KR20130108275A - Battery assembly - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보호 회로를 사용하지 않더라도 과방전에 의한 전지 성능의 열화가 발생하기 어려운 조전지를 제공한다. 본 발명은 복수개의 단전지가 서로 접속된 조전지로서, 상기 단전지가 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 정극 활성 물질을 포함하는 정극, 부극 및 전해질을 갖는 나트륨 이온 이차 전지이다.The present invention provides an assembled battery in which deterioration of battery performance due to overdischarge does not occur even without using a protection circuit. The present invention relates to a battery unit in which a plurality of unit cells are connected to each other, wherein the unit cell is a sodium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing a positive electrode active material capable of doping and dedoping sodium ions.
Description
본 발명은 복수의 단전지를 직렬 및/또는 병렬로 접속한 조전지(組電池; battery assembly)에 관한 것이다.The present invention relates to a battery assembly in which a plurality of unit cells are connected in series and / or in parallel.
비수전해질 이차 전지 중에서도 리튬 이온 이차 전지는, 통상 정극에 LiMO2 (M은 Co, Mn, Ni 등의 전이 금속) 등의 산화물을 이용하고, 부극에 탄소 재료나 리튬 등의 낮은 전위의 화합물을 이용한 이차 전지이다. 최근에, 전기 자동차의 전원이나 전력 평준화용 전원 등으로서 복수의 단전지를 직렬 및/또는 병렬로 접속한 조전지가 이용되고, 특히 고전압으로 고용량을 얻기 위해 이러한 이차 전지로서 리튬 이차 전지가 많이 이용되고 있다. 조전지를 구성하는 단전지는 원통형, 사각형, 라미네이트 등 여러가지 양식이 있다.Among the nonaqueous electrolyte secondary batteries, the lithium ion secondary battery is usually LiMO in the positive electrode.2 It is a secondary battery using oxides, such as (M is transition metals, such as Co, Mn, and Ni), and the compound of low electric potentials, such as a carbon material and lithium, as a negative electrode. Recently, a battery pack in which a plurality of unit cells are connected in series and / or in parallel as a power source for an electric vehicle, a power leveling power source, or the like is used. In particular, in order to obtain high capacity at a high voltage, a lithium secondary battery is often used as such a secondary battery. have. The unit cells constituting the assembled battery come in various forms such as cylindrical, rectangular, and laminate.
그런데, 시판되고 있는 리튬 이온 이차 전지(단전지)는 전지 성능이 열화를 일으키지 않도록 통상 3 내지 4 V의 범위에서 사용되는데, 충방전을 행할 때에 소정치 이상으로 충전(과충전)하거나 소정치 이하까지 방전(과방전)하면 리튬 이온 이차 전지의 특성이 크게 열화된다.By the way, commercially available lithium ion secondary batteries (single cells) are usually used in the range of 3 to 4 V so that battery performance does not deteriorate. Discharge (over-discharge) greatly deteriorates the characteristics of the lithium ion secondary battery.
특히 과방전에 의해 전지 전압이 소정의 하한 전압보다 내려가면, 부극의 집전체에서 구리 용출이 생겨 부극 활성 물질과의 집전성이 저하되거나, 정극에 리튬 이온이 과잉 삽입됨으로써 정극이 열화되거나, 리튬과 정극재의 집전체인 알루미늄이 합금화됨으로써 용량이 저하된다는 문제가 있다.In particular, when the battery voltage falls below a predetermined lower limit voltage due to overdischarge, copper current may be eluted from the current collector of the negative electrode, resulting in poor current collection with the negative electrode active material, deterioration of the positive electrode due to excessive insertion of lithium ions into the positive electrode, There is a problem that capacity decreases by alloying aluminum, which is a current collector of a positive electrode material.
리튬 이온 이차 전지(단전지)를 복수 직렬로 접속하여 충전 또는 방전한 경우 각 전지의 용량차 또는 내부 저항차에 의해 전지 전압의 균형이 무너져, 조전지 전체의 전지 전압이 소정 범위 내에 있더라도 조전지를 구성하는 단전지의 일부에는 과충전 상태나 과방전 상태가 되어 버리는 경우가 있다.In the case of charging or discharging a plurality of lithium ion secondary batteries (single cells) in series, the battery voltage is balanced by the capacity difference or internal resistance difference of each battery, and even if the battery voltage of the entire battery pack is within a predetermined range, Some of the unit cells constituting the may become an overcharged state or an overdischarged state.
예를 들면, 하한 전압 3.0 V의 리튬 이온 이차 전지의 단전지 3개를 직렬로 접속한 조전지를 방전하는 경우, 조전지는 전체의 전지 전압이 9.0 V인 전압이 되도록 방전된다. 이 때, 상기 3개의 단전지의 용량이 같지 않은 경우, 어떤 단전지는 3.0 V 이하가, 다른 어떤 단전지는 3.0 V 이상이 되는 경우가 있다. 3.0 V 이하의 전압이 된 단전지는 과방전이 되어 전지 성능이 현저히 저하된다.For example, when discharging an assembled battery in which three single cells of a lithium ion secondary battery having a lower limit voltage of 3.0 V are connected in series, the assembled battery is discharged so that the total battery voltage is 9.0 V. At this time, when the capacity of the three unit cells is not the same, some unit cells may be 3.0 V or less, and other unit cells may be 3.0 V or more. A unit cell with a voltage of 3.0 V or less becomes overdischarged and battery performance is significantly reduced.
이러한 조전지에 있어서의 과방전의 문제를 회피하기 위해서, 조전지에서는 통상 상기 단전지에 추가로 각 단전지의 온도를 검지하는 온도 센서, 각 단전지의 전압을 검지하는 전압계 등을 설치하고 있다. 또한, 이들 온도 센서나 전압계에 의해 검지된 온도나 전압을 신호선을 통해서 제어 장치에 제공하고, 제어 장치에 의해 조전지를 제어하도록 하고 있는 것이 알려져 있다(예를 들면, 일본 특허 제3773350호 공보 참조).In order to avoid the problem of overdischarge in such a battery pack, the battery pack is usually provided with a temperature sensor for detecting the temperature of each unit cell, a voltmeter for detecting the voltage of each unit cell, etc., in addition to the unit cell. Moreover, it is known to provide the control apparatus with the temperature and voltage detected by these temperature sensors and a voltmeter through a signal line, and to control an assembled battery by a control apparatus (for example, refer Unexamined-Japanese-Patent No. 3773350). ).
상기 각 센서 및 제어 장치는 조전지의 충방전 종지 조건을 제어하는 것 뿐만 아니라 조전지를 구성하는 단전지의 과충전, 과방전을 회피하기 위해서도 필요한 전자 회로 부품이다.Each sensor and control device is an electronic circuit component necessary not only to control the end condition of charge / discharge of the assembled battery, but also to avoid overcharge and overdischarge of the unit cells constituting the assembled battery.
그러나, 조전지에 상기 각 센서 및 제어 장치를 설치하면 조전지 전체의 부피가 커져 조전지에서의 에너지 밀도가 저하된다는 문제가 발생한다. 특히 조전지를 구성하는 단전지의 수가 많아진 경우에는 조전지의 비용의 대폭적인 증대도 걱정된다.However, when each sensor and control device is installed in the assembled battery, a problem arises in that the total volume of the assembled battery becomes large and the energy density in the assembled battery decreases. In particular, when the number of unit cells constituting the assembled battery increases, the cost of the assembled battery is also greatly increased.
이러한 상황 하에서, 본 발명의 목적은 보호 회로를 사용하지 않더라도 과방전에 의한 전지 성능의 열화가 발생하기 어려운 조전지를 제공하는 데에 있다.Under these circumstances, an object of the present invention is to provide an assembled battery in which deterioration of battery performance due to over discharge is hardly generated even without using a protection circuit.
본건 발명은 다음과 같다.The present invention is as follows.
<1> 복수개의 단전지가 서로 접속된 조전지로서, 상기 단전지가 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 정극 활성 물질을 포함하는 정극, 부극 및 전해질을 갖는 나트륨 이온 이차 전지인 조전지.<1> An assembled battery in which a plurality of unit cells are connected to each other, wherein the unit cells are sodium ion secondary batteries having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing a positive electrode active material capable of doping and dedoping sodium ions.
<2> 상기 정극 활성 물질이 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 나트륨 전이 금속 화합물인 상기 <1>에 기재된 조전지.The assembled battery as described in said <1> whose <2> above-mentioned positive electrode active material is a sodium transition metal compound which can dope and dedope sodium ions.
<3> 상기 나트륨 전이 금속 화합물이 NaM1O2(M1은 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타냄)로 표시되는 산화물인 상기 <2>에 기재된 조전지.<3> The assembled battery according to <2>, wherein the sodium transition metal compound is an oxide represented by NaM 1 O 2 (M 1 represents one or more transition metal elements).
<4> 적어도 하나의 병렬 접속을 포함하는 상기 <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 조전지.The assembled battery in any one of said <1> to <3> containing <4> at least 1 parallel connection.
본 발명에 따르면, 보호 회로를 사용하지 않더라도 과방전에 의한 전지 성능의 열화가 발생하기 어려운 조전지가 제공된다.According to the present invention, there is provided an assembled battery in which deterioration of battery performance due to overdischarge does not occur even without using a protection circuit.
본 발명의 조전지는 나트륨 이온 이차 전지를 포함하는 단전지(이하, 간단히 「단전지」라 칭함)가 복수개 접속된 전지이다. 복수개의 단전지는 서로 전기적으로 접속되어 있다.The assembled battery of the present invention is a battery in which a plurality of unit cells (hereinafter, simply referred to as "unit cells") including a sodium ion secondary battery are connected. The plurality of unit cells are electrically connected to each other.
이하, 본 발명의 조전지의 구성 단위가 되는 단전지는, 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 정극, 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 부극 및 전해질을 필수로 하여, 통상 정극, 부극을 분리하는 세퍼레이터를 갖는다.Hereinafter, a unit cell serving as a structural unit of the assembled battery of the present invention includes a positive electrode capable of doping and dedoping sodium ions, a negative electrode capable of doping and dedoping sodium ions, and an electrolyte. It has a separator to separate.
이하, 단전지에 있어서의 구성 요소에 대해서 설명한다.Hereinafter, the component in a unit cell is demonstrated.
(1) 정극(1) positive electrode
정극은 정극 집전체와 정극 집전체 상에 담지된 정극합제로 구성된다. 정극합제는 정극 활성 물질 및 필요에 따라 도전재나 결착제를 포함한다.The positive electrode is composed of a positive electrode current collector and a positive electrode mixture supported on the positive electrode current collector. The positive electrode mixture contains a positive electrode active material and, if necessary, a conductive material or a binder.
정극 활성 물질로서는 TiS2 등의 황화물, Fe3O4 등의 산화물, Fe2(SO4)3 등의 황산염, FePO4 등의 인산염, FeF3 등의 불화물 등과 같은 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 재료이면 되는데, 특히 나트륨과 전이 금속 원소의 화합물인 나트륨 전이 금속 화합물인 것이 바람직하다. 또한, 나트륨 전이 금속 화합물에 있어서의 전이 금속 원소는 임의로 1종 이상 선택할 수 있고, 구체적으로는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 등을 들 수 있다.Examples of the positive electrode active material include doped and dedoped sulfides such as TiS 2 , oxides such as Fe 3 O 4 , sulfates such as Fe 2 (SO 4 ) 3 , phosphates such as FePO 4, and fluorides such as FeF 3 . Although it may be a material which can be used, it is especially preferable that it is a sodium transition metal compound which is a compound of sodium and a transition metal element. In addition, the transition metal element in a sodium transition metal compound can be selected arbitrarily, 1 or more types, Specifically, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, etc. are mentioned.
나트륨 전이 금속 화합물로서는, 예를 들면As a sodium transition metal compound, for example
NaxM1Oy로 표시되는 산화물(M1은 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타내고, x, y는 0.4<x<2, 1.9<y<2.1을 만족시키는 값임);An oxide represented by Na x M 1 O y (M 1 represents one or more transition metal elements, and x and y are values satisfying 0.4 <x <2 and 1.9 <y <2.1);
Na6Fe2Si12O30 및 Na2Fe5Si12O30 등의 NabM2 cSi12O30으로 표시되는 규산염(M2는 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타내고, b, c는 2≤b≤6, 2≤c≤5를 만족시키는 값임);Silicates represented by Na b M 2 c Si 12 O 30 , such as Na 6 Fe 2 Si 12 O 30 and Na 2 Fe 5 Si 12 O 30 (M 2 represents one or more transition metal elements, and b and c represent 2 ≤ b ≤ 6, 2 ≤ c ≤ 5);
Na2Fe2Si6O18 및 Na2MnFeSi6O18 등의 NadM3 eSi6O18로 표시되는 규산염(M3은 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타내고, d, e는 3≤d≤6, 1≤e≤2를 만족시키는 값임);Silicates represented by Na d M 3 e Si 6 O 18 , such as Na 2 Fe 2 Si 6 O 18 and Na 2 MnFeSi 6 O 18 (M 3 represents one or more transition metal elements, and d and e represent 3 ≦ d 6, 1 ≦ e ≦ 2;
Na2FeSiO6 등의 NafM4 gSi2O6으로 표시되는 규산염(M4는 전이 금속 원소, Mg 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타내고, f, g는 1≤f≤2, 1≤g≤2를 만족시키는 값임);Silicate represented by Na f M 4 g Si 2 O 6 , such as Na 2 FeSiO 6 (M 4 represents at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Mg, and Al, and f and g are 1 ≦ f ≤ 2, 1 ≤ g ≤ 2);
NaFePO4, NaMnPO4, NaNiPO4 등의 NaM6 aPO4로 표시되는 인산염(M6은 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타냄);NaFePO 4, NaMnPO 4, NaNiPO 4 such as a phosphate represented by the NaM 6 a PO 4 (M 6 represents a transition metal element at least one);
Na3Fe2(PO4)3 등의 인산염;Phosphates such as Na 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 ;
NaFeSO4F 등의 황산염;Sulfates such as NaFeSO 4 F;
NaFeBO4, Na3Fe2(BO4)3 등의 붕산염;Borate salts such as NaFeBO 4 and Na 3 Fe 2 (BO 4 ) 3 ;
Na3FeF6 및 Na2MnF6 등의 NahM5F6으로 표시되는 불화물(M5는 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타내고, h는 2≤h≤3을 만족시키는 값임)Fluorides represented by Na h M 5 F 6 , such as Na 3 FeF 6 and Na 2 MnF 6 (M 5 represents one or more transition metal elements, and h is a value satisfying 2 ≦ h ≦ 3)
등을 들 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.These can be mentioned, These can be used 1 type or in mixture of 2 or more types.
이 중에서도, 바람직하게는 NaM1O2(M1은 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타냄)로 표시되는 산화물이다. 그의 바람직한 구체예로서는 α-NaFeO2형의 구조를 갖는 NaMnO2, NaNiO2 및 NaCoO2 및 NaFe1 -p-qMnpNiqO2(p, q는 다음 관계를 만족시키는 값이고, 0≤p+q≤1, 0≤p≤1, 0≤q≤1) 등의 산화물을 들 수 있다.Among them, preferably in the oxide represented by NaM 1 O 2 (M 1 represents a transition metal element at least one). A preferred specific example, NaMnO 2 having a structure of α-NaFeO 2 type, 2 and NaNiO NaCoO 2 and NaFe 1 -pq Mn p Ni q O 2 (p, q is a value satisfying the following relationship, 0≤p + q Oxides such as ≦ 1, 0 ≦ p ≦ 1, and 0 ≦ q ≦ 1).
상기 나트륨 전이 금속 화합물로서는 발명의 효과를 현저히 손상시키지 않는 범위에서 상기 전이 금속 원소의 일부를 상기 전이 금속 원소 이외의 금속 원소로 치환할 수도 있다. 치환함으로써 본 발명의 조전지의 특성이 향상되는 경우가 있다. 상기 전이 금속 원소 이외의 금속으로서는 Li, K, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Zn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 등의 금속 원소를 들 수 있다.As said sodium transition metal compound, a part of said transition metal element can also be substituted by metal elements other than the said transition metal element in the range which does not impair the effect of invention significantly. By substitution, the characteristic of the assembled battery of this invention may improve. Examples of metals other than the transition metal elements include Li, K, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Zn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Metal elements, such as Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, are mentioned.
정극 집전체로서는 도전성이 높고 박막으로 가공하기 쉬운 것이면 되고, Al, Ni, 스테인리스, Cu 등의 금속 등을 사용할 수 있다. 정극 집전체의 형상으로서는, 예를 들면 박상, 평판상, 메쉬상, 네트상, 라스상, 펀칭 메탈상 또는 엠보싱상인 것 또는 이들을 조합한 것(예를 들면, 메쉬상 평판 등) 등을 들 수 있다.What is necessary is just to be a thing with high electroconductivity and to be easy to process into a thin film as a positive electrode electrical power collector, and metals, such as Al, Ni, stainless steel, Cu, etc. can be used. Examples of the shape of the positive electrode current collector include thin, flat, mesh, net, lath, punched metal, or embossed, or a combination thereof (for example, a mesh flat). have.
상기 도전재로서는 탄소 재료를 사용할 수 있고, 탄소 재료로서 흑연 분말, 카본블랙, 카본나노튜브 등의 섬유상 탄소 재료 등을 들 수 있다.As the conductive material, a carbon material can be used, and examples of the conductive material include fibrous carbon materials such as graphite powder, carbon black, and carbon nanotubes.
〈결착제〉<Binder>
상기 정극에 이용되는 결착제로서는, 예를 들면 불소 화합물의 중합체를 들 수 있다. 불소 화합물로서는, 예를 들면 불소화알킬(탄소수 1 내지 18)(메트)아크릴레이트, 퍼플루오로알킬(메트)아크릴레이트[예를 들면, 퍼플루오로도데실(메트)아크릴레이트, 퍼플루오로 n-옥틸(메트)아크릴레이트, 퍼플루오로 n-부틸(메트)아크릴레이트];As a binder used for the said positive electrode, the polymer of a fluorine compound is mentioned, for example. As a fluorine compound, For example, fluorinated alkyl (C1-C18) (meth) acrylate, perfluoroalkyl (meth) acrylate [For example, perfluoro dodecyl (meth) acrylate, perfluoro n Octyl (meth) acrylate, perfluoro n-butyl (meth) acrylate];
퍼플루오로알킬 치환 알킬(메트)아크릴레이트[예를 들면, 퍼플루오로헥실에틸(메트)아크릴레이트 및 퍼플루오로옥틸에틸(메트)아크릴레이트];Perfluoroalkyl substituted alkyl (meth) acrylates [eg, perfluorohexylethyl (meth) acrylate and perfluorooctylethyl (meth) acrylate];
퍼플루오로옥시알킬(메트)아크릴레이트[예를 들면, 퍼플루오로도데실옥시에틸(메트)아크릴레이트 및 퍼플루오로데실옥시에틸(메트)아크릴레이트];Perfluorooxyalkyl (meth) acrylates [eg, perfluorododecyloxyethyl (meth) acrylate and perfluorodecyloxyethyl (meth) acrylate];
불소화알킬(탄소수 1 내지 18)크로토네이트;Fluorinated alkyl (C18 to C18) crotonates;
불소화알킬(탄소수 1 내지 18)말레에이트 및 푸마레이트;Fluorinated alkyl (1-18 carbon atoms) maleate and fumarate;
불소화알킬(탄소수 1 내지 18)이타코네이트 및 불소화알킬 치환 올레핀(탄소수 2 내지 10 정도, 불소 원자수 1 내지 17 정도)[예를 들면, 퍼플루오로로헥실에틸렌, 테트라플루오로에틸렌, 트리플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴(이하, PVdF라고 하는 경우가 있음) 및 헥사플루오로프로필렌]을 들 수 있다.Fluorinated Alkyl (C18 to C18) Itaconate and Fluorinated Alkyl Substituted Olefin (C2 to C10, C1 to C17) [For example, perfluorohexylethylene, tetrafluoroethylene, trifluoro Ethylene, polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes referred to as PVdF), and hexafluoropropylene].
결착제의 불소 화합물의 중합체 이외의 예시로서는, 불소 원자를 포함하지 않는 에틸렌성 이중 결합을 포함하는 단량체의 부가 중합체를 들 수 있다. 이러한 단량체로서는, 예를 들면 (시클로)알킬(탄소수 1 내지 22)(메트)아크릴레이트[예를 들면, 메틸(메트)아크릴레이트, 에틸(메트)아크릴레이트, n-부틸(메트)아크릴레이트, iso-부틸(메트)아크릴레이트, 시클로헥실(메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메트)아크릴레이트, 이소데실(메트)아크릴레이트, 라우릴(메트)아크릴레이트 및 옥타데실(메트)아크릴레이트];As an example other than the polymer of the fluorine compound of a binder, the addition polymer of the monomer containing the ethylenic double bond which does not contain a fluorine atom is mentioned. As such a monomer, it is (cyclo) alkyl (C1-C22) (meth) acrylate [for example, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, iso-butyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, isodecyl (meth) acrylate, lauryl (meth) acrylate and octadecyl (meth) acrylate ];
방향환 함유 (메트)아크릴레이트[예를 들면, 벤질(메트)아크릴레이트 및 페닐에틸(메트)아크릴레이트];Aromatic ring-containing (meth) acrylates [eg, benzyl (meth) acrylate and phenylethyl (meth) acrylate];
알킬렌글리콜 또는 디알킬렌글리콜(알킬렌기의 탄소수 2 내지 4)의 모노(메트)아크릴레이트[예를 들면, 2-히드록시에틸(메트)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메트)아크릴레이트 및 디에틸렌글리콜모노(메트)아크릴레이트];Mono (meth) acrylate of alkylene glycol or dialkylene glycol (C2-4 of an alkylene group) [for example, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate And diethylene glycol mono (meth) acrylate];
(폴리)글리세린(중합도 1 내지 4)모노(메트)아크릴레이트;(Poly) glycerol (polymerization degree 1 to 4) mono (meth) acrylate;
다관능 (메트)아크릴레이트[예를 들면, (폴리)에틸렌글리콜(중합도 1 내지 100)디(메트)아크릴레이트, (폴리)프로필렌글리콜(중합도 1 내지 100)디(메트)아크릴레이트, 2,2-비스(4-히드록시에틸페닐)프로판디(메트)아크릴레이트 및 트리메틸올프로판트리(메트)아크릴레이트] 등의 (메트)아크릴산에스테르계 단량체;Polyfunctional (meth) acrylates [eg, (poly) ethylene glycol (polymerization degree 1 to 100) di (meth) acrylate, (poly) propylene glycol (polymerization degree 1 to 100) di (meth) acrylate, 2, (Meth) acrylic acid ester monomers such as 2-bis (4-hydroxyethylphenyl) propanedi (meth) acrylate and trimethylolpropane tri (meth) acrylate];
(메트)아크릴아미드, (메트)아크릴아미드계 유도체[예를 들면, N-메틸올(메트)아크릴아미드 및 디아세톤아크릴아미드] 등의 (메트)아크릴아미드계 단량체;(Meth) acrylamide monomers, such as (meth) acrylamide and (meth) acrylamide derivatives [for example, N-methylol (meth) acrylamide and diacetone acrylamide];
(메트)아크릴로니트릴, 2-시아노에틸(메트)아크릴레이트 및 2-시아노에틸아크릴아미드 등의 시아노기 함유 단량체;Cyano group-containing monomers such as (meth) acrylonitrile, 2-cyanoethyl (meth) acrylate and 2-cyanoethylacrylamide;
스티렌 및 탄소수 7 내지 18의 스티렌 유도체[예를 들면, α-메틸스티렌, 비닐톨루엔, p-히드록시스티렌 및 디비닐벤젠] 등의 스티렌계 단량체;Styrene monomers such as styrene and styrene derivatives having 7 to 18 carbon atoms (for example, α-methylstyrene, vinyltoluene, p-hydroxystyrene and divinylbenzene);
탄소수 4 내지 12의 알카디엔[예를 들면, 부타디엔, 이소프렌 및 클로로프렌] 등의 디엔계 단량체;Diene monomers such as alkadienes having 4 to 12 carbon atoms (for example, butadiene, isoprene and chloroprene);
카르복실산(탄소수 2 내지 12)비닐에스테르[예를 들면, 아세트산비닐, 프로피온산비닐, 부티르산비닐 및 옥탄산비닐];Carboxylic acid (2 to 12 carbon atoms) vinyl esters [for example, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate and vinyl octanoate];
카르복실산(탄소수 2 내지 12)(메트)알릴에스테르[예를 들면, 아세트산(메트)알릴, 프로피온산(메트)알릴 및 옥탄산(메트)알릴] 등의 알케닐에스테르계 단량체;Alkenyl ester monomers such as carboxylic acid (2 to 12 carbon atoms) (meth) allyl ester [for example, acetic acid (meth) allyl, propionic acid (meth) allyl and octanoic acid (meth) allyl];
글리시딜(메트)아크릴레이트, (메트)알릴글리시딜에테르 등의 에폭시기 함유 단량체;Epoxy group-containing monomers such as glycidyl (meth) acrylate and (meth) allyl glycidyl ether;
모노올레핀(탄소수 2 내지 12)[예를 들면, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-옥텐 및 1-도데센]의 모노올레핀류;Monoolefins of monoolefins (2 to 12 carbon atoms) [for example, ethylene, propylene, 1-butene, 1-octene and 1-dodecene];
염소, 브롬 또는 요오드 원자 함유 단량체;Chlorine, bromine or iodine atom containing monomers;
염화비닐, 염화비닐리덴 등의 불소 이외의 할로겐 원자 함유 단량체;Halogen atom-containing monomers other than fluorine such as vinyl chloride and vinylidene chloride;
아크릴산, 메타크릴산 등의 (메트)아크릴산;(Meth) acrylic acid, such as acrylic acid and methacrylic acid;
부타디엔, 이소프렌 등의 공액 이중 결합 함유 단량체를 들 수 있다.And conjugated double bond-containing monomers such as butadiene and isoprene.
또한, 부가 중합체로서 예를 들면 에틸렌·아세트산비닐 공중합체, 스티렌·부타디엔 공중합체 또는 에틸렌·프로필렌 공중합체 등의 공중합체일 수도 있다. 또한, 카르복실산비닐에스테르 중합체는 부분적으로 또는 완전히 비누화되어 있을 수도 있다. 결착제는 불소 화합물과 불소 원자를 포함하지 않는 에틸렌성 이중 결합을 포함하는 단량체와의 공중합체일 수도 있다.Moreover, copolymers, such as an ethylene vinyl acetate copolymer, a styrene butadiene copolymer, or an ethylene propylene copolymer, may be sufficient as an addition polymer, for example. In addition, the carboxylic acid vinyl ester polymer may be partially or completely saponified. The binder may be a copolymer of a fluorine compound and a monomer containing an ethylenic double bond containing no fluorine atom.
결착제의 그 밖의 예시로서는, 전분, 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 카르복시메틸히드록시에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 등의 다당류 및 그의 유도체; 페놀 수지; 멜라민 수지; 폴리우레탄 수지; 요소 수지; 폴리아미드 수지; 폴리이미드 수지; 폴리아미드이미드 수지; 석유 피치; 석탄 피치를 들 수 있다.Other examples of the binder include polysaccharides and derivatives thereof such as starch, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl hydroxyethyl cellulose and nitrocellulose; Phenolic resin; Melamine resin; Polyurethane resin; Urea resin; Polyamide resins; Polyimide resin; Polyamideimide resin; Petroleum pitch; Coal pitch is mentioned.
결착제로서는, 특히 불소 화합물의 중합체가 바람직하고, 특히 테트라플루오로에틸렌의 중합체인 폴리테트라플루오로에틸렌이 바람직하다. 또한, 결착제로서는 상기한 복수종의 결착제를 사용할 수도 있다. 또한, 정극 집전체에의 도포 공정에서, 정극 집전체에의 도포를 쉽게 하기 위해 증점제 또는 감점제를 사용할 수도 있다.Especially as a binder, the polymer of a fluorine compound is preferable, and polytetrafluoroethylene which is a polymer of tetrafluoroethylene is especially preferable. Moreover, the above-mentioned multiple types of binder can also be used as a binder. In addition, in the application | coating process to a positive electrode electrical power collector, a thickener or a viscosity reducer can also be used in order to make application to a positive electrode electrical power collector easy.
정극 집전체에 정극합제를 담지시키는 방법으로서는, 가압 성형하는 방법, 또는 유기 용매 등을 이용하여 페이스트화하여 정극 집전체 상에 도포, 건조 후 프레스하는 등으로 고착시키는 방법을 들 수 있다. 정극합제를 정극 집전체에 도포하는 방법으로서는, 예를 들면 슬릿다이 도공법, 스크린 도공법, 바 도공법 등을 들 수 있다.As a method of supporting the positive electrode mixture on the positive electrode current collector, a method of press molding or a method of pasting using an organic solvent or the like to apply a paste onto the positive electrode current collector, drying and pressing, etc. may be mentioned. As a method of apply | coating a positive mix to a positive electrode electrical power collector, the slit die coating method, the screen coating method, the bar coating method, etc. are mentioned, for example.
(2) 부극(2) negative electrode
부극은, 정극보다도 낮은 전위로 나트륨 이온을 도핑·탈도핑 가능한 재료를 갖고 있으면 되고, 부극 재료를 포함하는 부극합제가 부극 집전체에 담지되어 이루어지는 전극, 또는 부극 재료 단독으로 이루어지는 전극을 들 수 있다. 부극 재료로서는 탄소 재료, 칼코겐 화합물(산화물, 황화물 등), 질화물, 금속 또는 합금으로 정극보다도 낮은 전위로 나트륨 이온의 도핑·탈도핑이 가능한 재료를 들 수 있다. 또한, 이들 부극 재료는 혼합하여 이용할 수도 있다.The negative electrode may have a material capable of doping and dedoping sodium ions at a potential lower than that of the positive electrode, and examples thereof include an electrode in which a negative electrode mixture containing a negative electrode material is supported on a negative electrode current collector, or an electrode made of a negative electrode material alone. . Examples of the negative electrode material include carbon materials, chalcogen compounds (oxides, sulfides, etc.), nitrides, metals, or alloys, and materials capable of doping and dedoping sodium ions at a potential lower than that of the positive electrode. In addition, these negative electrode materials can also be mixed and used.
상기 부극 재료에 관하여 이하에 예시한다. 상기 탄소 재료로서, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연, 코크스류, 카본블랙, 열 분해 탄소류, 탄소 섬유, 유기 고분자 화합물 소성체 등 중에서 정극보다도 낮은 전위로 나트륨 이온의 도핑·탈도핑 가능한 재료를 들 수 있다. 이들 탄소 재료, 산화물, 황화물, 질화물은 병용하여 이용할 수도 있고, 결정질 또는 비정질 중의 어느 것이어도 된다. 또한, 이들 탄소 재료, 산화물, 황화물, 질화물은 주로 부극 집전체에 담지하여 부극으로서 이용된다.The said negative electrode material is illustrated below. Specifically, as the carbon material, doping and dedoping of sodium ions at a potential lower than that of the positive electrode among graphites such as natural graphite and artificial graphite, coke, carbon black, pyrolytic carbon, carbon fiber, and organic polymer compound fired body Possible materials are mentioned. These carbon materials, oxides, sulfides and nitrides may be used in combination, or may be either crystalline or amorphous. In addition, these carbon materials, oxides, sulfides and nitrides are mainly supported on the negative electrode current collector and used as the negative electrode.
탄소 재료의 형상으로서는, 예를 들면 천연 흑연과 같은 박편상, 메조카본 마이크로비즈와 같은 구상, 흑연화 탄소 섬유와 같은 섬유상, 또는 미분말의 응집체 등 중의 어느 것이어도 된다.The shape of the carbon material may be, for example, flaky like natural graphite, spherical like mesocarbon microbeads, fibrous like graphitized carbon fiber, or fine powder aggregates.
또한, 정극보다도 낮은 전위로 나트륨 이온의 도핑·탈도핑이 가능한 상기 금속으로서, 구체적으로는 나트륨 금속, 실리콘 금속, 주석 금속을 들 수 있다. 또한, 정극보다도 낮은 전위로 나트륨 이온의 도핑·탈도핑이 가능한 상기 합금으로서는, Na-Al, Na-Ni, Na-Si 등의 나트륨 합금, Si-Zn 등의 실리콘 합금, Sn-Mn, Sn-Co, Sn-Ni, Sn-Cu, Sn-La 등의 주석 합금 외, Cu2Sb, La3Ni2Sn7 등의 합금을 들 수도 있다. 이들 금속, 합금은 주로 단독으로 부극으로서 이용된다(예를 들면 박상으로 이용된다).Moreover, sodium metal, a silicon metal, a tin metal is mentioned specifically as said metal which can do the doping and dedoping of sodium ion at the electric potential lower than a positive electrode. Further, as the alloy capable of doping and dedoping sodium ions at a potential lower than that of the positive electrode, sodium alloys such as Na-Al, Na-Ni, Na-Si, silicon alloys such as Si-Zn, Sn-Mn, and Sn- More tin alloy such as Co, Sn-Ni, Sn- Cu, Sn-La, can also include alloys such as Cu 2 Sb, La 3 Ni 2 Sn 7. These metals and alloys are mainly used alone as a negative electrode (for example, in a thin phase).
상기 부극합제는 필요에 따라 결착제를 함유할 수도 있다. 결착제로서는 열가소성 수지를 들 수 있고, 구체적으로는 PVdF, 열가소성 폴리이미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 정극에 이용하는 결착제와 마찬가지의 것을 들 수 있다. 전해액이 후술하는 에틸렌카르보네이트를 함유하지 않는 경우에 있어서, 폴리에틸렌카르보네이트를 함유한 부극합제를 이용하면, 얻어지는 전지의 사이클 특성과 대전류 방전 특성이 향상되는 경우가 있다.The said negative electrode mixture may contain a binder as needed. A thermoplastic resin is mentioned as a binder, Specifically, the thing similar to the binder used for positive electrodes, such as PVdF, a thermoplastic polyimide, carboxymethylcellulose, polyethylene, a polypropylene, is mentioned. In the case where the electrolyte solution does not contain ethylene carbonate which will be described later, when the negative electrode mixture containing polyethylene carbonate is used, the cycle characteristics and the large current discharge characteristics of the obtained battery may be improved.
부극 집전체로서는 Cu, Ni, 스테인리스 등을 들 수 있고, 나트륨과 합금을 만들기 어려운 점, 박막으로 가공하기 쉽다는 점에서 Cu가 바람직하다.Cu, Ni, stainless steel, etc. are mentioned as a negative electrode electrical power collector, Cu is preferable at the point which is difficult to form an alloy with sodium, and is easy to process into a thin film.
부극 집전체의 형상으로서는, 예를 들면 박상, 평판상, 메쉬상, 네트상, 라스상, 펀칭메탈상 또는 엠보싱상인 것 또는 이들을 조합한 것(예를 들면, 메쉬상 평판 등) 등을 들 수 있다. 부극 집전체 표면에 에칭 처리에 의한 요철을 형성시킬 수도 있다.Examples of the shape of the negative electrode current collector include thin, flat, mesh, net, lath, punched metal, embossed, or combinations thereof (for example, mesh-like flat plates). have. Unevenness by etching may be formed on the surface of the negative electrode current collector.
(3) 전해질(3) electrolyte
다음으로, 전해질에 대해서 설명한다. 전해질로서는 NaClO4, NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3, NaN(SO2CF3)2, 저급 지방족 카르복실산나트륨염, NaAlCl4 등을 들 수 있고, 이들의 2종 이상의 혼합물이 사용될 수도 있다. 이들 중에서도 불소를 포함하는 NaPF6, NaAsF6, NaSbF6, NaBF4, NaCF3SO3 및 NaN(SO2CF3)2로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 전해질은 유기 용매에 용해된 상태(액상), 즉 비수전해액으로서 이용하는 것이 바람직하다.Next, the electrolyte will be described. Examples of the electrolyte include NaClO 4 , NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , lower aliphatic carboxylate, NaAlCl 4 , and the like. Mixtures of species or more may be used. Among these, it is preferred to use in that it comprises at least one member selected from the group consisting of NaPF 6, NaAsF 6, NaSbF 6 , NaBF 4, NaCF 3 SO 3 and NaN (SO 2 CF 3) 2 containing fluorine. In the present invention, the electrolyte is preferably used as a state (liquid) dissolved in an organic solvent, that is, as a nonaqueous electrolyte.
비수전해액에 있어서의 유기 용매로서는, 예를 들면 프로필렌카르보네이트, 에틸렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트, 이소프로필메틸카르보네이트, 비닐렌카르보네이트, 4-트리플루오로메틸-1,3-디옥솔란-2-온, 1,2-디(메톡시카르보닐옥시)에탄 등의 카르보네이트류; 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디메톡시프로판, 펜타플루오로프로필메틸에테르, 2,2,3,3-테트라플루오로프로필디플루오로메틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 포름산메틸, 아세트산메틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 아세토니트릴, 부티로니트릴 등의 니트릴류; N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 3-메틸-2-옥사졸리돈 등의 카르바메이트류; 술포란, 디메틸술폭시드, 1,3-프로판술톤 등의 황 함유 화합물; 또는 상기한 유기 용매에 불소 치환기를 더 도입한 것을 사용할 수 있다. 유기 용매로서, 이들 중에서의 2종 이상을 혼합하여 이용할 수도 있다.Examples of the organic solvent in the nonaqueous electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, and vinylene carbonate. Carbonates such as nate, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one and 1,2-di (methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropylmethylether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyldifluoromethylether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydro Ethers such as furan; Esters such as methyl formate, methyl acetate and γ-butyrolactone; Nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; Amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; Carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; Sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide and 1,3-propanesultone; Or what introduce | transduced the fluorine substituent further into the said organic solvent can be used. As an organic solvent, you may mix and use 2 or more types in these.
비수전해액에 있어서의 전해질의 농도는, 통상 0.1몰/L 내지 2몰/L 정도이고, 바람직하게는 0.3몰/L 내지 1.5몰/L 정도이다.The concentration of the electrolyte in the nonaqueous electrolyte is usually about 0.1 mol / L to 2 mol / L, and preferably about 0.3 mol / L to 1.5 mol / L.
또한, 본 발명에서 전해질은 고분자 화합물에 상기 비수전해액을 보유시킨 상태, 즉 겔상 전해질로서 이용할 수도 있고, 고체상, 즉 고체 전해질로서 이용할 수도 있다. 고체 전해질로서는, 예를 들면 폴리에틸렌옥시드계의 고분자 화합물, 폴리오르가노실록산쇄 또는 폴리옥시알킬렌쇄의 적어도 1종 이상을 포함하는 고분자 화합물 등에, 상기 전해질을 보유시킨 유기계 고체 전해질을 사용할 수 있다. 또한, Na2S-SiS2, Na2S-GeS2, NaTi2(PO4)3, NaFe2(PO4)3, Na2(SO4)3, Fe2(SO4)2(PO4), Fe2(MoO4)3, β-알루미나, β"-알루미나, NASICON 등의 무기계 고체 전해질을 이용할 수도 있다.In the present invention, the electrolyte may be used as a polymer electrolyte in which the nonaqueous electrolyte is retained in the polymer compound, that is, as a gel electrolyte or as a solid electrolyte. As a solid electrolyte, the organic solid electrolyte which hold | maintained the said electrolyte in the high molecular compound containing at least 1 sort (s) of a polyethylene oxide type high molecular compound, a polyorganosiloxane chain, or a polyoxyalkylene chain can be used, for example. In addition, Na 2 S-SiS 2 , Na 2 S-GeS 2 , NaTi 2 (PO 4 ) 3 , NaFe 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 (SO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 2 (PO 4 ), Fe 2 (MoO 4 ) 3 , inorganic solid electrolytes such as β-alumina, β ″ -alumina and NASICON may be used.
(4) 세퍼레이터(4) Separator
세퍼레이터로서는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 질소 함유 방향족 중합체 등의 재질을 포함하는, 다공질 필름, 부직포, 직포 등의 형태를 갖는 재료를 사용할 수 있고, 또한 상기 재질을 2종 이상 이용하여 세퍼레이터로 할 수도 있고, 상기 재료가 적층되어 있을 수도 있다. 세퍼레이터로서는, 예를 들면 일본 특허 공개 제2000-30686호 공보, 일본 특허 공개 (평)10-324758호 공보 등에 기재된 세퍼레이터를 들 수 있다. 세퍼레이터의 두께는 전지의 부피 에너지 밀도가 높아지고 내부 저항이 작아진다는 점에서, 기계적 강도가 유지되는 한 얇을수록 바람직하다. 세퍼레이터의 두께는 통상 5 내지 200 ㎛ 정도, 바람직하게는 5 내지 40 ㎛ 정도이다.As the separator, for example, a material having a form such as a porous film, a nonwoven fabric, a woven fabric, or the like containing a material such as polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluorine resin or a nitrogen-containing aromatic polymer can be used. It can also be set as a separator using 2 or more types, and the said material may be laminated | stacked. As a separator, the separator as described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-30686, Unexamined-Japanese-Patent No. 10-324758, etc. are mentioned, for example. The thickness of the separator is preferably as thin as the mechanical strength is maintained in that the volume energy density of the battery becomes high and the internal resistance becomes small. The thickness of the separator is usually about 5 to 200 m, preferably about 5 to 40 m.
세퍼레이터는, 바람직하게는 열가소성 수지를 함유하는 다공질 필름을 갖는다. 나트륨 이차 전지에 있어서는, 통상 정극-부극 사이의 단락 등이 원인으로 전지 내에 이상 전류가 흘렀을 때에 전류를 차단하여, 과대 전류가 흐르는 것을 저지하는(셧다운함) 것이 중요하다. 따라서, 세퍼레이터에는 통상의 사용 온도를 넘은 경우에 가능한 한 저온에서 셧다운하는(세퍼레이터가 열가소성 수지를 함유하는 다공질 필름을 갖는 경우에는 다공질 필름의 미세 구멍을 폐색함) 것, 및 셧다운한 후 어느 정도의 고온까지 전지 내의 온도가 상승하더라도 그 온도에 의해 파막되는 경우가 없고 셧다운한 상태를 유지할 것, 바꾸어 말하면 내열성이 높을 것이 요구된다.The separator preferably has a porous film containing a thermoplastic resin. In a sodium secondary battery, it is usually important to cut off the current when the abnormal current flows in the battery due to a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, and to prevent the excessive current from flowing (shut down). Therefore, the separator should be shut down at a low temperature as far as possible when the normal operating temperature is exceeded (if the separator has a porous film containing a thermoplastic resin) and the micropores of the porous film are shut off, and then to some extent after shutdown. Even if the temperature inside the battery rises to a high temperature, it is not likely to be ruptured by the temperature, and it is required to maintain the shut down state, in other words, to have high heat resistance.
세퍼레이터로서, 내열 수지를 함유하는 내열 다공층과 열가소성 수지를 함유하는 다공질 필름이 적층된 적층 다공질 필름을 포함하는 세퍼레이터를 이용함으로써, 열파막을 보다 방지하는 것이 가능해진다. 여기서, 내열 다공층은 다공질 필름의 양면에 적층되어 있을 수도 있다.As a separator, by using the separator containing the laminated porous film which laminated | stacked the heat-resistant porous layer containing a heat resistant resin, and the porous film containing a thermoplastic resin, it becomes possible to prevent a heat wave film further. Here, the heat resistant porous layer may be laminated on both surfaces of the porous film.
단전지는, 상술한 정극, 세퍼레이터 및 부극을 적층, 권회함으로써 얻어지는 전극군을 전지관 등의 용기 내에 수납한 후, 전해질을 함유하는 유기 용매를 포함하는 전해액을 함침시켜 제조할 수 있다.A single cell can be manufactured by impregnating the electrolyte group containing the organic solvent containing electrolyte after accommodating the electrode group obtained by laminating | stacking and winding the positive electrode, the separator, and the negative electrode mentioned above in a container, such as a battery tube.
상기 전극군의 형상으로서는, 예를 들면 이 전극군을 권회의 축과 수직 방향으로 절단했을 때의 단면이 원, 타원, 직사각형, 라운딩된 직사각형 등이 되는 형상을 들 수 있다. 또한, 전지의 형상으로서는, 예를 들면 페이퍼형, 코인형, 원통형, 사각형 등의 형상을 들 수 있다.As a shape of the said electrode group, the shape in which the cross section at the time of cut | disconnecting this electrode group in the direction perpendicular | vertical to the axis | shaft of a winding is a circle, an ellipse, a rectangle, a rounded rectangle, etc. are mentioned, for example. Moreover, as a shape of a battery, shapes, such as a paper type, coin type, cylinder shape, a square, are mentioned, for example.
(조전지)(Battery pack)
본 발명의 조전지는 상술한 단전지를 구성 단위로 하여 복수개의 단전지를 접속하여 이루어지는 것으로서, 단전지를 직렬 접속만으로 접속한 것, 단전지를 병렬 접속만으로 접속한 것, 단전지를 직렬 접속과 병렬 접속을 조합하여 접속한 것을 전부 포함한다. 상기 단전지는 원통형, 사각형, 라미네이트 등, 형식은 다양하다.The assembled battery of the present invention is formed by connecting a plurality of unit cells using the unit cells described above as a structural unit, connecting the unit cells only in series, connecting the unit cells only in parallel, and combining the unit cells in series and parallel connection. It includes everything that is connected. The unit cell has a variety of forms, such as cylindrical, rectangular, laminate.
본 발명의 조전지는 과방전에 의한 열화를 더욱 발생하기 어렵게 하기 위해 적어도 하나의 병렬 접속을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 하나의 병렬 접속을 포함하고, 병렬 관계에 있는 전지군끼리는 단전지의 수가 같은 것이 보다 바람직하다.It is preferable that the assembled battery of the present invention includes at least one parallel connection in order to make it less likely to cause deterioration due to over discharge. Moreover, it is more preferable that the group of cells including at least one parallel connection and having a parallel relationship have the same number of unit cells.
(접속)(connect)
각 단전지 사이의 접속에는 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들의 합금 등의 금속제의 버스바, 리드, 링, 너트 등을 이용할 수 있지만, 이들 이외의 금속이어도 본원 발명의 목적을 달성할 수 있는 금속이면 되기 때문에 특별히 한정은 하지 않는다.Busbars, leads, rings, nuts, etc. made of metals such as copper, nickel, aluminum, or alloys thereof may be used for the connection between the unit cells, but any metal other than these may be used to achieve the object of the present invention. It does not specifically limit because it becomes.
또한, 그의 용접 수법으로서는 스폿 용접, 또는 초음파 진동 용착 등을 이용할 수 있다.As the welding method thereof, spot welding, ultrasonic vibration welding, or the like can be used.
(배치)(arrangement)
본 발명의 조전지에 있어서, 복수개의 단전지가 직렬 또는 병렬로 접속된 전지군은 케이스에 수용된다.In the assembled battery of the present invention, a battery group in which a plurality of unit cells are connected in series or in parallel is housed in a case.
상기 케이스는 조전지의 경량화 및 강도 확보의 관점에서 폴리프로필렌 등의 합성 수지를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that the said case contains synthetic resin, such as polypropylene, from a viewpoint of weight reduction of an assembled battery and ensuring strength.
상기 케이스는 공기 도입구 및 공기 취출구를 갖고 있는 것이 바람직하다. 공기 도입구 및 공기 취출구를 설치함으로써 조전지 내부의 열의 방출이 촉진되어 조전지의 이상한 온도 상승을 회피할 수 있다. 또한, 냉각팬을 이용하여 조전지 내부 공기의 순환을 촉진함으로써 조전지의 과열을 더욱 감소시킬 수 있다.It is preferable that the case has an air inlet and an air outlet. By providing an air inlet and an air outlet, the release of heat inside the assembled battery is promoted, and an abnormal temperature rise of the assembled battery can be avoided. In addition, it is possible to further reduce the overheating of the assembled battery by promoting the circulation of air inside the assembled battery using a cooling fan.
또한, 냉각팬 등의 냉각 장치에 의해 조전지의 외장 케이스의 열을 방열함으로써 간접적으로 조전지 내부의 방열을 행하는 것도 가능하다.Moreover, it is also possible to indirectly radiate the inside of an assembled battery by radiating the heat of the exterior case of an assembled battery with a cooling apparatus, such as a cooling fan.
(회로 부재)(Circuit member)
본 발명에서의 조전지는 필요에 따라서 각 단전지의 온도를 검지하는 온도 센서, 각 단전지의 전압을 검지하는 전압계 등을 설치할 수도 있다. 또한, 이들 온도 센서나 전압계에 의해 검지된 온도나 전압의 정보를 바탕으로 조전지를 제어하는 제어 장치를 가질 수도 있다.The battery pack according to the present invention may be provided with a temperature sensor for detecting the temperature of each unit cell, a voltmeter for detecting the voltage of each unit cell, and the like, as necessary. Moreover, you may have a control apparatus which controls an assembled battery based on the information of the temperature and voltage detected by these temperature sensors and a voltmeter.
상기 조전지는 전지의 과충전, 과방전을 방지하는 제어 장치를 가질 수도 있다. 상기 제어 장치를 가짐으로써 전지의 과충전, 과방전을 방지할 수 있고, 전지의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에서의 조전지에서는 과방전 방지 장치가 반드시 필요하지는 않다.The assembled battery may have a control device for preventing overcharging and overdischarging of the battery. By having the said control apparatus, overcharge and overdischarge of a battery can be prevented and the life of a battery can be improved. In addition, in the assembled battery in the present invention, an overdischarge prevention device is not necessarily required.
실시예Example
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명하는데, 본 발명은 그의 요지를 변경하지 않은 한 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example, unless the summary is changed.
비교예 1Comparative Example 1
(1) 정극의 제작(1) Production of the positive electrode
수산화리튬(LiOH: 와코 준야꾸 고교 가부시끼가이샤 제조: 순도 95% 이상), 산화니켈(II)(NiO: 가부시끼가이샤 고쥰도 가가꾸 겐뀨쇼 제조: 순도 99%), 산화코발트(II, III)(Co3O4: 가부시끼가이샤 고쥰도 가가꾸 겐뀨쇼 제조: 순도 90% 이상)를 이용하여, Li:Ni:Co의 몰비가 1:0.8:0.2가 되도록 칭량하고, 건식 볼밀로 4시간에 걸쳐 혼합하여 원료 혼합물을 얻었다. 얻어진 원료 혼합물을 알루미나 보우트에 충전하고, 전기로를 이용하여 산소 분위기에서 가열하여 750℃에서 6시간에 걸쳐 유지함으로써 정극 활성 물질 A1을 얻었다. 또한, 도전제로서 아세틸렌블랙(덴키 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조), 결착제로서 PVdF(가부시끼가이샤 쿠레하 제조)를 이용하여, 정극 활성 물질 A1, 도전제 및 결착제를 정극 활성 물질 A1:도전제:결착제=85:10:5(중량비)의 조성이 되도록 각각 칭량하여 정극합제를 얻었다. 우선 정극 활성 물질 A1과 도전제를 마노 유발로 충분히 혼합하고, 이 혼합물에 N-메틸-2-피롤리돈(NMP: 도쿄 가세이 고교 가부시끼가이샤 제조)를 적량 가하고, 또한 PVdF를 가하고 계속해서 균일하게 되도록 혼합하여 슬러리를 얻었다. 얻어진 슬러리를 정극 집전체인 두께 40 ㎛의 알루미늄박 상에 어플리케이터를 이용하여 100 ㎛의 두께로 도포하고, 이것을 건조기에 넣어 NMP를 제거시키면서 충분히 건조함으로써 정극 시트를 얻었다. 이 정극 시트를 롤 프레스기를 이용하여 도포층의 압밀화를 행하였다. 또한, Al박을 초음파 용접기로 용접하고, 이것을 전극 리드선으로 하여 정극 B1을 얻었다.Lithium hydroxide (LiOH: manufactured by Wako Junyaku Kogyo Co., Ltd .: purity of 95% or more), nickel oxide (II) (NiO: manufactured by Kogaku Chemical Co., Ltd., manufactured by Kagaku Gensho Show: purity: 99%), cobalt oxide (II, III ) (Co 3 O 4 : Co., Ltd. Kogaku Kengku Gensho Show: Purity 90% or more), the Li: Ni: Co molar ratio is 1: 0.8: 0.2 and weighed for 4 hours using a dry ball mill. Mixing over gave a raw material mixture. Charging the obtained raw material mixture in an alumina boat, and by heating in an oxygen atmosphere using an electric furnace maintained at 750 ℃ over a period of 6 hours to obtain a positive electrode active material A 1. In addition, using acetylene black (manufactured by Denki Chemical Co., Ltd.) as a conductive agent and PVdF (manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a binder, the positive electrode active material A 1 , the conductive agent and the binder were used as the positive electrode active material A 1. : Conductor: Binder = 85: 10: 5 (weight ratio), each weighed so as to have a composition to obtain a positive electrode mixture. First, the positive electrode active material A 1 and the conductive agent are sufficiently mixed with an agate mortar, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP: manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) is appropriately added, followed by addition of PVdF. The mixture was mixed so as to be uniform to obtain a slurry. The obtained slurry was apply | coated to the thickness of 100 micrometers using an applicator on the aluminum foil of thickness 40 micrometers which is a positive electrode electrical power collector, and this was put into a drier, and it dried sufficiently, removing NMP, and obtained the positive electrode sheet. The positive electrode sheet was consolidated using a roll press. Also, the Al foil welded by an ultrasonic welding machine, and to do this as an electrode lead wire to obtain a positive electrode B 1.
(2) 부극의 제작(2) production of negative electrode
부극 재료로서 천연 흑연 및 인조 흑연을 이용하여, 결착제로서의 PVdF(가부시끼가이샤 쿠레하 제조)를 천연 흑연:인조 흑연:결합제의 중량비가 58.8:39.2:2의 비율이 되도록 칭량하여 부극합제를 얻고, 결착제를 용제인 NMP에 용해한 후, 탄소 재료 C1을 가하여 슬러리화한 것을 부극 집전체인 두께 10 ㎛의 동박 상에 어플리케이터를 이용하여 100 ㎛의 두께로 도포하고, 이것을 건조기에 넣고 NMP를 제거시키면서 충분히 건조함으로써 부극 시트를 얻었다. 이 부극 시트를 롤 프레스기를 이용하여 도포층의 압밀화를 행하였다. 또한, Ni박을 초음파 용접기로 용접하고, 이것을 전극 리드선으로 하여 부극 D1을 얻었다.Using natural graphite and artificial graphite as negative electrode materials, PVdF (manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a binder was weighed so that the weight ratio of natural graphite: artificial graphite: binder was 58.8: 39.2: 2 to obtain a negative electrode mixture, dissolving the binder in the solvent, NMP, was added to the carbon material C 1 is applied to a slurry to a 100 ㎛ thickness by an applicator on a copper foil of the negative electrode current collector having a thickness of 10 ㎛, and put it in the dryer to remove the NMP The negative electrode sheet was obtained by drying sufficiently, making it dry. The negative electrode sheet was consolidated using a roll press. In addition, welding the Ni foil by ultrasonic welding, and to do this as an electrode lead wire to obtain a negative electrode D 1.
(3) 단전지의 제작(3) Production of unit cell
정극합제가 도포되어 있는 측을 위로 향하여 정극 B1을 두고, 세퍼레이터로서의 폴리프로필렌 다공질막(두께 20 ㎛), 부극합제가 도포되어 있는 측을 밑으로 향하여 부극 D1이 되도록 적층하여 전극군을 얻었다. 전극군을 10 ㎛의 두께의 필름을 포함하는 전지 케이스(Al 라미네이트팩) 내에 삽입하였다.The positive electrode B 1 was placed on the side where the positive electrode mixture was applied upward, and the polypropylene porous membrane (thickness 20 μm) as a separator and the side on which the negative electrode mixture was applied were laminated downward to be the negative electrode D 1 to obtain an electrode group. . The electrode group was inserted into a battery case (Al laminate pack) containing a 10 μm thick film.
에틸렌카르보네이트와 디메틸카르보네이트의 등용량 혼합 용매에 LiPF6을 1.5 mol/L의 비율로 용해시킴으로써 비수전해액을 제조하였다. 상기 전극군 삽입 후의 전지 케이스 내에 상기 비수전해액을 주액하고, 진공 라미네이트 밀봉을 함으로써 나트륨 이온 이차 전지 E1을 제작하였다. 또한, 시험 전지의 조립은 아르곤 분위기의 글로브 박스 내에서 행하였다. 단위 면적당의 부극의 충전 용량이 단위 면적당 정극의 충전 용량에 대하여 1 이상 2 이하가 되도록 중량을 맞추어서 조합하였다.A non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving LiPF 6 in a ratio of 1.5 mol / L in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. By the vacuum laminating sealing injected into the non-aqueous electrolyte in a battery case after the electrode group is inserted, and to prepare a sodium ion secondary battery E 1. In addition, the assembly of the test battery was performed in the glove box of argon atmosphere. The weight was combined so that the charging capacity of the negative electrode per unit area became 1 or more and 2 or less with respect to the charging capacity of the positive electrode per unit area.
여기서 「단위 면적당 정극의 충전 용량」이란 0.1 C의 전류치로 정전류로 4.2 V(리튬 상대극에 대하여)까지 충전하고, 이러한 충전에 의해 단위 면적당의 충전 용량을 산출하는 것을 말한다. 또한 「단위 면적당 부극의 충전 용량」이란 0.05 C의 전류치로 정전류로 0.5 mV(리튬 상대극에 대하여)까지 충전하고, 이러한 충전에 의해 단위 면적당의 충전 용량을 산출하는 것을 말한다.Here, "the charge capacity of a positive electrode per unit area" means charging with a constant current to 4.2V (relative to a lithium counter electrode) at a current value of 0.1 C, and calculating the charge capacity per unit area by such a charge. In addition, "the charge capacity of a negative electrode per unit area" means charging with a constant current to 0.5 mV (relative to a lithium counter electrode) with a current value of 0.05 C, and calculates the charge capacity per unit area by such a charge.
(4) 조전지의 제작(4) fabrication of battery pack
리튬 이온 이차 전지 E1과 동일한 전지 E2, E3, E4, E5를 제작하고, 전부 병렬로 접속하여 조전지 F1을 얻었다.The same batteries E 2 , E 3 , E 4 , and E 5 as in lithium ion secondary battery E 1 were produced, and all were connected in parallel to obtain assembled battery F 1 .
이하의 조건으로 정전류 충방전 시험을 실시하였다.The constant current charge / discharge test was performed under the following conditions.
충방전 조건:Charge / discharge condition:
충전은 4.2 V까지 0.1 C 레이트(10시간에 완전 충전하는 속도)로 CC(콘스탄트 전류: 정전류) 충전을 행하였다. 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 CC 방전을 행하고, 전압 3.0 V에서 차단하였다. 다음 사이클 이후의 충전, 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 행하고, 1 사이클째와 마찬가지로 충전 전압 4.2 V, 방전 전압 3.0 V에서 차단하였다. 충방전 시험은 총 10 사이클 행하고, 10 사이클째의 방전 용량을 방전 용량 1로 하였다.Charging performed CC (constant current: constant current) charging to 0.1V at 0.1 C rate (speed of full charge in 10 hours). The discharge was carried out at the same rate as the charging rate described above, and cut off at a voltage of 3.0V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same speed as the above charging rate, and were cut off at the charge voltage of 4.2 V and the discharge voltage of 3.0 V as in the first cycle. A total of 10 cycles of charge / discharge tests were performed, and the discharge capacity of the 10th cycle was made into discharge capacity 1.
과방전 조건:Over discharge condition:
10 사이클을 행한 전지를 이용하여, 충전은 4.2 V까지 0.1 C 레이트로 CC 충전을 행하였다. 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 전압 0.01 V까지 CC 방전을 행한 후, 전압 0.01 V에서 CV(콘스탄트 전압: 정전압) 방전을 100 h 행하였다. 다음 사이클 이후의 충전, 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 행하고, CC 충방전을 충전 전압 4.2 V, 방전 전압 3.0 V에서 차단하여 행하였다. 과방전 후의 충방전 시험은 총 3 사이클 반복하였다.Charging performed CC charging at 0.1 C rate to 4.2V using the battery which performed 10 cycles. The discharge was subjected to CC discharge to a voltage of 0.01 V at the same rate as the charging rate, followed by 100 h of CV (constant voltage: constant voltage) discharge at a voltage of 0.01 V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same speed as the above charging rate, and CC charging and discharging was performed by cutting off at 4.2 V of charging voltage and 3.0 V of discharge voltage. The charge and discharge test after overdischarge was repeated three cycles in total.
조전지 F1에 대해서, 상기 충방전 조건으로 정전류 충방전 시험, 과방전 시험을 행하고, 각 사이클의 방전 용량의 유지율을 측정하였다.The assembled battery F 1 was subjected to the constant current charge / discharge test and the overdischarge test under the above charge / discharge conditions, and the retention rate of the discharge capacity of each cycle was measured.
방전 용량 유지율(%)=방전 용량/방전 용량 1×100 Discharge capacity retention rate (%) = discharge capacity / discharge capacity 1 * 100
결과, 과방전 후에는, 방전 용량 유지율이 급격히 감소하였다.As a result, after the overdischarge, the discharge capacity retention rate drastically decreased.
실시예 1Example 1
(1) 정극의 제작(1) Production of the positive electrode
탄산나트륨(Na2CO3: 와코 준야꾸 고교 가부시끼가이샤 제조: 순도 99.8%), 산화망간(IV)(MnO2: 가부시끼가이샤 고쥰도 가가꾸 겐뀨쇼 제조: 순도 99.9%), 산화철(II, III)(Fe3O4: 가부시끼가이샤 고쥰도 가가꾸 겐뀨쇼 제조: 순도 99%), 및 산화니켈(II)(NiO: 가부시끼가이샤 고쥰도 가가꾸 겐뀨쇼 제조: 순도 99%)를 이용하고, Na:Mn:Fe:Ni의 몰비가 1:0.4:0.2:0.4가 되도록 칭량하고, 건식 볼밀로 4시간에 걸쳐 혼합하여 원료 혼합물을 얻었다. 얻어진 원료 혼합물을 알루미나 보우트에 충전하고, 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 가열하고 900℃에서 6시간에 걸쳐서 유지함으로써, 정극 활성 물질 A2(NaMn0 .4Fe0 .2Ni0 .4O2)를 얻었다. 또한, 도전제로서 아세틸렌블랙(덴키 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조), 결착제로서 PVdF(가부시끼가이샤 쿠레하 제조)를 이용하여, 정극 활성 물질 A2, 도전제 및 결착제를 정극 활성 물질 A2:도전제:결착제=85:10:5(중량비)의 조성이 되도록 각각 칭량하여, 정극합제를 얻었다. 우선 정극 활성 물질 A2와 도전제를 마노 유발로 충분히 혼합하고, 이 혼합물에 N-메틸-2-피롤리돈(NMP: 도쿄 가세이 고교 가부시끼가이샤 제조)를 적량 가하고, 또한 PVdF를 가하고 계속해서 균일하게 되도록 혼합하여 슬러리가 얻어졌다. 얻어진 슬러리를 정극 집전체인 두께 40 ㎛의 알루미늄박 상에 어플리케이터를 이용하여 100 ㎛의 두께로 도포하고, 이것을 건조기에 넣고 NMP를 제거시키면서 충분히 건조함으로써 정극 시트를 얻었다. 이 정극 시트를 롤 프레스기를 이용하여 도포층의 압밀화를 행하였다. 또한, Al박을 초음파 용접기로 용접하고, 이것을 전극 리드선으로 하여 정극 B2를 얻었다.Sodium carbonate (Na 2 CO 3 : Wako Junyaku Kogyo Co., Ltd .: purity 99.8%), manganese oxide (IV) (MnO 2 : Kabukishi Kagaku Genshusho manufacture: purity 99.9%), iron oxide (II, III) (Fe 3 O 4: whether or sikki manufactured gojyun FIG Chemical Gen kkyusyo prepared: purity: 99%), and nickel oxide (II) (NiO: whether or sikki manufactured gojyun FIG Chemical Gen kkyusyo manufactured by using the 99% pure) Then, the molar ratio of Na: Mn: Fe: Ni was 1: 0.4: 0.2: 0.4, and the mixture was mixed with a dry ball mill over 4 hours to obtain a raw material mixture. Obtained by charging the raw material mixture in an alumina boat, heated in an air atmosphere by using an electric furnace and maintained throughout at 900 ℃ for 6 hours, and the positive electrode active material A 2 (NaMn 0 .4 Fe 0 .2 Ni 0 .4 O 2) Got. In addition, using acetylene black (manufactured by Denki Chemical Co., Ltd.) as a conductive agent and PVdF (manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a binder, the positive electrode active material A 2 , the conductive agent and the binder were used as the positive electrode active material A 2. : Conductive agent: Binder = It was weighed so that it might become a composition of 85: 10: 5 (weight ratio), respectively, and the positive mix was obtained. First, the positive electrode active material A 2 and the conductive agent are sufficiently mixed with agate induction, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP: manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) is added thereto, followed by addition of PVdF. The slurry was obtained by mixing to be uniform. The obtained slurry was apply | coated to the thickness of 100 micrometers using an applicator on the aluminum foil of 40 micrometers thickness which is a positive electrode collector, this was put into a drier, and it dried sufficiently, removing NMP, and the positive electrode sheet was obtained. The positive electrode sheet was consolidated using a roll press. Also, the Al foil welded by an ultrasonic welding machine, and by this to obtain a positive-electrode lead wire B 2.
(2) 부극의 제작(2) production of negative electrode
레조르시놀과 벤즈알데히드를 중합 반응시켰다.Resorcinol and benzaldehyde were polymerized.
4구 플라스크에 질소 기류 하에서 레조르시놀 200 g, 메틸 알코올 1.5 L, 벤즈알데히드 194 g을 넣어 빙냉하고, 교반하면서 36% 염산 36.8 g을 적하하였다. 적하 종료 후 65℃로 승온하고, 그 후 동일 온도에서 5시간 보온하였다. 얻어진 중합 반응 혼합물에 물 1 L을 가하고, 침전을 여과 취출하고, 여액이 중성이 될 때까지 물로 세정하고 건조하여 테트라페닐칼릭스[4]레조르시나렌(이하, PCRA라고 하는 경우가 있음) 294 g을 얻었다. PCRA를 로터리 킬른 내에 넣고, 분위기를 공기 분위기로 하고, 300℃에서 1시간 가열하고, 이어서 로터리 킬른의 분위기를 아르곤으로 치환하여, 1000℃에서 4시간 가열하였다. 이어서, 볼밀(마노제 볼, 28 rpm, 5분간)로 분쇄함으로써 부극 활성 물질로서 탄소 재료 C2를 얻었다. 이 탄소 재료 C2와 결착제로서의 PVdF를 탄소 재료 C2:결착제=95:5(중량비)의 조성이 되도록 칭량하여 부극합제를 얻고, 결착제를 용제인 NMP에 용해한 후, 탄소 재료 C2를 가하여 슬러리화한 것을 부극 집전체인 두께 10 ㎛의 동박 상에 어플리케이터를 이용하여 100 ㎛의 두께로 도포하고, 이것을 건조기에 넣고 NMP를 제거시키면서 충분히 건조함으로써 부극 시트를 얻었다. 이 부극 시트를 롤 프레스기를 이용하여 도포층의 압밀화를 행하였다. 또한, Ni박을 초음파 용접기로 용접하고, 이것을 전극 리드선으로 하여 부극 D2를 얻었다.Into a four-necked flask, 200 g of resorcinol, 1.5 L of methyl alcohol, and 194 g of benzaldehyde were added and cooled with ice, and 36.8 g of 36% hydrochloric acid was added dropwise while stirring. It heated up at 65 degreeC after completion | finish of dripping, and kept warm at the same temperature after that for 5 hours. 1 L of water was added to the obtained polymerization reaction mixture, and the precipitate was collected by filtration, washed with water until the filtrate became neutral, and dried, followed by tetraphenylcalix [4] resorcinene (hereinafter sometimes referred to as PCRA). g was obtained. PCRA was put into a rotary kiln, the atmosphere was made into an air atmosphere, and it heated at 300 degreeC for 1 hour, Subsequently, the atmosphere of a rotary kiln was substituted by argon, and it heated at 1000 degreeC for 4 hours. Next, the carbon material C 2 was obtained as a negative electrode active material by grinding with a ball mill (agate ball, 28 rpm, 5 minutes). The carbon material C 2 and PVdF as a binder are weighed to have a composition of carbon material C 2 : binder = 95: 5 (weight ratio) to obtain a negative electrode mixture, and the binder is dissolved in NMP, which is a solvent, and then carbon material C 2 The slurry which was added and slurried was apply | coated in thickness of 100 micrometers using the applicator on the copper foil of thickness 10 micrometers which is a negative electrode collector, this was put into a drier, and it dried sufficiently, removing NMP, and the negative electrode sheet was obtained. The negative electrode sheet was consolidated using a roll press. In addition, welding the Ni foil by ultrasonic welding, and to do this as an electrode lead wire to obtain a negative electrode D 2.
(3) 단전지의 제작(3) Production of unit cell
알루미늄박을 밑으로 향하여 정극 B2를 두고, 세퍼레이터로서의 폴리프로필렌 다공질막(두께 20 ㎛), 동박을 위로 향하여 부극 D2가 되도록 적층하여 전극군을 얻었다. 전극군을 10 ㎛ 두께의 필름을 포함하는 전지 케이스(Al 라미네이트팩)내에 삽입하였다.The electrode group was obtained by laminating the aluminum foil downward so that the positive electrode B 2 was disposed, the polypropylene porous membrane (thickness 20 μm) as a separator, and the copper foil upward so as to be the negative electrode D 2 . The electrode group was inserted into a battery case (Al laminate pack) containing a 10 μm thick film.
비수전해액으로서의 1 M의 NaClO4/프로필렌카르보네이트, 상기 전극군 삽입 후의 전지 케이스 내에 상기 전해액을 주액하고, 진공 라미네이트 밀봉을 함으로써 나트륨 이온 이차 전지 E6을 제작하였다. 또한, 시험 전지의 조립을 아르곤 분위기의 글로브 박스 내에서 행하였다. 단위 면적당 부극의 충전 용량이 단위 면적당 정극의 충전 용량에 대하여 1 이상 2 이하, 바람직하게는 1.0 이상 1.2 이하, 보다 바람직하게는 1.0 이상 1.1 이하가 되도록 중량을 맞추어서 조합하였다.Injecting the electrolyte solution NaClO 4 / propylene carbonate, a non-aqueous electrolyte is 1 M as in a battery case after inserting the electrode assembly, and by a vacuum laminate sealed to prepare a sodium ion secondary battery E 6. In addition, the assembly of the test battery was performed in the glove box of argon atmosphere. The weight was combined so that the charging capacity of the negative electrode per unit area was 1 or more and 2 or less, preferably 1.0 or more and 1.2 or less, more preferably 1.0 or more and 1.1 or less with respect to the charging capacity of the positive electrode per unit area.
여기서 「단위 면적당 정극의 충전 용량」이란 0.1 C의 전류치로 정전류로 4.0 V(나트륨 상대극에 대하여)까지 충전하고, 이러한 충전에 의해 단위 면적당의 충전 용량을 산출하는 것을 말한다. 또한 「단위 면적당 부극의 충전 용량」이란 0.05 C의 전류치로 정전류로 0.5 mV(나트륨 상대극에 대하여)까지 충전하고, 이러한 충전에 의해 단위 면적당의 충전 용량을 산출하는 것을 말한다.Here, "the charge capacity of a positive electrode per unit area" means charging to 4.0 V (relative to a sodium counter electrode) by a constant current with a current value of 0.1 C, and calculating the charge capacity per unit area by such a charge. In addition, "the charge capacity of a negative electrode per unit area" means charging with a constant current to 0.5 mV (relative to a sodium counter electrode) at a current value of 0.05 C, and calculates the charge capacity per unit area by such a charge.
(4) 조전지의 제작(4) fabrication of battery pack
나트륨 이온 이차 전지 E6과 동일한 전지 E7, E8, E9, E10을 제작하고, 전부 병렬로 접속하여 조전지 F2를 얻었다.The same batteries E 7 , E 8 , E 9 , and E 10 as in sodium ion secondary battery E 6 were produced, and all were connected in parallel to obtain assembled battery F 2 .
이하의 조건으로 정전류 충방전 시험을 실시하였다.The constant current charge / discharge test was performed under the following conditions.
충방전 조건:Charge / discharge condition:
충전은 4.0 V까지 0.1 C 레이트(10시간에 완전 충전하는 속도)로 CC(콘스탄트 전류: 정전류) 충전을 행하였다. 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 CC 방전을 행하고, 전압 1.5 V에서 차단하였다. 다음 사이클 이후의 충전, 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 행하고, 1 사이클째와 마찬가지로 충전 전압 4.0 V, 방전 전압 1.5 V에서 차단하였다. 충방전 시험은 총 10 사이클 행하고, 10 사이클째의 방전 용량을 방전 용량 1로 하였다.Charging performed CC (constant current: constant current) charging at 0.1 C rate (speed of full charge in 10 hours) to 4.0V. The discharge was carried out at the same rate as the above charging rate and interrupted at a voltage of 1.5V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same speed as the above charging rate, and were cut off at a charge voltage of 4.0 V and a discharge voltage of 1.5 V as in the first cycle. A total of 10 cycles of charge / discharge tests were performed, and the discharge capacity of the 10th cycle was made into discharge capacity 1.
과방전 조건:Over discharge condition:
10 사이클을 행한 전지를 이용하고, 충전은 4.0 V까지 0.1 C 레이트로 CC 충전을 행하였다. 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 전압 0.01 V까지 CC 방전을 행한 후, 전압 0.01 V에서 CV(콘스탄트 전압: 정전압) 방전을 100 h 행하였다. 다음 사이클 이후의 충전, 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 행하고, CC 충방전을 충전 전압 4.0 V, 방전 전압 1.5 V에서 차단하여 행하였다. 과방전 후의 충방전 시험은 총 3 사이클 반복하였다.The battery which carried out 10 cycles was charged by CC charging at 0.1 C rate to 4.0V. The discharge was subjected to CC discharge to a voltage of 0.01 V at the same rate as the charging rate, followed by 100 h of CV (constant voltage: constant voltage) discharge at a voltage of 0.01 V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same speed as the above charging rate, and CC charging and discharging was performed by cutting off at a charge voltage of 4.0 V and a discharge voltage of 1.5 V. The charge and discharge test after overdischarge was repeated three cycles in total.
조전지 F2에 대해서, 상기 충방전 조건으로 정전류 충방전 시험, 과방전 시험을 행하고, 각 사이클의 방전 용량의 유지율을 측정하였다.With respect to the battery F 2, subjected to the charging and discharging conditions, a constant current charging and discharging test, the over-discharge test, and measuring the retention rate of discharge capacity at each cycle.
방전 용량 유지율(%)=방전 용량/방전 용량 1×100 Discharge capacity retention rate (%) = discharge capacity / discharge capacity 1 * 100
결과, 과방전 후에도 비교예 1에 비하여 방전 용량 유지율은 감소하지 않았다.As a result, the discharge capacity retention rate did not decrease as compared with Comparative Example 1 even after overdischarge.
실시예 2Example 2
(1) 정극의 제작(1) Production of the positive electrode
폴리프로필렌제 비이커 내에서, 증류수 700 mL에 수산화칼륨 120 g을 첨가하고 교반에 의해 용해하여 수산화칼륨 수용액(침전제 수용액)을 제조하였다. 별도의 폴리프로필렌제 비이커 내에서, 증류수 700 mL에 황산철(II)칠수화물 100 g, 황산니켈(II)육수화물 71.0 g 및 황산망간(II)오수화물 65.1 g을 첨가하고 교반에 의해 용해하여, 철, 니켈 및 망간을 함유하는 혼합 수용액을 얻었다. 상기 침전제 수용액을 교반하면서 이것에 상기 혼합 수용액을 첨가함으로써 침전물이 생성된 슬러리를 얻었다. 이어서, 상기 슬러리를 여과하고, 증류수로 세정하고, 고형분을 회수하였다. 상기 고형분을 100℃에서 건조하여 침전물(Mn:Fe:Ni의 몰비는 0.3:0.4:0.3임)을 얻었다. 침전물과 수산화나트륨을 이용하여, Na:Mn:Fe:Ni의 몰비가 1:0.3:0.4:0.3이 되도록 칭량한 후, 마노 유발을 이용하여 이들을 건식 혼합하여 혼합물을 얻었다. 이어서, 상기 혼합물을 알루미나제 소성 용기에 넣고, 전기로를 이용하여 질소 분위기 중 850℃에서 12시간 유지함으로써 상기 혼합물을 소성하고, 실온까지 냉각하여, 정극 활성 물질 A3(NaMn0 .3Fe0 .4Ni0 .3O2)를 얻었다.In a polypropylene beaker, 120 g of potassium hydroxide was added to 700 mL of distilled water and dissolved by stirring to prepare an aqueous potassium hydroxide solution (precipitant aqueous solution). In a separate polypropylene beaker, 100 g of iron (II) sulfate, 71.0 g of nickel (II) sulfate, and 65.1 g of manganese (II) sulfate pentahydrate were added to 700 mL of distilled water and dissolved by stirring. A mixed aqueous solution containing, iron, nickel and manganese was obtained. The slurry which produced the precipitate was obtained by adding the said mixed aqueous solution to this, stirring the said precipitant aqueous solution. Subsequently, the slurry was filtered, washed with distilled water, and the solids were recovered. The solid was dried at 100 ° C. to obtain a precipitate (molar ratio of Mn: Fe: Ni is 0.3: 0.4: 0.3). Using a precipitate and sodium hydroxide, the molar ratio of Na: Mn: Fe: Ni was 1: 0.3: 0.4: 0.3, and then dry mixed using an agate mortar to obtain a mixture. Then, into the mixture to the alumina sintering vessel, by using an electric furnace, maintained for 12 hours at 850 ℃ nitrogen atmosphere firing the mixture, cooled to room temperature, the positive electrode active material A 3 (NaMn 0 .3 Fe 0 . 4 Ni 0 .3 O 2) was obtained.
정극 활성 물질 A3, 도전재로서의 아세틸렌블랙(덴키 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조) 및 결착제(VT470, 다이킨 고교 가부시끼가이샤 제조)를 정극 활성 물질:도전재:결착제=90:5:5(중량비)의 조성이 되도록 각각 칭량하였다. 그 후, 우선 정극 활성 물질 A3과 도전재를 마노 유발로 충분히 혼합하고, 이 혼합물에 N-메틸-2-피롤리돈(NMP: 도쿄 가세이 고교 가부시끼가이샤 제조)를 가하고, 또한 결착제를 가하고 계속해서 균일하게 되도록 마노 유발로 혼합하여 정극합제 페이스트를 얻었다. 정극합제 페이스트를 집전체인 두께 20 ㎛의 알루미늄박 상에 어플리케이터를 이용하여 100 ㎛의 두께로 도공하였다. 도공된 집전체를 60℃에서 2시간 건조한 후, 4 cm 폭으로 절단한 전극을 롤 프레스(SA-602, 테스터 산교 가부시끼가이샤 제조)를 이용하여 0.5 MPa로 압연함으로써 전극 시트를 얻었다. 이 전극 시트를 전극 펀칭기로 직경 1.45 cm의 원상으로 펀칭하고, 150℃에서 8시간 진공 건조하여, 단위면적당 중량이 서로 약간 다른 정극 B3 및 B4를 얻었다. 단위면적당 중량이란 단위 면적당의 활성 물질 중량을 의미한다.The positive electrode active material A 3 , acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and a binder (VT470, manufactured by Daikin Kogyo Co., Ltd.) as a conductive material were prepared as the positive electrode active material: conductive material: binder = 90: 5: Each was weighed so as to have a composition of 5 (weight ratio). After that, first, the positive electrode active material A 3 and the conductive material are sufficiently mixed with agate induction, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP: manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) is added to the mixture, and a binder is further added. The mixture was added and mixed with agate mortar so as to be uniform, thereby obtaining a positive electrode mixture paste. The positive electrode mixture paste was applied to a thickness of 100 μm using an applicator on a 20 μm thick aluminum foil as a current collector. After drying the coated current collector at 60 degreeC for 2 hours, the electrode sheet was rolled at 0.5 MPa using the roll press (SA-602, Tester Sangyo Co., Ltd. product) using the roll press (SA-602, Tester Sangyo Co., Ltd. product). The electrode sheet was punched into a circular shape having a diameter of 1.45 cm with an electrode puncher, and vacuum dried at 150 ° C. for 8 hours to obtain positive electrodes B 3 and B 4 having slightly different weights per unit area. Weight per unit area refers to the weight of active substance per unit area.
(2) 부극의 제작(2) production of negative electrode
부극 활성 물질로서의 탄소 재료 C3(닛본 카본사 제조, 상품명: 니카비즈ICB-0510)와 결착제로서의 폴리아크릴산나트륨(Wako 제조, 중합도 22,000 내지 70,000), 용매로서의 물을 이용하여 부극합제 페이스트를 제작하였다. 상기 결착제를 물에 용해시킨 결합제 수용액을 제작하고, 부극 활성 물질 C3:결착제:물=97:3:150(중량비)의 조성이 되도록 칭량하고, 디스퍼매트(VMA-GETZMANN사 제조)를 이용하여 교반, 혼합함으로써 부극합제 페이스트를 얻었다. 회전 날개의 회전 조건은 2,000 rpm, 5분간으로 하였다. 얻어진 부극합제 페이스트를 동박에 닥터 블레이드를 이용하여 도공하고, 60℃에서 2시간 건조 후 롤 프레스를 이용하여 4 cm 폭으로 절단한 전극을, 롤 프레스(SA-602, 테스터 산교 가부시끼가이샤 제조)를 이용하여 0.5 MPa로 압연함으로써 전극 시트를 얻었다. 이 전극 시트를 전극 펀칭기로 직경 1.50 cm의 원상으로 펀칭하고, 100℃에서 8시간 진공 건조하여, 단위면적당 중량이 서로 약간 상이한 부극 D3 및 D4를 얻었다.A negative electrode mixture paste was prepared using a carbon material C 3 (manufactured by Nippon Carbon Corporation, trade name: Nikka Biz ICB-0510) as a negative electrode active material, sodium polyacrylate (manufactured by Wako, polymerization degree 22,000 to 70,000) as a binder, and water as a solvent. It was. A binder aqueous solution prepared by dissolving the binder in water was prepared, weighed so as to have a composition of negative electrode active material C 3 : binder: water = 97: 3: 150 (weight ratio), and a dispermat (manufactured by VMA-GETZMANN) The mixture mixture was stirred and mixed to obtain a negative electrode mixture paste. The rotation conditions of the rotor blade were 2,000 rpm, and 5 minutes. The obtained negative electrode mixture paste was coated on copper foil using a doctor blade, dried at 60 ° C. for 2 hours, and then cut into an electrode having a width of 4 cm using a roll press (SA-602, manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.). The electrode sheet was obtained by rolling to 0.5 MPa using. The electrode sheet was punched into a circular shape having a diameter of 1.50 cm with an electrode puncher, and vacuum dried at 100 ° C. for 8 hours to obtain negative electrodes D 3 and D 4 that were slightly different in weight per unit area.
(3) 단전지의 제작(3) Production of unit cell
코인셀(호우센 가부시끼가이샤 제조)의 하측 파트의 오목부에 알루미늄박을 밑으로 향하여 정극 B3을 두고, 세퍼레이터로서의 폴리프로필렌 다공질막(두께 20 ㎛), 동박을 위로 향하여 부극 D3이 되도록 적층하고, 비수전해액으로서의 1 M의 NaClO4/프로필렌카르보네이트를 주액하고, 상측 파트를 조합하여 코킹함으로써 나트륨 이온 이차 전지 E11을 제작하였다. 또한, 시험 전지의 조립은 아르곤 분위기의 글로브 박스 내에서 행하였다. 동일하게 하여 정극 B4와 부극 D4를 이용하여 나트륨 이온 이차 전지 E12를 얻었다.Place the positive electrode B 3 with the aluminum foil facing downward in the recess of the lower part of the coin cell (manufactured by Hoosen Kabukishi Co., Ltd.) so that the polypropylene porous membrane (thickness 20 µm) as the separator and the negative electrode D 3 face the copper foil upward. by laminating, and injecting a non-aqueous NaClO 4 / propylene carbonate electrolyte solution of 1 M as the caulking by combining the upper part was produced in the sodium ion secondary battery E 11. In addition, the assembly of the test battery was performed in the glove box of argon atmosphere. In the same manner, sodium ion secondary battery E 12 was obtained using positive electrode B 4 and negative electrode D 4 .
나트륨 이온 이차 전지 E11에 있어서 단위 면적당의 부극의 충전 용량은 단위 면적당의 정극의 충전 용량에 대하여 1.07이었다. 나트륨 이온 이차 전지 E12에 있어서 단위 면적당의 부극의 충전 용량은 단위 면적당의 정극의 충전 용량에 대하여 1.05였다.In sodium ion secondary battery E 11 , the charging capacity of the negative electrode per unit area was 1.07 with respect to the charging capacity of the positive electrode per unit area. In sodium ion secondary battery E 12 , the charging capacity of the negative electrode per unit area was 1.05 with respect to the charging capacity of the positive electrode per unit area.
여기서 「단위 면적당 정극의 충전 용량」이란 0.1 C(10시간에 완전 충전하는 속도)의 전류치로 정전류로 4.0 V(나트륨 상대극에 대하여)까지 충전하고, 이러한 충전에 의해 단위 면적당의 충전 용량을 산출하는 것을 말한다. 또한 「단위 면적당 부극의 충전 용량」이란 0.05 C(20시간에 완전 충전하는 속도)의 전류치로 정전류로 0.5 mV(나트륨 상대극에 대하여)까지 충전하고, 이러한 충전에 의해, 단위 면적당의 충전 용량을 산출하는 것을 말한다.Here, the "charging capacity of the positive electrode per unit area" is charged to a constant current of 4.0 V (relative to the sodium counter electrode) at a current value of 0.1 C (speed of full charge in 10 hours), and the charging capacity per unit area is calculated by this charging. I say that. In addition, "the charge capacity of the negative electrode per unit area" is charged to a constant current to 0.5 mV (relative to the sodium counter electrode) at a current value of 0.05 C (speed of full charge in 20 hours), and by this charging, the charge capacity per unit area is obtained. It is to calculate.
(4) 조전지의 제작(4) fabrication of battery pack
나트륨 이온 이차 전지 E11과 전지 E12를 병렬로 접속하여 조전지 F3을 얻었다.Sodium ion secondary battery E 11 and battery E 12 were connected in parallel, and assembled battery F 3 was obtained.
조전지 F3에 대해서, 이하의 조건으로 정전류 충방전 시험을 실시하였다.The assembled battery F 3 was subjected to the constant current charge / discharge test under the following conditions.
충방전 조건:Charge / discharge condition:
충전은 4.0 V까지 0.1 C 레이트로 CC(콘스탄트 전류: 정전류) 충전을 행하였다. 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 CC 방전을 행하고, 전압 1.5 V에서 차단하였다. 다음 사이클 이후의 충전, 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 행하고, 1 사이클째와 마찬가지로 충전 전압 4.0 V, 방전 전압 1.5 V에서 차단하였다. 충방전 시험은 총 10 사이클 행하고, 10 사이클째의 방전 용량을 방전 용량 1로 하였다.Charging performed CC (constant current: constant current) charging at 0.1 C rate to 4.0V. The discharge was carried out at the same rate as the above charging rate and interrupted at a voltage of 1.5V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same speed as the above charging rate, and were cut off at a charge voltage of 4.0 V and a discharge voltage of 1.5 V as in the first cycle. A total of 10 cycles of charge / discharge tests were performed, and the discharge capacity of the 10th cycle was made into discharge capacity 1.
과방전 조건:Over discharge condition:
10 사이클을 행한 전지를 이용하고, 충전은 4.0 V까지 0.1 C 레이트로 CC 충전을 행하였다. 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 전압 0.01 V까지 CC 방전을 행한 후, 전압 0.01 V에서 CV(콘스탄트 전압: 정전압) 방전을 100 h 행하였다. 다음 사이클 이후의 충전, 방전은 상기 충전 속도와 동일 속도로 행하고, CC 충방전을 충전 전압 4.0 V, 방전 전압 1.5 V에서 차단하여 행하였다. 과방전 후의 충방전 시험은 총 3 사이클 반복하였다.The battery which carried out 10 cycles was charged by CC charging at 0.1 C rate to 4.0V. The discharge was subjected to CC discharge to a voltage of 0.01 V at the same rate as the charging rate, followed by 100 h of CV (constant voltage: constant voltage) discharge at a voltage of 0.01 V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same speed as the above charging rate, and CC charging and discharging was performed by cutting off at a charge voltage of 4.0 V and a discharge voltage of 1.5 V. The charge and discharge test after overdischarge was repeated three cycles in total.
조전지 F3에 대해서, 상기 충방전 조건으로 정전류 충방전 시험, 과방전 시험을 행하고, 각 사이클의 방전 용량의 유지율을 측정하였다.The assembled battery F 3 was subjected to the constant current charge / discharge test and the overdischarge test under the above charge and discharge conditions, and the retention rate of the discharge capacity of each cycle was measured.
방전 용량 유지율(%)=방전 용량/방전 용량 1×100Discharge capacity retention rate (%) = discharge capacity / discharge capacity 1 * 100
결과, 과방전 후에 있어서의 각 사이클의 방전 용량 유지율은 100%였다.As a result, the discharge capacity retention rate of each cycle after overdischarge was 100%.
본 발명에 따른 조전지는 과방전에 의한 전지 성능의 열화가 발생하기 어렵다는 효과를 갖고, 전기 자동차의 전원이나 전력 평준화용 전원 등으로서 유용하다.The battery pack according to the present invention has the effect that deterioration of battery performance due to overdischarge is unlikely to occur, and is useful as a power source for an electric vehicle, a power leveling power source, or the like.
Claims (4)
상기 단전지가 나트륨 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 정극 활성 물질을 포함하는 정극, 부극 및 전해질을 갖는 나트륨 이온 이차 전지인 조전지.An assembled battery in which a plurality of unit cells are connected to each other,
An assembled battery according to claim 1, wherein the unit cell is a sodium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing a positive electrode active material capable of doping and undoping sodium ions.
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