고밀도전극 및 그 전극을 사용한 전지 document_id A220623030388

소형, 경량 및 고성능의 휴대장치의 개발에 따라서, 높은 에너지 밀도를 갖는 2차전지 및 고용량의 2차전지가 더욱 더 요구되고 있다. 이러한 경향을 고려하여, 휴대폰 및 비디오 카메라 등의 대부분의 소형 휴대장치는 비수용성 전해액을 사용하는 리튬이온전지 또는 리튬폴리머전지 등의 비수용성 리튬 2차전지를 사용하고, 이들은 고에너지 밀도 및 고전압을 나타낸다. 이러한 리튬 2차전지는 양극전극재료로, 고전위 포텐셜에서 단위중량 당 충방전용량이 큰 코발트산 리튬 등의 금속산화물이 사용되고, 음극전극재료로서, 리튬의 전위 포텐셜과 거의 동일한 저전위 포텐셜에서 단위중량 당 충방전용량이 큰 흑연 등의 탄소재료를 사용한다. 그러나, 전지에 사용된 이러한 전극재료의 질량 당 충방전용량은 이론치와 거의 동일하게 사용되고 있으므로, 전지의 질량 당 에너지밀도는 그 한계에 접근한다. 따라서, 철 올리빈계 화합물 및 금속 황화물 등의 새로운 고용량의 양극전극재료들과, 산화 주석, 산화 규소, Li 합금 또는 질화 리튬과 탄소재료의 복합재료 등의 새로운 음극전극재료들이 개발되고 있다. 소형 휴대장치에 사용된 2차전지는 소형; 즉 질량 당 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 체적 당 에너지 밀도가 높은 것이 요구된다. 따라서, 전극재료의 밀도를 증가시켜서 전지용기에 충전되는 전극재료의 에너지량을 증가시키고, 따라서 얻은 전극과 전지의 체적 당 에너지 밀도를 향상시키는 것이 시도되고 있다. 음극전극재료로 가장 널리 사용되는 흑연은 진밀도가 약 2.2g/cm3이지만, 시판되는 흑연을 배합한 전극은 밀도가 약 1.5g/cm3이다. 흑연을 사용한 전극의 밀도가 1.7g/cm3 이상으로 증가하는 경우, 얻은 전지의 체적 당 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 따라서, 흑연을 사용한 전극의 밀도를 증가시키는 것이 시도되고 있다. 한편, 양극전극재료로 널리 사용되는 코발트산 리튬은 진밀도가 약 5.1g/cm3이지만, 시판되는 코발트산 리튬을 배합한 전극은 밀도가 3.3g/cm3 이하이다. 따라서, 코발트산 리튬을 사용한 전극의 밀도를 3.5g/cm3이상으로 증가시키는 것이 시도되고 있다. 그러나, 전극의 밀도가 증가됨에 따라, 전극에 함유된 기공의 양이 감소되어 기공내에 존재하고 전극반응에 중요한 역활을 하는 전해액의 양을 부족하게 하고 전극을 통해 전해액의 침투속도를 감소시키는 문제를 일으킨다. 전극내에 전해액의 양이 감소됨에 따라, 전극반응속도가 감소하여, 에너지밀도 및 고속 충방전 성능이 저하하는 등의 문제가 있고, 또한 전지의 사이클 특성이 저하되는 문제가 있다. 한편, 전해액의 침투성이 손상됨에 따라, 전지의 제조에 필요한 시간이 길어져서, 제조비용을 증가시킨다. 리튬폴리머전지와 같은 전지에 폴리머 화합물을 전해액의 구성의 일부 또는 전부에 이용하는 경우 이러한 문제가 더 현저하게 된다.