KR102639661B1 - Lithium Secondary Battery - Google Patents
Lithium Secondary Battery Download PDFInfo
- Publication number
- KR102639661B1 KR102639661B1 KR1020180071563A KR20180071563A KR102639661B1 KR 102639661 B1 KR102639661 B1 KR 102639661B1 KR 1020180071563 A KR1020180071563 A KR 1020180071563A KR 20180071563 A KR20180071563 A KR 20180071563A KR 102639661 B1 KR102639661 B1 KR 102639661B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- lithium
- metal
- negative electrode
- secondary battery
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 149
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 71
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 55
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 55
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 16
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 abstract description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 5
- 239000011149 active material Substances 0.000 abstract description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 29
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 28
- -1 aliphatic carboxylate Chemical class 0.000 description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 description 22
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 13
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 9
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 8
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 7
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 7
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 7
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 7
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910003480 inorganic solid Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 6
- 229910021437 lithium-transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 6
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 6
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 5
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 4
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 4
- 150000005676 cyclic carbonates Chemical class 0.000 description 4
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 4
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 3
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound FC1COC(=O)O1 SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010238 LiAlCl 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015015 LiAsF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015044 LiB Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013063 LiBF 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013684 LiClO 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910014689 LiMnO Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910012305 LiPON Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910012513 LiSbF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BEKPOUATRPPTLV-UHFFFAOYSA-N [Li].BCl Chemical compound [Li].BCl BEKPOUATRPPTLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 2
- 125000002573 ethenylidene group Chemical group [*]=C=C([H])[H] 0.000 description 2
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N ethyl propionate Chemical compound CCOC(=O)CC FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- JBFHTYHTHYHCDJ-UHFFFAOYSA-N gamma-caprolactone Chemical compound CCC1CCC(=O)O1 JBFHTYHTHYHCDJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GAEKPEKOJKCEMS-UHFFFAOYSA-N gamma-valerolactone Chemical compound CC1CCC(=O)O1 GAEKPEKOJKCEMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Inorganic materials [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910002102 lithium manganese oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- VLXXBCXTUVRROQ-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido-oxo-(oxomanganiooxy)manganese Chemical group [Li+].[O-][Mn](=O)O[Mn]=O VLXXBCXTUVRROQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000007763 reverse roll coating Methods 0.000 description 2
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007581 slurry coating method Methods 0.000 description 2
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 1,2-butylene carbonate Chemical compound CCC1COC(=O)O1 ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NVJUHMXYKCUMQA-UHFFFAOYSA-N 1-ethoxypropane Chemical compound CCCOCC NVJUHMXYKCUMQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UHOPWFKONJYLCF-UHFFFAOYSA-N 2-(2-sulfanylethyl)isoindole-1,3-dione Chemical compound C1=CC=C2C(=O)N(CCS)C(=O)C2=C1 UHOPWFKONJYLCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LWLOKSXSAUHTJO-UHFFFAOYSA-N 4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound CC1OC(=O)OC1C LWLOKSXSAUHTJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BJWMSGRKJIOCNR-UHFFFAOYSA-N 4-ethenyl-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound C=CC1COC(=O)O1 BJWMSGRKJIOCNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSUWCXHZPFTZSF-UHFFFAOYSA-N 4-ethyl-5-methyl-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound CCC1OC(=O)OC1C LSUWCXHZPFTZSF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AUXJVUDWWLIGRU-UHFFFAOYSA-N 4-propyl-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound CCCC1COC(=O)O1 AUXJVUDWWLIGRU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006245 Carbon black Super-P Substances 0.000 description 1
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001780 ECTFE Polymers 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002227 LISICON Substances 0.000 description 1
- 229910018133 Li 2 S-SiS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018119 Li 3 PO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004176 Li(NiaCObMnc)O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008906 Li2OV2O5—SiO2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009357 Li2S—GeS—Ga2S3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007860 Li3.25Ge0.25P0.75S4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012605 Li3PO(4-3/2w)Nw Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012606 Li3PO(4−3/2w)Nw Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010640 Li6BaLa2Ta2O12 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013189 LiBON Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013733 LiCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910011281 LiCoPO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010941 LiFSI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010833 LiI-Li2S-SiS2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010855 LiI—Li2S—SiS2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010847 LiI—Li3PO4-P2S5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010864 LiI—Li3PO4—P2S5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015645 LiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015644 LiMn 2 - z Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013290 LiNiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XOBKSJJDNFUZPF-UHFFFAOYSA-N Methoxyethane Chemical compound CCOC XOBKSJJDNFUZPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N Methyl propionate Chemical compound CCC(=O)OC RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 229930182556 Polyacetal Natural products 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229920000265 Polyparaphenylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 1
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 1
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M Propionate Chemical compound CCC([O-])=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene Substances 0.000 description 1
- ZYXUQEDFWHDILZ-UHFFFAOYSA-N [Ni].[Mn].[Li] Chemical compound [Ni].[Mn].[Li] ZYXUQEDFWHDILZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KXKVLQRXCPHEJC-UHFFFAOYSA-N acetic acid trimethyl ester Natural products COC(C)=O KXKVLQRXCPHEJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910001420 alkaline earth metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical compound [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000006231 channel black Substances 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000004512 die casting Methods 0.000 description 1
- 238000007607 die coating method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- NJLLQSBAHIKGKF-UHFFFAOYSA-N dipotassium dioxido(oxo)titanium Chemical compound [K+].[K+].[O-][Ti]([O-])=O NJLLQSBAHIKGKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N dipropyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OCCC VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- POLCUAVZOMRGSN-UHFFFAOYSA-N dipropyl ether Chemical compound CCCOCCC POLCUAVZOMRGSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 229940093499 ethyl acetate Drugs 0.000 description 1
- QKBJDEGZZJWPJA-UHFFFAOYSA-N ethyl propyl carbonate Chemical compound [CH2]COC(=O)OCCC QKBJDEGZZJWPJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006242 ethylene acrylic acid copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000006232 furnace black Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000007756 gravure coating Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 1
- 239000006233 lamp black Substances 0.000 description 1
- 229920000092 linear low density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004707 linear low-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 150000002641 lithium Chemical class 0.000 description 1
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 description 1
- RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N lithium nickel Chemical group [Li].[Ni] RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical group [Li+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)cobalt Chemical compound [Li+].[O-][Co]=O BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VROAXDSNYPAOBJ-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)nickel Chemical group [Li+].[O-][Ni]=O VROAXDSNYPAOBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004750 melt-blown nonwoven Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 description 1
- VNKYTQGIUYNRMY-UHFFFAOYSA-N methoxypropane Chemical compound CCCOC VNKYTQGIUYNRMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940017219 methyl propionate Drugs 0.000 description 1
- KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N methyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OC KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N n-Propyl acetate Natural products CCCOC(C)=O YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- 239000010450 olivine Substances 0.000 description 1
- 229910052609 olivine Inorganic materials 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002493 poly(chlorotrifluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920001748 polybutylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000005023 polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) polymer Substances 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920006380 polyphenylene oxide Polymers 0.000 description 1
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 1
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 229940090181 propyl acetate Drugs 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006234 thermal black Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 description 1
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
- PAPBSGBWRJIAAV-UHFFFAOYSA-N ε-Caprolactone Chemical compound O=C1CCCCCO1 PAPBSGBWRJIAAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0438—Processes of manufacture in general by electrochemical processing
- H01M4/044—Activating, forming or electrochemical attack of the supporting material
- H01M4/0445—Forming after manufacture of the electrode, e.g. first charge, cycling
- H01M4/0447—Forming after manufacture of the electrode, e.g. first charge, cycling of complete cells or cells stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
본 발명은 음극 프리 전지로 제조되어 충전에 의해 음극 상에 리튬 금속을 형성한 리튬 이차전지에 관한 것이다. 상기 리튬 이차전지는 대기와 차단된 상태에서 리튬 금속을 형성하여, 종래 음극 상에 형성되는 표면 산화막(native layer)의 생성이 원천적으로 일어나지 않아, 이에 따른 전지의 효율 및 수명 특성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차전지는 별도의 활물질층이 형성되지 않은 3차원 구조 음극 일면에 금속이 형성되어 유발되는 음극 양면의 전위차로 인하여 리튬 이온이 상기 음극 일면의 금속으로 이동하는 현상으로 인하여 리튬 덴드라이트 성장을 억제할 수 있다.The present invention relates to a lithium secondary battery manufactured as a negative electrode-free battery and forming lithium metal on the negative electrode by charging. The lithium secondary battery forms lithium metal in a state blocked from the atmosphere, so that the surface oxide film (native layer) formed on the conventional negative electrode does not naturally occur, thereby preventing a decrease in the efficiency and lifespan characteristics of the battery. there is. In addition, the lithium secondary battery has a three-dimensional structure in which a separate active material layer is not formed, and a metal is formed on one side of the negative electrode. Due to the potential difference between both sides of the negative electrode, lithium ions move to the metal on one side of the negative electrode, forming lithium dendrites. It can inhibit growth.
Description
본 발명은 기공이 형성된 3차원 구조의 음극을 이용한 음극 프리(anode free) 구조의 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery with an anode-free structure using a three-dimensional anode with pores.
최근 휴대 전화, 무선 가전 기기, 전기 자동차에 이르기까지 전지를 필요로 하는 다양한 기기들이 개발되고 있으며, 이러한 기기들의 개발에 따라 이차 전지에 대한 수요 역시 증가하고 있다. 특히, 전자 제품의 소형화 경향과 더불어 이차 전지도 경량화 및 소형화되고 있는 추세이다.Recently, various devices that require batteries have been developed, ranging from mobile phones, wireless home appliances, and electric vehicles, and with the development of these devices, demand for secondary batteries is also increasing. In particular, along with the trend toward miniaturization of electronic products, secondary batteries are also becoming lighter and smaller.
이러한 추세에 부합하여 최근 리튬 금속을 활물질로 적용하는 리튬 이차전지가 각광을 받고 있다. 리튬 금속은 산화환원전위가 낮고(표준수소전극에 대해 -3.045 V) 중량 에너지 밀도가 크다는(3,860 mAhg-1) 특성을 가지고 있어 고용량 이차전지의 음극 재료로 기대되고 있다.In line with this trend, lithium secondary batteries that use lithium metal as an active material have recently been in the spotlight. Lithium metal has the characteristics of low redox potential (-3.045 V relative to a standard hydrogen electrode) and high weight energy density (3,860 mAhg -1 ), so it is expected to be a negative electrode material for high-capacity secondary batteries.
그러나 리튬 금속을 전지 음극으로 이용하는 경우 일반적으로 평면상의 집전체 상에 리튬 호일을 부착시킴으로써 전지를 제조하는데, 리튬은 알칼리 금속으로서 반응성이 크기 때문에 물과 폭발적으로 반응하고, 대기 중의 산소와도 반응하므로 일반적인 환경에서 제조 및 이용이 어려운 단점이 있다. 특히, 리튬 금속이 대기에 노출될 때 산화의 결과로 LiOH, Li2O, Li2CO3 등의 산화막을 갖는다. 표면 산화막(native layer)이 표면에 존재할 때, 산화막이 절연막으로 작용하여 전기 전도도가 낮아지고, 리튬 이온의 원활한 이동을 저해하여 전기 저항이 증가하는 문제가 발생한다.However, when lithium metal is used as a battery negative electrode, the battery is generally manufactured by attaching lithium foil to a flat current collector. Since lithium is an alkali metal and is highly reactive, it reacts explosively with water and also reacts with oxygen in the atmosphere. It has the disadvantage of being difficult to manufacture and use in a general environment. In particular, when lithium metal is exposed to the atmosphere, it forms oxide films such as LiOH, Li 2 O, and Li 2 CO 3 as a result of oxidation. When a surface oxide film (native layer) is present on the surface, the oxide film acts as an insulating film, lowering electrical conductivity, and impeding the smooth movement of lithium ions, resulting in increased electrical resistance.
이와 같은 이유로, 리튬 음극을 형성하는데 진공 증착 공정을 수행하여 리튬 금속의 반응성으로 인한 표면 산화막 형성 문제점이 일부 개선되었으나, 여전히 전지 조립 과정에서는 대기에 노출되며, 표면 산화막 형성의 원천적인 억제는 불가능한 실정이다. 이에, 리튬 금속을 사용하여 에너지 효율을 높이면서도 리튬의 반응성 문제를 해결할 수 있고 공정을 보다 더 간단하게 할 수 있는 리튬 금속 전극의 개발이 요구된다.For this reason, the problem of surface oxide film formation due to the reactivity of lithium metal has been partially improved by performing a vacuum deposition process to form the lithium cathode, but it is still exposed to the atmosphere during the battery assembly process, and it is impossible to fundamentally suppress the formation of the surface oxide film. am. Accordingly, there is a need for the development of a lithium metal electrode that can solve the problem of lithium's reactivity and simplify the process while increasing energy efficiency by using lithium metal.
이와 같은 이유로, 리튬 음극을 형성하는데 진공 증착 공정을 수행하여 리튬 금속의 반응성으로 인한 표면 산화막 형성 문제점이 일부 개선되었으나, 여전히 전지 조립 과정에서는 대기에 노출되며, 표면 산화막 형성의 원천적인 억제는 불가능한 실정이다. 이에, 리튬 금속을 사용하여 에너지 효율을 높이면서도 리튬의 반응성 문제를 해결할 수 있고 공정을 보다 더 간단하게 할 수 있는 리튬 금속 전극의 개발이 요구된다.For this reason, the problem of surface oxide film formation due to the reactivity of lithium metal has been partially improved by performing a vacuum deposition process to form the lithium cathode, but it is still exposed to the atmosphere during the battery assembly process, and it is impossible to fundamentally suppress the formation of the surface oxide film. am. Accordingly, there is a need for the development of a lithium metal electrode that can solve the problem of lithium's reactivity and simplify the process while increasing energy efficiency by using lithium metal.
상기한 문제를 해결하기 위해 본 발명자들은 다각적으로 연구를 수행한 결과, 전지 조립시 리튬 금속의 대기와의 접촉을 원천적으로 차단할 수 있도록 전지 조립 이후 충전에 의해 양극 활물질로부터 이송된 리튬 이온에 의해 음극 상에 리튬 금속을 형성할 수 있는 음극 프리(anode free) 전지 구조를 설계하였으며, 상기 리튬 금속을 안정적으로 형성할 수 있는 3차원 구조의 음극을 개발하였다.In order to solve the above problem, the present inventors conducted research from various angles and found that the lithium ions transferred from the positive electrode active material through charging after battery assembly can be fundamentally blocked from contact of lithium metal with the atmosphere during battery assembly. An anode-free battery structure capable of forming lithium metal was designed, and a three-dimensional anode structure capable of stably forming the lithium metal was developed.
이에 본 발명의 목적은 리튬 금속의 반응성에 의한 문제와 조립 과정에서 발생하는 문제점을 해결하여 성능 및 수명이 향상된 리튬 이차전지를 제공하는 데 있다.Accordingly, the purpose of the present invention is to provide a lithium secondary battery with improved performance and lifespan by solving problems caused by the reactivity of lithium metal and problems occurring during the assembly process.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 양극, 음극, 이들 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 분리막과 마주보는 상면의 반대편에 위치한 하면에 형성된 금속을 포함하고, 기공이 형성된 3차원 구조를 가지며, 충전에 의해 상기 양극으로부터 리튬 이온이 이동되어 음극 상에 리튬 금속을 형성하는, 리튬 이차전지를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between them, and an electrolyte, wherein the negative electrode includes a metal formed on the lower surface located opposite to the upper surface facing the separator, Provided is a lithium secondary battery, which has a three-dimensional structure with pores and in which lithium ions are moved from the positive electrode by charging to form lithium metal on the negative electrode.
이때 상기 리튬 금속은 4.5 V 내지 2.5 V의 전압으로 1 회 충전을 통해 형성된다.At this time, the lithium metal is formed through one-time charging at a voltage of 4.5 V to 2.5 V.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 음극 상에 리튬 금속이 형성되는 과정을 통해 대기와 차단된 상태로 코팅되므로, 따라서 리튬 금속의 대기 중 산소 및 수분으로 인한 표면 산화막의 형성을 억제할 수 있으며, 결과적으로 사이클 수명 특성 향상되는 효과가 있다. The lithium secondary battery according to the present invention is coated in a state blocked from the atmosphere through the process of forming lithium metal on the negative electrode, thus suppressing the formation of a surface oxide film due to oxygen and moisture in the atmosphere of lithium metal, resulting in This has the effect of improving cycle life characteristics.
또한, 본 발명에 따르면, 기공이 형성된 3차원 구조 음극에서, 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 증착된 시드 금속으로 인해, 상기 하면은 상면에 비해 낮은 환원 전위를 가지게 된다. 이에 따라 형성되는 상기 3차원 구조 음극의 상면과 하면의 전위차로 인하여, 리튬 이온이 음극의 하면으로 이동하게 되어 리튬 덴드라이트의 성장을 방지할 수 있다.In addition, according to the present invention, in the three-dimensional structure cathode with pores, the seed metal deposited on the lower surface located opposite to the upper surface facing the separator causes the lower surface to have a lower reduction potential than the upper surface. Due to the potential difference between the upper and lower surfaces of the three-dimensional structure negative electrode formed accordingly, lithium ions move to the lower surface of the negative electrode, thereby preventing the growth of lithium dendrites.
또한, 본 발명에 따른 3차원 구조 음극에서 리튬 덴드라이트의 성장이 방지됨에 따라, 상기 3차원 구조 음극을 리튬 이차전지에 적용시 사이클 수명과 같은 전지 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, as the growth of lithium dendrites is prevented in the three-dimensional structure negative electrode according to the present invention, battery performance such as cycle life can be improved when the three-dimensional structure negative electrode is applied to a lithium secondary battery.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+)의 이동을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전이 완료된 후의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제2 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+)의 이동을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 제2 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전이 완료된 후의 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 음극의 모식도를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a lithium secondary battery manufactured according to a first embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the movement of lithium ions (Li + ) during initial charging of a lithium secondary battery manufactured according to the first embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram after initial charging of a lithium secondary battery manufactured according to the first embodiment of the present invention is completed.
Figure 4 is a schematic diagram of a lithium secondary battery manufactured according to a second embodiment of the present invention.
Figure 5 is a schematic diagram showing the movement of lithium ions (Li + ) during initial charging of a lithium secondary battery manufactured according to the second embodiment of the present invention.
Figure 6 is a schematic diagram after initial charging of a lithium secondary battery manufactured according to the second embodiment of the present invention is completed.
Figure 7 shows a schematic diagram of the cathode according to the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to this specification.
도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.In the drawings, parts unrelated to the description are omitted in order to clearly explain the present invention, and similar reference numerals are used for similar parts throughout the specification. Additionally, the sizes and relative sizes of components shown in the drawings are unrelated to actual scale and may be reduced or exaggerated for clarity of explanation.
본 명세서에서 사용된 3차원 구조 음극의 상면(top)은 상기 3차원 구조 음극의 일면으로서, 분리막과 마주보는 면을 의미한다.The top of the three-dimensional structure cathode used in this specification refers to one side of the three-dimensional structure cathode and the side facing the separator.
본 명세서에서 사용된 3차원 구조 음극의 하면(bottom)은 상기 3차원 구조 음극의 다른 일면으로서, 분리막과 마주보는 면, 즉, 상면의 반대면을 의미한다.The bottom of the three-dimensional structure cathode used in this specification refers to the other side of the three-dimensional structure cathode, and refers to the side facing the separator, that is, the opposite side of the top surface.
본 발명에서 사용된 용어 "음극 프리(anode free) 전지"는 일반적으로 음극에 포함된 음극 합제가 전지의 충방전에 의해 형성되는 형태를 가지는 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 의미한다. 이때, 애노드는 음극(negative electrode)과 동일한 의미이다.The term “anode free battery” used in the present invention generally refers to a lithium secondary battery including a negative electrode in a form in which the negative electrode mixture contained in the negative electrode is formed by charging and discharging the battery. At this time, anode has the same meaning as a negative electrode.
즉, 본 발명에 있어서 음극 프리 전지라 함은, 최초 조립 시에는 음극 집전체 상에 음극이 형성되지 않는 음극 프리인 전지일 수 있고, 사용에 따라서 음극 집전체 상에 음극이 형성되어 음극이 있을 수도 있는 전지를 모두 포함하는 개념일 수 있다.That is, in the present invention, a negative electrode-free battery may be a negative electrode-free battery in which a negative electrode is not formed on the negative electrode current collector upon initial assembly, and a negative electrode may be formed on the negative electrode current collector depending on use. It may be a concept that includes all batteries that can be used.
또한, 본 발명의 음극에 있어서, 음극 집전체 상에 음극 합제로서 형성되는 리튬 금속의 형태는, 리튬 금속이 층으로 형성된 형태와, 리튬 금속이 층으로 형성된 것이 아닌 구조(예를 들어 리튬 금속이 입자 형태로 뭉쳐진 구조)를 모두 포함한다.In addition, in the negative electrode of the present invention, the form of the lithium metal formed as a negative electrode mixture on the negative electrode current collector includes a form in which the lithium metal is formed in a layer, and a structure in which the lithium metal is not formed in a layer (for example, a structure in which the lithium metal is not formed in a layer) Includes all structures (structures aggregated in the form of particles).
이하, 본 발명에서는 리튬 금속이 층으로 형성된 리튬금속층의 형태를 기준으로 설명하나, 이러한 설명이 리튬 금속이 층으로 형성된 것이 아닌 구조를 제외하는 것은 아니라는 점은 명확하다.Hereinafter, the present invention will be described based on the form of the lithium metal layer formed in layers of lithium metal, but it is clear that this description does not exclude structures in which lithium metal is not formed in layers.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 단면도로, 양극 집전체(11) 및 양극 합제(12)를 포함하는 양극(10); 분리막(30)과 마주보는 상면(21)의 반대편에 위치한 하면(22)에 형성된 금속(23)을 포함하고, 기공이 형성된 3차원 구조를 가지는 음극(20); 및 이들 사이에 개재되는 분리막(30) 및 전해질(미도시)을 구비한다.1 is a cross-sectional view of a lithium secondary battery manufactured according to a first embodiment of the present invention, including a positive electrode 10 including a positive electrode current collector 11 and a positive electrode mixture 12; A cathode 20 including a metal 23 formed on a lower surface 22 located on the opposite side of the upper surface 21 facing the separator 30 and having a three-dimensional structure with pores; and a separator 30 and an electrolyte (not shown) interposed between them.
리튬 이차전지의 음극은 음극 집전체 상에 음극이 형성되는 것이 통상적이나, 본 발명에서는 분리막(30)과 마주보는 상면(21)의 반대편에 위치한 하면(22)에 형성된 금속(23)을 포함하고, 기공이 형성된 3차원 구조를 가지는 음극(20)을 이용하여 음극 프리 전지 구조로 조립한 후, 충전에 의해 양극 합제(12)로부터 방출되는 리튬 이온이 음극(20) 상에 음극 합제로서 리튬 금속(미도시)을 형성함에 따라 공지의 음극 집전체/음극 합제의 구성을 갖는 음극을 형성하여 통상의 리튬 이차전지의 구성을 이룬다. The negative electrode of a lithium secondary battery is usually formed on a negative electrode current collector, but in the present invention, it includes a metal 23 formed on the lower surface 22 located on the opposite side of the upper surface 21 facing the separator 30. After assembling a negative electrode-free battery structure using a negative electrode 20 having a three-dimensional structure with pores, lithium ions released from the positive electrode mixture 12 by charging are deposited on the negative electrode 20 as lithium metal as a negative electrode mixture. By forming (not shown), a negative electrode having a composition of a known negative electrode current collector/negative electrode mixture is formed, forming a typical lithium secondary battery.
도 2는 본 발명의 제1 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+)의 이동을 나타내는 모식도이고, 도 3은 본 발명의 제1 구현예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전이 완료된 후의 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the movement of lithium ions (Li + ) during initial charging of a lithium secondary battery manufactured according to the first embodiment of the present invention, and Figure 3 is a schematic diagram showing the movement of lithium ions (Li + ) manufactured according to the first embodiment of the present invention. This is a schematic diagram after the initial charging of the secondary battery is completed.
도 2와 도 3을 참고하여 설명하면, 음극 프리 전지 구조를 갖는 리튬 이차전지에 일정 수준 이상의 전압을 인가하여 충전을 진행하면, 양극(10) 내 양극 합제(12)로부터 리튬 이온이 탈리되고, 이는 분리막(30)을 통과하여 음극(20) 측으로 이동하고, 상기 음극(20) 상에 순수하게 리튬으로만 이루어진 리튬 금속(24)을 형성하여 음극(20)을 이룬다. 특히, 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속 또는 준금속으로 이루어진 금속 입자를 사용하여 상기 리튬 금속(24)의 형성을 보다 용이하게 하며, 보다 조밀한 박막 구조를 형성할 수 있다.2 and 3, when charging is performed by applying a voltage above a certain level to a lithium secondary battery having a negative electrode-free battery structure, lithium ions are desorbed from the positive electrode mixture 12 in the positive electrode 10, This passes through the separator 30 and moves toward the cathode 20, and forms lithium metal 24 made purely of lithium on the cathode 20 to form the cathode 20. In particular, the use of metal particles made of a metal or metalloid that can form an alloy with lithium makes it easier to form the lithium metal 24 and forms a more dense thin film structure.
이러한 충전을 통한 리튬 금속(24)의 형성은 종래 음극(20) 상에 리튬 금속(24)을 스퍼터링하거나 리튬 호일과 음극(20)를 합지 하는 음극과 비교할 때, 박막의 층을 형성할 수 있으며, 계면 특성의 조절이 매우 용이하다는 이점이 있다. 또한, 음극(20)에 적층되는 리튬 금속(24)의 결합 세기가 크고 안정하기 때문에 방전을 통해 다시 이온화 상태로 인해 음극(20)으로부터 제거되는 문제가 발생하지 않는다. The formation of lithium metal 24 through this charging can form a thin film layer compared to the conventional cathode that sputters lithium metal 24 on the cathode 20 or combines lithium foil and the cathode 20. , there is an advantage that it is very easy to control the interface properties. In addition, since the bonding strength of the lithium metal 24 stacked on the cathode 20 is large and stable, the problem of being removed from the cathode 20 due to ionization again through discharge does not occur.
특히, 음극 프리 전지 구조로 형성하여 전지 조립 과정 중 리튬 금속이 대기 중에 노출이 전혀 발생하지 않아, 종래 리튬 자체의 높은 반응성으로 인한 표면의 산화막 형성 및 이에 따른 리튬 이차전지의 수명 저하와 같은 문제를 원천적으로 차단할 수 있다. In particular, by forming a negative electrode-free battery structure, lithium metal is not exposed to the atmosphere at all during the battery assembly process, eliminating problems such as the formation of an oxide film on the surface due to the high reactivity of conventional lithium itself and the resulting decrease in the lifespan of lithium secondary batteries. It can be blocked fundamentally.
한편, 본 발명의 제2 구현예에 따른 리튬 이차전지는 음극 중 분리막(60)과 접하는 면에 보호막(55)이 추가로 형성될 수 있다. 구체적으로, 음극 중 음극 집전체(51) 상에 분리막(60)과 접하는 면에 보호막(55)을 형성할 수 있다. Meanwhile, in the lithium secondary battery according to the second embodiment of the present invention, a protective film 55 may be additionally formed on the side of the negative electrode that is in contact with the separator 60. Specifically, a protective film 55 may be formed on the negative electrode current collector 51 of the negative electrode on the surface in contact with the separator 60.
이렇게, 보호막(55)을 형성할 경우 리튬 금속(23)은 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 양극 합제(43)로부터 이송된 리튬 이온이 보호막(55)을 통과하여 음극(50) 상에 형성한다. In this way, when forming the protective film 55, the lithium metal 23 is formed on the cathode 50 by passing the lithium ions transferred from the positive electrode mixture 43 through the protective film 55, as shown in FIGS. 4 and 5. form
이에 보호막(55)은 리튬 이온의 전달이 원활히 이뤄질 수 있는 것이면 어느 것이든 가능하고, 리튬 이온 전도성 고분자 및/또는 무기 고체 전해질에 사용하는 재질이 사용될 수 있으며, 필요한 경우 리튬염을 더 포함할 수 있다. Accordingly, the protective film 55 can be made of any material that can facilitate the transfer of lithium ions, and can be made of materials used in lithium ion conductive polymers and/or inorganic solid electrolytes, and can further contain lithium salts if necessary. there is.
리튬 이온 전도성 고분자로서, 예컨대 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 풀루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌(PVDF-HFP), LiPON, Li3N, LixLa1 -xTiO3(0 < x < 1) 및 Li2S-GeS-Ga2S3로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 리튬 이온 전도성을 지닌 고분자라면 제한되지 않고 사용이 가능하다.Lithium ion conductive polymers, such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyvinylidene fluoride-hexafluoride. Propylene (PVDF-HFP), LiPON, Li 3 N, LixLa 1 -x TiO 3 (0 < x < 1) and Li 2 S-GeS-Ga 2 S 3 or any two of them. It may be made of the above mixture, but is not limited to this, and any polymer with lithium ion conductivity can be used without limitation.
리튬 이온 전도성 고분자를 이용한 보호막(55)의 형성은 상기 리튬 이온 전도성 고분자를 용매에 용해 또는 팽윤시킨 코팅액을 제조한 다음 음극(51)에 도포한다. To form the protective film 55 using a lithium ion conductive polymer, a coating solution is prepared by dissolving or swelling the lithium ion conductive polymer in a solvent and then applying it to the cathode 51.
음극(51)에 도포하는 방법으로는 재료의 특성 등을 감안하여 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 보호층 조성물을 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수도 있다. 이 밖에도, 딥 코팅(dip coating), 그라비어 코팅(gravure coating), 슬릿 다이 코팅(slit die coating), 스핀 코팅(spin coating), 콤마 코팅(comma coating), 바 코팅(bar coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 스크린 코팅(screen coating), 캡 코팅(cap coating) 방법 등을 수행하여 제조할 수 있다. 이때 상기 음극 집전체(51)는 앞서 설명한 바와 동일하다.The method of applying to the cathode 51 can be selected from known methods or a new appropriate method taking into account the characteristics of the material, etc. For example, it is desirable to distribute the polymer protective layer composition on the current collector and then uniformly disperse it using a doctor blade or the like. In some cases, a method of executing the distribution and dispersion process as a single process may be used. In addition, dip coating, gravure coating, slit die coating, spin coating, comma coating, bar coating, and reverse roll coating. It can be manufactured by performing reverse roll coating, screen coating, cap coating methods, etc. At this time, the negative electrode current collector 51 is the same as described above.
이후 음극(51) 위에 형성된 보호막(55)에 대해 건조 공정이 실시될 수 있으며, 이때 건조 공정은 상기 리튬 이온 전도성 고분자에서 사용된 용매의 종류에 따라 80 내지 120℃의 온도에서의 가열처리 또는 열풍 건조 등의 방법에 의해 실시될 수 있다.Afterwards, a drying process may be performed on the protective film 55 formed on the cathode 51. In this case, the drying process may be performed by heat treatment at a temperature of 80 to 120° C. or hot air depending on the type of solvent used in the lithium ion conductive polymer. It can be carried out by methods such as drying.
이때 적용되는 용매는 리튬 이온 전도성 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 바람직하다. 이는 혼합이 균일하게 이루어질 수 있으며, 이후 용매를 용이하게 제거할 수 있기 때문이다. 구체적으로, N,N'-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide: DMAc), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide: DMSO), N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide: DMF), 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합물을 용매로 사용할 수 있다.The solvent applied at this time has a solubility index similar to that of the lithium ion conductive polymer and preferably has a low boiling point. This is because mixing can be done uniformly and the solvent can be easily removed afterwards. Specifically, N,N'-dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), acetone ( acetone), tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Cyclohexane, water, or mixtures thereof can be used as a solvent.
상기 리튬 이온 전도성 고분자를 사용할 경우 리튬 이온 전도도를 더욱 높이기 위해, 이러한 목적으로 사용되는 물질을 더욱 포함할 수 있다.When using the lithium ion conductive polymer, in order to further increase lithium ion conductivity, materials used for this purpose may be further included.
일례로, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, (FSO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬이미드 등의 리튬염을 더욱 포함할 수 있다.For example, 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 3 Li, LiSCN, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (FSO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenyl borate, lithium imide It may further include lithium salts such as the like.
무기 고체 전해질은 세라믹 계열의 재료로, 결정성 또는 비결정성 재질이 사용될 수 있으며, Thio-LISICON(Li3 . 25Ge0 .25P0. 75S4), Li2S-SiS2, LiI-Li2S-SiS2, LiI-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-P2O5, LiI-Li3PO4-P2S5, Li2S-P2S5, Li3PS4, Li7P3S11, Li2O-B2O3, Li2O-B2O3-P2O5, Li2O-V2O5-SiO2, Li2O-B2O3, Li3PO4, Li2O-Li2WO4-B2O3, LiPON, LiBON, Li2O-SiO2, LiI, Li3N, Li5La3Ta2O12, Li7La3Zr2O12, Li6BaLa2Ta2O12, Li3PO(4-3/2w)Nw (w는 w<1), Li3 . 6Si0 .6P0. 4O4 등의 무기 고체 전해질이 가능하다. 이때 무기 고체 전해질의 사용시 필요한 경우 리튬염을 더욱 포함할 수 있다.The inorganic solid electrolyte is a ceramic-based material, and crystalline or amorphous materials can be used, including Thio-LISICON (Li 3 . 25 Ge 0 .25 P 0. 75 S 4 ), Li 2 S-SiS 2 , LiI- Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 SP 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 2 OB 2 O 3 , Li 2 OB 2 O 3 -P 2 O 5 , Li 2 OV 2 O 5 -SiO 2 , Li 2 OB 2 O 3 , Li 3 PO 4 , Li 2 O -Li 2 WO 4 -B 2 O 3 , LiPON, LiBON, Li 2 O-SiO 2 , LiI, Li 3 N, Li 5 La 3 Ta 2 O12, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 3 PO (4-3/2w) Nw (w is w<1), Li 3 . Inorganic solid electrolytes such as 6 Si 0.6 P 0.4 O 4 are possible . At this time, when using an inorganic solid electrolyte, lithium salt may be further included if necessary.
상기 무기 고체 전해질은 바인더 등의 공지의 물질들과 혼합하여 슬러리 코팅을 통해 후막 형태로 적용할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 스퍼터링 등의 증착 공정을 통해 박막 형태의 적용이 가능하다. 상기 사용하는 슬러리 코팅 방식은 상기 리튬 이온 전도성 고분자에서 언급한 바의 코팅 방법, 건조 방법 및 용매의 내용에 의거하여 적절히 선택할 수 있다.The inorganic solid electrolyte can be mixed with known materials such as binders and applied in the form of a thick film through slurry coating. Additionally, if necessary, it can be applied in the form of a thin film through a deposition process such as sputtering. The slurry coating method used can be appropriately selected based on the contents of the coating method, drying method, and solvent as mentioned in the lithium ion conductive polymer.
전술한 바의 리튬 이온 전도성 고분자 및/또는 무기 고체 전해질을 포함하는 보호막(55)은 리튬 이온 전달 속도를 높여 리튬 금속(51)의 형성을 용이하게 하는 것과 동시에, 리튬 금속(51)/음극(50)을 음극으로 사용할 경우 발생하는 리튬 덴드라이트의 생성을 억제 또는 방지하는 효과를 동시에 확보할 수 있다. The protective film 55 containing the lithium ion conductive polymer and/or inorganic solid electrolyte as described above facilitates the formation of the lithium metal 51 by increasing the lithium ion transfer rate and at the same time forms the lithium metal 51/cathode ( When 50) is used as a cathode, the effect of suppressing or preventing the formation of lithium dendrites that occurs can be simultaneously secured.
상기 효과를 확보하기 위해, 보호막(55)의 두께 한정이 필요하다. In order to ensure the above effect, it is necessary to limit the thickness of the protective film 55.
보호막(55)의 두께가 낮을수록 전지의 출력특성에 유리하나, 일정 두께 이상으로 형성되어야만 이후 음극 집전체(51) 상에 형성되는 리튬과 전해질과의 부반응을 억제할 수 있고, 나아가 덴드라이트 성장을 효과적으로 차단할 수 있다. 본 발명에서는, 상기 보호막(55)의 두께는 바람직하게 10nm 내지 50㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 100nm 내지 50㎛일 수 있으며, 가장 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 보호막(55)의 두께가 상기 범위 미만이면 과충전 또는 고온 저장 등의 조건에서 증가되는 리튬과 전해질 간의 부반응 및 발열반응을 효과적으로 억제하지 못하여 안전성 향상을 이룰 수 없고, 또 상기 범위를 초과할 경우, 리튬 이온 전도성 고분자의 경우 보호막(55)의 조성이 전해액에 의해 함침 또는 팽윤되는데 장시간이 요구되고, 리튬 이온의 이동이 저하되어 전체적인 전지 성능 저하의 우려가 있다. The lower the thickness of the protective film 55, the more advantageous it is for the output characteristics of the battery, but only when it is formed at a certain thickness or more can the side reaction between lithium and the electrolyte formed on the negative electrode current collector 51 be suppressed, and further dendrite growth. can be effectively blocked. In the present invention, the thickness of the protective film 55 may preferably be 10 nm to 50 μm, more preferably 100 nm to 50 μm, and most preferably 1 μm to 50 μm. If the thickness of the protective film 55 is less than the above range, it is not possible to effectively suppress the side reaction and exothermic reaction between lithium and the electrolyte, which increases under conditions such as overcharging or high temperature storage, and thus safety cannot be improved, and if it exceeds the above range, the lithium In the case of ion conductive polymers, a long time is required for the composition of the protective film 55 to be impregnated or swollen with an electrolyte solution, and the movement of lithium ions is reduced, which may lead to a decrease in overall battery performance.
상기 제2 구현예의 리튬 이차전지는 보호막(55)을 제외한 나머지 구성에 대해서는, 제1 구현예에서 언급한 내용을 따른다.The lithium secondary battery of the second embodiment follows the contents mentioned in the first embodiment with respect to the remaining configuration except for the protective film 55.
본 발명에 따른 음극은 분리막과 마주보는 상면의 반대편에 위치한 하면에 형성된 금속을 포함하며, 기공이 형성되어 3차원 구조(3 dimension structure)를 가지며, 리튬 프리 이차전지에 적용시 음극 집전체 역할도 동시에 할 수 있다.The negative electrode according to the present invention includes a metal formed on the lower surface located opposite to the upper surface facing the separator, has pores formed and has a three-dimensional structure, and also serves as a negative electrode current collector when applied to a lithium-free secondary battery. You can do it at the same time.
도 7은 본 발명에 따른 음극의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 7 shows a schematic diagram of the cathode according to the present invention.
도 7을 참조하면, 음극(20)은 기공이 형성된 3차원 구조를 가지고, 양면, 즉, 상면(21)과 하면(22)을 포함하며, 하면(22)에 금속(23)이 형성될 수 있다. 이때, 상면(21)과 하면(22)은 앞서 정의한 바와 같이, 음극(20)를 전지에 적용시 분리막(30)과 마주보는지 여부에 따라 구분한 것이다. Referring to FIG. 7, the cathode 20 has a three-dimensional structure with pores and includes two sides, that is, an upper surface 21 and a lower surface 22, and a metal 23 can be formed on the lower surface 22. there is. At this time, as defined above, the upper surface 21 and the lower surface 22 are divided depending on whether the cathode 20 faces the separator 30 when applied to the battery.
금속(23)이 3차원 구조 집전체20)의 하면(22)에만 형성되고, Li 이 환원되어 핵성장 시 집전체보다 금속(23)에서 생성될 때 필요한 에너지가 적기 때문에 금속(23)에서 Li이 먼저 환원되고 이 때 하면에 생성된 Li (Li 기준, 0V) 과 상면(3V)과의 전위차가 발생되며, 상면(21)과 하면(22)의 전위차에 의해 리튬이온은 3차원 구조 집전체(20)의 하면(22)으로 이동하게 되므로, 금속(23)은 리튬 이온의 이동 및 성장을 유도하는 시드 금속이라고 할 수 있다.Since the metal 23 is formed only on the lower surface 22 of the three-dimensional structure current collector 20, and when Li is reduced and generated in the metal 23 than in the current collector during nuclear growth, less energy is required to generate Li in the metal 23. This is reduced first, and at this time, a potential difference is generated between the Li (Li standard, 0V) generated on the lower surface and the upper surface (3V). By the potential difference between the upper surface (21) and the lower surface (22), lithium ions form a three-dimensional structure current collector. Since it moves to the lower surface 22 of (20), the metal 23 can be said to be a seed metal that induces the movement and growth of lithium ions.
금속(23)은 음극(20)의 하면(22)에 증착된 금속 입자의 형태일 수 있다.The metal 23 may be in the form of metal particles deposited on the lower surface 22 of the cathode 20.
금속(23)은 전극 집전체에 비해 전극 활물질과의 과전압이 작은 금속; 또는 전극 활물질과 다층상(multiphase)을 갖는 금속;일 수 있다.The metal 23 is a metal that has a smaller overvoltage with the electrode active material compared to the electrode current collector; Alternatively, it may be a metal having an electrode active material and a multiphase phase.
예컨대, 전극 활물질이 리튬 금속일 경우, 리튬 금속 형성시 Cu(집전체)에 비해 과전압이 작은 금속은 리튬 금속과 반응시 계면 에너지가 낮은 금속 또는 금속 표면에서의 Li 이온의 확산 에너지 장벽의 크기가 Li과 동등 또는 그 이하인 금속으로서, Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, In, Co, Ni, Mn 및 Si으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 리튬 금속과 다층상(multiphase)를 갖는 금속은 리튬 금속과 반응할 수 있는 사이트(site)가 복수 개인 금속으로서 Ca일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 금속(13)은 Au일 수 있다.For example, when the electrode active material is lithium metal, a metal with a smaller overvoltage compared to Cu (current collector) when forming lithium metal is a metal with low interfacial energy when reacting with lithium metal, or the size of the diffusion energy barrier of Li ions on the metal surface is small. As a metal equivalent to or lower than Li, it may be one or more types selected from the group consisting of Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, In, Co, Ni, Mn, and Si, and may be in a multiphase phase with the lithium metal. ) The metal having a plurality of sites capable of reacting with lithium metal may be Ca, but is not limited thereto. Preferably, the metal 13 may be Au.
금속(23)은, 금속(23)이 형성된 음극(20)의 전체 중량을 기준으로 적정 중량이 포함될 수 있다. 금속(23)의 함량이 과도하게 적으면 음극(20)의 전위차를 유도할 수 없어 리튬 이온 이동에 의한 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과가 미미하고, 금속(23)의 함량이 과도하게 많으면 금속(23)에 의해 음극(20)의 기공이 막혀버려 음극(20)의 한쪽 면을 사용하기가 어려우므로 기공이 형성된 음극의 3차원 구조의 장점을 활용할 수 없을 수 있다.The metal 23 may be included in an appropriate amount based on the total weight of the cathode 20 on which the metal 23 is formed. If the content of the metal 23 is excessively small, the potential difference of the cathode 20 cannot be induced, so the effect of inhibiting lithium dendrite growth due to lithium ion movement is minimal, and if the content of the metal 23 is excessively large, the metal 23 ), the pores of the cathode 20 are blocked, making it difficult to use one side of the cathode 20, so it may not be possible to take advantage of the three-dimensional structure of the cathode with pores.
본 발명에 있어서, 음극(20)의 기공도는 50 내지 90%, 바람직하게는 60 내지 80%, 보다 바람직하게는 65 내지 75% 일 수 있다. 상기 기공도가 상기 범위 미만이면 음극(20)을 적용한 리튬 이차전지에서 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과가 미미하고, 상기 범위 초과이면 음극(20)의 기계적 물성이 저하될 수 있다.In the present invention, the porosity of the cathode 20 may be 50 to 90%, preferably 60 to 80%, and more preferably 65 to 75%. If the porosity is less than the above range, the effect of inhibiting lithium dendrite growth in a lithium secondary battery using the anode 20 is minimal, and if it exceeds the above range, the mechanical properties of the anode 20 may be reduced.
본 발명에 있어서, 음극(20)의 두께는 20 내지 200 ㎛, 바람직하게는 50 내지 150 ㎛, 보다 바람직하게는 80 내지 120 ㎛ 일 수 있다. 음극(20)의 두께가 상기 범위 미만이면 음극(20)의 내구성이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 전지가 두꺼워질 수 있다.In the present invention, the thickness of the cathode 20 may be 20 to 200 ㎛, preferably 50 to 150 ㎛, and more preferably 80 to 120 ㎛. If the thickness of the anode 20 is less than the above range, the durability of the anode 20 may decrease, and if it exceeds the above range, the battery may become thick.
본 발명에 있어서, 음극(20)은 전기 전도성 금속으로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 전기 전도성 금속은 Al, Cu, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 금속의 산화환원 전위에 따라 양극 집전체 또는 음극 집전체로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 음극(20)은 Cu로 이루어진 것일 수 있다.In the present invention, the cathode 20 may be made of an electrically conductive metal, and the electrically conductive metal may be at least one selected from the group consisting of Al, Cu, Au, Ag, In, Mg, Ni, and alloys thereof. You can. Depending on the redox potential of the metal, it can be used as a positive electrode current collector or a negative electrode current collector. Preferably, the cathode 20 may be made of Cu.
전술한 바와 같은 음극의 제조방법은 3차원 구조 음극의 일면에 금속을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing a cathode as described above may include forming a metal on one surface of a three-dimensional cathode.
상기 금속은 증착에 의해 상기 음극의 일면에 형성될 수 있으며, 구체적으로는 열 증착(thermal evaporation)법, 이-빔 증착(e-beam evaporation)법, 화학기상증착(CVD)법 및 물리기상증착(PVD)법으로 이루어진 군에서 선택되는 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.The metal may be formed on one surface of the cathode by deposition, specifically thermal evaporation, e-beam evaporation, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition. It can be formed by a deposition method selected from the group consisting of (PVD) method.
이러한 분리막과 마주보는 상면의 반대편에 위치한 하면에 형성된 금속을 포함하고, 기공이 형성된 3차원 구조를 가지는 음극(20)을 구비한 음극 프리 구조의 리튬 이차전지의 구현은 다양한 방법으로서 구현이 가능하나, 본 발명에서는 양극 합제(12)에 사용하는 조성을 제어함으로써 확보한다.The implementation of a lithium secondary battery with a negative electrode-free structure, which includes a metal formed on the lower surface located on the opposite side of the upper surface facing the separator and has a negative electrode 20 with a three-dimensional structure with pores, can be implemented in various ways. , In the present invention, this is secured by controlling the composition used in the positive electrode mixture 12.
양극 합제(12)는 전지 종류에 따라 다양한 양극 활물질을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 사용되는 양극 활물질은 양극 활물질은 리튬 이온을 흡장, 방출할 수 있는 물질이면 특별히 제한되지 않으나, 현재 수명 특성 및 충방전 효율이 우수한 전지를 구현할 수 있는 양극 활물질로 리튬 전이금속 산화물이 대표적으로 사용되고 있다.The positive electrode mixture 12 can use a variety of positive electrode active materials depending on the type of battery. The positive active material used in the present invention is not particularly limited as long as it is a material that can occlude and release lithium ions, but has current life characteristics and charge. Lithium transition metal oxide is typically used as a positive electrode active material that can produce batteries with excellent discharge efficiency.
리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 하나 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 하나 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 스피넬계 리튬 니켈 망간 복합 산화물, 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 스피넬계 리튬 망간 산화물, 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 포함할 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Lithium transition metal oxides include layered compounds containing two or more transition metals, such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxide substituted with one or more transition metals, lithium nickel-based oxide, spinel-based lithium nickel manganese composite oxide, spinel-based lithium manganese oxide in which part of Li in the chemical formula is substituted with an alkaline earth metal ion, olivine-based lithium metal phosphate, etc. However, it is not limited to these alone.
리튬 함유 전이금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-YCoYO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1 - YMnYO2 (여기에서, 0=Y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 - zCozO4(여기에서, 0<Z<2), LixMyMn2-yO4-zAz (여기에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2, M= Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi 중 하나 이상, A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온), Li1 + aNibM’1- bO2 -cA’c (0≤a≤0.1, 0≤b≤0.8, 0≤c<0.2이고, M’은 Mn, Co, Mg, Al 등 6배위의 안정한 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고 A’는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.), LiCoPO4, 및 LiFePO4 로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게 LiCoO2를 사용한다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용할 수 있다. It is preferable to use lithium-containing transition metal oxides, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (0<a<1, 0<b <1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi 1-Y Co Y O 2 , LiCo 1 - Y MnYO 2 , LiNi 1 - Y MnYO 2 (where 0=Y<1) , Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn 2 - z Ni z O4, LiMn 2 - z Co z O 4 ( where 0 < Z< 2 ) , Li , Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti and Bi, A is -1 or -2 valent one or more anions), Li 1 + a NibM' 1- b O 2 -c A' c (0≤a≤0.1, 0≤b≤0.8, 0≤c<0.2, M' is Mn, Co, Mg, At least one selected from the group consisting of stable elements of 6 coordination, such as Al, and A' is one or more anions of -1 or -2 valence.), LiCoPO 4 , and LiFePO 4 . It is possible, preferably LiCoO 2 is used. Additionally, in addition to these oxides, sulfide, selenide, and halide can also be used.
또한, 본 발명에서는 리튬 전이금속 산화물에 리튬 소스를 제공할 수 있는 첨가제로서, 리튬 금속 화합물을 함께 사용할 수 있다.Additionally, in the present invention, a lithium metal compound can be used as an additive that can provide a lithium source to lithium transition metal oxide.
본 발명에서 제시하는 리튬 금속 화합물은 하기 화학식 1 내지 화학식 8로 표시되는 화합물이 가능하다. The lithium metal compound presented in the present invention can be a compound represented by the following formulas 1 to 8.
[화학식 1][Formula 1]
Li2Ni1-aM1 aO2 Li 2 Ni 1-a M 1 a O 2
(상기 식에서, a는 0≤a<1이고, M1은 Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mg 및 Cd로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다.)(In the above formula, a is 0≤a<1, and M 1 is one or more elements selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mg, and Cd.)
[화학식 2][Formula 2]
Li2+bNi1-cM2 cO2+d Li 2+b Ni 1-c M 2 c O 2+d
(상기 식에서, -0.5≤b<0.5, 0≤c≤1, 0≤d<0.3, M2는 P, B, C, Al, Sc, Sr, Ti, V, Zr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Cr, Mg, Nb, Mo 및 Cd로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다.)(In the above formula, -0.5≤b<0.5, 0≤c≤1, 0≤d<0.3, M 2 is P, B, C, Al, Sc, Sr, Ti, V, Zr, Mn, Fe, Co, It is one or more elements selected from the group consisting of Cu, Zn, Cr, Mg, Nb, Mo, and Cd.)
[화학식 3][Formula 3]
LiM3 eMn1 - eO2(x는 0≤e<0.5이고, M3는 Cr, Al, Ni, Mn 및 Co로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다.), LiM 3 e Mn 1 - e O 2 (x is 0≤e<0.5, and M 3 is one or more elements selected from the group consisting of Cr, Al, Ni, Mn, and Co.),
[화학식 4][Formula 4]
Li2M4O2 Li 2 M 4 O 2
(상기 식에서, M4는 Cu, Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다.)(In the above formula, M 4 is one or more elements selected from the group consisting of Cu and Ni.)
[화학식 5][Formula 5]
Li3+fNb1-gM5 gS4-h Li 3+f Nb 1-g M 5 g S 4-h
(상기 식에서, -0.1≤f≤1, 0≤g≤0.5, -0.1≤h≤0.5이고, M5는 Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mg 및 Cd로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다)(In the above formula, -0.1≤f≤1, 0≤g≤0.5, -0.1≤h≤0.5, and M 5 is one or more elements selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mg, and Cd. am)
[화학식 6][Formula 6]
LiM6 iMn1-iO2 LiM 6 i Mn 1-i O 2
(상기 식에서, i는 0.05≤x<0.5이고, M6는 Cr, Al, Ni, Mn, 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소이다.)(In the above formula, i is 0.05≤x<0.5, and M 6 is one or more elements selected from the group consisting of Cr, Al, Ni, Mn, and Co.)
[화학식 7][Formula 7]
LiM7 2jMn2-2jO4 LiM 7 2j Mn 2-2j O 4
(상기 식에서, j는 0.05≤x<0.5이고, M7은 Cr, Al, Ni, Mn, 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소이다.)(In the above formula, j is 0.05≤x<0.5, and M 7 is one or more elements selected from the group consisting of Cr, Al, Ni, Mn, and Co.)
[화학식 8] [Formula 8]
Lik-M8 m-Nn Li k -M 8 m -N n
(상기 식에서, M8은 알칼리토류 금속을 나타내고, k/(k+m+n)은 0.10 내지 0.40이고, m/(k+m+n)은 0.20 내지 0.50이고, n/(k+m+n)은 0.20 내지 0.50이다.)(In the above formula, M 8 represents an alkaline earth metal, k/(k+m+n) is 0.10 to 0.40, m/(k+m+n) is 0.20 to 0.50, and n/(k+m+ n) is 0.20 to 0.50.)
상기한 화학식 1 내지 화학식 8의 리튬 금속 화합물은 그 구조에 따라 비가역 용량에 차이가 있으며, 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 양극 활물질의 비가역 용량을 높이는 역할을 한다.The lithium metal compounds of Formulas 1 to 8 have different irreversible capacities depending on their structures. They can be used alone or in combination, and serve to increase the irreversible capacity of the positive electrode active material.
일례로, 화학식 1 및 3으로 표시되는 고비가역 물질은 그 종류에 따라 비가역 용량이 다르며, 일례로 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 수치를 갖는다.For example, highly irreversible substances represented by Formulas 1 and 3 have different irreversible capacities depending on their type, and have values as shown in Table 1 below.
또한, 화학식 2의 리튬 금속 화합물은 공간군 Immm에 속하는 것이 바람직하고, 그 중 Ni, M 복합 산화물(composite oxide)이 평면사배위(Ni, M)O4를 형성하며 평면사배위 구조가 마주 대하는 변(O-O으로 형성된 변)을 공유하며 1차 쇄를 형성하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 상기 화학식 2의 화합물의 결정 격자 상수는 a = 3.7±0.5 Å, b = 2.8±0.5 Å, c = 9.2±0.5 Å, α= 90°, β= 90°, γ= 90°인 것이 바람직하다.또한, 화학식 8의 리튬 금속 화합물은 알칼리토류 금속의 함량이 30 내지 45 원자%이고, 질소의 함량은 30 내지 45 원자%이다. 이때 상기 알칼리토류 금속의 함량 및 질소의 함량이 상기 범위일 때, 상기 화학식 1의 화합물의 열적 특성 및 리튬 이온 전도 특성이 우수하다. 그리고, 상기 화학식 8에서 k/(k+m+n)은 0.15 내지 0.35, 예를 들어 0.2 내지 0.33이고, m/(k+m+n)은 0.30 내지 0.45, 예를 들어 0.31 내지 0.33이고, n/(k+m+n)은 0.30 내지 0.45, 예를 들어 0.31 내지 0.33이다.In addition, the lithium metal compound of Formula 2 preferably belongs to the space group Immm, and among them, Ni, M composite oxide forms planar tetra-coordinated (Ni, M)O4, and the planar tetra-coordinated structure forms opposite sides. It is more preferable that they share (sides formed by O-O) and form a primary chain. The crystal lattice constants of the compound of Formula 2 are preferably a = 3.7 ± 0.5 Å, b = 2.8 ± 0.5 Å, c = 9.2 ± 0.5 Å, α = 90°, β = 90°, γ = 90°. Additionally, the lithium metal compound of Formula 8 has an alkaline earth metal content of 30 to 45 atomic% and a nitrogen content of 30 to 45 atomic%. At this time, when the content of the alkaline earth metal and the content of nitrogen are within the above range, the thermal properties and lithium ion conduction properties of the compound of Formula 1 are excellent. And, in Formula 8, k/(k+m+n) is 0.15 to 0.35, for example, 0.2 to 0.33, and m/(k+m+n) is 0.30 to 0.45, for example, 0.31 to 0.33, n/(k+m+n) is 0.30 to 0.45, for example 0.31 to 0.33.
상기 화학식 1의 전극 활물질은 일구현예에 따르면 a는 0.5 내지 1, b는 1, c는 1이다.According to one embodiment of the electrode active material of Formula 1, a is 0.5 to 1, b is 1, and c is 1.
상기 화학식 1 내지 8 중 어느 하나의 화합물로 코팅막을 형성하면, 전극 활물질은 리튬 이온이 지속적으로 삽입, 탈착되는 환경에서도 낮은 저항 특성을 유지하면서 안정적인 특성을 나타낸다. 본 발명의 일구현예에 따른 전극 활물질에서 코팅막의 두께는 1 내지 100nm이다. 상기 코팅막의 두께가 상기 범위일 때 양극 활물질의 이온 전도 특성이 우수하다.When a coating film is formed with any one of the compounds of Formulas 1 to 8, the electrode active material exhibits stable characteristics while maintaining low resistance characteristics even in an environment where lithium ions are continuously inserted and desorbed. In the electrode active material according to one embodiment of the present invention, the thickness of the coating film is 1 to 100 nm. When the thickness of the coating film is within the above range, the ion conduction characteristics of the positive electrode active material are excellent.
또한, 양극 활물질의 평균 입경은 1 내지 30㎛, 일구현예에 따르면, 8 내지 12㎛이다. 양극 활물질의 평균 입경이 상기 범위일 때, 전지의 용량 특성이 우수하다.Additionally, the average particle diameter of the positive electrode active material is 1 to 30 μm, and according to one embodiment, 8 to 12 μm. When the average particle size of the positive electrode active material is within the above range, the capacity characteristics of the battery are excellent.
상기 알칼리토류 금속이 도핑된 코어 활물질은 예를 들어 마그네슘이 도핑된 LiCoO2를 들 수 있다. 상기 마그네슘의 함량은 코어 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 3 중량부 이다.The core active material doped with the alkaline earth metal may include, for example, LiCoO 2 doped with magnesium. The content of magnesium is 0.01 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the core active material.
상기한 리튬 전이금속 산화물은 양극 활물질로서 바인더 및 도전재 등과 함께 양극 합제(12)에 사용한다. 본 발명의 음극 프리 전지 구조에서 리튬 금속(24)을 형성하기 위한 리튬 소스(source)는 상기 리튬 전이금속 산화물이 된다. 즉, 리튬 전이금속 산화물 내 리튬 이온은 특정 범위의 전압 범위에서 충전을 수행할 경우 리튬 이온이 탈리되어 음극(20) 상에 리튬 금속(24)을 형성한다.The lithium transition metal oxide described above is used as a positive electrode active material in the positive electrode mixture 12 along with a binder and a conductive material. In the anode-free battery structure of the present invention, the lithium source for forming lithium metal 24 is the lithium transition metal oxide. That is, when the lithium ions in the lithium transition metal oxide are charged within a specific voltage range, the lithium ions are desorbed to form lithium metal 24 on the cathode 20.
본 발명에서 리튬 금속(24)을 형성하기 위한 충전 범위는 4.5V ~ 2.5V, 바람직하게는 4.0V ~ 3.0V, 보다 바람직하게는 3.7V ~ 3.3V의 전압 범위에서 수행한다. 만약, 충전을 상기 범위 이하에서 수행할 경우 리튬 금속(24)의 형성이 어렵게 되며, 이와 반대로 상기 범위를 초과할 경우 전지(cell)의 손상(damage)이 일어나 과방전이 일어난 후에 충방전이 제대로 진행되지 않는다.In the present invention, the charging range for forming lithium metal 24 is performed in a voltage range of 4.5V to 2.5V, preferably 4.0V to 3.0V, and more preferably 3.7V to 3.3V. If charging is performed below the above range, it becomes difficult to form lithium metal 24. Conversely, if charging is performed beyond the above range, damage to the cell occurs and charging and discharging proceeds properly after overdischarge occurs. It doesn't work.
상기 형성된 리튬 금속(24)은 음극(20) 상에 불연속적인 층을 형성할 수 있다. 즉, 불연속적인 층은 불연속적으로 분포하는 형태로, 특정 영역 내에 리튬 금속(24)이 존재하는 영역과 존재하지 않는 영역이 존재하되, 리튬 금속(24)이 존재하지 않는 영역이 리튬 화합물이 존재하는 영역을 아일랜드형(island type)과 같이 고립, 단절 또는 분리하도록 분포함으로써, 리튬 금속(24)이 존재하는 영역이 연속성 없이 분포하는 것을 의미한다. The formed lithium metal 24 may form a discontinuous layer on the cathode 20. In other words, the discontinuous layer is discontinuously distributed, and there are areas where lithium metal 24 is present and areas where lithium metal 24 is not present within a specific area, and lithium compounds are present in the area where lithium metal 24 is not present. This means that the region where the lithium metal 24 exists is distributed without continuity by distributing the region in such a way that it is isolated, disconnected, or separated like an island type.
이러한 충방전을 통해 형성된 리튬 금속(24)은 음극으로서의 기능을 위해 최소 50 nm 이상, 100 ㎛ 이하, 바람직하기로 1㎛m 내지 50㎛의 두께를 갖는 리튬 ㄱ금속층 형태일 수 있다.. 만약 그 두께가 상기 범위 미만이면 전지 충방전 효율이 급격히 감소하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과할 경우 수명 특성 등은 안정하나, 전지의 에너지밀도가 낮아지는 문제가 있다.The lithium metal 24 formed through such charging and discharging may be in the form of a lithium A metal layer having a thickness of at least 50 nm or more and 100 μm or less, preferably 1 μm to 50 μm, to function as a negative electrode. If the thickness is less than the above range, the battery charging and discharging efficiency decreases rapidly. Conversely, if the thickness exceeds the above range, the lifespan characteristics are stable, but the energy density of the battery is lowered.
특히, 본 발명에서 제시하는 리튬 금속(24)은 전지 조립시에는 리튬 금속이 없는 음극 프리 전지로 제조함으로써, 종래 리튬 호일을 사용하여 조립된 리튬 이차전지와 비교하여 조립 과정에서 발생하는 리튬의 높은 반응성으로 인해 리튬 금속(24) 상에 산화층이 전혀 또는 거의 형성되지 않는다. 이로 인해 상기 산화층에 의한 전지의 수명 퇴화 현상을 방지할 수 있다. In particular, the lithium metal 24 presented in the present invention is manufactured as a negative electrode-free battery without lithium metal during battery assembly, so compared to a lithium secondary battery assembled using a conventional lithium foil, the lithium metal 24 generated during the assembly process is high. Due to its reactivity, no or little oxide layer is formed on the lithium metal 24. As a result, it is possible to prevent degradation of battery life caused by the oxidation layer.
또한, 리튬 금속(24)은 고비가역 물질의 충전에 의해 이동하고, 이는 양극 상에 리튬 금속(24)을 형성하는 것과 비교하여 보다 안정적인 리튬 금속(24)을 형성할 수 있다. 양극 상에 리튬 금속을 부착할 경우, 양극과 리튬 금속의 화학 반응이 일어날 수 있다.Additionally, the lithium metal 24 moves by charging of a highly irreversible material, which can form a more stable lithium metal 24 compared to forming the lithium metal 24 on the anode. When lithium metal is attached to the anode, a chemical reaction between the anode and the lithium metal may occur.
상기한 양극 활물질과 리튬 금속 화합물을 포함하여 양극 합제(12)를 구성하며, 이때 상기 양극 합제(12)는 추가로 리튬 이차전지에서 통상적으로 사용하는 도전재, 바인더, 및 기타 첨가제를 더욱 포함할 수 있다.A positive electrode mixture 12 is composed of the above-mentioned positive electrode active material and a lithium metal compound. At this time, the positive electrode mixture 12 may further include conductive materials, binders, and other additives commonly used in lithium secondary batteries. You can.
도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위해 사용한다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 써멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등이 사용될 수 있다.Conductive materials are used to further improve the conductivity of the electrode active material. These conductive materials are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black, such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Polyphenylene derivatives, etc. may be used.
상기 양극 활물질, 리튬 금속 화합물 및 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합을 위하여 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사 플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비닐리덴-펜타플루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라 플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로 에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합제 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.A binder may be further included to bond the positive electrode active material, lithium metal compound, and conductive material and to the current collector. The binder may include a thermoplastic resin or thermosetting resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene Roethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene -Acrylic acid copolymers, etc. can be used alone or in combination, but are not necessarily limited to these, and any binder that can be used as a binder in the relevant technical field can be used.
기타 첨가제의 예로 충진제가 있다. 상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체나 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.Examples of other additives include fillers. The filler is selectively used as a component to suppress the expansion of the electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material that does not cause chemical changes in the battery. For example, olifin-based polymers such as polyethylene and polypropylene, and fibrous materials such as glass fiber and carbon fiber are used.
본 발명의 양극 합제(12)는 양극 집전체(11) 상에 형성된다.The positive electrode mixture 12 of the present invention is formed on the positive electrode current collector 11.
양극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체(11)는 리튬 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 그 예시로서 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 이때, 상기 양극 집전체(11)는 양극 활물질과의 접착력을 높일 수도 있도록, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등의 다양한 형태로 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 ㎛ to 500 ㎛. The positive electrode current collector 11 is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the lithium secondary battery, and examples include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used. At this time, the positive electrode current collector 11 may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous material, foam, or non-woven material with fine irregularities formed on the surface to increase adhesion with the positive electrode active material.
양극 합제(12)를 집전체 상에 도포하는 방법은, 전극 합제 슬러리를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 방법, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법 등을 들 수 있다. 또한, 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 전극 합제 슬러리를 집전체와 접합시킬 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The method of applying the positive electrode mixture 12 on the current collector includes distributing the electrode mixture slurry on the current collector and then uniformly dispersing it using a doctor blade, etc., die casting, and comma coating. Methods such as comma coating and screen printing may be mentioned. Additionally, the electrode mixture slurry may be bonded to the current collector by pressing or lamination after molding on a separate substrate, but is not limited thereto.
한편, 도 3 및 도 6의 구조에서 보여주는 바와 같이, 리튬 이차전지는 양극(10), 음극(20) 및 이들 사이에 개재된 분리막(30) 및 전해질(미도시)을 포함하고, 전지의 종류에 따라 상기 분리막(30)은 제외될 수 있다. Meanwhile, as shown in the structures of Figures 3 and 6, the lithium secondary battery includes a positive electrode 10, a negative electrode 20, a separator 30 and an electrolyte (not shown) interposed between them, and the type of battery. Accordingly, the separator 30 may be excluded.
상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있으며, 상기 다공성 기재는, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The separator may be made of a porous substrate, and the porous substrate may be any porous substrate commonly used in electrochemical devices. For example, a polyolefin-based porous membrane or non-woven fabric may be used. There is no particular limitation.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous membrane include polyethylene such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polyolefin-based polymers such as polypropylene, polybutylene, and polypentene, each singly or a mixture thereof. One membrane can be mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈 (polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드 (polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌 나프탈렌 (polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric includes, in addition to polyolefin-based nonwoven fabric, for example, polyethylene terephthalate, polybutyleneterephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, and polycarbonate. ), polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, and polyethylenenaphthalene, respectively, individually or Examples include nonwoven fabrics formed from polymers that are a mixture of these. The structure of the nonwoven fabric may be a sponbond nonwoven fabric composed of long fibers or a melt blown nonwoven fabric.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 또는 5 ㎛ 내지 50 ㎛이다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but is 1 ㎛ to 100 ㎛, or 5 ㎛ to 50 ㎛.
다공성 기재에 존재하는 기공의 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.001㎛ 내지 50㎛ 및 10% 내지 95%일 수 있다.The size and pore size of the pores present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.001 ㎛ to 50 ㎛ and 10% to 95%, respectively.
또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들 것 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염은 LiFSI, LiPF6, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬 및 4-페닐 붕산 리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.Additionally, the electrolyte salt contained in the non-aqueous electrolyte solution that can be used in the present invention is a lithium salt. The lithium salt may be used without limitation to those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries. For example, the lithium salt is LiFSI, LiPF 6 , 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 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, and lithium 4-phenyl borate.
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 슬러리인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.Organic solvents included in the above-mentioned non-aqueous electrolyte solution can be used without limitation those commonly used in electrolyte solutions for lithium secondary batteries, for example, ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc., individually or in combination of two or more types. Can be used by mixing. Among them, representative examples may include carbonate compounds that are cyclic carbonates, linear carbonates, or slurries thereof.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리가 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, There is any one or two or more slurries selected from the group consisting of 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halogenates thereof. Examples of these halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC).
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In addition, specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, and ethylpropyl carbonate. Two or more types of slurries may be typically used, but are not limited thereto. In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are high viscosity organic solvents and have a high dielectric constant, so they can better dissociate lithium salts in the electrolyte. These cyclic carbonates include dimethyl carbonate and diethyl carbonate. By mixing low-viscosity, low-dielectric constant linear carbonate in an appropriate ratio, an electrolyte solution with higher electrical conductivity can be made.
또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, and ethyl propyl ether, or a slurry of two or more of these may be used. , but is not limited to this.
또한, 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, esters in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, Any one or two or more slurries selected from the group consisting of σ-valerolactone and ε-caprolactone may be used, but the slurry is not limited thereto.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.Injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the electrochemical device, depending on the manufacturing process and required physical properties of the final product. In other words, it can be applied before electrochemical device assembly or at the final stage of electrochemical device assembly.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.The lithium secondary battery according to the present invention is capable of lamination (stack) and folding processes of separators and electrodes in addition to the general winding process.
그리고, 상기 전지케이스의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 적층형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.Additionally, the shape of the battery case is not particularly limited, and may be of various shapes such as cylindrical, stacked, prismatic, pouch-shaped, or coin-shaped.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.The present invention also provides a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell.
상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module can be used as a power source for medium to large-sized devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium-to-large devices include power tools that are powered by an omni-electric motor; Electric vehicles, including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), etc.; Electric two-wheeled vehicles, including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); electric golf cart; Examples include, but are not limited to, power storage systems.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the attached patent claims.
하기 실시예, 비교예 및 실험예에서는 기공이 형성된 3차원 구조를 가지는 음극을 3D 구조 음극이라 하고, 기공이 형성되지 않은 구조의 집전체를 2D 구조 음극이라 한다.In the following examples, comparative examples, and experimental examples, a negative electrode having a three-dimensional structure with pores is referred to as a 3D structure negative electrode, and a current collector with a structure without pores is referred to as a 2D structure negative electrode.
실시예Example 1 One
(1) 양극의 제조(1) Manufacturing of anode
아세토니트릴 500 ml에 LCO(LiCoO2):수퍼-P:바인더(PVdF)를 95:2.5:2.5의 중량비로 혼합한 후 여기에 L2N(Li2NiO2)을 LCO 대비 9:1의 중량비가 되도록 첨가하였다. 이어 페이스트 페이스 믹서로 5분간 혼합하여 슬러리 조성물을 제조하였다.Mix LCO (LiCoO 2 ): Super-P: Binder (PVdF) in 500 ml of acetonitrile at a weight ratio of 95:2.5:2.5, and then add L2N (Li 2 NiO 2 ) to it at a weight ratio of 9:1 compared to LCO. Added. Then, a slurry composition was prepared by mixing for 5 minutes with a paste face mixer.
이어서 상기 제조된 슬러리 조성물을 집전체(Al Foil, 두께 15 ㎛) 상에 코팅하고 50℃에서 12시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다. 이때 LCO의 로딩량은 4.0 mAh/cm2이었다.Subsequently, the prepared slurry composition was coated on a current collector (Al Foil, thickness 15 ㎛) and dried at 50°C for 12 hours to prepare a positive electrode. At this time, the loading amount of LCO was 4.0 mAh/cm 2 .
(2) 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 음극 및 반쪽 전지 제조(2) Fabrication of a three-dimensional cathode and half cell with Au metal formed on the bottom surface
3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 일면에 Au 금속을 열 증착시켰다. Au metal was thermally deposited on one side of a Cu current collector in the form of a three-dimensional foam.
(3) 음극 프리 전지 제조(3) Manufacture of cathode-free battery
상기 (1)에서 제조된 양극과 상기 (2)의 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 전해질을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이때 전해질은 EC(ethylene carbonate):DEC(diethyl carbonate) : DMC(dimethyl carbonate)가 1 : 2 : 1의 부피비로 이루어진 유기 용매에 1M의 LiPF6와 2 중량%의 VC(Vinylene Carbonate)를 용해시켜 제조한 것을 사용하였다.An electrode assembly is manufactured by interposing a porous polyethylene separator between the positive electrode prepared in (1) and the negative electrode in (2), the electrode assembly is placed inside the case, and electrolyte is injected to manufacture a lithium secondary battery. did. At this time, the electrolyte is 1M LiPF 6 and 2% by weight of VC (Vinylene Carbonate) dissolved in an organic solvent consisting of EC (ethylene carbonate): DEC (diethyl carbonate): DMC (dimethyl carbonate) in a volume ratio of 1:2:1. The prepared product was used.
이때, 상기 음극에서 Au 금속이 형성된 하면과 분리막이 마주보도록 하여 리튬 프리 전지를 제조하였다.At this time, a lithium-free battery was manufactured by facing the bottom surface of the cathode where Au metal was formed and the separator.
실시예Example 2 2
실시예 1과 동일하게 실시하되, Au 금속 대신 Ag 금속을 사용하여 3차원 구조 음극 및 음극 프리 전지를 제조하였다. A three-dimensional cathode and a cathode-free battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that Ag metal was used instead of Au metal.
실시예Example 3 3
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 구조 음극의 하면에 형성되는 Au 금속의 양을 감소시켜, 3차원 구조 음극 및 음극 프리 전지를 제조하였다.A three-dimensional structure cathode and a cathode-free battery were manufactured in the same manner as in Example 1, but by reducing the amount of Au metal formed on the lower surface of the three-dimensional structure cathode.
실시예Example 4 4
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 구조 음극의 하면에 형성되는 Au 금속의 양을 증가시켜, 3차원 구조 음극 및 음극 프리 전지를 제조하였다.A three-dimensional structure cathode and a cathode-free battery were manufactured in the same manner as in Example 1, but by increasing the amount of Au metal formed on the lower surface of the three-dimensional structure cathode.
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 금속이 형성된 3차원 구조 음극 대신 2차원 구조 Cu 음극로서, Cu 포일을 이용하여 음극 프리 전지를 제조하였다.A negative electrode-free battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a Cu foil was used as a two-dimensional Cu negative electrode instead of a three-dimensional metal negative electrode.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 3차원 구조 음극 대신 2차원 구조 Cu 음극로서, Cu 포일(상품명, 제조사)에 Au 금속을 형성한 후 이를 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다.This was carried out in the same manner as in Example 1, except that a two-dimensional Cu cathode was used instead of a three-dimensional cathode, and a half cell was manufactured by forming Au metal on a Cu foil (product name, manufacturer).
비교예 3Comparative Example 3
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 3차원 구조 음극 대신 2차원 구조 Cu 음극로서, Cu 포일(상품명, 제조사)에 Ag 금속을 형성한 후 이를 이용하여 음극 프리 전지를 제조하였다.This was carried out in the same manner as in Example 1, except that Ag metal was formed on a Cu foil (product name, manufacturer) as a two-dimensional Cu cathode instead of a three-dimensional cathode, and then a cathode-free battery was manufactured using this.
비교예 4Comparative Example 4
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 음극(제조사, 제품명)에 금속을 형성하지 않은 채 음극 프리 전지를 제조하였다.A negative electrode-free battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that no metal was formed on the Cu negative electrode in the form of a three-dimensional foam (manufacturer, product name).
비교예 5Comparative Example 5
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 음극(제조사, 제품명)의 양면, 즉, 상면과 하면 모두에 Au 금속을 형성하여 음극 프리 전지를 제조하였다. An anode-free battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that Au metal was formed on both sides of a three-dimensional foam-shaped Cu anode (manufacturer, product name), that is, both the upper and lower surfaces.
비교예 6Comparative Example 6
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 음극(제조사, 제품명)의 상면에 Au 금속을 형성하여 음극 프리 전지를 제조하였다.An anode-free battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that Au metal was formed on the upper surface of a Cu anode in the form of a three-dimensional foam (manufacturer, product name).
1: 리튬 이차전지
10: 양극
11: 양극 집전체
12: 양극 합제
20, 50: 음극
21: 상면(top) 22: 하면(bottom)
23: 금속 24: 리튬 금속
30: 분리막
55: 보호막1: Lithium secondary battery
10: anode
11: positive electrode current collector
12: Anode mixture
20, 50: cathode
21: top 22: bottom
23: metal 24: lithium metal
30: Separator
55: Shield
Claims (9)
상기 음극은 분리막과 마주보는 상면의 반대편에 위치한 하면에 형성된 금속을 포함하고, 기공이 형성된 3차원 구조를 가지며,
충전에 의해 상기 양극으로부터 리튬 이온이 이동되어 음극 상에 리튬 금속을 형성하는, 리튬 이차전지로서,
상기 음극은 Cu를 포함하고,
상기 금속은 Au 입자이고,
상기 금속은 상기 음극의 하면에 증착된 것인, 리튬 이차전지.In a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between them, and an electrolyte,
The cathode includes a metal formed on a lower surface located opposite to the upper surface facing the separator, and has a three-dimensional structure with pores,
A lithium secondary battery in which lithium ions are moved from the positive electrode by charging to form lithium metal on the negative electrode,
The cathode includes Cu,
The metal is Au particle,
A lithium secondary battery in which the metal is deposited on the lower surface of the cathode.
상기 리튬 금속은 4.5V ~ 2.5V 의 전압 범위에서 1회의 충전을 통해 형성되는, 리튬 이차전지.According to paragraph 1,
A lithium secondary battery in which the lithium metal is formed through one charge in the voltage range of 4.5V to 2.5V.
상기 음극의 기공도는 50 내지 90% 인, 리튬 이차전지.According to paragraph 1,
A lithium secondary battery wherein the negative electrode has a porosity of 50 to 90%.
상기 음극의 두께는 20 내지 200 μm 인, 리튬 이차전지.According to paragraph 1,
A lithium secondary battery wherein the anode has a thickness of 20 to 200 μm.
상기 리튬 금속은 50 nm 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 리튬 금속층인, 리튬 이차전지.
According to paragraph 1,
A lithium secondary battery, wherein the lithium metal is a lithium metal layer having a thickness of 50 nm to 100 ㎛.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180071563A KR102639661B1 (en) | 2018-06-21 | 2018-06-21 | Lithium Secondary Battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180071563A KR102639661B1 (en) | 2018-06-21 | 2018-06-21 | Lithium Secondary Battery |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20190143706A KR20190143706A (en) | 2019-12-31 |
KR102639661B1 true KR102639661B1 (en) | 2024-02-21 |
Family
ID=69051689
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020180071563A Active KR102639661B1 (en) | 2018-06-21 | 2018-06-21 | Lithium Secondary Battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102639661B1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP4030502A4 (en) | 2020-05-08 | 2023-06-21 | Lg Energy Solution, Ltd. | BATTERY WITHOUT LITHIUM AND METHOD OF MANUFACTURING IT |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101628901B1 (en) * | 2013-11-21 | 2016-06-09 | 주식회사 아모그린텍 | Flexible electrode, manufacturing method thereof and secondary battery using the same |
US10483522B2 (en) | 2014-03-24 | 2019-11-19 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Lithium-ion secondary battery |
KR102256734B1 (en) * | 2016-06-23 | 2021-05-26 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
-
2018
- 2018-06-21 KR KR1020180071563A patent/KR102639661B1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20190143706A (en) | 2019-12-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102115602B1 (en) | Lithium secondary battery | |
CN110754009B (en) | Lithium secondary battery | |
JP7250078B2 (en) | lithium secondary battery | |
KR102093972B1 (en) | Lithium secondary battery | |
US12191498B2 (en) | Lithium secondary battery | |
KR102567964B1 (en) | Lithium secondary battery | |
EP3823073A1 (en) | Lithium secondary battery | |
KR102791146B1 (en) | Lithium secondary battery | |
US12230782B2 (en) | Lithium secondary battery | |
KR102639661B1 (en) | Lithium Secondary Battery | |
KR20230067538A (en) | Lithium secondary battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20180621 |
|
PG1501 | Laying open of application | ||
PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20210419 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20180621 Comment text: Patent Application |
|
PN2301 | Change of applicant |
Patent event date: 20211102 Comment text: Notification of Change of Applicant Patent event code: PN23011R01D |
|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20230922 Patent event code: PE09021S01D |
|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20240109 |
|
GRNT | Written decision to grant | ||
PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20240219 Patent event code: PR07011E01D |
|
PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20240219 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
PG1601 | Publication of registration |