KR101867163B1 - 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법 - Google Patents

리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101867163B1
KR101867163B1 KR1020160090917A KR20160090917A KR101867163B1 KR 101867163 B1 KR101867163 B1 KR 101867163B1 KR 1020160090917 A KR1020160090917 A KR 1020160090917A KR 20160090917 A KR20160090917 A KR 20160090917A KR 101867163 B1 KR101867163 B1 KR 101867163B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
vanadium oxide
conductive polymer
ion conductive
positive electrode
Prior art date
Application number
KR1020160090917A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180009238A (ko
Inventor
윤우영
조성호
황선우
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020160090917A priority Critical patent/KR101867163B1/ko
Publication of KR20180009238A publication Critical patent/KR20180009238A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101867163B1 publication Critical patent/KR101867163B1/ko

Links

Images

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
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • 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
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0419—Methods of deposition of the material involving spraying
    • 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
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • 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
    • Y02E60/122—

Abstract

리튬이차전지용 양극 구조물은 리튬바나듐산화물을 포함하는 양극 본체 및 상기 양극 본체의 표면을 감싸도록 구비된 이온 전도성 고분자 물질층을 포함한다. 이로써, 양극 구조물이 개선된 안정성 및 우수한 사이클 특성을 가질 수 있다.

Description

리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING A CATHODE STRUCTURE FOR A LITHIUM SECONDARY CELL AND }
본 발명은 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬이차전지의 양극(cathode)으로 적용될 수 있는 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 전지 내에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 의하여 충전과 방전이 이루어지며, 에너지 밀도가 높고 기전력이 크며 고용량을 발휘할 수 있는 장점을 가지고 있어, 휴대전화, 태블릿 PC 등의 전원으로 많이 이용되고 있다.
리튬 이차전지는 통상 음극(anode), 양극(cathode), 분리판(separator) 및 전해질로 구성된다. 음극과 양극은 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 음극 활물질(negative active material) 및 양극 활물질(positive active material)을 포함한다. 분리판은 양극과 음극 사이에서 물리적인 전지 접촉을 방지하지만 분리판을 통한 이온의 이동은 자유롭다. 전해액은 리튬 이온이 함유되어 있는 유기용매이고 양극과 음극 사이에서 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 통로 역할을 한다. 리튬 이차전지 충전 시에는 양극에서 음극 쪽으로 리튬 이온이 이동하여 음극 활물질에 삽입되며, 반대로 방전 시에는 음극에 삽입된 리튬 이온이 양극 쪽으로 이동하여 양극 활물질에 삽입된다.
음극 활물질로는 리튬 메탈 또는 탄소(carbon) 등이 사용된다. 탄소계 물질은 초기 효율 및 사이클 수명 특성이 우수하여 주로 사용되고 있으나, 이론 용량이 작은 문제점이 있다. 리튬 메탈은 높은 이론 용량(3852 mAh/g)으로 인해 연구 가치가 높은 활물질로 평가받고 있다. 그러나, 리튬 메탈은 충전 시 덴드라이트 성장에 따른 안전성 문제와 리튬 처리 양극과 조합할 경우, 적은 용량으로 인해 그 동안 활용이 없었다. 이를 극복하기 위하여 리튬을 직접 음극으로 사용할 경우에는, 반응에 참여하는 리튬이 포함되지 않은 비-리튬계 양극을 사용하여 전지를 구성하거나, 또 리튬에서 발생하는 덴드라이트 성장을 억제하기 위한 여러 방안들이 연구되고 있다.
한편, 양극 활물질로는 리튬-코발트 복합 산화물(LiCoO2), 리튬-니켈 복합 산화물(LiNiO2), 리튬-망간 복합 산화물(LiMn2O4), 리튬-니켈-망간-코발트 복합 산화물(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) 등과 같이 리튬을 함유하고 있는 전이금속 산화물이 이용되고 있다. 반면 리튬을 음극에 사용할 경우에 이용되는 비-리튬계 양극 활물질로는 리튬바나듐산화물(LiV3O8), 바나듐산화물(V2O5) 등을 사용한다. 그 중 리튬바나듐산화물(LiV3O8)은 높은 이론 용량(280 mAh/g)과 안정적인 층상 구조로 인한 충방전 특성으로 인하여 비-리튬계 양극 산화물 연구에서 활발히 진행되고 있다.
하지만, 상기 리튬바나듐산화물로 이루어진 전극이 리튬이차전지의 양극으로 적용될 경우에도 충전 및 방전 과정에서 상기 리튬바나듐산화물의 구조 변화 또는 부피 팽창이 발생하고, 이로 인하여, 활물질의 손실이 야기될 수 있다. 나아가, 상기 충전 및 방전 과정에서, 전해질 및 활물질 간의 부반응으로서 활물질이 전해질에 용해되어 활물질의 손실이 야기된다.
본 발명의 일 목적은 구조 변화 도는 부피 팽창이 억제될 수 있는 리튬이차전지용 양극 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구조 변화 도는 부피 팽창이 억제될 수 있는 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예들에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물은 리튬바나듐산화물을 포함하는 양극 본체 및 상기 양극 본체의 표면을 감싸도록 구비된 이온 전도성 고분자 물질층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 P(PEMGA)(poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate))을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체의 표면에 분산된 이온 전도성 고분자 파티클들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체에 포함된 활물질 및 전해질 사이의 직접적인 컨택을 억제하는 쉴드층으로 기능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체를 향하여 공급되는 정전기 스프레이 코팅 공정을 통하여 형성될 수 있다.
상기 일 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예들에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법에 있어서, 리튬바나듐산화물로 이루어진 양극 본체를 준비한다. 이후,
상기 양극 본체의 표면을 덮도록 이온 전도성 고분자 물질층을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 정전식 스프레이 코팅 공정을 통하여 형성될 수 있다.
여기서, 상기 정전식 스프레이 코팅 공정은 용매 THF(tetrahydrofuran)에 P(PEMGA)(poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate)) 를 용해시킨 코팅액을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극 본체는, 수산화리튬(LiOH·H2O)과 산화바나듐(V2O5) 또는 수산화리튬과 메타바나듐산 암모늄(NH4VO3)을 에탄올 용매를 이용하여 상온에서 볼밀 공정을 통하여 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 수평로 내에 장입하여 600℃ 이하의 불활성 가스 분위기에서 고체상 반응 공정을 수행하여 리튬바나듐산화물을 형성한다. 이어서, 상기 리튬바나듐산화물을 활물질체를, 도전제 및 바인더와 혼합하여 슬러리를 형성한 후, 상기 슬러리를 이용하는 캐스팅 공정을 통하여 리튬바나듐산화물 양극 본체를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 양극 구조물은 양극 본체에 코팅된 이온 전도성 고분자 물질층을 구비함으로써, 부피팽창으로 인하여 양극 본체에 포함된 리튬바나듐산화물의 구조 붕괴를 억제할 수 있다. 또한, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 구조물이 전해질층과 컨택함으로써 상기 양극 구조물에 포함된 활물질체가 상기 전해질층으로 용해되는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 상기 이온성 고분자 물질층은 리튬이차전지의 안정성을 개선하고 나아가 정전 용량의 감소를 억제할 수 있다.
본 발명에 따라 제조한 리튬 바나듐 산화물은 전기 화학적 특성이 우수하여 리튬 이차전지 양극으로서의 특성을 만족한다.
이때, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 정전식 스프레이 코팅 공정을 통하여 형성될 수 있다. 전위차를 이용하여 노즐로부터 코팅액이 액적 형태로 분사될 때, 액적들의 응집력이 약화되어 상기 코팅액으로부터 분사되는 이온 전도성 고분자 파티클들이 균일하게 분산될 수 있다. 이로써, 상기 양극 본체 상에 이온 전도성 고분자 물질층이 균일하게 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물을 촬상한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법에서 정전식 스프레이 공정을 구현할 수 있는 장치이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬이차전지용 양극 구조물을 포함하는 리튬이차전지를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬이차전지용 양극 구조물을 포함하는 리튬이차전지의 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
리튬이차전지용 양극 구조물
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물을 촬상한 주사전자현미경 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물은, 양극 본체 및 이온 전도성 고분자 물질층을 포함한다.
상기 양극 본체는 리튬바나듐산화물을 포함한다. 리튬바나듐산화물을 활물질체로 구비하는 양극 본체는 상대적으로 높은 단위질량당 충전용량을 가진다. 예를 들면, 상기 리튬바나듐산화물은 이론적으로 280 mAh g-1 의 충전 용량을 가짐으로써, 우수한 충전용량을 구현할 수 있다.
상기 양극 본체는 리튬바나듐산화물로 이루어진 활물질을 더하여 도전체, 바인더 및 분산제를 포함한다. 상기 도전체의 예로는 카본 블랙, 케첸블랙(ketjenblack), 아세틸렌블랙, 및 슈퍼 P 물질을 들 수 있다. 상기 바인더로 예로는 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose; CMC)를 들 수 있다.
상기 양극 본체는 플레이트 형상을 가진다. 또한, 상기 양극 본체의 일면은 전해질층을 사이에 두고 음극(Anode)과 마주보도록 구비될 수 있다.
상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체의 표면을 감싸도록 구비된다. 상기 이온 전도성 고분자 물질층은, 상기 양극 본체의 일 면에 형성된다. 상기 이온 전도성 고분자 물질층은, 부피팽창으로 인하여 양극 본체에 포함된 리튬바나듐산화물의 구조 붕괴를 억제할 수 있다. 또한, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 구조물이 전해질층과 컨택함으로써 상기 양극 구조물에 포함된 활물질체가 상기 전해질층으로 용해되는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 상기 이온성 고분자 물질층은 리튬이차전지의 안정성을 개선하고 나아가 정전 용량의 감소를 억제할 수 있다.
상기 이온 전도성 고분자 물질층의 예로는 P(PEMGA)(poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate))을 들 수 있다.
또한, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체의 표면에 분산된 이온 전도성 고분자 파티클들을 포함할 수 있다. 이로써, 상기 이온 전도성 고분자 물질층에 포함된 이온 전도성 고분자 파티클들이 상기 양극 본체의 일면을 균일하게 코팅할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체에 포함돤 활물질 및 전해질 사이의 직접적인 컨택을 억제하는 쉴드층으로 기능할 수 있다. 이로써, 상기 양극 본체에 포함된 활물질이 전해질로 용해되는 것이 억제될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 본체를 향하여 공급되는 정전기 스프레이 코팅 공정을 통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 양극 구조물은 양극 본체에 코팅된 이온 전도성 고분자 물질층을 구비함으로써, 부피팽창으로 인하여 양극 본체에 포함된 리튬바나듐산화물의 구조 붕괴를 억제할 수 있다. 또한, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 상기 양극 구조물이 전해질층과 컨택함으로써 상기 양극 구조물에 포함된 활물질체가 상기 전해질층으로 용해되는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 상기 이온성 고분자 물질층은 리튬이차전지의 안정성을 개선하고 나아가 정전 용량의 감소를 억제할 수 있다.
리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법
리튬 공급원과 바나듐 공급원을 포함하는 원료물질을 준비한다. 여기서 리튬 공급원으로 수산화리튬(LiOH·H2O) 및 바나듐 공급원으로 산화바나듐(V2O5) 또는 메타바나듐산암모늄(NH4VO3)이다. 이러한 금속 공급원들은 소성 중에 유해 가스를 발생시키지 않거나 비교적 저온에서 열분해하기 때문에 소성로를 손상시키지 않는다. 원료물질들은 볼밀(ball mill)을 이용해 상온에서 혼합하여 혼합물을 형성한다. 최종 분말의 형상(morphology)은 혼합시의 볼밀 등을 이용하여 제어할 수 있다.
이어서, 혼합물에 대하여 고체상 반응을 일으켜 리튬 바나듐 산화물을 합성한다.
고체상 반응은 600 °C 이하의 불활성 가스 분위기에서 수행하도록 한다. 불활성 가스로는 아르곤(Ar)을 이용할 수 있다.
이와 같이 리튬 바나듐 산화물을 수평로를 이용하여 고체상 반응으로 합성하면 기존의 졸겔법, 수열합성법 등에 비하여 공정 단계가 간단하고 제어할 변수가 적어 대량 생산이 가능하다. 그리고, 불활성 가스 분위기에서의 안정적인 반응으로 인하여 기존의 방법보다 더욱 안정적인 전기 화학 특성을 보이는 리튬 바나듐 산화물을 제조할 수 있다.
상기 리튬바나듐산화물을 도전체 및 바인더와 함께 용매에 혼합하여 슬러리를 형성한다. 상기 슬러리를 기판(미도시) 상에 캐스팅하는 캐스팅 공정을 통하여 양극 몸체를 형성한다.
이어서, 상기 양극 본체의 표면을 덮도록 이온 전도성 고분자 물질층을 형성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법에서 정전식 스프레이 공정을 구현할 수 있는 장치이다.
도 2를 참조하면, 상기 이온 전도성 고분자 물질층은 정전식 스프레이 코팅 공정을 통하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 정전식 스프레이 코팅 공정은 용매 THF(tetrahydrofuran)에 이온 전도성 고분자 파티클인 P(PEMGA)(poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate))를 용해시킨 코팅액을 이용할 수 있다.
상기 코팅액을 노즐로 분사할 때, 기판 및 노즐 사이의 전위차를 이용하여 정정식 스프레이 방식으로 상기 양극 본체의 표면을 덮도록 이온 전도성 고분자 물질층을 형성한다.
이때, 상기 전위차에 의하여 상기 노즐로 코팅액이 액적 형태로 분사될 때, 액적들의 응집력이 약화되어 상기 코팅액으로부터 분사되는 이온 전도성 고분자 파티클들이 균일하게 분산될 수 있다. 이로써, 상기 양극 본체 상에 이온 전도성 고분자 물질층이 균일하게 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 리튬 이차전지(100)는 음극(110), 양극(120) 및 분리판(130)을 포함한다. 리튬 이차전지(100)의 형태는 코인, 버튼, 시트, 원통형 및 각형 등 어느 것이라도 좋다.
음극(110)은 집전체(112)와 리튬 분말(114)을 포함한다. 바람직한 실시예에서 집전체(112)로는 stainless steel(SUS Mesh)을 사용한다. 집전체(112)는 음극을 전기적으로 전지의 음극 단자(미도시)와 연결하는 역할을 한다. 리튬 분말(114)은 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 음극 활물질이다. 본 발명 실시예에서는 3852 mAh/g의 이론 용량을 가지는 벌크 리튬(bulk lithium)을 실리콘 오일에 녹여 교반하는 방법을 이용하여 제작한 리튬 분말을 이용한다. 리튬 분말(114)은 크기가 100nm ~ 40μm일 수 있고, 리튬 분말(114) 사이의 공간으로 인해 음극(110)이 다공성 구조로 구현이 된다. 리튬 분말(114)의 크기가 100nm 미만인 경우에는 집전체(112)에 대한 리튬 분말(114)의 부착성이 감소하며, 전해질이 분말 사이사이로 충분히 스며들지 못해 반응에 필요한 유효면적이 감소하게 되어 바람직하지 않고, 40μm를 초과하는 경우에는 역시 반응에 필요한 유효면적이 충분히 확보되지 않아 바람직하지 않다.
리튬 금속을 음극 소재로 사용하는 이차전지의 경우, 충전 시에 리튬에 형성되는 덴드라이트의 성장으로 인해 전지의 수명과 안전성에 문제를 가지게 된다. 그러나 본 발명에서는 리튬 포일(Li foil) 전극을 사용하는 대신 리튬 분말을 전극으로 사용함으로서 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다.
양극(120)은 집전체(122)와 양극 구조물(124)을 포함한다. 양극 구조물(124)은 본 발명에 따라 제조한 것으로, 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 양극 활물질로 이루어진 양극 본체 및 양극 본체에 코팅된 이온 전도성 고분자 물질층을 포함한다.
양극(120)의 제작은 본 발명에 따라 제조한 리튬바나듐산화물에 필요에 따라 도전체, 분산제, 바인더 등의 첨가 성분을 첨가해, 적당한 용매(물 또는 유기용매)에 의해 슬러리(slurry)화 내지는 페이스트(paste)화 한다. 이렇게 얻은 슬러리 또는 페이스트를 집전체(122)에 닥터 플레이드법 등을 이용해 도포 및 건조한 후, 압연 롤 등으로 프레스하여 제조한다.
상기 분리판(separator, 130)은 음극(110)과 양극(120)을 분리하여 전극간 물리적인 접촉을 방지하고, 다공성 막의 형태로서 이온의 이동은 자유롭게 한다. 이러한 분리판(130)은 폴리올레핀, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 재질로 이루어진 단일 혹은 다중막이 될 수 있으며, 또한 미세다공성 필름, 부직포 등도 이용될 수 있다.
이외에도 리튬 이차전지는 리튬 이온이 이동할 수 있게 해주는 전해질(미도시)과 상기 전해질을 저장하는 케이스(미도시)를 포함한다. 전해질은 비수성 유기 용매가 될 수 있으며, 여기에 리튬염이 포함될 수 있다. 비수성 유기 용매는 환상 또는 비환상 카보네이트, 지방족 카르복실산 에스테르 등이 단독 또는 2종 이상이 혼합되어 있는 것을 이용할 수 있다. 바람직한 실시예에서 상기 전해질은 GPE와 같은 젤-고분자이다. 젤-고분자는 리튬 분말을 사용하는 음극(110)의 덴드라이트 성장을 억제하고 전지 안정성을 높일 수 있다. 젤-고분자 전해질은 처음에는 액체 상태이므로 이를 음극(110)에 골고루 스며들도록 주입한 후 젤화 단계를 거치게 된다. 젤-고분자 전해질은 주입 상태에서는 기공이 존재하는 리튬 분말 전극에 깊숙이 스며들어 전극 표면뿐만 아니라, 내부의 리튬 분말도 전지 반응에 참여하도록 유도할 수 있으며, 젤화 후에는 분말을 단단히 감싸줌으로써 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬이차전지용 양극 구조물을 포함하는 리튬이차전지의 사이클 특성을 나타내는 그래프이다.
실시예의 경우, 양극 몸체에 이온 전도성 고분자 물질층을 형성하여 양극 구조물을 양극으로 이용한 리튬이차전지에 해당한다. 반면에, 비교예의 경우, 이온 전도성 고분자 물질층을 형성하지 않고, 양극 몸체 자체를 양극 구조물을 양극으로 이용한 리튬이차전지에 해당한다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 리튬 이차전지(-●-)는 초기 용량 196 mAh/g이고 100 사이클 뒤의 용량이 179 mAh/g로서 대략 84%의 용량유지율을 보인다. 이는, 비교예에 따른 리튬치차전지(-■-)에 비해 60 mAh/g 가량 증가된 방전 용량이고 7% 가량 증가된 용량유지율이다. 이와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 용량과 용량유지율이 향상된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 리튬바나듐산화물로 이루어진 양극 본체를 준비하는 단계; 및
    상기 양극 본체의 표면 상에 형성된 이온 전도성 고분자 물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 이온 전도성 고분자 물질층은 정전식 스프레이 코팅 공정을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 정전식 스프레이 코팅 공정은 용매 THF(tetrahydrofuran)에 P(PEMGA)(poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate)) 를 용해시킨 코팅액을 이용하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 양극 본체를 준비를 준비하는 단계는,
    수산화리튬(LiOH·H2O)과 산화바나듐(V2O5) 또는 수산화리튬과 메타바나듐산 암모늄(NH4VO3)을 에탄올 용매를 이용하여 상온에서 볼밀 공정을 통하여 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 수평로 내에 장입하여 600℃ 이하의 불활성 가스 분위기에서 고체상 반응 공정을 수행하여 리튬바나듐산화물을 형성하는 단계;
    상기 리튬바나듐산화물을 활물질체를, 도전제 및 바인더와 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계; 및
    상기 슬러리를 이용하는 캐스팅 공정을 통하여 리튬바나듐산화물 양극 본체를 형성하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법.
KR1020160090917A 2016-07-18 2016-07-18 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법 KR101867163B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160090917A KR101867163B1 (ko) 2016-07-18 2016-07-18 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160090917A KR101867163B1 (ko) 2016-07-18 2016-07-18 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180009238A KR20180009238A (ko) 2018-01-26
KR101867163B1 true KR101867163B1 (ko) 2018-06-12

Family

ID=61025719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160090917A KR101867163B1 (ko) 2016-07-18 2016-07-18 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101867163B1 (ko)

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Journal of Power Sources 247 (2014), pp.117 ~ 126(2013.09.03) *
Journal of Power Sources 247 (2014), pp.117 ~ 126(2013.09.03)*
Macromolecules 2012, 45, pp.9347 ~ 9356(2012.11.20.) *
Macromolecules 2012, 45, pp.9347 ~ 9356(2012.11.20.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180009238A (ko) 2018-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5927788B2 (ja) リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池
CN101295804A (zh) 非水电解质二次电池及其制造方法
CN115172654B (zh) 一种补锂负极极片和二次电池
CN105161693A (zh) 一种高循环锂电多元正极材料ncm及其制备方法
US10790512B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2007323958A (ja) 非水電解質電池及びその製造方法
TW560099B (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
JP2011192561A (ja) 非水電解液二次電池の製造方法
JPH07335261A (ja) リチウム二次電池
KR101770698B1 (ko) 리튬 티타늄 옥사이드 및 이를 포함하여 향상된 출력 특성을 갖는 리튬이차전지
KR101660111B1 (ko) 리튬 이차전지용 전극 및 그 제조방법
CN107172888B (zh) 非水电解质二次电池用正极活性物质及非水电解质二次电池
US10177370B2 (en) Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same
JP2002246025A (ja) 非水電解質二次電池用電極活物質、それを含む電極及び電池
JP6624631B2 (ja) リチウム遷移金属複合酸化物及びその製造方法
WO2013108841A1 (ja) 捕捉体を含む非水電解質二次電池
CN108155384B (zh) 一种无机粘结剂锂离子电池
JP2013186972A (ja) 非水電解質二次電池
KR101867163B1 (ko) 리튬이차전지용 양극 구조물의 제조 방법
KR101863441B1 (ko) 리튬이차전지용 양극 활물질체를 포함하는 리튬이차전지
JP2007220455A (ja) 非水電解液二次電池
JP3132504B2 (ja) 非水電解液二次電池
JP2013137939A (ja) 非水電解質二次電池
WO2014128844A1 (ja) リチウムイオン二次電池
CN103887493A (zh) 一种锂离子电池正极材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant