KR101361631B1 - 전지 - Google Patents

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KR101361631B1 KR1020097005099A KR20097005099A KR101361631B1 KR 101361631 B1 KR101361631 B1 KR 101361631B1 KR 1020097005099 A KR1020097005099 A KR 1020097005099A KR 20097005099 A KR20097005099 A KR 20097005099A KR 101361631 B1 KR101361631 B1 KR 101361631B1
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타카시 우에무라
히데아키 아와타
켄타로 요시다
미츠야스 오가와
리키조 이쿠타
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 전지는, 정극층(20)과, 부극층(50)과, 양 전극층간에서 이온 전도를 행하는 전해질층(40)을 갖는다. 이 전지에 있어서, 정극층(20)과 부극층(50)은 적층되고, 정극층(20)과 부극층(50)과의 사이에 절연층(30)이 개재되어 있다. 이 절연층(30)은, 정극층(20) 및 부극층(50)의 한쪽 보다 면적이 작고, 다른 한쪽 보다 면적이 크게 구성되어 있다. 정극층(20)과 부극층(50)이 전해질층(40)만을 개재하여 대면하는 개소가 없도록 하고 있다. 정극층(20)과 부극층(50)과의 사이에 절연층(30)을 개재시킴으로써, 가령 전해질층(40)에 핀홀이 있더라도, 정부극층 사이의 단락을 억제할 수 있다.
전지, 정극성, 부극성, 전해질층, 절연층, 핀홀, 단락

Description

전지{BATTERY}
본 발명은 전지에 관한 것이다. 특히, 박막 Li 이차 전지에 적합한 전지에 관한 것이다.
박막 전지는 전(全) 고체형 전지 중, 주로 수∼수10μAh의 극소 용량 전지로서, 연구 개발이 진행되고 있다. 그 구성은, 예를 들면 집전체가 되는 금속박, 혹은 알루미나 등의 세라믹스 기재(基材)에 형성된 금속 박막 상에, 정극층, 고체 전해질층, 부극층을 순차로 겹친 적층 구조로 이루어져 있다. 이들 각 층의 제조 방법은, 예를 들면 스퍼터링법 등의 기상 퇴적법이 취해지고, 고체 전해질층에는 산화물, 부극층에는 Li 금속이 사용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 2 참조).
한편, 정극층과 부극층을 적층하는 것이 아니고, 동일 평면 상에 양 전극층을 병렬한 구성의 전지도 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조). 이 전지는 기판 상에, 정극 집전체를 통하여 정(正)전극층이, 부극 집전체를 통하여 부(負)전극층이 각각 형성되어 있다. 각 집전체 및 전극층은 각각 빗살(teeth of a comb) 형상으로 형성되어 있다. 이 정극층의 빗살과 부극층의 빗살은 교대로 간격을 두고 병렬되도록 대향하여 배치되어 있다. 그리고, 이들 정극층의 빗살과 부극층의 빗살 사이에는 고체 전해질이 개재되어 있다.
특허문헌 1 : 일본공개특허공보 2005-251417호
특허문헌 2 : 일본공개특허공보 평10-83838호
특허문헌 3 : 일본공개특허공보 2006-147210호(도1)
(해결하고자 하는 과제)
그러나, 상기 박막 전지에 있어서는 다음과 같은 문제가 있었다.
적층 구조의 박막 전지에서는, 정극층과 부극층이 겹치도록 배치되어 있기 때문에, 특히 고체 전해질층 형성시에 하지(underlying member)에 이물질이 부착되거나 하면, 고체 전해질층에 핀홀이 형성되기 쉬워, 정부극층 사이에서 단락되는 문제가 있다. 그 결과, 박막 전지의 수율이 낮아지고 있다. 또한, 전해질층에 핀홀이 발생하고 있는지 어떤지의 검사도 번잡하다. 또한, 이런 종류의 박막 전지에 있어서, 전극층이나 고체 전해질층의 형성 면적을 크게 함으로써 대용량화를 도모하는 경우에도, 고체 전해질층에서 핀홀의 생성이 일 개소라도 있으면, 정부극층 사이에서 단락을 일으켜, 전지로서 구동하지 않는다. 게다가, 핀홀의 생성을 막기 위해서는, 클린도가 높은 먼지가 없는 클린 룸이 필요하게 되어, 그 설치에 막대한 설비비를 요한다.
한편, 빗살 형상의 전극층을 동일 평면 상에 배치한 구조의 박막 전지에서는, 쌍방의 전극층에 중복하는 개소가 없기 때문에, 전술한 전극층 사이의 단락 문제는 해소할 수 있다. 그러나, 정극층과 부극층을 동일 평면 상에 병렬시킬 필요가 있기 때문에, 전지 전체로서의 면적은 적층 구조의 전지에 비해 커지지 않을 수 없다. 그 결과, 동일한 출력을 얻기 위한 전지로서, 빗살 형상의 전극층을 사용한 박막 전지 쪽이 적층 구조의 박막 전지보다도 전지 면적이 넓어진다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적 중 하나는, 정부극의 양 전극층을 적층 구조로 한 전지이면서, 전해질층의 핀홀의 발생에 수반하는 모든 문제를 해소할 수 있는 전지를 제공하는데 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 전지는 정극층과, 부극층과, 양 전극층간에서 이온의 전도를 행하는 전해질층을 갖는다. 이 전지에 있어서, 정극층과 부극층은 적층되고, 정극층과 부극층과의 사이에 절연층이 개재되어 있다. 이 절연층은 정극층 및 부극층의 한쪽보다 면적이 작고, 다른 한쪽보다 면적이 크게 구성되어 있다. 그리고, 상기 정극층과 부극층이 전해질층만을 개재하여 대면하는 개소가 없도록 하고 있다.
정극층과 부극층 사이에 절연층을 개재시킴으로써, 가령 전해질층에 핀홀이 있다고 해도 정부극층 사이의 단락을 억제할 수 있다.
또한, 정극층과 부극층이 적층되어 있기 때문에, 빗살 형상의 정극층과 부극층을 동일 평면 상에 배치한 전지에 비해 전지의 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 절연층은 정극층 및 부극층의 한쪽보다 면적이 작고, 다른 한쪽보다 면적이 크게 구성되어 있어, 정극층과 부극층이 전해질층만을 개재하여 대면하는 개소가 없다. 그 때문에, 정극층과 부극층 사이의 이온 전도는, 절연층의 두께 방향이 아닌, 절연층의 연면(沿面) 방향을 따른 전해질층을 통하여 행할 수 있다.
본 발명 전지의 일 형태로서는 상기 전지가 일차 전지인 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 정부극의 양 전극층을 적층 구조로 한 전지이면서, 전해질층의 핀홀의 발생에 수반하는 모든 문제를 해소할 수 있는 일차 전지를 구성할 수 있다.
본 발명 전지의 일 형태로서는 상기 전지가 이차 전지인 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 정부극의 양 전극층을 적층 구조로 한 전지이면서, 전해질층의 핀홀의 발생에 수반하는 모든 문제를 해소할 수 있는 이차 전지를 구성할 수 있다.
본 발명 전지의 일 형태로서는, 상기 정극층 및 부극층의 한쪽이 단순 패턴 형상이고, 다른 한쪽이 단순 패턴 형상보다도 윤곽 길이가 긴 복잡 패턴 형상인 것이 바람직하다.
본 발명의 전지는 절연층의 연면 방향을 따른 전해질층을 통하여 정극층과 부극층 사이의 이온 전도를 행한다. 즉, 전극층의 윤곽을 크게 취할 수 있으면, 이온 전도를 행하기 위한 경로를 보다 광범위하게 확보할 수 있다. 그 때문에, 정극층과 부극층의 한쪽이 복잡 패턴 형상이면, 이온의 전도 루트를 보다 많이 확보할 수 있어, 한층 고(高)출력의 전지로 할 수 있다.
본 발명 전지의 일 형태로서는 정극층, 부극층, 전해질층 및 절연층이, 전지를 납땜 리플로우할 때의 온도에 대하여 내열성을 갖는 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 납땜을 통하여 기판에 전지를 탑재하는 납땜 리플로우(reflow) 공정에 대응하는 전지를 구축할 수 있다.
본 발명 전지의 일 형태로서는, 정극층 및 부극층 사이에 전해질층과 절연층이 개재되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 정극층 및 부극층 사이에 전해질층과 절연층의 양방이 개재되어 있기 때문에, 만약 전해질층과 절연층의 적어도 한쪽에 핀홀이 있어도, 통상, 양층의 핀홀이 연속하는 것은 생각하기 어렵고, 정극층과 부극층과의 단락을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 박막 리튬 전지에 의하면, 정극층과 부극층과의 사이에 절연층을 개재시킴으로써, 가령 고체 전해질층에 핀홀이 발생하여도, 이 핀홀에서 양 극층간이 단락되는 일이 실질적으로 없이, 전지로서의 기능을 유지할 수 있다.
도1 은 실시예 1 의 본 발명 전지의 종단면도이다.
도2 는 실시예 2 의 본 발명 전지의 종단면도이다.
도3 은 실시예 3 의 본 발명 전지의 종단면도이다.
도4 는 실시예 4 의 본 발명 전지의 종단면도이다.
도5 는 실시예 5 의 본 발명 전지의 평면도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 : 기재
20 : 정극층
30 : 절연층
40 : 전해질층
50 : 부극층
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명의 각 부의 구성을 보다 상세하게 설명한다.
(전지의 기본 구성)
본 발명의 전지는 정극층, 부극층, 전해질층 및 절연층이 적층된 구조이다. 이 구조가 채용 가능하면, 전지의 종류는 문제되지 않는다. 충전을 할 수 없는 일차 전지는 물론, 충전이 가능한 이차 전지라도 좋다. 일차 전지에는 망간 건전지, 알칼리 건전지, 리튬 전지 등이 있다. 또한, 이차 전지에는 니켈·카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등이 있다. 특히, 고체 전해질을 사용하는 전지에 본 발명 전지의 구조를 적합하게 이용할 수 있다. 그 중에서도, 리튬 이온 이차 전지에 본 발명 구조가 가장 적합하다.
또한, 각 전지의 정극·부극의 구체적 재질의 조합으로서는 다음의 것을 들 수 있다.
불화 흑연 리튬 전지 : 정극­불화 흑연 부극­리튬
이산화 망간 리튬 전지 : 정극­이산화 망간 부극­리튬
황화철 리튬 전지 : 정극­황화철 부극­리튬
산화 구리 리튬 전지 : 정극­산화 구리 부극­리튬
리튬 이온 전지 : 정극­리튬 복합 산화물 부극­탄소
그 외, 본 발명 전지의 구조는, 원통형 전지, 버튼 전지, 코인 전지, 박막 전지 등 여러 가지 형태의 전지에 이용할 수 있다.
(정극층)
<재질>
정극층은 이온의 흡장(吸藏;occlusion) 및 방출을 행하는 활물질을 포함하는 층으로 구성한다. 리튬 이온 전지의 경우, 정극층은 산화물, 예를 들면 코발트산 리튬(LiCoO2), 니켈산 리튬(LiNiO2), 망간산 리튬(LiMn2O4) 및 올리빈형 철 인산 리튬(LiFePO4)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1개, 혹은 이들의 혼합물을 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 정극층은 황화물, 예를 들면 황(S), 황화 리튬 및 황화 티타늄(TiS2)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1개, 혹은 이들의 혼합물일 수 있다. 그 외, 정극층의 재료로서는, 구리­리튬 산화물(Li2CuO2), 혹은 LiV3O3, V2O, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물을 들 수 있다. 전술한 산화물은 모두 납땜 리플로우시의 가열 온도(200∼250℃ 정도)에 대하여 내열성을 갖추고 있다. 정극층의 두께는 10∼300㎛ 정도가 적합하다. 보다 바람직한 정극층의 두께는 100㎛ 이하, 더욱 바람직한 정극층의 두께는 30㎛ 이하이다.
<정극층의 형성 방법>
정극층의 형성 방법으로서는 습식법이나 건식법을 이용할 수 있다. 습식법 에는 졸겔(sol-gel)법, 콜로이드법, 캐스팅법 등을 들 수 있다. 건식법에는 기상 퇴적법인 증착법, 이온 플레이팅법, 스퍼터링법, 레이저 애블레이션(ablation)법 등을 들 수 있다.
(부극층)
(재질)
부극층도 이온의 흡장 및 방출을 행하는 활물질을 포함하는 층으로 구성한다. 리튬 이온 전지의 경우, 부극층으로서 Li 금속 및 Li 금속과 합금을 형성할 수 있는 금속으로 이루어지는 군에서 선택되는 1개, 혹은 이들의 혼합물 또는 합금을 매우 적합하게 사용할 수 있다. Li과 합금을 형성할 수 있는 금속으로서는 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 아연(Zn) 및 인듐(In)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나(이하, 합금화 재료라고 함)일 수 있다. 그 외, 그라파이트 등의 탄소 재료, Li4Ti5O12, Li4Fe0 .5Ti5O12, Li4Zn0 .5Ti5O12 등의 스피넬 구조를 갖는 리튬 티탄 산화물, TiS2 등의 황화물, LiCo2 .6O0 .4N 등의 질소 화합물 및, 이들의 혼합물 등을 부극층의 재질로서 들 수 있다. 이들 중, 탄소 재료나 산화물 등은 납땜 리플로우시의 가열 온도(200∼250℃ 정도)에 대하여 내열성을 갖추고 있다. 부극층의 두께는 0.5∼80㎛ 정도가 적합하다. 보다 바람직한 부극층의 두께는 1∼40㎛이다.
전술한 합금으로 이루어지는 부극층은, 부극층 자체에 집전체로서의 기능을 갖게 할 수 있고, 그리고 리튬 이온의 흡장·방출 능력이 높아 바람직하다. 특히, 실리콘(Si)은 리튬을 흡장·이탈하는 능력이 그라파이트(흑연)보다도 커서 에너지 밀도를 높게 할 수 있다.
또한, 부극층 재료에 Li 금속과의 합금상을 사용함으로써, Li 금속과 합금화한 합금화 재료와 Li 이온 전도성의 고체 전해질층과의 계면에서의 Li 이온의 이동 저항이 저감되는 효과가 있어, 제1 사이클째의 충전 초기에 있어서의 합금화 재료의 고(高)저항화가 완화된다.
또한, 합금화 재료의 금속 단체를 부극층으로 한 경우에는, 제1 사이클째의 충방전 사이클에 있어서, 충전 용량에 대하여 방전 용량이 대폭으로 작아지는 문제가 있지만, 미리 Li 금속과 합금화 재료를 합금화한 부극층 재료를 사용함으로써, 이 불가역 용량은 거의 없어진다. 이에 따라, 정극 활물질량을 불가역 용량분만큼 여분으로 충전할 필요가 없어져, 박막 전지의 용량 밀도를 향상시킬 수 있다.
<부극층의 형성 방법>
부극층의 형성 방법은 기상 퇴적법이 바람직하다. 기상 퇴적법으로서는, 예를 들면, PVD(물리적 기상 합성)법이나 CVD(화학적 기상 합성)법을 들 수 있다. 구체적으로는, PVD법으로서는 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, 레이저 애블레이션법을, CVD법으로서는 열 CVD법, 플라즈마 CVD법 등을 들 수 있다.
(전해질층)
고체 전해질에는 이온 도전성이 있고, 전자 전도성이 무시될 수 있을 만큼 작은 재료를 사용한다. 리튬 이온 전지용 전해질층의 경우, Li 이온 전도체이고, 전해질층의 Li 이온 전도도(20℃)가 10-5S/cm 이상이며, 그리고 Li 이온 운반율(transport number)이 0.999 이상인 고체 전해질층이 바람직하다. 특히, Li 이온 전도도가 10-4S/cm 이상이고, 그리고 Li 이온 운반율이 0.9999 이상이면 좋다. 고체 전해질층의 재질로서는 황화물계가 좋고, Li, P, S로 구성되는 고체 전해질층이 바람직하며, 또한 산소를 함유할 수도 있다. 예를 들면, Li3PO4나 Li3PO4에 질소를 섞은 LiPON, Li2S­SiS2, Li2S­P2S5, Li2S­B2S3 등의 리튬 이온 전도성 황화물 유리 상 고체 전해질이나, 이들 유리에 LiI 등의 할로겐화 리튬, Li3PO4 등의 리튬 산소산염을 도핑한 리튬 이온 전도성 고체 전해질 등을 고체 전해질층의 재료로서 적합하게 이용할 수 있다. 이들 복합 산화물 등으로 이루어지는 고체 전해질층은, 납땜 리플로우시의 가열 온도(200∼250℃ 정도)에 대하여 내열성을 갖추고 있다. 고체 전해질층의 두께는 3∼80㎛ 정도가 적합하다. 보다 바람직한 고체 전해질층의 두께는 5∼20㎛이다.
(고체 전해질층의 형성 방법)
고체 전해질층의 형성 방법은 기상 퇴적법이 바람직하다. 기상 퇴적법으로서는, 예를 들면, PVD(물리적 기상 합성)법, CVD(화학적 기상 합성)법을 들 수 있다. 구체적으로는, PVD법으로서는 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, 레이저 애블레이션법을, CVD법으로서는 열 CVD법, 플라즈마 CVD법 등을 들 수 있다.
(절연층)
절연층은 정극층과 부극층과의 단락을 억제하기 위한 층이다. 그 때문에, 절연층은 전자 전도성이 무시될 수 있을 만큼 작은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 절연층에는 무기 재료, 유기 재료의 어느 것이나 다 사용할 수 있다. 무기 재료에는 LiF, 알루미나, 유리 등을 들 수 있다. 유기 재료에는 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리 이미드 필름 등을 들 수 있다. 특히, 수지 중에서는 폴리 이미드 필름이 납땜 리플로우시의 가열 온도(200∼250℃ 정도)에 대하여 내열성을 갖추고 있다. 그 외, 각종 레지스트 재료를 절연층에 이용할 수 있다. 그 경우, 포토리소그래피 기술을 이용하여, 절연층을 소정 형상으로 미세 가공할 수 있다. 레지스트 재료로는 환화 고무­비스아지드계 레지스트, 디아조 나프토퀴논­노볼락 수지, 아지드 화합물계 포토레지스트, KrF 엑시머 레이저용 화학 증폭계 레지스트, ArF 엑시머 레이저용 화학 증폭계 레지스트 등을 들 수 있다. 절연층의 두께는 0.5∼20㎛ 정도가 적합하다. 보다 바람직한 절연층의 두께는 2∼10㎛이다. 특히, 두께가 3㎛ 이상이면, 핀홀이 생기기 어려워 바람직하다. 수지제의 절연층을 사용한 경우, 얻어지는 전지에 가요성을 갖게 하기 쉽다.
<절연층의 형성 방법>
절연층은 수지 재료를 용제로 용해하여 소정의 형성 개소에 도포하거나, 포토리소그래피 기술이나, 기상 합성법에 의해 소정의 형상으로 절연층을 성막함으로써 얻어진다. 그 외, 기존의 플라스틱 필름을 레이저 컷 등으로 소정의 형상으로 성형한 절연층을 소정의 형성 개소에 접착할 수도 있다. 특히, 도포에 의해 형성된 절연층은 핀홀이 생성되기 어렵다.
(기재)
통상, 도전성 기판 상에 정극층, 부극층, 전해질층 및 절연층을 적층하든지, 절연성 기판 상에 집전체층을 형성하고 나서 정극층, 부극층, 전해질층 및 절연층을 적층한다. 기재의 재료로는, 알루미나, 유리 및 폴리 이미드 필름 등의 절연성 기판, 실리콘 등의 반도체 기판, 플라티나, 금, 철, 니켈, 알루미늄이나 구리, 스테인리스 등의 도전성 기판 등을 사용할 수 있다. 이들 재료는 모두 납땜 리플로우시의 가열 온도(200∼250℃ 정도)에 대하여 내열성을 갖추고 있다. 기재의 두께는 3∼80㎛ 정도가 적합하다. 보다 바람직한 기재의 두께는 5∼25㎛이다. 수지제의 기재를 사용한 경우, 얻어지는 전지에 가요성을 갖게 하기 쉽다.
(집전체)
정극층, 부극층의 각각에는, 통상, 집전체가 접합되어 있다. 집전체에는 금속박 등이 적합하다. 부극 집전체 재료로서는, 예를 들면, 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr) 및, 이들의 합금으로부터 선택되는 1종을 들 수 있다. 이들 금속은, 리튬(Li)과 금속간 화합물을 형성하지 않기 때문에, 리튬과의 금속간 화합물에 의한 문제점, 구체적으로는, 충방전에 의한 팽창·수축에 의하여, 부극층이 구조 파괴를 일으켜 집전성이 저하하거나, 부극층의 접합성이 저하하여 부극층이 집전체로부터 탈락하기 쉬어진다는 문제점을 방지할 수 있다. 정극 집전체의 구체예로서는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 이들의 합금, 스테인리스로부터 선택되는 1종을 들 수 있다.
이들 집전체는 PVD법이나 CVD법에 의해 형성할 수 있다. 특히, 소정의 패턴 으로 집전체를 형성하는 경우, 적당한 마스크를 사용함으로써, 용이하게 소정 패턴의 집전체를 형성할 수 있다.
(그 외의 구성)
본 발명 전지에서는 정극층, 부극층의 적어도 한쪽을 복잡 패턴 형상으로 하는 것이 바람직하다. 복잡 패턴 형상은 최대한 윤곽의 길이를 크게 취하는 형상이면 좋다. 예를 들면, 빗살 형상이나 소용돌이 형상 등을 들 수 있다. 빗살 형상의 전극층이면, 직사각형의 박막 전지를 형성하기 쉽다. 또한, 소용돌이 형상의 전극층이면, 원형의 박막 전지를 형성하기 쉽다. 한쪽의 전극층을 복잡 패턴 형상으로 한 경우, 다른 한쪽의 전극층을 단순 패턴 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 쌍방의 전극층을 복잡 패턴 형상으로하여, 상호 전극층의 위치 맞춤을 고(高)정밀도로 행할 필요가 없다. 단순 패턴 형상으로서는, 복잡 패턴 형상보다도 윤곽의 길이를 짧게 할 수 있는 형상, 예를 들면 원형이나 직사각형, 다각형을 들 수 있다. 특히, 단순 패턴 형상의 전극층을 복잡 패턴 형상의 전극층보다도 크게 하면, 단순 패턴 형상의 전극층의 상측에 복잡 패턴 형상의 전극층을 용이하게 적층할 수 있다.
전지를 평면에서 본 경우, 절연층의 윤곽과 절연층 상의 전극층의 윤곽과의 간격(L)은 5㎛∼200㎛로 하는 것이 바람직하다. 이 간격(L)이 너무 짧으면, 절연층 상에 전극층을 성막할 때, 절연층에 대하여 전극층을 정확히 위치 맞춤하는 것이 어렵다. 반대로, 이 간격(L)이 너무 길면, 전극층 사이의 저항이 커져서 바람직하지 않다. 보다 바람직한 간격 (L)은 100㎛ 이하이다.
또한, 전지 전체(정극층, 부극층, 전해질층 및 절연층의 합계)의 두께는 15∼500㎛ 정도가 바람직하다. 이러한 두께로 함으로써, 매우 얇은 전지를 구성할 수 있다. 특히, 300㎛ 이하의 두께의 전지로 하는 것이 바람직하다.
또한, 전지에서는 정극층과 부극층의 전지 용량(㎃h/㎠)이 일치하지 않는 경우가 많이 있다. 그 경우, 전지 용량이 큰 측을 면적이 작은 복잡 패턴 형상의 전극층으로 하고, 전지 용량이 작은 측을 면적이 큰 단순 패턴 형상의 전극층으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 부극층의 전지 용량이 정극층의 전지 용량에 비해 압도적으로 큰 경우, 전지 용량이 큰 부극층만을 빗살 형상 전극층으로 하고, 정극층을 직사각형 전극층으로 함으로써, 전지 전체로서, 소형·고용량의 요구에 합치한 전지로 할 수 있다.
(실시예 1)
도1 에 본 발명 전지의 종단면도를 나타낸다. 이 전지는 기재(10) 상에 정극층(20), 절연층(30), 전해질층(40), 부극층(50)을 순차로 형성한 박막 Li 이온 전지이다.
우선, 금속제의 기재(10) 위에, 엑시머 레이저 애블레이션법에 의해, LiCoO2로 이루어지는 직사각형 정극층(20)을 형성한다. 다음으로, 이 정극층(20) 상의 일부에 증착법에 의해 LiF로 이루어지는 직사각형 절연층(30)을 형성한다. 여기에서는, 정극층(20)의 거의 중앙부에만 절연층(30)을 형성하고 있다. 또한, 절연층(30)과 정극층(20)의 전체를 덮도록 전해질층(40)을 형성한다. 여기에서는, 엑 시머 레이저 애블레이션법에 의해, 리튬(Li)­인(P)­황(S)­산소(O) 조성의 전해질층(40)을 형성했다. 그리고, 마지막에 절연층(30)보다도 작은 면적의 직사각형 부극층(50)을, 절연층(30)과 전해질층(40)의 위에 겹쳐지도록 형성한다. 여기에서는, 증착법에 의해, Li 금속막을 부극층(50)으로서 형성했다. 그 결과, 정극층(20), 부극층(50), 절연층(30)의 면적의 관계는, 정극층(20)>절연층(30)>부극층(50)이 된다. 또한, 각 층의 두께는 기재 10㎛, 정극층 100㎛, 절연층 5㎛, 전해질층 5㎛, 부극층 3㎛이다. 이 전지로 충방전을 행할 경우, Li 이온은 절연층(30) 상에 형성된 전해질층(40)의 거의 연면 방향으로 이동함으로써 정부극층 사이에 전도된다.
이 구성의 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50) 사이에는 절연층(30)이 개재되어 있다. 또한, 정극층(20)과 부극층(50)은 전해질층(40)만을 개재하여 대면하는 개소가 없다. 그 때문에, 가령 전해질층(40)에 핀홀이 있어도, 절연층(30)의 존재에 의해 정부극층 사이가 단락하는 것을 억제할 수 있다. 특히, 본 예의 구성에서는, 정극층(20)과 부극층(50)과의 사이에 절연층(30)과 전해질층(40)의 2층이 개재되어 있기 때문에, 상기 단락을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 이 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50)은 서로 적층 구조를 취하고 있기 때문에, 양 전극층을 동일 평면 상에 병렬하는 구성의 전지에 비해, 전지 면적을 작게 할 수 있다. 또한, 별도, 유리판 상의 전해질층에 Au의 빗살형 전극을 형성하여, 복소 임피던스(complex impedance) 측정을 행한 바, 전해질층의 이온 전도도는 2× 10-4S/㎝였다.
본 예의 변형예로서는 정극층과 부극층을 치환하는 것을 들 수 있다. 즉, 기판 상에 우선 부극층이 형성되고, 그 부극층 상의 일부에 절연층이 형성되며, 또한 부극층과 절연층의 전체를 덮도록 전해질층이 형성된다. 그리고, 이 절연층과 전해질층에 겹쳐지도록, 정극층이 전해질층 위에 형성된다. 이 구성으로도 정극층과 부극층과의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
(시험제작예)
실시예 1에 따른 본 발명 전지와, 실시예 1의 전지로부터 절연층을 없앤 비교 전지를 100개씩 제작하여, 정부극층 사이의 단락에 의한 수율을 조사해 보았다. 그 결과, 본 발명 전지에서는 단락에 의한 불량품이 제로였던 것에 대해, 비교 전지에서는 38%의 불량품이 발생했다. 이 점에서, 절연층을 형성한 본 발명 전지의 수율의 높음을 확인할 수 있었다.
(실시예 2)
다음으로, 도1 과는 다른 구성의 본 발명 전지를 도2 에 기초하여 설명한다. 이 전지도 실시예 1과 동일하게 박막 Li 이온 전지로, 기재(10), 정극층(20), 절연층(30), 전해질층(40), 부극층(50)을 구비하고 있다. 각 층의 재질 및 형성 방법은 실시예 1과 동일하다.
이 전지는 우선 기재(10) 위에 평판 형상의 전해질층(40)이 형성되어 있다. 이 전해질층(40) 상의 일부에는 정극층(20)이 형성되어 있다. 또한, 이 정극 층(20)을 덮도록 절연층(30)이 형성되어 있다. 이 절연층(30)은 실질적으로 정극층(20)의 외측에 형성되어 있고, 전해질층(40) 중, 정극층(20)으로 덮혀져 있지 않은 개소에는 형성되어 있지 않다. 즉, 절연층(30)의 단면은 ㄷ자 형상(스퀘어 브래킷 형상)으로 형성되어 있다. 그리고, 이 절연층(30)과, 전해질층(40) 중 노출되어 있는 부분을 부극층(50)으로 덮고 있다. 그 결과, 정극층(20), 부극층(50), 절연층(30)의 면적의 관계는 정극층(20)<절연층(30)<부극층(50)이 된다. 이 전지로 충방전을 행할 경우, Li 이온은 정극층(20) 및 부극층(50)의 하면으로부터 전해질층(40)을 통하여 정부극층간에 전도된다.
이 구성의 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50) 사이에는 절연층(30)이 개재되어 있다. 또한, 정극층(20)과 부극층(50)은 전해질층(40)만을 개재하여 대면하는 개소가 없다. 그 때문에, 가령 전해질층(40)에 핀홀이 있어도, 절연층(30)의 존재에 의해 정부극층 사이가 단락하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 이 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50)은 서로 적층 구조를 취하고 있기 때문에, 양 전극층을 동일 평면 상에 병렬하는 구성의 전지에 비해, 전지 면적을 작게 할 수 있다.
본 예의 변형예로서는, 정극층과 부극층을 치환하는 것을 들 수 있다. 즉, 기판 상에 전해질층이 형성되어 있는 곳까지는 도2 와 동일하지만, 그 전해질층 상의 일부에 부극층을 형성한다. 다음으로, 이 부극층을 덮도록 절연층을 형성한다. 그리고, 이 절연층과, 노출된 전해질층을 일괄하여 덮는 정극층을 형성한다. 이 구성으로도, 정극층과 부극층과의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
(실시예 3)
또한 전술의 실시예와는 구성이 다른 전지를 도3 에 기초하여 설명한다. 이 전지도 실시예 1과 동일하게 박막 Li 이온 전지로, 기재(10), 정극층(20), 절연층(30), 전해질층(40), 부극층(50)을 구비하고 있다. 각 층의 재질 및 형성 방법은 실시예 1과 동일하다.
이 전지에서는 우선 기재(10) 상의 일부에 정극층(20)이 형성되어 있다. 다음으로, 이 정극층(20)과 기재(10)의 노출 개소를 덮도록 전해질층(40)이 형성된다. 또한, 전해질층(40) 상의 일부에 절연층(30)이 형성된다. 단, 이 절연층(30)은 정극층(20)보다도 넓은 면적을 가지며, 정극층(20) 위에 씌워지도록 형성되어있다. 그리고, 이 절연층(30)과, 전해질층(40)의 노출 개소를 덮도록 부극층(50)을 형성한다. 그 결과, 정극층(20), 부극층(50), 절연층(30)의 면적의 관계는, 정극층(20)<절연층(30)<부극층(50)이 된다. 이 전지로 충방전을 행할 경우, Li 이온은 절연층(30) 하에 형성된 전해질층(40)의 거의 연면 방향으로 이동함으로써 정부극층간에 전도된다.
이 구성의 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50) 사이에는 절연층(30)이 개재되어 있다. 또한, 정극층(20)과 부극층(50)은 전해질층(40)만을 개재하여 대면하는 개소가 없다. 그 때문에, 가령 전해질층(40)에 핀홀이 있어도, 절연층(30)의 존재에 의해 정부극층 사이가 단락하는 것을 억제할 수 있다. 특히, 본 예의 구성에서는 정극층(20)과 부극층(50)과의 사이에 절연층(30)과 전해질층(40)의 2층이 개재되어 있기 때문에, 상기 단락을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 이 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50)은 서로 적층 구조를 취하고 있기 때문에, 양 전극층을 동일 평면 상에 병렬하는 구성의 전지에 비해 전지 면적을 작게 할 수 있다.
본 예의 변형예로서는 정극층과 부극층을 치환하는 것을 들 수 있다. 즉, 우선 기재 상의 일부에 부극층이 형성되어 있다. 다음으로, 이 부극층과 기재의 노출 개소를 덮도록 전해질층이 형성된다. 또한, 전해질층 상의 일부에 절연층이 형성된다. 단, 이 절연층은 부극층보다도 넓은 면적을 가지며, 부극층 위에 씌워지도록 형성되어 있다. 그리고, 이 절연층과, 전해질층의 노출 개소를 덮도록 정극층을 형성한다. 이 구성으로도, 정극층과 부극층과의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
(실시예 4)
또한 전술의 실시예와는 구성이 다른 전지를 도4 에 기초하여 설명한다. 이 전지도 실시예 1과 동일하게 박막 Li 이온 전지로, 기재(10), 정극층(20), 절연층(30), 전해질층(40), 부극층(50)을 구비하고 있다. 각 층의 재질·형상 및 형성 방법은 실시예 1과 동일하다.
이 전지에서는 우선 기재(10) 상에 정극층(20)이 형성되어 있다. 이 정극층(20) 상의 일부에 절연층(30)이 형성된다. 또한 그 절연층(30) 상의 일부에 부극층(50)이 형성된다. 그리고, 부극층(50), 절연층(30)의 노출 개소 및 정극층(20)의 노출 개소를 덮도록 전해질층(40)이 형성된다. 그 결과, 정극층(20), 부극층(50), 절연층(30)의 면적의 관계는 정극층(20)>절연층(30)>부극층(50)이 된다. 이 전지로 충방전을 행할 경우, Li 이온은 절연층(30) 상에 형성된 전해질층(40)의 거의 연면 방향으로 이동함으로써 정부극층간에 전도된다.
이 구성의 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50) 사이에는 절연층(30)이 개재되어 있다. 또한, 정극층(20)과 부극층(50)은, 전해질층(40)만을 개재하여 대면하는 개소가 없다. 그 때문에, 가령 전해질층(40)에 핀홀이 있어도, 절연층(30)의 존재에 의해 정부극층 사이가 단락하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 이 전지에 의하면, 정극층(20)과 부극층(50)은 서로 적층 구조를 취하고 있기 때문에, 양 전극층을 동일 평면 상에 병렬하는 구성의 전지에 비해 전지 면적을 작게 할 수 있다.
본 예의 변형예로서는 정극층과 부극층을 치환하는 것을 들 수 있다. 즉, 우선 기재 상에 부극층을 형성한다. 이 부극층 상의 일부에 절연층이 형성된다. 또한 그 절연층 상의 일부에 정극층이 형성된다. 그리고, 정극층, 절연층의 노출 개소 및 부극층의 노출 개소를 덮도록 전해질층을 형성한다. 이 구성으로도, 정극층과 부극층과의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
(실시예 5)
또한, 전술의 실시예와는 구성이 다른 전지를 도5 에 기초하여 설명한다. 이 전지도 실시예 1과 동일하게 박막 Li 이온 전지로, 기재(10), 정극층(20), 절연층(30), 전해질층(40), 부극층(50)을 구비하고 있다. 각 층의 재질 및 형성 방법 그리고 각 층의 적층순은 실시예 1과 동일하다.
단, 본 예에서는 절연층(30) 및 부극층(50)의 형상이 실시예 1의 전지와는 다르다. 우선, 본 예의 전지에서는, 기재(10) 상에 직사각형 정극층(20)을 형성한다. 이 정극층(20) 상의 일부에 빗살 형상의 절연층(30)을 형성한다. 또한 정극층(20)의 대부분과 절연층(30)의 전면을 덮도록 전해질층(40)을 형성한다. 그리고, 전해질층(40) 중, 절연층(30)이 형성되어 있는 개소의 위에 빗살 형상의 부극층(50)을 형성한다. 이 부극층(50)은 절연층(30)보다도 작은 면적이다. 그 결과, 정극층(20), 부극층(50), 절연층(30)의 면적 관계는, 정극층(20)>절연층(30)>부극층(50)이 된다. 이 전지로 충방전을 행할 경우, Li 이온은 절연층(30) 상에 형성된 전해질층(40)의 거의 연면 방향으로 이동함으로써, 정부극층간에 전도된다.
이 구성의 전지에 의해서도, 절연층(30)의 존재에 의해 정극층(20)과 부극층(50)과의 단락을 억제할 수 있는 것은 실시예 1과 동일하다. 또한, 본 예의 구성에서는 부극층(50)의 윤곽 길이가 단순히 직사각형 부극층을 형성한 경우에 비해 훨씬 길다. 이 전지에서는, 부극층(50)의 윤곽부로부터 전해질층(40)을 통하여 정극층(20)과 이온 전도가 행해지기 때문에, 부극층(50)의 윤곽 길이가 긴 것은, 이온의 전도 루트를 보다 많이 확보되어 있는 것이 된다. 그 때문에, 빗살 형상의 전극층을 사용한 본 예의 전지에 의하면, 보다 고출력의 전지를 구성할 수 있다. 또한, 전지를 평면에서 본 경우, 절연층(30)의 윤곽과 부극층(50)의 윤곽과의 간격(L)은 100㎛였다.
본 발명 전지는 여러 종류의 일차 전지 및 이차 전지에 이용할 수 있다. 특히, 전해액을 사용하지 않고, 안전성, 내열성 및 저온 특성이 우수한 전고체형 리 튬 이차 전지로서 적합하게 이용할 수 있다. 예를 들면, 이 전지는 이동형, 휴대형 등의 여러 종류의 전기·전자 기기의 전원으로서 이용하는 것이 기대된다. 그 외, 본 발명 전지는 가열로에 넣어서 배선의 경납땜을 일괄하여 행하는 리플로우 공정에 투입되는 전자 기판용 전지, 자동차 등의 전자 회로에 사용되는 백업용 전원 및, 내열성이 필요한 주전원 등에도 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 정극층과, 부극층과, 양 전극층 사이에서 이온의 전도를 행하는 전해질층을 갖는 전지로서,
    상기 정극층과 부극층은 적층되고,
    이들 정극층과 부극층과의 사이에 절연층이 개재되며,
    이 절연층은 정극층 및 부극층의 한쪽 보다 면적이 작고, 다른 한쪽 보다 면적이 크게 구성되며,
    상기 정극층과 부극층이 전해질층만을 개재하여 대면하는 개소가 없는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지가 일차 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전지가 이차 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정극층 및 부극층의 한쪽이 원형, 직사각형 또는 다각형의 단순 패턴 형상이고, 다른 한쪽이 단순 패턴 형상보다도 윤곽 길이가 긴 복잡 패턴 형상인 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    정극층, 부극층, 전해질층 및 절연층이, 전지를 납땜 리플로우할 때의 온도에 대하여 내열성을 갖는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    정극층 및 부극층 사이에 전해질층과 절연층이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
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