 스틸 전극과 접착시켜 상온에서의 이온전도도를 측정하였다. 그 결과 제조예 4의 경우 2.5 X 10-3(S/cm)의 우수한 이온 전도도를 나타내었다.
(제조예 10 내지 18)
하기 화학식 16에서, Ra 및 Rf 중 4개는 하기 화학식 16b로 치환되고, 두 개는 하기 화학식 16a로 치환된 폴리머 형성용 화합물을 전해액 1.0M LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트/ 에틸메틸 카보네이트의 혼합 용매(30/30/40 부피비)에 첨가하고 10분간 교반하였다.
[화학식 16]
Figure 112003039581160-pat00008
(상기 화학식 16에서, Ra 내지 Rf는 각각 하기 화학식 16a 또는 16b 중 하나이다.
[화학식 16a]
Figure 112003039581160-pat00009
[화학식 16b]
Figure 112003039581160-pat00010
이 혼합물에 개시제인 α,α'-아조비스이소부티로니트릴을 소량 넣고 75℃에서 가열하여 겔화 반응을 4시간 동안 진행시켰다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
전해액 조성비 AIBN 겔화 결과
화학식 16의 화합물
제조예 10 200 1 0.01 겔화되나 누액 존재함
제조예 11 175 1 0.01 겔화되나 누액 존재함
제조예 12 150 1 0.01 겔화되나 누액 존재함
제조예 13 100 1 0.01 겔화됨
제조예 14 75 1 0.01 겔화됨
제조예 15 50 1 0.01 겔화됨
제조예 16 25 1 0.01 겔화됨
제조예 17 10 1 0.01 겔화됨
제조예 18 5 1 0.01 겔화됨
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 폴리머 형성용 화합물 대비 전해액의 양이 500 내지 10000% 에서는 겔화가 되었고, 10000%를 넘는 경우에서는 겔화가 되지만 형성된 겔 폴리머에서 소량의 누액 현상이 관찰되었다.
상기 제조예 13의 이온 전도 특성을 측정하기 위하여 디스크 형태의 시편으로 만들어 스테인리스 스틸 전극과 접착시켜 상온에서의 이온전도도를 측정하였다. 그 결과 제조예 13의 경우 3.5 X 10-3(S/cm)의 우수한 이온 전도도를 나타내었다.
* 화학겔을 사용한 전지 제조법 및 결과
폴리(에틸렌 글리콜) 디메타아크릴레이트를 폴리머 형성용 화합물로 사용한 전지 제조 결과
(비교예 1)
LiCoO2 양극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더 및 슈퍼-P 도전재를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 94/3/3 중량비의 조성비로 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하고, 이를 건조한 후 압연기로 압연하여 양극을 제조하였다.
음극은 200㎛의 리튬 호일을 사용하였다.
상기 양극과 음극을 사용하여 650mAh 용량의 전지를 제조하였다. 이때, 전해액은 1.0M LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트/에틸 메틸 카보네이트의 혼합 용매(3/3/4 부피비)를 사용하였다.
(비교예 2)
제조예 5의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 열경화시켜 화학겔 폴리머 전해질을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 3)
LiCoO2 양극 활물질, 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더 및 슈퍼-P 도전재를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 94/3/3 중량비의 조성비로 혼합하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하고, 이를 건조한 후 압연기로 압연하여 양극을 제조하였다.
5㎛의 두께를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 양면 위에 구리를 1000Å의 두께로 증착하였다. 구리가 증착된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 양면 위에 리튬을 각각 20㎛씩 증착하여 음극을 제조하였다.
상기 양극 및 음극과 음극판을 사용하여 650mAh 용량의 전지를 조립하였다. 이때, 전해액은 1.0M LiPF6이 용해된 에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트/에틸 메틸 카보네이트의 혼합 용매(3/3/4 부피비)를 사용하였다.
(실시예 1)
제조예 1의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 2)
제조예 2의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
제조예 3의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 4)
제조예 4의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하 고는상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 5)
제조예 5의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 6)
제조예 6의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 7)
제조예 7의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 8)
제조예 8의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 9)
제조예 9의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하 고는 비교예 3과 동일하다.
* 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트를 폴리머 형성용 화합물로 사용한 전지 평가 결과
상기 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 9의 방법으로 제조된 전지를 0.2C 충전 및 0.2C 방전을 3회 실시하고(화성공정(FORMATION)), 0.5C 충전 및 0.2C 방전을 3회 실시하였다(표준공정(STANDARD)). 이와 같이 충방전을 실시한 후, 표준 공정 3회째의 방전량을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 용량으로 나타내었다. 또한, 제조한 전지를 0.5C 충전 및 1.0C 방전으로 50회 충방전을 실시한 후, 사이클 수명 특성(용량 유지율%)을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
음극 리튬 전극 단면 두께(㎛) 전해액 조성 조성비 용량 (mAh) 50회 사이클 수명(%)
전해액 PEGDMA AIBN
비교예 1 리튬 호일 100 액체 전해액 100 0 0 650 95
비교예 2 리튬 호일 100 제조예 5 75 1 0.01 650 95
비교예 3 증착된 리튬 20 액체 전해액 100 0 0 650 10
실시예 1 증착된 리튬 20 제조예 1 200 1 0.01 650 53
실시예 2 증착된 리튬 20 제조예 2 175 1 0.01 650 62
실시예 3 증착된 리튬 20 제조예 3 150 1 0.01 650 77
실시예 4 증착된 리튬 20 제조예 4 100 1 0.01 650 86
실시예 5 증착된 리튬 20 제조예 5 75 1 0.01 650 95
실시예 6 증착된 리튬 20 제조예 6 50 1 0.01 650 94
실시예 7 증착된 리튬 20 제조예 7 25 1 0.01 650 85
실시예 8 증착된 리튬 20 제조예 8 10 1 0.01 650 75
실시예 9 증착된 리튬 20 제조예 9 5 1 0.01 650 72
상기 표 3에 나타낸 것과 같이, 리튬 호일을 사용한 경우(비교예1, 2)에는 액체 전해액을 사용한 경우와 화학겔을 사용한 경우에 있어서 수명에 차이가 나타나지 않았다. 이는 액체 전해액이 리튬과 반응하여 리튬이 손상을 받더라도 리튬의 양이 과량이라 수명 특성이 차이가 나지 않는 것으로 판단된다.
그러나 증착된 얇은 리튬을 사용할 경우에는 화학겔을 적용한 전지(실시예1-9)의 수명 특성이 액체 전해액을 사용한 경우(비교예 3)보다 매우 우수함을 알 수 있다. 이는 화학겔 전지에서는 전해액 용매의 활발한 움직임이 크게 억제되어 전해액 용매와 리튬의 반응을 억제하여 리튬의 손상을 억제하였기 때문으로 생각된다.
* 화학식 16의 화합물을 폴리머 형성용 화합물로 사용한 전지 제조 결과
(비교예 4)
제조예 14의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 10)
제조예 10의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 11)
제조예 11의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 12)
제조예 12의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 13)
제조예 13의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 14)
제조예 14의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 15)
제조예 15의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 16)
제조예 16의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 17)
제조예 17의 조성비를 갖는 전해액을 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
(실시예 18)
제조예 18의 조성비를 사용하고 전지 조립 후 75℃에서 4시간 동안 전지를 방치하여, 화학겔 폴리머 전해질이 형성된 전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일하게 실시하였다.
* 화학식 16의 화합물을 폴리머 형성용 화합물로 사용한 전지 평가 결과
상기 비교예 1, 3 내지 4 실시예 10 내지 18의 방법에 따라 제조된 전지를 0.2C 충전 및 0.2C 방전을 3회 실시하고(화성공정(FORMATION)), 0.5C 충전 및 0.2C 방전을 3회 실시하였다(표준공정(STANDARD)). 표준 공정 3회째의 방전량을 측정하여, 이를 하기 표 4에 용량으로 나타내었다. 또한, 제조된 전지를 0.5C 충전 및 1.0C방전으로 50회 충방전을 실시하여, 사이클 수명 특성(용량 유지율%)을 측정하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
음극 리튬 전극 단면 두께 (㎛) 전해액 조성 조성비 용량 (mAh) 50회 사이클 수명(%)
전해액 PEGDMA AIBN
비교예 1 리튬 호일 100 액체 전해액 100 0 0 650 95
비교예 4 리튬 호일 100 제조예 14 75 1 0.01 650 95
비교예 3 증착된 리튬 20 액체 전해액 100 0 0 650 10
실시예 10 증착된 리튬 20 제조예 10 200 1 0.01 650 45
실시예 11 증착된 리튬 20 제조예 11 175 1 0.01 650 59
실시예 12 증착된 리튬 20 제조예 12 150 1 0.01 650 73
실시예 13 증착된 리튬 20 제조예 13 100 1 0.01 650 85
실시예 14 증착된 리튬 20 제조예 14 75 1 0.01 650 95
실시예 15 증착된 리튬 20 제조예 15 50 1 0.01 650 93
실시예 16 증착된 리튬 20 제조예 16 25 1 0.01 650 86
실시예 17 증착된 리튬 20 제조예 17 10 1 0.01 650 77
실시예 18 증착된 리튬 20 제조예 18 5 1 0.01 650 74
상기 표 4에 나타낸 것과 같이, 리튬 호일을 사용한 경우(비교예 1, 4)에는 액체 전해액을 사용한 경우와 화학겔을 사용한 경우에 있어서 수명에 차이가 나타나지 않았다. 이는 액체 전해액이 리튬과 반응하여 리튬이 손상을 받더라도 리튬의 양이 과량이라 수명 특성이 차이가 나지 않는 것으로 판단된다. 그러나 증착된 얇은 리튬을 사용할 경우에는 화학겔을 적용한 전지(실시예 10-18)의 수명 특성이 액체 전해액을 사용한 경우(비교예 3)보다 매우 우수함을 알 수 있다. 이는 화학겔 전지에서는 전해액 용매의 활발한 움직임이 크게 억제되어 전해액 용매와 리튬의 반응을 억제하여 리튬의 손상을 억제하였기 때문으로 생각된다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 리튬 폴리머 이차 전지는 증착된 리튬과 화학겔 폴리머 전해질을 사용하여 사이클 수명 특성을 10%에서 95%로 증가시켰다.

Claims (44)

  1. 기재에 증착된 음극 활물질 층을 포함하는 음극;
    양극 활물질을 포함하는 양극; 및
    리튬염, 유기 용매 및 폴리머를 포함하는 폴리머 전해질
    을 포함하는 리튬 폴리머 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기재는 집전체, 지지 폴리머 필름 및 지지 폴리머 필름에 증착된 집전체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 집전체는 Ni, Ti, Cu, Ag, Au, Pt, Fe, Co, Cr, W, Mo, Al, Mg, K, Na, Ca, Sr, Ba, Si, Ge, Sb, Pb, In 및 Zn로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름에 증착된 집전체의 증착 두께는 50Å 내지 30000Å인 리튬 폴리머 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름에 증착된 집전체의 증착 두께는 60Å 내지 30000Å인 리튬 폴리머 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름에 증착된 집전체의 증착 두께는 75Å 내지 10000Å인 리튬 폴리머 이차 전지.
  7. 제 2 항에 있어서, 지지 폴리머는 녹는점이 80℃ 이상인 리튬 폴리머 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 지지 폴리머는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리설폰으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름은 실리콘 함유 이형제 층을 더욱 포함하는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름의 두께는 1 내지 200㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름의 두께는 2 내지 100㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 지지 폴리머 필름의 두께는 3 내지 50㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 증착된 음극 활물질 층의 두께는 1 내지 100㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 증착된 음극 활물질 층의 두께는 2 내지 90㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 증착된 음극 활물질 층의 두께는 3 내지 80㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 활물질은 리튬 금속, 리튬 금속의 합금 및 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 리튬 금속의 합금 또는 상기 리튬과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질은 Al, Mg, K, Na, Ca, Sr, Ba, Si, Ge, Sb, Pb, In 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 리튬 폴리머 이차 전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 활물질 층 표면에 보호막을 더욱 포함하는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 보호막은 폴리머 물질, 무기 물질 또는 그의 혼합물을 포함하는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 보호막은 단일막 또는 다중막인 리튬 폴리머 이차 전지.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 무기 물질은 LiPON, Li2CO3, Li3N, Li3 PO4 및 Li5PO4인 리튬 폴리머 이차 전지.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 무기 물질을 포함하는 보호막의 두께는 10 내지 20,000Å인 리튬 폴리머 이차 전지.
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 폴리머 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 폴리(비닐아세테이트), 폴리(비닐 부티랄-코-비닐알콜-코-비닐 아세테이트), 폴리(메틸메타크릴레이트-코-에틸 아크릴레이트), 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐클로라이드-코-비닐 아세테이 트, 폴리비닐알콜, 폴리(1-비닐피롤리돈-코-비닐 아세테이트), 셀룰로즈 아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 폴리비닐에테르, 아크릴로니트릴-부타디엔 러버, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 설포네이티드 스티렌/에틸렌-부틸렌/스티렌 트리블럭 폴리머 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 리튬 폴리머 이차 전지.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 폴리머 물질을 포함하는 보호막의 두께는 100Å 내지 10㎛인 리튬 폴리머 이차 전지.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 화합물인 리튬 폴리머 이차 전지.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 2 내지 15로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 또는 이 화합물의 표면에 코팅층을 갖는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
    [화학식 2]
    LiAO2
    [화학식 3]
    LiMn2O4
    [화학식 4]
    LiaNibBcMdO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
    [화학식 4a]
    LiaBcMdO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
    [화학식 4b]
    LiaNibMdO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
    [화학식 4c]
    LiaMdO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ d ≤ 0.1)
    [화학식 5]
    LiaNibCocMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5a]
    LiaCocMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5b]
    LiaNibMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5c]
    LiaNibCocMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5d]
    LiaMndMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5e]
    LiaNibMeO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < b ≤ 0.9, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5f]
    LiaCocMeO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 < c ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 5g]
    LiaMeO2 (0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ e ≤ 0.1)
    [화학식 6]
    LiaAMbO2(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1)
    [화학식 7]
    LiaMn2MbO4(0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1)
    [화학식 8]
    DS2
    [화학식 9]
    LiDS2
    [화학식 10]
    V2O5
    [화학식 11]
    LiV2O5
    [화학식 12]
    LiEO2
    [화학식 13]
    LiNiVO4
    [화학식 14]
    Li(3-x)F2(PO4)3(0 ≤ x ≤ 3)
    [화학식 15]
    Li(3-x)Fe2(PO4)3(0 ≤ x ≤ 2)
    (상기 화학식 2 내지 15에서,
    A는 Co, Ni 및 Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    B는 Co 또는 Mn이고,
    D는 Ti 또는 Mo이고,
    E는 Cr, V, Fe, Sc 및 Y로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    F는 V, Cr, M, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
    M은 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr 및 V로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속 또는 란타나이드 금속 중 하나 이상의 금속이다)
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 무기 유황(S8), Li2Sn(n ≥ 1) 및 카본-설퍼 폴리머[(C2Sx)n, x=2.5-50, n ≥ 2]로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 리튬 폴리머 이차 전지.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함하는 전해액에 폴리머 형성용 화합물과 개시제를 첨가한 전해질 전구체 용액을 사용하여 전지를 조립한 후, 폴리머 반응이 일어나는 온도에서 중합시켜 제조되는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물은 폴리머 형성용 화합물의 말단에 탄소-탄소 이중결합을 1개 이상 갖는 화합물인 리튬 폴리머 이차 전지.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물은 다관능성 아크릴레이트(폴리에스테르 폴리올이 갖는 수산기의 적어도 일부를 (메타) 아크릴산 에스테르에 변환한 폴리에스테르 (메타) 아크릴레이트의 중합체), 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타아크릴레이트, 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트, 폴리(에틸렌 글리콜) 디비닐 에테르 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디비닐 에테르 헥산디올 디아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 모노아크릴레이트, 카프로락톤 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물은 하기 화학식 16 내지 18로 표현되는 화합물 중 하나인 리튬 폴리머 이차 전지.
    [화학식 16]
    Figure 112003039581160-pat00011
    (상기 화학식 16에서, Ra 내지 Rf는 각각 하기 화학식 16a 또는 16b 중 하나이다.
    [화학식 16a]
    Figure 112003039581160-pat00012
    [화학식 16b]
    Figure 112003039581160-pat00013
    [화학식 17]
    Figure 112003039581160-pat00014
    [화학식 18]
    Figure 112003039581160-pat00015
    (상기 화학식 17 내지 18에 있어서, 상기 R5는 H 또는 CH3이고, n은 1 내지 100,000이고, R6는 H 또는 CH3이다.)
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 폴리올은 그 수평균 분자량이 150 내지 100,000이고, 그 수산기가 5 내지 500인 리튬 폴리머 이차 전지.
  33. 제 30 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 폴리올은 하기 화학식 19로 표현되는 히드록시 카르복실산을 축중합 반응하여 제조된 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
    [화학식 19]
    HO-R7-COOH
    (상기 화학식 19에서, R7은 직쇄상 또는 분지상 탄소수 1 내지 20개의 알킬렌기이다.)
  34. 제 30 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 폴리올은 하기 화학식 20으로 표현되는 락톤을 개환중합하고 얻어진 중합체인 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
    [화학식 20]
    Figure 112003039581160-pat00016
    (상기 화학식 20에 있어서, R8은 직쇄상 또는 분지상 탄소수 2 내지 20개의 알킬렌기이다.)
  35. 제 30 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 폴리올은 하기 화학식 21로 표현되는 글리콜과 하기 화학식 22로 표현되는 디카르복실산의 축중합 반응으로 얻어진 중합체인 것인 리튬 폴리머 이차 전지.
    [화학식 21]
    HO-R9-OH
    (상기 화학식 21에서, R9는 직쇄상, 분지상 또는 환구조의 탄소수 2-50개의 탄화수소기를 가지며, 이 탄화수소기는 이중 결합, 방향환, 또는 에테르 결합을 포함한다)
    [화학식 22]
    HOOC-R10-COOH
    (상기 화학식 22에서, R22는 직쇄상, 분지상 또는 환구조의 탄소수 1 내지 20개의 탄화수소기를 가지며, 이 탄화수소기는 이중 결합, 방향환, 또는 에테르 결합을 포함한다.)
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 글리콜은 에틸렌 글리콜 또는 디에틸렌 글리콜이고, 상기 디카르복실산은 아디프산 혹은 호박산인 리튬 폴리머 이차 전지.
  37. 제 1 항에 있어서, 상기 개시제는 분해되어 질소(N2) 또는 이산화탄소(CO2)를 발생하는 화합물인 리튬 폴리머 이차 전지.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 개시제는 디벤조일 퍼옥사이드, 석신산 퍼옥사이드, 디라우로일 퍼옥사이드 및 디데카노일 퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 디아실 퍼옥사이드류; 디큐밀 퍼옥사이드, 디-t-부틸퍼옥사이드 및 2,5-디메틸-2,5-디-(t-부틸퍼옥시) 헥산으로 이루어진 군에서 선택되는 디알킬 퍼옥사이드류; α-큐밀 퍼옥시-네오데카노에이트, 1-1-디메틸-3-하이드록시부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 및 t-부틸 퍼옥시-피발레이트로 이루어진 군에서 선택되는 퍼옥시 에스테르류; 2,5-디하이드로퍼옥시-2,5-디메틸헥산, 큐멘 하이드로퍼옥사이드 및 t-부틸 하이드로퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 3차 알킬 하이드로퍼옥사이드류; 2,2-디-(t-부틸퍼옥시)부탄 및 에틸 3,3-디-(t-부틸퍼옥시)-부틸레이트로 이루어진 군에서 선택되는 퍼옥시 케탈류; 디(n-프로필) 퍼옥시-디카보네이트, 디(sec-부틸)퍼옥시-디카보네이트 및 디(2-에틸헥실)퍼옥시-디카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 퍼옥시디카보네이트류, 아조비스이소부티로니트릴와 같은 아조류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 리튬 폴리머 이차 전지.
  39. 제 1 항에 있어서, 상기 비수성 유기 용매는 벤젠, 톨루엔, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오 로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, R-CN(여기에서, R은 직쇄상, 분지상, 또는 환구조의 탄소수 2-50개의 탄화수소기이고, 이 기는 이중결합, 방향환, 또는 에테르 결합을 포함하고 있어도 좋다), 디메톡시포름아마이드, 메틸아세테이트, 자일렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 사이클로헥사논, 에탄올, 이소프로필알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤 및 설포란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합 전해액인 리튬 폴리머 이차 전지.
  40. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬염은 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(CF3SO3Li), 리튬 비스(트리플루오로메틸) 술폰이미드(LiN(SO2CF3)2) 및 리튬 비스(퍼플루오로에틸술포닐) 이미드(LiN(SO2C2F5)2)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 리튬 폴리머 이차 전지.
  41. 제 28 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물과 전해액의 중량비는 1 : 1 내지 1:1000인 리튬 폴리머 이차 전지.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물과 전해액의 중량비는 1 : 5 내지 1:200인 리튬 폴리머 이차 전지.
  43. 제 28 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물과 개시제의 중량비는 1 : 0.0001 내지 1 : 0.5인 리튬 폴리머 이차 전지.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 폴리머 형성용 화합물과 개시제의 중량비는 1 : 0.001 내지 1 : 0.2인 리튬 폴리머 이차 전지.
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