KR100705738B1 - 전해질이 분할된 리튬 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 전해질이 형성된 리튬 전지를 개시한다.

본 발명의 리튬 전지는 양극과 음극 사이에 형성된 전해질이 서로 접촉되지 않도록 복수의 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하며, 그 분할 방법으로 격벽, 전해질 파이프 또는 전해질로 채워진 다공성 필름 등이 사용된다. 이처럼, 리튬 금속 전지의 전해질을 미세 세그먼트들로 분할하여 사용함으로써, 탄소 재질의 음극재를 사용하지 않아도 되므로 덴드라이트의 성장을 크게 억제시키면서도 에너지 밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 리튬 전지는 전해질 재료로서 고체 폴리머가 아닌 액체 전해액을 사용하는 경우에도 누수의 위험을 줄일 수 있어 좀 더 다양한 선택의 기회를 제공해주며, 전지가 압축을 받는 경우에도 각 리튬 전지 셀이 그 힘을 분산시킴과 동시에 격벽에 의해 지지되기 때문에 안정성이 더 높아지는 효과가 있다.

Description

전해질이 분할된 리튬 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY HAVING DIVIDED ELECTROLYTE}

도 1은 종래 일반적인 리튬 금속 전지의 구조를 나타내는 구성도.

도 2는 종래 리튬 금속 전지에 덴드라이트가 생성된 모습을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 리튬 금속 전지의 구성을 나타내는 사시도.

도 4는 도 3에서 A-A'로 절단한 단면의 구성을 나타내는 단면도.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 리튬 금속 전지의 구성을 나타내는 분해 사시도.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 리튬 금속 전지의 구성을 나타내는 분해 사시도.

도 7은 본 발명에서 격벽의 길이가 금속전극까지 연장된 모습을 보여주는 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 격벽 20 : 비전해질로 코팅된 전해질 파이프

30 : 다공성 필름

본 발명은 리튬 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 전지의 전극 사이에 형성되는 전해질을 다수의 영역으로 분할하여 격리수용함으로써 에너지 밀도가 높으며, 덴드라이트(dendrite)의 성장으로 인한 안정성 저하를 방지하고, 사이클 특성을 개선시킬 수 있는 전해질이 분할된 리튬 2차 전지에 관한 것입니다.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 특히, 소형 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 등의 휴대용 전자 통신 기기, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 그 적용 분야가 확대되면서 에너지 저장 기술에 대한 연구와 개발의 노력이 점점 구체화되고 있다.

전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이며, 그 중에서도 충방전이 가능한 2차 전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 또한, 전자 기기의 소형화 및 경량화가 향상됨에 따라, 전원으로 사용되는 전지에 대하여도 소형 경량화가 크게 요구되고 있으며, 최근에는 전지의 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

도 1은 종래 일반적인 리튬 금속 전지의 구조를 나타내는 구성도이다.

도 1과 같은 종래의 일반적인 리튬 금속 전지는, 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 고분자 전해질(3)을 이용하여 양극(1)과 음극(2)을 분리시킴으로써 두 전극(1, 2)의 단락을 방지함과 동시에, 기전반응을 원활하게 수행하기 위해 양극(1) 과 음극(2) 사이에 분리막(4)이 형성되어 있다.

이러한 구조의 리튬 금속 전지는 그 에너지 밀도가 대략 3800mAh/g 정도로 높은 편이지만, 반복되는 충전 중에 도 2와 같은 덴드라이트(6) 석출 및 전해질과의 반응성 문제로 안전성에 문제가 발생되고 있다. 예컨대, 과충전시 기하학적으로 음극(2)의 결정구조상 빈 공간에 리튬이 가득 차 있는 상태에서 리튬 이온이 계속 양극에서 음극으로 이동하게 되고, 이로 인해 리튬 이온이 도 2에서와 같이 음극(2)의 표면에서 성장하여 수지상 구조인 덴드라이트(6)를 생성하게 된다. 이러한 덴드라이트(6)는 지속적으로 성장하여 분리막(4)을 뚫고서 양극(1)에 접촉할 위험이 있으며, 이러한 경우 전지는 한꺼번에 많은 에너지를 폭발적으로 방출하며 화재를 일으킬 가능성이 있게 된다. 더욱이 이러한 현상은 리튬 금속 전지의 에너지 밀도가 증가할수록 중요한 문제가 된다.

이러한 덴드라이트의 문제를 해결하기 위해, 최근에는 음극(2)으로 금속 리튬이나 그 합금을 이용하지 않고, 대신에 리튬 이온의 흡착-방출 과정을 이용한 탄소재료 및 도전성 고분자 등의 매트릭스 재료가 개발되었다.

그러나, 음극으로 탄소 물질을 이용한 리튬 2차 전지는, 직접 리튬 금속을 음극으로 이용하지 않기 때문에, 활성 리튬과 전해액과의 반응을 동반하지 않으며, 또한 덴드라이트 형상으로 발달한 석출 리튬에 의한 단락을 방지할 수 있으나, 탄소층 간에 리튬 이온을 도프하기 때문에 탄소량만큼 그램당 용량이 감소한다. 즉, 음극으로서 탄소 물질을 이용하는 경우 안전성은 강화할 수 있으나, 이론적인 에너지 밀도는 대략 370mAh/g 정도로서 리튬 금속을 사용하는 경우보다 현저하게 떨어 지는 문제가 있다.

또한, 최근에는 유기 전해액을 전해질로 사용하는 경우, 부품 외부로 전해액이 누출되는 것을 방지하고자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지도 개발되어 사용되고 있는데, 이러한 폴리머 전지의 경우에도 에너지 밀도를 증가시키면서 덴드라이트를 문제를 함께 해결할 수 있는 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 리튬 금속 전지의 구조를 개선하여 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제하면서도 충방전 용량이 증가되도록 하는데 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전해질이 분할된 리튬 2차 전지는 전해질이 다수의 영역으로 독립적으로 분할되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전해질이 분할된 리튬 2차 전지를 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 3에서 A-A'를 따라 절단한 모습을 보여주는 단면도이다. 설명의 편의를 위해 도 1 및 도 2에서와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.

도 3의 리튬 2차 전지는 양극(1)과 음극(2) 사이에 서로 독립적으로 다수의 영역으로 병렬되게 분할된 전해질(3)을 구비한다. 즉, 도 3의 리튬 2차 전지는 전 해질(3)이 격벽들(10)에 의해 종횡으로 매트릭스 형태로 구획 분할된다.

이러한, 격벽들(10)을 구성하는 재질로는 폴리머, 세라믹, 산화물 등으로 형성될 수 있으나, 리튬 이온이 통과하지 못하게 하는 재질이라면 어떠한 재질을 사용하여도 상관없다.

그리고, 각 격벽들(10) 사이의 간격은 리튬 2차 전지의 전극(1, 2) 사이의 간격에 따라 결정된다. 즉, 격벽들(10) 사이의 간격은 작을수록 유리하지만, 통상적으로 양극(1)과 음극(2) 사이 간격의 5분의 1 보다 작도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 통상적인 리튬 폴리머 계열 전지의 양극(1)과 음극(2) 사이의 간극이 1mm 라면, 격벽들(10) 사이의 간격은 0.2 mm 이하로 되는 것이 바람직하며, 최대 전극(1, 2) 사이의 간격과 동일한 1 mm 까지도 가능하다. 물론, 격벽들(10) 사이의 간격을 전극들(1, 2) 사이의 간격보다 넓게 형성할 수 있음은 당연하다.

이러한 격벽(10)을 제작하는 방법으로는 CVD나 에칭과 같은 반도체 제조 공정을 응용할 수 있으며, 또는 원하는 특정 부분 즉 격벽을 설치하고자 하는 부분에만 사진 인화기법을 이용하여 물성 변화시킴으로써 격벽(10)을 형성할 수 있다.

이처럼, 본 발명의 리튬 2차 전지는 격벽들(10)에 의해 전해질(3)이 서로 연결되지 않고 독립적으로 여러 영역으로 분할됨으로써, 하나의 리튬 2차 전지는 실제로는 도 3에서 점선원 안에 도시된 것과 같은 다수의 사각 기둥 형상으로 분할된 전해질(3)들이 양극(1)과 음극(2)을 공유하며 전기적으로 병렬 연결된 구조를 갖게 된다. 물론, 이때 분할된 각 전해질의 형상이 도 3과 같이 사각 기둥 형상으로 한정되는 것은 아니다.

덴드라이트의 형성 원인은 여러가지가 있지만 기본적으로 리튬이 이동할 경우 처음 출발한 위치와 다른 위치로 도달한다는데 있다. 이러한 관점으로 볼 때, 도 3에서와 같이 전해질(3)이 격벽(10)에 의해 독립적으로 분할되게 되면, 리튬 이온은 격벽(10)을 통과할 수 없으므로 리튬 이온의 이동 경로는 각 분할된 작은 전해질 영역 내로 제한된다. 이에 따라, 리튬 이온은 처음 출발 위치를 크게 벗어나지 못하게 되어 덴드라이트 성장이 억제된다.

즉, 도 4에서와 같이, 각 리튬 전지 셀의 음극(2)에서 덴드라이트(6)가 성장된다 하더라도 그 성장이 크게 억제되기 때문에, 덴드라이트(6)의 성장에 의한 양극(1)과 음극(2)의 쇼트를 방지할 수 있게 된다.

동시에, 본 발명의 리튬 2차 전지는 전해질(3)을 여러 영역으로 분할하는 것이므로, 종래와 같이 음극(2)을 탄소 재질로 형성하지 않아도 되기 때문에 탄소 재질의 음극재를 사용함으로써 발생되는 에너지 밀도 감소 문제도 해결할 수 있다.

그리고, 본 발명은 전해질로서 유기 전해액이나 폴리머 전해질을 모두 사용할 수 있다. 이때, 전해질(3)로 액체 전해액이 사용되는 경우라도 전해질(3)이 미세 격벽으로 나뉘어짐에 따라 모세관 현상과 표면 장력으로 인해 전해질(3)이 격벽(10)에 붙어있게 됨으로써 누수의 위험도 줄어들게 된다.

또한, 도 4에서는 격벽(10)이 전해질 만을 분할하도록 형성되어 있으나, 도 7에서와 같이 격벽(10)이 전해질을 분할할 뿐만 아니라 전극(1, 2)의 일정 깊이까지 침투되도록 연장되게 설치할 수도 있다. 이로써, 보다 확실한 분할이 가능하다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 리튬 금속 전지의 구성을 나타내는 분해 사시도이다.

도 5의 실시예에서는, 양극(1)과 음극(2) 사이에 비전해질(30)로 코팅된 다수의 미세 전해질 파이프들(20)을 다발(bundle) 형상으로 형성한다. 즉, 도 5는 전해질(3)을 분할하는 방법으로서, 도 3에서와 같이 별도의 격벽들(10)을 형성하지 않고, 전해질(3)을 파이프 형태로 다수개 구비한 후 이 전해질 파이프(20)들을 하나의 묶음으로 하여 양극(1)과 음극(2) 사이에 형성한다. 이때, 각 전해질 파이프들(20) 서로 직접적으로 접촉되지 못하도록 비전해질 물질로 코팅되거나 전해질 파이프들(20) 사이를 비전해질 재료로 매립한다.

상술된 실시예에서의 리튬 2차 전지는 전해질(3) 만이 다수의 영역으로 분할되고, 양극(1)과 음극(2) 그리고 분리막(4)은 각각 하나의 단일 전극 또는 막으로 형성되어 분할된 전해질들이 이를 공유하도록 하도록 하고 있다. 그러나, 필요에 따라서는 전해질(3) 뿐만 아니라 전극(1, 2) 및 분리막(4)을 분할된 전해질의 형상에 대응되게 분할할 수 있다. 예컨대, 도 3의 점선원 안의 모양과 같이 분할된 각 전해질의 형상에 맞게 전극과 분리막도 함께 분할하여 각각이 독립된 작은 사이즈의 리튬 2차 전지 즉 리튬 전지 셀을 이루도록 한 후, 이들 리튬 전지 셀들을 병렬되게 결합시켜 하나의 리튬 2차 전지를 할 수 있다. 이때, 각 리튬 전지 셀들의 전해질(3)은 격벽(10)의 재질로 둘러싸여져 있으나 전극(1, 2)은 그렇지 않다. 즉, 리튬 전지 셀들을 병렬로 연결시, 전해질(3)은 각 리튬 전지 셀의 측면에 부착된 격벽 재질에 의해 서로 직접적으로 접촉되지 않고 분리되지만 전극들(1, 2)의 측면 은 인접한 리튬 전지 셀 전극의 측면과 상호 전기적으로 접촉된다. 이때, 격벽 재질은 전해질(3) 뿐만 아니라 전해질(3)과 접촉되는 전극(1, 2)의 이면을 포함하는 일부 영역까지 함께 둘러싸도록 형성될 수도 있다.

이렇게 리튬 2차 전지를 형성하는 경우, 리튬 전지 셀을 각각 독립적으로 형성한 후 이를 원하는 수만큼 원하는 모양으로 병렬로 수평하게 결합함으로써, 리튬 2차 전지의 크기 및 모양을 자유롭게 조절할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 리튬 금속 전지의 구성을 나타내는 분해 사시도이다.

도 6의 실시예에서는, 양극(1)과 음극(2) 사이에 다공성 필름(30)을 형성한 후 다공성 필름(30)의 각 구멍에 전해질(3)을 흡수시킴으로써 전해질을 다수의 영역으로 분할하게 된다. 즉, 도 6은 전해질(3)을 분할하는 방법으로서, 다공성 필름(30)의 구멍에 전해질(3)을 흡수시킴으로써 각 전해질(3)이 다공성 필름에 의해 독립적으로 분할될 수 있도록 해준다.

상술된 실시예에서는 전해질(3)을 분할하기 위해 격벽(10), 비전해질 물질 및 다공질 필름(30)이 사용됨으로써, 전해질(3)이 전극(1, 2)과 접촉되는 단면적이 감소되게 된다. 그러나, 본 발명과 같은 구조를 사용함으로써 음극재에 탄소를 사용하지 않음으로써, 탄소를 사용하는 경우보다 그 에너지 밀도가 현저하게(대략 10배 이상) 증가하게 되므로 충전용량은 오히려 증가하게 된다.

상술된 본 발명의 기본 개념은 양극(1)과 음극(2) 사이에 형성되는 전해질을 미세 세그먼트 구조로 병렬되게 분할하는 것으로, 그 분할하는 방법은 상술된 실시예 이외에 다른 여러가지 형태로 변형이 가능하다. 또한 리튬 금속 뿐만 아니라 다른 음극재를 사용하는 리튬 이온 전지의 경우에도 덴드라이트 형성을 방지하기 위해 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 리튬 전지는 전해질을 미세 세그먼트들로 분할하여 사용함으로써, 탄소 재질의 음극재를 사용하지 않아도 되므로 덴드라이트의 성장을 크게 억제시키면서도 에너지 밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 리튬 2차 전지는 전해질 재료로서 고체 폴리머가 아닌 액체 전해액을 사용하는 경우에도 누수의 위험을 줄일 수 있어 좀 더 다양한 선택의 기회를 제공해주며, 전지가 압축을 받는 경에도 각 리튬 전지 셀이 그 힘을 분산시킴과 동시에 격벽에 의해 지지되기 때문에 안정성이 더 높아지는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 양극과 음극 사이에 형성된 전해질이 서로 접촉되지 않도록 복수의 영역으로 분할되며, 상기 분할된 각 전해질 영역들은 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결시켜 주는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 리튬 전지는

   상기 양극과 음극 사이에 상기 전해질을 상기 복수의 영역으로 분할하는 격벽들을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
3. 제 2항에 있어서, 상기 격벽은

   리튬 이온이 투과되지 못하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
4. 제 2항에 있어서, 상기 격벽들 사이의 간격은

   상기 양극과 음극 사이 간격의 5분의 1 보다 작은 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
5. 제 1항에 있어서, 상기 리튬 전지는

   비전해질로 코팅된 복수의 전해질 파이프들을 상기 양극과 음극 사이에 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
6. 제 1항에 있어서, 상기 리튬 전지는

   상기 양극과 음극 사이에 다공성 필름을 구비하고, 상기 다공성 필름의 구멍에 상기 전해질을 흡수시켜 상기 전해질을 분할하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
7. 제 1항에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각

   상기 분할된 전해질에 대응되게 분할되는 것을 특징으로 하는 리튬 전지.

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