KR101532136B1 - Anode, method of fabricating the same and rechargeable battery - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들은 음극, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음극은, 집전판, 상기 집전판에 전기적으로 결합되고, 리튬 이온의 전착 및 탈리에 의한 전기화학적 반응 자리를 제공하는 도전성 내부 표면 및 상기 도전성 내부 표면을 노출시키는 개구를 각각 포함하는 상기 복수의 캐비티들; 및 상기 복수의 캐비티들 중 서로 인접하는 상기 개구들 사이를 전기적으로 패시베이션하고 상기 개구를 이격시키는 전기 절연성 패턴을 포함한다.Embodiments of the present invention relate to a negative electrode, a method of manufacturing the same, and a secondary battery using the same. The negative electrode according to an embodiment of the present invention includes a current collecting plate, a conductive inner surface electrically coupled to the current collecting plate, the conductive inner surface providing an electrochemical reaction site by electrodeposition and desorption of lithium ions, Each of the plurality of cavities comprising: And an electrically insulative pattern that electrically passivates and separates the openings between adjacent ones of the plurality of cavities.

Description

음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지{Anode, method of fabricating the same and rechargeable battery}[0001] The present invention relates to a negative electrode, a method of manufacturing the same, and a secondary battery including the same,

본 발명은 이차 전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery technology, and more particularly, to a negative electrode, a method for manufacturing the same, and a secondary battery including the same.

최근에 스마트폰, 휴대용 컴퓨터와 같은 휴대용 정보 기술 기기의 발전과 스마트 그리드 또는 전기 자동차와 대중화로 인하여 이차 전지의 수요가 크게 증가하고 있다. 이차 전지는 양극 음극의 활물질에 따라 리튬 이온 이차 전지, 재충전이 가능한 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 배터리 또는 납 축전지가 있다. 이들 이차 전지 중에서, 리튬 이온 이차 전지는, 높은 기전력, 용량 및 에너지 밀도를 갖기 때문에 휴대용 소형 장치뿐만 아니라 중대형 장치의 전원으로 그 응용이 확대되고 있다.Recently, the development of portable information technology devices, such as smart phones and portable computers, and the popularization of smart grids or electric vehicles have led to a significant increase in demand for secondary batteries. The secondary battery may be a lithium ion secondary battery, a rechargeable nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, or a lead acid battery, depending on the anode active material. Among these secondary batteries, lithium ion secondary batteries have high electromotive force, capacity, and energy density, and thus their applications are expanding not only as small portable devices but also as power sources for medium to large-sized devices.

고용량과 고에너지 밀도를 가질 것이 요구되는 휴대용 소형 장치에서는, 주로 양극 활물질로서 LiCoO2 및 음극 활물질로서 그래파이트의 조합이 주로 사용된다. 그러나, 그래파이트 재료의 입출력 성능은 충분히 높지 않기 때문에, 이러한 조합은 높은 입/출력을 요구하는 전기 자동차와 같은 응용에는 적용이 어렵다. 대안 기술로서, 높은 결정질의 그래파이트 재료보다는 그래파이트화되지 않은 탄소 재료를 음극 활물질로 사용하여 높은 입/출력을 확보할 수 있다. 그러나 이 경우에, 전지의 용량이 다소 감소하는 문제점이 있다.In portable small apparatuses requiring high capacity and high energy density, a combination of LiCoO 2 as a cathode active material and graphite as a negative electrode active material is mainly used. However, since the input / output performance of the graphite material is not sufficiently high, such a combination is difficult to apply to applications such as electric vehicles requiring high input / output. As an alternative technique, high input / output can be secured by using carbon material which is not graphitized rather than high crystalline graphite material as negative electrode active material. However, in this case, the capacity of the battery is somewhat reduced.

따라서, 입/출력 성능을 향상시키면서 동시에 용량을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법으로는 갖는 리튬 금속 자체를 음극 활물질로 사용하는 것이 이상적이다. 이 경우, 리튬 금속의 표준 전극 전위를 그대로 기전력으로 이용할 수 있으므로, 고출력 전지를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 탄소계 재료 대비 8 배 이상의 높은 이론 용량 (3,861 mAh/g)을 실제의 전지의 용량으로 근접시킬 수 있어 에너지 밀도의 최대화가 가능하다. 그러나, 상기 리튬 활물질의 경우, 전지의 충전 및 방전에 의한 싸이클릭 화학 반응에 따라 음극에서 결정성 돌기인 수지상 리튬(lithium dendrite)이 성장되는 문제점이 있다. 이러한 수지상 리튬은 전지 내부의 분리막의 기공을 막아 이온 물질의 이동을 차단시켜 충·방전 효율을 감소시키고, 상기 수지상 리튬이 과도하게 성장하는 경우에는, 상기 수지상 리튬이 분리막을 관통하여 전지의 양극 및 음극을 단락되어 폭발 또는 화재가 일어나는 문제점이 있다.Therefore, it is ideal to use the lithium metal itself as an anode active material as an effective way to improve the input / output performance and the capacity at the same time. In this case, since the standard electrode potential of lithium metal can be used as an electromotive force as it is, a high output cell can be obtained, and a theoretical capacity (3,861 mAh / g) So that the energy density can be maximized. However, in the case of the lithium active material, a lithium dendrite, which is a crystalline protrusion, is grown on the cathode according to a cyclic chemical reaction by charging and discharging the battery. When the dendritic lithium is excessively grown, the dendritic lithium passes through the separator and the positive electrode and the negative electrode of the battery are separated from each other. The negative electrode is short-circuited to cause an explosion or fire.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 리튬 자체를 음극 활물질로 사용할 수 있도록 수지상 리튬의 형성이 억제되어 신뢰성과 향상된 수명을 갖는 음극을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a negative electrode having reliability and improved lifetime by suppressing the formation of dendritic lithium so that lithium itself can be used as an anode active material.

또한, 또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 음극의 제조 방법을 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a negative electrode having the above-described advantages.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 음극을 이용한 이차 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a secondary battery using the negative electrode having the above-described advantages.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음극은, 집전판에 전기적으로 결합되고, 리튬 이온의 전착 및 탈리에 의한 전기화학적 반응 자리를 제공하는 도전성 내부 표면 및 상기 도전성 내부 표면을 노출시키는 개구를 각각 포함하는 상기 복수의 캐비티들; 및 상기 복수의 캐비티들 중 서로 인접하는 상기 개구들 사이를 전기적으로 패시베이션하고 상기 개구를 이격시키는 전기 절연성 패턴을 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a negative electrode comprising: a conductive inner surface electrically coupled to a current collecting plate, the conductive inner surface providing an electrochemical reaction site by electrodeposition and desorption of lithium ions; The plurality of cavities each including an opening for exposing; And an electrically insulative pattern that electrically passivates and separates the openings between adjacent ones of the plurality of cavities.

일 실시예에서, 상기 집전판의 표면이 상기 복수의 캐비티들의 상기 도전성 내부 표면의 적어도 일부를 제공할 수 있다. 또한, 상기 집전판 상에, 상기 복수의 캐비티들이 형성된 전기 절연성 패턴층을 포함하며, 상기 전기 절연성 패턴층의 상부 표면에 의해 상기 전기 절연성 패턴이 제공될 수 있다.In one embodiment, the surface of the current collector plate may provide at least a portion of the conductive inner surface of the plurality of cavities. Further, the current collecting plate may include an electrically insulating pattern layer on which the plurality of cavities are formed, and the electrically insulating pattern may be provided by the upper surface of the electrically insulating pattern layer.

다른 실시예에서, 상기 집전판이 상기 복수의 캐비티들을 정의하도록 깊이 방향으로 패터닝될 수 있으며, 상기 전기 절연성 패턴의 개구들은 상기 복수의 캐비티들에 정렬되도록 상기 집전판 상에 형성된다. 일부 실시예에서는, 상기 복수의 캐비티들의 내부에 기공을 갖는 고분자 사슬층이 제공될 수 있다.In another embodiment, the current collector plate may be patterned in a depth direction to define the plurality of cavities, and openings of the electrically insulating pattern are formed on the current collector plate so as to be aligned with the plurality of cavities. In some embodiments, a polymer chain layer having pores inside the plurality of cavities may be provided.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 방법은, 집전판을 제공하는 단계; 상기 집전판 상에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 집전판 또는 상기 절연층 중 어느 하나에 리튬 이온의 전착 및 탈리에 의한 전기화학적 반응 자리를 제공하는 도전성 내부 표면을 갖는 복수의 캐비티들을 형성하고, 상기 절연층의 표면이 상기 복수의 캐비티들 중 서로 인접하는 상기 개구들 사이를 전기적으로 패시베이션하고 상기 개구를 이격시키도록 상기 집전판 또는 상기 절연층을 패터닝하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electrode, comprising: providing a current collector; Forming an insulating layer on the current collecting plate; And a plurality of cavities having a conductive inner surface for providing an electrochemical reaction site by electrodeposition and desorption of lithium ions on any one of the current collector plate and the insulating layer, And patterning the collector plate or the insulating layer to electrically passivate between the openings adjacent to each other and to separate the openings.

상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전술한 음극; 상기 음극에 대향하는 양극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 분리막을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이차 전자는 리튬 금속 전지일 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a secondary battery including: a cathode; A positive electrode facing the negative electrode; And a separator between the anode and the cathode. In one embodiment, the secondary electrons may be a lithium metal battery.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 캐비티들 내에서 리튬의 산화 및 환원 반응이 국지화되고, 인접하는 복수의 캐비티들의 개구 사이가 전기적으로 패시베이션되어, 반복되는 충·방전에 따른 리튬의 수지상 성장이 억제된 음극이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 캐비티들 내의 도전성 내부 표면은 종래의 이차원적 집전판의 표면에 비하여 전기화학적 반응 자리를 확장할 수 있으므로, 고용량과 고출력을 갖는 음극이 제공될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the oxidation and reduction reactions of lithium are localized in the plurality of cavities, and the openings of the adjacent cavities are electrically passivated, so that the dendritic growth of lithium due to repeated charge and discharge A suppressed cathode can be provided. Further, according to the embodiment of the present invention, the conductive inner surface in the plurality of cavities can expand the electrochemical reaction site compared to the surface of the conventional two-dimensional collector plate, so that a negative electrode having a high capacity and high output can be provided .

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 음극을 용이하게 제조할 수 있는 음극의 제조 방법이 제공될 수 있다.Further, according to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a negative electrode capable of easily manufacturing a negative electrode having the above-described advantages can be provided.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전지의 내부 저항이 비약적으로 감소되면서도 리튬의 수지상 성장을 억제하여 리튬의 이론 용량에 근접한 에너지 밀도를 확보하면서도 장수명을 갖는 리튬 금속 전지를 제공할 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, it is possible to provide a lithium metal battery having a long life while ensuring an energy density close to the theoretical capacity of lithium by suppressing dendrite growth of lithium while drastically reducing the internal resistance of the battery.

도 1은 리튬 금속 전지의 전극 조립체의 전지화학반응을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 및 이의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 도시하는 단면도이며, 도 3a는 음극의 충전 상태를 도시하면, 도 3b는 음극의 방전 상태를 각각 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음극들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 음극들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 음극들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 포함하는 전지를 도시하는 분해 사시도이다.
1 is an exploded perspective view for explaining a battery chemical reaction of an electrode assembly of a lithium metal battery.
2A and 2B are cross-sectional views illustrating a cathode and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating cathodes according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A shows a charged state of the cathodes, and FIG. 3B shows discharge states of cathodes.
4A to 4C are cross-sectional views illustrating cathodes according to other embodiments of the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating cathodes according to still another embodiment of the present invention.
6A and 6B are cross-sectional views illustrating cathodes according to still another embodiment of the present invention.
7 is an exploded perspective view illustrating a battery including a cathode according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, The present invention is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. In the following drawings, thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of any of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 명세서에서 사용되는 '분리막'이란 용어는 상기 분리막과 친화성이 작은 액체 전해질을 사용하는 액체 전해질 전지에서 일반적으로 통용되는 분리막을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'은 전해질이 분리막에 강하게 속박되어, 전해질과 분리막이 동일한 것으로 인식되는 진성 고체 전해질막 및/또는 겔 전해질막을 포함할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 상기 분리막이란 용어는 명백하게 고체 전해질막 및 겔 전해질막과 구분되어 사용되지 않는 한, 이들 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
As used herein, the term " separator " includes a separator commonly used in a liquid electrolyte cell using a liquid electrolyte having a low affinity for the separator. In addition, the 'separator' used herein may include an intrinsic solid electrolyte membrane and / or a gel electrolyte membrane in which the electrolyte is strongly bound to the separator, and the electrolyte and the separator are recognized as being identical. Therefore, the term separation membrane used in this specification should be construed to include all of them unless clearly distinguished from the solid electrolyte membrane and the gel electrolyte membrane.

도 1은 리튬 금속 전지의 전극 조립체(100)의 전지화학반응을 설명하기 위한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view for explaining a battery chemical reaction of an electrode assembly 100 of a lithium metal battery.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 음극(10), 양극(20) 및 이들 사이의 분리막(30)을 포함하는 적층체이다. 음극(10)은 집전판(10-1)과 집전판(10_1)의 일 주면 상에 제공되는 음극층(10_2)을 포함한다. 집전판(10_1)은 구리, 타이타늄, 스텐인레스 스틸, 니켈, 백금, 금, 은, 루테늄, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금이나 적층체와 같은 금속 포일을 포함할 수 있다. 또는, 집전판(10_1)은 인듐 주석 산화물과 같은 도전성 산화물, 도전성 고분자 또는 탄소계 전극 물질을 포함할 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도시하지는 않았으나, 이들 집전판(10_1)은 박막화될 수 있으며, 이를 지지하기 위한 별도의 절연층이 제공될 수도 있다. 예를 들면, 집전판은 가요성 고분자 절연 기판과 그 위에 형성된 금속 박막일 수 있다.Referring to FIG. 1, an electrode assembly 100 according to an embodiment is a laminate including a cathode 10, an anode 20, and a separator 30 therebetween. The cathode 10 includes a current collector plate 10-1 and a cathode layer 10_2 provided on one main surface of the current collector plate 10_1. The current collecting plate 10_1 may be made of any one of copper, titanium, stainless steel, nickel, platinum, gold, silver, ruthenium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, And a metal foil such as a sieve. Alternatively, the current collecting plate 10_1 may include a conductive oxide such as indium tin oxide, a conductive polymer, or a carbon-based electrode material, but the present invention is not limited thereto. Although not shown, these current collecting plates 10_1 may be made thin, and a separate insulating layer may be provided for supporting them. For example, the current collecting plate may be a flexible polymer insulating substrate and a metal thin film formed thereon.

음극층(10_2)은 서로 이격된 복수의 캐비티들(10_C) 및 복수의 캐비티들(10_C)의 개구들(OP) 사이를 전기적으로 패시베이션하기 위한 전기 절연성 패턴(10P)을 포함한다. 도 1에서와 같이 캐비티들(10_C)의 개구들(OP)은 전기 절연성 패턴(100P)에 의해 정의되고, 서로 이격될 수 있다. 복수의 캐비티들(10_C)의 내부 표면(10C_S) 중의 적어도 일부는 도전성이고, 집전판(10_1)과 전기적으로 결합된다.The cathode layer 10_2 includes an electric insulating pattern 10P for electrically passivating a plurality of spaced apart cavities 10_C and openings OP of the plurality of cavities 10_C. As shown in Fig. 1, the openings OP of the cavities 10_C are defined by the electrically insulating pattern 100P and can be spaced apart from each other. At least a part of the inner surface 10C_S of the plurality of cavities 10_C is conductive and is electrically coupled to the current collecting plate 10_1.

일 실시예에서, 캐비티들(10_C)의 저부가 도전성이거나, 저부와 함께 측벽이 모두 도전성이어서, 캐비티들(10_C)의 도전성 표면과 집전판(10_1)이 서로 접촉하거나, 집전판(10_1)의 표면 자체가 캐비티들(10_C)의 내부 표면(10C_S)으로서 노출되거나 다른 도전성 부재에 의해 서로 연결됨으로써, 이들 사이의 전기적 결합이 달성될 수 있다. 따라서, 캐비티들(10_C) 내에서 리튬의 산화 및 환원 반응에 수반하는 전자는 캐비티들(10_C)의 도전성 표면을 지나 집전판(10_1)을 통하여 흐를 수 있다. 집전판(10_1)에는 외부 회로와의 전기적 연결을 위한 탭 또는 리드(도 6의 TA 참조)가 형성될 수 있다.The bottom of the cavities 10_C is conductive or the side walls are all conductive along with the bottom so that the conductive surface of the cavities 10_C and the current collecting plate 10_1 contact each other or the surface of the collecting plate 10_1 Themselves may be exposed as the inner surface 10C_S of the cavities 10_C or may be connected to each other by another conductive member so that electrical coupling therebetween can be achieved. Therefore, the electrons involved in the oxidation and reduction reaction of lithium in the cavities 10_C can flow through the current collecting plate 10_1 through the conductive surface of the cavities 10_C. The collector plate 10_1 may be formed with a tab or a lead (see TA in FIG. 6) for electrical connection with an external circuit.

캐비티들(10_C)의 상기 도전성 표면은 전지의 충전 및 방전시에 수반되는 리튬의 산화 및 환원을 위한 전기화학적 반응 자리를 제공한다. 전지의 충전시 양극(20)으로부터 전달되는 리튬 이온 Li+은, 화살표 A로 나타낸 바와 같이, 이온 전도성을 갖는 분리막(30)을 지나 음극(10) 쪽으로 공급된다. 음극(10) 측에 도달한 리튬 이온 Li+은 캐비티들(10_C)의 개구(OP)를 통하여 노출된 도전성 캐비티들(10_C)의 내부의 도전성 표면 상에 전착된다. 이에 의해 도전성 캐비티들(10_C)의 내부에 환원된 리튬이 점차 채워지고, 전지의 충전을 위한 리튬 이온의 환원 반응이 완성된다. The conductive surface of the cavities 10_C provides an electrochemical reaction site for the oxidation and reduction of lithium which is involved in the charging and discharging of the cell. The lithium ion Li + delivered from the anode 20 at the time of charging the battery is supplied to the cathode 10 through the separator 30 having ion conductivity as shown by the arrow A. The lithium ion Li + reaching the cathode 10 side is electrodeposited on the conductive surface inside the conductive cavities 10_C exposed through the openings OP of the cavities 10_C. Thereby, the reduced lithium is gradually filled in the conductive cavities 10_C, and the reduction reaction of lithium ions for charging the battery is completed.

전지의 방전시, 음극(10)의 캐비티들(10_C) 내에 채워진 리튬 금속이 산화되어, 리튬 이온 Li+이, 화살표 B로 나타낸 바와 같이, 분리막(30)을 지나 양극(20) 쪽으로 전달된다. 양극(20)은 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가역적으로 일어날 수 있는 적합한 양극 활물질을 포함할 수 있으며, 충전시 전달되는 리튬 이온을 흡장함으로써 방전 반응이 수행될 수 있다.The lithium metal filled in the cavities 10_C of the cathode 10 is oxidized and the lithium ion Li + is transferred to the anode 20 through the separator 30 as shown by the arrow B at the time of discharging the battery. The anode 20 may include a suitable cathode active material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions, and a discharging reaction can be performed by occluding lithium ions transferred at the time of charging.

상기 양극 활물질은, 예를 들면, Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, Ce 중 적어도 하나 이상의 금속과 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 Li 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 이온 인화합물과 같은 리튬 염일 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 음극이 리튬 금속 자체를 활물질로 사용하여 고용량 및 고효율을 확보할 수 있으므로, 상기 양극 활물질로서, VOx와 같은 저가의 활물질이 사용될 수도 있다. The cathode active material is composed of, for example, at least one of Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, and Ce and O, F, S, P, And a Li compound including at least one non-metallic element selected from the group consisting of Li. For example, a lithium salt such as a lithium manganese oxide, a lithium cobalt oxide, or a compound that is a lithium ion. However, the present invention is not limited thereto. For example, since a cathode can secure a high capacity and high efficiency by using lithium metal itself as an active material, a low-cost active material such as VO x may be used as the cathode active material.

일부 실시예에서는, 양극 활물질과 함께 도전재가 첨가될 수도 있다. 상기 도전재는, 예를 들면, 카본 블랙 및 초미세 그라파이트 입자, 아세틸렌 블랙과 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트, 또는 ITO(indium tin oxide) 페이스트를 포함할 수 있으며, 이는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In some embodiments, a conductive material may be added with the cathode active material. The conductive material may include, for example, carbon black and ultrafine graphite particles, fine carbon such as acetylene black, nano metal particle paste, or ITO (indium tin oxide) paste, , But the present invention is not limited thereto.

양극(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 2차원 면상 구조를 갖는 집전판(20_1)과 양극층(20_2)의 적층 구조를 가질 수 있다. 집전판(20_1)은 알루미늄, 타이타늄, 스텐인레스 스틸, 니켈, 백금, 금, 은, 루테늄, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금이나 적층체와 같은 금속 포일일 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 집전판(20_1)은 다른 도전성 산화물, 도전성 고분자 또는 이들의 적층체를 포함할 수도 있다. 집전판(20_1) 상에는 전술한 양극 활물질이 적층되어 양극층(20_2)이 제공된다. 양극 집전층(20_1)에는 외부 단자와의 전기적 연결을 위한 탭 또는 리드(도 6의 TA 참조)가 결합될 수 있다.The anode 20 may have a stacked structure of a current collector plate 20_1 and a cathode layer 20_2 having a two-dimensional planar structure as shown in FIG. The current collecting plate 20_1 may be formed of any one of aluminum, titanium, stainless steel, nickel, platinum, gold, silver, ruthenium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, It may be a metal foil such as a sieve. However, this is merely an example, and the current collecting plate 20_1 may include another conductive oxide, a conductive polymer, or a laminate thereof. On the collector plate 20_1, the above-described cathode active material is laminated to provide a cathode layer 20_2. A tab or a lead (see TA in FIG. 6) for electrical connection with an external terminal may be coupled to the positive electrode collector layer 20_1.

다른 실시예에서, 양극(20)은 전술한 집전판(20_1) 및 양극층(20_2)과 같은 2차원 면상 구조가 아닌 3차원 전극 구조를 가질 수도 있다. 예를 들면, 상기 3차원 전극 구조는 상기 집전판을 대체하는 도전성 섬유들의 직조, 매시, 또는 부직포 구조와 같이 내부에 기공을 포함하는 섬유 구조체 또는 폼(foam)과 같은 발포체일 수 있으며, 상기 양극 활물질이 상기 섬유 구조체나 발포체의 표면 상에 코팅되거나 상기 기공이나 공간 내에 입자 형태로 함침될 수 있다. 3차원 구조는, 전지 패키지시 전극 조립체(100) 전체의 가요성(flexibility)을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In another embodiment, the anode 20 may have a three-dimensional electrode structure other than the two-dimensional surface structure such as the current collector plate 20_1 and the anode layer 20_2 described above. For example, the three-dimensional electrode structure may be a foam structure such as a fibrous structure or foam including pores therein, such as woven, meshed or nonwoven structure of conductive fibers replacing the current collector, An active material may be coated on the surface of the fibrous structure or foam or impregnated in the form of particles in the pores or spaces. The three-dimensional structure has an advantage that the flexibility of the entire electrode assembly 100 can be improved in the battery pack.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 반복되는 충전 및 방전 동안, 음극(10)에서 일어나는 리튬 이온의 산화 및 환원 반응은 음극(10)의 전체 표면 중 전기적으로 패시베이션된 전기 절연성 패턴(10P)에서는 일어나지 않고, 캐비티들(10_C) 내의 도전성 표면에서만 국지적으로 일어날 수 있다. 상기 도전성 표면은 깊이 방향으로 3차원적으로 확장되기 때문에 실제 2차원 평면 형태의 전극 구조에 비해 면적이 증가되며, 그에 따라 리튬의 산화 및 환원의 반응 자리의 면적이 확장되어 전지의 충·방전 효율과 용량이 향상될 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, during the repeated charging and discharging, the oxidation and reduction reactions of lithium ions occurring in the cathode 10 are carried out by using an electrically passivated electric insulating pattern 10P) and can only occur locally on the conductive surfaces in the cavities 10_C. Since the conductive surface is three-dimensionally extended in the depth direction, the area is increased compared to the electrode structure of the two-dimensional planar type, and accordingly, the area of the reaction sites of the oxidation and reduction of lithium is expanded, And capacity can be improved.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 절연성 패턴(10P)에 의해 패시베이션된 캐비티들(10_C)의 개구 주변에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이 일어나지 않기 때문에, 음극 전체에 걸쳐 전면적으로 산화 환원 반응이 일어나는 면상 집전체 구조에서 일어나는 리튬의 비균일적 전착과 탈리에 의한 수지상 형성이 일어나지 않고, 수지상 리튬이 생성되더라도 캐비티들(10_C)의 오목한 내부 공간에 갇히게 됨으로써 종래의 리튬 금속 전지의 실용화에 장해가 되는 수지상의 성장이 억제될 수 있다.
Further, according to the embodiment of the present invention, oxidation and reduction of lithium do not occur around the openings of the cavities 10_C passivated by the electrical insulating pattern 10P, so that the redox reaction The dendrite formation due to the non-uniform electrodeposition and desorption of lithium occurring in the resulting planar current collector structure does not occur and even if the dendritic lithium is generated, it is trapped in the concave internal space of the cavities 10_C, which hinders practical use of the conventional lithium metal battery The growth of the resinous phase can be suppressed.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극(10A, 10B) 및 이의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.2A and 2B are cross-sectional views illustrating cathodes 10A and 10B and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 음극(10A)은 집전판(10_1)의 주면 상에 캐비티들(10_C)을 갖는 전기 절연성 패턴층(10_2L)을 포함한다. 전기 절연성 패턴층(10_2L)은 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지, 아크릴계 수지, 페놀계 수지와 같은 다양한 고분자 재료; 절연성 무기 재료; 또는 전술한 재료들 중 2 이상이 혼합된 조성물을 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 전기 절연성 패턴층(10_2L), 가용성 음극 제공을 위해 전술한 고분자 재료일 수 있다.Referring to Fig. 2A, the cathode 10A includes an electrically insulating pattern layer 10_2L having cavities 10_C on the main surface of the current collecting plate 10_1. The electrically insulating pattern layer 10_2L may be formed of various polymer materials such as polyethylene, polystyrene, polycarbonate, epoxy resin, silicone resin, melamine resin, acrylic resin and phenol resin; Insulating inorganic material; Or a composition in which two or more of the foregoing materials are mixed. Preferably, the electrically insulating pattern layer 10_2L may be the above-described polymeric material for providing a soluble cathode.

캐비티들(10_C)의 저부(10_2B)에는 집전판(10_1)의 표면이 노출되고 이에 의해 캐비티(10_C)의 내부에 리튬 이온의 산화 및 환원 반응을 위한 도전성 표면이 제공될 수 있다. 예를 들면, 전기 절연성 패턴층(10_2L)은 캐비티들(10_C)을 한정하기 위한 격벽 패턴일 수 있다. 상기 격벽 패턴은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 사각형의 개구(OP)를 갖도록 패턴화될 수 있다.The surface of the current collecting plate 10_1 is exposed at the bottom portion 10_2B of the cavities 10_C and thereby a conductive surface for the oxidation and reduction reaction of lithium ions can be provided inside the cavity 10_C. For example, the electrically insulating pattern layer 10_2L may be a partition wall pattern for defining the cavities 10_C. The partition pattern may be patterned to have a rectangular opening OP, as shown in FIG. 2A.

다른 실시예에서, 상기 격벽 패턴은 원, 타원, 삼각형, 오각형 또는 허니콤과 같은 다각형 개구를 가질 수도 있다. 또한, 상기 격벽 패턴은 트렌치 형태의 홈을 형성하기 위한 라인 패턴이거나, 전술한 개구의 예들이 조합된 개구 형상을 제공하기 위한 패턴일 수 있다. 이들 캐비티들은 도시된 바와 같이 2차원 어레이 형태로 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전기 절연성 패턴층(10_2L)은 부정형의 캐비티와 개구를 갖는 패턴일 수도 있다. 예를 들면, 전기 절연성 패턴층(10_2L)은 상부 표면으로부터 저부 표면으로 부정형의 개구와 부정형의 관통홀을 가질 수도 있다.In another embodiment, the barrier rib pattern may have a polygonal opening such as a circle, an ellipse, a triangle, a pentagon, or a honeycomb. Further, the barrier rib pattern may be a line pattern for forming a trench-like groove, or may be a pattern for providing an opening shape in which examples of the above-described openings are combined. These cavities may be arranged in a two-dimensional array as shown. In yet another embodiment, the electrically insulative pattern layer 10_2L may be a pattern having an irregular cavity and an opening. For example, the electrically insulating pattern layer 10_2L may have an indefinite opening and an indefinite through-hole from the top surface to the bottom surface.

전기 절연성 패턴층(10_2L)은, 집전판(10_1) 상에 전기 절연층을 적층하고 캐비티들(10_C)를 형성하기 위한 패터닝을 수행하여 제공될 수 있다. 예를 들면, 수지계 재료, 바람직하게는, 가요성을 갖는 수지계 재료로 형성된 전기 절연층을, 스핀 코팅, 스프레이, 또는 라미네이팅에 의해 집전판(10_1)의 주면 상에 형성한 후, 포토리소그래피, 임플린팅, 펀칭, 레이저 가공, 몰딩을 이용한 엠보싱, 또는 식각으로 캐비티(10_C) 형성을 위한 패터닝을 함으로써, 전기 절연성 패턴층(10_2L)이 제공될 수 있다. The electrically insulating pattern layer 10_2L may be provided by laminating the electrical insulating layer on the current collecting plate 10_1 and performing patterning to form the cavities 10_C. For example, after an electric insulating layer formed of a resin material, preferably a flexible resin material, is formed on the main surface of the current collector plate 10_1 by spin coating, spraying, or laminating, The electrically insulating pattern layer 10_2L can be provided by performing patterning for forming the cavity 10_C by flitting, punching, laser processing, embossing using molding, or etching.

다른 실시예로서, 상기 전기 절연층의 상부 표면으로부터 하부 표면까지 관통홀을 미리 형성한 후, 상기 관통홀이 형성된 전기 절연층을 집전판(10_1) 상에 적층함으로써 전기 절연성 패턴층(10_2L)이 제공될 수도 있다. 상기 관통홀은 원 또는 타원과 같은 개구; 삼각형, 오각형 또는 허니콤과 같은 다각형 개구; 부정형의 개구; 또는 이들이 조합된 개구를 가질 수 있음은 전술한 바와 같다. 또 다른 실시예에서, 전기 절연성 패턴층(20_2L)은 스크린 프린트, 드릴 비트, 잉크젯 프린팅, 몰드를 이용한 엠보싱 공정에 의해서도 형성될 수 있으며, 본 발명이 이들 제조 방법에만 한정되는 것은 아니다.In another embodiment, after the through hole is formed in advance from the upper surface to the lower surface of the electric insulating layer, the electric insulating pattern layer 10_2L is formed by laminating the electric insulating layer having the through hole on the collecting plate 10_1 May be provided. The through-hole may have an opening, such as a circle or an ellipse; Polygonal openings such as triangular, pentagonal or honeycomb; An irregular opening; Or they may have openings combined therewith. In another embodiment, the electrically insulating pattern layer 20_2L may be formed by a screen print, a drill bit, an inkjet printing, an embossing process using a mold, and the present invention is not limited to these manufacturing methods.

도 2a를 참조하여 전술한 실시예들에서는, 캐비티(10_C)의 저부(10_2B)를 통해 집전판(10_1)의 표면이 노출된다. 이로써, 캐비티들(10_C)의 내부 표면 중 저부(10_2B)만이 도전성 표면을 갖는 음극(10A)이 제공될 수 있다. 이러한 구조에서는 충·방전을 위한 반응 자리의 확장이 기대되지는 않지만, 캐비티들(10_C)의 오목한 내부 공간에서만 리튬의 산화 및 환원 반응이 국지적으로 일어남으로써 리튬의 수지상 성장이 억제될 수 있다. 그러나, 집전판(10_1)의 표면을 패터닝하여, 노출된 집전판(10_1)의 표면적을 확장시킬 수 있음은 후술하는 실시예들을 통하여 이해될 수 있을 것이다.In the embodiments described above with reference to Fig. 2A, the surface of the current collecting plate 10_1 is exposed through the bottom portion 10_2B of the cavity 10_C. As a result, only the bottom portion 10_2B of the inner surfaces of the cavities 10_C can be provided with the cathode 10A having a conductive surface. In this structure, expansion of reaction sites for charging and discharging is not expected, but the oxidation and reduction of lithium occur locally only in the concave inner space of the cavities 10_C, so that the resinous growth of lithium can be suppressed. However, it will be understood through the following embodiments that the surface area of the current collecting plate 10_1 can be expanded by patterning the surface of the collecting plate 10_1.

도 2b를 참조하면, 선택적으로는 전기 절연성 패턴층(10_2L)의 캐비티들(10_C)의 내부 측벽(10_2W)에 집전판(10_1)과 전기적으로 연결된 도전성 라이너(10_2WL)가 형성될 수 있다. 이 경우, 캐비티들(10_C)의 내부 표면은 저부(10_2B)와 측벽(10_2W)을 포함하여 모두 도전성 표면이 된다. 도전성 라이너(10_2WL)는 금속층 또는 도전성 고분자층일 수 있다. 상기 금속층은, 예를 들면, 구리, 타이타늄, 스텐인레스 스틸, 니켈, 백금, 금, 은, 루테늄, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금이나 적층체를 포함할 수 있다. 상기 도전성 고분자층은 단일 고분자거나, 서로 다른 2 종류의 이상의 고분자일 수 있으며, 이들 고분자는 양전하 케리어 또는 음전하 케리어일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 2B, a conductive liner 10_2WL electrically connected to the current collecting plate 10_1 may be formed on the inner sidewall 10_2W of the cavities 10_C of the electrically insulating pattern layer 10_2L. In this case, the interior surfaces of the cavities 10_C are both conductive surfaces, including the bottom 10_2B and the side walls 10_2W. The conductive liner 10_2WL may be a metal layer or a conductive polymer layer. The metal layer may be formed of a metal such as copper, titanium, stainless steel, nickel, platinum, gold, silver, ruthenium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, Or a laminate. The conductive polymer layer may be a single polymer or two or more different polymers, and the polymer may be a positive charge carrier or a negative charge carrier, but the present invention is not limited thereto.

제조 방법 측면에서, 일 실시예에 따르면, 캐비티들(10_C)을 갖는 전기 절연성 패턴층(10_2L) 상에 균일한 두께로 전기 절연성 패턴층(10_2L)의 표면 프로파일을 따라 도전층을 콘포멀하게 코팅한 후, 캐비티들(10_C)의 내부를 제외한 전기 절연성 패턴층(10_2L)의 상부 표면 상의 도전층만을 선택적으로 제거함으로써 캐비티들(10_C)의 내부에만 상기 도전층을 잔류시킬 수 있다. 캐비티들(10_C)의 내부에 잔류하는 도전층이 도전성 라이너(10_2WL)가 된다.In terms of the manufacturing method, according to one embodiment, the conductive layer is conformally coated along the surface profile of the electrically insulating pattern layer 10_2L on the electrically insulating pattern layer 10_2L having the cavities 10_C with a uniform thickness The conductive layer can be left only in the cavities 10_C by selectively removing only the conductive layer on the upper surface of the electrically insulating pattern layer 10_2L except the inside of the cavities 10_C. The conductive layer remaining in the cavities 10_C becomes the conductive liner 10_2WL.

전기 절연성 패턴층(10_2L)의 상부 표면 상의 도전층만을 선택적으로 제거하는 것은 폴리싱 공정 또는 에치백 공정을 통해 전기 절연성 패턴층(10_2L)의 상부 표면이 노출될 때까지 상기 도전층을 제거하는 것에 의해 달성될 수 있다. 플라즈마 식각과 같은 비등방성 건식 식각을 통해 에치백 공정을 수행하는 경우에는, 전기 절연성 패턴층(10_2L)의 상부 표면 상의 도전층뿐만 아니라 캐비티들(10_C)의 저면 상의 도전층도 제거되어, 전기 절연성 패턴층(10_2L)의 캐비티들(10_C)의 측벽(10_2W)에만 도전성 라이너(10_2WL)가 형성될 수도 있다. The selective removal of only the conductive layer on the upper surface of the electrically insulating pattern layer 10_2L may be performed by removing the conductive layer until a top surface of the electrically insulating pattern layer 10_2L is exposed through a polishing process or an etchback process Can be achieved. The conductive layer on the bottom surface of the cavities 10_C as well as the conductive layer on the upper surface of the electrically insulating pattern layer 10_2L is also removed so as to be electrically insulative The conductive liner 10_2WL may be formed only on the side wall 10_2W of the cavities 10_C of the pattern layer 10_2L.

다른 실시예에서는, 도전성 라이너(10_2WL)가 형성된 전기 절연성 패턴층(10_2L)을 먼저 형성하고 집전판(10) 상에 이를 라미네이팅시킴으로써 캐비티들(10_C)이 형성된 음극(10B)이 제조될 수 있다.
In another embodiment, the cathode 10B in which the cavities 10_C are formed can be manufactured by first forming the electrically insulating pattern layer 10_2L on which the conductive liner 10_2WL is formed and laminating it on the current collector plate 10.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극(10C)을 도시하는 단면도이며, 도 3a는 음극(10C)의 충전 상태를 도시하고, 도 3b는 음극(10C)의 방전 상태를 각각 도시한다.3A and 3B are sectional views showing a cathode 10C according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A shows a charged state of the cathode 10C. FIG. 3B shows a state of discharge of the cathode 10C, Respectively.

도 3a를 참조하면, 음극(10)의 캐비티들(10_C)의 내부에 다공성 고분자 네트워크층(11)이 제공될 수 있다. 다공성 고분자 네트워크(11)는 고분사 사슬층일 수 있다. 다공성 고분자 네트워크(11)는 고분자 사슬의 일단부(11F)가 캐비티들(10_C)의 내부 표면에 본딩됨으로 캐비티들(10_C) 내에 고정될 수 있다. 상기 본딩은 캐비티들의 내벽이 고분자 재료인 경우 화학 결합에 의해 이루어지거나 내벽이 금속인 경우 흡착에 의해 이루어질 수 있다. 다공성 고분자 네트워크(11)의 기공을 통하여 리튬이 이동할 수 있다.Referring to FIG. 3A, a porous polymer network layer 11 may be provided inside the cavities 10_C of the cathode 10. The porous polymer network 11 may be a high-injection-chain layer. The porous polymer network 11 can be fixed in the cavities 10_C by bonding one end 11F of the polymer chain to the inner surface of the cavities 10_C. The bonding may be performed by chemical bonding when the inner wall of the cavities is a polymer material or by adsorption when the inner wall is a metal. The lithium can move through the pores of the porous polymer network 11.

다공성 고분자 네트워크(11)는 비도전성 고분자로 형성될 수 있지만, 선택적으로는 도전성 고분자로 형성된다. 상기 도전성 고분자는, 예를 들면, 단일 고분자거나, 서로 다른 2 종류의 이상의 고분자일 수 있으며, 이들 고분자는 양전하 케리어 또는 음전하 케리어일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The porous polymer network 11 may be formed of a non-conductive polymer, but is optionally formed of a conductive polymer. The conductive polymer may be, for example, a single polymer or two or more different polymers, and the polymer may be a positive charge carrier or a negative charge carrier, but the present invention is not limited thereto.

상기 도전성 고분자는 폴라아닐린(polyaniline), 폴리옥시페닐린(polyoxyphenylene), 폴리페닐린황화물(polyphenylene sulfide), 폴리티오핀(polythiophene), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리메틸피롤(polymethylpyrrole), 폴리스틸렌 및 이의 유도체 또는 공중합체일 수 있다. 상기 유도체는, 예를 들면, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)과 같은 이들의 치환 유도체일 수 있다. 이들 재료들은 예시적이며 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of polyaniline, polyoxyphenylene, polyphenylene sulfide, polythiophene, polyfuran, polypyrrole, polymethylpyrrole, ), Polystyrene and derivatives or copolymers thereof. These derivatives may be substituted derivatives thereof, for example, PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene)). These materials are illustrative and the present invention is not limited thereto.

또한, 이들 중 어느 하나의 재료에 폴리스틸렌술폰산염(Poly(styrenesulfonate); PSS)과 같은 첨가제가 더 혼합될 수도 있다. 예를 들면, PEDOT에 PSS가 혼합될 수 있다. 상기 PEDOT/PSS 복합체는 PSS 매트릭스 내로 PEDOT이 결합된 형태를 갖거나, PEDOT/PSS 내로 PEDOT이 결합된 형태로 첨가될 수도 있다. PEDOT/PSS 혼합물의 경우, PEDOT은 양전하 케리어 및 PSS는 음전하 케리어로 기능한다. Further, additives such as polystyrenesulfonate (PSS) may be further added to any one of these materials. For example, PEDOT can be mixed with PEDOT. The PEDOT / PSS complex may have a form in which PEDOT is bound to the PSS matrix, or may be added in a form in which PEDOT is bound to the PEDOT / PSS. For PEDOT / PSS mixtures, PEDOT acts as a positive charge carrier and PSS acts as a negative charge carrier.

다공성 고분자 네트워크(11)는 캐비티들(10_C) 내에 다공성 고분자 네트워크(11)을 형성할 적합한 모노머들 및 첨가 성분을 함유하는 용액을 충전하고, 선택적으로는, 적합한 중합 개시제를 함께 첨가한 후, 가열, 산화 또는 광조사와 같은 에너지를 인가함으로써 중합화될 수 있다. The porous polymer network 11 can be formed by filling a solution containing suitable monomers and additives for forming the porous polymer network 11 in the cavities 10_C and optionally adding a suitable polymerization initiator together, , And may be polymerized by applying energy such as oxidation or light irradiation.

다공성 고분자 네트워크(11)는, 전지의 충전시, 기공을 통하여 캐비티의 내부로 전달되는 리튬 이온을 랜덤 분산시킬 수 있어, 반복되는 충·방전에 의해 나타나는 리튬 금속의 수지상 성장을 억제할 수 있다. 일 실시예에서, 다공성 고분자 네트워크(11)는 캐비티들(10_C)의 내부 공간 전체를 균일하게 채울 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 다공성 고분자 네트워크(11)는 도전성 내벽의 표면에는 고밀도로 존재하고, 캐비티(10_C)의 중심부에서 상대적으로 저밀도로 존재할 수 있다. 또는, 다공성 고분자 네트워크(11)는 캐비티들(10_C)의 저부에서는 고밀도로 존재하고 개구(OP) 쪽으로는 저밀도로 존재할 수 있다. 또는, 캐비티(10_C)의 내부 표면에서는 캐비티의 중심부에 비해 상대적으로 고밀도의 다공성 고분자 네트워크(11)가 존재하고, 상기 개구로 갈수록 점차 그 밀도가 감소되는 분포를 가질 수도 있다.The porous polymer network 11 can randomly disperse lithium ions that are transferred to the inside of the cavity through the pores when the battery is charged and can suppress the resinous growth of lithium metal caused by repeated charging and discharging. In one embodiment, the porous polymer network 11 may fill the entire interior space of the cavities 10_C uniformly, but the present invention is not limited thereto. For example, the porous polymer network 11 exists at a high density on the surface of the conductive inner wall, and can exist at a relatively low density at the center of the cavity 10_C. Alternatively, the porous polymer network 11 may be present at a high density at the bottom of the cavities 10_C and at a low density towards the opening OP. Alternatively, on the inner surface of the cavity 10_C, there is a relatively high density porous polymer network 11 as compared with the center portion of the cavity, and the density may be gradually decreased as the opening is opened.

이러한 다공성 고분자 네트워크(11)의 캐비티 내 밀도 변화는 다공성 고분자 네트워크(11)가 비도전성인 경우보다 도전성을 갖는 경우에 더 바람직하다. 예를 들면, 캐비티(10_C)의 내부에서 개구(OP)쪽으로 갈수록 다공성 고분자 네트워크(11)의 밀도가 감소되면, 개구(OP)쪽의 기공률이 증가하고, 도전성 내부 표면으로 갈수록 기공률이 감소할 수 있다. 그 결과, 전지의 충전시, 리튬 이온이 캐비티(10_C)로 인입될 때, 캐비티(10_C)의 개구(OP)에서 리튬의 이동도는 최대가 되고, 도전성 내벽으로 리튬 이온이 접근할수록 리튬의 이동도는 감소될 것이다. 그러나, 다공성 고분자 네트워크(11)가 도전성이므로, 리튬은 도전성 내벽 및 도전성 내벽 근처의 다공성 고분자 네트워크에 접촉하여 신속하게 전착되어 리튬 이온의 농도가 빠르게 감소될 수 있으므로, 이러한 리튬 이온의 이동도 감소 효과는 상쇄되어, 이동도와 도전성 표면적의 균형이 이루어져 캐비티(10_C)의 내부 공간 전체에서 리튬 이온의 환원 반응은 실질적으로 균일하게 일어날 수 있다. 이러한 효과에 의해 리튬이 불균일하게 전착되어 발생하는 리튬의 수지상 성장은 억제되고, 캐비티(10_C) 내에 리튬(Li)이 균일하게 채워질 수 있다.The density change in the cavity of the porous polymer network 11 is more preferable when the porous polymer network 11 has conductivity than when it is non-conductive. For example, as the density of the porous polymer network 11 decreases toward the opening OP from the inside of the cavity 10_C, the porosity of the opening OP increases and the porosity decreases toward the conductive inner surface have. As a result, when the lithium ion is drawn into the cavity 10_C at the time of charging the battery, the mobility of lithium at the opening OP of the cavity 10_C is maximized, and as the lithium ions approach the conductive inner wall, The degree will decrease. However, since the porous polymer network 11 is conductive, lithium can be rapidly electrodeposited in contact with the porous conductive polymer inner wall and the porous polymer network near the conductive inner wall, so that the concentration of lithium ions can be rapidly reduced. Therefore, So that the mobility and the conductive surface area are balanced so that the reduction reaction of lithium ions can occur substantially uniformly throughout the internal space of the cavity 10_C. By this effect, the resin phase growth of lithium generated by non-uniformly depositing lithium is suppressed, and lithium (Li) can be uniformly filled in the cavity 10_C.

선택적으로는, 다공성 고분자 네트워크(11)를 대체하여, 또는 이와 함께 캐비티(10_C)의 상부에 겔 고체 전해질막(15)이 더 제공될 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질막은, 예를 들면, 염을 포함하는 가소제 함유 고분자, 필러 함유 고분자 또는 순 고분자 중 어느 하나 이들의 조합일 수 있다. 겔 고체 전해질막(15) 상에는 양극(미도시)과 전기적으로 분리하기 위한 분리막(30)이 제공될 수 있다.Alternatively, a gel solid electrolyte membrane 15 may be further provided on top of the cavity 10_C in place of or in addition to the porous polymer network 11. The gel polymer electrolyte membrane may be, for example, a combination of a plasticizer-containing polymer containing a salt, a polymer containing a filler, or a pure polymer. On the gel solid electrolyte membrane 15, a separation membrane 30 for electrically separating from the anode (not shown) may be provided.

도 3b를 참조하면, 방전시 캐비티(11C) 내에 축적된 리튬은 다공성 고분자 네트워크(11)에 의해 캐비티(10_C)의 내부의 전 영역에서 고르게 탈리된다. 그에 따라 캐비티(10_C)의 내부 표면 부근에서만 국부적으로 리튬 이온이 탈리되어 산화되고 캐비티의 중간 영역에서는 탈리가 일어나지 않는 현상을 억제할 수 있다. 탈리가 되지 않는 리튬 금속은 캐비티 내에서 전기적으로 고립되어, 더 이상 산화 및 환원 반응에 참여하지 않게 되며, 캐비티 내에서 데드 볼륨이 되어 전지의 비가역 용량을 증가시키고, 수명을 단축시키는 문제점이 있다.Referring to FIG. 3B, the lithium accumulated in the cavity 11C at the time of discharging is uniformly removed from the entire region inside the cavity 10_C by the porous polymer network 11. FIG. It is possible to suppress the phenomenon that lithium ions are locally removed and oxidized only in the vicinity of the inner surface of the cavity 10_C and that the lithium ions are not oxidized in the intermediate region of the cavity 10_C. The non-desorbed lithium metal is electrically isolated in the cavity, and is no longer involved in the oxidation and reduction reaction. The dead volume in the cavity increases the irreversible capacity of the battery and shortens the lifetime.

다공성 고분자 네트워크(11)가 도전성일 때, 비가역 용량 증가의 원인이 되는 리튬의 데드 볼륨은 더욱 억제될 수 있다. 다공성 고분자 네트워크(11)에 의해 캐비티(10_C)의 중간 영역에서 개구까지 도전 경로가 제공되어, 리튬의 산화 반응이 캐비티(10_C) 내에서 전범위에 걸쳐 균일하게 일어나, 상기 데드 볼륨이 억제될 수 있다.When the porous polymer network 11 is conductive, the dead volume of lithium which causes an irreversible capacity increase can be further suppressed. A conductive path is provided from the intermediate region to the opening of the cavity 10_C by the porous polymer network 11 so that the oxidation reaction of lithium occurs uniformly over the entire range within the cavity 10_C, have.

또한, 다공성 고분자 네트워크(11)가, 전술한 바와 같이, 캐비티(10_C)의 내부에서 공간적으로 가변적인 밀도 분포를 갖는 경우, 이를 제어하여 캐비티(10_C) 내에 축적된 리튬의 탈리 속도를 캐비티(10_C)의 내부 공간에서 전체적으로 균일화될 수 있다. 예를 들면, 캐비티(10_C)의 내부 표면 부근에서는 다공성 고분자 네트워크(11)의 밀도가 높고, 중간 영역이나 개구 부근에서는 다공성 고분자 네트워크(11)의 밀도가 낮게 하여, 캐비티(10_C)의 내부 표면 부근보다 중간 영역이나 개구 부분에서 리튬의 탈리가 더 쉬워지고 리튬 이온의 이동 속도도 더 클 수 있다. 따라서, 리튬의 산화가 쉽게 일어날 수 있는 캐비티(10_C)의 내부 표면 부근을 기준으로, 전체적으로 리튬의 환원 반응이 캐비티(10_C) 내에서 균일하게 이루어질 수 있다.When the porous polymer network 11 has a density distribution spatially variable inside the cavity 10_C as described above, it controls the release rate of lithium accumulated in the cavity 10_C to the cavity 10_C In the internal space. For example, in the vicinity of the inner surface of the cavity 10_C, the density of the porous polymer network 11 is high and the density of the porous polymer network 11 is low in the vicinity of the middle region or opening, The removal of lithium from the intermediate region or the opening portion becomes easier and the traveling speed of lithium ions may be larger. Therefore, the reduction reaction of lithium as a whole can be uniformly performed in the cavity 10_C based on the vicinity of the inner surface of the cavity 10_C where the oxidation of lithium can easily occur.

도 3a 및 도 3b에 도시된 음극(10C)은 도 2b를 참조하여 개시된 음극(10B)의 구조를 갖니만 이는 예시적이다. 예를 들면, 도 2a를 참조하여 개시된 음극(10A)의 경우, 격벽 패턴의 측벽에 다공성 고분자 네트워크(11)가 형성될 수도 있다.
The cathode 10C shown in Figs. 3A and 3B has the structure of the cathode 10B disclosed with reference to Fig. 2B, but this is merely exemplary. For example, in the case of the cathode 10A disclosed with reference to FIG. 2A, the porous polymer network 11 may be formed on the side wall of the partition pattern.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음극들(10D, 10E, 10F)을 설명하기 위한 단면도들이다.4A to 4C are cross-sectional views illustrating cathodes 10D, 10E, and 10F according to other embodiments of the present invention.

도 4a를 참조하면, 음극(10D)의 집전판(10_1P)이 캐비티들(10_C)을 정의하기 위하여 패터닝될 수 있다. 캐비티들(10_C)이 사각홈을 갖기 때문에, 집전판(10_1P)의 표면으로부터 깊이 방향으로 홈을 형성함으로써 캐비티들(10_C)이 정의될 수 있다. 또한, 관통 홀들에 의해 캐비티가 형성된 제 1 도전층과 상기 관통 홀들을 폐색하는 제 2 도전층을 덧붙이는 것에 의해서도 캐비티들(10_C)이 정의된 집전판(10_1P)이 제공될 수도 있다.Referring to Fig. 4A, the current collecting plate 10_1P of the cathode 10D may be patterned to define the cavities 10_C. Since the cavities 10_C have rectangular grooves, the cavities 10_C can be defined by forming the grooves in the depth direction from the surface of the current collecting plate 10_1P. Further, the current collecting plate 10_1P, in which the cavities 10_C are defined, may be provided by adding a first conductive layer having a cavity formed by the through holes and a second conductive layer covering the through holes.

집전판(10_1P)의 캐비티들(10_C)은 원, 타원, 삼각형, 오각형 또는 허니콤과 같은 다각형 개구를 가질 수 있다. 또한, 집전판(10_1P)은 트렌치 형태 캐티비들을 갖도록 라인 패터닝된 홈을 갖거나 전술한 예들이 조합된 개구 형상을 갖도록 패터닝될 수도 있다. 또한, 집전판(10_1P)은 부정형의 캐비티와 개구를 갖도록 패터닝될 수도 있다. 전술한 실시예들에 따르면, 집전판(10_1P)의 표면 패턴 자체가 캐비티가 되며, 그 결과, 캐비티(10_C)의 저면(10_1B) 및 측벽(10_1W)이 모두 도전성을 갖는다.The cavities 10_C of the current collecting plate 10_1P may have a polygonal opening such as a circle, an ellipse, a triangle, a pentagon, or a honeycomb. Further, the current collecting plate 10_1P may be patterned so as to have line-patterned grooves to have trench-shaped cathodes or to have an opening shape in which the above-described examples are combined. Further, the current collecting plate 10_1P may be patterned so as to have an irregular cavity and an opening. According to the above-described embodiments, the surface pattern itself of the current collecting plate 10_1P becomes a cavity, and as a result, both the bottom surface 10_1B and the side wall 10_1W of the cavity 10_C have conductivity.

캐비티들(10_C)의 개구들(OP) 사이를 전기적으로 패시베이션하고 개구(OP)를 이격시키는 전기 절연성 패턴(10P)이 집전판(10_1P)의 캐비티들(10_C)에 정렬되도록 집전판(10_1P) 상에 형성될 수 있다. 제조 측면에서, 패터닝되기 전의 평탄한 집전판 상에 절연층을 먼저 형성할 수 있다. 이후, 캐비티들의 개구를 정의하기 위하여 하지의 집전판의 상부 표면을 노출시키는 홈 패턴을 갖도록 포토리소그래피법, 임프린트, 또는 레이저 가공에 의해 상기 절연층을 패터닝할 수 있다. 이후, 패터닝된 절연층을 식각 마스크로 사용하여, 습식 또는 건식 식각법으로 하지의 노출된 집전판 표면을 일정 깊이만큼 식각함으로써 전기 절연성 패턴(10P)과 집전판(10_1P)의 캐비티들(10_C)이 정렬된 음극(10D)이 제공될 수 있다.The current collecting plate 10_1P is formed so that the electric insulating pattern 10P that electrically passivates between the openings OP of the cavities 10_C and separates the openings OP is aligned with the cavities 10_C of the collecting plate 10_1P. Lt; / RTI > In terms of manufacturing, an insulating layer can be formed first on a flat collector plate before patterning. Then, the insulating layer may be patterned by photolithography, imprinting, or laser processing so as to have a groove pattern exposing the upper surface of the collector plate of the base to define the openings of the cavities. Thereafter, the patterned insulating layer is used as an etching mask to etch the surface of the current collecting plate exposed at the bottom by a predetermined depth to form cavities 10_C of the current collecting plate 10_1P by wet or dry etching, The aligned cathode 10D may be provided.

도 4b를 참조하면, 선택적으로는, 캐비티(10_C)의 상부에 진성 고체 전해질막 또는 겔 전해질막과 같은 같은 고체 전해질(15)이 더 제공될 수 있다. 고체 전해질막(15)의 적어도 일부가 캐비티(10_C) 내부로 합입되어, 캐비티(10_C) 내의 리튬(Li)을 안정화시키고, 이의 수지상 성장을 억제한다. 고체 전해질(15)은 도 1에 도시된 분리막(30)에 의해 대체되거나 이와 함께 적층된 이중층으로 제공될 수 있다.4B, alternatively, a solid electrolyte 15 such as an intrinsic solid electrolyte membrane or a gel electrolyte membrane may be further provided on the upper portion of the cavity 10_C. At least a part of the solid electrolyte film 15 is incorporated into the cavity 10_C to stabilize lithium Li in the cavity 10_C and suppress its dendritic growth. The solid electrolyte 15 may be provided as a double layer replaced or stacked with the separator 30 shown in Fig.

도 4c를 참조하면, 선택적으로는, 도 3a를 참조하여 전술한 바와 같이, 음극(10F)의 캐비티(10_C)의 내부에 다공성 고분자 네트워크(11)가 더 제공될 수 있다. 다공성 고분자 네트워크(11)는 고분자 사슬의 일단부(11F)가 캐비티들의 내부 표면에 본딩됨으로 캐비티들(10_C) 내에서 고정된다. 다공성 고분자 네트워크(11)는 비도전성 고분자로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 도전성 고분자로 형성된다. 도전성 고분자는 예를 들면, 단일 고분자거나, 서로 다른 2 종류의 이상의 고분자일 수 있으며, 이들 고분자는 양전하 케리어 또는 음전하 케리어일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Referring to FIG. 4C, a porous polymer network 11 may be further provided inside the cavity 10_C of the cathode 10F, as described above with reference to FIG. 3A. The porous polymer network 11 is fixed in the cavities 10_C by bonding one end 11F of the polymer chain to the inner surfaces of the cavities. The porous polymer network 11 may be formed of a non-conductive polymer, but is preferably formed of a conductive polymer. The conductive polymer may be, for example, a single polymer or two or more different polymers, and the polymer may be a positive charge carrier or a negative charge carrier, but the present invention is not limited thereto.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 음극(10G)을 설명하기 위한 단면도이다.5 is a cross-sectional view for explaining a cathode 10G according to still another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 음극(10G)의 캐비티들(10_C)은 내부 측벽이 비도전성 표면을갖고, 저부 표면은 도전성 표면을 갖는다. 예를 들면, 캐비티들(10_C)은 도 2a를 참조하여 설명한 격벽 형성에 의해 얻어질 수 있다. 다른 실시예에서, 캐비티들(10_C)의 내부 측벽도 도전성 표면을 가질 수 있다.Referring to Fig. 5, the cavities 10_C of the cathode 10G have an inner sidewall having a non-conductive surface and a bottom surface having a conductive surface. For example, the cavities 10_C can be obtained by the barrier formation described with reference to Fig. 2A. In other embodiments, the inner sidewalls of the cavities 10_C may also have a conductive surface.

캐비티들(10_C)의 상부에 유리 섬유층(15')이 형성될 수 있다. 유리 섬유층(15')은 리튬의 이동을 위한 기공을 제공하며, 캐비티(10_C) 밖으로 리튬(Li)의 수지상이 성장하는 것을 억제한다. 유리 섬유층(10') 상에는 분리막(도 3a의 30 참조)이 형성될 수도 있다. 선택적으로는, 유리 섬유층(10')이 분리막을 대체할 수도 있을 것이다. 또한, 유리 섬유층(10')은 도 3a를 참조하여 개시된 겔 고분자 전해질(15)과 함께 이중층을 형성할 수도 있다.
A glass fiber layer 15 'may be formed on top of the cavities 10_C. The glass fiber layer 15 'provides pores for the movement of lithium and inhibits the growth of resinous phase of lithium (Li) out of the cavity 10_C. A separation membrane (see 30 in FIG. 3A) may be formed on the glass fiber layer 10 '. Optionally, the glass fiber layer 10 'may replace the separator. Further, the glass fiber layer 10 'may form a double layer together with the gel polymer electrolyte 15 disclosed with reference to Fig. 3A.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 음극들을 설명하기 위한 단면도들이다.6A and 6B are cross-sectional views illustrating cathodes according to still another embodiment of the present invention.

도 6a를 참조하면, 음극의 집전판(10_1P)이 캐비티들(10_C)을 정의하기 위하여 패터닝되어 있다. 캐비티들(10_C)의 내부로부터 개구(OP)쪽으로는 점차 좁아지며, 대체로 구형을 갖는다. 이러한 구형 캐비티는 전기 절연성 패턴(10P) 또는 다른 마스킹 부재를 식각 마스크로 사용하여 습식 식각과 같은 등방성 식각을 함으로써 얻어질 수 있다. 구형 캐비티들(10_C)은 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 캐비티들(10_C)은 집전판(10_1P)의 상부 표면쪽으로 점차 좁아지는 테이퍼 형상을 가질 수도 있다. Referring to FIG. 6A, a negative collector plate 10_1P is patterned to define cavities 10_C. Gradually narrows from the inside of the cavities 10_C toward the opening OP, and has a generally spherical shape. Such a spherical cavity can be obtained by isotropic etching such as wet etching using the electric insulating pattern 10P or another masking member as an etching mask. The spherical cavities 10_C are exemplary only, and the present invention is not limited thereto. For example, the cavities 10_C may have a taper shape gradually becoming narrow toward the upper surface of the current collecting plate 10_1P.

도 6b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 캐비티들(10_C)은 인접하는 캐비티들과 비교시 정형화된 반복 패턴이 없는 부정형의 채널 형상을 가질 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 부정형의 채널들은 서로 연결될 수도 있다. 부정형의 채널들의 개구(OP)는 전기 절연성 패턴(10P)에 의해 서로 이격되고, 이들 사이가 전기적으로 패시베이션된다.Referring to FIG. 6B, the cavities 10_C according to another embodiment may have a channel shape of irregular shape having no repeated pattern in comparison with adjacent cavities. Although not shown, the irregular channels may be connected to each other. The openings OP of the indefinite channels are spaced apart from each other by the electrically insulating pattern 10P and electrically passivated therebetween.

도 1a 내지 도 6b를 참조하여 개시된 특징들은 모순되지 않는 한 서로 조합되어 실시될 수 있다. 예를 들면, 부정형의 채널 형상을 갖는 캐비티들 내에 다공성 고분자 네트워크가 형성되거나, 캐비티 상에 겔 고분자 전해질 및/또는 유리 섬유층이 형성될 수 있을 것이다.
The features disclosed with reference to Figs. 1A to 6B can be implemented in combination with each other unless they are contradictory. For example, a porous polymer network may be formed in cavities having an irregular channel shape, or a gel polymer electrolyte and / or a glass fiber layer may be formed on the cavity.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극(10)을 포함하는 전지(1000)를 도시하는 분해 사시도이다. 7 is an exploded perspective view showing a battery 1000 including a cathode 10 according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 전지(1000)는 원통형 전지일 수 있다. 전극 조립체(100)는, 전술한 실시예에 따른 음극(10) 및 양극(20)을 분리막(30)을 사이에 두고 적층된 젤리 롤 구조를 가질 수 있다. 음극(10)은 집전판(10_1)의 양 주면에 각각 결합되는 2 개의 음극층들(10_2)을 포함할 수도 있다. 음극층들(10_2)은 분리막(30)을 사이에 두고 양극(20_2)과 대향하여 전지화학반응영역을 형성한다. Referring to FIG. 7, the battery 1000 may be a cylindrical battery. The electrode assembly 100 may have a jelly roll structure in which the cathode 10 and the anode 20 according to the above embodiment are stacked with the separator 30 interposed therebetween. The cathode 10 may include two cathode layers 10_2 coupled to both main surfaces of the current collector plate 10_1. The cathode layers 10_2 face the anode 20_2 with the separator 30 therebetween to form a battery chemical reaction zone.

도 7에 도시된 젤리 롤 구조는 예시적이며, 전극 조립체(100)는 굽힘, 접힘, 감음, 적층 또는 이들의 조합에 의해 다양한 방식으로 전지(1000)의 하우징(200) 내에 패키징될 수 있다. 또한, 전지(1000)는 원통형 전지에 한정되지 않고, 다른 코인형 전지, 각형 전지, 또는 섬유를 이용한 다양한 형상의 플렉시블 전지로 제조될 수도 있을 것이다.The jellyroll structure shown in Fig. 7 is exemplary, and the electrode assembly 100 can be packaged in the housing 200 of the battery 1000 in various ways by bending, folding, winding, stacking, or a combination thereof. In addition, the battery 1000 is not limited to a cylindrical battery, but may be made of other coin type batteries, prismatic type batteries, or flexible batteries of various shapes using fibers.

음극 및 양극들(10, 20)의 측부에는 전지 탭 또는 리드(Tb_A, Tb_B)가 형성될 수 있다. 전지 탭 또는 리드(TA)의 개수는 내부 저항을 감소시키기 위해 일정한 간격으로 형성되고 하나로 묶여 공통 단자를 형성할 수 있다. 전지 탭 또는 리드(TA)는 집전층(10_1, 20_1)에 융착 또는 솔더링에 의해 전기적으로 결합될 수 있다. 탭 또는 리드(TA)는 하우징(500) 내부에서 전지(1000)의 음극(300)과 양극(400)에 각각 내부 접속될 수 있다. Battery tabs or leads (Tb_A, Tb_B) may be formed on the sides of the cathode and the anodes (10, 20). The number of battery taps or leads TA may be formed at regular intervals to reduce internal resistance and may be bound together to form a common terminal. The battery tab or the lead TA can be electrically coupled to the current-collecting layers 10_1 and 20_1 by fusion or soldering. The tab or the lead TA may be internally connected to the cathode 300 and the anode 400 of the battery 1000 in the housing 500, respectively.

음극(10)과 양극(20) 사이의 분리막(30)은, 형상 변화가 용이하고, 기계적 강도가 우수하여 전극(10, 20)의 변형에도 찢어지거나 균열되지 않으며, 임의의 적합한 전자 절연성을 가지면서도 우수한 이온 전도성을 갖는 재료가 선택될 수 있다. 또한, 도 3a를 참조하여 전술한 바와 같이, 분리막(30)과 음극(10) 사이에 별도의 겔 고체 분리막(15)이 삽입될 수도 있다.The separator 30 between the cathode 10 and the anode 20 is easy to change in shape and has excellent mechanical strength so that it is not torn or cracked even by deformation of the electrodes 10 and 20, A material having excellent ion conductivity can be selected. Further, as described above with reference to FIG. 3A, a separate gel solid separator 15 may be inserted between the separator 30 and the cathode 10.

분리막(30)은 단층막 또는 다층막일 수 있으며, 상기 다층막은 동일 단층막의 적층체이거나 다른 재료로 형성된 단층막의 적층체일 수 있다. 예를 들면, 상기 적층체는 폴리올레핀과 같은 고분자 전해질막의 표면에 세라믹 코팅막을 포함하는 구조를 가질 수도 있다. 예를 들면, 분리막(30)은 고분자계 미세다공막, 직포, 부직포, 세라믹, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고분자 전해질막 또는 이들의 조합일 수 있다.The separation membrane 30 may be a single layer film or a multilayer film, and the multilayer film may be a laminate of the same single layer film or a laminate of a single layer film formed of different materials. For example, the laminate may have a structure including a ceramic coating film on the surface of a polymer electrolyte membrane such as polyolefin. For example, the separation membrane 30 may be a polymer-based microporous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, a ceramic, an intrinsic solid polymer electrolyte membrane, a gel polymer electrolyte membrane, or a combination thereof.

상기 진성 고체 전해질막은, 예를 들면, 폴리 에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 및 폴리비닐알콜 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 고분자 메트릭스, 첨가제 및 전해액을 포함할 수 있다. The intrinsic solid electrolyte membrane may be formed of a material selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polyimide, polysulfone, polyurethane, polyvinyl chloride, polystyrene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polybutadiene, cellulose, carboxymethylcellulose, Acrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, copolymers of vinylidene fluoride and trifluoroethylene, copolymers of vinylidene fluoride and tetrafluoro A copolymer of propylene, ethylene, a copolymer of propylene and ethylene, a copolymer of polymethylacrylate, polyethylacrylate, polyethylacrylate, polymethylmethacrylate, polyethylmethacrylate, polybutyl acrylate, polybutylmethacrylate, polyvinyl acetate, Alcohol, or a combination thereof. Luer binary may comprise a polymer matrix, additives and the electrolyte.

전지(1000)는 LiClO4 또는 LiPF6와 같은 리튬염을 포함하는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트와 같은 비수계 전해액일 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도시하지는 않았지만, 전지(1000) 사용 중의 안정성 및/또는 전력 공급 특성을 제어하기 위한 적합한 냉각 장치 또는 전지 운영 시스템(battery managing system)이 추가적으로 결합될 수 있다.The battery 1000 may be a non-aqueous electrolyte such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate containing a lithium salt such as LiClO 4 or LiPF 6 , but the present invention is not limited thereto. Further, although not shown, a suitable cooling device or battery managing system for controlling stability and / or power supply characteristics during use of the battery 1000 may additionally be combined.

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 확장된 집전 면적과 리튬의 반응 면적의 확대로 음극 용량이 향상될 뿐만 아니라, 리튬의 환원 전위에 의한 이론치에 가까운 출력 전압을 얻을 수 있고 전지의 내부 저항이 감소되어 고출력 및 고효율의 충방전을 확보할 수 있어, 자동차의 동력원 또는 전력 저장을 위한 중대형 전지로서도 응용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 리튬의 수지상 성장이 억제되어 수명이 향상된 리튬 금속 전지가 제공할 수 있다.
The secondary battery according to the embodiment of the present invention not only improves the capacity of the negative electrode due to the enlargement of the current collecting area and the reaction area of lithium but also provides an output voltage close to the theoretical value due to the reduction potential of lithium, Charge and discharge of high output and high efficiency can be ensured and can be applied as a power source for an automobile or as a medium to large-sized battery for electric power storage. Further, according to the embodiment of the present invention, a lithium metal battery in which the resin phase growth of lithium is suppressed and the lifetime is improved can be provided.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.

Claims (30)

집전판;
상기 집전판에 전기적으로 결합되고 리튬 이온의 전착 및 탈리에 의한 전기화학적 반응 자리를 제공하는 도전성 내부 표면 및 상기 도전성 내부 표면을 노출시키는 개구를 각각 포함하는 복수의 캐비티들;
상기 복수의 캐비티들 중 서로 인접하는 상기 개구들 사이를 둘러싸 전기적으로 패시베이션하고 상기 개구를 이격시키는 전기 절연성 패턴; 및
상기 복수의 캐비티들의 내부에 기공을 갖는 고분자 사슬층을 포함하고,
상기 고분자 사슬층의 고분자 사슬의 일단부가 상기 복수의 캐비티들의 내부 표면에 본딩되는 것을 특징으로 하는 음극.
House front plate;
A plurality of cavities each electrically coupled to the current collector plate and each including a conductive inner surface providing an electrochemical reaction site by electrodeposition and desorption of lithium ions and an opening exposing the conductive inner surface;
An electrically insulative pattern surrounding and electrically passivating and spacing the openings between adjacent ones of the plurality of cavities; And
And a polymer chain layer having pores inside the plurality of cavities,
And one end of the polymer chain of the polymer chain layer is bonded to the inner surface of the plurality of cavities.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 상기 도전성 내부 표면의 적어도 일부는 상기 집전판의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein at least a portion of the conductive inner surface of the plurality of cavities comprises a surface of the current collector plate.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 내부 표면 중 일부는 비도전성인 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein some of the inner surfaces of the plurality of cavities comprise a material that is non-conductive.
제 1 항에 있어서,
상기 집전판 상에, 상기 복수의 캐비티들이 형성된 전기 절연성 패턴층을 포함하며,
상기 전기 절연성 패턴층의 상부 표면에 의해 상기 전기 절연성 패턴이 제공되는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
And an electrically insulating pattern layer on which the plurality of cavities are formed, on the current collecting plate,
Wherein the electrically insulative pattern layer is provided by the upper surface of the electrically insulative pattern layer.
제 4 항에 있어서,
상기 전기 절연성 패턴층은 상기 복수의 캐비티들을 한정하는 격벽 패턴을 포함하며,
상기 복수의 캐비티들의 저부에 상기 집전판의 표면이 노출되는 것을 특징으로 하는 음극.
5. The method of claim 4,
Wherein the electrically insulating pattern layer includes a barrier rib pattern defining the plurality of cavities,
And the surface of the current collector plate is exposed at the bottom of the plurality of cavities.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 내부 측벽에 상기 집전판과 전기적으로 연결된 도전성 라이너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
5. The method of claim 4,
Further comprising a conductive liner electrically connected to the current collecting plate on inner side walls of the plurality of cavities.
제 6 항에 있어서,
상기 도전성 라이너는 금속층 또는 도전성 폴리머층를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 6,
Wherein the conductive liner comprises a metal layer or a conductive polymer layer.
제 7 항에 있어서,
상기 금속층은, 구리, 타이타늄, 스텐인레스 스틸, 니켈, 백금, 금, 은, 루테늄, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금이나 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
8. The method of claim 7,
The metal layer may be formed of at least one of copper, titanium, stainless steel, nickel, platinum, gold, silver, ruthenium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, And a cathode.
제 1 항에 있어서,
상기 집전판은 상기 복수의 캐비티들을 정의하도록 깊이 방향으로 패터닝되고,
상기 전기 절연성 패턴의 개구들이 상기 복수의 캐비티들에 정렬되도록 상기 집전판 상에 형성된 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein the current collecting plate is patterned in a depth direction to define the plurality of cavities,
And the openings of the electrically insulating pattern are formed on the current collecting plate so as to be aligned with the plurality of cavities.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 고분자 사슬층은 도전성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer chain layer comprises a conductive polymer.
제 11 항에 있어서,
상기 도전성 고분자는 폴라아닐린(polyaniline), 폴리옥시페닐린(polyoxyphenylene), 폴리페닐린황화물(polyphenylene sulfide), 폴리티오핀(polythiophene), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리메틸피롤(polymethylpyrrole), 폴리스틸렌 및 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
12. The method of claim 11,
The conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of polyaniline, polyoxyphenylene, polyphenylene sulfide, polythiophene, polyfuran, polypyrrole, polymethylpyrrole, ), Polystyrene, and derivatives or copolymers thereof.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 상부에 적층되는 겔 전해질 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Further comprising a gel electrolyte film stacked on top of the plurality of cavities.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 상부에 제공되는 유리 섬유층을 더 포함하는 것을 특징으로 음극.
The method according to claim 1,
Further comprising a glass fiber layer provided on top of the plurality of cavities.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들은, 원형, 타원형, 다각형, 트렌치형의 어레이 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of cavities are arranged in an array of circular, elliptical, polygonal, and trench-like shapes.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들은 부정형의 캐비티와 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of cavities have an irregular cavity and an opening.
제 1 항에 있어서,
상기 집전판은 금속, 도전성 산화물, 도전성 고분자 또는 탄소계 전극 물질, 도는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein the current collector plate comprises a metal, a conductive oxide, a conductive polymer or a carbon-based electrode material, or a combination thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 전기 절연성 패턴은, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지, 아크릴계 수지, 페놀계 수지 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 고분자 재료; 절연성 무기 재료; 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
The method according to claim 1,
Wherein the electrically insulating pattern is a polymeric material selected from the group consisting of polyethylene, polystyrene, polycarbonate, epoxy resin, silicone resin, melamine resin, acrylic resin and phenol resin or a mixture thereof; Insulating inorganic material; Or a combination thereof.
집전판을 제공하는 단계;
상기 집전판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 집전판 또는 상기 절연층 중 어느 하나에 리튬 이온의 전착 및 탈리에 의한 전기화학적 반응 자리를 제공하는 도전성 내부 표면을 갖는 복수의 캐비티들을 형성하고, 상기 절연층의 표면이 상기 복수의 캐비티들 중 서로 인접하는 개구들 사이를 전기적으로 패시베이션하고 상기 개구를 이격시키도록 상기 집전판 또는 상기 절연층을 패터닝하는 단계; 및
상기 복수의 캐비티들의 내부에 기공을 갖는 고분자 사슬층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 고분자 사슬층의 고분자 사슬의 일단부가 상기 복수의 캐비티들의 내부 표면에 본딩되는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법.
Providing a collector plate;
Forming an insulating layer on the current collecting plate;
Wherein a plurality of cavities having a conductive inner surface for providing an electrochemical reaction site by electrodeposition and desorption of lithium ions are formed on one of the current collector plate and the insulating layer, Patterning the current collector plate or the insulating layer to electrically passivate between adjacent openings and to separate the openings; And
And forming a polymer chain layer having pores inside the plurality of cavities,
And one end of the polymer chain of the polymer chain layer is bonded to the inner surface of the plurality of cavities.
제 20 항에 있어서, 상기 패터닝하는 단계는,
상기 절연층에 상기 복수의 캐비티들을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 캐비티들의 저부를 통해 상기 집전판의 표면이 노출되는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법.
21. The method of claim 20,
And forming the plurality of cavities in the insulating layer,
Wherein a surface of the current collector plate is exposed through a bottom of the plurality of cavities.
제 21 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 내부 측벽에 상기 집전판의 표면과 전기적으로 연결된 도전성 라이너를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법.
22. The method of claim 21,
And forming a conductive liner electrically connected to a surface of the current collector plate on inner side walls of the plurality of cavities.
제 20 항에 있어서, 상기 패터닝하는 단계는,
상기 절연층에 상기 복수의 캐비티들의 개구를 정의하기 위하여 상기 집전판의 상부 표면을 노출시키는 홈 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 절연층을 마스크막으로 사용하여, 상기 홈 패턴을 통하여 노출된 상기 집전판을 깊이 방향으로 식각하여 상기 복수의 캐비티들을 형성하도록 상기 집전판을 패터닝하는 단계를 포함하는 음극의 제조 방법.
21. The method of claim 20,
Forming a groove pattern exposing an upper surface of the current collecting plate to define an opening of the plurality of cavities in the insulating layer; And
And patterning the current collecting plate to form the plurality of cavities by etching the current collecting plate exposed through the groove pattern in a depth direction using the insulating layer as a mask film.
삭제delete 제 20 항에 있어서,
상기 고분자 사슬층은 도전성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법.
21. The method of claim 20,
Wherein the polymer chain layer comprises a conductive polymer.
제 25 항에 있어서,
상기 도전성 고분자는 폴라아닐린(polyaniline), 폴리옥시페닐린(polyoxyphenylene), 폴리페닐린황화물(polyphenylene sulfide), 폴리티오핀(polythiophene), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리메틸피롤(polymethylpyrrole), 폴리스틸렌 및 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
26. The method of claim 25,
The conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of polyaniline, polyoxyphenylene, polyphenylene sulfide, polythiophene, polyfuran, polypyrrole, polymethylpyrrole, ), Polystyrene, and derivatives or copolymers thereof.
삭제delete 제 20 항에 있어서,
상기 복수의 캐비티들의 내부로 적어도 일부가 함입되도록 상기 복수의 캐비티들의 상부에 겔 전해질 막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법.
21. The method of claim 20,
Further comprising the step of forming a gel electrolyte film on the plurality of cavities so that at least part of the cavities are embedded in the plurality of cavities.
제 1 항 기재의 음극;
상기 음극에 대향하는 양극; 및
상기 음극과 상기 양극 사이에 분리막을 포함하는 이차 전지.
A negative electrode according to claim 1;
A positive electrode facing the negative electrode; And
And a separator between the negative electrode and the positive electrode.
제 29 항에 있어서,
상기 이차 전지는 리튬 금속 전지인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
30. The method of claim 29,
Wherein the secondary battery is a lithium metal battery.
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