KR20210088770A - 이차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지분야에 관한 것이며, 특히 이차 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 이차 전지는 전지부극, 전해액, 세퍼레이터 및 전지 정극을 포함하며, 그 중, 전지 부극은 부극 집전체를 포함하며, 상기 부극 집전체는 부극 활물질로 겸용되며, 전해액은 전해질 및 용매를 포함하며, 전해질은 리튬염이며, 전지 정극은 정극 집전체 및 정극 활물질 층을 포함하며, 정극 활물질 층은, 리튬 이온을 가역적으로 탈리삽입할 수 있는 정극 활물질을 포함한다. 본 발명에 있어서, 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체는 부극 집전체 및 부극 활물질로 겸용되기 때문에, 부극활성 물질을 별도로 첨가할 필요가 없으며, 전지의 중량 및 체적이 효율적으로 절감되는 동시에, 전지의 용량이 효율적으로 향상되며 진일보 전지의 에너지 밀도가 현저히 향상되며 제조 원가가 절감되며 제조공정이 간략화되며 본 발명의 이차 전지는 우수한 충방전 사이클 성능을 구비한다.

Description

이차 전지 및 그 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND PREPARATION METHOD THEREFOR}
본 발명은 전지분야에 관한 것이며, 특히 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 물질생활과 과학기술의 발전에 따라 사람들의 에너지에 대한 소비 및 수요가 점점 늘어나고 새로운 에너지를 찾는 것이 간절히 필요하다. 리튬 이온전지는 비용량이 높고 사이클 수명이 긴 동시에 성능 가격비가 높아 현재 전자제품 전원으로 선호하는 대상이 되었다. 리튬 이온전지는 핵심구성부품으로서 일반적으로 정극, 부극 및 전해액을 구비한다. 상업용 리튬 이온전지는 전이 금속 산화물 또는 폴리음이온계 금속화합물을 정극 활물질로 사용하고, 그래파이트 또는 탄소를 부극 활물질로 사용하며, 에스테르계 전해액을 전해액으로 사용한다. 하지만, 그래파이트를 부극 활물질로 사용할 시, 그래파이트는 전지에서 대부분 부피 및 무게를 차지하여, 리튬 이온전지의 전지용량 및 에너지 밀도를 제한하고 제조공정의 복잡도 및 제조 원가를 증가시킨다.
상기와 같은 기술적과제를 극복하기 위하여, 본 발명은 이차 전지 및 그 제조방법을 제공하며 종래의 리튬전지가 그래파이트를 부극 활물질로 사용하여 전지의 전지용량 및 에너지 밀도가 낮고 제조공정이 복잡하며 제조 원가가 높은 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
제 1 형태에 있어서, 본 발명은 이차 전지를 제공하며, 상기 이차 전지는 전지 부극, 전해액, 세퍼레이터 및 전지 정극을 포함하며, 그중에서,
상기 전지 부극은 부극 집전체를 포함하며, 상기 부극 집전체는 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 포함하며, 상기 부극 집전체는 부극 활물질로 겸용되며,
상기 전해액은 전해질 및 용매를 포함하며, 상기 전해질은 리튬염이며,
상기 전지 정극은 정극 집전체 및 정극 활물질 층을 포함하며, 상기 정극 활물질 층은 리튬 이온을 가역적으로 탈리 및 삽입할 수 있는 정극 활물질을 함유하며, 상기 정극 집전체는 금속, 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 포함한다.
구체적으로, 상기 정극 활물질은, 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 망간산 리튬, 인산 철리튬, 니켈코발트산 리튬 이원계 재료, 스피넬 구조 리튬 망간 산화물, 니켈 코발트 망간산 리튬 삼원계 재료, 층상 리튬-리치 고망간 재료 중의 하나 이상, 또는 그 중의 하나의 복합재료를 포함한다.
구체적으로, 상기 부극 집전체는 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 바나듐, 동, 철, 주석, 아연, 니켈, 티탄, 망간 중의 하나, 또는 임의의 하나의 금속의 복합체, 또는 임의의 하나의 합금을 포함한다.
바람직하게는, 상기 부극 집전체는 알루미늄이다.
더 바람직하게는, 상기 부극 집전체의 구조는, 알루미늄 박 또는 다공질 알루미늄 또는 탄소재료로 피복된 다공질 알루미늄, 또는 알루미늄의 다층 복합 구조이다.
구체적으로, 상기 정극 집전체는, 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 바나듐, 동, 철, 주석, 아연, 니켈, 티탄, 망간 중의 하나, 또는 임의의 하나의 금속 복합체, 또는 임의의 하나의 합금을 포함한다.
바람직하게는, 상기 정극 집전체는 알루미늄이다.
구체적으로 상기 전해질은 헥사플루오로 인산 리튬(Lithium hexafluorophosphate), 과염소산 리튬, 테트라플루오로 붕산 리튬, 아세트산 리튬(Lithium acetate), 살리실산 리튬, 리튬 아세토아세테이트(Lithium acetoacetate), 탄산 리튬, 리튬 트리플루오로 메탄설포네이트(Lithium trifluoromethanesulfonate), 리튬 라우릴 설페이트(Lithium lauryl sulphate), 구연산 리튬, 리튬 비스 (트리메틸실릴)아미드(Lithium bis (trimethylsilyl) amide), 헥사플루오로 비산 리튬(Lithium hexafluoroarsenate), 리튬 트리플루오로 메탄술폰 이미드(Lithium trifluoromethanesulfonimide) 중의 하나 이상을 포함하지만, 이에 한정되지 않고, 농도 범위는 0.1∼10 mol/L이다. 더 바람직하게는, 전해질의 농도는 0.5∼2 mol/L이다.
구체적으로, 상기 용매는 에스테르계, 설폰계, 에테르계, 니트릴계 유기용매 또는 이온액체 중의 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 상기 용매는 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 2,3-부틸렌 카보네이트(2,3-Butylene carbonate), 디에틸 카보네이트(Diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate), 디프로필 카보네이트(Dipropyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate), 메틸 프로필 카보네이트(Methyl propyl carbonate), 다이부틸 카보네이트(Dibutyl carbonate), 메틸 부틸 카보네이트(Methyl butyl carbonate), 메틸 아이소프로필 카보네이트(Methyl isopropyl carbonate), 메틸 에스테르, 포름산 메틸, 아세트산 메틸, N,N-디메틸아세트아미드(N,N- Dimethylacetamide), 플루오르에틸렌 카보네이트(Fluoroethylene carbonate), 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 에틸 아세테이트, γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 테트라 하이드로 퓨란, 2-메틸테트라 하이드로 퓨란, 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥솔란(4-Methyl-1,3-dioxolane), 디메톡시메탄(Dimethoxymethane), 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane), 1,2-디메톡시프로판(1,2-Dimethoxypropane), 트리 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Triethylene glycol dimethyl ether), 디메틸 설폰(Dimethyl sulfone), 디메틸 에테르(Dimethyl ether), 아황산 에틸렌(Ethylene sulfite), 아황산 프로필렌(Propylene sulfite), 아황산 디메틸(Dimethyl sulfite), 아황산 디에틸(Diethyl sulfite), 크라운 에테르(Crown ether) 중의 하나 이상을 포함한다.
더 바람직하게는, 상기 전해액은 첨가제를 더 포함하며, 상기 첨가제는 에스테르계, 설폰계, 에테르계, 니트릴계 또는 올레핀계 유기 첨가제 중의 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 상기 첨가제는 플루오르에틸렌 카보네이트(Fluoroethylene carbonate), 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate), 비닐에틸렌 카보네이트(Vinylethylene carbonate), 1,3-프로판 술톤(1,3-Propane sultone), 1,4-부탄 술톤(1,4-butane sultone), 황산 에틸렌(Ethylene sulfate), 황산 프로필렌(Propylene sulfate), 황산 에틸리덴(Ethylidene sulfate), 아황산 에틸렌(Ethylene sulfite), 아황산 프로필렌(Propylene sulfite), 아황산 디메틸(Dimethyl sulfite), 아황산 디에틸(Diethyl sulfite), 아황산 에틸리덴(Ethylidene sulfite), 메틸 클로로 포르메이트(Methyl chloroformate), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 아니솔(Anisole), 아세트아미드(Acetamide), 디아진(Diazine), 1,3-디아진(1,3-Diazine), 12-크라운-4(12-Crown-4), 18-크라운-6(18-Crown-6), 4-플루오로 아니솔(4-fluoroanisole), 선형 불화에테르(Linear fluoroether), 디플루오로 메틸 에틸렌 카보네이트(Difluoromethylethylene carbonate), 트리플루오로 메틸 에틸렌 카보네이트(Trifluoromethylethylene carbonate), 클로로 에틸렌 카보네이트(Chloroethylene carbonate), 브로모 에틸렌 카보네이트(Bromoethylene carbonate), 트리플루오로 에틸포스폰산(Trifluoroethyl Phosphonic acid), 브로모 부틸 락톤(Bromobutyl lactone), 플루오로 아세톡시 에탄(Fluoro acetoxy ethane), 인산에스테르(phosphate ester), 아인산에스테르(phosphorous ester), 포스파젠(Phosphazene), 에탄올아민(Ethanolamine), 카르보디메틸아민(Carbodimethylamine), 시클로부틸 설폰(Cyclobutyl sulfone), 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane), 아세트 니트릴, 장쇄 올레핀, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 바륨, 탄산 나트륨, 탄산 칼슘, 이산화 탄소, 이산화 유황, 탄산 리튬 중의 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 첨가제는 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate)이며, 함량이 5wt%이다.
바람직하게는, 상기 정극 활물질 층은 도전제 및 점착제를 더 포함하며, 상기 정극 활물질의 함량이 60∼95wt%이며, 도전제의 함량이 0.1∼30wt%이며, 점착제의 함량이 0.1∼10wt%이다.
제 2 형태에 있어서, 본 발명은 상기 이차 전지의 제조방법을 제공하며, 상기 방법은,
금속, 또는 금속 합금, 또는 금속 복합체 도전재를 원하는 크기로 절단하고 세척하여 전지 부극으로 사용하며, 상기 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재는 또한 부극 집전체 및 부극 활물질로 겸용되는 전지 부극을 제조하는 단계와,
소정량의 리튬염 전해질을 칭량하여 해당 용매에 첨가하며, 충분히 교반하여 용해시키면서 전해액을 획득하는 전해액을 만드는 단계,
다공질 폴리머 박막, 무기 다공질 박막 또는 유리 섬유류 박막을 원하는 크기로 절단하여 깨끗하게 세척하는, 세퍼레이터를 제조하는 단계;
일정한 비율로 정극 활물질, 도전제 및 점착제를 칭량하고, 적합한 용매에 첨가하며, 충분히 연마하여 균일한 슬러리를 만들고, 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 취득하여, 그 표면을 세척하여 정극 집전체로 사용하며, 상기 슬러리를 상기 정극 집전체 표면에 균일하게 도포하며, 상기 슬러리가 완전히 건조되어 정극 활물질 층으로 형성된 후 절단하여 원하는 크기의 전지 정극을 획득하는, 전지 정극을 제조하는 단계,
상기 전지 부극, 상기 전해액, 상기 세퍼레이터 및 상기 전지 정극을 차례로 조립하여, 이차 전지를 획득하는 단계를 포함한다.
종래기술에 비하여, 본 발명은 전통적인 부극활성 물질을 사용하지 않았기 때문에 전지의 중량, 체적 및 제조 원가를 효율적으로 절감하며, 제조공정을 간략화하였으며 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체로 구성된 부극 집전체는 부극 활물질로 겸용되며, 전지의 용량을 효율적으로 향상시켰으며 전지의 중량, 체적의 절감 및 전지용량의 향상에 의해 전지의 에너지 밀도가 현저히 향상되었으며, 전지는 우수한 충방전 사이클 성능을 구비하는 등 유익한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구조 모식도이다.
이하, 도면 및 구체적인 실시 형태에 결합하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 하기는 본 발명의 바람직한 실시 형태이며, 당업자에 있어서 본 발명의 실시예의 원리를 벗어나지 않는 한 일정한 개선 및 수정을 진행할 수 있으며, 이러한 개선 및 수정 또한 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 간주하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구조 모식도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 전지 부극(1), 전해액(2), 세퍼레이터(3), 전지 정극(정극 활물질 층(4) 및 정극 집전체(5)를 포함)을 포함한다. 전지 부극(1)은 부극 집전체를 포함하며, 상기 부극 집전체는 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 포함하며, 상기 부극 집전체는 동시에 부극 활물질로서 겸용된다. 전해액(2)은 전해질 및 용매를 포함하며, 전해질은 리튬염이다. 전지 정극은 정극 집전체(5) 및 정극 활물질 층(4)을 포함하며, 상기 정극 집전체는 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 포함하며, 상기 정극 활물질 층은 리튬 이온을 가역적으로 탈리 및 삽입할 수 있는 정극 활물질을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전지의 작동 원리는 하기와 같다. 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 부극 활물질을 포함하지 않고 충전과정에서는 정극 활물질로부터 리튬 이온이 탈리되어 부극 집전체인 금속, 금속 합금 또는 그 복합재료와 합금화 반응을 진행하여 리튬-금속 합금을 형성한다. 방전과정에서는 리튬-금속 합금으로부터 리튬 이온이 탈리된 후 정극 활물질에 삽입된다. 이로써 충방전과정을 실현한다. 전통적인 리튬 이온전지(즉, 비교 실시예)에 비하여, 그 중요한 차이점은 부극에서 발생하는 반응이 다르며, 전통적인 리튬 이온전지에서 발생하는 반응은 리튬 이온의 삽입-탈리반응이지만, 본 발명의 이차 전지 부극에서 발생하는 반응은 리튬 이온의 합금-탈합금반응이다.
본 발명의 실시예에 따른 전지는 전통적인 부극 활물질이 필요하지 않으며, 체적 및 원가를 절감하고, 동시에 금속이 리튬 이온과 합금화 반응을 진행하므로 더 큰 전지용량을 가질수 있으며, 전지의 중량, 체적의 절감 및 전지용량의 향상에 의해 전지의 에너지 밀도를 현저히 향상시켰으며, 제조 원가를 절감하여 제조공정을 간략화할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 있어서, 정극 활물질은 코발트산 리튬(LiCoO2), 니켈산 리튬(LiNiO2), 망간산 리튬(LiMn2O4), 인산 철리튬(LiFePO4), 니켈코발트산 리튬 이원계 재료(LiNi1-xCoxO2), 스피넬 구조(LiMn2-xMxO4, M = Ni, Co, Cr 등), 니켈 코발트 망간산 리튬 삼원계 재료[Li(Ni,CO,Mn)O2], 층상 리튬-리치 고망간 재료[Li2MnO3-Li(NiCoMn)O2], NASCION 구조의 Li3M2(PO4)3(M = V, Fe, Ti 등) 등 중의 하나 이상 또는 그들의 복합재료를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 있어서, 부극 집전체는 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 바나듐, 동, 철, 주석, 아연, 니켈, 티탄, 망간 중의 하나 또는 임의의 하나의 합금 또는 금속 복합체를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 있어서, 정극 집전체는 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 바나듐, 동, 철, 주석, 아연, 니켈, 티탄, 망간 중의 하나 또는 임의의 하나의 합금 또는 금속 복합체를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 있어서, 부극 집전체는 알루미늄이다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 있어서, 정극 집전체는 알루미늄이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 전해액 중의 용매에 대해서는 특별히 한정하지 않고, 전해질을 양이온 및 음이온으로 분리시키고, 양이온 및 음이온이 자유롭게 이동할 수 있는 용매이면 된다. 예를 들면, 본 발명의 실시예 용매는, 에스테르계, 설폰계, 에테르계, 니트릴계 유기용매 또는 이온액체이다. 용매는, 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 2,3-부틸렌 카보네이트(2,3-Butylene carbonate), 디에틸 카보네이트(Diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate), 디프로필 카보네이트(Dipropyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate), 메틸 프로필 카보네이트(Methyl propyl carbonate), 다이부틸 카보네이트(Dibutyl carbonate), 메틸 부틸 카보네이트(Methyl butyl carbonate), 메틸 아이소프로필 카보네이트(Methyl isopropyl carbonate), 메틸 에스테르, 포름산 메틸, 아세트산 메틸, N,N-디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide), 플루오르에틸렌 카보네이트(Fluoroethylene carbonate), 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 에틸 아세테이트, γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 테트라 하이드로 퓨란, 2-메틸테트라 하이드로 퓨란, 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥솔란(4-Methyl-1,3-dioxolane), 디메톡시메탄(Dimethoxymethane), 1,2-디메톡시에탄(1,2-Dimethoxyethane), 1,2-디메톡시프로판(1,2-Dimethoxypropane), 트리 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Triethylene glycol dimethyl ether), 디메틸 설폰(Dimethyl sulfone), 디메틸 에테르(Dimethyl ether), 아황산 에틸렌(Ethylene sulfite), 아황산 프로필렌(Propylene sulfite), 아황산 디메틸(Dimethyl sulfite), 아황산 디에틸(Diethyl sulfite), 크라운 에테르(Crown ether) 중의 하나 이상을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
더 바람직하게는, 부극 집전체가 충방전 시 체적변화에 따른 파손을 피하기 위하여, 부극 집전체의 구조 및 기능을 안정시키며, 부극 집전체의 사용수명 및 성능을 향상하여 이차 전지의 사이클 비율을 향상시키기 위하며, 본 발명의 실시예에 있어서, 전해액은 첨가제를 더 포함하며, 첨가제는 플루오르에틸렌 카보네이트(Fluoroethylene carbonate), 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate), 비닐에틸렌 카보네이트(Vinylethylene carbonate), 1,3-프로판 술톤(1,3-Propane sultone), 1,4-부탄 술톤(1,4-butane sultone), 황산 에틸렌(Ethylene sulfate), 황산 프로필렌(Propylene sulfate), 황산 에틸리덴(Ethylidene sulfate), 아황산 에틸렌(Ethylene sulfite), 아황산 프로필렌(Propylene sulfite), 아황산 디메틸(Dimethyl sulfite), 아황산 디에틸(Diethyl sulfite), 아황산 에틸리덴(Ethylidene sulfite), 메틸 클로로 포르메이트(Methyl chloroformate), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 아니솔(Anisole), 아세트아미드(Acetamide), 디아진(Diazine), 1,3-디아진(1,3-Diazine), 12-크라운-4(12-Crown-4), 18-크라운-6(18-Crown-6), 4-플루오로 아니솔(4-fluoroanisole), 선형 불화에테르(Linear fluoroether), 디플루오로 메틸 에틸렌 카보네이트(Difluoromethylethylene carbonate), 트리플루오로 메틸 에틸렌 카보네이트(Trifluoromethylethylene carbonate), 클로로 에틸렌 카보네이트(Chloroethylene carbonate), 브로모 에틸렌 카보네이트(Bromoethylene carbonate), 트리플루오로 에틸포스폰산(Trifluoroethyl Phosphonic acid), 브로모 부틸 락톤(Bromobutyl lactone), 플루오로 아세톡시 에탄(Fluoro acetoxy ethane), 인산에스테르(phosphate ester), 아인산에스테르(phosphorous ester), 포스파젠(Phosphazene), 에탄올아민(Ethanolamine), 카르보디메틸아민(Carbodimethylamine), 시클로부틸 설폰(Cyclobutyl sulfone), 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane), 아세트 니트릴, 장쇄 올레핀, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 바륨, 탄산 나트륨, 탄산 칼슘, 이산화 탄소, 이산화 유황, 탄산 리튬 중의 하나 이상을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 첨가제의 함량이 0.1∼20wt%이며, 더 바람직하게는 1∼5wt%이다. 전해액에 첨가하는 첨가제는 부극 집전체 표면에 안정적인 고체 전해질 막을 형성할 수 있으며, 이에 의해 부극 집전체가 활물질 재료로서 반응할 경우 파손되지 않으며, 기능 및 형상을 유지할 수 있어 전지의 사이클 횟수를 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 첨가제는 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate)이며, 함량은 5wt% 이다.
더 바람직하게는, 상기 정극 활물질 층은 도전제 및 점착제를 더 포함하며, 상기 정극 활물질의 함량이 60∼95wt%이며, 도전제의 함량이 0.1∼30wt%이며, 점착제의 함량이 0.1∼10wt%이다. 또한, 도전제 및 점착제에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 해당 분야에서 자주 사용하는 것이면 된다. 도전제는, 전도성 카본 블랙, Super P 전도성 탄소 공(Super P conductive carbon spher), 전도성 그래파이트 KS6, 탄소 나노 튜브, 전도성 탄소섬유, 그래핀, 환원 산화 그래핀 중의 하나 이상이다. 점착제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 테프론(Teflon), 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol), 카르복시 메틸 셀룰로스(Carboxymethyl cellulose), SBR 고무, 폴리올레핀계 중의 하나 이상이다.
더 바람직하게는, 부극 집전체는, 알루미늄 박 또는 다공질 알루미늄 또는 탄소재료로 피복된 다공질 알루미늄, 또는 알루미늄의 다층 복합재료이다. 다공질 알루미늄 박을 사용하여, 정극 활물질이 탈리한 리튬 이온과 금속 알루미늄의 합금화 반응이 보다 충분하게 되며, 전지용량이 향상되며, 탄소재료로 피복된 다공질 알루미늄 구조를 사용하여 전지용량을 향상시킬 경우, 탄소재료피복 층의 보호작용하에 알루미늄의 구조 안정성 유지가 유리하며, 전지의 사이클 안정성을 더 향상시킬 수 있으며 알루미늄의 다층 복합재료를 사용하는 것도 알루미늄 박의 체적 팽장효과의 억제 및 개선에 유리하며, 전지의 사이클 성능을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 세퍼레이터의 성분은 절연인 다공질 폴리머 박막 또는 무기 다공질 박막이며, 다공질 폴리프로필렌 박막, 다공질 폴리에틸렌 박막, 다공질 복합폴리머 박막, 유리 섬유류 박막 또는 다공질 세라믹 세퍼레이터 중의 하나 이상을 포함한다. 세퍼레이터의 작용은 전지 정부극을 물리학적으로 단절시키며 단락을 방지하는 동시에, 전해액 중의 이온의 자유적 통과를 허용하는 것이다.
제 2 형태에 있어서, 본 발명의 실시예는 상기 이차 전지를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기 단계101-단계105를 포함한다.
단계101은, 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 원하는 크기로 절단하고, 절단한 금속도전재의 표면을 세척하며, 세척한 금속도전재를 부극 집전체로 하며, 상기 부극 집전체를 전지 부극으로 하는, 전지 부극을 제조하는 단계이다.
단계102는, 소정량의 전해질을 칭량하고, 해당 용매에 첨가하며, 충분히 교반하여 용해시켜, 전해액을 만드는 단계이다.
단계103은, 다공질 폴리머 박막, 무기 다공질 박막 또는 유리 섬유류 박막을 원하는 크기로 절단하여 깨끗하게 세척하는, 세퍼레이터를 제조하는 단계이다.
단계104는, 일정한 비율로 정극 활물질, 도전제 및 점착제를 칭량하고, 적합한 용매에 첨가하며, 충분히 연마하여 균일한 슬러리를 만들어, 정극 활물질 층을 제조하며, 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재의 표면을 세척하여 정극 집전체로 하며, 상기 정극 활물질 층을 정극 집전체 표면에 균일하게 도포하며, 상기 정극 활물질 층이 완전히 건조된 후 절단하여 원하는 크기의 전지 정극을 획득하는, 전지 정극을 제조하는 단계이다.
단계105는, 상기 전지 부극, 전해액, 세퍼레이터 및 전지 정극을 사용하여 조립하는 단계이다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 있어서, 단계101 중의 금속도전재는, 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 바나듐, 동, 철, 주석, 아연, 니켈, 티탄, 망간 중의 하나 또는 임의의 하나의 합금 또는 금속 복합체이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 단계102 중의 전해질은 리튬염이며, 용매는, 에스테르계, 설폰계, 에테르계 또는 니트릴계 유기용매를 포함한다. 전해액을 만드는 단계는, 상기 용매에 첨가제를 첨가하여 교반하는 것을 더 포함하다. 바람직하게는, 용매는 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 디에틸 카보네이트(Diethyl carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate) 중의 하나 이상을 포함하지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 첨가제는 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate), 아황산 에틸리덴(Ethylidene sulfite), 아황산 프로필렌(Propylene sulfite), 황산 에틸리덴(Ethylidene sulfate), 시클로부틸 설폰(Cyclobutyl sulfone), 1,3-디옥솔란(1,3-Dioxolane), 아세트 니트릴 또는 장쇄 올레핀 중의 하나 이상이다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 있어서, 단계104 중의 정극 활물질은, 코발트산 리튬, 망간산 리튬, 티탄산 리튬, 니켈 코발트 망간산 리튬 또는 인산 철리튬 중의 하나 이상에서 선택된다. 금속도전재는, 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 바나듐, 동, 철, 주석, 아연, 니켈, 티탄, 망간 중의 하나 또는 임의의 하나의 합금 또는 금속 복합체를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전지 부극, 전해액, 세퍼레이터 및 전지 정극을 사용하여 조립하는 단계105는, 구체적으로, 비활성 가스 또는 무수 무산소 분위기하에서, 제조된 부극, 세퍼레이터, 전지 정극을 차례로 긴밀히 적층시켜, 전해액을 첨가하여 세퍼레이터를 완전히 침지시킨 후, 전지케이스에 봉입하여, 전지의 조립을 완성하는 것을 포함한다.
이외, 상기 단계101-단계104는 특정된 순서로 본 발명의 제조방법의 작업을 설명하였지만, 이러한 작업을 반드시 상기 특정된 순서에 따라 수행하여야 함을 요구하거나 제시하는 것이 아니다. 단계101-단계104의 제조는 동시 또는 임의의 순서로 수행할 수 있다.
상기 이차 전지 제조방법은 상기 이차 전지와 동일한 발명 구상에 기초한 것이며, 상기 이차 전지 제조방법을 사용하여 획득한 이차 전지는 상기 이차 전지의 모든 효과를 구비하기에 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 상기 이차 전지 제조방법을 설명하지만, 이러한 실시예는 더 구체적으로 설명하는 것에 불과하며, 본 발명을 어떠한 형식으로 한정하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
구체적인 실시예 1
전지 부극을 제조하는 단계에서 두께가 0.02mm인 알루미늄 박을 취득하여, 직경이 12mm인 웨이퍼로 절단하며, 에탄올을 사용하여 알루미늄 박을 세정하며, 건조하여 부극 집전체로 준비하여 둔다.
세퍼레이터를 제조하는 단계에서 유리 섬유 종이를 직경이 16mm인 웨이퍼로 절단하며, 건조하여 세퍼레이터로 준비하여 둔다.
전해액을 제조하는 단계에서 헥사플루오로 인산 리튬(Lithium hexafluorophosphate)(농도 1 mol/L) 1.5g을 칭량하여 3.2mL 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 3.2mL 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate) 및 3.2mL 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate)로 구성된 혼합용매에 첨가하며, 질량 함량이 5％인 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate)(0.545g)를 첨가제로서 더 첨가하며, 헥사플루오로 인산 리튬(Lithium hexafluorophosphate)이 완전히 용해될 때까지 충분히 교반하여 전해액으로 준비하여 둔다.
전지 정극을 제조하는 단계에서 0.4g 코발트산 리튬, 0.05g 카본 블랙, 0.05g 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 2mL N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone) 용액에 첨가하며, 충분히 연마하여 균일한 슬러리를 획득한 후, 슬러리를 알루미늄 박 표면에 균일하게 도포하여 진공건조한다. 건조하여 획득한 전극 시트를 직경이 10mm인 웨이퍼로 절단하며, 압밀(密)시켜 전지 정극으로 준비하여 둔다.
전지를 조립하는 단계에서 비활성 가스에 의해 보호되는 글러브 박스 중에서, 상기 제조한 부극 집전체, 세퍼레이터, 전지 정극을 차례로 긴밀히 적층시키며, 전해액을 적하하여 세퍼레이터를 완전히 침투시킨 후, 상기 적층부분을 단추형 전지케이스에 봉입하여, 전지의 조립을 완성한다.
비교 실시예
전지 부극을 제조하는 단계에서 0.4g 그래파이트, 0.05g 카본 블랙, 0.05g 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 취득하여, 2mL N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone) 용액에 첨가하며, 충분히 연마하여 균일한 슬러리를 획득한 후, 슬러리를 알루미늄 박 표면에 균일하게 도포하여 진공건조한다. 건조하여 획득한 전극 시트를 직경이 10mm인 웨이퍼로 절단하며, 압밀하여 전지 부극으로 준비하여 둔다.
세퍼레이터를 제조하는 단계에서 고분자 폴리에틸렌을 직경이 16mm인 웨이퍼로 절단하며, 건조하여 세퍼레이터로 준비하여 둔다.
전해액을 제조하는 단계에서 0.75g 헥사플루오로 인산 리튬(Lithium hexafluorophosphate)을 2.5mL 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate) 및 2.5mL 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate)에 첨가하며, 헥사플루오로 인산 리튬(Lithium hexafluorophosphate)이 완전히 용해될 때까지 충분히 교반하여 전해액으로 준비하여 둔다.
전지 정극을 제조하는 단계에서 0.4g 코발트산 리튬 정극재료, 0.05g 카본 블랙, 0.05g 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 2mL N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone) 용액에 첨가하며, 충분히 연마하여 균일한 슬러리를 획득한 후, 슬러리를 알루미늄 박 표면에 균일하게 도포하여 진공건조한다. 건조하여 획득한 전극 시트를 직경이 10mm인 웨이퍼로 절단하며, 압밀하여 전지 정극으로 준비하여 둔다.
전지를 조립하는 단계에서 비활성 가스에 의해 보호되는 글러브 박스 중에서, 상기 제조한 부극 집전체, 세퍼레이터, 전지 정극을 차례로 긴밀히 적층시키며, 전해액을 적하하여 세퍼레이터를 완전히 침투시킨 후, 상기 적층부분을 단추형 전지케이스에 봉입하여, 전지의 조립을 완성한다.
전지의 성능측정
충전-방전시험에서 상기 이차 전지 제조방법의 실시예에서 제조한 이차 전지를 그 전압이 4.2V가 될 때까지, 100 mA/g 정극 활물질의 정전류로 충전시킨 후, 그 전압이 3V가 될 때까지 동일한 전류로 방전시켜, 그 전지용량 및 에너지 밀도를 측정하고, 그 사이클 안정성을 측정한다. 사이클 안정성을 사이클 횟수로 표시하며, 사이클 횟수는 전지용량이 85％까지 감쇠될 시, 전지가 충방전하는 횟수를 의미한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 이차 전지에 대해 전지의 전기화학적 성능을 측정하며, 배경기술에서 언급된 전통 리튬 이온전지의 성능에 비교하여, 그 결과 및 대조사항을 표 1에 표시한다.
Figure pat00001
표 1로부터 알 수 있다시피, 본 발명의 실시예 1의 이차 전지는, 전통 리튬 이온전지에 비하여, 부극은 그래파이트를 포함하지 않고, 원료원가 및 공정원가가 절감되었으며 전지의 에너지 밀도가 더 향상되었다.
실시예 2∼18
실시예 2∼18은 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은 부극 집전체 재료의 선택이 다를 뿐이며, 구체적으로 표 2를 참조한다.
표 2는 부동한 부극 집전체 전지성능 비교표이다.
번호 부극 집전체 전기화학적 성능
비용량
(mAh/g)		 용량이 90%까지 감쇠될 시 사이클 횟수(횟수) 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 1 알루미늄 박 170 250 263
실시예 2 마그네슘 박 150 30 232
실시예 3 리튬 박 170 250 263
실시예 4 바나듐 박 140 50 217
실시예 5 동 박 120 100 186
실시예 6 철 박 120 100 186
실시예 7 주석 박 150 150 232
실시예 8 아연 박 170 200 263
실시예 9 니켈 박 140 150 217
실시예 10 티탄 박 150 200 232
실시예 11 망간 박 120 150 186
실시예 12 알루미늄주석합금 170 220 263
실시예 13 알루미늄티탄합금 170 220 263
실시예 14 철주석합금 140 180 217
실시예 15 다공질 알루미늄 170 150 263
실시예 16 다공질 알루미늄@C 170 500 263
실시예 17 다공질 알루미늄@그래핀 170 500 263
실시예 18 다층 알루미늄 복합재료 170 500 263
표 2로부터 알 수 있다시피, 부극 집전체로서 알루미늄 박 및 그 관련 복합재료를 선택할 경우, 전지의 비용량이 더 높아지고, 사이클성능이 더 우수하며, 에너지 밀도가 더 향상되었으며, 원가가 절감된다.
실시예 19∼29
실시예 19∼29는, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 정극 활물질 재료의 선택이 다를 뿐이며, 구체적으로 표 3을 참조한다.
표 3은 부동한 정극 활물질 전지성능 비교표이다.
번호 정극 활물질 전기화학적 성능
비용량
(mAh/g)		 용량이 90%까지
감소될 시 사이클
횟수(횟수)		 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 1 코발트산 리튬 170 250 263
실시예 19 니켈산 리튬 150 250 232
실시예 20 층상 망간산 리튬 120 250 186
실시예 21 인산 철리튬 120 500 186
실시예 22 스피넬형 망간산 리튬 100 200 155
실시예 23 니켈코발트산 리튬 이원계 재료 150 250 232
실시예 24 니켈 코발트 망간산 리튬 삼원계 재료 170 250 263
실시예 25 층상 리튬-리치 고망간 재료 250 250 387
실시예 26 코발트산 리튬+인산 철리튬 150 300 232
실시예 27 망간산 리튬+
니켈 코발트 망간산 리튬 삼원계 재료		 150 250 232
실시예 28 코발트산 리튬@그래핀 170 400 263
실시예 29 인산 철리튬@C 120 700 186
실시예 30∼45
실시예 30∼45는, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 전해질염이 다를 뿐이며, 구체적으로 표 4를 참조한다.
표 4는 부동한 전해질염 전지성능 비교표이다.
번호 전해질 전기화학적 성능
비용량
(mAh/g)		 용량이 90%까지
감소될 시 사이클
횟수(횟수)		 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 1 헥사플루오로 인산 리튬 170 250 263
실시예 30 과염소산 리튬 160 240 248
실시예 31 아세트산 리튬(Lithium acetate) 100 150 155
실시예 32 테트라플루오로 붕산 리튬 150 220 232
실시예 33 살리실산 리튬 100 100 155
실시예 34 리튬 아세토아세테이트 80 120 124
실시예 35 탄산 리튬 80 120 124
실시예 36 리튬 트리플루오로 메탄설포네이트 120 150 186
실시예 37 구연산 리튬 80 150 124
실시예 38 리튬 라우릴 설페이트 130 180 201
실시예 39 리튬 비스 (트리메틸실릴) 아미드 150 180 232
실시예 40 헥사플루오로 비산 리튬 140 200 217
실시예 41 리튬 트리플루오로 메탄술폰 이미드 160 150 248
실시예 42 헥사플루오로 인산 리튬+탄산 리튬 160 300 248
실시예 43 테트라플루오로 붕산 리튬+구연산 리튬 140 180 217
실시예 44 리튬 트리플루오로 메탄설포네이트+
리튬 비스 (트리메틸실릴) 아미드		 140 250 217
실시예 45 헥사플루오로 인산 리튬+
과염소산 리튬+테트라플루오로 붕산 리튬		 140 200 217
표 4로부터 알 수 있다시피, 전해질이 LiPF6인 경우, 전지의 비용량이 더 높아지고, 사이클 안정성이 더 우수하며, 에너지 밀도가 더 향상되었다.
실시예 46∼50
실시예 46∼50은, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 전해질염 농도가 다를 뿐이며, 구체적으로 표 5를 참조한다.
표 5는 부동한 전해질 농도 전지성능 비교하였다.
번호 전해질 농도 전기화학적 성능
비용량
(mAh/g)		 용량이 90%까지 감소될
시 사이클 횟수(횟수)		 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 46 0.1M 120 250 186
실시예 47 0.5M 140 250 217
실시예 1 1M 170 250 263
실시예 48 2M 170 180 263
실시예 49 3M 170 100 263
실시예 50 4M 170 50 263
표 5로부터 알 수 있다시피, 전해질 농도가 1M(mol/L)인 경우, 전지비용량, 에너지 밀도 및 사이클 성능이 모두 높다.
실시예 51∼94
실시예 51∼94는, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 전해액 중의 용매의 종류가 다를 뿐이며, 구체적으로 표 6을 참조한다.
표 6은 부동한 전해액 용매 전지성능 비교표이다.
번호 전해액 용매 전기화학적 성능
용량이 90％까지 감소될 시 사이클 횟수(횟수) 에너지 밀도
（Wh/kg）
실시예 51 프로필렌 카보네이트 100 100
실시예 52 에틸렌 카보네이트 50 60
실시예 53 디에틸 카보네이트 150 140
실시예 54 디메틸 카보네이트 150 140
실시예 55 에틸 메틸 카보네이트 150 140
실시예 56 포름산 메틸 100 60
실시예 57 아세트산 메틸 100 80
실시예 58 N,N-디메틸아세트아미드(DMA) 120 50
실시예 59 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 150 120
실시예 60 프로피온산 메틸(MP) 100 80
실시예 61 프로피온산 에틸(EP) 100 80
실시예 62 에틸 아세테이트(EA) 100 80
실시예 63 γ-부티로락톤(GBL) 80 60
실시예 64 테트라 하이드로 퓨란(THF) 50 120
실시예 65 트리 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(DG) 80 140
실시예 66 아황산 프로필렌(PS) 100 160
실시예 67 디메틸 설폰(MSM) 80 150
실시예 68 디메틸 에테르(DME) 50 100
실시예 69 아황산 에틸렌(ES) 60 160
실시예 70 디프로필 카보네이트 150 140
실시예 71 2,3-부틸렌 카보네이트 150 140
실시예 72 메틸 프로필 카보네이트 180 140
실시예 73 다이부틸 카보네이트 180 140
실시예 74 메틸 부틸 카보네이트 160 140
실시예 75 메틸 아이소프로필 카보네이트 120 120
실시예 76 메틸 에스테르 80 100
실시예 77 2-메틸테트라 하이드로 퓨란 60 80
실시예 78 1,3-디옥솔란 60 60
실시예 79 4-메틸-1,3-디옥솔란 50 60
실시예 80 디메톡시메탄 50 80
실시예 81 1,2-디메톡시프로판 80 80
실시예 82 아황산 디메틸 120 140
실시예 83 아황산 디에틸 120 140
실시예 84 크라운 에테르 80 80
실시예 85 디메톡시메탄＋1,2-디메톡시프로판
(V/V 1:1)		 50 80
실시예 86 메틸 아이소프로필 카보네이트＋메틸 부틸
카보네이트(V/V 1:1)		 100 140
실시예 87 에틸렌 카보네이트＋프로필렌 카보네이트
(V/V 1:1)		 180 200
실시예 88 에틸렌 카보네이트＋에틸 메틸 카보네이트
(V/V 1:1)		 200 240
실시예 89 에틸렌 카보네이트＋디메틸 카보네이트
(V/V1:1)		 200 240
실시예 90 에틸렌 카보네이트＋디메틸 에테르(V/V 1:1) 160 180
실시예 91 에틸렌 카보네이트＋디메틸 설폭사이드
(V/V 1:1)		 150 180
실시예 92 트리 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르＋술포란
(V/V 1:1)		 100 80
실시예 93 에틸렌 카보네이트＋에틸 메틸 카보네이트
＋프로필렌 카보네이트(V/V/V 1:1:1)		 220 240
실시예 94 에틸 메틸 카보네이트＋테트라 하이드로 퓨란
＋디메톡시메탄＋1,2-디메톡시프로판
(V/V/V 1:1:1)		 150 180
실시예 1 에틸렌 카보네이트＋에틸 메틸 카보네이트
＋디메틸 카보네이트(V/V/V 1:1:1)		 250 263
실시예 95∼145
실시예 95∼145는, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 전해액 중의 첨가제의 종류가 다를 뿐이며, 구체적으로 표 7을 참조한다.
표 7은 부동한 전해액 첨가제 전지성능 비교표이다.
번호 전해액 첨가제 전기화학적 성능
용량이 90％까지 감소될 시 사이클 횟수(횟수) 에너지 밀도
（Wh/kg）
실시예 1 비닐렌 카보네이트(5wt%) 250 263
실시예 95 아황산 에틸리덴(5wt%) 220 263
실시예 96 아황산 프로필렌(5wt%) 200 256
실시예 97 황산 에틸렌(5wt%) 220 240
실시예 98 아황산 에틸렌(5wt%) 230 240
실시예 99 아세트 니트릴(5wt%) 200 240
실시예 100 장쇄 올레핀(5wt%) 180 240
실시예 101 비닐에틸렌 카보네이트(5wt%) 220 240
실시예 102 1,3-프로판 술톤(5wt%) 160 240
실시예 103 1,4-부탄 술톤(5wt%) 160 245
실시예 104 황산 프로필렌(5wt%) 220 256
실시예 105 1,3-디옥솔란(5wt%) 160 213
실시예 106 아황산 디메틸(5wt%) 200 240
실시예 107 아황산 디에틸(5wt%) 200 240
실시예 108 메틸 클로로 포르메이트(5wt%) 180 235
실시예 109 디메틸 설폭사이드(5wt%) 180 230
실시예 110 아니솔(5wt%) 160 230
실시예 111 아세트아미드(5wt%) 160 230
실시예 112 디아진(5wt%) 140 205
실시예 113 1,3-디아진(5wt%) 140 230
실시예 114 12-크라운-4(5wt%) 140 220
실시예 115 18-크라운-6(5wt%) 140 220
실시예 116 4-플루오로 아니솔(5wt%) 160 260
실시예 117 선형 불화에테르(5wt%) 140 230
실시예 118 디플루오로 메틸 에틸렌 카보네이트
(5wt%)		 140 230
실시예 119 트리플루오로 메틸 에틸렌 카보네이트
(5wt%)		 140 240
실시예 120 클로로 에틸렌 카보네이트(5wt%) 140 240
실시예 121 브로모 에틸렌 카보네이트(5wt%) 140 240
실시예 122 트리플루오로 에틸포스폰산(5wt%) 150 240
실시예 123 브로모 부틸 락톤(5wt%) 150 230
실시예 124 플루오로 아세톡시 에탄(5wt%) 180 230
실시예 125 인산에스테르(5wt%) 150 220
실시예 126 아인산에스테르(5wt%) 150 220
실시예 127 포스파젠(5wt%) 200 220
실시예 128 에탄올아민(5wt%) 200 230
실시예 129 카르보디메틸아민(5wt%) 180 225
실시예 130 시클로부틸 설폰(5wt%) 220 230
실시예 131 산화 알루미늄(5wt%) 200 240
실시예 132 산화 마그네슘(5wt%) 200 240
실시예 133 산화 바륨(5wt%) 200 240
실시예 134 탄산 나트륨(5wt%) 200 240
실시예 135 탄산 칼슘(5wt%) 200 256
실시예 136 이산화 탄소(5wt%) 180 255
실시예 137 이산화 유황(5wt%) 180 253
실시예 138 탄산 리튬(5wt%) 240 253
실시예 139 플루오르에틸렌 카보네이트(5wt%) 120 260
실시예 140 비닐렌 카보네이트(2.5wt%)
＋아황산 에틸리덴(2.5wt%)		 160 260
실시예 141 에탄올아민(2.5wt%)
＋비닐에틸렌 카보네이트(2.5wt%)		 150 240
실시예 142 디메틸 설폭사이드(2.5wt%)
＋디아진(2.5wt%)		 150 225
실시예 143 아황산 프로필렌(2.5wt%)
＋삼산화이염소(2.5wt%)		 180 240
실시예 144 탄산 리튬(2.5wt%)
＋탄산 바륨(2.5wt%)		 220 256
실시예 145∼151
실시예 145∼151은, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은 전해액 중의 첨가제 함량이 다를 뿐이며, 구체적으로 표 8을 참조한다.
표 8은 부동한 첨가제 함량 전지성능 비교표이다.
번호 전해액 첨가제 함량 전기화학적 성능
용량이 90%까지 감소될
시 사이클 횟수(횟수)		 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 145 0.1wt% 50 300
실시예 146 1wt% 120 250
실시예 147 2wt% 200 255
실시예 148 3wt% 220 263
실시예 149 5wt% 250 263
실시예 1 10wt% 180 263
실시예 150 15wt% 100 255
실시예 151 20wt% 50 250
표 8로부터 알 수 있다시피, 첨가제 함량이 5wt%인 경우, 전지사이클 안정성이 가장 우수하다.
실시예 152∼153
실시예 152∼153은, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 세퍼레이터 종류가 다를 뿐이며, 구체적으로 표 9를 참조한다.
표 9는 부동한 세퍼레이터 전지성능 비교표이다.
번호 세퍼레이터 전기화학적 성능
용량이 90%까지 감소될 시 사이클 횟수(횟수) 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 1 유리 섬유 종이 250 263
실시예 152 다공질 폴리머 세퍼레이터 250 263
실시예 153 무기 다공질 박막 250 263
표 9로부터 알 수 있다시피, 세퍼레이터는, 종래의 세퍼레이터를 선택할 수 있으며, 모두 본 발명의 이차 전지로 하여금 우수한 사이클성능 및 높은 에너지 밀도를 획득할 수 있게 한다.
실시예 154-159
실시예 154-159는, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 정극재료 중의 활물질, 도전제, 점착제 종류, 질량 함량이 다른 것이며, 구체적으로 표 10을 참조한다.
표 10은 부동한 정극 활물질, 도전제, 점착제 함량에 따른 전지 성능 비교표이다.
번호 정극재료 전기화학적 성능
활물질
(질량 함량)		 도전제
(질량 함량)		 점착제
(질량 함량)		 용량이 90%까지 감소될 시 사이클 횟수(횟수) 에너지 밀도
(Wh/kg)
실시예 1 코발트산 리튬
(80%)		 아세틸렌 블랙
(10%)		 폴리비닐리덴 플루오라이드
(10%)		 250 263
실시예 154 코발트산 리튬
(90%)		 전도성 탄소 공
(0.1%)		 테프론
(9.9%)		 220 250
실시예 155 코발트산 리튬
(60%)		 전도성 그래파이트
(30%)		 폴리비닐 알코올
(10%)		 220 250
실시예 156 코발트산 리튬
(90%)		 탄소 나노 튜브
(9.9%)		 폴리프로필렌
(0.1%)		 180 250
실시예 157 코발트산 리튬
(90%)		 그래핀
(5%)		 카르복시 메틸 셀룰로오스
+SBR(5%)		 200 260
실시예 158 코발트산 리튬
(90%)		 전도성 탄소섬유
(5%)		 폴리비닐리덴 플루오라이드
(5%)		 200 260
실시예 159 코발트산 리튬
(90%)		 아세틸렌 블랙
+탄소 나노 튜브(5%)		 폴리비닐리덴 플루오라이드
(5%)		 200 260
실시예 160∼172
실시예 160∼172는, 실시예 1의 이차 전지 제조과정 단계와 동일하며, 그 차이점은, 정극 집전체의 종류가 다를 뿐이며, 구체적으로 표 11을 참조한다.
표 11은 부동한 정극 집전체 전지성능 비교표이다.
번호 정극 집전체 전기화학적 성능
비용량
(mAh/g)		 용량이 90％까지 감소될 시 사이클 횟수(횟수) 에너지 밀도
（Wh/kg）
실시예 1 알루미늄 박 170 250 263
실시예 160 마그네슘 박 170 250 263
실시예 161 리튬 박 170 250 263
실시예 162 바나듐 박 170 250 263
실시예 163 동 박 170 250 263
실시예 164 철 박 170 250 263
실시예 165 주석 박 170 250 263
실시예 166 아연 박 170 250 263
실시예 167 니켈 박 170 250 263
실시예 168 티탄 박 170 250 263
실시예 169 망간 박 170 250 263
실시예 170 동아연합금 170 250 263
실시예 171 주석철합금 170 250 263
실시예 172 니켈아연합금 170 250 263

Claims (2)

  1. 전지 부극, 전해액, 세퍼레이터 및 전지 정극을 포함하는 이차 전지에 있어서,
    상기 전지 부극은 부극 집전체를 포함하며, 상기 부극 집전체는 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 포함하며, 상기 부극 집전체는 부극 활물질로 겸용되며,
    상기 전해액은 전해질，용매 및 첨가제를 포함하고, 상기 전해질은 헥사플루오로 인산 리튬이고, 상기 용매는 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate)와 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate)로 구성된 혼합용매이고, 상기 헥사플루오로 인산 리튬의 농도가 1 mol/L이고,
    상기 전지 정극은 정극 집전체 및 정극 활물질 층을 포함하며, 상기 정극 활물질 층은 리튬 이온을 가역적으로 탈리 및 삽입할 수 있는 정극 활물질을 함유하며, 상기 정극 집전체는 금속, 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 포함하고,
    상기 정극 활물질은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 망간산 리튬, 인산 철리튬, 니켈코발트산 리튬 이원계 재료, 스피넬 구조 산화물, 니켈 코발트 망간산 리튬 삼원계 재료, 층상 리튬-리치 고망간 재료 중의 하나 이상 또는 그 중의 하나의 복합재료를 포함하고,
    충전과정에서는 정극 활물질로부터 리튬 이온이 탈리되어 부극 집전체인 금속, 금속 합금 또는 그 복합 재료와 합금화 반응을 진행하여 리튬-금속 합금을 형성하고 방전과정에서는 리튬-금속 합금으로부터 리튬 이온이 탈리된 후 정극 활물질에 삽입됨으로써 충방전과정을 실현하고,
    상기 용매는 체적비가 1:1:1인 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate) 및 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate)이고,
    상기 첨가제는 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate)이고, 상기 전해액 중의 상기 비닐렌 카보네이트의 질량 함량은 5wt%이고,
    상기 정극 활물질 층은 도전제 및 점착제를 더 포함하되, 상기 정극 활물질은 코발트산 리튬이고, 상기 도전제는 아세틸렌 블랙이고, 상기 점착제는 폴리비닐리덴 플루오라이드이며,
    상기 정극 활물질의 함량이 80wt%이며, 상기 도전제의 함량이 10wt%이며, 상기 점착제의 함량이 10wt%이고, 상기 정극 집전체는 알루미늄 박이고,
    상기 부극 집전체는 다공질 알루미늄＠Ｃ, 다공질 알루미늄＠그래핀 또는 다층 알루미늄 복합재료이며,
    상기 세퍼레이터의 성분은 유리 섬유 종이, 절연 다공질 폴리머 박막 또는 무기 다공질 박막이며, 다공질 폴리프로필렌 박막, 다공질 폴리에틸렌 박막, 다공질 복합폴리머 박막, 유리 섬유류 박막 및 다공질 세라믹 세퍼레이터 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 이차 전지의 제조방법에 있어서,
    금속, 또는 금속 합금, 또는 금속 복합체 도전재를 원하는 크기로 절단하고 세척하여 전지 부극으로 사용하고, 상기 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재는 부극 집전체 및 부극 활물질로 겸용되는 전지 부극을 제조하는 단계와,
    리튬염 전해질을 농도가 1 mol/L가 되도록 칭량하여 해당 용매에 첨가하며, 교반하여 용해시키면서 전해액을 획득하는 전해액을 만드는 단계와,
    다공질 폴리머 박막, 무기 다공질 박막 또는 유리 섬유류 박막을 원하는 크기로 절단하여 깨끗하게 세척하는 세퍼레이터를 제조하는 단계와,
    정극 활물질, 도전제 및 점착제를 칭량하고, 용매에 첨가하며, 연마하여 균일한 슬러리를 만들고, 금속 또는 금속 합금 또는 금속 복합체 도전재를 취득하여, 그 표면을 세척하여 정극 집전체로 사용하며, 상기 슬러리를 상기 정극 집전체 표면에 균일하게 도포하며, 상기 슬러리가 완전히 건조되어 정극 활물질 층으로 형성된 후 절단하여 원하는 크기의 전지 정극을 획득하는, 전지 정극을 제조하는 단계와,
    상기 전지 부극, 상기 전해액, 상기 세퍼레이터 및 상기 전지 정극을 차례로 조립하여, 이차 전지를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 전해액은 전해질，용매 및 첨가제를 포함하고, 상기 전해질은 헥사플루오로 인산 리튬이고, 상기 용매는 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate)와 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate)로 구성된 혼합용매이고, 상기 첨가제는 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate)이고, 상기 전해액 중의 상기 비닐렌 카보네이트의 질량 함량은 5 %이고, 상기 헥사플루오로 인산 리튬의 농도가 1 mol/L이고,
    상기 정극 활물질은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 망간산 리튬, 인산 철리튬, 니켈코발트산 리튬 이원계 재료, 스피넬 구조 산화물, 니켈 코발트 망간산 리튬 삼원계 재료, 층상 리튬-리치 고망간 재료 중의 하나 이상 또는 그 중의 하나의 복합재료를 포함하고,
    상기 부극 집전체는 다공질 알루미늄＠Ｃ, 다공질 알루미늄＠그래핀 또는 다층 알루미늄 복합재료이며,
    상기 세퍼레이터의 성분은 유리 섬유 종이, 절연 다공질 폴리머 박막 또는 무기 다공질 박막이며, 다공질 폴리프로필렌 박막, 다공질 폴리에틸렌 박막, 다공질 복합폴리머 박막, 유리 섬유류 박막 및 다공질 세라믹 세퍼레이터 중의 하나 이상을 포함하고,
    충전과정에서는 정극 활물질로부터 리튬 이온이 탈리되어 부극 집전체인 금속, 금속 합금 또는 그 복합재료와 합금화 반응을 진행하여 리튬-금속 합금을 형성하고 방전과정에서는 리튬-금속 합금으로부터 리튬 이온이 탈리된 후 정극 활물질에 삽입됨으로써 충방전과정을 실현하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
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