KR101189257B1 - 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전극이 개시된다. 전극은, 집전체, 전극층 및, 집전체 및 전극층 중 적어도 하나에 마련된 복수 개의 기공을 포함한다. 이에 따라 전지의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
다공성(多孔性), 전극

Description

전극 및 그 제조 방법{Electrode and fabricating method thereof}
본 발명은 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수 개의 기공을 포함하는 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자, 정보통신 산업의 발전은 전자기기의 휴대화, 소형화, 경량화, 고성능화를 통하여 급속한 성장을 보이고 있다. 따라서 이들 휴대용 전자기기의 전원으로 고성능의 이차전지로 채용되고 있으며, 수요가 급증하고 있다. 충전과 방전을 거듭하며 사용하는 이차 전지는 정보통신을 위한 휴대용 전자기기나 전기자전거, 전기 자동차 등의 전원으로 필수적이다. 특히 이들의 제품성능이 핵심부품인 전지에 의해 좌우되므로 고성능 전지에 대한 요구는 대단히 크다.
이에 따라 에너지 저장 기기의 성능을 향상시키고, 소형화를 추가할 수 있는 전지의 필요성이 대두된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기공도에 변화가 있는 전극 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 전극은, 집전체, 전극층 및 상기 집전체 및 상기 전극층 중 적어도 하나에 마련된 복수 개의 기공을 포함한다.
여기서, 상기 복수 개의 기공은 상기 집전체에 마련되고, 상기 전극 층은 상기 집전체 내에 마련된 기공 내에 배치되는 전극 활물질을 포함하며, 상기 복수 개의 기공의 기공도는 상기 전극층과의 거리에 반비례하여 증대될 수 있다.
또한, 상기 전극층은 상기 집전체의 표면 상에 형성되고, 상기 복수 개의 기공은 상기 전극층에 마련되며, 상기 복수 개의 기공의 기공도는 상기 집전체의 표면으로부터의 거리에 비례하여 점진적으로 증대되는 될 수 있다.
여기서, 상기 집전체 및 상기 전극층 중 적어도 하나는, 에어로졸 방식으로 형성될 수 있다.
또한, 상술한 실시 예 중 어느 하나에 따른 전극을 음극 및 양극 중 적어도 하나로 이용하는 전지를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 제조 방법은, 집전체를 마련하는 단계, 상기 집전체 상에 전극층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 집전체 및 상기 전극층 중 적어도 하나는 복수 개의 기공을 포함한다.
여기서, 상기 복수 개의 기공은 상기 집전체에 마련되고, 상기 전극 층은 상기 집전체 내에 마련된 기공 내에 배치되는 전극 활물질을 포함하며, 상기 복수 개의 기공의 기공도는 상기 전극층과의 거리에 반비례하여 증대될 수 있다.
또한, 상기 전극층은 상기 집전체의 표면 상에 형성되고, 상기 복수 개의 기공은 상기 전극층에 마련되며, 상기 복수 개의 기공의 기공도는 상기 집전체의 표면으로부터의 거리에 비례하여 점진적으로 증대될 수 있다.
여기서, 상기 집전체 및 상기 전극층 중 적어도 하나는, 에어로졸 방식으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 전지의 효율을 향상시키고, 전지 사이즈를 최소화할 수 있게 된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성(多孔性) 집전체의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 1에 따르면, 집전체(110)는 패드부(111) 및 집전체부(112)를 포함한다.
패드부(110)는 외부 단자와 열결하기 위한 부분으로 기공이 존재하지 않는 판 형태가 될 수 있다.
집전체부(112)는 전극 활물질과 접하는 부분으로 다수의 기공(10)을 포함하는 형태가 될 수 있다.
집전체부(112)의 기공율은 패드부(110)로부터 거리에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 집전체부(112)의 기공율은 패드부(110)로부터 거리에 비례하여 증가한다. 이에 따라 집전체부(112) 상에 형성되는 전극층(미도시)과의 접촉면적이 증가하게 된다.
또한, 전극을 구성하는 활물질이 집전체부(112) 내의 기공 내에 위치되어 전극의 전체 사이즈가 줄어들 수 있다.
집전체(110)는 전극활물질과 전지 단자 사이에 전자의 흐름을 만드는 역할을 하는 것으로, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 한정되지 않고 이용될 수 있다.
집전체(110)로는 예를 들어, 구리, 니켈, 스테인레스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 카본-코팅된 알루미늄, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또는 상술한 재료 중 적어도 하나의 표면을 다른 하나로 표면 코팅한 재료 등이 사용될 수 있다.
경우에 따라서는, 집전체(110)로서 Ti-Ni계 형상기억 2원계 합금 또는 Ti-Ni-X계 형상기억 3원계 합금을 사용하고, 집전체(110)의 표면에 내부황화법으로 Ti 황화물 및 Ni 황화물을 생성시켜 양극 활물질로서 사용되도록 구성됨으로써 형상기억 특성을 가지며 전지의 집전체와 양극의 역할을 하나의 소자로 동시에 수행하도록 할 수 있다.
경우에 따라서, 집전체(110)를 에칭하여 표면적을 증가시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 집전체를 이용하는 전극 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에 따르면 전극(100)은 집전체(110) 및 전극층(120)을 포함한다.
집전체(110)는 도 1에 도시된 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
전극층(120)은 전지 내의 전해질과 전기화학적 반응을 수행하는 물질로, 활 물질 및 도전재가 혼합된 슬러리 형태가 될 수 있으며, 경우에 따라서는 바인더를 더 포함하는 형태가 될 수 있다.
전극층(120)은 다수의 기공(20)을 포함하며, 전극층(120)의 기공도는 집전체(110)로부터의 거리에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 전극층(120)의 기공도는 집전체(110)로부터 거리에 비례하여 증가할 수 있다.
전극층(120)을 다공성 집전체(110) 상에 형성하고 프레스 압착하거나, 액체 상태의 전극층(120)을 다공성 집전체(110)에 코팅하는 방법(CVD법)으로 다공성 집전체(110)와 밀착시킬 수 있다. 이 경우, 전극(100)은 집전체(110)의 기공(10) 내에 전극층(120)을 구성하는 활물질이 삽입된 형태의 전극 일체형 소자가 될 수 있다.
한편, 도 2a에서는 다공성 전극층(120)이 다공성 집전체(110) 상부에 형성되면서 전극층 일부가 다공성 집전체(110)의 기공 내로 삽입되는 것으로 도시하였으나, 도 2b에 도시된 바와 같이 다공성 전극층(120) 대부분이 다공성 집전체(100)의 기공(10) 내에 삽입되어 하나의 일체형 소자를 형성하는 형태가 될 수 있다.
도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 전극의 단면을 보여주는 도면이다.
도 2c 에 따르면, 다공성 전극(100)의 단면은 다공성 집전체(110)의 기공 내에 전극층(120)을 구성하는 슬러리가 충전된 형태가 될 수 있다.
한편, 전극(100)이 리튬 전지에 이용되는 경우 전극층(120)을 구성하는 활물질은 리튬의 가역적인 삽입/탈리(intercalation/deintercalation) 현상이 가능한 화합물이라면 제한되지 않고 활물질로 적용될 수 있다.
전극(100)이 리튬 전지의 음극으로 이용되는 경우, 활물질로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극 활물질로 제조된 것을 사용한다. 리튬 합금으로는 리튬/알루미늄 합금, 리튬/주석 합금을 사용할 수 있다.
리튬 이온을 가역 반응을 일으킬 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 또한, 리튬 금속과 가역적으로 화합물을 형성할 수 있는 물질의 대표적인 예로는 티타늄 나이트레이트를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 금속계 활물질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 리튬 금속, 리튬과 합금화 가능한 금속 물질 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 리튬과 합금화 가능한 금속 물질로는 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, Ag, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, Sb,Ni,Bi 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
한편, 전극(100)이 리튬 전지의 양극으로 이용되는 경우, 양극 활물질로는 리튬의 가역 반응을 일으킬 수 있는 화합물이면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 일 예로, Ni3Si2, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4, V2O5, TiS, MoS 등이 있으며, 이 중 적어도 하나가 선택되어 사용될 수 있다.
경우에 따라서는, 활물질 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 활물질과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다.　이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다.　이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다.　또한, 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.　
코팅층 형성 공정은 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 당업자 수준에서 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 활물질은 활물질층 총 중량에 대하여 용량 저하나 상대적인 바인더 양의 감소로 집전체와의 결합력이 저하될 우려되지 않을 정도로 포함될 수 있다.
도전재는 도전성 고분자로 형성될 수 있다. 전기전도성을 가지는 고분자로, 폴리설퍼니트리트(Poly(sulfurnitrile)), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리페닐렌(Poly(p-phenylene)), 폴리페닐렌설파이드(Poly(phenylenesulfide)), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리페닐렌비닐렌(Poly(p-phenylenevinylene) 등으로 구현될 수 있다.
한편, 전극 활물질 및 도전성 고분자는 집전체(110)에 적층되기 전에 혼합될 수 있다. 구체적으로, 전극 활물질 및 도전성 고분자는 분말 형태로 구현될 수 있는바, 분말 가루를 혼합하여 혼합물을 형성할 수 있으며, 전극 활물질 표면에 도전성 고분자를 코팅하여 중합체 형태로 혼합할 수도 있다. 이와 같은 전극 활물질과 도전성 고분자의 중합은, 다양한 중합 방법, 합성, 치환 등의 방식으로 형성될 수 있으며, 도전성 고분자의 제조 과정에서 전극 활물질을 추가하여 전극 활물질 및 도전성 고분자의 중합체를 만들 수도 있다.
한편, 도전재는 그 형태가 특별히 한정되는 것이 아니며, 입상, 인편상, 섬유상 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다.
바인더로는 예를 들어 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐디플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 바인더로는 수계 바인더가 이용될 수 있다. 수계 바인더는 전극(110)으로 전지를 제조하는 경우 전해질이 잘 스며들 수 있다는 장점이 있다.
예를 들어, 수계 바인더로는 아크릴로니트릴 부타디엔 고무, 스티렌-부타디 엔 고무, 아크릴 고무, 히드록시에틸셀룰로우즈, 카르복시메틸셀룰로우즈, 및 폴리불화비닐리덴으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상 재료가 이용될 수 있다.
또한, 전극층(120)을 구성하는 입자들을 분쇄(grinding)하고 체질(seiving)하여 입도를 조절할 수 있다.
한편, 집전체(110) 및 전극층(120) 내 기공은 통상의 기공형성방법에 따라 형성될 수 있다. 기공형성제를 사용하여 기공을 형성하는 경우 이때 사용되는 기공형성제의 크기, 함량 및 그 처리방법에 따라 전극 활물질층에 형성되는 기공의 크기, 분포 및 기공도를 조절할 수 있다. 여기서, 기공형성제로는 통상 기공 형성을 위하여 사용된 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용가능하다. 구체적으로는 열처리에 의해 휘발 제거되어 활물질층내 기공을 형성할 수 있는 (NH4)2CO3, NH4HCO3, (NH4)2C2O4 및 이들의 혼합물, 비수성 유기 용매에 용해되어 용출가능한 폴리(알킬렌카보네이트), 폴리(알킬렌옥사이드), 폴리(디알킬실록산), 아크릴레이트계 고분자 등의 고분자 물질, 또는 산에 용해되어 용출가능한 Li2CO3, K2CO3, Na(CO3)2 등의 알칼리 금속 함유 탄산염 등을 사용할 수 있다. 여기서, 활물질층의 기공도는 부피 팽창 억제 및 에너지 밀도에 부정적인 영향을 미치지 않을 정도가 될 수 있다.
또한, 집전체(110) 및 전극층(120) 내의 기공(10, 20)은 에어로졸 방식으로 형성될 수도 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 집전체(110) 내의 기공율은 전극층(120)과 접하는 부분으로 멀어질수 록 감소하고, 전극층(120) 내의 기공율은 집전체(110)와 접하는 부분으로부터 멀어질수록 증가할 수 있다. 이에 따라 집전체(110) 및 전극층(120)이 접하는 면적 및, 전극층(120)과 전지를 구성하는 전해질이 접하는 면적이 증가할 수 있다.
상술한 구성을 구현하는 방법으로는, 도전재 양을 단계적으로 조정하면서 전극 활물질 및 도전재(또는 바인더를 더 포함함)가 혼합된 슬러리를 집전체 상에 단계적으로 적층할 수 있다.
또는, 에어로졸 방식으로 전극 활물질의 수를 줄이거나, 도전재 양을 줄이면서 집전체 상에 전극층을 성장시킬 수 있다. 에어로졸 방식을 이용하는 경우 바인더를 필요로 하지 않을 수 있으며, 상온에서 전극 제작이 가능하며, 열처리를 하지 않아도 된다는 장점이 있다.
또는 신터링(sintering) 방식을 이용하여 집전체 상에 전극층을 성장시킬 수 있다. 여기서, 신터링 방식이란 분말체를 적당한 형상으로 가압 성형한 것을 가열하면 서로 단단히 밀착하여 소결하는 방식으로 이는 당업자들 사이에서 널리 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 기공 형태를 나타내는 도면들이다.
도 3a 내지 도 3d에 따르면, 집전체 및 전극층 중 적어도 하나 내에 형성되는 기공은 삼각형, 사각형, 원형, 육각형 등 다양한 형태가 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4에 따르면, 다공성 집전체를 마련한다(S410).
이어서, 다공성 집전체 상에 다공성 집전체로부터 멀어지는 방향으로 기공도가 증가하는 다공성 전극층을 적층한다(S420).
이 경우, 다공성 집전체 및 다공성 전극층 내의 기공은 통상의 기공 형성제를 이용하거나, 에어로졸 방식을 이용하여 형성될 수 있다.
이하에서는 도 5a 및 도 8b를 이용하여 본 발명의 다양한 실시 예에 따라 에어로졸 방식을 이용하여 기공을 형성하는 구성에 대해 설명하도록 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a에 따르면, 충돌 고정 방법을 이용하여 에어로졸 입자를 피고정체에 고정시키는 방식이 이용될 수 있다. 즉 에어로졸 입자(A)를 피고정체(50)에 충돌시켜 고정하는 방법이 될 수 있다. 여기서, 에어로졸 입자(A)는 비활성 기체 또는 질소의 흐름을 따라 이동되어 자연 충돌될 수 있고 또한 별도의 외부 풍력에 의해 충돌될 수 있다.
한편, 에어로졸 입자(A)는 집전체(110) 및 활물질층(120)을 구성하는 입자들이 될 수 있다.
또한, 피고정체(50)는 집전체(110) 형성의 경우 상술한 패드부(111)가 될 수 있으며, 활물질칭(120) 형성의 경우는 집전체(100)가 될 수 있다.
에어로졸 입자(A) 및 피고정체(50)에 대한 상술한 정의는 이하에서 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 피고정체(50)가 다공성 기판인 경우는, 피고정체(50)에 에어로졸 나노입자(A)가 충돌, 차단 및 확산에 의해 고정됨과 동시에, 비활성기체 또는 질소 등의 기체성분은 기판의 다공을 통해 외부로 이탈될 수 있다.
도 5b에 따르면, 열영동 현상을 이용하여 입자를 고정시킬 수 있다. 즉 온도조절장치(51)에 의해 피고정체(50)의 온도를 에어로졸 입자(A)의 온도에 비해 낮은 온도로 조절하는 것에 의해 에어로졸 입자(A)를 피고정체(50)로 자동 이동을 유도하여 고정하는 방법이 될 수 있다.
이 경우 단계적으로 에어로졸(A) 입자 양을 조정하여 기공도를 조절할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에어로졸 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b에 따르면, 전기장을 이용하여 다공성 집전체 및 다공성 활물질층을 형성할 수 있다.
전극판(61)에 형성되는 전기장을 이용한 방법, 즉 에어로졸 입자(A)를 양전하(도 6a의 경우) 또는 음전하(도 6b의 경우)로 대전시킨 후 전원이 인가되는 양 전극판(61) 사이의 피고정체(60)로 이동시켜 상기 양 전극판(61) 중 일 전극판(61)과 상기 양전하(도 6a의 경우) 또는 음전하(도 6b의 경우) 간의 인력작용을 이용하여 에어로졸 입자(A)를 피고정체(60)로 이동 유도하여 고정하는 방법이다.
경우에 따라서는, 에어로졸 입자(A)의 고정 효율을 증강시키기 위하여, 시행되는 피고정체 표면을 처리할 수 있다.
즉, 도금 대상인 피고정체에 플라즈마 표면처리 처리 또는 화학제 도포를 통해 피고정체의 일부 표면이 떨어져 나감에 따라 요철을 생성시킬 수 있으며, 요철에 의한 충돌, 차단 및 확산에 의해 에어로졸 입자의 고정력 및 고정효율을 증강시킬 수 있다.
여기서, 화학제로는 강산 또는 강염기 성질의 제재일 수 있으며, 예를 들면 수산화나트륨(NaOH), 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4) 등일 수 있다.
물론, 이러한 피고정체 표면처리는 에어로졸 입자를 피고정체에 고정시키는 단계 이전이라면 어떠한 시점에 적용되어도 무방하다.
한편, 본 발명에 따르면, 에어로졸 입자(A)가 피고정체에 고정되는 경우, 고정력 즉 부착 개선을 위한 부착 개선제 처리 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 에어로졸 입자에 점착액을 혼합하여 분무하는 방식으로서, 에어로졸 입자 고정 단계 이전에 피고정체에 점착액을 도포하는 방식, 에어로졸 입자 고정 단계 이후에 에어로졸 입자가 부착되어 고정된 피고정체에 점착액을 도포하는 방식 등을 이용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 금속 에어로졸 나노입자 고정 단계 이후, 압착롤을 이용한 롤링 방식을 통해 피고정체(50, 60)를 가열 압착하는 피고정체 가열 압착 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 가열 압착에 관한 온도 조건은 상온 이상의 온도일 수 있으며, 상기 온도 조건의 상한점은 피고정체(50, 60)의 종류에 따라 상이할 수 있는데, 즉 피고정체(50, 60)의 변형이 발생되지 않는 온도라면 가능하다. 물론, 피고정체(50, 60)의 종류 뿐만 아니라 부착개선제, 에어로졸 입자(A)의 성질 변형을 발생시키지 않는 온도인 것이 바람직하다.
피고정체 가열 압착 단계에 따르면, 고정된 에어로졸 입자(A)의 고정력을 더욱 증강시킬 뿐 아니라 가열로 인한 열기로 인하여 수분 등의 각종 불순물이 휘발되어 제거되는 효과가 있게 된다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에어로졸 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a에 도시된 에어로졸 데포지션 장치에 따르면, 캐리어 가스(72)가 분말이 담긴 에어로졸 챔버(71)로 유입되고, 에어로졸 챔버(71) 내에 부유하는 미세한 분말들을 실어서 진공 상태의 증착실(70) 내의 기판(76)으로 노즐(74)을 통하여 분사되는 형태로 진행될 수 있다. 기판(76)은 X축 및 Y축으로 이동할 수 있으며, 기판(76) 상에는 패터닝 마스크(75)가 위치될 수 있다.
도 7b는 에어로졸 입자의 코팅 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
LiFePO4 박막 필름을 제조하기 위한 공정을 예를 들면, 도 7b에 도시된 바와 같이 LiFePO4의 분산된 입자가 기판에 충돌하면, 입자가 분쇄되면서 일부 조각들이 기판에 박히거나, 강력한 결합을 하고, 다음 입자가 그 위에 충돌하게 된다. 이 후 충돌된 입자가 분쇄되어 강한 결합을 이루는 층을 형성하고 다음 입자가 그 위에 충돌하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8에 따르면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬 전지(800)는 음극(802), 양극(804), 및 음극(802)과 양극(804) 사이에 존재하는 세퍼레이터(803)에 함침된 전해액을 포함하는 전지 용기(805)와, 전지 용기(805)를 봉입하는 봉입 부재(806)를 포함한다. 여기서, 및 음극(802) 및 양극(804)으로는 상술한 다공성 전극이 이용될 수 있다.
한편, 도 8에 따른 리륨 이차 전지(800)는 세퍼레이터(803)를 포함하는 구성이나, 양극 및 음극 중 적어도 하나의 전극이 고강도 바인더층을 포함하는 경우에는 세퍼레이터(803)를 포함하지 않을 수도 있다.
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다.
음극(802) 및 양극(804)에 대해서는 상술하였으므로 자세한 설명을 생략하도록 한다.
전해질로는 얇은 필름 형태나 벌크 형태의 물질이 사용되는데, 실제 사용되는 장치에는 고체 무기 전해질이나 유기 고분자 전해질이 많이 사용되는 반면, 실험용으로는 액체 전해질이 많이 사용된다.
전해질은 리튬염 및 비수성 유기 용매를 포함할 수 있다.
리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다.
리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2,LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CpF2p+1SO2)(CqF2q+1SO2)(여기서, p 및 q는 자연수임), LiSO3CF3, LiCl, LiI, 리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bisoxalate borate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것인 아니다.
비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.
비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당업자의 수준에서 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터(113)가 존재할 수 있다. 세퍼레이터(803)는 음극(802)과 양극(804)을 분리시키고, 리튬 이온의 이동통로를 제공한다. 이러한 세퍼레이터로는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 /폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 8에 도시된 리튬 이차 전지의 형태는 원통형이나 이는 일 실시 예에 불과하며, 이외에 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 또는 쉬트형 등의 다양한 형상으로 될 수 있다.
상술한 바와 같이 양극 극판과 음극 극판 사이에 세퍼레이터를 배치하여 전지 구조체를 형성한다. 이러한 전지 구조체를 와인딩하거나 접어서 원통형 전지 케이스나 또는 사각형 전지 케이스에 넣은 다음, 본 발명의 유기 전해액을 주입하면 리튬 이온 전지가 완성된다. 또한 전지 구조체를 바이셀 구조로 적층한 다음, 이를 유기 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 파우치에 넣어 밀봉하면 리튬 이온 폴리머 전지를 완성할 수 있다.
이에 따라 전극에서 집전체 및 활물질층의 접합 면적을 증가시킬 수 있고, 전지에서 전극 및 전해질의 접합 면적을 증가시킬 수 있으므로 전지의 효율(예를 들어, 이차 전지의 경우 에너지 저장 성능)을 향상시킬 수 있다.
또한, 전지 사이즈를 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집전체의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 2a는 도 1의 집전체를 이용하는 전극 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극의 단면을 보여주는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 기공 형태를 나타내는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5a 내지 도 7b는 본 발명의 다양한 실시 예에 에어로졸 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 전극 110 : 집전체
120 : 전극층 10, 20 : 기공
50, 60: 피고정체

Claims (9)

  1. 집전체; 및
    상기 집전체 표면 상에 형성되는 전극층;을 포함하며,
    상기 전극층은, 에어로졸 방식으로 복수 개의 기공을 갖는 층이 연속적으로 형성된 구조이고,
    상기 복수 개의 기공을 갖는 층은 에어로졸 입자의 양에 따라 기공도가 조절되며, 상기 기공도는 상기 집전체의 표면으로부터 거리에 비례하여 점진적으로 증대되는 것을 특징으로 하는 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는 복수 개의 기공을 포함하고,
    상기 전극 층은 상기 집전체 내에 마련된 기공 내에 배치되는 전극 활물질을 포함하며,
    상기 복수 개의 기공의 기공도는 상기 전극층과의 거리가 가까울수록 증대되는 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항의 전극을 음극 및 양극 중 적어도 하나로 이용하는 전지.
  6. 집전체를 마련하는 단계; 및
    상기 집전체 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 전극층을 형성하는 단계는,
    에어로졸 방식으로 형성된 복수 개의 기공을 갖는 층을 연속적으로 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수 개의 기공을 갖는 층은 에어로졸 입자의 양에 따라, 기공도가 조절되며, 상기 기공도는 상기 집전체의 표면으로부터 거리에 비례하여 점진적으로 증대되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 집전체는 복수 개의 기공을 포함하고,
    상기 전극 층은 상기 집전체 내에 마련된 기공 내에 배치되는 전극 활물질을 포함하며,
    상기 복수 개의 기공의 기공도는 상기 전극층과의 거리가 가까울수록 증대되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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