일반기술

탄소 하이브리드 전극 및 리튬이차전지

본 발명은 탄소 활물질의 표면에 금속 또는 금속 산화물 층이 형성된 형태의 리튬이차전지용 음극 활물질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 금속-탄소 하이브리드 전극 및 리튬이차전지에 관한 것이다.현재 리튬이차전지는 코크스계, 흑연계 등의 다양한 탄소 재료를 사용하여 제조되고 있다. 흑연계의 탄소를 음극 활물질로 사용하는 경우에는 충방전에 따른 탄소 격자 상수의 변화가 심하며, 충방전에 따라 점진적으로 탄소 활물질이 전자 전도 통로에서 이탈하게 되고, 이로 인하여 전극 용량이 감소된다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 탄소 음극은 탄소 활물질 표면에서 형성되는 SEI (Solid Electrolyte Interface) 피막에 의하여 전도성이 저하된다는 문제점을 나타낸다. "SEI 피막"이란 충전시 탄소 활물질 표면에 리튬 금속과 유기용매가 반응하여 형성된 피막을 일컫는 것으로서, 이 피막은 이온 전도성을 가지므로 탄소구조 내부로 리튬이온만 들어가게 하고 유기용매의 통과는 차단하는 역할을 한다. 즉, SEI 피막이 형성되지 않으면 유기용매가 탄소구조 내부로 들어가서 분해반응을 일으키므로 탄소구조가 깨지게 되고, 이에 따라 전극 활물질이 이온 이동경로를 이탈하게 되므로 전지성능이 급격히 저하된다. 그러나, SEI 피막은 전기 전도성이 없으므로 고율 충방전 시에 전기 전도도가 불량하여 전극의 전위 분포가 불균일하게 되어 전지의 방전용량이 작아지고, 국부적인 충방전에 의하여 전지의 수명이 저하되는 단점을 나타낸다.본 발명에 따라 표면에 1 - 300nm 두께로 금속 또는 금속 산화물이 박막 또는 클러스터 형태로 형성된 흑연계 및 코크스계 탄소음극 활물질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 금속-탄소 하이브리드 전극 및 리튬이차전지가 제공되었다. 본 발명에 따른 탄소 음극 활물질은, 전지의 반복적인 충방전 시 탄소 음극에서 나타나는 탄소 활물질의 큰 격자상수 변화 및 탄소 활물질 표면의 SEI 피막 형성에 기인하여 활물질이 전자전도 통로로부터 탈리되어 나타나는 전극 용량의 감소, 이에 따른 고율 충방전의 어려움 및 유기용매의 공동 삽입에 따른 용매 분해반응에 의한 전극 용량 감소 등과 같은, 종래의 탄소 음극이 갖는 문제를 모두 해결하였다. 이에 따라, 본 발명에 따른 탄소 음극 활물질은 집전체와의 결합력이 우수하며, 결합력이 증가되어 국부적인 전극 내부 저항이 감소되므로 결과적으로 전도성이 향상되고, 또한 탄소 활물질이 전자 전도 통로에서 이탈되는 것을 억제하여 지속적으로 일어나는 전극 용량 감소를 줄여 전극 특성을 향상시킨다. 본 발명에 따른 흑연계 및 코크스계 탄소 활물질을 포함하는 리튬이차전지는 전도성 및 고율 방전 특성이 우수하고, 이론적인 용량에 가까운 전극 용량을 나타내며, 싸이클 수명 특성 또한 우수하다. 특히, 본 발명의 리튬이차전지는 여러 가지 우수한 특성에도 불구하고 전극의 싸이클 특성의 저하 및 초기 비가역 용량의 증가 등으로 사용이 어려웠던 PC 계열 유기용매 전해질에서도 안정하여 전극 용량 및 싸이클 특성이 우수하였다. 본 발명은 고성능 이차전지의 제조를 가능하게 하므로 각종 소형 전자기기, 통신기기 및 전기 자동차의 전원용 등 다양한 산업분야에서 응용할 수 있다.