KR20140039208A - 일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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Abstract

일종의 전도성 물질을 함유한 리튬 이온 배터리로서, 양극, 음극, 격막, 전해액, 접착제와 밀봉 재료를 포함하며, 그 양극 전도성 물질은 금속 탄화물, 금속 붕화물이나 금속 질화물을 포함하고, 그 음극 전도성 물질은 금속 탄화물, 금속 붕화물이나 금속 질화물을 포함한다. 그 금속 탄화물은 티타늄 카보니트라이드, 텅스텐 카바이드나 티타늄 카바이드, 바나듐 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 텅스텐 카바이드와 티타늄 카바이드의 공정체이며, 그 금속 붕화물은 몰리브덴 라이드, 텅스텐 라이드나 바나듐 라이드이고, 그 금속 질화물은 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물이나 탄탈륨 질화물이다. 그 양극 전도성 물질은 또 분말 금속을 함유할 수 있으며, 그 음극 전도성 물질은 분말 금속을 함유한다. 그 분말 금속은 니켈 분말, 구리 분말이나 크롬 분말이다.

Description

일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리{HIGH CAPACITANCE LITHIUM ION BATTERY CONTAINING METALLIC CONDUCTING MATERIALS}
본 발명은 일종의 배터리에 관한 것이며, 특히 일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
화학 배터리는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치이다. 화학 배터리는 주로 밀봉 재료인 쉘, 쉘내의 전해질 용액, 및 상술한 용액속에 있는 양극, 음극 자극판과 전극을 연결하는 도선을 포함한다. 충전할 수 있는 화학 배터리중에는 충전 조작도 할 수 있는 회로 기판을 포함하기도 하는데, 상술한 전해질 용액과 양극, 음극 자극판등을 배터리 셀이라고 총징한다. 기존의 리튬 이온 배터리는 화학 배터리의 일종으로서, 현재 보편적으로 응용되고 있다. 상술한 리튬 이온 배터리의 양극판과 음극판은 모두 활성 물질, 도전제, 집전체 및 접합제를 포함한다. 현재 상업화된 리튬 이온 배터리의 양극판중이나 음극판중에는 보통 모두 전도성 카본 블랙 (또는 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브, 아세틸렌 블랙등 비금속 전도성 물질)을 도전제로 사용하고 있는데, 주요 원인은 양극 활성 물질 (예, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트, 리튬 망간 산화물, 이산화망간, 리튬 티오닐 클로라이드등) 자체의 전도성이 안좋고, 양극 활성 물질이 전기 에너지를 외부로 출력할 때 전자를 흡수하여, 전자가 집전체에 도달해 집전체를 통해 외부로 전기 에너지를 출력하기 때문이다. 전도성 카본 블랙의 작용은 집전체가 방출한 전자를 활성 물질로 전송시켜서, 배터리 셀 내부 전자의 전도성 작용을 일으키는 것이다. 이차 리튬 이온 배터리의 경우, 충전시 전도성 카본 블랙의 작용이 전자를 집전체에서 양극 활성 물질로 전송하는 것인데, 만약 도전제를 첨가하지 않으면, 배터리의 내부 저항이 커서, 활성 물질이 방출하는 전자가 집전체로 전송될 수 없고, 배터리의 전기적 특성(예, 용량)이 발휘될 수 없거나 또는 충전될 수 없기 때문에, 배터리를 상업적으로 사용할 수 없게 된다. 음극판속에 만약 도전제를 첨가하지 않는다면, 배터리의 고율 방전이 영향을 받기 때문에, 전도성 카본 블랙(또는 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브, 아세틸렌 블랙등 비금속 전도성 물질)은 리튬 이온 배터리중에서 중요한 작용을 일으키는 것이다.
1990년대부터 SONY가 리튬 이온 충전식 배터리(또는 이차 배터리로 칭함)의 상업화 생산을 성공화시킨 이래, 현재 대량 생산된 리튬 이온 배터리는 휴대폰, 노트북, MP3, MP4등 소비성 전자제품에 응용됨으로써, 전자제품의 전기적 특성의 요구를 비교적 양호하게 만족시켜 주고 있다. 기술적으로도 매우 성숙하여 에너지 밀도가 높은 장점을 구비하고 있기 때문에, 시대의 발전을 따라 가볍고, 얇고, 높은 에너지 밀도 등의 특성은 리튬 이온 배터리를 아직 사용하지 않은 분야에서도 널리 사용되고 높은 인정을 받고 있다. 그러나 기존의 이미 상업화된 리튬 이온 배터리의 기술은 고공에서는 -40℃의 저온이고, 비교적 높은 동작 전류와 높은 안전성이 필요하며, 또 중량도 가벼워야 하는(높은 에너지 밀도) 항공 분야과 같은 새로운 영역의 제품 요구를 만족시키지 못하고 있다. 또한 유럽처럼 비교적 북부인 지역에서는 전기 오토바이가 매우 인기이지만, -20℃에서 충전할 수 있고 또 고효율의 작업을 하면서 사이클 수명도 길기는 매우 어렵다. 게다가 방탄복이나 전투복처럼 저온하에서 작업을 해야 하고, 또 총탄의 관통을 견딜 수 있어야 하며(높은 안전성), 또 비교적 높은 동작 전류와 가벼운 중량(높은 에너지 밀도) 등등을 요구한다. 그렇기 때문에, 항공 분야, 소비성 전자 분야와 같은 전기 신에너지 분야에 대한 에너지 밀도와 저온 방전 효율을 향상시켜야 하는 문제는 긴박한 것이다.
그러나 현재 리튬 이온 배터리 전극의 전도성 물질은 전도성 카본 블랙, 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브 또는 아세틸렌 블랙등 비금속 전도성 물질로서, 이러한 전도성 물질의 전기 저항률은 4 X 10-6Ωm-7 X 10-6Ωm으로 항산화성이 안좋고, 호기성 환경하에서 연소되기가 쉽다.
본 발명은 일종의 높은 용량 및 용량 밀도, 높은 방전 플랫폼 및 높은 저온 방전 효율을 가진, 특히 높은 안전성이라는 기술적 문제를 해결한 리튬 이온 배터리이다.
상술한 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명이 그 기술 문제 해결을 위해 사용한 기술 방안은 다음과 같다. 일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리로서, 양극판, 음극판, 격막, 전해액, 접착제와 밀봉 재질을 포함하며, 상술한 양극판의 전도성 물질은 금속 탄화물, 금속 붕화물 또는 금속 질화물을 포함하고, 상술한 음극판의 전도성 물질은 금속 탄화물, 금속 붕화물 또는 금속 질화물을 포함한다.
상술한 금속 탄화물은 티타늄 카보니트라이드, 바나늄 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 텅스텐 카바이드와 티타늄 카바이드의 공정체, 텅스텐 카바이드 또는 티타늄 카바이드이고, 상술한 금속 붕화물은 몰리브덴 라이드, 텅스텐 라이드나 바나듐 라이드이고, 상술한 금속 질화물은 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물이나 탄탈륨 질화물이다.
상술한 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명이 사용한 또 다른 기술 방안은 다음과 같다. 일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리로서, 양극판, 음극판, 격막, 전해액, 접착제와 밀봉 재질을 포함하며, 상술한 양극판의 전도성 물질은 분말 금속을 함유하고, 상술한 음극판의 전도성 물질은 분말 금속을 함유한다.
상술한 분말 금속은 니켈 분말, 구리 분말이나 크롬 분말이다.
그 중, 상술한 양극판은 양극 활성 물질, 양극 집전체와 접합제를 포함하며, 상술한 양극판 활성 물질은 리튬 철 인산염, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, Li-Ni-Co-Mn-O, 리튬 망간 인산염, 리튬 망간 철 인산염, 리튬 망간 규산염, 이산화망간 또는 리튬 티오닐 클로라이드이고, 상술한 양극 집전체는 알루미늄 포일이며, 상술한 접합제는 아라비아 고무, 소수성화 개질된 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 스티렌 부타디엔 라텍스 또는 카르복시 메틸 셀룰로오스이다.
상술한 음극판은 음극 활성 물질, 음극 집전체와 접합제를 포함하며, 음극 활성 물질은 인조 흑연, 천연 흑연, 인조 흑연과 천연 흑연 양자의 혼합물, 메조카본 마이크로비즈, 금속 리튬, 금속 주석, 규소 또는 리튬 티타네이트이다.
그 중, 상술한 격막은 3겹 복합 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 미세 다공성 막, 단층 폴리에틸렌 미세 다공성 막 또는 폴리이미드 미세 다공성 막이다.
그 중, 상술한 접합제는 아라비아 고무, 소수성화 개질된 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리넨 플루오라이드, 스티렌 부타디엔 라텍스 또는 카르복시 메틸 셀룰로오스이다.
그 중, 상술한 전해액은 용제, 가용성 리튬염과 첨가제를 포함하며, 상술한 용제는 에틸렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트 또는 에틸 아세테이트이며, 상술한 가용성 리튬염은 리튬 헥사 플루오로 포스페이트, 리튬 도데실 플루오로보레이트, 리튬 비스옥살레이트 보레이트 또는 이미드 리튬염이고, 상술한 첨가제는 프로판설톤, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 불화 카보네이트, 에틸렌 아황산, 헥사 메틸 디실 아젠 알킬 아민 또는 트리페닐 포스페이트이다.
그 중, 상술한 밀봉 재질은 난연성 경질 폴리염화비닐, 스테인레스강 또는 알루미늄 복합 필름 또는 알루미늄 재질이다.
그 중, 상술한 양극판의 전도성 물질은 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌의 방사선 가교 혼합물을 포함하며, 상술한 음극판의 전도성 물질은 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌의 방사선 가교 혼합물을 포함한다.
본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다. 금속 탄화물 또는 금속 붕화물, 또는 금속 질화물 및 분말 금속의 전기 저항률은 5 X 10-7Ωm X 10-9Ωm이며, 열안정성 온도는 3100℃ 정도이고, 금속 탄화물 또는 금속 붕화물, 또는 금속 질화물은 비교적 우수한 화학 안정성(내부식성, 산 및 알칼리 저항성)과 비교적 우수한 항산화성을 가지고 있기 때문에, 호기성 환경하에서 연소가 쉽지 않다. 본 발명의 리튬 이온 배터리는 그 양극판과 (또는) 음극판속에 금속류 전도성 물질을 넣어서, 리튬 이온 배터리의 양극판과 (또는) 음극판속의 원래 비금속류 전도성 물질을 전부 대체 또는 일부 대체하면, 리튬 이온 배터리의 용량 및 용량 밀도와 저온 방전 효율이 더욱 향상되고, 또 안전성도 더욱 향상된다. 금속류 전도성 물질은 더욱 낮은 전기 저항률을 가지기 때문에, 배터리의 내부 저항이 감소되고, 배터리가 어떤 전위(전압, 예, 2.8V 또는3.0V)까지 방전되면, 배터리의 방전 시간이 더 길어짐으로써, 리튬 이온 배터리의 용량 및 용량 밀도가 향상된다. 금속류 전도성 물질은 연소가 쉽지 않기 때문에, 배터리의 안전성도 향상된다.
본 발명의 기술적 내용과 구조적 특징, 실현하고자 하는 목적 및 효과를 상세히 설명하기 위해, 다음과 같이 실시 방식을 덧붙여 설명한다.
본 발명은 분말의 금속 탄화물(예, 티타늄 카보니트라이드, 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드 등) 또는 금속 붕화물(예, 몰리브덴 라이드, 텅스텐 라이드, 바나듐 라이드 등), 또는 금속 질화물(예, 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물, 탄탈륨 질화물 등) 및 분말의 금속(예, 니켈 분말, 구리 분말, 크롬 분말 등)을 "금속류 전도성 물질"로 간칭하고, 또 전도성 카본 블랙(또는 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브, 아세틸렌 블랙 등)은 "비금속류 전도성 물질"로 간칭한다. 금속류 전도성 물질의 입자 크기는 1나노에서 9999미크론 사이이며, 그 이상이기도 하다.
상술한 금속 탄화물은 티타늄 카보니트라이드, 텅스텐 카바이드 또는 티타늄 카바이드에 국한되지 않으며, 바나듐 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 텅스텐 카바이드와 티타늄 카바이드의 공정체등과 같은 기타 금속 탄화물도 본 발명의 청구항에 포함되고, 상술한 금속 붕화물도 몰리브덴 라이드, 텅스텐 라이드 또는 바나듐 라이드에 국한되지 않고, 상술한 금속 질화물도 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물 또는 탄탈륨 질화물에 국한되지 않는다.
실시예 1
본 발명의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리 실시예 1은 양극판, 음극판과 격막이 권선 구조로 만들어진 500mAh의 중합체 리튬 이온 이차 배터리이고, 배터리 사이즈는 5.0*303*48mm3，배터리의 양극 활성 물질은 리튬 코발트 산화물이고, 양극 도전제는 티타늄 카바이드, 양극 접합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드 PVDF이며, 양극 구성 요소인 리튬 코발트 산화물/티타늄 카바이드/폴리비닐리덴 플루오라이드의 비율은 92.58분/7.92분/1.7분 (중량비)이고, 측정된 티타늄 카바이드의 다짐 밀도는 전기 카본 블랙 다짐 밀도의 3.6배이다. 금속류 전도성 물질의 전도도가 비금속류 전도성 물질보다 우수하므로, 도전제 교체시 그 동등한 체적 분수로 교체하면 된다. 그러므로 금속류 전도성 물질로 비금속류 전도성 물질을 대체할 때 금속류 전도성 물질의 다짐 밀도는 비금속류 전도성 물질의 3.6배이며, 원래 비금속류 전도성 물질 첨가비가 2.2분이기 때문에, 본 실시예에서 티타늄 카바이드의 중량분수는 7.92분이다. 양극 집전체는 알루미늄 포일이다.
음극 활성 물질은 메조카본 마이크로비즈, 음극 도전제는 SUPER P 전도성 카본, 접합제는 스티렌 부타디엔 라텍스 SBR과 카르복시 메틸 셀룰로오스 CMC, 음극 구성 요소인 메조카본 마이크로비즈/전도성 카본 SUPER P/스티렌 부타디엔 라텍스/카르복시 메틸 셀룰로오스의 비율은 94.2분/2.0분/1.8분 (중량비)이고, 음극 집전체는 구리 포일이며, 물이 음극 접합제의 용제이다.
배터리 격막은 3겹 복합의 (폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌) 미세 다공성 막이고, 배터리 전해액은 용제가 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트（EMC）, 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트（DMC), 디에틸 카보네이트（DEC）, 메틸 프로필 카보네이트MPC）, 에틸 아세테이트등에 리튬 헥사플루오로포스페이트리튬 및 첨가제 프로판설톤, 비닐렌 카보네이트VC）, 비닐에틸렌 카보네이트VEC）, 에틸렌 아황산, 실리콘 알길 아민등 물질을 첨가한 것으로 이루어진다. 배터리의 밀봉 재질 (쉘, 배터리 커버)은 난연성 경질 폴리 염화 비닐이다.
실시 방식 2
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 리튬 코발트 산화물/티타늄 카바이드/폴리비닐리덴 플루오라이드의 비율은 92.58/분/7.92분/1.7분(중량비)을 리튬 코발트 산화물/티타늄 카바이드/카본 블랙 SUPER P/폴리비닐리덴 플루오라이드의 비율 92.98분/4.32분/1.0분/1.7분(중량비)로 변경하였으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 3
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 티타늄 카바이드를 티타늄 나이트라이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 4
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 2중의 티타늄 카바이드를 티타늄 나이트라이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 5
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 티타늄 카바이드를 니켈 분말로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 6
본 실시예는 실시예 2의 기초상에 개선한 것으로, 실시예 2중의 티타늄 카바이드를 니켈 분말로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 7
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 티타늄 카바이드를 텅스텐 카바이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 8
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예2의 티타늄 카바이드를 텅스텐 카바이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 9
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 티타늄 카바이드를 바나듐 라이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 10
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 2중의 티타늄 카바이드를 바나늄 라이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 11
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 음극 도전제 SUPER P 전도성 카본을 티타늄 카바이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 12
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 2중의 음극 도전제 SUPER P 전도성 카본을 티타늄 카바이드로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 13
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 리튬 코발트 산화물을 리튬 철 인산염으로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 14
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 2중의 리튬 코발트 산화물을 리튬 철 인산염으로 변경했으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 15
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 500mAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리를 3000mAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리로 변경했고, 배터리 사이즈는 5.5*53*106mm3이며, 양극 도전제 티타늄 카바이드를 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌의 혼합물로 변경했고, 중량비는 80/10이다. 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌의 혼합 벙법은 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌을 고온하에서（160℃）벤버리 믹서 또는 이축 압출기로 용융 혼합시키고, 냉각된 후 분쇄기로 분쇄시키고, 다시 300메시 이상의 체로 걸러서 분말인 티타늄 카바이드와 고밀도의 폴리에틸렌 혼합물을 얻어낸 후, 방사 가교를 진행한다. 방사 가교 방법은 코발트 60 또는 전자빔으로 방사선 처리를 함으로써, 분말 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌의 혼합물 도전제를 얻었으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 16
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 2중의 500mAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리를 3000mAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리로 변경했고, 배터리 사이즈는 5.5*53*106mm3이며, 양극 도전제중의 티타늄 카바이드를 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌의 혼합물로 변경했고, 중량비는 80/10이다. 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌의 혼합 방법은 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌을 고온하에서（160℃）벤버리 믹서 또는 이축 압출기로 용융 혼합시키고, 냉각된 후 분쇄기로 분쇄시키고, 다시 300메시 이상의 체로 걸러서 티타늄 카바이드와 고밀도의 폴리에틸렌 혼합물을 얻어낸 후, 방사 가교를 진행한다. 방사 가교 방법은 코발트 60 또는 전자빔으로 방사선 처리를 함으로써, 분말 티타늄 카바이드와 고밀도 폴리에틸렌의 혼합물 도전제를 얻었으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 17
본 실시예는 실시예 1의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 1중의 500mAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리를 3000mAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리로 변경했고, 배터리 사이즈는 5.5*53*106mm3이며, 양극 도전제중의 티타늄 카바이드를 티타늄 카바이드와 나일론 6의 혼합물로 변경했고, 중량비는 80/10이다. 티타늄 카바이드와 고밀도 나일론 6의 혼합 방법은 티타늄 카바이드와 나일론 6을 고온하에서（220℃）벤버리 믹서 또는 이축 압출기로 용융 혼합시키고, 냉각된 후 분쇄기로 분쇄시키고, 다시 300메시 이상의 체로 걸러서 티타늄 카바이드와 나일론 6의 혼합물을 얻어낸 후, 방사 가교를 진행한다. 방사 가교 방법은 코발트 60 또는 전자빔으로 방사선 처리를 함으로써, 분말 티타늄 카바이드와 고밀도 나일론 6의 혼합물 도전제를 얻었으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 18
본 실시예는 실시예 2의 기초상에서 개선한 것으로, 실시예 2중의 500MAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리를 3000MAh를 만드는 중합체 리튬 이온 이차 배터리로 변경했고, 배터리 사이즈는 5.5*53*106mm3이며, 양극 도전제중의 티타늄 카바이드를 티타늄 카바이드와 나일론 6의 혼합물로 변경했고, 중량비는 80/10이다. 티타늄 카바이드와 고밀도 나일론 6의 혼합 방법은 티타늄 카바이드와 나일론 6을 고온하에서（220℃）벤버리 믹서 또는 이축 압출기로 용융 혼합시키고, 냉각된 후 분쇄기로 분쇄시키고, 다시 300메시 이상의 체로 걸러서 티타늄 카바이드와 나일론 6의 혼합물을 얻어낸 후, 방사 가교를 진행한다. 방사 가교 방법은 코발트 60 또는 전자빔으로 방사선 처리를 함으로써, 분말 티타늄 카바이드와 고밀도 나일론 6의 혼합물 도전제를 얻었으며, 그 나머지는 동일하다.
실시 방식 19
본 발명의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리 실시예 19는 1300mAh를 만드는 원통 AA형 리튬 망간 이산화물 일차 배터리로서, 배터리 사이즈는 50mm(높이）* 14.5mm(직경)이고, 양극 활성 물질은 이산화망간이며, 양극 도전제는 티타늄 카바이드, 양극 접착제는　폴리테트라플루오로에테 유제, 양극 집전체는 니켈 메쉬이고, 음극 활성 물질은 순 리튬 포일, 음극 집전체는 니켈 봉, 격막은 유리 섬유 직물, 전해질은 프로필렌 카보네이트와 에틸 메틸 카보네이트의 혼합 용제중에 용해된 리튬 퍼클로레이트 혼합물이며, 농도는 1몰이다.
실시 방식 20
본 발명의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리 실시예 20은 1500mAh를 만드는 사각형 리튬 티오닐 클로라이드 일차 배터리로서, 9*36*55mm3이고, 양극 활성 물질은 티오닐 클로라이드이며, 양극 도전제는 티타늄 카바이드, 양극 접착제는　폴리테트라플루오로에테 유제, 양극 집전체는 니켈 메쉬이고, 음극 활성 물질은 순 리튬 포일, 음극 집전체는 니켈 봉, 격막은 유리 섬유 직물, 전해질은 티오닐 클로라이드중에 용해된 리튬 퍼클로레이트 혼합물이며, 농도는 1몰이다.
비교 실시예 1 : 실시예 1중의 리튬 코발트 산화물 / 티타늄 카바이드 / 폴리비닐리덴 플로오라이드의 비율 92.58/7.92분/1. 7분 (중량비）을 리튬 코발트 산화물 / 카본 블랙 SUPER P / 폴리비닐리덴 플로오라이드의 비율95.1분/2.2분/1. 0/1. 7분 (중량비)로 변경했고, 그 나머지는 동일하다.
비교 실시예 2 : 비교 실시예 1과 동일하다.
비교 실시예 3 : 비교 실시예 1과 동일하다.
비교 실시예 4 : 비교 실시예 1과 동일하다.
비교 실시예 6 : 실시예 19중의 양극 도전제 티타늄 카바이드를 아세틸렌 블랙으로 변경했고, 그 나머지는 실시 방식 19와 동일하다.
비교 실시예 7 : 실시 방식 20중의 양극 도전제 티타늄 카바이드를 아세틸렌 블랙으로 변경했고, 그 나머지는 실시 방식 20과 동일하다.
본 발명의 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌 또는 나일론등 플라스틱의 방사 가교 혼합 방법 : 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌을 고온하에서（150℃--180℃）오픈밀, 레오미터, 벤버리 믹서 또는 이축 압출기로 용융 혼합시키고, 냉각된 후 분쇄기로 분쇄시키고, 다시 20메시에서 1000메시 이상의 체로 걸러서 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌의 혼합물을 얻어낸 후, 방사 가교를 진행한다. 방사 가교 방법은 코발트 60 또는 전자빔으로 방사선 처리를 함으로써, 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌 혼합물의 분말 도전제를 얻는다.
금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌 혼합물의 그 중량비는 1/99에서 99/1이다.
본 발명의 배터리 안전성 테스트 방법은 (국내외 관련 기준 의거) 다음과 같다.
과충전 테스트 : 10V보다 작지 않은 전원 테스트 배터리를 사용해 0.5C 전류로 그 용량이 정격 요량의 250%에 달할 때까지 충전시킨다.
긁음 테스트 : 가득 충전된 테스트 배터리를 클램프에 고정시키고, 직경이 3mm인 바늘로 강하게 방사 방향으로 찌른다.
압착 테스트 : 테스트 배터리를 평면위에 놓고 직경이 15.8mm인 막대를 샘플 중심 표면 위에 올려 놓은 후, 중량 9.1±0.46kg인 물체를 61±2.5mm 높이에서 샘플 위로 떨어뜨린다. 원통형이나 사각형 배터리가 충격을 받으면, 그 장축은 평면에서 평행이 되고, 샘플 중심에 놓여있는 15.8mm 직경의 막대 곡면과 수직이 되어야 한다. 사각형 배터리는 넓은 측과 좁은 측이 모두 충격을 받도록 장축 방향을 따라 90도 회전되어야 한다. 모든 샘플 배터리는 한개 방향의 충격만 받으며, 모든 테스트는 각각 독립적으로 테스트한다.
열충격 테스트 : 테스트 배터리를 자연 대류 또는 강제 대류 오븐 속에 넣고 가열하며, 오븐 온도는 5±2℃/min, 속도는 130℃까지 올리고10min 후에 중지한다.
충격 테스트 : 테스트 배터리를 평면 위에 놓고 직경15.8mm인 막대를 샘플 중심 표면 위에 올려 놓은 후, 중량 9.1±0.46kg인 물체를 61±2.5mm 높이에서 샘플 위로 떨어뜨린다. 원통형이나 사각형 배터리가 충격을 받으면, 그 장축은 평면에서 평행이 되고, 샘플 중심에 놓여 있는15.8mm 직경의 막대 곡면과 수직이 되어야 한다. 사각형 배터리는 넓은 측과 좁은 측이 모두 충격을 받도록 장축 방향을 따라 90도 회전되어야 한다. 모든 샘플 배터리는 한개 방향의 충격만 받으며, 각각 독립적으로 테스트한다.
표 1은 본 발명 기술의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리와 기존 기술 (비교 실시예)의 리튬 이온 배터리의 성능에 대한 비교 및 개선 효과를 설명한다.
표 1
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1의 비교로부터 알 수 있듯이, 기존의 기술(즉, 비교 실시예)을 사용해서 만든 리튬 배터리는 그 도전제가 비금속류 도전제를 사용하면, 과충전 테스트, 긁음 테스트, 충격 테스트와 같은 안전성 테스트시에 배터리에 발화 폭발이나 연기등과 같은 현상이 나타나지만, 본 발명 기술의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리(즉, 실시예, 금속류 도전제 사용)는 과충전 테스트, 긁음 테스트, 충격 테스트와 같은 안전성 테스트시에 배터리에 발화나 폭발 현상이 나타나지 않기 때문에, 금속류 도전제를 사용한 본 발명의 기술은 기존 기술의 배터리가 가진 불안전한 단점을 해결할 수 있다는 것을 설명한다.
표 1의 비교를 통해 또한 본 발명 기술의 리튬 이온 배터리(즉, 실시예, 금속류 도전제 사용)의 배터리 용량이 모두 기존 기술(비교 실시예, 비금속류 도전제 사용)로 만든 리튬 배터리보다 높다는 것을 알 수 있기 때문에, 금속류 도전제를 사용한 본 발명 기술은 기존 기술(비교 실시예, 비금속류 도전제 사용)의 배터리 용량을 향상시킬 수 있다는 것을 설명한다.
더욱 많은 실시 방식 중, 음극 활성 물질 메조카본 마이크로비즈를 인조 흑연(예, 석유 코크스, 고순도 흑연, 니들 코크스, G4 물질, 탄소 섬유), 천연 흑연(예, 코팅 천연 흑연등)과 같은 이시구로류 물질이나 인조 흑연과 천연 흑연 양자의 혼합물로 변경하거나 또는 리튬 티타네이트로 변경할 수 있다.
또는 배터리의 밀봉 재질(쉘, 케이스 커버)의 난연성 경질 폴리 염화 비닐을 스테인레스강으로 대체하거나 또는 알루미늄 복합 필름이나 알루미늄 재질로 변경할 수 있으며, 그 나머지는 동일하다.
이상 상술한 각 실시예 및 그 개선 방법은 필요에 따라 각 개선 방안을 유연성있게 조정할 수 있다.
이상 상술한 내용은 본 발명의 실시예일 뿐이며, 이로써 본 발명의 특허 범위를 국한할 수 없다. 무릇 본 발명 설명서의 등가 구조나 등가 과정을 사용한 변화 또는 직접 또는 간접적으로 기타 관련 기술 영역을 활용한 것은 모두 마찬가지로 본 발명의 특허 보호 범위내에 포함된다.

Claims (8)

  1. 일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리로서, 양극판, 음극판, 격막, 전해액, 접착제와 밀봉 재질을 포함하고, 상술한
    양극판의 전도성 물질은 금속 탄화물, 금속 붕화물 또는 금속 질화물을 포함하며, 상술한 음극판의 전도성 물질은 금속 탄화물, 금속 붕화물 또는 금속 질화물을 포함한다.
    상술한 금속 탄화물은 티타늄 카보니트라이드, 바나듐 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 텅스텐 카바이드와 티타늄 카바이드의 공정체, 텅스텐 카바이드나 티타늄 카바이드이고, 상술한 금속 붕화물은 몰리브덴 라이드, 텅스텐 라이드 또는 바나듐 라이드이며, 상술한 금속 질화물은 티타늄 질화물, 텅스텐 질화물 또는 탄탈륨 질화물이다.
  2. 일종의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리로서,
    양극판, 음극판, 격막, 전해액, 접착제와 밀봉 재질을 포함하고, 상술한 양극판의 전도성 물질은 분말 금속을 함유하며, 상술한 음극판의 전도성 물질은 분말 금속을 함유한다.
    상술한 분말 금속은 니켈 분말, 구리 분말 또는 크롬 분말이다.
  3. 청구항 1항 또는 2항의 금속류 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에서,
    상술한 양극판은 양극 활성 물질, 양극 집전체 접합제를 포함하며, 상술한 양극판 활성 물질은 리튬 철 인산염, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, Li-Ni-Co-Mn-O, 리튬 망간 인산염, 리튬 망간 철 인산염, 리튬 망간 규산염, 이산화망간 또는 리튬 티오닐 클로라이드이고, 상술한 양극 집전체는 알루미늄 포일이며, 상술한 접합제는 아라비아 고무, 소수성화 개질된 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 스티렌 부타디엔 라텍스 또는 카르복시 메틸 셀룰로오스이다.
    상술한 음극판은 음극 활성 물질, 음극 집전체와 접합제를 포함하며, 음극 활성 물질은 인조 흑연, 천연 흑연, 인조 흑연과 천연 흑연 양자의 혼합물, 메조카본 마이크로비즈, 금속 리튬, 금속 주석, 규소 또는 리튬 티타네이트이다.
  4. 청구항 1항 또는 2항의 임의의 상술한 금속 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에서,
    상술한 격막은 3겹 복합 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 미세 다공성 막, 단층 폴리에틸렌 미세 다공성 막 또는 폴리이미드 미세 다공성 막이다.
  5. 청구항 1항 또는 1항의 임의의 상술한 금속 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에서,
    상술한 접합제는 아라비아 고무, 소수성화 개질된 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리넨 플루오라이드, 스티렌 부타디엔 라텍스 또는 카르복시 메틸 셀룰로오스이다.
  6. 청구항 1항 또는 2항의 임의의 상술한 금속 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에서,
    상술한 전해액은 용제, 가용성 리튬염과 첨가제를 포함하며, 상술한 용제는 에틸렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트 또는 에틸 아세테이트이며, 상술한 가용성 리튬염은 리튬 헥사 플루오로 포스페이트, 리튬 도데실 플루오로보레이트, 리튬 비스옥살레이트 보레이트 또는 이미드 리튬염이고, 상술한 첨가제는 프로판설톤, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 불화 카보네이트, 에틸렌 아황산, 헥사 메틸 디실 아젠 알킬 아민 또는 트리페닐 포스페이트이다.
  7. 청구항 1항 또는 2항의 임의의 상술한 금속 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에서,
    상술한 밀봉 재질은 난연성 경질 폴리염화비닐, 스테인레스강 또는 알루미늄 복합 필름 또는 알루미늄 재질이다.
  8. 청구항 1항 또는 2항의 임의의 금속 전도성 물질을 함유한 고용량 리튬 이온 배터리에서,
    상술한 양극판의 전도성 물질은 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌의 방사선 가교 혼합물을 포함하며, 상술한 음극판의 전도성 물질은 금속류 전도성 물질과 폴리에틸렌의 방사선 가교 혼합물을 포함한다.
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