출원번호 | |
출원일자 | 2021년06월28일 |
출원인 | 삼성에스디아이 주식회사 |
공개번호(일자) | |
발명의 명칭 | 양극재, 이를 포함하는 양극, 및 상기 양극을 포함하는 리튬 전지 |
리튬 이온 전지의 고에너지 밀도 및 장수명의 특성을 개발하기 위해서는 전극층에 사용되는 양극 활물질 및 음극 활물질에 사용되는 최적의 재료 탐색 등이 활용될 수 있다. 이러한 최적의 물질은 활물질과 집전체 간의 좋은 접촉, 산화에 대한 높은 저항성, 전지의 반복되는 충방전 또는 양극 제작 과정 중의 압연 공정으로 인한 스트레스로 생길 수 있는 미세균열에 대한 저항성을 필요로 한다.
도 1 삼성에스디아이 리튬 이온 배터리
삼성에스디아이는 본 발명을 통하여 최적의 설계된 양극 활물질을 제시하여 전지 용량을 증대시키고 저항을 감소시켜 고에너지 밀도 및 장수명의 특성을 갖는 리튬 이온 전지를 개발하고자 한다. 해당 양극 활물질은 기존의 리튬니켈 산화물, 리튬코발트 산화물 등의 도핑된 리튬니켈 산화물에 평균 입경 18nm 내지 28nm의 약 30개의 1차 입자로 이루어진 2차 입자의 탄소재를 중량 대비 1중량% 내지 15중량% 혼합하여 제작된다. 탄소재는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 에어로젤(aerogel), 및 덴카 블랙으로부터 선택된 1종 이상과 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 금속 분말, 및 금속 섬 유로부터 선택된 1종 이상의 첨가제로 구성된다.
도 2a는 일 구현예에 따른 양극재를 나타낸 모식도이다. 도 2b는 비교예 1에 따른 양극재를 나타낸 모식도이다. 구현예에 따른 양극재를 구성하는 탄소재는 비교예에 비해 사슬길이가 짧아 양극 활물질 및 탄소재의 분산도를 증가시켜 전자의 이동통로(pathway) 거리가 줄어들어 이를 포함하는 양극재의 전자 전도성이 증가될 수 있으며, 나아가 에너지 밀도 및 수명 특성을 개선하게 된다.
도 2a, b 구현예 및 비교예 1에 따른 양극재를 나타낸 모식도
각 실시예 및 비교예 제조과정은 다음과 같다. 실시예 1의 양극은 LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2 양극 활물질 92중량%, 평균 입경이 약 23nm인 약 20개의 1차 입자가 서로 연결된 평균 사슬을 갖는 2차 입자의 탄소재 3중량% 및 바인더 등의 혼합 슬러리와 알루미늄 호일 집전체로 구성하였으며, 비교예 1은 같은 양극 활물질 및 바인더, 집전체에 탄소재로 평균 입경이 약 31nm인 약 50개의 1차 입자가 서로 연결된 평균 사슬을 갖는 2차 입자를 사용하였다.
먼저 실시예 1 및 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 대해 주사전자현미경(SEM) 관측 결과는 도 3과 같다. 실시예 1에 따른 양극 표면의 양극재가 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 비 해 양극 활물질 코어상의 탄소재가 고르고 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 3 양극 표면의 양극재에 대해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 수백 nm 크기까지의 해상도 로 관찰한 사진
실시예 1 및 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 대해 전단속도에 따른 점도 변화 특성을 분석한 결과는 도 4와 같다. 실시예 1에 따른 양극 표면의 양극재의 전단속도에 따른 점도 변화가 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재의 전단속도에 따른 점도 변화에 비해 매우 안정적인 거동을 보임을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 포함된 양극 활물질 코어 상의 탄소재가 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 포함된 양극 활물질 코어 상의 탄소재에 비해 상대적으로 짧은 시간 내에 분산될 수 있어 상기 양극재는 안정적인 상태의 점도를 가질 수 있음을 알 수 있다.
도 4 실시예 1 및 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 대해 전단속도에 따른 점도 변화 특성
해당 실시예 1 및 비교예 1의 양극으로부터 그래파이트 음극, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 및 에틸메틸 카보네이트(EC/DEC/EMC = 1:1:1 부피비) 에 1.15 M 의 LiPF6 리튬염이 용해된 전해질로 구성된 실시예 3 및 비교예 3 리튬 이온 전지의 수명 특성 평가는 표 1과 같다. 1C의 속도로 4.12 V까지 충전한 다음 1C의 속도로 2.7 V에 도달할 때까지 방전을 실시하였다. 1회 사이클에서의 방전용량 대비 400회 사이클에서의 방전용량으로 계산한 용량유지율은 실시예 3이 80%, 비교예 3이 70%로 실시예 3의 용량유지율이 개선됨을 확인할 수 있다.
표 1 실시예 3 및 비교예 3의 수명 특성 평가
각 배터리 산업에서 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 이차전지 개발이 한창이지만 아직까지 배터리 이차전지의 대부분은 리튬 이온 배터리로 구성된다. 높아져 가는 이차전지의 수요에 따라 배터리 재활용 등의 기술 또한 개발되는 만큼 고효율, 장수명의 리튬 이온 배터리의 개발이 계속해서 활발할 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670
리튬 이온 전지의 고에너지 밀도 및 장수명의 특성을 개발하기 위해서는 전극층에 사용되는 양극 활물질 및 음극 활물질에 사용되는 최적의 재료 탐색 등이 활용될 수 있다. 이러한 최적의 물질은 활물질과 집전체 간의 좋은 접촉, 산화에 대한 높은 저항성, 전지의 반복되는 충방전 또는 양극 제작 과정 중의 압연 공정으로 인한 스트레스로 생길 수 있는 미세균열에 대한 저항성을 필요로 한다.
도 1 삼성에스디아이 리튬 이온 배터리
삼성에스디아이는 본 발명을 통하여 최적의 설계된 양극 활물질을 제시하여 전지 용량을 증대시키고 저항을 감소시켜 고에너지 밀도 및 장수명의 특성을 갖는 리튬 이온 전지를 개발하고자 한다. 해당 양극 활물질은 기존의 리튬니켈 산화물, 리튬코발트 산화물 등의 도핑된 리튬니켈 산화물에 평균 입경 18nm 내지 28nm의 약 30개의 1차 입자로 이루어진 2차 입자의 탄소재를 중량 대비 1중량% 내지 15중량% 혼합하여 제작된다. 탄소재는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 에어로젤(aerogel), 및 덴카 블랙으로부터 선택된 1종 이상과 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 금속 분말, 및 금속 섬 유로부터 선택된 1종 이상의 첨가제로 구성된다.
도 2a는 일 구현예에 따른 양극재를 나타낸 모식도이다. 도 2b는 비교예 1에 따른 양극재를 나타낸 모식도이다. 구현예에 따른 양극재를 구성하는 탄소재는 비교예에 비해 사슬길이가 짧아 양극 활물질 및 탄소재의 분산도를 증가시켜 전자의 이동통로(pathway) 거리가 줄어들어 이를 포함하는 양극재의 전자 전도성이 증가될 수 있으며, 나아가 에너지 밀도 및 수명 특성을 개선하게 된다.
도 2a, b 구현예 및 비교예 1에 따른 양극재를 나타낸 모식도
각 실시예 및 비교예 제조과정은 다음과 같다. 실시예 1의 양극은 LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2 양극 활물질 92중량%, 평균 입경이 약 23nm인 약 20개의 1차 입자가 서로 연결된 평균 사슬을 갖는 2차 입자의 탄소재 3중량% 및 바인더 등의 혼합 슬러리와 알루미늄 호일 집전체로 구성하였으며, 비교예 1은 같은 양극 활물질 및 바인더, 집전체에 탄소재로 평균 입경이 약 31nm인 약 50개의 1차 입자가 서로 연결된 평균 사슬을 갖는 2차 입자를 사용하였다.
먼저 실시예 1 및 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 대해 주사전자현미경(SEM) 관측 결과는 도 3과 같다. 실시예 1에 따른 양극 표면의 양극재가 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 비 해 양극 활물질 코어상의 탄소재가 고르고 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 3 양극 표면의 양극재에 대해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 수백 nm 크기까지의 해상도 로 관찰한 사진
실시예 1 및 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 대해 전단속도에 따른 점도 변화 특성을 분석한 결과는 도 4와 같다. 실시예 1에 따른 양극 표면의 양극재의 전단속도에 따른 점도 변화가 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재의 전단속도에 따른 점도 변화에 비해 매우 안정적인 거동을 보임을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 포함된 양극 활물질 코어 상의 탄소재가 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 포함된 양극 활물질 코어 상의 탄소재에 비해 상대적으로 짧은 시간 내에 분산될 수 있어 상기 양극재는 안정적인 상태의 점도를 가질 수 있음을 알 수 있다.
도 4 실시예 1 및 비교예 1에 따른 양극 표면의 양극재에 대해 전단속도에 따른 점도 변화 특성
해당 실시예 1 및 비교예 1의 양극으로부터 그래파이트 음극, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 및 에틸메틸 카보네이트(EC/DEC/EMC = 1:1:1 부피비) 에 1.15 M 의 LiPF6 리튬염이 용해된 전해질로 구성된 실시예 3 및 비교예 3 리튬 이온 전지의 수명 특성 평가는 표 1과 같다. 1C의 속도로 4.12 V까지 충전한 다음 1C의 속도로 2.7 V에 도달할 때까지 방전을 실시하였다. 1회 사이클에서의 방전용량 대비 400회 사이클에서의 방전용량으로 계산한 용량유지율은 실시예 3이 80%, 비교예 3이 70%로 실시예 3의 용량유지율이 개선됨을 확인할 수 있다.
표 1 실시예 3 및 비교예 3의 수명 특성 평가
각 배터리 산업에서 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 이차전지 개발이 한창이지만 아직까지 배터리 이차전지의 대부분은 리튬 이온 배터리로 구성된다. 높아져 가는 이차전지의 수요에 따라 배터리 재활용 등의 기술 또한 개발되는 만큼 고효율, 장수명의 리튬 이온 배터리의 개발이 계속해서 활발할 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670