KR100686805B1 - Lithium rechargeable battery - Google Patents
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Abstract
두 전극과 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체와 전해질, 이들 전극 조립체와 전해질을 수용하여 밀폐하는 케이스를 가진 리튬 이차 전지에 있어서, 두 전극 가운데 한 전극은 리튬 혹은 리튬 이온을 흡장 방출할 활물질 성분으로 티타늄 산화물을 구비하여 이루어지며, 세퍼레이터는 세라믹 물질을 필러로 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지가 개시된다. 본 발명에서 티타늄 산화물을 함유하는 전극은 방전시 음극으로 작용할 수 있으며, 티타늄 산화물로는 스피넬 구조의 티타늄 산화물이 바람직하다. 활물질로는 티타늄 산화물 외에 실리콘 산화물이 더 포함될 수 있다.In a lithium secondary battery having an electrode assembly having two electrodes and a separator, and an electrolyte, and a case for receiving and sealing the electrode assembly and the electrolyte, one of the two electrodes is a titanium oxide as an active material component for storing and releasing lithium or lithium ions. A lithium secondary battery is disclosed, comprising a ceramic material as a filler. In the present invention, the electrode containing titanium oxide may act as a cathode during discharge, and titanium oxide having a spinel structure is preferable as the titanium oxide. The active material may further include silicon oxide in addition to titanium oxide.
본 발명에 따르면 단위 질량당 이용가능 리튬 량을 늘려 고용량 전지를 구현할 수 있고, 주기수명특성이 높은 리튬 이차 전지를 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to implement a high capacity battery by increasing the amount of available lithium per unit mass and to obtain a lithium secondary battery having high cycle life characteristics.
Description
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지 전반적 구성을 나타내는 분해 사시도이며, 1 is an exploded perspective view showing the overall configuration of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention;
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터가 두 전극 활물질 사이에 개재된 상태를 나타내는 부분적 횡단면도이며,2 is a partial cross-sectional view showing a state in which a separator is interposed between two electrode active materials according to an embodiment of the present invention;
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터의 필러를 이루는 입자 구성을 나타내는 개념도이다. 3 is a conceptual diagram showing the particle configuration of the filler of the separator according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10: 캔 15: 비드10: can 15: bead
13a,13b: 절연판 20: 전극 조립체13a and 13b: insulating plate 20: electrode assembly
25: 세퍼레이터 21,23: 전극25:
27,29: 전극 탭 30: 가스켓27,29: electrode tab 30: gasket
40: 벤트 50:CID(current interrupt device) 40: vent 50: CID (current interrupt device)
60: PTC(positive thermal coefficient)60: positive thermal coefficient (PTC)
70: 캡업(Cap up) 80: 캡 어셈블리70: cap up 80: cap assembly
211, 231: 활물질층 213,233: 집전체 211 and 231: active material layer 213 and 233: current collector
251: 필러 255: 바인더251: filler 255: binder
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 이차 전지 전극 조립체의 세퍼레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly to a separator of a lithium secondary battery electrode assembly.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성이 크다. 근래에 캠코더, 휴대용 컴퓨터, 휴대 전화 등 휴대용 전자기기 수요 증가가 이루어지면서 이들 휴대용 전자기기의 전원으로 이차 전지에 대한 연구 개발이 많이 이루어지고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)이온 전지 및 리튬이온(Li-ion) 폴리머 전지가 있다. Secondary batteries are rechargeable and have a high possibility of being small and large in capacity. Recently, as demand for portable electronic devices such as camcorders, portable computers, and mobile phones is increasing, research and development on secondary batteries has been made with the power of these portable electronic devices. Representative examples of the recent development and use include nickel-hydrogen (Ni-MH) batteries, lithium (Li) ion batteries, and lithium ion (Li-ion) polymer batteries.
이차 전지의 재료로 많이 사용되는 리튬은 원소 자체의 원자량이 작아 단위 질량당 전기 용량이 큰 전지를 제조하기에 적합한 재료이다. 한편, 리튬은 수분과 격렬하게 반응하므로 리튬계 전지에서는 비수성 전해질을 사용하게 된다. 이 경우, 물의 전기분해 전압에 영향을 받지 않으므로 리튬계 전지에서는 3 내지 4 볼트(V) 정도의 기전력을 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.Lithium, which is widely used as a material for secondary batteries, is a material suitable for producing a battery having a large electric capacity per unit mass due to a small atomic weight of the element itself. On the other hand, since lithium reacts violently with moisture, a non-aqueous electrolyte is used in a lithium battery. In this case, since it is not affected by the electrolysis voltage of water, the lithium-based battery has an advantage of generating an electromotive force of about 3 to 4 volts.
리튬 이차전지는 대개 두 전극과 이들 전극의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 적층 혹은 적층, 권취하여 비수성 전해질과 함께 케이스에 넣고, 전극을 탭을 통해 케이스 밖으로 인출하여 전기 단자를 형성하는 방식의 기본 구성을 가진다. Lithium secondary batteries usually have two electrodes and a separator that prevents short-circuits between them, and are stacked in a case together with a non-aqueous electrolyte and placed in a case together with a nonaqueous electrolyte. Has
리튬 이온 이차 전지에서 사용되는 비수성 전해질은 크게 액체 전해질과 고체 전해질이 있다. 액체 전해질은 리튬염을 유기 용매에 해리시킨 것이다. 유기 용 매로는 대개 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 또는 다른 알킬기 함유 카보네이트나 유사한 유기 화합물이 사용될 수 있다. The nonaqueous electrolyte used in the lithium ion secondary battery is largely a liquid electrolyte and a solid electrolyte. The liquid electrolyte is obtained by dissociating lithium salt into an organic solvent. As the organic solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate or other alkyl group-containing carbonates or similar organic compounds can be used.
고체 전해질은 전압이 인가된 상태에서 고체 자체가 리튬 이온과 같은 이온을 통과시키는 성질을 가지는 물질로, 고분자 물질로 이루어진 유기계와 결정질 혹은 비정질의 무기물로 이루어진 무기계로 나뉠 수 있다. 고체 전해질은 자체가 이온 도전성은 있으나 통상 도체가 아니므로 자체가 세퍼레이터의 역할을 할 수 있다. The solid electrolyte is a material having a property that the solid itself passes ions such as lithium ions while a voltage is applied, and may be divided into an organic system made of a polymer material and an inorganic system made of a crystalline or amorphous inorganic material. The solid electrolyte may be itself a ionic conductivity, but is usually not a conductor, and thus may serve as a separator.
한편, 세퍼레이터는 전지 내의 두 전극의 단락을 방지하며, 전해액이 있는 상태에서 혹은 자체만으로 이온이 통과할 수 있는 구조를 가져야 한다. 따라서, 세퍼레이터는 두 전극 사이에서 리튬 이온의 이동을 제한하는 요인이 된다. 완전 고체 전해질이 세퍼레이터를 겸하는 경우를 제외하면, 두 전극 사이에 존재하는 세퍼레이터가 전해질에 대한 충분한 투과성, 젖음성(wettability)을 갖지 못할 경우, 세퍼레이터에 의한 두 전극 사이에서의 리튬 이온의 이동 제한은 마찬가지로 방전에서 중요한 문제가 된다. On the other hand, the separator is to prevent the short circuit of the two electrodes in the battery, and should have a structure that can pass ions in the state with the electrolyte or by itself. Therefore, the separator becomes a factor to limit the movement of lithium ions between the two electrodes. Except in the case where the fully solid electrolyte also serves as the separator, if the separator present between the two electrodes does not have sufficient permeability and wettability to the electrolyte, the restriction of the movement of lithium ions between the two electrodes by the separator is likewise This is an important problem in discharge.
따라서, 전지의 성능과 관련된 세퍼레이터의 특성에 있어서, 세퍼레이터의 이온전도성(폴리머 세퍼레이터 등), 내열성, 열변형 저항성, 내화학성, 기계적 강도 등과 함께 세퍼레이터의 임의의 단면에서 빈 공간 부분의 면적을 의미하는 공극율, 전해액에 의한 젖음성 등이 주요 지표가 된다. Therefore, in the characteristics of the separator related to the performance of the battery, it means the area of the empty space portion at any cross section of the separator together with the ion conductivity of the separator (polymer separator, etc.), heat resistance, heat deformation resistance, chemical resistance, mechanical strength, and the like. Porosity, wettability by the electrolyte, and the like are major indicators.
한편, 액체 전해질을 사용하는 리튬 이차 전지의 세퍼레이터는 자체가 전지의 과열을 방지하는 안전장치의 역할도 하게 된다. 세퍼레이터의 통상적 재료가 되 는 폴리올레핀 계통의 미다공성 막은 전지의 이상으로 인하여 일정 이상의 온도가 되면, 연화되고 부분적으로 용융상태가 된다. 따라서, 전해액의 연결통로, 리튬 이온의 통로가 되는 미다공성 막의 미세 통공이 폐쇄된다(shut down). 리튬 이온의 이동은 중단되고, 전지의 내외부 전류의 흐름이 멈추어 전류에 의한 전지의 온도 상승도 멈추게 된다.Meanwhile, the separator of the lithium secondary battery using the liquid electrolyte also serves as a safety device that prevents the battery from overheating. The polyolefin-based microporous membrane, which is a conventional material of the separator, becomes soft and partially melted when it reaches a certain temperature due to an abnormal battery. Therefore, the micro-pores of the microporous membrane serving as the connection passage of the electrolyte solution and the passage of lithium ions are shut down. The movement of lithium ions is stopped, and the flow of internal and external currents of the battery stops, so that the temperature rise of the battery due to the current also stops.
그러나, 전지의 온도가 어떤 이유로, 가령 외부 열전이 등의 이유로 갑자기 상승할 경우, 세퍼레이터의 미세 통공 폐쇄에도 불구하고, 전지의 온도 상승이 일정 시간 계속되어 세퍼레이터의 파손이 생길 수 있다. 즉, 세퍼레이터가 부분적으로 녹아 그 부분에서 전지의 두 극이 직접 닿아 내부 단락을 일으키는 경우 및 세퍼레이터가 수축되고, 그 위치에서 전지의 두 극이 맞닿아 단락될 수 있다. 이런 단락은 더욱 심각한 위험성을 가지게 된다. However, if the temperature of the battery suddenly rises for some reason, for example, due to external heat transfer or the like, despite the fine pore closure of the separator, the temperature rise of the battery may continue for a certain time, resulting in breakage of the separator. That is, when the separator is partially melted and the two poles of the battery directly touch at that portion, causing an internal short circuit, and the separator is retracted, and the two poles of the battery may abut and short at that position. This short-circuit poses a more serious risk.
그리고, 전지의 고용량화 경향에 따라 이차 전지에서 단시간에 많은 전류가 흐를 수 있게 된다. 이런 경우, 이차 전지에서 일단 이상 과전류가 흐르게 되면, 세퍼레이터의 미세 통공 폐쇄가 이루어져도 전류 차단에 의해 바로 전지의 온도가 낮아지기보다는 이미 발생된 열에 의해 세퍼레이터의 용융이 계속되어 세퍼레이터 파손에 의한 내부 단락이 발생할 가능성이 커지고 있다. In addition, according to the tendency of increasing the capacity of the battery, a large amount of current can flow in the secondary battery in a short time. In this case, once the abnormal current flows in the secondary battery, even if the micropores are closed, the melting of the separator is continued due to the heat generated, rather than the temperature of the battery being immediately lowered by the current blocking, and the internal short circuit caused by the breakage of the separator is prevented. The probability of occurrence is increasing.
이런 상황에서는 세퍼레이터의 개공 폐쇄에 의한 전류 차단도 중요하지만 전지 과열시 세퍼레이터가 용융되거나 수축되는 문제가 더욱 중요한 문제가 된다. 즉, 전극 사이의 내부 단락을 가령 200도씨 이상의 비교적 높은 온도에서도 안정적으로 방지하는 것이 요청된다.In such a situation, the interruption of the current by the opening of the separator is also important, but the problem that the separator melts or shrinks when the battery is overheated becomes more important. That is, it is desired to stably prevent the internal short circuit between the electrodes even at a relatively high temperature of 200 degrees Celsius or more.
또한, 리튬 이차 전지에서 고용량화 경향에 따라 전극 활물질 단위 부피 혹은 단위 질량 당 충방전시 이용 가능 리튬량을 높이고, 두 전극 사이의 방전 전위차를 증가시킬 수 있는 활물질 개발이 계속적으로 요청되고 있으며, 주기 수명 특성을 높일 수 있는 전극 재료의 개발도 요청되고 있다. In addition, according to the tendency of high capacity in lithium secondary batteries, there is a continuous demand for the development of active materials capable of increasing the amount of lithium available for charging and discharging per unit volume or unit mass of an electrode active material and increasing the discharge potential difference between two electrodes. There is also a demand for development of an electrode material capable of improving characteristics.
본 발명은 상술한 종래 리튬 이차 전지의 문제점을 줄일 수 있는 구성을 가진 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having a configuration that can reduce the problems of the conventional lithium secondary battery described above.
본 발명은, 200도씨 이상의 고온에서도 변형, 훼손에 강한 세퍼레이터막을 가진 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having a separator film resistant to deformation and damage even at a high temperature of 200 ° C or higher.
본 발명은 전지용량을 높일 수 있고, 기존의 탄소계 음극에 비해 수명 주기 특성이 우수한 음극 활물질을 가지는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having a negative electrode active material capable of increasing battery capacity and having excellent life cycle characteristics compared to conventional carbon-based negative electrodes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지는 두 전극과 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체와 전해질, 이들 전극 조립체와 전해질을 수용하여 밀폐하는 케이스를 가진 리튬 이차 전지에 있어서,In the lithium secondary battery of the present invention for achieving the above object is a lithium secondary battery having an electrode assembly and an electrolyte having two electrodes and a separator, a case for receiving and sealing the electrode assembly and the electrolyte,
두 전극 가운데 한 전극은 리튬 혹은 리튬 이온을 흡장 방출할 활물질 성분으로 티타늄 산화물을 구비하여 이루어지며, 세퍼레이터는 세라믹 물질을 필러로 사용하는 것을 특징으로 한다.One of the two electrodes includes titanium oxide as an active material component that absorbs and releases lithium or lithium ions, and the separator is characterized by using a ceramic material as a filler.
본 발명에서 티타늄 산화물을 함유하는 전극은 방전시 음극으로 작용할 수 있으며, 티타늄 산화물로는 스피넬 구조의 티타늄 산화물이 바람직하다. 활물질로는 티타늄 산화물 외에 실리콘 산화물이 더 포함될 수 있다.In the present invention, the electrode containing titanium oxide may act as a cathode during discharge, and titanium oxide having a spinel structure is preferable as the titanium oxide. The active material may further include silicon oxide in addition to titanium oxide.
본 발명에서 티타늄 산화물은 Ti5O12를 사용할 수 있으며, 실리콘 산화물은 SiO2를 사용할 수 있다. 가령, 이들을 포함하는 활물질로는 Li3Ti5O12, Li4Ti5O12, LiSiO2 등을 사용할 수 있다. 물론 이런 예시는 성분 원소의 결합 비율이 다른 타 물질을 배제하는 것은 아니다.In the present invention, the titanium oxide may be used Ti 5 O 12 , the silicon oxide may be used SiO 2 . For example, Li 3 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12 , LiSiO 2 , or the like may be used as the active material including these. Of course, this example does not exclude other substances having different bonding ratios of the constituent elements.
본 발명에서 방전시 양극으로 작용하는 전극의 활물질로는 리튬 대비 표준환원전위차 4볼트 이상으로 기존에 사용되고 있는 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 스피넬 구조의 망간산 리튬 등이 사용될 수 있다. In the present invention, as the active material of the electrode acting as a positive electrode during discharge, lithium cobalt, lithium nickelate, lithium manganate having a spinel structure, and the like, which are conventionally used as a standard reduction potential difference of 4 volts or more, may be used.
본 발명에서 세퍼레이터는 실리콘 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물, 알루미나 등의 물질 입자를 전체 대비 질량 5% 정도의 바인더로 결합시킨 세라믹 세퍼레이터일 수 있다. 세라믹 세퍼레이터를 이루는 물질 입자로 이온 전도성을 높이기 위해 무기계(non organic) 고체 전해질 입자가 단독으로 혹은 다른 비전도성 세라믹 물질과 함께 사용될 수 있다. In the present invention, the separator may be a ceramic separator in which particles of materials such as silicon oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and alumina are bonded with a binder having a mass of about 5% of the total weight. Non-organic solid electrolyte particles may be used alone or in combination with other nonconductive ceramic materials to enhance ion conductivity with the material particles that make up the ceramic separator.
또한, 세라믹 세퍼레이터에서 세라믹 물질 입자는 분쇄에 의한 1차 입자를 부분 소결하고, 소결된 덩어리를 다시 분쇄하여 복수의 1차 입자들이 표면에서 서로 융접되어 이루어진 2차 입자들일 수 있다. 이 경우, 2차 입자들은 브리지 형태 로 일부분에서 소량의 바인더를 통해 서로 이어져 세퍼레이터막을 형성할 수 있다.In addition, in the ceramic separator, the ceramic material particles may be secondary particles formed by partially sintering primary particles by pulverization and pulverizing the sintered mass again to form a plurality of primary particles fused to each other on the surface. In this case, the secondary particles may be connected to each other through a small amount of binder in a portion in the form of a bridge to form a separator film.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지 전반적 구성을 나타내는 분해 사시도이며, 1 is an exploded perspective view showing the overall configuration of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention;
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터가 두 전극 활물질 사이에 개재된 상태를 나타내는 부분적 횡단면도이며,2 is a partial cross-sectional view showing a state in which a separator is interposed between two electrode active materials according to an embodiment of the present invention;
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터의 필러를 이루는 입자 구성을 나타내는 개념도이다. 3 is a conceptual diagram showing the particle configuration of the filler of the separator according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따르면, 통상 도1과 같은 이차 전지를 형성하기 위해 집전체에 활물질을 도포한 두 전극(21,23)을 먼저 형성한다. 활물질이 도포되지 않은 집전체 무지부 영역에 전극 탭(27,29)이 결합된다. 두 전극(21,23) 사이에 단락이 이루어지지 않도록 세퍼레이터(25)를 개제시키면서 전극과 세퍼레이터의 층상구조를 권취기로 권취하면 젤리롤형 전극 조립체(20)가 이루어진다. 전극 조립체(20)는 용기형으로 개구부를 가지는 캔(10)에 삽입되고, 개구부는 가스켓(30)을 개재시킨 상태로 캡 어셈블리(80)와 결합되어 밀폐된다. 전극조립체가 캔에 삽입되기 전에 하절연판(13b)과 먼저 결합되어 하절연판(13b)이 캔 저면에 설치되고, 전극조립체(20)가 삽입된 후에는 한 전극탭(29)을 캔(10)에 접속시키는 공정, 전해액을 주입하는 공정이 이루어진다. 상절연판(13a)은 전극조립체(20) 위쪽에 설치되고, 개구부 마감 전에 전극탭 가운데 다른 하나(부호 27을 의미한다)는 캡 어셈블리(80)에 용접된다. According to the present invention, in order to form a secondary battery as shown in FIG. 1, two
본 발명의 일 실시예에서 리튬 이차 전지의 전극 조립체(20) 형성 방법은, 집전체에 바인더용 수지와 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포하여 두 전극(21,23)을 형성하는 단계, 전지 내에서 서로 대향하게 될 상기 두 전극의 전극면들 가운데 적어도 한 쪽에 세퍼레이터막(25)이 존재하도록 전극면에 세퍼레이터막을 형성하는 단계, 세퍼레이터막(25)이 형성된 상태에서 두 전극(21,23)을 포함하는 전극조립체(20)를 형성하는 단계를 구비하여 이루어질 수 있다. In an embodiment of the present invention, a method of forming an
이때, 서로 대향하게 될 두 전극의 전극면들 가운데 적어도 한 쪽에 세퍼레이터막이 존재하도록 하려면, 가령, 두 전극을 적층하고, 권취하여 이루어지는 젤리롤 형 전극 조립체에서는, 두 전극 각각의 바깥쪽 면에 세퍼레이터막을 형성하는 방법을 취할 수 있다. 혹은, 두 전극 각각의 내측면에 세퍼레이터막을 형성하거나, 두 전극 중 한 전극의 집전체(233) 양면에 형성된 내외측 활물질층(231)의 표면 모두에 세퍼레이터(25)를 형성할 수도 있다. 한 전극의 양 전극면에 세퍼레이터막을 일체로 형성시키기 위해 이 전극을 이온전도성인 고체 전해질 입자가 포함된 세퍼레이터막액에 딥핑(deeping)하고, 건조시키는 공정을 실시할 수 있다. At this time, in order for the separator film to exist on at least one of the electrode faces of the two electrodes that will be opposed to each other, for example, in a jelly roll type electrode assembly formed by stacking and winding two electrodes, the separator film may be disposed on the outer surface of each of the two electrodes. The method of formation can be taken. Alternatively, the
다른 실시예에서는 전극과 별도의 세퍼레이터(25)를 형성하고 두 전극 사이에 개재시킬 수 있다. 전극을 적층하여 권취함으로써 젤리롤을 형성하는 단계에서 두 전극 사이에 단락이 이루어지지 않기 위해서는 두 개의 세퍼레이터(25) 두 전극 사이에 개재되도록 적층된 상태에서 권취 공정을 실시한다.In another embodiment, a
본 발명에서는 이상의 어느 경우에나 두 전극의 활물질층(211,231) 사이에 세라믹 세페레이터(25)가 개재된 상태를 이루게 된다. In the present invention, in any of the above cases, the
본 발명에서 이차 전지를 위한 전극의 형성은 재료 측면을 제외한 대부분의 과정이 통상의 전극 형성 방법에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 집전체(213,233)로서 구리나 알미늄으로 이루어진 금속 포일이나 금속 메쉬의 적어도 한 면에 바인더와 활물질 분말을 포함하는 활물질 슬러리를 도포한다.In the present invention, the formation of the electrode for the secondary battery, most of the process except for the material side can be made by a conventional electrode forming method. That is, as the current collectors 213 and 233, an active material slurry containing a binder and an active material powder is applied to at least one surface of a metal foil made of copper or aluminum or a metal mesh.
통상 방전시 음극을 이루는 전극에서 구리 집전체는 10 내지 15마이크로 미터 두께의 포일로 이루어진다. 그 양면에는 활물질 슬러리가 코팅된다. 이때, 활물질 슬러리는 흑연, 활성탄 등의 탄소계 물질과 달리, 티타튬 산화물과 실리콘 산화물 입자가 섞이고, 탄소와 같은 도전조제가 첨가된 상태로 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 등의 바인더 및 용매와 혼합되어 이루어진다. Typically, the current collector is composed of a foil of 10 to 15 micrometers thick in the electrode forming the cathode during discharge. Both surfaces are coated with an active material slurry. In this case, unlike the carbon-based materials such as graphite and activated carbon, the active material slurry is mixed with a binder and a solvent such as polyvinylidene fluoride (PVDF) in a state in which the titanium oxide and silicon oxide particles are mixed and a conductive assistant such as carbon is added. It is made by mixing.
스피넬 구조의 티타늄 산화물도 리튬 이차 전지 내에서 음극 활물질로 사용될 때 저전위 방전 특성을 이용하여 적절한 활물질을 가진 양극과 작동 전압의 폭이 넓은 전지를 실현하여 전지의 용량을 증대시키는 효과를 가져올 수 있다. When used as a negative electrode active material in a lithium secondary battery, a spinel structured titanium oxide can also use a low potential discharge characteristic to realize a positive electrode having a suitable active material and a wide battery of operating voltage, thereby increasing the battery capacity. .
리튬에 대한 티타늄 산화물의 표준환원전위차는 0 내지 1 볼트, 실리콘 산화물의 표준환원전위차도 0 내지 1 볼트 수준이며, 티타늄 산화물과 실리콘 산화물의 구체적인 산소 비율, 두 물질의 혼합비율 등에 따라 방전시 전위값의 크기, 변화 형태가 달라질 수 있다. The standard reduction potential difference of titanium oxide with respect to lithium is 0 to 1 volt, the standard reduction potential difference of silicon oxide is also 0 to 1 volt, and the potential value at the time of discharge according to the specific oxygen ratio of titanium oxide and silicon oxide and the mixing ratio of the two materials. The size and shape of the change can vary.
티타늄 산화물과 실리콘 산화물의 형성은 여러 가지 방법으로 이루어질 수 있으며, 그 형성 조건에 따라 단위 원자와 결합된 산소의 수가 달라지고, 표준환원전위가 달라질 수 있다. The formation of titanium oxide and silicon oxide may be performed in various ways, and depending on the formation conditions, the number of oxygen bonded to unit atoms may vary, and the standard reduction potential may vary.
가령, 실리콘 산화물의 경우 리튬함유 실리콘 산화물의 화학조성, 특히 실리 콘 원자수에 대한 산소원자수의 비가 비수용성 전해질내에서의 리튬이온의 전기 화학적 흡수, 방출 성능, 즉 충전 및 방전성능에 상당한 영향을 미친다는 알려져 있다. 실리콘 산화물로서는 SiO2가 가장 통상적이며, 이는 수정결정, 비결정 실리카(유리) 등의 형태로 잘 알려져 있다. SiO2와 비교할 때 실리콘 산화물 또는 이들의 화합물을 함유하고 산소수의 비가 작은 리튬 LixSiOy(x≥0, 2>y>0)의 경우에 비 수용성 전해질에서의 리튬이온의 전기화학적 흡수, 방출양, 즉 충전 및 방전특성이 현저히 커진다. For example, in the case of silicon oxide, the chemical composition of lithium-containing silicon oxide, in particular the ratio of the number of oxygen atoms to the number of silicon atoms, has a significant effect on the electrochemical absorption, release performance, ie charge and discharge performance, of lithium ions in the non-aqueous electrolyte. It is known to drive crazy. As the silicon oxide, SiO 2 is most common, which is well known in the form of quartz crystal, amorphous silica (glass) and the like. In the case of lithium LixSiOy (x ≧ 0, 2>y> 0) containing silicon oxide or a compound thereof and having a small ratio of oxygen water as compared to SiO 2 , the electrochemical absorption, emission amount of lithium ions in the non-aqueous electrolyte, ie The charging and discharging characteristics are significantly increased.
또한, 저산소수 실리콘 산화물은 금속리튬에 대한 상대 전위차가 작고, 상대 전위 1V 이하의 베이스영역에서의 충전 및 방전 용량이 크기 때문에 상기 금속 산화물, 금속 칼코겐화물과 같은 상대 전위 2V 이상으로 금속 리튬에 대한 전극 전위를 갖는 활성물질, 특히 V2O3, MnO2, LixCoO2, LixNiO2, LixMn2O4와 같이 3V-4V 이상의 전극 전위를 갖는 활성물질을 사용하는 전지의 양극과 더불어 사용하는 경우, 고전압, 고에너지 밀도를 갖고 충전 및 방전특성이 양호한 2차 전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the low oxygen-containing silicon oxide has a small relative potential difference with respect to the metal lithium and a large charge and discharge capacity in the base region with a relative potential of 1 V or less, the low oxygen-containing silicon oxide has a relative potential of 2 V or more such as the metal oxide and the metal chalcogenide. When used in conjunction with the positive electrode of a battery using an active material having an electrode potential of about 3 V-4 V or more, such as V 2 O 3 , MnO 2 , LixCoO 2 , LixNiO 2 , LixMn 2 O 4 A secondary battery having high voltage, high energy density, and good charge and discharge characteristics can be provided.
특히, 실리콘 산화물이나 리튬함유 실리케이트로 이루어진 음극 활성물질을 사용하는 음극과, LiaMbLcO2의 조성식(여기서 M은 전이 금속이고, L은 보론과 실리콘 중에서 선택된 하나이상의 준 금속재료이며, a,b,c는 0<a<1.15, 0.85<b+c<1.3 및 0<c를 만족하는 범위에 있다)을 갖고 리튬함유의 층상구조를 갖는 복합 산화물로 된 양극 활성물질을 사용하는 양극을 서로 조합해서 사용하면 고에너지 밀 도와 높은 충전 및 방전특성을 갖고 과잉 충전이나 과잉 방전에 의한 성능저하가 작으며, 라이프사이클이 긴 양호한 성능의 2차 전지를 제조할 수 있다고 알려져 있다.In particular, a negative electrode using a negative electrode active material made of silicon oxide or lithium-containing silicate, and a composition formula of LiaMbLcO 2 (wherein M is a transition metal and L is at least one semimetal material selected from boron and silicon, a, b, c Is in a range satisfying 0 <a <1.15, 0.85 <b + c <1.3 and 0 <c) and uses a positive electrode using a positive electrode active material made of a composite oxide having a layered structure containing lithium. It is known that a secondary battery having high energy density, high charging and discharging characteristics, small performance degradation due to overcharging or overdischarging, and long life cycle can be manufactured.
저산소수 실리콘 산화물 SiOy로는 구체적으로 SiO1.5(Si2O3), SiO1.2(Si3O4), SiO 그리고 SiO0.5(Si2O)와 같은 산화물, y가 0보다 크고 2보다 작은 임의의 조성을 갖는 산화물 사용할 수 있다. 또한, SiOy는 소정의 몰비로 SiO2와 Si를 혼합한 후 비산화 분위기 또는 진공상태에서 가열하는 방법, SiO2를 H2와 같은 환원가스중에서 가열하고 소정량으로 환원시키는 방법, SiO2를 소정량의 탄소 또는 금속등과 혼합한 후 가열하여 소정량을 환원시키는 방법, Si를 산소가스 또는 산화물과 혼합하여 소정량까지 산화시키는 방법, SiH4와 같은 실리콘 화합물 가스와 O2 가스의 혼합가스를 가열반응 또는 플라스마 분해 반응시키는 CVD법, 또는 플라즈마 CVD법 등을 사용하여 형성할 수 있다.Low-oxygen silicon oxide SiOy is specifically an oxide such as SiO 1.5 (Si 2 O 3 ), SiO 1.2 (Si 3 O 4 ), SiO and SiO 0.5 (Si 2 O), with any composition of y greater than 0 and less than 2 It can be used having an oxide. In addition, SiOy is a method of mixing SiO 2 and Si at a predetermined molar ratio and then heating in a non-oxidizing atmosphere or in a vacuum state, a method of heating SiO 2 in a reducing gas such as H 2 and reducing it to a predetermined amount, and SiO 2 in a predetermined amount of carbon. Or a method of mixing with a metal or the like and heating to reduce a predetermined amount, a method of mixing Si with an oxygen gas or an oxide to oxidize to a predetermined amount, a heating reaction or plasma decomposition of a mixed gas of a silicon compound gas such as SiH 4 and O 2 gas It can form using the CVD method, plasma CVD method, etc. which make it react.
또한, 전기화학적 반응을 통해 티타늄 산화물이나 실리콘 산화물 속에 리튬이온을 결합시키는 것은 전지 조립 후, 전지내에서 실시하거나 전지 제조공정중에 전지의 내,외부에서 실시하는 것이 가능하다. 가령, 이들 산화물 각각이나 그 혼합물, 전도제, 결합제중 하나가 소정 형태로 주조되어 하나의 전극(작동전극)으로 사용되고 금속리튬 또는 리튬함유금속이 또다른 전극(대향전극)으로 사용될 수 있다. 이들 2개의 전극은 리튬이온 도전 비수용성 전해질과 접촉하면서 전기화학적 셀을 형성하게 되며, 전류는 작동 전극이 양극으로 작용하도록 흐르게 된다. 전지 내에 서 반응을 일으켜서 리튬이온이 이들 산화물 속으로 들어가 전기화학적으로 결합된다. 만들어진 작동전극은 그 상태 그대로 다른 전지 속에서 음극으로 사용하든가 혹은 가공을 통해 비수용성 전해질의 2차 전지를 구성하기 위한 음극 활물질로 사용된다. In addition, binding of lithium ions to titanium oxide or silicon oxide through an electrochemical reaction may be performed in the battery after battery assembly, or may be performed inside or outside the battery during the battery manufacturing process. For example, one of each of these oxides, or a mixture thereof, a conductive agent, or a binder, may be cast in a predetermined form to be used as one electrode (working electrode) and metal lithium or lithium-containing metal may be used as another electrode (counter electrode). These two electrodes come in contact with the lithium ion conductive non-aqueous electrolyte to form an electrochemical cell, and current flows so that the working electrode acts as an anode. Reactions occur in the cell, causing lithium ions to enter these oxides and bond electrochemically. The working electrode is used as a negative electrode in another cell as it is or as a negative electrode active material for forming a secondary battery of a non-aqueous electrolyte through processing.
한편, 방전시 양극을 이루는 전극에서 알미늄 집전체는 통상 20 마이크로 미터 두께의 메쉬로 이루어진다. 그 표면에는 코발트산 리튬, 과망간산 리튬, 니켈산 리튬 등의 리튬을 함유하는 활물질 분말, 도전성 조제, 바인더를 포함하여 이루어지는 활물질 슬러리 코팅이 이루어진다. On the other hand, the aluminum current collector in the electrode forming the anode during discharge is usually made of a mesh of 20 micrometers thick. The surface of the active material slurry is coated with an active material powder containing a lithium such as lithium cobalt acid, lithium permanganate, lithium nickelate, conductive assistant, and a binder.
활물질 슬러리 형성을 위해 바인더를 녹이는 아세톤 같은 용매가 적당량 사용되고, 코팅이 이루어진 후에는 용매는 베이크 공정 등을 통해 제거된다. An appropriate amount of a solvent such as acetone for dissolving the binder is used to form the active material slurry, and after the coating is performed, the solvent is removed through a baking process or the like.
활물질 슬러리 코팅 후에 전극판에는 롤러를 통해 압력이 가해지고, 고르게 도포된 활물질코팅의 두께는 대략 100 마이크로미터 정도가 된다. 롤러를 이용한 공정은 전극의 활물질층을 포함한 전체 표면에 본 발명의 세퍼레이터막을 일체로 형성시킨 뒤에 이루어질 수도 있다. After coating the active material slurry, pressure is applied to the electrode plate through a roller, and the thickness of the evenly applied active material coating is about 100 micrometers. The process using a roller may be performed after integrally forming the separator film of this invention on the whole surface including the active material layer of an electrode.
한편, 본 발명의 한 실시예에서, 세퍼레이터막은 전극과 별도의 부품으로 형성되지 않고, 적어도 한 전극의 활물질층이 덮인 표면에 세퍼레이터막액 혹은 세퍼레이터막의 전구체 액을 도포한 뒤 세퍼레이터막액에서 용제 성분을 제거하거나, 전구체를 큐어링하는 방법으로 형성한다. On the other hand, in one embodiment of the present invention, the separator film is not formed as a separate component from the electrode, and the separator component liquid or the precursor liquid of the separator membrane is applied to the surface covered with the active material layer of at least one electrode, and then the solvent component is removed from the separator membrane liquid. Or a precursor is cured.
이때, 세퍼레이터막 형성을 위해 먼저 바인더 물질, 용매, 필러 분말이 교반되고, 슬러리 혹은 액체 상태의 혼합물을 이룬다. 필러는 고체 전해질 입자와, 비 전해질 세라믹 물질의 분말을 혼합하여 형성한다. 고체 전해질로는 LiCl-Li2O-P2O5, LiTi2(PO4)3-AlPO4, Li3N단결정, LiI-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-B2S3, LiI-Li2S-SiS4, P2O5-SiO2-Li2O, P2O5-TiO2-Li2O, P2O5-Al2O3-Li2O, Li2S-GeS2-P2S5, La0.55Li0.35TiO3 등의 조합이 이용될 수 있다. 비전해질 즉, 이온비전도성 물질로는 알루미나(산화 알미늄), 실리카(산화 실리콘), 지르코니아(산화 지르코늄), 티타니아(산화 티타늄) 등의 세라믹 물질이 사용될 수 있다. 이온비전도성 물질은 상대적 개념이며, 고체 전해질에 비해 낮지만 일정한 이온 도전성을 가지는 것도 가능하다. At this time, in order to form a separator film, a binder material, a solvent, and a filler powder are first stirred, and a slurry or a liquid mixture is formed. The filler is formed by mixing solid electrolyte particles and powder of a non-electrolytic ceramic material. LiCl-Li 2 OP 2 O 5 , LiTi 2 (PO 4 ) 3 -AlPO 4 , Li 3 N single crystal, LiI-Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 SB 2 S 3 , LiI-Li 2 S-SiS 4 , P 2 O 5 -SiO 2 -Li 2 O, P 2 O 5 -TiO 2 -Li 2 O, P 2 O 5 -Al 2 O 3 -Li2O, Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 , La 0.55 Li 0.35 TiO 3 , or the like can be used. As the non-electrolyte, that is, the ion non-conductive material, ceramic materials such as alumina (aluminum oxide), silica (silicon oxide), zirconia (zirconium oxide), titania (titanium oxide), and the like may be used. The ion nonconductive material is a relative concept, and it is also possible to have a constant ion conductivity although lower than the solid electrolyte.
필러는 입도가 작은 분말을 소결성형한 것만으로는 전극조립체 권취시 부스러짐이 심할 수 있으므로 고체 전해질 입자와 비전해질의 세라믹 물질 분말의 혼합 분말을 바인더와 질량비 95: 5 정도로 섞고, 적당량의 용매를 첨가하여 세퍼레이터막액을 형성한다. Since the filler may be brittle when winding the electrode assembly only by sintering a small particle powder, the mixed powder of the solid electrolyte particles and the non-electrolyte ceramic material powder is mixed with a binder and a mass ratio of about 95: 5, and an appropriate amount of solvent is added. To form a separator film liquid.
혼합 분말은 고체 전해질 입자와 비전해질 세라믹 물질같은 일차 입자를 일단 형성하고, 이 상태에서 입자 표면이 부분 용융되도록 소결한 뒤 이 것을 다시 거칠게 부수어 1차 입자들 적어도 3개가 포도상으로 뭉쳐진 2차 입자를 형성하는 방법으로 만들어질 수 있다. 1차 입자의 형태가 비늘 모양의 구조를 가질 경우, 2차 입자는 적층 상의 구조를 가질 수도 있다. 1차 입자 혹은 개별 입자는 0.01 내지 0.3um 이고, 층상의 입자군을 형성하는 비늘 모양의 개별 박편은 너비가 100nm 내지 1um 인 것이 바람직하다. The mixed powder once forms primary particles such as solid electrolyte particles and non-electrolyte ceramic material, and in this state is sintered to partially melt the particle surface and then roughly crushed again to form secondary particles in which at least three primary particles are clustered together. Can be made in such a way. When the shape of the primary particles has a scaly structure, the secondary particles may have a laminated phase structure. It is preferable that the primary particle or individual particle is 0.01-0.3 micrometers, and the scale-shaped individual flake which forms a layered particle group is 100 nm-1 micrometer in width.
용매가 제거되고, 세퍼레이터가 형성된 상태에서 필러에 비해 바인더의 양이 작으므로 입자는 전체가 바인더로 코팅되기 보다는 2차 입자들이, 혹은 2차 입자와 1차 입자가 혼재된 속에서 바인더가 입자 사이에 브리지(bridge)의 형태로 존재하게 된다. 이런 구성은 바인더 물질이 이온전도성이 낮고, 바인더 물질이 필러 입자를 전체적으로 덮는 형태를 이루는 경우에 비해 높은 이온전도성을 가지게 된다. Since the amount of the binder is smaller than that of the filler in the state where the solvent is removed and the separator is formed, the particles are separated from the particles in the secondary particles or in the mixture of the secondary particles and the primary particles, rather than being coated with the binder as a whole. In the form of a bridge (bridge). This configuration has a higher ion conductivity than the case where the binder material has a low ion conductivity and the binder material covers the filler particles as a whole.
즉, 바인더가 개개의 2차 입자 표면 전체를 감싸면서 2차 입자들을 결합시킬 경우에 있어, 바인더의 이온 전도도가 작을 경우, 2차 입자 내부를 통한 이온 전도는 원활히 이루어질 수 없다. 따라서, 도3에서 예시된 바와 같이 바인더(255)의 이온전도도에 관계없이 세퍼레이터(25)의 이온전도도를 높이기 위해서, 바인더(255)는 입자(251)의 표면 일부에만 존재하여 2차 입자들을 연결하는 다리(bridge)의 형태로 이차 입자들을 결합시키는 것이 바람직하다. 이를 위해 바인더(255)는 세퍼레이터(25) 형성용 슬러리 내에 소량 사용되는 것이 바람직하다. 본 발명의 세퍼레이터막에서 필러 물질 입자(251)와 바인더(255)의 비율은 질량 기준으로 98:2 내지 85:15라면 필러가 바인더에 의해 완전히 덮이는 것을 방지할 수 있다. 즉, 바인더가 필러 물질을 덮어 필러 물질, 특히, 고체 전해질을 통한 이온 전도가 제한되는 문제를 피할 수 있다. That is, when the binder binds the secondary particles while covering the entire surface of the individual secondary particles, when the ion conductivity of the binder is small, ion conduction through the inside of the secondary particles may not be performed smoothly. Therefore, in order to increase the ion conductivity of the
세퍼레이터막을 전극면에 형성하는 방법으로, 전극면에 대해 전면 인쇄의 방법이나 스프레이 방법, 딥핑(deeping) 등이 사용될 수 있다. As a method of forming the separator film on the electrode surface, a method of front printing, a spraying method, a dipping, or the like may be used for the electrode surface.
본 발명에서, 예를 들면, 산화 지르코늄 분말과 이온전도성이 높은 황화물계 비정질인 LiI-Li2S-B2S3 을 절반씩 섞어 96w%, 메타크릴레이트(methacrylate) 재료를 주체로 한 아크릴 고무 4w%를 혼합하고, 점도가 3000cp가 되도록 용매로 희석하여 슬러리를 만든다. 전극 표면상에 인쇄 방법으로 슬러리를 코팅한다. 120도씨 분위기의 건조기에 전극을 통과시켜 용매를 제거하고, 전극 면에 세퍼레이터막을 얻을 수 있다. In the present invention, for example, a zirconium oxide powder and a high ion conductivity sulfide-based amorphous LiI-Li 2 SB 2 S 3 are mixed in half, 96w%, and acrylic rubber 4w% mainly composed of methacrylate material. Were mixed and diluted with a solvent so that the viscosity was 3000 cps to form a slurry. The slurry is coated on the electrode surface by a printing method. The solvent is removed by passing the electrode through a dryer at 120 ° C., and a separator film can be obtained on the electrode surface.
두 가지 이상의 입자가 존재할 경우, 한 가지 입자의 소결 온도가 낮으면 2치 입자 내에서 소결 온도가 낮은 물질의 입자들이 마치 바인더와 같은 역할을 하므로 전체 소결 성형의 공정 온도를 낮출 수 있다. When two or more particles are present, when the sintering temperature of one particle is low, the particles of the material having the low sintering temperature in the binary particles act as a binder, thereby lowering the process temperature of the entire sintering molding.
이상에서 언급된 과정을 통해 형성된 세퍼레이터막에서 이차 입자들 사이의 공극, 2차 입자 내에서의 1차 입자들 사이의 공극에는 전해액이 채워지고, 전해액을 통해 리튬 이온은 두 전극 사이를 오갈 수 있다. 또한, 고체 전해질 자체를 통해서도 리튬 이온은 두 전극 사이를 오갈 수 있다. 이온들은 공극을 채우는 전해액과 필러 내의 고체 전해질을 통해 전지 전체의 이온전도도는 상승적으로 높아질 수 있다. In the separator film formed through the above-mentioned process, the gap between the secondary particles and the gap between the primary particles in the secondary particles may be filled with an electrolyte, and lithium ions may move between the two electrodes through the electrolyte. . In addition, lithium ions can also move between the two electrodes through the solid electrolyte itself. The ions can be synergistically increased throughout the cell through the electrolyte filling the voids and the solid electrolyte in the filler.
한편, 실시예에 따라서는 액체 전해질이 전혀 사용되지 않을 수 있다. 세퍼레이터막 내에서 고체 전해질 입자가 맞닿는 부분으로 이온전도가 이루어질 수 있으며, 이런 이온전도 패스(path)는 매우 다중적으로 형성될 수 있으며, 이온 패스 중간에 바인더 물질이나, 비이온전도성 입자가 개재될 경우에도, 다른 패스를 통해 전지 내에서 이온 전달이 이루어질 수 있다. 그러나, 겔형과 같이 전해액이 세퍼레이터막 속이 다공에 조금이라도 함침된 상태를 이룰 경우, 이온전도의 패스가 보다 다양해질 수 있고, 전해액 내에서의 이온전도가 고체전해질을 통한 이온전도보다 높기 때문에 이온전도성이 훨씬 높아질 수 있다. In some embodiments, a liquid electrolyte may not be used at all. In the separator membrane, ion conduction may be performed at a portion where the solid electrolyte particles come into contact with each other. Such ion conduction paths may be formed in a plurality of manners, and a binder material or a nonionic conducting particle may be interposed in the middle of the ion path. Even in this case, ion transfer may occur within the cell through other passes. However, when the electrolyte forms a state in which the separator film is impregnated even in the pores even in the form of a gel, the path of ion conductance may be more diversified, and the ion conductivity in the electrolyte is higher than the ion conduction through the solid electrolyte. This can be much higher.
액체 전해질을 사용하는 경우, 세퍼레이터막은 공극율이 높은 것이 바람직하다. 공극율 50% 이상을 얻기 위해서는, 바인더의 비율이 20% 이하로 되는 것이 바람직하고, 또한, 바인더 자체가 팽창하지 않는 것이 중요하다. 특히, 전해액에 의한 팽창 혹은 팽윤성이 낮은 것이 중요하다. 이들 조건을 만족시키는 바인더로서 다른 물질에 대한 결착력이 우수하고, 팽창율이 낮은 아크릴 고무계 바인더가 있다. When using a liquid electrolyte, it is preferable that a separator film has high porosity. In order to obtain a porosity of 50% or more, it is preferable that the proportion of the binder is 20% or less, and it is important that the binder itself does not expand. In particular, it is important that the expansion or swellability by the electrolyte is low. As a binder that satisfies these conditions, there is an acrylic rubber binder having excellent binding ability to other materials and low expansion ratio.
한편, 바인더의 양을 줄이기 위해 바인더를 고르게 분산시킬 필요가 있다. 이런 작업은 난이도가 높은 것이므로 종래에는 공공율이 높은 안정된 막을 얻기 어려웠다. 그러나, 본 실시예와 같이 일부 소결한 고체 전해질 포함 세라믹 재료를 필러로 이용하고, 아크릴 고무계 바인더를 사용할 경우, 바인더의 분산이 용이하여 소량의 바인더로 큰 공공율을 가진 막을 얻을 수 있다. On the other hand, it is necessary to disperse the binder evenly in order to reduce the amount of the binder. Since this work is of high difficulty, it is difficult to obtain a stable film having a high porosity in the past. However, when a partially sintered solid electrolyte-containing ceramic material as the filler is used as the filler, and an acrylic rubber binder is used, the binder can be easily dispersed and a film having a large porosity can be obtained with a small amount of binder.
세퍼레이터막이 두 전극 가운데 적어도 하나의 표면에 형성된 상태로 두 전극은 적층되어 권취된다. 전극 표면의 세퍼레이터막 자체가 전극과 일체로 형성되어 세퍼레이터의 역할을 하므로 별도의 세퍼레이터막을 전극 사이에 개재시키는 것은 필요하지 않게 된다. 단, 종래 세퍼레이터의 셧 다운 기능을 위해 본 발명의 세퍼레이터막 외에 별도의 폴리올레핀계 수지로 이루어진 절연막이 존재할 수 있다. 이런 경우, 본 발명의 세퍼레이터막과 이들 폴리올레핀계 수지 절연막이 함께 이차 전지 내에서 세퍼레이터로 작용하게 된다. 이 경우, 폴리올레핀계 수지 절연막이 이온전도성을 종래의 세퍼레이터 수준으로 낮추는 것을 방지하기 위해 폴리올레핀 계 수지 절연막은 종래의 것에 비해 절반 두께로 얇게 형성시킨다. The two electrodes are stacked and wound in a state where the separator film is formed on at least one surface of the two electrodes. Since the separator film itself on the surface of the electrode is formed integrally with the electrode to serve as a separator, it is not necessary to interpose a separate separator film between the electrodes. However, for the shutdown function of the conventional separator, an insulating film made of a polyolefin resin other than the separator film of the present invention may exist. In such a case, the separator film of the present invention and these polyolefin resin insulating films together act as separators in the secondary battery. In this case, in order to prevent the polyolefin resin insulating film from lowering the ion conductivity to the level of a conventional separator, the polyolefin resin insulating film is formed to be thinner than half of the conventional one.
본 발명 실시예에서와 같이 전극 표면에 세퍼레이터막을 전극과 일체로 형성시킴으로써 세퍼레이터를 형성하는 방법은 전극과 별도의 세퍼레이터를 형성하는 통상의 방법에 비해 몇 가지 유리한 점을 가진다. As in the embodiment of the present invention, the method of forming a separator by forming a separator film integrally with the electrode has several advantages over the conventional method of forming a separator separate from the electrode.
즉, 종래와 같이 세퍼레이터가 별도로 형성될 경우, 두 전극과 세퍼레이터를 적층하거나 적층 후 와형으로 권취하여 전극 조립체를 형성할 때 세퍼레이터의 정렬이 어긋나서 두 전극 사이에 단락이 이루어지는 문제가 발생될 수 있다. 그러나, 세퍼레이터가 전극 표면을 커버하도록 전극과 함께 형성되면 세퍼레이터를 전극 사이에 끼워 정렬할 필요가 없어지고, 정렬 불량에 따른 문제도 없어진다. That is, when the separator is formed separately as in the related art, when the two electrodes and the separator are laminated or wound up after lamination to form an electrode assembly, the separator may be misaligned and a short circuit may occur between the two electrodes. . However, when the separator is formed with the electrode to cover the electrode surface, there is no need to sandwich the separator between the electrodes, and the problem due to misalignment is also eliminated.
그리고, 세퍼레이터가 전극과 별도로 형성된 경우는 전지가 과열될 때 전지 내의 세퍼레이터가 수축 작용을 일으키고, 이에 따라 전극 사이의 단락을 일으킬 수 있다. 그러나, 세퍼레이터가 일단 전극과 결착되어 형성되면 전지가 과열되어도 그 결착력에 의해 세퍼레이터가 열을 받아 수축되거나, 단락을 일으키는 확률을 낮출 수 있다. 또한, 별개의 세퍼레이터로 형성하는 경우에 비해 전극에 결착된 세퍼레이터는 전지 생산 공정 중 세퍼레이터가 찢어지는 등의 손상을 입을 확율을 낮출 수 있다. In the case where the separator is formed separately from the electrode, the separator in the battery may cause a contraction action when the battery is overheated, thereby causing a short circuit between the electrodes. However, once the separator is formed by binding to the electrode, even if the battery is overheated, the binding force can reduce the probability that the separator receives heat and contracts or causes a short circuit. In addition, compared to the case of forming a separate separator, the separator bound to the electrode can lower the probability of damage such as tearing of the separator during the battery production process.
본 발명에서 세퍼레이터막의 필러는 고체전해질이 비정질이건 결정질이건 일종의 세라믹 재료로 열에 강한 특성을 가진다고 할 때, 알루미나, 이산화 지르코늄, 실리카 등과 사용되거나, 단독으로 사용되면서 국부적으로 300도씨 정도의 고온에도 수축 변형이나 용융 같은 전극간 단락을 유발하는 변형을 방지하는 역할을 한다. 또한, 이들 재료는 전체적으로 세퍼레이터막의 보존 유지성을 향상시키고, 일부 소결된 방상 구조는 공공율을 높일 수 있다는 장점이 있다. In the present invention, when the filler of the separator film is a ceramic material, whether the solid electrolyte is amorphous or crystalline, it is a kind of ceramic material, which is used in alumina, zirconium dioxide, silica, etc. It plays a role in preventing deformation causing short-circuit between electrodes such as deformation and melting. In addition, these materials have the advantage of improving the preservation and retention of the separator film as a whole, and the partially sintered stave structure can increase the porosity.
이후 전극 조립체는 캔 형 용기 등에 삽입되고, 캡 어셈블리로 밀봉된다. 통상 전해액은 캡 어셈블리의 전해액 주입구로 주입되고, 주입 후 주입구는 밀봉된다. 이때, 본 발명의 전극 조립체의 세퍼레이터막은 공공율이 높아 통상의 폴리올레핀계 재질의 세퍼레이터에 비해 전해액 주입 속도를 2배 이상 높일 수 있다. The electrode assembly is then inserted into a canned container or the like and sealed with a cap assembly. Typically the electrolyte is injected into the electrolyte inlet of the cap assembly, after which the inlet is sealed. At this time, the separator membrane of the electrode assembly of the present invention has a high porosity and can increase the electrolyte injection rate by two or more times as compared to a separator made of a conventional polyolefin-based material.
한편, 본 발명에서 포도송이 모양(방상)의 2차 소결체 입자를 형성하는 방법에 대해 좀 더 설명하면, 소결체를 만드는 방법은, 화학물질을 이용하여 녹이고 재결정화 시키는 등의 다양한 화학적인 방법, 외부 압력을 인가하는 등의 물리적 방법 등을 들 수 있다. 그 가운데 용이한 방법의 하나로는 입자 재질의 용융 온도 부근까지 가열을 통해 재질의 온도를 상승시키고, 넥킹(necking)시키는 방법을 들 수 있다. 일부 용융 상태의 용융률은 이후 바인더, 용매 등과 함께 페이스트(paste)를 만들 때의 재료 교반 과정에서 본 발명의 특징적 형상이 부수어지지 않고 유지되도록 하며, 밀도가 낮도록 결정되는 것이 바람직하다. Meanwhile, in the present invention, the method of forming the grape stalk-shaped secondary sintered compact particles will be described in more detail. The method of making the sintered compact includes various chemical methods such as melting and recrystallization using chemicals, And physical methods such as applying pressure. One of the easy methods is a method of raising the temperature of the material by heating to near the melting temperature of the particle material and necking. The melt rate in some molten state is then determined to be low in density, so that the characteristic shape of the present invention remains unbroken during the material stirring process when making a paste with a binder, a solvent, and the like.
필러로 지르코늄 산화물을 이용할 때 본 발명의 방상의 입자군 혹은 2차 입자를 이루는 개별 입자는 0.01 내지 0.3um 이고, 층상의 입자군을 형성하는 비늘 모양의 개별 박편은 너비가 100nm 내지 1um 인 것이 바람직하다. 이러한 입자 크기는 양호한 특성을 내는 재료를 형성한 뒤 주사전자 현미경(SEM) 사진을 관찰하여 확인할 수 있다.When using zirconium oxide as a filler, the individual particle which forms the particle group or secondary particle of this invention is 0.01-0.3um, and the scale-shaped individual flake which forms a layered particle group is 100-100 nm in width preferably. Do. This particle size can be confirmed by observing a scanning electron microscope (SEM) photograph after forming a material having good properties.
본 발명에서 세퍼레이터층을 구성하는 세라믹 재료는 200도씨 온도에서 열팽 창율이 0.2% 이내, 400도씨 온도에서 열팽창율이 0.1 내지 0.4%인 것이 바람직하다. 이러한 열팽창율보다 높은 열팽창율을 가진 세라믹 재료는 전지 내부의 압력 증가로 인해 전지 자체의 형상을 변형시키는 문제가 있다. In the present invention, the ceramic material constituting the separator layer preferably has a thermal expansion rate of 0.2% or less at 200 ° C and a thermal expansion rate of 0.1 to 0.4% at 400 ° C. Ceramic materials having a thermal expansion rate higher than the thermal expansion rate have a problem of deforming the shape of the battery itself due to an increase in pressure inside the battery.
입자들이 일부 소결된 상태의 재료를 사용하면 덩어리진 입자들 서로가 불규칙하게 존재하여 결정에서와 같이 규칙적으로 공간을 채우기 어렵게 한다. 즉, 세퍼레이터를 이루는 공간상에 이들 세라믹 재료로 이루어진 충진재(Filler)가 밀도있게 채워지기 어렵게 한다. 또한, 수지의 비율을 낮추는 것에 의해 입자들 사이의 공간에 수지가 채워지는 것을 방지할 수 있다. 이런 방법으로 세퍼레이터의 공공율을 높일 수 있다. 본 발명의 세라믹 물질의 열전도도는 500도씨 이상 1000도씨 이하의 넓은 온도 범위에서 10W/(m×K) 정도가 되는 것이 바람직하다.The use of a material in which the particles are in some sintered state causes the agglomerated particles to be irregularly present in one another, making it difficult to fill the space regularly as in crystals. In other words, it is difficult for the filler made of these ceramic materials to be densely packed in the space constituting the separator. In addition, it is possible to prevent the resin from filling in the spaces between the particles by lowering the proportion of the resin. In this way, the public rate of the separator can be increased. The thermal conductivity of the ceramic material of the present invention is preferably about 10 W / (m × K) in a wide temperature range of 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
본 발명에서 바인더는 주로 고분자 수지로 이루어지며, 고분자 수지로는 200도씨 이상의 열에도 견딜 수 있는 아크릴레이트나 메타아크릴레이트의 중합체 또는 이들의 공중합체로 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, the binder is mainly composed of a polymer resin, and the polymer resin is preferably made of a polymer of acrylate or methacrylate or a copolymer thereof that can withstand heat of 200 ° C. or higher.
본 발명에 따르면 세라믹 세퍼레이터를 사용하여 전지 이상으로 인한 고온 발생시에도 두 전극 사이의 단락을 효과적으로 방지하여 전지의 안전성을 높일 수 있다. According to the present invention, even when a high temperature is generated due to a battery failure by using a ceramic separator, it is possible to effectively prevent a short circuit between two electrodes to increase the safety of the battery.
본 발명에 따른 2차전지는 양극 활성물질로서 실리콘 및/또는 보론 층상구조 의 복합체 산화물 LiaMb LcO2와 음극 활물질로 티타늄 산화물, 티탄산 리튬 가운데 적어도 하나를 사용하고, 실리콘 산화물, 규산 리튬 등을 선택적으로 사용할 경우, 약 4V의 고전압 동작이 가능하다. 또한, 에너지밀도가 더욱 높고, 음극 활물질이 기존의 탄소 재료에 비해 리튬 출입시 구조 변형, 부반응 발생을 줄일 수 있어 충전 및 방전특성이 우수하고 과도한 충전 및 방전으로 인한 악화가 적으며 사이클 수명이 길다.The secondary battery according to the present invention uses a composite oxide LiaMb LcO 2 having a layer structure of silicon and / or boron as a positive electrode active material and at least one of titanium oxide and lithium titanate as a negative electrode active material, and selectively uses silicon oxide, lithium silicate, or the like. In this case, a high voltage operation of about 4V is possible. In addition, the energy density is higher, and the negative electrode active material can reduce structural deformation and side reactions when entering and exiting lithium, compared to conventional carbon materials, and thus has excellent charge and discharge characteristics, less deterioration due to excessive charge and discharge, and long cycle life. .
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