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JP-2026514589-A - リチウム金属電池、これを含む電池モジュールおよび電池パック

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Abstract

本発明の一実施例に係るリチウム金属電池は、負極、正極および前記負極と前記正極との間に介在する分離膜を含む電極組立体；前記電極組立体を含浸する電解液；ならびに前記電極組立体と前記電解液とを内蔵する電池ケースを含み、前記負極は、負極集電体と前記負極集電体の少なくとも一面上に形成されたリチウム金属層を含み、前記リチウム金属電池に２ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上３０ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下の圧力が加えられる状態で充電および放電される。

Inventors

  • テジョン・キム
  • フンヒ・イム
  • ドンソク・シン
  • スヒョン・キム
  • コンジェ・イ
  • ミンジェ・チョ

Assignees

  • エルジー エナジー ソリューション リミテッド

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20240607
Priority Date
20230607

Claims (14)

  1. 負極、正極、および前記負極と前記正極との間に介在する分離膜を含む電極組立体； 前記電極組立体を含浸する電解液；ならびに 前記電極組立体と前記電解液とを内蔵する電池ケースを含む、リチウム金属電池であって、 前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体の少なくとも一面上に形成されたリチウム金属層とを含み、 前記リチウム金属電池に２ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上３０ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下の圧力が加えられる状態で充電および放電される、リチウム金属電池。
  2. 前記リチウム金属電池に定位加圧方式で圧力が加えられ、 前記リチウム金属電池に加えられる圧力は、７ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上１２ｋｇｆ／ｃｍ ２ 未満である、請求項１に記載のリチウム金属電池。
  3. 前記リチウム金属電池に加えられる圧力は、８ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上１１ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下である、請求項２に記載のリチウム金属電池。
  4. 前記リチウム金属電池に定変圧加圧方式で圧力が加えられ、 前記リチウム金属電池に加えられる圧力は、４ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上３０ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下である、請求項１に記載のリチウム金属電池。
  5. 前記リチウム金属電池に加えられる圧力は、５ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上２５ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下である、請求項４に記載のリチウム金属電池。
  6. 前記定変圧加圧方式に適用される弾性部材の等価ばね定数は、６０ｋｇｆ／ｍｍ以上１０００ｋｇｆ／ｍｍ以下である、請求項４または請求項５に記載のリチウム金属電池。
  7. 前記リチウム金属電池に定圧加圧方式で圧力が加えられ、 前記リチウム金属電池に加えられる圧力は、１０ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上３０ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下である、請求項１に記載のリチウム金属電池。
  8. 前記リチウム金属電池に定圧加圧方式で圧力が加えられ、 前記リチウム金属電池に加えられる圧力は、１０ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上２５ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下である、請求項７に記載のリチウム金属電池。
  9. 前記リチウム金属電池は、パウチ型リチウム金属電池である、請求項１に記載のリチウム金属電池。
  10. 前記リチウム金属電池は、加圧ジグに取り付けられ、前記加圧ジグによって前記圧力が加えられる、請求項１に記載のリチウム金属電池。
  11. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体、および前記電池セル積層体を収納するモジュールケースを含み、 前記電池セルは、請求項１～５または７～１０のいずれか一項に記載のリチウム金属電池である、電池モジュール。
  12. 前記リチウム金属電池への加圧方式が定圧加圧方式である場合には、前記モジュールケース内に、前記電池セルの大面積との距離が可変に設けられた加圧ユニットと、前記加圧ユニットを移動させることができる駆動ユニットと、加圧部材に印加される圧力を測定する測定ユニットと、前記測定ユニットから測定されたデータの入力を受けて前記加圧部材に印加される圧力を一定に調節する制御部と、をさらに含む、請求項１１に記載の電池モジュール。
  13. 前記リチウム金属電池への加圧方式が定変圧加圧方式である場合には、前記モジュールケース内に弾性部材をさらに含む、請求項１１に記載の電池モジュール。
  14. 請求項１１に記載の電池モジュールおよび前記電池モジュールを収納するパックケースを含む、電池パック。

Description

［関連出願の相互参照］ 本出願は、２０２３年６月７日付の韓国特許出願第１０－２０２３－００７３０２２号および２０２４年６月５日付の韓国特許出願第１０－２０２４－００７３７２０号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。 本発明は、リチウム金属電池、これを含む電池モジュールおよび電池パックを含む電池モジュールに関するものであって、より詳しくは、リチウム金属電池の充電および放電時に、リチウム金属電池に所定の圧力が加えられることを特徴とするリチウム金属電池、これを含む電池モジュールおよび電池パックに関するものである。 現在のエネルギー源としての二次電池に対して需要が急激に増加しており、そのような二次電池の中でも高いエネルギー密度および作動電位を示し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池が商用化して幅広く使用されている。 代表的に、電池の形状の観点では、薄い厚さで携帯電話機などのような製品に適用することができる角型二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料の観点では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性のリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。 一般的にリチウム二次電池は、正極と負極および多孔性分離膜からなる電極組立体に非水系電解液が含浸されている構造となっている。また、一般的に、前記正極は正極活物質を含む正極合剤をアルミ箔にコーティングして製造され、負極は負極活物質を含む負極合剤を銅箔にコーティングして製造される。 正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物であり、負極活物質は、カーボン系物質を使用してきたが、最近、負極活物質として、高いエネルギー密度を示すリチウム金属自体を使用するリチウム金属電池が商用化されている。 この時、前記負極として使用されるリチウム金属は密度（０．５４ｇ／ｃｍ３）が低く、また、標準還元電位（－３．０４５Ｖ ＳＨＥ）が非常に低いので、高エネルギー密度電池用負極材料として最も脚光を浴びている材料である。また、化学的に活性が非常に高いため発生する問題にもかかわらず、最近、移動通信および携帯用電子機器の使用の持続的な増加および急速な発展に伴い、高エネルギー密度の二次電池の開発に対する要求が増え続けているため、リチウム金属負極の使用に対する必要性も台頭している。 この時、前記負極としてリチウム金属電極を使用する場合、リチウムイオン電池と異なり、充放電時にリチウム金属が蒸着されるか無くなるので、リチウムイオン電池に比べて電池セルの厚さの変化がより大きい。リチウムが充電される時には局部的に電着が集中する針状のリチウムの発生により多孔性層（ｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ）が形成され得る。これは、電池の抵抗を増加させ、内部短絡までもたらすこともあるなど、電池の安定性が低下する可能性がある。リチウムが放電される時は分離膜と負極界面の間が遠くなって抵抗が増加する。このような充放電による変形が繰り返されることにより、内部素子が劣化して充放電サイクル寿命が短くなるなどの問題が発生する。 したがって、このような問題を解決するリチウム金属電池、これを含む電池モジュールおよび電池パックの開発が必要である。 定位加圧方式を概略的に説明する図である。定圧加圧方式を概略的に説明する図である。定変圧加圧方式を概略的に説明する図である。本発明の実施例１および比較例１で電池セルに加えられる圧力を変えて、充放電サイクル当たり、毎回測定された放電容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）およびＣ／Ｅ（ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、クーロン効率）を示すグラフである。充放電の回数を変えて電池セルの放電容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）による電池セルの正極と負極間の電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）値を測定した結果を示すグラフである。定位加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定位加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定位加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定変圧加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定変圧加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定変圧加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定圧加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定圧加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。定圧加圧方式の場合、電池セルに加えられる圧力を変えてテストした結果をグラフに示した。 以下、添付した図面を参考として、本発明の様々な実施例に対して本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は、様々な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。 また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。 本発明の一実施例に係るリチウム金属電池は、負極、正極および前記負極と前記正極との間に介在する分離膜を含む電極組立体、前記電極組立体を含浸する電解液；および電極組立体と電解液を内蔵する電池ケースを含む。負極は負極集電体と前記負極集電体の少なくとも一面上に形成されたリチウム金属層を含む。 前述のように、従来のリチウム金属電池は、充電時には局部的に電着が集中する針状のリチウムが形成されることがあり、放電時には分離膜と負極界面の間が遠くなる現象によって抵抗が増加して放電容量が減少する問題が発生し、このような充放電による変形が繰り返されることにより、内部素子が劣化して充放電サイクル寿命が短くなるなどの問題が発生する。 このような問題を改善するために、本発明のリチウム金属電池は、所定の圧力で加圧した状態で充電および放電が行われる。リチウム金属が成長して消滅する速度に合わせて加圧する場合、リチウム金属電池の性能が向上する。 本発明のリチウム金属電池は、充電および／または放電時に２ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下の圧力が電池セルに加えられる。 定位加圧方式の場合、リチウム金属電池に加えられる圧力は、７ｋｇｆ／ｃｍ２以上１２ｋｇｆ／ｃｍ２未満、または８ｋｇｆ／ｃｍ２以上１１ｋｇｆ／ｃｍ２以下であってもよい。 定変圧加圧方式の場合、リチウム金属電池に加えられる圧力は、４ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下、または５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２５ｋｇｆ／ｃｍ２以下であってもよい。定変圧加圧方式に適用される弾性部材のばね定数は、６０ｋｇｆ／ｍｍ以上１０００ｋｇｆ／ｍｍ以下であってもよい。 定圧加圧方式の場合、リチウム金属電池に加えられる圧力は、１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下、または１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上２５ｋｇｆ／ｃｍ２以下であってもよい。 本明細書でリチウム金属電池に圧力が加えられるということは、リチウム金属電池の厚さ方向、または大面積の面へ圧力が加えられることを意味する。リチウム金属電池の充電・放電時にいずれも一定以上の圧力維持が必要である。充電時には、リチウムメタルが生じて成長するため、リチウム金属電池に圧力を加えて多孔性（ｐｏｒｏｕｓ）の形状に成長しないようにするために圧力が必要である。放電時には、リチウムメタルが消耗して局部的に多孔性（ｐｏｒｏｕｓ）の形態になり得るので、この場合にもリチウム金属電池に圧力を加える。 一方、充電時に電池セルに加えられる圧力が本発明の実施例に係る条件を満足する場合に、充電時に発生し得るリチウムの局部的な電着を効果的に防止しながらも、過度な加圧による電解液の漏液、電池セル抵抗の増加、分離膜の圧着などが発生しないため、電池セル安全性を確保することができる。 また、放電時に電池セルに加えられる圧力が本発明の実施例に係る条件を満足する場合に、分離膜と負極界面の間の空間を最小にして電池セルの抵抗を減らすことができ、放電容量の減少を防止することができる。 ここで述べる充電および放電は、電池セルの製造工程（たとえば、活性化工程等）で行われる充放電だけでなく、電池セル製品の出荷後、実際の電池セルを含む製品の使用時での充電・放電をいずれも意味する。 このようなリチウム金属電池への加圧方式としては、定位加圧方式、定圧加圧方式、および定変圧加圧方式の三つがあり、これらは加圧ジグ、電池モジュールおよび／または電池パックなどで実現することができる。図１、図２、および図３はそれぞれ、定位、定圧、定変圧加圧方式を概略的に説明する図である。 図１の定位加圧方式は、電池セル１０を挟んだ両側の加圧部材１１０の間の距離（間隔）を一定に維持する方式である。たとえば、電池セルの製造工程では、加圧ジグの間の距離が一定の場合であってもよい。または通常の電池モジュールケースおよび／または電池パックケースの場合であってもよい。この場合、電池セルを取り付けた製品の実使用時には、電池セルが収納された電池モジュールまたは電池パックのフレーム（ハウジング）間の距離が一定の場合に該当する。 加圧部材１１０の間の距離が一定に維持されるので、充電時にリチウム金属電池が膨張することによって、場合によっては、電池セル１０に大きい圧力が加えられてもよい。または放電時に分離膜と負極界面の間が徐々に遠くなるにもかかわらず、電池セルの両側の加圧部材１１０の間の距離はそのまま一定であるので、放電時に必要なほど圧力を加えることができない状況が発生し得る。したがって、充放電時に定位加圧方式だけを適用することもできるが、圧力変化の程度が少ない方式として、後述する定圧加圧方式や定変圧加圧方式を混用して適用することもできる。 図２の定圧加圧方式は、加圧部材１１０が印加する圧力を一定に維持するように制御する方式である。つまり、加圧部材１１０によって一定の値の圧力が電池セル１０に加えられる方式である。たとえば、電池セルの製造工程では、加圧ジグに一定の値の圧力が加えられる場合であってもよい。電池セルを取り付けた製品の実使用時には、電池セルが収納された電池モジュールまたは電池パックのフレーム（ハウジング）の内部および／または外部から電池セルへ一定の値の圧力が加えられる場合であってもよい。 定圧加圧方式を適用する場合、定圧を維持するために、締め付けの程度によって圧力を調節する機械的装置を含み、充電時には、電池セル１０への加圧位置で締め付けを解いて圧力を維持し、放電時には、電池セル１０への加圧位置で締め付けの程度を高めて圧力をさらに与える方式で圧力を維持することができる。例えば、本発明に係る電池モジュールおよび／または電池パックは、電池セル１０を挟んで電池セル１０の両側に設けられ、電池セル１０の大面積との距離が可変可能に設けられた加圧ユニット１１０、加圧ユニット１１０を移動させることができる駆動ユニット１２０、加圧部材に印加される圧力を測定する測定ユニット１３０、測定ユニットから測定されたデータの入力を受けて加圧部材に印加される圧力を一定に調節する制御部（図示せず）等を含むことができる。駆動ユニット１２０は、例えば、モータ（サーボモーター等）であってもよく、測定ユニット１３０は、例えば、ロッド（ロード）セルであってもよい。 図３の定変圧加圧方式は、定位加圧方式を一部変形した場合であって、電池セル１０を挟んだ両側の加圧部材１１０の間の距離（間隔）を一定に維持し、加圧部材１１０の一面または両面と電池セル１０の間に弾性部材１４０を介在する。つまり、加圧部材１１０による加圧力および弾性部材１４０による弾