KR101463970B1 - 리튬 2차전지용 전극재료 및 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지 - Google Patents

리튬 2차전지용 전극재료 및 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전효율을 증진시킴은 물론 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상을 방지하여 안정하게 사용할 수 있도록 실리콘(S)을 주성분으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료로써, 실리콘을 주성분으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료로써, 중앙에 실리콘을 재료로 하여 전극을 형성하는 실리콘코어(S)와, 상기 실리콘코어(S)의 외주면에 구비되어 접속단자를 형성하는 전도성 섬유사(C)로 이루어진 전극재료(7)와, 상기 전극재료(7)들이 적층배열된 전극구조체와, 상기 전극구조체를 음극(3)으로 하고, 전해질 및 양극(4)을 포함하고, 리튬의 산화반응과 리튬이온의 환원반응을 이용하는 2차전지(1)를 제공한다.

Description

리튬 2차전지용 전극재료 및 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지{ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY,ELECTRODE STRUCTURE COMPRISING THE ELECTRODE MATERIALAND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE ELECTRODESTRUCTURE}
본 발명은, 실리콘을 주성분하는 리튬 2차전지용 전극재료와 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체, 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전효율을 증진시킴은 물론 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상을 방지하여 안정하게 사용할 수 있도록 된 리튬 2차전지용 전극재료와 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체, 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지에 관한 것이다.
최근에, 대기중에 함유된 CO2가스량이 증가하고 있기 때문에 온실효과에 의한 지구온난화가 발생할 수 있는 가능성이 알려지고 있다.
즉, 화력 발전소는 화석연료를 사용하여 화력을 전기에너지로 변환하지만, 다량의 CO2가스를 배출하므로 화력발전소를 신규하게 건설하는 것이 곤란하게 된다.
따라서, 화력 발전소에서 발생된 전력을 효과적으로 이용하기 위해서, 잉여전력인 야간에 발생한 전력을 가정용 2차전지에 축적시킬 수 있고, 그에 의해 전력소비가 증가할 때 축적된 전력을 낮 동안 이용할 수 있는 소위 부하평준화 접근법이 제안되고 있다.
그리고, COx, NOx, 탄화수소 등의 대기오염원을 배출하지 않는 전동차에 대해 고에너지밀도 2차전지의 개발이 요구되고 있다.
또한, 노트북 개인용 컴퓨터, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistant) 등의 휴대용전기기기의 용도에서 소형, 경량, 고성능의 2차전지의 개발이 긴급하게 요구된다.
상기에서, 경량, 소형의 2차전지로서는, 충전반응시, 리튬이온을 그 층간으로부터 사이에 삽입하지 않기 위해 리튬 삽입 화합물을 양극물질로서 이용하고 또한 탄소로 형성된 6원(員) 망구조의 평면의 층간에 리튬이온을 삽입하기 위해 흑연으로 대표되는 탄소함유재료를 음극물질로서 이용하는 "리튬이온전지"로서 칭하는 흔들의자형 전지가 개발되어 부분적으로 실용화되고 있다.
이와 같은 리튬이온전지로 종래에, 미국 특허 제 6,051,340호 공보와, 동 제 5,795,679호 공보와, 동 제6,432,585호 공보와, 일본국 특개평 11-283627호 공보와, 일본국 특허 제 2000-311681호 공보, 및 국제 공개 WO 00/17949호 공보에서, 실리콘이나 주석원소를 포함하는 리튬 2차전지용 음극을 이용한 2차전지가 제안되어 있다.
상기에서 미국 특허 제 6,051,340호 공보는, 리튬과 합금화하지 않는 금속재료의 집전장치에 실리콘이나 주석 등의 리튬과 합금화하는 금속과 리튬과 합금화하지 않는 금속으로부터 형성된 전극층을 포함하는 음극을 이용한 리튬 2차전지를 제안하고 있다.
그리고, 싱기 미국 특허 제 5,795,679호 공보는, 니켈이나 구리 등의 원소와 주석 등의 원소와의 합금의 분말로부터 형성된 음극을 이용한 리튬 2차전지를 제안하고 있다. 미국 특허 제 6,432,585호 공보는, 평균 입경이 0.5㎛ 내지 60㎛인 실리콘이나 주석을 함유하는 입자의 35중량% 이상을 함유하고 공극률이 0.10 내지 0.86이고 밀도가 1.00 내지 6.56g/cm3인 전극재료층을 가지는 음극을 이용하는 리튬 2차전지를 제안하고 있다.
또한, 일본국 특개평 11-283627호 공보는, 비정질상을 가지는 실리콘이나 주석을 포함하는 음극을 이용한 리튬 2차전지를 제안하고, 일본국 특허 제 2000-311681호 공보는, 비화학량론 조성의 비정질 주석-천이 금속합금입자를 포함하는 음극을 이용한 리튬 2차전지를 제안하고 있고, 국제 공개 WO 00/17949호 공보는, 비화학량론 조성의 실리콘-천이 금속합금입자를 포함하는 음극을 이용한 리튬 2차전지를 제안하고 있다.
그리고, 일본국 특허 제 2000-215887호 공보는, 벤젠 등의 열분해를 이용한 화학증착에 의해, 리튬과 합금화하는 금속 또는 반금속의 입자의 표면, 특히 실리콘 입자의 표면 위에 탄소층을 형성하여 도전성을 향상시키고, 그에 의해 리튬과 합금화할 때 체적팽창을 억제하여 전극의 파괴를 방지하는 고용량이고 충방전효율이 높은 리튬 2차전지를 제안하고 있다.
그러나, 상기 종래의 리튬2차전지들은 계산된 이론적 충전용량이 4200mAh/g이지만, 1000mAh/g를 초과하는 전기량의 리튬 삽입/이탈을 가능하게 하는 전극성능이 달성되지 않으며, 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상이 발생되어 비안정적인 문제점들이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 충전효율을 증진시킴은 물론 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상을 방지하여 안정하게 사용할 수 있도록 된 리튬 2차전지용 전극재료와 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체, 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지를 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 2차전지용 전극재료는 실리콘을 주성분으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료로써, 중앙에 실리콘을 재료로 하여 전극을 형성하는 실리콘코어와, 상기 실리콘코어의 외주면에 구비되어 접속단자를 형성하는 전도성 섬유사로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 실리콘코어는 원기둥형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 전도성 섬유사는 탄소섬유로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 실리콘코어의 외주면은 플라즈마 에칭처리되어 다수의 홈이 형성되어 표면적이 증대된 것을 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 전도성 섬유사의 외주면은 플라즈마 에칭처리되어 다수의 홈이 형성되어 표면적이 증대된 것을 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 실리콘코어의 외주면이 외부로 노출되는 면적을 가지도록 전도성 섬유사가 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 2차전지용 전극구조체는 상기에서 기재된 전극재료들이 상하좌우로 배열되어 복층구조로 적층결합된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 2차전지는 상기에서 기재된 전극구조체를 이용한 음극, 전해질 및 양극을 포함하고, 리튬의 산화반응과 리튬이온의 환원반응을 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 2차전지용 전극재료의 제조방법은 실리콘을 봉형상으로 성형하여 실리콘코어를 제조하는 실리콘성형단계와, 상기 실리콘성형단계를 통해 성형된 실리콘코어의 외주면에 탄소섬유원사액을 도포하는 원사액도포단계와, 상기 원사액도포단계를 통해 원사액이 표면에 도포된 실리콘코어에서 원사액을 탄화시켜 탄소섬유를 형성하는 탄소섬유형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 원사액도포단계에서 상기한 원사액은 실리콘코어의 외주면이 외부로 노출되는 면적을 가지도록 도포되는 것을 특징으로 한다.
상기한 탄소섬유형성단계에서 상기한 원사액이 도포된 실리콘코어는 탄화로에서 900~1500℃의 온도에서 탄화되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 리튬 2차전지용 전극재료, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지는 충전시 리튬이온과 결합되는 전극이 순수 실리콘으로 이루어져 있어 충전효율이 높음은 물론, 리튬이온과 결합시 실리콘전극이 팽창하더라도 전극재료들의 사이 공간으로 팽창하여 전극구조체의 내부에서 체적이 변화함에 따라 포화된 충전에 따른 전극재료가 팽창하더라도 전극구조체가 손상을 받지 않아 안정적으로 사용할 수 있는 효과를 가진다.
즉, 전극구조체가 전극재료들이 상하좌우로 배열되어 복층구조로 이루어져 사이간격을 가지면서 형성되기 때문에 리튬이온과의 결합시 실리콘코어의 체적변화가 전극재료들의 사이 간격을 통해 이루어져 전극구조체가 외측으로 팽창되지 않아 포회된 충전이 있더라도 손상되지 않는다.
따라서, 기존에 발생하던 전극구조체와 리튬이온과의 결합시 전극구조체의 체적이 변화하여 외측으로 팽창함에 따라 파손되는 현상이 발생하지 않아 안정적이다.
또한, 리튬이온과 실리콘코어의 접촉면적이 증대되어 충전속도가 증대되어 빠른 충전이 이루어지는 효과를 더 가진다.
도 1은 리툼 2차전지의 구조를 보인 개략 단면 예시도,
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 전극재료를 보인 개략예시도,
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 전극구조체를 보인 개략 예시도,
도 6은 본 실시예에 의한 전극구조체의 충전상태를 보인 일부 발췌 개략 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 전극재료를 보인 개략 단면 예시도,
도 8은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 전극재료의 제조방법을 보인 예시도,
도 9는 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 전극구조체를 보인 개략 예시도,
도 10은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 의한 전극구조체를 보인 개략 예시도,
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 전극구조체를 보인 개략 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 의한 리튬 2차전지용 전극재료와 이의 제조방법, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지를 상세히 설명하면 다음과 같다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 2차전지의 구조를 간략하게 보인 예시도로써, 본 실시예에 의한 2차전지(1)는 이온전도체(2)를 전극구조체로 이루어진 음극(3)과 양극(4)의 사이에 끼워 전극군을 형성한 후 이슬점이 충분히 제어된 건조 공기 또는 건조 불활성 가스 분위기에서 상기 전극군을 전지케이스(5)에 삽입한 후, 음극(2)과 양극(3)이 전극단자(6)에 각각 접속되게 하여 전지케이스(5)를 밀봉하여 이루어진다.
즉, 리튬이온이 수용된 전지케이스(5)의 내부공간을 이온전도체(2)를 기준으로 분할한 후, 일 측 공간에는 음극 전극구조체를 구비하고 타 측 공간에는 양극 전극구조체를 구비하며, 리튬이온이 이온전도체(2)를 통해 음극(3) 및 양극(4)과 결합되어 산환/환원반응이 발생되는 것을 이용하여 충전하거나 방전하게 된다.
상기에서 이온 전도체(2)는 미소공성의 플라스틱 필름에 유지되는 전해질을 가지는 부재로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기에서 양극(4)을 구성하는 전극물질은 산화코발트로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예의 2차전지(1)를 구성하는 음극 전극구조체는 실리콘(S)을 주성분으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료로써, 실리콘을 주성분으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료로써, 중앙에 실리콘을 재료로 하여 전극을 형성하는 실리콘코어(S)와, 상기 실리콘코어(S)의 외주면에 구비되어 접속단자를 형성하는 전도성 섬유사(C)로 이루어진다.
따라서, 이온전도체(2)를 통해 전도되는 리튬이온이 실리콘코어(S)를 구성하는 실리콘상으로 리튬삽입반응이 균일하게 방생하여 실리콘에 대한 리튬의 산화/환원반응에 따라 충전된다.
이와 같이 본 실시예의 리튬 2차전지(1)는 상기 전극재료로 이루어진 전극구조체를 이용한 음극(3), 전해질 및 양극(4)을 포함하고, 리튬의 산화반응과 리튬이온의 환원반응을 이용한다.
그리고, 충전이 진행되는 음극 전극구조체는 접속단자인 전도성 섬유사(C)를 통해 전극단자(6)와 연결되어 방전시 전기적인 연결을 이루게 된다.
상기에서 전도성 섬유사(C)는 탄소섬유로 이루어지는 것이 바람직하며, 실리콘코어의 외주에 나선형상으로 권취되어 형성된다.
전도성 섬유사(C)는 외주면이 플라즈마 에칭처리되어 다수의 홈이 형성됨에 따라 표면적을 증대시켜 실리콘코어(S)와의 결합력을 증대시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예의 전극재료(7)에서 상기한 실리콘코어(S)는 원기둥형상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 전도성 섬유사(C)를 통해 전극구조체를 구성하는 접속프레임(8)에 고정되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기한 실리콘코어(S)의 외주면은 도 7에서 도시된 바와 같이 플라즈마 에칭처리되어 다수의 홈이 형성되어 표면적이 증대됨에 따라, 리튬삽입반응 면적을 빠른 충전이 이루어지도록 되는 것이 바람직하다.
물론, 실리콘코어(S)의 형상이 평면 형상, 원통 형상, 직방체형, 시트형 등으로 이루어질 수 있다,
또한, 상기에서 전극구조체는 상기 전극재료(1)들이 도 9에서 도시된 바와 같이 하나의 접속프레임(8)에 배열 적층되어 형성될 수 있으며, 도 9에서 도시된 바와 같이 2개 1조의 접속프레임(8)에 양단이 상기 전도성 섬유사(C)에 의해 고정되어 상하좌우로 배열 적층될 수도 있고, 도 10에서 도시된 바와 같이 3개 1조의 접속프레임(8)이 그 고정방향이 직교하여 교차되도록 상하좌우로 배열 적층될 수도 있으며, 무작위로 상기 접속프레임(8)의 사이 간격에 수용되어 사용될 수 있으며, 이 경우 실리콘코어(S)의 외주면에 전도성 섬유사(C)가 구비되어 있어 전도성 섬유사(C)들의 전기적인 연결이 자연스럽게 이루어진다.
이에 따라, 실리콘코어(S)으로 도 6에서 도시된 바와 같이 리튬삽입반응이 발생하여 실리콘코어(S)이 팽창하더라도 전극재료(7)들의 사이 공간으로 팽창하기 때문에, 과도한 충전에 의해 전극재료(7)가 과도하게 팽창되더라도 전극구조체의 외측으로 팽창되는 면적이 작아 전극구조체가 손상되거나 파손되는 것이 방지되어 안정적으로 사용할 수 있다.
상기와 같은 전극재료(7)는 도 8에서 도시된 바와 같은 공정을 통해 제조된다.
즉, 실리콘을 봉형상으로 성형하여 실리콘코어(S)를 제조하는 실리콘성형단계와, 상기 실리콘성형단계를 통해 성형된 실리콘코어(S)의 외주면에 탄소섬유원사액을 도포하는 원사액도포단계와, 상기 원사액도포단계를 통해 원사액이 표면에 도포된 실리콘코어(S)에서 원사액을 탄화시켜 탄소섬유를 형성하는 탄소섬유형성단계를 포함하여 이루어진다.
따라서, 실리콘코어(S)의 외주면에 접속단자인 탄소섬유가 전도성 섬유사(C)로 도포된 상태로 형성된다.
이때, 상기한 원사액도포단계에서 상기한 원사액은 실리콘코어(S)의 외주면이 외부로 노출되는 면적을 가지도록 도포된다.
따라서, 실리콘코어(S)의 노출면을 통해 리튬삽입반응이 발생한다.
그리고, 상기한 탄소섬유형성단계에서 상기한 원사액이 도포된 실리콘코어(S)는 탄화로에서 900~1500℃의 온도에서 탄화되어 탄소섬유를 형성하게 된다.
이와 같이 실리콘코어(S)의 외주면에 탄소섬유가 도포된 상태로 탄화되어 전극재료(7)가 제조된다.
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 2차전지 2 : 이온전도체
3 : 음극 4 : 양극
5 : 전지케이스 6 : 전극단자
7 : 전극재료 8 : 접속프레임
S : 실리콘코어 C : 전도성 섬유사

Claims (11)

  1. 실리콘을 주성분으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료에 있어서,
    중앙에 실리콘을 재료로 하여 전극을 형성하는 실리콘코어와, 상기 실리콘코어의 외주면에 구비되어 접속단자를 형성하는 전도성 섬유사로 이루어지고,
    상기 실리콘코어는 원기둥형상으로 이루어지며,
    상기 전도성 섬유사는 탄소섬유이며, 실리콘코어의 외주에 나선형상으로 권취되어 실리콘코어의 외주면이 외부로 노출되는 면적을 가지도록 형성되고,
    상기 전도성 섬유사는 외주면에 다수의 홈이 형성되고,
    상기 실리콘코어의 외주면에 다수의 홈이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료.
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  7. 제1항에 기재된 전극재료들이 상하좌우로 배열되어 복층구조로 적층결합된 것을 특징으로 하는 전극구조체.
  8. 제 7항에 기재된 전극구조체를 이용한 음극, 전해질 및 양극을 포함하고, 리튬의 산화반응과 리튬이온의 환원반응을 이용하는 것을 특징으로 하는 2차전지.
  9. 제1항에 기재된 리튬 2차전지용 전극재료를 제조하는 방법에 있어서,
    실리콘을 봉형상으로 성형하여 실리콘코어를 제조하는 실리콘성형단계와,
    상기 실리콘성형단계를 통해 성형된 실리콘코어의 외주면에 탄소섬유원사액을 도포하는 원사액도포단계와,
    상기 원사액도포단계를 통해 원사액이 표면에 도포된 실리콘코어에서 원사액을 탄화시켜 탄소섬유를 형성하는 탄소섬유형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기한 원사액도포단계에서 상기한 원사액은 실리콘코어의 외주면이 외부로 노출되는 면적을 가지도록 도포되는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료의 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기한 탄소섬유형성단계에서 상기한 원사액이 도포된 실리콘코어는 탄화로에서 900~1500℃의 온도에서 탄화되는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지용 전극재료의 제조방법.
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