KR101301193B1 - 전지 내의 개선된 전극 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 활성 물질, 선택적인 도전성 물질, 선택적인 바인더 및 그 밖의 선택적인 첨가제를 포함하는 전극 활성층을 구비한 고체 복합 전극을 개시한다. 고체 복합 전극은 집전체 상에 전극 조성물(슬러리)을 하나 이상의 층으로 적층함으로써 형성된다. 전극 구조물은, 전극 조성물층의 다공도가 상기 층의 이면측(집전체에 근접한 쪽)으로부터 외측 방향으로 점차 감소되는 것을 특징으로 한다. 다공도 감소의 구배는 슬러리 내 고체 물질의 함량, 슬러리 내 용매의 조성, 적층 후 상기 층의 건조 온도, 및 각 층의 프레싱 조건 또는 칼렌더링 조건에 의해 제어된다. 전극 구조물은 1차(비충전형) 전지 및 2차(재충전형) 전지와 같은 전기 에너지의 화학적 소스에 사용될 수 있다.
고체 복합 전극, 전극 활성 물질, 집전체, 다공도, 비용량, 체적 용량

Description

전지 내의 개선된 전극 구조물{IMPROVEMENTS RELATING TO ELECTRODE STRUCTURES IN BATTERIES}
본 발명은 양극(캐소드) 및 음극(애노드)을 포함하는 전기 에너지의 화학적 공급원에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이온을 제공하는 음극(애노드), 전해질 용액 또는 경질 폴리머 전해질을 수용하는 중간 분리 요소(separator element), 및 전극 탈분극 물질(depolarizer substance)(캐소드 활성 물질)을 포함하는 양극(캐소드)을 포함하는 재충전형(2차) 및 비충전형(1차) 전지 셀로서, 상기 셀의 충방전 사이클 동안 소스 전극 재료로부터의 이온이 셀 전극들 사이에서 상기 중간 분리 요소를 통해 이동하는 것을 특징으로 하는 전지 셀에 관한 것이다. 양극과 음극 중 하나 또는 양쪽 모두는 다공질의 전기화학적 활성 물질로 코팅되어 있다. 본 발명은 특히, 이온 소스 전극이 리튬, 리튬 화합물 또는 이온을 제공할 수 있는 그 밖의 물질이고, 전극 분리막이 액체, 겔 또는 경질 전해질을 포함하고, 리튬 또는 다른 이온에 대한 이동을 허용하며, 캐소드는 다공질의 다성분 고체인 것을 특징으로 하는 셀을 제조하는 데 유용하다.
본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 특허 및 공개특허 공보를 확인 번호 인용에 의해 참고한다. 본 명세서에서 참고되는 상기 특허 및 공개특허 공보의 개시 내용 은 본 발명과 관련된 기술을 보다 충분히 설명하기 위해 원용에 의해 본 발명의 개시 내용에 포함된다.
전지에 사용되기 위한 구조로 제조된 전기활성 물질(electroactive material)을 전극이라 지칭한다. 본 명세서에서 전기 에너지의 화학적 소스라 지칭되는, 전지에 사용되는 한 쌍의 전극 중에서, 상대적으로 높은 전기화학적 전위를 가진 쪽의 전극을 양극 또는 캐소드라 지칭하고, 상대적으로 낮은 전기화학적 전위를 가진 쪽의 전극을 음극 또는 애노드라 지칭한다.
캐소드 또는 양극에 사용되는 전기화학적 활성 물질을, 이하에서 캐소드 활성 물질이라 지칭한다. 애노드 또는 음극에 사용되는 전기화학적 활성 물질을, 이하에서 애노드 활성 물질이라 지칭한다. 전기화학적 활성을 가지며 전기화학적 활성 물질 및 선택적인 추가성분으로서 도전성 첨가제 및 바인더를 비롯하여 그 밖의 선택적 첨가제를 포함하는 다성분 조성물을, 이하에서 전극 조성물이라 지칭한다. 산화된 상태의 캐소드 활성 물질을 구비한 캐소드 및 환원된 상태의 애노드 활성 물질을 구비한 애노드를 포함하는, 전기 에너지의 화학적 소스 또는 전지를, 충전된 상태(charged state)에 있다고 말한다. 따라서, 환원된 상태의 캐소드 활성 물질을 구비한 캐소드 및 산화된 상태의 애노드 활성 물질을 구비한 애노드를 포함하는, 전기 에너지의 화학적 소스를 방전된 상태(discharged state)에 있다고 말한다.
전극(캐소드 또는 애노드) 조성물 층의 전체 체적에 대한 백분율로 표현한, 전극(캐소드 또는 애노드) 조성물 내 공극(void)의 자유 공간의 값을, 이하에서 전 극(캐소드 또는 애노드) 활성층의 다공도(porosity)라 지칭한다.
전지는 지속적으로 진화되고, 특히 리튬 전지가 다양한 용도에 더욱 광범위하게 허용되고 있기 때문에, 안전하고 수명이 길며, 에너지 밀도가 높으면서 가벼운 전지에 대한 요구가 가중되고 있다. 최근에는 높은 에너지 밀도의 캐소드 활성 물질 및 고에너지 1차 및 2차 전지용 애노드 활성 물질로서 알칼리 금속을 개발하는 데에 상당한 관심이 집중되었다.
전기 에너지의 화학적 소스 또는 전지에서의 높은 용량을 얻기 위해서는, 캐소드 또는 애노드 활성층에 많은 양 또는 부하의 전기활성 물질을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, AA 사이즈 전지의 캐소드 활성층의 체적은 전형적으로 약 2㎤이다. 전기활성 물질의 비용량(specific capacity)이, 예를 들어 1,000mAh/g과 같이 매우 높은 경우, AA 사이즈 전지의 캐소드 활성 물질 1g이 1,000mAh의 용량을 제공하도록 하려면 캐소드 활성층에 있는 전기활성 물질의 양 또는 체적 밀도는 500mg/㎤ 이상이 되어야 한다. 캐소드 활성층에 있는 전기활성 물질의 체적 밀도를 더 높은 수준, 예컨대 900mg/㎤보다 높게 증가시킬 수 있다면, 캐소드 활성층의 밀도가 더 커지고 다공도가 감소될 때, 전기활성 물질의 비용량이 크게 감소되지 않을 경우에 전지의 용량은 더 높은 레벨로 비례 증가될 것이다.
전기 에너지의 화학적 소스의 캐소드 활성층에 사용될 수 있는 전기활성 물질은 매우 다양하다. 예로서, 이러한 물질 중 몇 가지가 US 5,919,587(발명자: Mukherjee et al.)에 기재되어 있다. 이들 전기활성 물질의 비밀도(specific density)(g/㎤) 및 비용량(mAh/g)은 폭넓게 변동되므로, 캐소드 활성층에 있는 전 기활성 물질의 필요한 체적 밀도(단위; mg/㎤)도 그에 대응하여 넓은 범위에 걸쳐 변동된다. 알려져 있는 활성 물질의 모든 조합 중에서 리튬과 황은 중량 또는 체적 기준으로 거의 최고의 에너지 밀도를 제공할 수 있기 때문에, 전기 에너지의 화학적 소스의 애노드 및 캐소드용 전기화학적 활성 물질로서 리튬과 황이 매우 바람직하다. 높은 에너지 밀도를 얻기 위해서, 리튬은 순수 금속, 합금 또는 삽입된 형태(intercalated form)로 존재할 수 있고, 황은 원소 상태의 황, 또는 높은 황 함량, 바람직하게는 75 중량%보다 높은 황 함량을 가진 유기 또는 무기 물질 중의 성분으로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 리튬 애노드와의 조합에서, 원소 상태의 황은 1,680mAh/g의 비용량을 가진다. 이와 같이 높은 비용량은, 휴대용 전자 장치 및 전기 자동차와 같이, 전지의 중량 감소가 중요한 응용 분야에 특히 바람직하다.
전기활성 캐소드 및 애노드 물질을 포함하는 실제의 전지 셀은 또한 전형적으로, 전극 내에 폴리머계 바인더, 도전성 첨가제 및 기타 첨가제 이외에도, 용기, 집전체, 분리기 및 전해질과 같은 다른 비-전기활성 물질을 수용한다. 전해질은 전형적으로, 이온 전도성은 양호하지만 전기 전도성은 불량한, 용해된 염 또는 이온성 화합물을 함유하는 수계 또는 비수계 액체, 겔 또는 고체 물질이다. 이러한 모든 부가적인 비-전기활성 성분들은 전형적으로 전지로 하여금 효율적으로 성능을 발휘하도록 사용되지만, 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도의 감소에도 기여한다. 따라서, 전지 셀에서의 전기활성 물질의 양을 극대화하기 위해서는 이들 비-전기활성 물질의 양을 최소로 유지하는 것이 바람직하다.
캐소드 또는 애노드 활성층에 있는 전기활성 물질의 체적 밀도를 가능한 한 높이기 위해서는, 캐소드 또는 애노드 활성층에 있는 전기활성 물질의 중량%를, 예를 들면 65∼85 중량%까지 극대화하고, 캐소드 또는 애노드 활성층의 다공도 또는 기공률을, 예를 들면 30∼60 체적%의 범위로 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 특히, 70∼85 체적%와 같이 다공도가 높으면 매우 높은 셀 용량을 얻기에 충분한 전기활성 물질이 제공되지 않기 때문에, 캐소드 활성층의 다공도는 낮게 유지되어야 한다.
전기활성 물질은 대부분 전기적으로 비전도성, 즉 절연성이고, 일반적으로 미세 다공질이 아니다. 전기활성 물질의 절연성을 극복하기 위해, 전도성 탄소와 같은 전기 전도성 충전재를 캐소드 활성층에 소정량 첨가하는 것이 전형적이다. 전형적으로, 상기 전기 전도성 충전재는 캐소드 활성층의 약 5∼40 중량%의 양으로 존재한다. 예를 들어, US 4,303,748(발명자: Armand et al.)에는, 원소 상태의 황, 전이금속 염 또는 리튬과 함께 사용할 다른 캐소드 활성 물질 또는 다른 애노드 활성 물질과 아울러, 이온 방식으로 전도성인 폴리머 전해질을 함유하는 고체 복합 캐소드가 기재되어 있다. US 3,39,174(발명자; Kegelman)에는 원소 상태의 황과 입자상 전도체를 포함하는 고체 복합 캐소드가 기재되어 있다. US 5,460,905(발명자; Skotheim)에는 캐소드에서의 전자의 수송을 위한 유효량의 전도성 탄소 안료와 함께 p-도핑된 공액 폴리머를 사용하는 방법이 기재되어 있다. US 5,529,860 및 US 6,117,590(2건 모두 발명자; Skotheim et al.)에는 전도성 탄소와 흑연, 전도성 폴리머 및 금속 섬유, 분말 및 플레이크(flake)를 전기활성 물질과 함께 사용하는 방법이 기재되어 있다.
전지 셀의 사이클 동안, 이들 물질의 높은 비용량을 희생하지 않고, 즉 예를 들어 50%를 넘는 활용성과 같이 원하는 높은 전기화학적 활용성을 감소시키지 않고, 전기활성 물질을 포함하는 캐소드 또는 애노드 활성층의 체적 밀도를 증가시키는 것은 매우 유리하다. 특히 캐소드 또는 애노드 활성층의 두께가 증가됨에 따라, 매우 효율적인 활성 물질의 전기화학적 활용성에 요구되는 전기 전도도 및 미세 다공도를 얻는 것은 점진적으로 더 어려워진다.
전기활성인 황 함유 물질 및 전기 전도성 물질을 포함하는, 캐소드 활성층을 구비한 고체 복합 캐소드를 형성하는 방법을 일부 개선하는 내용이 US 6,302,928(발명자; Xu et al.)에 기재되어 있다. 이 특허는 전류 발생 셀을 형성하는 방법으로서, 전기활성인 황 함유 물질을 용융점보다 높은 온도로 가열하여 용융물층을 형성한 다음 재응고시켜 캐소드 활성층을 형성하는 방법을 개시한다. 이 방법은 중대한 결점을 피할 수 없는데, 황 함유 활성 물질의 높은 밀도를 얻게 되면 다공도가 감소되고, 그에 따라 활성 물질의 활용성이 저하되기 때문이다. 그뿐 아니라, 너무 높은 융점을 가지기 때문에 상기 US 6,302,928에 기재된 방식으로 캐소드를 제조할 수 없는 다른 활성 캐소드 물질에는 이 방법을 적용할 수 없다.
캐소드 활성층의 체적 밀도를 증가시키는 또 다른 방법은 당해 층을 압축 또는 칼렌더링(calendering)에 의하여 두께를 감속시키는 방법이다. 전기활성인 황 함유 물질의 높은 전기화학적 활용성을 희생하지 않고 캐소드 활성층의 두께를 20% 이상 감소되도록 압축 또는 칼렌더링할 수 있다면 매우 유리할 것이다. 이것은 캐소드 활성층에 전기적으로 비활성 물질이 고도로 존재할 경우, 특히 폴리머계 바인 더가 사용될 경우 달성하기 어려우며, 셀에서의 전기활성 물질의 비용량으로 표현했을 때의 전기화학적 활용성이, 캐소드층 전제의 압축 또는 칼렌더링에 의해 캐소드 활성층의 두께가 현저히 감소될 때 현저히 저하되는 것이 전형적이다. 반면에, 캐소드 활성층에서 전기적으로 비활성인 물질, 특히 접합성을 가진 물질의 레벨을 현저히 감소하면 캐소드 활성층의 기계적 일체성(integrity) 및 응집성과 접착성이 크게 감소된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 전기 에너지의 화학적 소스의 다공질 전극은 보통 전극 탈분극제(액체 또는 경질 활성 물질), 도전성 첨가제(탈분극제로 전자를 수송하는 물질) 및 바인더(전극의 기계적 강도를 확보하는 물질)을 포함하는 다성분 고체이다. 전극은 또한 전극 재료의 기계적 및 전기화학적 성질을 향상시키는 보조 성분을 포함할 수도 있다. 전극 기공은 전해질(이온 전도도를 가진 액체 또는 경질 물질)로 채워진다. 전기화학적 반응은 탈분극제, 전자 전도체 및 이온 전도체로 된 3상 계면에서 일어난다. 전기화학적 반응의 효율은 탈분극제의 전기화학적 성질뿐 아니라 전극의 이온 및 전자 전도도에 의해 결정된다. 이온 전도도는 보통 전극의 전자 전도도보다 훨씬(1 내지 3 차수의 크기 만큼) 낮다. 따라서, 전기화학적 반응의 속도를 결정하는 전기화학적 과전압(overvoltage)의 값은 전극의 이온 저항에 의해 정의된다. 전기화학적 과전압의 최대값 및 전기화학적 반응의 최대 속도는 전극의 표면측(전기 에너지의 화학적 소스의 반대측 전극 방향을 향한 표면)에서 도달한다. 최소값은 전극의 이면측(전극의 집전체를 향한 표면)에서 도달한다. 그 결과, 탈분극제는 전극의 표면측에 가까운 층에서 더 많이 소비되고, 전 극의 이면에 가까운 층에서 더 적게 소비된다. 전극 두께에 대한 과전압의 구배(gradient) 및 그와 연관된 전류 밀도의 구배는 전기 에너지의 화학적 소스의 전체적 전류 밀도의 증가에 따라 증가된다. 이것은 전극 두께에 대한 반응 분포의 이질성(heterogeneity)의 증가로 이어지고, 심한 경우에는 전기화학적 반응을 완전히 전극 표면으로 몰아내게 된다.
전기 에너지의 화학적 소스의 전극에서의 전기화학적 과전압은 확산성(농축성)을 가진다. 확산에 의한 전류 밀도는 기공 내부의 전해질 체적과 전극의 작업 표면적(area of the working surface)의 비에 의해 결정된다. 특히, 전류 밀도는 이 비가 감소됨에 따라 감소된다.
특히, 다공도 값은 용해성 탈분극제를 가진 전기 에너지의 화학적 소스에 있어서 매우 중요하며, 그 예는 Li-SO2; Li-SOCl2; Li-S로 이루어진 시스템이다.
여러 가지 전기활성 물질을 포함하는 전기 에너지의 화학적 소스의 높은 에너지 밀도를 제조하기 위해 다양한 접근법이 제안되었음에도 불구하고, 전기활성 물질을 활용하는 다공질 고체 복합 전극에 있어서 전기 전도도, 기계적 강도, 점착 강도(cohesive strength) 및 인접층에 대한 접착의 바람직한 성질을 유지 또는 향상시키면서, 전기활성 물질의 높은 전기화학적 활용성과 높은 체적 밀도가 조합된 활성층을 포함하는, 개선된 고체 복합 캐소드 및 애노드에 대한 요구가 잔존한다.
한편으로, 전극의 밀도 증가(다공도의 감소)는 전기 에너지의 화학적 소스의 에너지 밀도를 증가시킨다. 다른 한편으로, 다공도의 감소는 전극의 이온 전도도 를 감소시키며, 그에 따라 전기화학적 반응 조건 및 활성 물질의 활용성을 악화시킨다.
발명의 요약
본 발명자는 전극 두께에 대한 전기화학적 반응 속도의 불균일한 분포가 분극제의 불균일한 소비를 초래하고, 그에 따라 전극 용량의 감소를 가져온다는 사실을 발견했다. 따라서, 전극 두께에 대한 전기화학적 과전압 값의 균등화가 분극제 활용의 효율을 증가시키기 위해 바람직하다. 본 발명자는, 두께에 대한 다공도 구배(porosity gradient)를 가진 전극, 즉 표면측으로부터 이면측 방향으로 점차 증가되는 다공도를 가진 전극을 이용함으로써 이러한 과제가 해결될 수 있음을 발견했다. 다시 말하면, 변동되는 다공도를 가진 전극, 즉 후방으로부터 전방측으로 감소되는 다공도를 가진 전극을 사용하는 것이 전기 에너지의 화학적 소스의 용량 및 파워 측면에서 보다 양호한 결과를 얻는 데 적합할 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 전기 에너지의 화학적 소스용 전극 구조물로서, 상기 전극 구조물은 하나 이상의 집전체 및 상기 집전체 상에 제공된 전극 조성물을 포함하고,
a) 상기 전극 조성물은 전기화학적으로 활성인 물질을 포함하고;
b) 상기 전극 조성물은 상기 집전체 상에 하나 또는 복수 개의 층으로 제공되며, 상기 집전체에 근접한 내면 및 상기 집전체로부터 이격된 외면을 가지고 있으며;
c) 상기 전극 조성물은 상기 내면으로부터 상기 외면 방향으로 점차 감소되는 불균일한 다공도를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 구조물이 제공된다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 전기 에너지의 화학적 소스용 전극 구조물의 제조 방법으로서,
a) 집전체를 제공하는 단계;
b) 상기 집전체에 근접한 내면 및 상기 집전체로부터 이격된 외면을 가진 코팅을 형성하도록, 상기 집전체 상의 전극 조성물의 1개 층 또는 복수의 연속된 층을 코팅하는 단계; 및
c) 상기 코팅이 상기 내면으로부터 상기 외면 방향으로 점차 감소되는 불균일한 다공도를 갖도록, 코팅 공정을 이용하거나 상기 코팅을 후처리하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 제1 태양에 따른 전극 구조물을 포함하거나, 제2 태양의 방법에 의해 제조된 셀 또는 전지가 제공된다.
상기 전극 조성물은 적층(deposition) 공정에 의해 집전체 상에 제공될 수 있다. 단일 층이 제공될 경우, 이 층은 필요에 따라 내면으로부터 외면 방향으로 다공도가 점차 감소되도록 적층 또는 후처리되어야 한다. 이것은 일반적으로 연속적 또는 스무스한 다공도 구배를 가져온다. 이와는 달리, 상기 전극 조성물이 복수의 층을 포함하는 경우, 다공도의 감소는, 개별적 다공도가 감소되는 연속층을 적층시켜 계단형(stepped) 다공도 구배를 형성함으로써 달성될 수 있다. 또한, 내면으로부터 외면 방향으로 다공도 구배가 점차 감소되는 각각의 연속층을 이용할 수도 있다.
상기 전극 조성물은 상기 전극 구조물 상에 적층시키기 위한 슬러리(slurry)로서 제공될 수 있다.
상기 전극 조성물의 전기화학적 활성 물질은 선택적으로, 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 도전성 첨가제, 바인더, 기타 선택적 첨가제를 포함할 수 있다.
다공도 구배는, 슬러리 내 용매의 조성, 적층 후 각 층의 건조 온도, 및 적층 후 각 층에 대한 가압 또는 칼렌더링 조건에 의해, 슬러리 내 고체 물질의 함량을 변동시킴으로써 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예의 전극 구조물은 전해식 전기 셀, 재충전형 전지, 연료 전지 및 기타 높은 에너지 밀도와 높은 파워를 필요로 하는 응용 분야에서 사용될 수 있다.
상기 전극 구조물은 양극(캐소드), 또는 음극(애노드)으로서 구성될 수 있다.
발명의 설명
전기 전도도, 기계적 강도, 점착 강도 및 인접층에 대한 접착성 등 바람직한 성질을 유지 또는 향상시키면서, 전기활성 물질의 높은 전기화학적 활용성 및 높은 체적 밀도가 조합된 전극 활성층을 포함하는 개선된 고체 복합 전극을 제조하는 문제는, 본 발명에서 다공도 구배를 구비한 고체 복합 전극의 제조 방법을 설계함으로써 해결된다.
본 발명의 실시예의 전극 구조물을 형성할 때, 다음과 같은 공정 단계가 포함될 수 있다:
1) 하나 이상의 전극 활성 물질 및 선택적인 도전성 물질, 바인더 및 기타 선택적 첨가제를 포함하는 혼합물의 물리적 파운딩(pounding) 또는 그라인딩(grinding) 및 균질화 단계.
2) 상기 균질화된 혼합물로부터 용매 또는 용매의 혼합물 중의 슬러리를 제조하는 단계.
3) 상기 슬러리의 층을 집전체 상에 적층시키는 단계.
4) 얻어지는 전극 활성층을 건조하는 단계.
5) 선택적으로, 제1 층의 상부에 하나 이상의 추가적 슬러리층을 중간 및 최종 건조에 의해 적층하는 단계.
6) 얻어지는 단일층 또는 다층 전극 구조물, 또는 적어도 상기 적층된 슬러리를 압축 또는 칼렌더링하는 단계.
7) 각각의 적층된 슬러리의 층은 다음 번 층을 적층하기 전에 압축 또는 칼렌더링될 수 있다.
8) 상이한 슬러리를 상이한 층에 사용할 수 있다.
전극 조성물의 성분들의 파운딩 또는 그라인딩은, 예를 들어 볼 밀, 임펠러 밀 등과 같은 임의의 적절한 공지의 방법으로 행해질 수 있다. 균질화 시간은 얻어지는 입경이 약 1∼2㎛가 되도록 선택하는 것이 바람직하다.
슬러리의 제조는, 균질한 현탁액이 제조되도록, 예를 들어 볼 밀, 임펠러 믹서 등과 같은 공지된 임의의 적절한 믹서에서 행해질 수 있다. 슬러리는 바인더(사용될 경우)의 완전한 희석 또는 팽창이 이루어지기에 충분한 시간 동안 혼합되는 것이 바람직하다.
집전체는, 구리나 알루미늄으로 된 메쉬나 그리드, 구리 박, 알루미늄 박, 전도성 탄소층으로 코팅된 알루미늄 박, 알루미늄 코팅된 폴리머 필름, 전도성 폴리머 필름 또는 전해질 시스템에서 사용될 때 부식 안전성을 가진 임의의 다른 전도성 필름일 수 있다. 다른 형태의 집전체 및 전도성 물질도 포함될 수 있다.
집전체의 표면 상에 슬러리를 적층하는 공정은 집전체의 전체면에 실질적으로 균일한 코팅층을 제공하는 임의의 방법에 의해 행해질 수 있다. 예를 들면, 닥터 블레이드법(doctor blade method), 와이어형 드로우 로드법(wired draw rod method), 스크린 인쇄법, 기타 방법이 이용될 수 있다.
용매는 정압 또는 감압 하에서, 주변 온도 또는 상승된 온도에서 증발시킴으로써 슬러리층으로부터 제거될 수 있다. 용매의 제거 속도는 슬러리층의 표면을 따라 실질적으로 균일하게 유지되는 것이 바람직하다. 증발 속도는 슬러리의 층형성(stratification) 또는 슬러리에 존재하는 입자의 응집을 방지하는 수준으로 유지되는 것이 바람직하다.
전극 활성층의 압축은 프레싱, 칼렌더링 또는 그 밖에 바람직한 조건(표면 단위에 대한 바람직한 압력) 및 전극 활성층의 물리적 파라미터(두께, 밀도 및 다공도)를 제공하는 공지된 방법에 의해 달성될 수 있다. 압축은 전극 활성층의 요구되는 물리적 성질이 얻어질 때까지 한 번 또는 여러 번 실행될 수도 있다.
전극 조성물은 다음으로부터 선택되는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다:
1) 양극(캐소드)용: 황, 황을 기재로 한 비-유기 화합물 또는 유기 화합물(올리고머계 및 폴리머계 포함), 단순 및 복합 금속 산화물, 황화물, 이들의 혼합물, 그 밖의 전기활성 물질 또는 전술한 물질들의 혼합물.
2) 음극(애노드)용: 금속 분말, 알칼리 금속-탄소 및 알칼리 금속-흑연 삽입체(intercalate), 이들의 혼합물, 그 밖의 전기활성 물질 또는 전술한 물질들의 혼합물. 이와 관련하여, 특히 효과적인 알칼리 금속은 리튬이다.
상기 전극 구조물이 양극으로서 구성될 경우, 전극 활성 물질은, 전극 활성 물질, 도전성 물질 및 바인더를 포함하는 전극 조성물의 총중량의 5∼95 중량%의 범위로 존재할 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 상기 전극 조성물 중 전극 활성 물질의 비율은 70 중량% 이상이지만, 다른 실시예에서 그 비율은 70 중량% 이하일 수 있다.
상기 도전성 물질은 1종 이상의 전도성 폴리머, 탄소 또는 금속 섬유, 분말 또는 플레이크를 포함할 수 있다. 탄소 분말이 사용될 경우, 탄소 분말은 검댕(soot) 형태, 다양한 타입의 카본 블랙 또는 다른 탄소 물질 및 그 혼합물일 수 있다.
바인더가 사용될 경우, 바인더는 하기 물질로부터 선택되는 폴리머 또는 폴리머의 혼합물일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다: 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리실록산, 폴리이미드, 폴리포스파젠(polyphosphazene), 폴리에테르, 술폰화 폴리이미드, 퍼플루오르화 폴리머, 폴리디비닐 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 폴리아릴술폰, 상기 폴리머들의 혼합물 및 유도체, 및 상기 폴리머들의 반복 단위를 포함하는 코폴리머.
바인더는 전극 활성 물질, 도전성 물질 및 바인더를 포함하는 총중량의 0.5∼30 중량% 범위로 존재할 수 있다.
슬러리 내의 고체 물질의 양은 5∼50 중량%일 수 있다.
집전체에 다층 코팅이 도포되는 경우에, 각 층의 두께는 0.1∼10㎛일 수 있다. 10층 이하의 다층 코팅이 효과적인 것으로 밝혀졌지만, 적절할 경우에는 더 많은 층이 사용될 수 있다.
코팅의 총 두께가 1∼100㎛인 것이 효과적인 것으로 밝혀졌지만, 더 두껍거나 얇은 코팅이 배제되는 것은 아니다.
바람직하기로는, 전극 조성물 층의 총다공도는 5∼85%이다.
본 발명의 실시예는 또한 하기 단계를 포함하는, 전기 에너지의 화학적 소스를 형성하는 방법에 관한 것이다:
a) 본 발명에 기재되어 있는 방법 또는 다른 방법에 의해 애노드를 제조하는 단계,
b) 본 발명에 기재되어 있는 방법에 의해 고체 캐소드를 제조하는 단계,
c) 상기 애노드와 캐소드 사이에 전해질을 삽입하여 셀 또는 전지를 조립하는 단계.
본 발명의 전극 구조물은 리튬 또는 리튬-폴리머 전지를 포함하는 리튬-이온 전지에 특히 적합하다.
본 발명의 전극 구조물을 사용하여, 1.2∼4.1V의 작동 전압 윈도우(window)를 구비한 전지가 제조되었다.
본 발명을 보다 잘 이해하도록 하고, 본 발명이 구현될 수 있는 방법을 제시하기 위해, 첨부 도면을 예로서 참조하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 개략적 단면도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 개략적 단면도로서, 금속박 형태로 되어 있는 베이스 캐소드층 또는 애노드층(1) 및 상기 층(1) 상에 형성된 전도성 탄소층(2)을 포함한다. 다음으로, 전기화학적 활성 물질, 선택적인 바인더 및 도전성 물질로 이루어진 전극 조성물(3)이, 당해 전극 조성물(3)의 노출면으로부터 전도성 탄소층(2) 방향으로 다공도가 연속적으로 증가되도록 전도성 탄소층(2) 상에 적층된다.
도 2는 또 다른 실시예를 나타내는 도면으로, 동일한 부분은 도 1에 준하여 표지되어 있다. 이 실시예에서, 전극 조성물(3)의 단일층 대신에, 전극 조성물(3)의 복수의 연속적으로 적층된 층이 제공되어 있으며, 각 층은 앞선 층(베이스 기판(1, 2)으로부터 멀어지는 방향으로)보다 다공도가 적어지도록 형성되어 있다.
이하의 실시예에서 여러 가지 본 발명의 여러 가지 실시예를 설명하는데, 이들 실시예는 한정하려는 것이 아니라 예시를 위해 제시되는 것이다.
실시예 1
중량 기준으로, 원소 상태의 황 70%(영국 로우보로 소재, Fisher Scientific으로부터 입수가능), 전도성 카본 블랙 10%(Ketjenblack® EC-600JD, 네델란드의 Akzo Nobel Polymer Chemicals BV로부터 입수가능), 폴리에틸렌 옥사이드 20%(PEO, 분자량 4,000,000, 영국 길링햄 소재, Sigma-Aldrich Company Ltd.로부터 입수가능)로 이루어진 조성물을 구비한 캐소드 활성층을 하기 방법에 의해 제조했다. 건조 성분들의 혼합물을 균질화 시스템인 Microtron® MB550으로 10∼15분간 분쇄했다. 얻어진 혼합물에 아세토니트릴을 용매로서 첨가했다. 얻어진 액체 현탁액 또는 슬러리를 실험실 교반기 DLH로 15∼20시간 동안 혼합했다. 슬러리의 고체 함량은 10∼15 중량%였다. 얻어진 혼합물을, 집전체인 기판으로서 두께 18㎛의 전도성 탄소가 코팅된 알루미늄박(미국 매사추세츠주 사우스 해들리, InteliCoat®로 입수가능)의 일면 상에, 닥터 블레이드를 구비한 자동 필름 어플리케이터(applicator)인 Elcometer® SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층은 1.13mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 약 13㎛의 두께를 가졌다. 전기활성 코팅의 체적 밀도는 약 870mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 56%였다.
실시예 2
실시예 1에서 얻어진 슬러리를, 집전체인 기판으로서 두께 18㎛의 전도성 탄소가 코팅된 알루미늄박(미국 매사추세츠주 사우스 해들리, InteliCoat?로 입수가능)의 일면 상에 닥터 블레이드를 구비한 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 닥터 블레이드의 갭은 실시예 1에서 사용한 것과는 달랐다. 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층은 1.35mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 약 21㎛의 두께를 가졌다. 전기활성 코팅의 체적 밀도는 약 636mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 65%였다.
실시예 3
슬러리의 제2 층을, 실시예 1에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 2.23mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 25㎛였다. 전기활성 코팅의 두 층의 체적 밀도는 약 890mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 55%였다.
실시예 4
슬러리의 제2 층을, 실시예 2에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자 동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 2.81mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 34㎛였다. 전기활성 코팅의 두 층의 체적 밀도는 약 819mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 56%였다.
실시예 5
슬러리의 제3 층을, 실시예 3에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 3.31mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 33㎛였다. 전기활성 코팅의 세 층의 체적 밀도는 약 1,000mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 49%였다.
실시예 6
슬러리의 제3 층을, 실시예 4에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 4.56mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 53㎛였다. 전기활성 코팅의 세 층의 체적 밀도는 약 868mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 53%였다.
실시예 7
슬러리의 제4 층을, 실시예 5에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 3.33mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 37㎛였다. 전기활성 코팅의 네 층의 체적 밀도는 약 899mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 50%였다.
실시예 8
자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 슬러리를 적층하고 최종 건조함으로써(실시예 2와 동일한 방법으로) 1층 고체 복합 캐소드를 제조했다. 얻어진 건조 캐소드 활성층은 1.35mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 약 21㎛의 두께를 가졌다. 전기활성 코팅의 체적 밀도는 약 636mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 65%였다.
이와 같이 얻어진 1층 고체 복합 캐소드에 600kg/㎠의 압력을 인가했다. 프레싱 후 얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 15㎛였다. 프레싱 후의 전기활 성 코팅의 체적 밀도는 약 1,470mg/㎤였다. 프레싱된 캐소드 활성층의 다공도는 24%였다.
실시예 9
자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 슬러리의 2층을 연속적으로 적층하고 중간 및 최종 건조함으로써(실시예 1 및 3에서와 동일하게) 2층 고체 복합 캐소드를 제조했다. 얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 2.23mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 25㎛였다. 전기활성 코팅의 2층의 체적 밀도는 약 890mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 55%였다.
이와 같이 얻어진 2층 고체 복합 캐소드에 600kg/㎠의 압력을 인가했다. 프레싱 후 얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 17㎛였다. 프레싱 후의 전기활성 코팅의 체적 밀도는 약 794mg/㎤였다. 프레싱된 캐소드 활성층의 다공도는 59%였다.
실시예 10
실시예 8로부터 프레싱 후에 얻어진 고체 복합 캐소드를 사용하여 약 12㎠ 면적의 실험실 포맷으로 전류 생성 셀을 형성했다. 전해질은 술폴란 중의 리튬 트리플루오로메탄술포네이트(영국 풀 도셋 소재 Sigma-aldrich Company Ltd.로부터 입수가능)의 1M 용액이었다. 사용된 다공질 분리기는 Celgard Inc.의 등록상표인 Celgard® 2500으로서, 일본 도쿄 소재 Celgard K.K. 및 미국 노스캐롤라이나주 사우스 레이크 소재 Celgard Inc.로부터 입수가능한 것이었다. 애노드는 두께가 약 50㎛인 리튬 박이었다. 이들 성분들을, 액체 전해질이 분리기와 고체 복합 캐소드의 공극 부위를 채운 상태로 고체 복합 캐소드/분리기/애노드의 층상 구조물 내에 결합시켜, 면적이 약 12㎠인 실험용 셀을 형성했다. 이들 셀에 대해, 1.5V의 전압에서 방전을 중단(cut-off)하고 2.8V에서 충전을 중단하여 3.6mA/㎠ 또는 0.3mA/㎠에서 충방전 사이클을 실행했다.
제1, 제5 및 제10 방전 사이클에서의 상기 실험용 셀 내의 전기활성 물질의 비용량 및 체적 용량을 아래에 나타낸다:

사이클 수
비용량, mAh/g
체적 용량, mAh/㎠

1
740
471

5
685
436

10
650
413
실시예 11
실시예 9로부터 프레싱 후에 얻어진 고체 복합 캐소드를 사용하여 약 12㎠ 면적의 실험실 포맷으로 전류 생성 셀을 형성했다. 전해질은 술폴란 중의 리튬 트리플루오로메탄술포네이트(영국 풀 도셋 소재 Sigma-aldrich Company Ltd.로부터 입수가능)의 1M 용액이었다. 사용된 다공질 분리기는 Celgard Inc.의 등록상표인 Celgard? 2500으로서, 일본 도쿄 소재 Celgard K.K. 및 미국 노스캐롤라이나주 사우스 레이크 소재 Celgard Inc.로부터 입수가능한 것이었다. 애노드는 두께가 약 50㎛인 리튬 박이었다. 이들 성분들을, 액체 전해질이 분리기와 고체 복합 캐소드 의 공극 부위를 채운 상태로 고체 복합 캐소드/분리기/애노드의 층상 구조물 내에 결합시켜, 면적이 약 12㎠인 실험용 셀을 형성했다. 이들 셀에 대해, 1.5V의 전압에서 방전을 중단하고 2.8V에서 충전을 중단하여 3.6mA/㎠ 또는 0.3mA/㎠에서 충방전 사이클을 실행했다.
제1, 제5 및 제10 방전 사이클에서의 상기 실험용 셀 내의 전기활성 물질의 비용량 및 체적 용량을 아래에 나타낸다:

사이클 수
비용량, mAh/g
체적 용량, mAh/㎠

1
860
765

5
835
743

10
820
730
실시예 12
중량 기준으로, 전해성 산화망간 80%, 전도성 카본 블랙 10%(Ketjenblack? EC-600JD, 네델란드의 Akzo Nobel Polymer Chemicals BV로부터 입수가능) 및 KYNAR FLEX® 2801 10%로 이루어진 조성물을 구비한 캐소드 활성층을 하기 방법에 의해 제조했다. 건조 성분들의 혼합물을 균질화 시스템인 Microtron? MB550으로 10∼15분간 분쇄했다. 이렇게 해서 얻어진 혼합물에 아세톤을 용매로서 첨가했다. 얻어진 액체 현탁액 또는 슬러리를 실험실 교반기 DLH로 15∼20시간 동안 혼합했다. 슬러리의 고체 함량은 20∼25 중량%였다. 얻어진 혼합물을, 집전체인 기판으로서 두께 18㎛의 전도성 탄소가 코팅된 알루미늄 박(미국 매사추세츠주 사우스 해들리, InteliCoat?로 입수가능)의 일면 상에, 닥터 블레이드를 구비한 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층은 3.5mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 약 17㎛의 두께를 가졌다. 전기활성 코팅의 체적 밀도는 약 2,059mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 54%였다.
실시예 13
슬러리의 제2 층을, 실시예 12에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 5.47mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 24㎛였다. 전기활성 코팅의 두 층의 체적 밀도는 약 2,378mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 46.5%였다.
실시예 14
중량 기준으로, 천연 흑연 85%, 전도성 카본 블랙 5%(Ketjenblack? EC-600JD, 네델란드의 Akzo Nobel Polymer Chemicals BV로부터 입수가능) 및 KYNAR FLEX® 2801 10%로 이루어진 조성물을 구비한 캐소드 활성층을 하기 방법에 의해 제조했다. 건조 성분들의 혼합물을 균질화 시스템인 Microtron? MB550으로 10∼15분간 분쇄했다. 이렇게 해서 얻어진 혼합물에 아세톤을 용매로서 첨가했다. 얻어진 액체 현탁액 또는 슬러리를 실험실 교반기 DLH로 15∼20시간 동안 혼합했다. 슬러리의 고체 함량은 20∼25 중량%였다. 얻어진 혼합물을, 집전체인 기판으로서 두께 15㎛의 구리 박의 일면 상에, 닥터 블레이드를 구비한 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층은 1.3mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 약 17㎛의 두께를 가졌다. 전기활성 코팅의 체적 밀도는 약 867mg/㎤였다. 캐소드 활성층의 다공도는 59%였다.
실시예 15
슬러리의 제2 층을, 실시예 14에서 얻어진 고체 복합 캐소드의 상면 상에 자동 필름 어플리케이터인 Elcometer? SPRL에 의해 캐스팅했다. 상기 새로운 코팅을 주변 조건 하에서 20시간 동안 건조한 다음, 진공 중 50℃에서 5시간 동안 건조했다.
얻어진 건조 캐소드 활성층의 전체 두께는 2.38mg/㎠의 캐소드 조성물이 부하된 상태에서 23㎛였다. 전기활성 코팅의 두 층의 체적 밀도는 약 1,035mg/㎤였 다. 캐소드 활성층의 다공도는 51%였다.
이상과 같이 본 발명의 실시예로서 몇 가지를 예시하고 설명했지만, 본 발명은 이들 특정 실시예에 한정되지 않음은 명백하다. 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변형, 변화, 변동, 대체 및 등가물을 구현할 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 특징은 본 발명의 모든 태양에 대해 적용될 수 있으며 임의의 가능한 조합에도 이용될 수 있을 것이다.
본 명세서의 설명과 청구의 범위 전체에 걸쳐, "포함하다" 및 "함유하다"라는 용어와 그의 변형, 예를 들면 "포함하는"이라는 표현은 "포함하되 그에 한정되지 않는다"라는 것을 의미하며, 다른 성분, 정수, 부분, 첨가제 또는 단계를 배제하려는 것(또는 배제하는 것)은 아니다.

Claims (45)

  1. 전기 에너지의 화학적 소스(chemical source)용 전극 구조물(electrode structure)로서,
    상기 전극 구조물은 하나 이상의 집전체(current collector) 및 상기 집전체 상에 제공된 전극 조성물을 포함하고,
    a) 상기 전극 조성물은 전기화학적 활성 물질을 포함하고;
    b) 상기 전극 조성물은 상기 집전체 상에 하나 또는 복수 개의 층으로 제공되며, 상기 집전체에 근접한 내면 및 상기 집전체로부터 이격된 외면을 가지고 있으며;
    c) 상기 전극 조성물은 상기 내면으로부터 상기 외면 방향으로 점차 감소되는 불균일한 다공도를 가지며,
    양극(캐소드)으로서 구성된 것을 특징으로 하는
    전극 구조물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이, 황, 황을 기재로 한 비-유기 화합물 및 올리고머계 및 폴리머계 화합물을 포함하는 유기 화합물, 단순 및 복합 금속 산화물, 황화물 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이, 금속 분말, 알칼리 금속-탄소 및 알칼리 금속-흑연 삽입체(intercalate), 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  6. 제1항, 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 바인더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 도전성 물질(electron conductive material)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이 상기 전극 조성물의 5∼95 중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이 상기 전극 조성물의 70 중량% 이상을 구성하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 도전성 물질이 상기 전극 조성물의 70 중량% 이하를 구성하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 도전성 물질이, 전도성 폴리머, 탄소 섬유, 금속 섬유, 탄소 분말, 금속 분말, 탄소 플레이크(flake) 및 금속 플레이크를 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 분말이 검댕(soot) 및 카본 블랙을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 바인더가, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리실록산, 폴리이미드, 폴리포스파젠(polyphosphazene), 폴리에테르, 술폰화 폴리이미드, 퍼플루오르화 폴리머, 폴리디비닐 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 폴리아릴술폰, 상기 폴리머들의 혼합물 및 유도체, 및 상기 폴리머들의 반복 단위를 포함하는 코폴리머를 포함하는, 폴리머의 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 바인더가 상기 전극 조성물의 0.5∼30 중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 단일 층으로서 존재하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 다층으로서 존재하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    각각의 상기 층이 0.1∼10㎛의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 10층 이하의 층으로서 존재하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 층들이 1∼100㎛의 총 두께를 가진 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 5∼85%의 평균 다공도를 가진 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  21. 전기 에너지의 화학적 소스용 전극 구조물의 제조 방법으로서,
    a) 집전체를 제공하는 단계;
    b) 상기 집전체에 근접한 내면 및 상기 집전체로부터 이격된 외면을 가진 코팅을 형성하도록, 상기 집전체 상에 전극 조성물로 1개 층 또는 복수의 연속된 층을 코팅하는 단계; 및
    c) 상기 코팅이 상기 내면으로부터 상기 외면 방향으로 점차 감소되는 불균일한 다공도를 갖도록 코팅 공정을 이용하거나 상기 코팅을 후처리(post-treatment)하는 단계
    를 포함하고,
    양극(캐소드)으로서 구성된 것을 특징으로 하는
    전극 구조물의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전극 조성물이, 황, 황을 기재로 한 비-유기 화합물 및 올리고머계 및 폴리머계 화합물을 포함하는 유기 화합물, 단순 및 복합 금속 산화물, 황화물 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 전기화학적 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 전극 조성물이, 금속 분말, 알칼리 금속-탄소 및 알칼리 금속-흑연 삽입체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 전기화학적 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 도전성 물질을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 바인더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 도전성 물질이, 전도성 폴리머, 탄소 섬유, 금속 섬유, 탄소 분말, 금속 분말, 탄소 플레이크 및 금속 플레이크를 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 탄소 분말이 검댕 및 카본 블랙을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 바인더가, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리실록산, 폴리이미드, 폴리포스파젠, 폴리에테르, 술폰화 폴리이미드, 퍼플루오르화 폴리머, 폴리디비닐 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 상기 폴리머들의 혼합물 및 유도체, 및 상기 폴리머들의 반복 단위를 포함하는 코폴리머를 포함하는, 폴리머의 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 전극 조성물이 슬러리로서 도포되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 슬러리가, 상기 전극 조성물을 분쇄하고 균질화한 다음, 용매를 첨가함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 슬러리가 5∼50 중량%의 고체를 포함하고, 그 나머지는 용매인 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  32. 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬러리의 제1 단일 층을 상기 집전체에 도포한 다음, 건조시키는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제1 코팅이 건조된 후, 상기 슬러리의 추가 코팅이 실시되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  34. 제21항에 있어서,
    각각의 상기 층이, 상기 집전체에 도포된 후, 압축되거나 캘린더링되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  35. 제33항에 있어서,
    상이한 슬러리 조성물들을 이용하여 연속적인 코팅이 실시되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물들에서의 고체:용매의 비가 상이한 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 연속적인 코팅이, 상이한 온도 또는 압력 조건 하에서 건조되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  38. 제35항에 있어서,
    상기 연속적인 코팅이, 상이한 조건 하에서 압축되거나 캘린더링되는 것을 특징으로 하는 전극 구조물의 제조 방법.
  39. 제1항에 기재된 전극 구조물, 또는 제21항의 방법에 의해 제조된 전극 구조물을 하나 이상 포함하는 전지.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 전지가 리튬 전지 또는 리튬-이온 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 전지가 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  42. 제39항에 있어서,
    1.2∼4.1V의 작동 전압을 가진 것을 특징으로 하는 전지.
  43. 삭제
  44. 삭제
  45. 삭제
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