KR101868574B1 - 리튬 금속 전극재의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 금속 전극재 제조 방법은 금속폼 표면에 리튬을 전착(electro-plating)하는 단계 및 상기 전착된 리튬을 압연하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 리튬 금속 전극재의 제조 방법에 관한 것이다.
전지는 내부에 들어 있는 화학 물질의 전기 화학적 산화ㅇ환원 반응 시 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 전지 내부의 에너지가 모두 소모되면 폐기하여야 하는 일차 전지와 여러 번 충전할 수 있는 이차 전지로 나눌 수 있다. 이 중, 이차 전지는 화학 에너지와 전기 에너지의 가역적 상호 변환을 이용하여 여러 번 충·방전하여 사용할 수 있다.
최근 첨단 전자산업의 발달로 전자 장비의 소형화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이온 전지의 전극재로서 리튬 금속을 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행 중에 있으나, 금속박(metal foil) 위에 리튬을 형성하는 방법을 사용하면, 표면 결함이나 두께 불균일 등이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 비용 상승, 표면 결함 및 두께 불균일 등의 문제없이 리튬 금속 전극재를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 개시로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 금속 전극재 제조 방법은 금속폼 표면에 리튬을 전착(electro-plating)하는 단계 및 상기 전착된 리튬을 압연하는 단계를 포함한다.
상기 금속폼은 Cu, Ni 및 STS(stainless steel) 중 하나일 수 있다.
상기 금속폼은 100 PPI 내지 200 PPI의 기공 크기를 가질 수 있다.
상기 리튬을 전착하는 단계는, 상기 금속폼의 겉보기 면적 기준으로 0.1mA/cm2 내지 10mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 전착할 수 있다.
상기 리튬을 전착하는 단계에서, 상기 리튬 전착용 소재는 양극, 음극 및 전해질을 포함하고, 상기 양극은 리튬 금속재 또는 상기 전해질에 반응성이 없는 흑연을 포함하는 전도체를 사용할 수 있다.
상기 리튬 금속재는, 리튬을 포함하는 금속박(foil) 또는 봉 형태의 금속재를 사용할 수 있다.
상기 리튬 전착용 소재 가운데 상기 전해질은 리튬염을 유기 용매에 녹인 용액을 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 LiClO4, LiNO3, LiTr, LiNO3, LiCl, LiPF6, LiFSI 및 LiTFSI 중에서 1종 또는 그 이상의 조합을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매는 PC, EMC, DEC, FEC, DME, DMC, DEGDME, TEGDME, THF, DOL, DOX 및 EC 중에서 1종 또는 그 이상의 조합을 사용할 수 있다.
상기 전해질은, 상기 리튬염이 0.1M 내지 5.0M 농도로 상기 유기 용매에 녹은 용액을 사용할 수 있다.
상기 전착된 리튬을 50 마이크로미터 이하의 두께로 압연할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 덴드라이트 성장 없이 리튬 이온들의 적층 구조를 구현할 수 있으며, 금속 폼의 높은 비표면적으로 단위 시간당 리튬 전착량을 높일 수 있으므로 생산성 향상을 통한 공정비 저감 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 금속 전극재 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 상기 도 1에서 금속폼 표면에 리튬을 전착 및 압연한 모양을 나타내는 도면이다.
도 3은 구리 포일(copper foil)과 구리폼(copper form)을 사용하여 전착 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 상기 도 1에서 금속폼 표면에 리튬을 전착 및 압연한 모양을 나타내는 도면이다.
도 3은 구리 포일(copper foil)과 구리폼(copper form)을 사용하여 전착 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 폼을 이용한 리튬 금속 전극재의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 금속 전극재 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 리튬 금속 전극재의 제조 방법은 금속폼 표면에 리튬을 전착하는 단계(S100)를 포함한다.
금속폼은 리튬 금속 전극재를 형성하기 위해 리튬을 적층하는 기판으로 사용된다.
금속폼은 금속 재료 내부에 수많은 기포를 가진 다공질(Porous) 금속으로, 크게 개포형(open cell type)과 페포형(closed cell type)으로 구분될 수 있다. 폐포형 발포금속의 경우, 금속 내부의 기포가 연결되지 않고 독립적으로 존재하며, 개포형 발포금속의 경우 재료 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 기체나 유체의 퉁과가 용이하여, 페포형 발포금속에 비하여 그 용도가 다양하다. 본 실시예에서 금속폼은 개포형 발포금속을 사용하는 것이 바람직하다.
금속폼은 단위 체적당 표면적의 비가 매우 크고, 대략 790m2/m3 내지 2740m2/m3일 수 있다. 이때, 금속폼의 기공율은 대략 50% 내지 99%일 수 있고, 초경량이기 위해 기공율이 90% 이상일 수도 있다. 금속폼은 100 PPI 내지 200 PPI의 기공 크기를 가질 수 있다.
금속폼은 Cu, Ni, STS(stainless steel), Fe, Cr, Zn 중에서 어느 하나이거나, 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성될 수도 있다.
상기 금속폼에 리튬을 전착하는 단계에서, 상기 리튬을 전착하기 위한 리튬 전착용 소재는, 양극, 음극 및 전해질을 포함한다. 리튬 전착용 소재의 양극은 리튬 금속재 또는 전기 전도성이 있고 전해질에 반응성이 없는 흑연 등의 전도체를 사용할 수 있다. 이때, 리튬 금속재는 리튬을 포함하는 금속박(foil) 또는 봉 형태의 금속재를 사용할 수 있다.
상기 전착용 소재의 전해질은 리튬염을 유기 용매에 녹인 용액을 사용할 수 있다. 이때, 리튬염은 LiClO4(Lithium perchlorate), LiNO3(Lithium nitrate), LiTr(Lithium trifluoromethanesulfonate), LiNO3(Lithium nitrate), LiCl(Lithium perchlorate), LiPF6(Lithium hexafluorophosphate), LiFSI(Lithium bis(fluoromsulfonyl)imide) 및 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 중에서 1종 또는 그 이상의 조합을 포함할 수 있고, 유기 용매는 PC(Propylene carbonate), EMC(Ethyl methyl carbonate), DEC(Diethyl carbonate), FEC(Fluoroethylene carbonate), DME(1,2-diemthoxyethane), DMC(Dimethyl carbonate), DEGDME(Diethylene glycol dimethyl ether), TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether), THF(Tetrahydrofuran), DOL(1,3-dioxolane), DOX(1,4-dioxane) 및 EC(ethylene carbonate) 중에서 1종 또는 그 이상의 조합을 사용할 수 있다.
상기 전해질은, 상기 리튬염이 0.1M 내지 5.0M 농도로 상기 유기 용매에 녹은 용액을 사용할 수 있다.
이후, 일 실시예에 따른 리튬 금속 전극재의 제조 방법은 전착된 리튬을 포함하는 금속폼을 압연하는 단계(S200)를 포함한다.
금속폼을 압연하여 대략 50 마이크로미터 이하의 두께로 리튬 금속 전극재를 형성할 수 있다. 이때, 리튬 전극 금속재의 두께가 대략 20 마이크로미터 이상이 되도록 제조함으로써, 리튬 두께가 얇아져서 두께 편차 및 표면 결함이 증가하는 등, 품질이 저하되고 공정 수율이 낮아져 제조 비용이 상승하는 문제를 방지할 수 있다.
도 2는 상기 도 1에서 금속폼 표면에 리튬을 전착 및 압연한 모양을 나타내는 도면이다.
도 2를 참고하면, 구리폼의 기공 내에 삽입된 리튬 금속을 확인할 수 있고, 압연에 의해 리튬 금속이 전찬된 금속폼의 두께가 처음 금속폼 두께의 절반 이하로 줄어든 것을 확인할 수 있다.
도 3은 구리 포일(copper foil)과 구리폼(copper form)을 사용하여 전착 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3에 나타난 실험 결과를 얻기 위해 하기와 같이 리튬 금속 양극재를 제조하였다.
[실시예1]
리튬 전착용 소재의 양극은, 리튬을 포함하는 금속 포일(foil)을 사용하였고, 리튬 전착용 소재의 음극은, 리튬 이온이 적층된 금속 포일을 사용하였다. 리튬이 전착되는 모재로서 200 마이크로미터 두께의 구리폼(copper form)을 표면 세척한 후 사용하였다. 전착용 용액은, 1M 농도로 LIFSI 리튬염을 EC(ethylene carbonate)에 용해하여 제조하였다.
전착용 용액이 담겨 있는 전착조에 소정의 간격으로 리튬 전착용 소재의 양극과 음극을 나란히 설치하고, 모재인 구리폼의 겉보기 면적 기준으로 0.1mA/cm2 내지 10mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 전착을 실시하였다.
[비교예1]
12 마이크로미터 두께의 구리 포일(foil)의 양면에 각각 20 마이크로미터의 리튬 금속을 전착하여 리튬 금속 양극재를 형성하였다. 리튬이 전착되는 모재로서 12 마이크로미터 두께의 구리 포일(foil)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 양극재를 제조하였습니다.
도 3을 참고하면, 비교예1과 실시예1에서 얻어진 리튬 금속 양극재를 사용하여 형성된 이차 전지에서, 사이클 테스트를 실시한 결과, 비교예1 대비하여 실시예1에서 계면 저항이 훨씬 감소한 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 금속폼이 3차원 다공성 구조를 가지므로 전극내 전류밀도 균일화가 가능하므로 금속폼에 부착되는 리튬 이온들이 덴드라이트 성장 없이 코팅층을 형성할 수 있다. 따라서, 저비용으로 고품질의 리튬 금속 전극재를 제조할 수 있다.
이상과 같이, 본 개시는 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 개시는 이에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 개시의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
Claims (11)
- 금속폼 표면에 리튬을 전착(electro-plating)하는 단계 및
상기 전착된 리튬을 압연하는 단계를 포함하고,
상기 리튬을 전착하기 위한 소재는 양극, 음극 및 전해질을 포함하고,
상기 양극은 리튬을 포함하는 금속 포일을 사용하고, 상기 음극은 리튬 이온이 적층된 금속 포일을 사용하며,
상기 압연하는 단계에 의해 상기 리튬이 전착된 금속폼의 두께가 처음 금속폼 두께의 절반 이하로 줄어들고, 상기 리튬이 전착된 금속폼의 두께는 20 마이크로미터 이상 50 마이크로미터 이하가 되는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 제1항에서,
상기 금속폼은 Cu, Ni 및 STS(stainless steel) 중 하나인 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 제1항에서,
상기 금속폼은 100 PPI 내지 200 PPI의 기공 크기를 갖는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 제1항에서,
상기 리튬을 전착하는 단계는, 상기 금속폼의 겉보기 면적 기준으로 0.1mA/cm2 내지 10mA/cm2의 전류 밀도로 정전류 전착하는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 리튬을 전착하기 위한 소재 가운데 상기 전해질은 리튬염을 유기 용매에 녹인 용액을 사용하는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 제7항에서,
상기 리튬염은 LiClO4, LiNO3, LiTr, LiNO3, LiCl, LiFSI 및 LiTFSI 중에서 1종 또는 그 이상의 조합을 포함하는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 제7항에서,
상기 유기 용매는 PC, EMC, FEC, DME, DMC, DEGDME, TEGDME, THF, DOL 및 DOX 중에서 1종 또는 그 이상의 조합을 사용하는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 제7항에서,
상기 전해질은, 상기 리튬염이 0.1M 내지 5.0M 농도로 상기 유기 용매에 녹은 용액을 사용하는 리튬 금속 전극재 제조 방법. - 삭제
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