KR20200089472A - 리튬 금속 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 리튬 금속 전지용 음극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 일 구현예에서는, 리튬 금속 전지의 음극 집전체와 음극 활물질 사이의 접착력을 개선하면서도 도전성을 향상시키기 위하여, 음극 집전체와 음극 활물질 사이에 바인더 및 도전재를 포함하는 접착층을 도입하였다.

Description

리튬 금속 전지 {LITHIUM METAL BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 리튬 금속 전지에 관한 것이다.
일반적인 형태의 리튬 이차 전지는, 탄소계 음극(예를 들어, 흑연 등의 탄소계 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 음극 집전체 상에 형성한 것)을 사용하고, 리튬염을 유기 용매에 용해시킨 액체 전해질을 매개로 리튬 이온의 이동을 구현하는, 리튬 이온 전지이다.
이러한 리튬 이온 전지의 설계 시, 탄소계 음극의 단면적을 양극의 단면적보다 상대적으로 크게 하는 것이 일반적이다. 충전 시 양극에서 유래한 리튬 이온이 모두 음극 활물질로 삽입되게 함으로써 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하는 것이다.
그에 반면, 리튬 금속 전지는, 음극 집전체 단독, 또는 리튬 금속층을 음극 집전체 상에 도포한 음극을 사용하여, 충전 시 리튬 이온이 음극에서 리튬 금속으로 환원 석출되고, 방전 시 리튬 금속이 리튬 이온으로 산화되는 방식으로 구현된다.
양극 용량과 음극 용량의 조합에 의해 전체 전지의 용량이 결정되는 리튬 이온 전지와 달리, 리튬 금속 전지의 용량(즉, 에너지 밀도)을 결정하는 것은 양극이므로, 상대적으로 양극의 단면적을 좁히는 것은 전지의 에너지 밀도를 낮추는 것과 다름 없다.
한편, 전지의 종류를 막론하고, 음극의 단면적보다 양극의 단면적을 작게 설계할 경우, 필연적으로 양극 탭 (양극 집전체)과 음극의 리튬 금속층이 분리막을 사이에 두고 마주보는 형태의 전극 조립체가 만들어진다. 이러한 형태의 전극 조립체를 포함하는 전지의 구동 시, 셀 온도 상승 등의 이유로 분리막이 수축하여 양극 집전체와 음극 합제층 또는 리튬 금속이 직접 접촉하게 되면, 전지 내 발열 반응이 발생하여 안전사고를 초래할 수 있고, 이러한 사고는 리튬 이온 전지보다 리튬 금속 전지에서 더 큰 수준으로 발생할 수 있다.
본 발명에서는, 에너지 밀도와 안전성이 향상된 리튬 금속 전지를 제공한다. 이를 위해, 본 발명의 일 구현예에서는, 양극의 단면적을 리튬 금속 음극의 단면적과 동일하거나 그보다 더 크게 설계한 리튬 금속 전지를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 리튬 금속 음극; 상기 리튬 금속 음극의 단면적과 동일하거나 그보다 큰 단면적을 가지는, 양극; 및 상기 리튬 금속 음극 및 상기 양극 사이에 위치하는, 분리막;을 포함하는 것이다.
상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 전지의 용량(즉, 에너지 밀도)을 결정하는 양극의 단면적을 리튬 금속 음극의 단면적과 동일하거나 그보다 더 크게 설계한 것이므로, 전지의 무게 당, 부피 당 에너지 밀도를 더욱 더 향상시키는 데 유리한 것이다.
나아가, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 셀 온도 상승으로 인한 분리막 수축 시, 발열량이 큰 양극 집전체와 리튬 금속 사이의 접촉 대신, 발열량이 작은 양극 합제층과 음극 집전체의 접촉을 유도함으로써 열폭주 (thermal runaway)를 방지하며, 안전성을 보다 향상시키는데 유리한 것이다.
도 1a는, 상기 일 구현예에 따라, 양극의 단면적을 리튬 금속 음극의 단면적보다 더 크게 설계하여, 양극, 분리막, 및 리튬 금속 음극을 순차적으로 적층한 적층체를 위에서 바라본 모습(개략도)이다.
도 1b는, 도 1a의 적층체를 측면에서 바라본 모습(개략도)이다.
도 2a는, 일반적인 설계 방식에 따라, 탄소계 음극의 단면적을 양극의 단면적보다 더 크게 설계하여, 양극, 분리막, 및 탄소계 음극을 순차적으로 적층한 적층체를 위에서 바라본 모습(개략도)이다.
도 2b는, 도 2a의 적층체를 측면에서 바라본 모습(개략도)이다.
도 3a는, 일반적인 설계 방식에 따라, 리튬 금속 음극의 단면적을 양극의 단면적보다 더 크게 설계하여, 양극, 분리막, 및 리튬 금속 음극을 순차적으로 적층한 적층체를 위에서 바라본 모습(개략도)이다.
도 3b는, 도 3a의 적층체를 측면에서 바라본 모습(개략도)이다.
도 4는, 도 2a 또는 도 3a의 적층체를 포함하는 전지의 구동 시 문제점을 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 1a의 적층체를 포함하는 전지의 구동 시 이점을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
위와 같은 정의를 기반으로, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들은 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 리튬 금속 음극의 단면적보다 양극의 단면적을 상대적으로 크게 설계하여, 탄소계 음극을 적용한 리튬 이온 전지 대비 무게 당, 부피 당 에너지 밀도가 향상된 리튬 금속 전지를 제공한다.
1) 일반적인 형태의 리튬 이차 전지는, 탄소계 음극(예를 들어, 흑연 등의 탄소계 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 음극 집전체 상에 형성한 것)을 사용하고, 리튬염을 유기 용매에 용해시킨 액체 전해질을 매개로 리튬 이온의 이동을 구현하는, 리튬 이온 전지이다.
그런데, 국부적으로 탄소계 음극 활물질이 부족한 경우, 리튬 이온 전지의 충전 과정에서, 양극으로부터 유래한 리튬 이온이 탄소계 음극 활물질로 삽입 (intercalation) 되지 못하고 음극 표면에 불균일하게 리튬 금속의 형태로 석출(plating)될 수 있다.
이처럼 탄소계 음극 표면에 불균일하게 석출된 리튬 금속은, 덴드라이트(dendrite)로 성장하여, 분리막 관통하여 단락(short)을 유발하거나, 탄소계 음극과 전해질 사이의 안정적인 계면(Solid-Electrolyte Interface)을 형성하여 전해액 고갈을 야기하는 등, 전지 수명을 감소시키는 요인이 된다.
이러한 현상을 미연에 방지하기 위해, 리튬 이온 전지의 설계 시, 탄소계 음극의 단면적을 양극의 단면적보다 상대적으로 크게 하는 것이 일반적이다. 구체적으로, 도 2a 및 도 2b와 같이, 탄소계 음극의 단면적을 양극의 단면적보다 상대적으로 크게 함으로써. 충전 시 양극에서 유래한 리튬 이온이 모두 음극 활물질로 삽입되게 함으로써 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하는 것이다.
이와 같이 양극의 단면적을 음극의 단면적에 비해 작게 할 경우 필연적으로 양극 탭 (양극 집전체)과 음극 합제층이 분리막을 사이에 두고 마주보는 형태의 전극 조립체가 만들어진다. 이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 온도 상승 등의 이유로 분리막이 수축하게 되면 양극 집전체와 음극 합제층이 직접 접촉하며 큰 발열반응을 일으켜 열폭주 (thermal runaway) 등의 안전사고 발생의 여지가 존재한다.
2) 그에 반면, 리튬 금속 전지는, 음극 집전체 단독, 또는 리튬 금속층을 음극 집전체 상에 도포한 음극을 사용하여, 충전 시 리튬 이온이 음극에서 리튬 금속으로 환원 석출되고, 방전 시 리튬 금속이 리튬 이온으로 산화되는 방식으로 구현된다. 매 사이클 음극에 리튬 금속이 석출되는 형태로 전지가 구동되기 때문에 리튬 금속 전지는 리튬 덴드라이트 억제 및 단락 방지에 적합한 전해질, 분리막 소재를 사용하는 것을 특징으로 한다.
이러한 리튬 금속 전지는, 음극 합제층의 두께를 크게 줄임으로서 리튬 이온 전지 대비 부피 당, 무게 당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다. 양극 용량과 음극 용량의 조합에 의해 전체 전지의 용량이 결정되는 리튬 이온 전지와 달리, 리튬 금속 전지의 용량(즉, 에너지 밀도)을 결정하는 것은 양극이다. 이에, 도 3a 및 3b와 같이, 상대적으로 양극의 단면적을 좁히는 것은 전지의 에너지 밀도를 낮추는 것과 다름 없다.
또한 리튬 이온 전지와 마찬가지로 리튬 금속 전지의 양극의 단면적을 음극의 단면적에 비해 작게 할 경우 필연적으로 양극 탭 (양극 집전체)과 음극의 리튬 금속층이 분리막을 사이에 두고 마주보는 형태의 전극 조립체가 만들어진다. 이 경우에도, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 온도 상승 등의 이유로 분리막이 수축, 양극 집전체와 음극의 리튬 금속층이 직접 접촉하게 되면 리튬 이온 전지에서의 발열 반응보다 더 큰 수준의 발열반응이 발생하여 더 큰 안전사고를 초래할 수 있다.
상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 탄소계 음극보다 이론 방전 용량이 높은 리튬 금속 음극을 적용하므로, 상대적으로 음극 활물질의 로딩(loading) 양을 줄이며 음극 두께를 얇게 설계할 수 있다. 이처럼 음극 활물질로 리튬 금속을 사용함으로써, 음극 활물질의 로딩(loading) 양을 줄이며 음극 두께를 얇게 설계하는 것만으로도, 전지의 무게 당, 부피 당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
1) 그런데, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 더 나아가, 리튬 금속 전지의 용량(즉, 에너지 밀도)을 결정하는 양극의 단면적을 더 크게 설계한 것이므로, 전지의 무게 당, 부피 당 에너지 밀도를 더욱 더 향상시키는 데 유리한 것이다.
2) 나아가, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 셀 온도 상승으로 인한 분리막 수축 시, 발열량이 작은 양극 합제층과 음극 집전체의 접촉을 유도하고, 열폭주 (thermal runaway)를 방지, 안전성을 보다 향상시키는데 유리한 것이다.
이하, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지의 설계를 보다 상세히 설명한다.
각 구성 요소의 단면적
상기 일 구현예 이전에 일반적으로 알려진 리튬 금속 전지는, 도 3a 및 3b와 같이, 음극의 단면적을 양극의 단면적의 1.02 배 내지 1.2 배로 설계한다.
그러나, 상기 일 구현예에 있어서 양극의 단면적은, 상기 리튬 금속 음극의 단면적의 1.0 배 내지 1.3 배, 구체적으로 1.03배 내지 1.2배, 1.05배 내지 1.1배로 설계할 수 있다.
일반적인 리튬 금속 전지보다 양극의 단면적을 크게 설계한 만큼, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는 무게 당, 부피 당 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 다만, 상기 일 구현예에 있어서 양극의 단면적은, 상기 리튬 금속 음극의 단면적과 동일하거나, 그보다 상대적으로 크게 설계하면 될 뿐, 상기 수치 범위에 제한되지 않는다.
한편, 상기 분리막의 단면적은, 상기 리튬 금속 음극의 단면적의 1.01 내지 1.3배로 설계할 수 있다. 이처럼 분리막 대비 리튬 금속 음극의 단면적이 상대적으로 작은 관계로, 리튬 금속 음극과 분리막 사이의 잉여의 공간(gap)이 넓어, 리튬 덴드라이트가 양극과 맞닿게 될 가능성이 낮다.
다만, 상기 분리막의 단면적은, 상기 양극의 단면적보다 상대적으로 크게 설계하면 될 뿐, 상기 수치 범위에 제한되지 않는다.
리튬 금속 음극 구조
상기 일 구현예의 리튬 금속 음극은, 단면적의 특이점을 제외하곤, 상기 일 구현예 이전에 일반적으로 알려진 리튬 금속 음극과 구조 상 차이는 없다.
구체적으로, 상기 일 구현예의 리튬 금속 음극은, 1 내지 20 um 두께의 구리 집전체;만으로 이루어지거나, 상기 구리 집전체의 양면 또는 단면 상에 1 내지 100 um, 예컨대 1 내지 50 um의 두께로 코팅된 상기 리튬 금속 층;을 포함하는 것일 수 있다.
양극 구조
상기 일 구현예의 양극 또한, 단면적의 특이점을 제외하곤, 상기 일 구현예 이전에 일반적으로 알려진 리튬 금속 전지의 양극과 구조 상 차이는 없다.
구체적으로, 상기 일 구현예의 양극은, 알루미늄 집전체; 및 상기 알루미늄 집전체 상에 위치하며, 리튬 금속 산화물을 포함하는 양극 활물질 층;을 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 리튬 금속 산화물은, 일반적으로 양극 활물질로 알려진 것, 예컨대, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들을 사용할 수 있다.
이와 달리, 상기 리튬 금속 산화물로, 하기 화학식 1로 표시되는 것을 사용할 수 있다:
[화학식 1] LixMeM1dO2
상기 화학식 1에서, M1은 Zr, Mg, Al, Ni, Mn, Zn, Fe, Cr, Mo, 또는 W이고, Me는 하기 화학식 2로 표시되는 것이고,
[화학식 2] NiaCobMnc
상기 화학식 1 및 2에서, 0.97≤x≤1.03, 0.50≤a≤0.90, 0<b≤0.3, 0<c≤0.3, 0≤d<0.01이고,a+b+c+d = 1이다.
상기 화학식 1로 표시되는 리튬 금속 산화물은, 이른바 NCM으로 알려진 양극 활물질로, 결정 구조 상 레이어드(layered) 구조를 가지며, 앞서 나열한 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합금속 산화물들에 대비하여 에너지 밀도가 높은 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 화학식 2에서 a가 상기 범위 내에서 더 높은 값을 가질수록, 전지의 출력 향상에 기여할 수 있으나, 상기 일 구현예는 이에 제한되지 않는다.
상기 리튬 금속 산화물의 조성과 무관하게, 그 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 리튬 금속 산화물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 일 구현예의 양극 활물질 층은 비가역 보상 양극재를 더 포함할 수 있다. 상기 비가역 보상 첨가제는, 리튬 이차전지의 최초 충전 시 리튬 이온이 탈리되어 음극 집전체의 단일층 상에 리튬 이온을 공급하며, 리튬 이온이 탈리된 비가역 보상 첨가제는 비가역 상으로 전환되어 리튬 이온을 흡장하지 않는 것일 수 있다. 여기서, 비가역 보상 첨가제는, 일반적으로 알려진 Li2NiO2, Li2CuO2, Li6CoO4, Li5FeO4, Li6MnO4, Li2MoO3, Li3N, Li2O, LiOH 및 Li2CO3를 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 비가역 보상 첨가제는 상기 양극 활물질 총 중량의 1 내지 50 중량% 범위로 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 일 구현예의 양극 활물질 층은 바인더, 경우에 따라서는 도전재, 충진재 등을 더 포함할 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전해질 조성 및 분리막 소재
상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 상기 분리막에 함침된 전해질;을 더 포함할 수 있다.
상기 전해질 역시, 일반적으로 리튬 금속 전지에 적용되는 것을 채택할 수 있다. 여기서 함침이란, 상기 분리막 내 기공에 상기 전해질이 위치하는 것을 의미할 수 있다.
상기 리튬 금속 전지의 전해질로 고체 전해질이 사용되는 경우에는, 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 상기 고체 전해질은 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2　등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기 리튬 금속 전지의 전해질로 액체 전해질이 사용되는 경우, 상기 액체 전해질은 비수성 유기 용매와 리튬염을 포함한다.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.
상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란, 플루오리네이티드 에테르 (fluorinated ether) 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.
또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 상기 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 약 1:1 내지 약 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 1의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C1 내지 C10의 알킬기, C1 내지 C10의 할로알킬기 또는 이들의 조합이다.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, 자일렌 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 비수성 전해질은 전지 수명을 향상시키기 위하여 비닐렌 카보네이트 또는 하기 화학식 2의 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이며, 상기 R7과 R8중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이다.
상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 상기 비닐렌 카보네이트 또는 상기 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 사용하는 경우 그 사용량을 적절하게 조절하여 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 리튬 염은, 상기 유기 용매에 용해되어, 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지의 기본적인 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다.
상기 리튬 염으로는, 일반적으로 전해액에 널리 적용되는 리튬 염을 사용할 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 전해액에 있어서, 리튬 염의 농도는 0.1 내지 10.0M 범위 내로 제어할 수 있다. 이 범위에서, 상기 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가질 수 있고, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지 내에서 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 다만, 이는 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
상기 전해액은, 상기 음극 및 상기 양극 사이에 위치하는 다공성 분리막에 함침된 형태일 수 있다. 여기서, 다공성 분리막은, 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다.　 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.　
예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.　 예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 분리막이 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함되거나 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
전지의 구체적인 구현 형태
본 발명의 다른 일 구현예로, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지를 포함하는 전지 팩이 제공된다.
상기 전지 팩에 있어서, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지를 제외한 구성은, 일반적으로 당 업계에 알려진 바와 같아, 상세한 설명을 생략한다.
상기 전지 팩은 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 양극 단면적 > 음극 단면적인 리튬 금속 전지 (1)
(1) 리튬 금속 음극의 제조
두께 10 um 인 구리 집전체의 양면에, 두께 20 um 인 리튬 호일 (Li foil)이 덮인, Li/Cu/Li 구조의 호일(총 두께: 50 um)을 가로 33 mm, 세로 50 mm 의 크기로 펀칭하여 실시예 1의 리튬 금속 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
양극 활물질로 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, 도전재로 카본 블랙, 및 바인더로 폴리비닐리덴 풀루오라이드(PVdF)를 각각 사용하고, 양극 활물질: 도전재: 바인더의 중량비를 96:2:2로 하여 혼합한 혼합물에, 용제인 NMP에 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다.
두께 12 um 인 알루미늄 집전체의 양면에 상기 양극 활물질 슬러리를 각각 75 ㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조 및 압연한 후 가로 34 mm, 세로 51 mm 크기로 펀칭하여 실시예 1의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 금속 전지의 제작
상기 실시예 1의 리튬 금속 음극 및 상기 실시예 1의 양극 사이에, 분리막(폴리프로필렌계 다공성 고분자 기재, 가로 35 mm, 세로 54 mm, 두께 12 um)를 개재하여 쌓아 올린 스택셀을 제조하였다.
플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 3M LiFSI가 용해된 전해액을 상기 스택셀에 주입하여, 실시예 1의 리튬 금속 이차전지를 제작하였다.
실시예 2: 양극 단면적 = 음극 단면적인 리튬 금속 전지
(1) 리튬 금속 음극의 제조
가로 34 mm, 세로 51 mm의 크기로 펀칭한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 2의 리튬 금속 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
가로 34 mm, 세로 51 mm의 크기로 펀칭한 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 2의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 금속 전지의 제작
상기 실시예 2의 리튬 금속 음극 및 상기 실시예 2의 양극을 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 2의 리튬 금속 이차전지를 제작하였다.
실시예 3: 양극 단면적 > 음극 단면적인 리튬 금속 전지 (2)
(1) 리튬 금속 음극의 제조
가로 45 mm, 세로 65 mm의 크기로 펀칭한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 3의 리튬 금속 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
가로 43 mm, 세로 62 mm의 크기로 펀칭한 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 3의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 금속 전지의 제작
상기 실시예 3의 리튬 금속 음극 및 상기 실시예 3의 양극을 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 3의 리튬 금속 이차전지를 제작하였다.
비교예 1: 음극 단면적 < 양극 단면적인 리튬 이온 전지
(1) 탄소계 음극의 제조
음극 활물질로 흑연(graphite), 도전재로 카본 블랙, 및 바인더로 SBR-CMC 를 각각 사용하고, 음극 활물질: 도전재: 바인더의 중량비를 96:2:2로 하여 혼합한 혼합물에, 용제인 증류수에 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다.
두께 10 um 인 구리 집전체의 양면에 상기 음극 합제 슬러리를 각각 80 ㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조 및 압연한 후 가로 34 mm, 세로 51 mm 의 크기로 펀칭하여 비교예 1의 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
가로 33 mm, 세로 50 mm 의 크기로 펀칭한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 1의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 이온 전지의 제작
상기 비교예 1의 탄소계 음극 및 상기 비교예 1의 양극 사이에, 분리막(폴리프로필렌계 다공성 고분자 기재, 가로 35 mm, 세로 54 mm, 두께 12 um)를 개재하여 쌓아 올린 스택셀을 제조하였다.
플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 상기 스택셀에 주입하여, 실시예 1의 리튬 금속 이차전지를 제작하였다.
비교예 2: 음극 단면적 < 양극 단면적인 리튬 이온 전지 (2)
(1) 탄소계 음극의 제조
가로 43 mm, 세로 62 mm의 크기로 펀칭한 점을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방식으로 비교예 2의 리튬 금속 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
가로 45 mm, 세로 65 mm의 크기로 펀칭한 사용한 점을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방식으로 비교예 2의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 이온 전지의 제작
상기 비교예 2의 탄소계 음극 및 상기 비교예 2의 양극을 사용한 점을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방식으로 비교예 2의 리튬 이온 이차전지를 제작하였다.
비교예 3: 음극 단면적 > 양극 단면적인 리튬 금속 전지 (1)
(1) 리튬 금속 음극의 제조
가로 34 mm, 세로 51 mm의 크기로 펀칭한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 3의 리튬 금속 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
가로 33 mm, 세로 50 mm의 크기로 펀칭한 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 3의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 금속 전지의 제작
상기 비교예 3의 리튬 금속 음극 및 상기 비교예 3의 양극을 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 3의 리튬 금속 이차전지를 제작하였다.
비교예 4: 음극 단면적 > 양극 단면적인 리튬 금속 전지 (2)
(1) 리튬 금속 음극의 제조
가로 45 mm, 세로 65 mm의 크기로 펀칭한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 4의 리튬 금속 음극을 제조하였다.
(2) 양극의 제조
가로 43 mm, 세로 62 mm의 크기로 펀칭한 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 4의 양극을 제조하였다.
(3) 리튬 금속 전지의 제작
상기 비교예 4의 리튬 금속 음극 및 상기 비교예 4의 양극을 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 비교예 4의 리튬 금속 이차전지를 제작하였다.
실험예 1 (전지 두께 평가)
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 4 각 전지의 두께를 측정하여, 하기 표 1에 기록하였다.
음극 활물질 양극 단면적/음극 단면적 비율 전지 전체의 두께 (mm)
비교예 1 흑연 약 0.95 6.44
비교예 2 흑연 약 1.05 6.48
비교예 3 리튬 금속 약 0.95 4.58
비교예 4 리튬 금속 약 0.90 4.58
실시예 1 리튬 금속 약 1.05 4.58
실시예 2 리튬 금속 약 1.0 4.59
실시예 3 리튬 금속 약 1.1 4.61
상기 표 1에 따르면, 리튬 금속 음극을 적용한 경우(비교예 3, 4 및 실시예 1 내지 3), 탄소계 음극을 적용한 경우(비교예 1 및 2) 대비, 음극 두께를 줄임으로써 전체 전지 두께를 감소시키는 데 유리함을 알 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 리튬 금속 전지는, 탄소계 음극보다 이론 방전 용량이 높은 리튬 금속 음극을 적용하므로, 상대적으로 음극 활물질의 로딩(loading) 양을 줄이며 음극 두께를 얇게 설계할 수 있는 것이다.
이처럼 음극 활물질로 리튬 금속을 사용함으로써, 음극 활물질의 로딩(loading) 양을 줄이며 음극 두께를 얇게 설계하는 것만으로도, 전지의 무게 당, 부피 당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
실험예 2 (전지의 전기화학적 특성 평가)
다음과 같은 조건으로, 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 4 각 전지의 사이클(Cycle)을 진행하며, 초기 용량을 측정하고, 초기 용량 대비 80%의 용량이 측정되는 사이클 수를 확인하여, 그 결과를 하기 표 2에 기록하였다
Charge: 0.3C, CC/CV, 4.25V, 1/20C cut-off
Discharge: 0.5C, CC, 3.0 V, cut-off
또한, 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 4 각 전지의 부피 당, 무게 당 에너지 밀도(초기 용량)를 계산하여, 하기 표 2에 기록하였다.
음극 활물질 양극 단면적
/음극 단면적 비율		 전지의 초기 용량
(mAh)		 전지 부피 당 에너지 밀도 (Wh/L) 전지 무게 당 에너지 밀도 (Wh/kg) 전지 수명
(초기 대비 80% 용량이 측정되는 사이클 수)
비교예 1 흑연 약 0.95 1996 538 271 307
비교예 2 흑연 약 1.05 1883 507 256 138
비교예 3 리튬 금속 약 0.95 2111 809 408 49
비교예 4 리튬 금속 약 0.9 3535 837 434 40
실시예 1 리튬 금속 약 1.05 2218 850 419 78
실시예 2 리튬 금속 약 1.0 2191 850 410 77
실시예 3 리튬 금속 약 1.1 3827 906 451 75
상기 표 2을 통해, 리튬 이온 전지의 설계 상 한계, 리튬 이온 전지와 동일한 방식으로 설계된 리튬 금속 전지의 이점, 그리고 리튬 금속 전지의 설계 방식 변경 시 현저한 효과를 확인할 수 있다.
(1) 리튬 이온 전지의 설계 상 한계
우선, 비교예 1 및 비교예 2의 비교를 통해, 리튬 이온 전지의 설계 상 한계를 확인할 수 있다.
구체적으로, 비교예 1 및 2는 리튬 이온 전지라는 점에서 공통적이지만, 전자는 음극의 단면적을 더 크게 제작하고, 후자는 양극의 단면적을 더 크게 제작한 점에서 차이가 있다.
이들의 성능을 비교할 때, 리튬 이온 전지는 양극을 더 크게 하더라도 전지의 용량이나 에너지 밀도가 상승하지 않으며, 오히려 전지 수명에 부정적인 영향이 있음을 알 수 있다.
이러한 결과로부터, 음극에서의 리튬 금속 석출이 전지 성능(특히, 수명 특성)에 부정적인 영향을 미치는 리튬 이온 전지의 경우, 음극의 단면적을 양극의 단면적보다 상대적으로 크게 함으로써 리튬 덴트라이트의 성장을 억제하는 설계 방식을 채택할 수 밖에 없었음을 알 수 있다.
(2) 리튬 이온 전지와 동일한 방식으로 설계된 리튬 금속 전지의 이점
한편, 비교예 1 및 3의 비교를 통해, 리튬 이온 전지와 동일한 방식으로 설계된 리튬 금속 전지의 이점을 확인할 수 있다.
구체적으로, 비교예 1 및 3은 음극의 단면적을 더 크게 제작한 점에서 공통적이지만, 전자는 흑연계 음극을 적용한 리튬 이온 전지이며, 후자는 리튬 금속 음극을 적용한 리튬 금속 전지라는 점에서 차이가 있다.
이들을 비교할 때, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도에 대비하여, 그와 동일한 방식으로 설계된 리튬 금속 전지의 에너지 밀도가 훨씬 높다는 것을 알 수 있다.
(3) 리튬 금속 전지의 설계 방식 변경 시 현저한 효과
한편, 비교예 3 및 실시예 2의 비교를 통해, 양극의 단면적과 음극의 단면적을 동일하게 설계한 경우의 현저한 효과를 확인할 수 있다.
구체적으로, 리튬 금속 전지에 있어서, 양극의 단면적과 음극의 단면적을 동일하게 만들어 음극이 다 덮이도록 만들었을 때(실시예 2)와 음극의 단면적을 더 크게 만들었을 때(비교예 3)의 성능을 비교하면, 전자의 무게 당, 부피 당 에너지 밀도가 더욱 향상되고, 수명 성능도 증가함을 알 수 있다.
나아가, 비교예 3 및 실시예 1의 비교, 비교예 4 및 실시예 4의 비교를 통해, 전체적인 차원(dimension)이 동일한 리튬 금속 전지에 있어서, 양극의 단면적을 더 크게 설계한 경우의 현저한 효과를 확인할 수 있다.
구체적으로, 비교예 3 및 실시예 1는 모두 리튬 금속 전지이며, 이들의 전체적인 차원(dimension)은 동일한 것이다. 다만, 전자는 음극의 단면적을 더 크게 제작한 것이고, 후자는 양극의 단면적을 더 크게 제작한 것인 점에서 차이가 있다.
비교예 4 및 실시예 4는 역시 전체적인 차원(dimension)은 동일한 리튬 금속 전지들이며, 전자는 음극의 단면적을 더 크게 제작한 것이고, 후자는 양극의 단면적을 더 크게 제작한 것인 점에서 차이가 있다.
이들의 평가 결과로부터, 리튬 금속 전지의 전체적인 차원(dimension)은 동일할 때, 양극의 단면적을 더 크게 설계할 때 전지의 무게 당, 부피 당 에너지 밀도를 더욱 더 향상시키고, 수명 성능도 증가함을 알 수 있다.
(4) 종합
위와 같은 평가 결과들을 종합하여 볼 때, 음극에서 리튬 이온이 음극 활물질에 이온의 형태로 삽입되는 리튬 이온 전지와 달리, 리튬 금속이 음극 집전체 또는 음극의 리튬 금속층에 석출되는 것을 기본 작동 원리로 하는 리튬 금속 전지의 경우, 음극의 단면적을 크게 설계할 필요가 없고, 오히려 양극의 단면적을 음극과 동일하게 하거나 더 크게 설계하는 것이 전지 성능 향상에 도움이 됨을 알 수 있다.
실험예 3 (전지의 안전성 평가)
다음과 같은 조건으로 실시예 1 내지 3, 및 비교예 3 내지 4 전지의 안전성을 평가하였다.
Charge: 0.1C, CC/CV, 4.25V, 1/20C cut-off
위의 충전 조건으로 SOC 100 까지 충전한 전지를 승온 챔버에 넣고 130oC 까지 2oC/min의 속도로 승온하였다. 챔버 내부 온도가 130oC 도달 시 승온을 멈추고 4시간 동안 온도를 유지하며 셀의 발화 여부 및 셀의 최고 온도를 측정하였다.
음극 활물질 양극 단면적
/음극 단면적 비율		 셀 발화 여부 셀 최고 온도 (oC)
비교예 3 리튬 금속 약 0.95 O 430
비교예 4 리튬 금속 약 0.9 O 487
실시예 1 리튬 금속 약 1.05 X 134
실시예 2 리튬 금속 약 1.0 X 135
실시예 3 리튬 금속 약 1.1 X 132
상기 표 3에 따르면, 양극 단면적이 음극 단면적에 비해 작은 리튬 금속 전지 (비교예 3 및4)의 경우, 챔버 내부 온도 130도 도달 후 열폭주 현상 및 그에 따른 발화가 발생하는 것으로 확인된다.
그에 반면, 양극 단면적이 음극 단면적에 비해 같거나 큰 리튬 금속 전지 (실시예 1 내지 3)의 경우, 셀 내부 발열이 적어, 발화에 이르지 않는 것으로 확인된다.
위와 같은 평가 결과로부터, 셀 온도 상승으로 인한 분리막 수축 시, 발열량이 큰 양극 집전체와 리튬 금속 사이의 접촉 대신, 발열량이 작은 양극 합제층과 음극 집전체의 접촉을 유도함으로써 열폭주 (thermal runaway)가 방지됨을 알 수 있다.
즉, 리튬 금속 전지의 안전성을 보다 향상시키기 위해서는, 양극의 단면적과 음극의 단면적을 동일하게 만들어 음극이 다 덮이도록 만들거나, 양극의 단면적을 음극보다 크게 설계하는 것이 유리함을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 리튬 금속 음극;
    상기 리튬 금속 음극의 단면적과 동일하거나, 상기 리튬 금속 음극의 단면적보다 큰 단면적을 가지는, 양극; 및
    상기 리튬 금속 음극 및 상기 양극 사이에 위치하는, 분리막;을 포함하는,
    리튬 금속 전지.
  2. 제1항에 있어서.
    상기 양극의 단면적은, 상기 리튬 금속 음극의 단면적의 1.0 내지 1.2 배인 것인,
    리튬 금속 전지.
  3. 제1항에 있어서.
    상기 분리막의 단면적은, 상기 양극의 단면적의 1.01 내지 1.3배인 것인,
    리튬 금속 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 금속 음극은,
    구리 집전체;를 포함하는 것인,
    리튬 금속 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구리 집전체의 두께는,
    1 내지 20 um인 것인,
    리튬 금속 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 구리 집전체의 양면 또는 단면 상에 코팅된 리튬 금속 층;을 더 포함하는 것인,
    리튬 금속 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 금속 층의 두께는,
    1 내지 100 um인 것인,
    리튬 금속 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양극은,
    알루미늄 집전체; 및 상기 알루미늄 집전체 상에 위치하며, 리튬 금속 산화물을 포함하는 양극 활물질 층;을 포함하는 것인,
    리튬 금속 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 금속 산화물은, 하기 화학식 1로 표시되는 것인,
    리튬 금속 전지:
    [화학식 1]
    LixMeM1dO2
    상기 화학식 1에서, M1은 Zr, Mg, Al, Ni, Mn, Zn, Fe, Cr, Mo, 또는 W이고, Me는 하기 화학식 2로 표시되는 것이고,
    [화학식 2]
    NiaCobMnc
    상기 화학식 1 및 2에서, 0.97≤x≤1.03, 0.50≤a≤0.90, 0<b≤0.3, 0<c≤0.3, 0≤d<0.01이고,a+b+c+d = 1이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분리막에 함침된 전해질;을 더 포함하는,
    리튬 금속 전지.
  11. 제1항의 리튬 금속 전지를 포함하는 전지 팩.
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