KR101642871B1 - Secondary battery and Method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체 전해질을 사용하는 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a secondary battery using a liquid electrolyte and a method of manufacturing the same.
최근 이동전화, 개인휴대용 정보단말기(PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(PMP) 등의 휴대용 전자기기의 전원; 고출력용 하이브리드 자동차, 전기자동차 등의 모터 구동용 전원; 및 전자잉크(e-ink), 전자 종이(e-paper), 플렉서블 액정표시소자(LCD), 플렉서블 유기다이오드(OLED) 등의 플렉서블 디스플레이용 전원으로서 이차 전지의 사용이 급속히 증가하고 있으며, 향후 인쇄회로 기판 상의 집적회로 소자용 전원으로서도 응용 가능성이 높아지고 있다.Power sources for portable electronic devices such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), and portable multimedia players (PMP); A motor drive power source for a high output hybrid vehicle, an electric car, and the like; The use of secondary batteries has been rapidly increasing as a power source for flexible displays such as electronic inks (e-ink), electronic paper (e-paper), flexible liquid crystal display devices (LCD) and flexible organic diodes (OLED) The application possibility as an integrated circuit device power source on a circuit board is also increasing.
그러나, 휴대용 전자기기의 전원으로 사용될 경우 안전성을 위한 패키징으로 인해 다양한 제품 디자인에 제약이 가해지며, 모터 구동용 전원으로서 사용되는 경우에는 고출력화, 소형 및 경량화에 대한 필요성이 증가하고 있고, 플렉서블 디스플레이용 전원으로 사용하는 경우에는 얇고 가벼우면서도 구부림이 가능하도록 제조되어야 하며, 집적회로 소자용 전원으로서 사용하기 위해서는 일정한 형태로 정밀하게 패터닝되어야 한다.However, when used as a power source for portable electronic devices, various packaging designs are restricted due to packaging for safety. In the case of being used as a power source for driving a motor, there is an increasing need for high output, small size and light weight. When used as a power source, it must be manufactured to be thin, light and bendable. In order to be used as a power source for an integrated circuit device, it must be precisely patterned in a certain form.
이와 같은 이차전지에 요구되는 다양한 요구를 충족시키기 위해 한국공개특허 제10-2010-0044087호(2010.04.29) 등에서는 전극 제조 방법으로서 기존의 슬러리 코팅 기법 대신에 이차전지용 전극을 얇고 균일하면서도 평탄하게 제조할 수 있으며 원하는 형태의 패턴을 경제적으로 제조할 수 있는 프린팅 기법이 게재되어 있는데, 전반적인 이온 전도도(ionic conductivity)와 운반율 수치가 우수한 액체 전해질을 사용하기 위해서는 하나의 절차로 프린팅 공정을 수행하지 못하고 양극과 음극을 각각 형성하여 패키징한 후 액체 전해질을 주입하기 위한 번거로운 공정들을 거쳐야 하며, 양극과 음극의 전기적인 통전을 방지하기 위해 수십 ㎛로 두꺼운 분리막을 사용하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 분리막을 사용하는 경우에 이차전지의 전반적인 두께가 두꺼워지고, 이에 따라 이차전지가 유연 특성을 갖기 어려워진다. 그리고 양극과 음극을 물리적으로 이격시켜 그 중간에 분리막을 위치시키고 액체 전해질을 주입해야 하기 때문에 패키징이 어렵다는 문제점도 있다.In order to meet various demands of such a secondary battery, Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0044087 (Apr. 29, 2010) discloses that instead of the conventional slurry coating technique, an electrode for a secondary battery is thinned uniformly and flatly In order to use a liquid electrolyte excellent in overall ionic conductivity and transport rate, a printing process is performed by one procedure. The anode and the cathode are separately formed and packaged and then the liquid electrolyte is injected. In order to prevent electrical conduction between the anode and the cathode, a thick separation membrane must be used. In addition, when the separator is used, the overall thickness of the secondary battery becomes thick, making it difficult for the secondary battery to have flexibility characteristics. In addition, there is a problem that packaging is difficult because the separator is disposed in the middle of the anode and the cathode and the liquid electrolyte is injected therebetween.
본 발명은 액체 전해질을 그 내부에 쉽게 형성할 수 있고, 간단한 구조로 양극과 음극의 전기적인 통전을 방지할 수 있으며, 패키징이 쉬운 이차전지 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a secondary battery which can easily form a liquid electrolyte therein, can prevent electrical conduction between an anode and a cathode with a simple structure, is easy to be packaged, and a method for manufacturing the same.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지는 전자를 주고받는 집전체; 제1 활물질을 함유하며, 상기 집전체 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 전해질층; 및 제2 활물질을 함유하며, 상기 전해질층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 상기 전해질층은, 서로 이격되어 형성되는 복수의 지지체; 및 상기 복수의 지지체 사이의 이격 공간에 제공되는 액체 전해질을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a secondary battery including: a collector; A first electrode containing a first active material and formed on the current collector; An electrolyte layer formed on the first electrode; And a second electrode formed on the electrolyte layer, wherein the electrolyte layer comprises: a plurality of supports separated from each other; And a liquid electrolyte provided in a spacing space between the plurality of supports.
상기 복수의 지지체는 고체 전해질로 이루어질 수 있다.The plurality of supports may be formed of a solid electrolyte.
상기 액체 전해질은 상기 이격 공간에 제공된 연속적인 망 구조를 갖는 고상의 염(Salt) 구조체가 용매에 녹아 형성될 수 있다.The liquid electrolyte may be formed by dissolving a solid salt structure having a continuous network structure provided in the spacing space in a solvent.
상기 전해질층은 1 내지 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
The electrolyte layer may have a thickness of 1 to 200 mu m.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 집전체를 형성하는 단계; 상기 집전체 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 서로 이격된 복수의 지지체와 상기 복수의 지지체 사이의 이격 공간에 제공된 염(Salt) 구조체로 이루어진 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 염 구조체를 용매에 용해시켜 액체 전해질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a secondary battery, including: forming a current collector; Forming a first electrode on the current collector; Forming an intermediate layer comprising a plurality of supports separated from each other on the first electrode and a salt structure provided in a spacing space between the plurality of supports; Forming a second electrode on the intermediate layer; And dissolving the salt structure in a solvent to form a liquid electrolyte.
상기 염 구조체는 연속적인 망 구조로 형성하고, 상기 복수의 지지체는 상기 염 구조체에 의해 각각 고립된 형상으로 형성할 수 있다.The salt structure may be formed in a continuous network structure, and the plurality of supports may be formed in an isolated shape by the salt structure.
상기 집전체, 상기 제1 전극, 상기 중간층 및 상기 제2 전극은 모두 프린팅 공정으로 형성할 수 있다.The current collector, the first electrode, the intermediate layer, and the second electrode may be formed by a printing process.
상기 중간층을 형성하는 단계에서는 상기 복수의 지지체와 상기 염 구조체 중 선택된 어느 하나를 먼저 형성한 후에 나머지 다른 하나를 형성할 수 있다.In the step of forming the intermediate layer, any one selected from the plurality of supports and the salt structure may be formed first and then the other one may be formed.
상기 중간층을 형성하는 단계는 하나의 절차로서 수행될 수 있다.The step of forming the intermediate layer may be performed as one procedure.
상기 중간층을 형성하는 단계에서는 상기 복수의 지지체와 상기 염 구조체 각각의 구성물질을 포함하는 복수의 잉크를 이용한 3D 프린팅 기법으로 상기 중간층을 형성할 수 있다.In the forming the intermediate layer, the intermediate layer may be formed by a 3D printing technique using a plurality of inks including the constituent materials of the plurality of supports and the salt structure.
상기 복수의 지지체는 고체 전해질로 형성할 수 있다.The plurality of supports may be formed of a solid electrolyte.
상기 중간층은 1 내지 200 ㎛의 높이로 형성할 수 있다.The intermediate layer may be formed to a height of 1 to 200 mu m.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지는 염(예를 들어, 리튬염)을 이용해 염 구조체를 형성하고 용매로 염 구조체를 용해시킴으로써 그 내부에 쉽게 액체 전해질을 형성할 수 있으며, 이에 따라 염 구조체를 프린팅 기법으로 형성할 수 있기 때문에 3D 프린팅으로 한번에 집전체, 제1 전극, 복수의 지지체, 염 구조체 및 제2 전극을 모두 형성할 수 있다. 이에 모든 제조 공정이 인라인 공정으로 수행될 수 있고, 이로 인해 공정 시간이 단축될 수 있으며, 생산성과 공정 효율이 향상될 수 있다. 그리고 3D 프린팅으로 한번에 형성된 하나의 적층물을 패키징하면 되기 때문에 패키징이 쉬워질 수 있다.The secondary battery according to an embodiment of the present invention can easily form a liquid electrolyte by forming a salt structure using a salt (for example, a lithium salt) and dissolving the salt structure with a solvent, The first electrode, the plurality of supports, the salt structure, and the second electrode can be formed all at once by 3D printing. Thus, all manufacturing processes can be performed in an in-line process, which can shorten the process time and improve productivity and process efficiency. And packaging can be made easy by packaging one stack formed at a time by 3D printing.
또한, 제1 전극과 제2 전극 사이에 복수의 지지체가 형성되어 3D 프린팅 공정 중에 양극과 음극을 물리적으로 차단할 수 있고, 이차전지의 충방전시 두꺼운 분리막 없이도 양극과 음극의 전기적 통전 현상을 방지할 수 있다. 이에 전해질층의 두께를 얇게 하여 단위부피당 양극 또는 음극의 비율을 높일 수 있기 때문에 단위부피당 활물질의 양이 증가되어 분리막의 사용시보다 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 그리고 복수의 지지체를 고체 전해질로 형성하여 복수의 지지체로도 이온이 이동할 수 있도록 할 수 있고, 이에 따라 전반적인 이온 전도도(ionic conductivity)를 향상시킬 수 있다.In addition, since a plurality of supports are formed between the first electrode and the second electrode, the positive electrode and the negative electrode can be physically cut off during the 3D printing process, and the electrical conduction between the positive electrode and the negative electrode can be prevented . Since the thickness of the electrolyte layer can be made thinner to increase the ratio of the anode to the cathode per unit volume, the amount of the active material per unit volume can be increased and the energy density can be improved more than when the separator is used. In addition, the plurality of supports may be formed of a solid electrolyte so that the ions can move to a plurality of supports, thereby improving the overall ionic conductivity.
한편, 에너지 밀도를 더욱 향상시키기 위해 이차전지의 단위 셀(cell)을 스택(stack)할 수도 있으며, 복수의 단위 셀을 3D 프린팅으로 스택되도록 형성하여 연속 공정 중에 단위 셀과 단위 셀을 스택할 수 있기 때문에 공정 효율을 상승시 키고 공정 시간을 줄일 수 있으면서 에너지 밀도가 높은 이자전지를 얻을 수도 있다.Meanwhile, in order to further improve the energy density, a unit cell of a secondary battery may be stacked, and a plurality of unit cells may be stacked by 3D printing to stack unit cells and unit cells during a continuous process. Which can increase the process efficiency, reduce the process time, and obtain a high-energy-density secondary battery.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 순서적으로 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 지지체와 염 구조체의 형성방법을 나타낸 사시도.1 is a cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view illustrating a secondary battery manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
3 is a perspective view illustrating a method of forming a plurality of supports and a salt structure according to another embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know. In the description, the same components are denoted by the same reference numerals, and the drawings are partially exaggerated in size to accurately describe the embodiments of the present invention, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지(100)는 전자를 주고받는 집전체(110); 제1 활물질을 함유하며, 상기 집전체(110) 상에 형성되는 제1 전극(120); 상기 제1 전극(120) 상에 형성되는 전해질층(130); 및 제2 활물질을 함유하며, 상기 전해질층(130) 상에 형성되는 제2 전극(140)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a
집전체(110)는 전자를 주고받아 충방전 과정에서 전류를 흐르게 해주는 역할을 하며, 다공질 구조의 도전성 기판이나 구멍이 없는 도전성 기판을 사용할 수 있다. 상기 도전성 기판(즉, 집전체)는 구리, 알루미늄, 스테인레스, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 티타늄, 니켈 중에서 선택된 하나 이상을 사용하여 형성할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 표면 상에 양호한 밀착성을 갖도록 전극을 형성할 수 있는 것이라면 모두 다 사용할 수 있다. 집전체(110)는 두께가 얇은 것이 바람직하며, 금속박일 수 있고, 그 두께는 1 ㎚ 내지 30 ㎛일 수 있는데, 10 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다. 두께를 10 ㎛ 미만으로 하면, 전극으로서의 강도가 얻어지지 않게 될 뿐만 아니라, 충방전 반응에 따른 활물질의 팽창·수축으로 도입된 변형을 완화할 수 없게 되거나 양극이 절단될 우려가 있다. 반면에, 두께가 30 ㎛를 초과하면, 활물질의 충전량이 감소될 뿐만 아니라 전극의 유연성이 손상되고, 내부 단락이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 이에 인장강도, 전기화학적인 안정성 및 감을 때의 유연성 등을 고려하면, 집전체(110)는 알루미늄박이 가장 바람직하고, 그 두께는 10 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다. 그리고 집전체(110)는 프린팅 기법, 무전해 도금 또는 전해 도금을 이용하여 형성할 수 있다. 한편, 집전체(110)는 전극이 형성되는 표면에 요철구조 등을 형성하여 표면거칠기를 조절할 수도 있고, UV 또는 플라즈마 표면 처리를 더 거칠 수 있는데, 이러한 표면처리를 거치게 되면 집전체(110)의 표면에너지가 상승되어 저점도의 잉크로 전극을 형성하는 경우, 전극의 균일도가 더 높아질 수 있다.The
제1 전극(120)은 제1 활물질을 함유할 수 있고, 집전체(110) 상에 형성될 수 있다. 그리고 제1 전극(120)은 양극과 음극 중 어느 한 전극일 수 있고, 제1 활물질은 제1 전극(120)과 동일한 양극과 음극 중 어느 한 전극의 활물질일 수 있다. 제1 전극(120)은 제1 활물질 및 도전제를 포함할 수 있고, 제1 활물질을 결착하는 결착제를 더 포함할 수도 있다. 제1 전극(120)이 양극일 경우, 제1 활물질은 양극으로 사용되는 세라믹계 양극 활물질의 대부분을 사용할 수 있고, 예를 들어 이산화 망간, 리튬망간 복합산화물, 리튬함유 니켈 산화물, 리튬함유 코발트 화합물, 리튬함유 니켈 코발트 산화물, 리튬함유 철산화물, 리튬을 포함하는 바나듐 산화물 등의 여러 가지 산화물이나 이황화 티탄, 이황화 몰리브덴 등의 캘코겐 화합물일 수 있다. 이 중에서 리튬 함유 코발트 산화물(예를 들어, LiCoO2), 리튬 함유 니켈 코발트 산화물(예를 들어, LiNi0 .8Co0 .2O2) 또는 리튬망간 복합산화물(예를 들어, LiM2O4, LiMnO2)을 사용할 경우, 고전압을 얻을 수 있다. 상기 도전제는 활물질의 전도성을 향상시키기 위한 물질로, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 흑연 등을 사용할 수 있고, 상기 결착제는 활물질을 결착시키는 물질로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화 비닐리덴(PVdF), 에틸렌프로필렌디엔 공중합체(EPDM), 스틸렌부타디엔고무(SBR) 등을 사용할 수 있는데, 상기 도전제와 결착제는 제1 활물질에 비해 소량이 함유된다.The
전해질층(130)은 제1 전극(120) 상에 형성될 수 있고, 서로 이격되어 형성되는 복수의 지지체(131) 및 복수의 지지체(131) 사이의 이격 공간에 제공되는 액체 전해질(132)을 포함할 수 있다. 복수의 지지체(131)는 서로 이격되어 형성되고, 액체 전해질(132)이 연속적인 망 구조를 가질 수 있도록 이격 공간을 제공한다.The
종래의 이차전지에서는 양극과 음극의 전기적 통전 형상을 방지하기 위해 전해질층에 분리막이 필요하였다. 종래의 분리막은 수십 ㎛로 두꺼워 전해질층의 두께를 증가시킬 뿐만 아니라 다공질 막이기 때문에 프린팅 공정 또는 박-후막 공정을 이용하여 연속적인 적층공정시, 분리막 상에 제2 전극을 적층할 때 분리막 내부의 미세한 공극을 통해 제2 전극의 전도성 물질이 분리막의 공극 내부에 코팅되어 전기적인 쇼트(Short)가 발생할 수 있어서, 프린팅 공정으로 이차전지 전체를 제조하는데 제한이 있었다.In the conventional secondary battery, a separation membrane was required in the electrolyte layer in order to prevent the electric conduction between the anode and the cathode. Since the conventional separator is thicker by several tens of micrometers, it not only increases the thickness of the electrolyte layer but also is a porous film. Therefore, when the second electrode is laminated on the separator in a continuous lamination process using a printing process or a thin- The conductive material of the second electrode may be coated on the inside of the pores of the separator through fine pores to cause an electrical short, so that there is a limitation in manufacturing the entire secondary battery by the printing process.
하지만, 본 발명에서는 서로 이격된 복수의 지지체(131)와 복수의 지지체(131) 사이의 이격 공간에 제공된 염(Salt) 구조체(132)로 이루어진 중간층 상에 제2 전극(140)을 형성하여, 이러한 중간층은 종래의 분리막과 달리 미세 공극을 포함하지 않으므로 제2 전극을 프린팅 공정으로 형성할 때 미세 공극 내부에 전도성 물질이 코팅되어 쇼트가 발생되었던 문제점을 해결할 수 있다. 상기 중간층에 대한 자세한 내용은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 제조방법에서 후술하도록 한다.However, in the present invention, the
또한, 본 발명에서는 복수의 지지체(131)를 통해 이온 전도도(ionic conductivity)를 조절할 수 있으므로 전해질층(130)에 두꺼운 분리막이 없이도 양극과 음극의 전기적 통전 현상을 방지할 수 있기 때문에 전해질층(130)의 두께를 줄일 수 있고, 이에 이차전지(100)의 전체적인 두께를 줄일 수 있다. 또한, 전해질층(130)의 두께가 얇아지면, 단위부피당 제1 전극(또는 양극) 또는 제2 전극(또는 음극)의 비율을 극대화시킬 수 있고, 이로 인해 단위부피당 활물질의 양이 늘어날 수 있다. 이에 전해질층의 두께가 두꺼워 단위부피당 활물질의 양이 적으므로 에너지 밀도가 낮았던 종래의 문제점을 해결함으로써 본 발명에서는 종래보다 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.In the present invention, since the ionic conductivity can be controlled through the plurality of
그리고 종래에는 분리막의 상부와 하부에 지지구조가 없어 양극과 음극의 거리를 일정하게 유지하기 어려웠지만, 본 발명에서는 복수의 지지체(131)에 의해 양극과 음극의 거리를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 복수의 지지체(131)는 양극과 음극을 물리적으로 차단할 수 있기 때문에 집전체(110), 제1 전극(120), 전해질층(또는 복수의 지지체) 및 제2 전극(140) 모두를 프린팅 기법으로 형성할 수 있게 하고, 특히 3D 프린팅 기법으로 쉽고 간편하게 이차전지(100)를 제조할 수 있게 한다.Conventionally, since there is no supporting structure at the upper and lower portions of the separator, it is difficult to maintain a constant distance between the anode and the cathode. However, in the present invention, the distance between the anode and the cathode can be kept constant by the plurality of
한편, 복수의 지지체(131)는 액체 전해질(132)의 분포를 균일하게 해줄 수 있도록 이차 전지(100)의 평면에 고르게 분포할 수 있고, 서로 이격되어 있어 이격 공간으로 힘을 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라, 적층 구조를 지지하기 위하여 복수의 지지체(131)가 강성(rigid)한 재료로 구성되는 경우에도 복수의 지지체(131)가 서로 이격되어 제공되므로 복수의 지지체(131) 사이의 공간에는 액체 전해질(132)이 제공되어 있기 때문에 복수의 지지체(131)에 의해서 유연성이 희생되지 않고 전체적인 이차전지(100)의 유연성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the plurality of
복수의 지지체(131)는 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 복수의 지지체(131)가 고체 전해질로 이루어지면, 복수의 지지체(131)로도 이온이 이동할 수 있기 때문에 절연물질로 복수의 지지체(131)를 형성하는 경우보다 이차전지(100)의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. 상기 고체 전해질은 재료에 있어서 특별히 제한되는 것은 아니지만, 산화물계 또는 황화물계인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 몰리브덴 산화물, 티타늄 산화물, 바나듐 산화물, 크롬 산화물, 탄탈 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 니오븀 산화물 및 텅스텐 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The plurality of
액체 전해질(132)은 연속적인 망 구조를 갖도록 형성될 수 있고, 복수의 지지체(131) 사이의 이격 공간에 제공될 수 있다. 액체 전해질(132)은 고체 전해질보다 전반적인 이온 전도도와 운반율 수치가 우수하기 때문에 액체 전해질(132)을 사용하여 이차전지(100)의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. 액체 전해질(132)의 재료로는 과염소산 리튬(LiClO4), 육불화인산리튬(LiPF6), 붕불화리튬(LiBF4), 육불화비소리튬(LiAsF6), 트리플루오로메타설폰산리튬(LiCF3SO3), 티탄산리튬(Li4Ti5O12; LTO), 리튬인산철(LiFePO4; LFP), 비스트리플루오로메틸설포닐이미드리튬[LiN(CF3SO2)2]등의 리튬염 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 용매에 녹여 사용할 수 있는데, 이 중에서 붕불화리튬(LiBF4)은 초충전시에서의 가스발생을 억제할 수 있다. 상기 용매는 비수용매일 수 있고, 리튬 이차전지의 용매로서 공지된 비수용매를 사용할 수 있으며, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 1,2-디메톡시에탄(DME), γ-부티로락톤(γ-BL), 테트라히드로프란(THF), 2-메틸테트라히드로프란(2-MeTHF), 1,3-디옥소란, 1,3-디메톡시프로판, 비닐렌카보네이트(VC) 등의 종류 중에서 선택되는 단일용매 또는 2종 이상의 혼합용매를 사용할 수 있는데, 이에 특별히 한정되지 않는다.The
그리고 액체 전해질(132)이 연속적인 망 구조를 갖도록 형성될 경우, 고상의 염(Salt) 구조체를 연속적인 망 구조를 갖도록 형성한 후 상기 염(Salt)을 용해시키는 용매를 한 곳으로 주입하여 상기 용매가 연속적인 망 구조를 통해 상기 염(Salt)을 모두 용해시키게 함으로써 액체 전해질(132)을 형성할 수 있다. 이에 간단하게 이차전지(100)의 내부에 액체 전해질(132)을 형성할 수 있고, 한 곳으로만 상기 용매를 주입하면 되기 때문에 실링 면적이 줄어들 수 있어 실링 공정이 용이해질 수 있다. 또한, 고상의 염 구조체를 먼저 형성할 경우 염 구조체까지 모든 적층물(즉, 집전체, 제1 전극, 복수의 지지체, 염 구조체 및 제2 전극)을 프린팅 기법으로 형성할 수 있으며, 3D 프린팅으로 쉽고 간편하게 이차전지(100)의 기본이 되는 적층물을 형성할 수 있다. 3D 프린팅을 사용하는 경우, 3D 프린팅 과정 중 효과적으로 지지구조(즉, 염 구조체)를 형성할 수 있고, 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트와 같은 용매가 공급되었을 때 쉽게 용해될 수 있는 육불화인산리튬, 과염소산 리튬과 같은 리튬염을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 액체 전해질(132)은 복수의 지지체(131) 사이의 이격 공간에 제공된 연속적인 망 구조를 갖는 고상의 염 구조체가 용매에 녹아 형성될 수 있다.When the
한편, 전해질층(130)은 1 내지 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 전해질층(130)은 두께가 얇을수록 이온의 이동거리가 짧아지기 때문에 이온전달 속도가 빨라지고 최대용량이 커져서 출력량이 좋아지게 되는데, 전해질층(130)의 두께가 1 ㎛보다 얇게 되면 양극과 음극의 전기적 통전 현상을 방지하지 못하고 쇼트(Short)가 발생하게 될 수 있다. 반면에, 전해질층(130)의 두께가 200 ㎛보다 두꺼워지면, 이온의 이동거리가 너무 길어져 이온전달 시간이 오래 걸리기 때문에 출력 효율이 감소될 수 있다. 그리고 전해질층(130)의 두께가 얇아지면, 단위부피당 제1 전극(또는 양극) 또는 제2 전극(또는 음극)의 비율을 극대화시킬 수 있어 단위부피당 활물질의 양이 늘어나기 때문에 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.On the other hand, the
제2 전극(140)은 제2 활물질을 함유할 수 있고, 전해질층(130) 상에 형성될 수 있다. 그리고 제2 전극(140)은 양극과 음극 중 제1 전극(120)과 대응되는 나머지 전극일 수 있고, 제2 활물질은 제2 전극(140)의 극성에 따라 정해질 수 있다. 제2 전극(140)은 제1 전극(120)과 마찬가지로 제2 활물질 및 도전제를 포함할 수 있고, 제2 활물질을 결착하는 결착제를 더 포함할 수도 있다. 제2 전극(140)이 음극일 경우, 제2 활물질은 리튬이온을 도핑하는 것이 가능한 폴리아세탈, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 도전성 고분자, 리튬이온을 도핑하는 것이 가능한 코크스, 탄소섬유, 흑연, 메소페이즈피치계 탄소, 열분해 기상 탄소물질, 수지소성체 등의 탄소재나 이황화 티탄, 이황화 몰리브덴, 셀렌화 니오브 등의 카르코겐 화합물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge)과 같은 금속물질, 이들의 산화물 또는 2종 이상의 화합물 등을 사용할 수 있는데, 상기 탄소재의 형태는 흑연계 탄소재, 흑연 결정부와 비결정부가 혼재한 탄소재, 결정층이 불규직한 적층구조를 갖는 탄소재 등일 수 있다. 상기 도전제는 활물질의 전도성을 향상시키기 위한 물질로, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 흑연 등을 사용할 수 있고, 상기 결착제는 활물질을 결착시키는 물질로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화 비닐리덴(PVdF), 에틸렌프로필렌디엔 공중합체(EPDM), 스틸렌부타디엔고무(SBR) 등을 사용할 수 있는데, 상기 도전제와 결착제는 제2 활물질에 비해 소량이 함유된다.The
한편, 제1 전극(120)이 음극이고, 제2 전극(140)이 양극일 경우에는 상기와 반대로 제1 전극(120)과 제2 전극(140)을 형성할 수 있는데, 각 전극의 극성에 따라 그 활물질을 선택할 수 있다. 그리고 제2 전극(140) 상에도 집전체(110)가 형성될 수 있고, 이차전지(100)의 기본이 되는 구성물(즉, 집전체, 제1 전극, 복수의 지지체, 액체 전해질 및 제2 전극)을 외장재(150)로 패키징할 수 있다. 또한, 에너지 밀도를 더욱 향상시키기 위해 이차전지(100)의 단위 셀(cell)을 스택(stack)할 수도 있다.
On the other hand, when the
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 순서적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 지지체와 염 구조체의 형성방법을 나타낸 사시도이다.FIG. 2 is a perspective view showing a sequential method of manufacturing a secondary battery according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view illustrating a method of forming a plurality of supports and a salt structure according to another embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.Referring to FIGS. 2 and 3, a method for manufacturing a secondary battery according to another embodiment of the present invention will be described in more detail. However, the description of the secondary battery according to an embodiment of the present invention will be omitted. do.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 제조방법은 집전체를 형성하는 단계; 상기 집전체 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 서로 이격된 복수의 지지체와 상기 복수의 지지체 사이의 이격 공간에 제공된 염(Salt) 구조체로 이루어진 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 염 구조체를 용매에 용해시켜 액체 전해질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a secondary battery, including: forming a current collector; Forming a first electrode on the current collector; Forming an intermediate layer comprising a plurality of supports separated from each other on the first electrode and a salt structure provided in a spacing space between the plurality of supports; Forming a second electrode on the intermediate layer; And dissolving the salt structure in a solvent to form a liquid electrolyte.
먼저 집전체(110)를 형성한다(도 2a). 집전체(110)는 충방전 과정에서 전자를 주고받아 전류를 흐르게 해주는 역할을 하며, 다공질 구조의 도전성 기판이나 구멍이 없는 도전성 기판을 사용할 수 있다. 상기 도전성 기판(즉, 집전체)는 구리, 알루미늄, 스테인레스, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 티타늄, 니켈 중에서 선택된 하나 이상을 사용하여 형성할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 표면 상에 양호한 밀착성을 갖도록 전극을 형성할 수 있는 것이라면 모두 다 사용할 수 있다. 그리고 집전체(110)는 무전해 도금 또는 전해 도금뿐만 아니라 프린팅 기법(또는 3D 프린팅 기법)을 이용하여 형성할 수 있다. 한편, 집전체(110)를 형성하는 단계에서 전극이 형성되는 집전체(110)의 표면에 요철구조 등을 형성하는 단계와 집전체(110)에 UV 또는 플라즈마 표면 처리하는 단계를 더 거칠 수도 있다.First, a
다음으로, 집전체(110) 상에 제1 전극(120)을 형성한다(도 2b). 제1 전극(120)은 활물질 및 도전제를 포함할 수 있고, 제1 전극(120)은 양극과 음극 중 어느 한 전극일 수 있다. 제1 전극(120)이 양극일 경우, 활물질로 양극으로 사용되는 세라믹계 양극 활물질의 대부분을 사용할 수 있고, 예를 들어 이산화 망간, 리튬망간 복합산화물, 리튬함유 니켈 산화물, 리튬함유 코발트 화합물, 리튬함유 니켈 코발트 산화물, 리튬함유 철산화물, 리튬을 포함하는 바나듐 산화물 등의 여러 가지 산화물이나 이황화 티탄, 이황화 몰리브덴 등의 캘코겐 화합물일 수 있다. 이 중에서 리튬 함유 코발트 산화물(예를 들어, LiCoO2), 리튬 함유 니켈 코발트 산화물(예를 들어, LiNi0 .8Co0 .2O2) 또는 리튬망간 복합산화물(예를 들어, LiM2O4, LiMnO2)을 사용할 경우, 고전압을 얻을 수 있다. 그리고 활물질을 결착하는 결착제를 더 포함할 수도 있으며, 상기 도전제와 결착제는 활물질에 비해 소량 함유될 수 있다.Next, the
그 다음 제1 전극(120) 상에 중간층(130)을 형성하는데, 복수의 지지체(131)를 서로 이격하여 형성하고, 상기 복수의 지지체(131) 사이의 이격 공간에 제공되도록 염(Salt) 구조체(132)를 형성한다(도 2c). 이때, 염 구조체(132)는 연속적인 망 구조로 형성하고, 복수의 지지체(131)는 염 구조체(132)에 의해 각각 고립된 형상으로 형성할 수 있다. 염 구조체(132)를 연속적인 망 구조로 형성하면, 상기 염(Salt)을 용해시킬 수 있는 용매가 연속적인 망 구조를 통해 전체적으로 이동할 수 있기 때문에 상기 용매를 한 곳으로 주입하여 간단하게 이차전지의 내부에 액체 전해질을 형성할 수 있고, 한 곳으로만 상기 용매를 주입하면 되기 때문에 실링 면적이 줄어들어 실링 공정이 간단해질 수 있으며, 종래에 프린팅 기법 사용시 액체 전해질을 사용하기 어려웠던 문제를 해결할 수 있다. 그리고 상기 염(Salt)은 형상을 유지하며 적층될 수 있기 때문에 모든 적층물(즉, 집전체, 제1 전극, 복수의 지지체, 염 구조체 및 제2 전극)을 프린팅 기법으로 형성할 수 있으며, 3D 프린팅으로 쉽고 간편하게 이차전지의 기본이 되는 상기 적층물을 형성할 수 있다. 한편, 3D 프린팅을 사용하는 경우, 염 구조체(132)는 3D 프린팅 과정 중 효과적으로 상부 적층물(예를 들어, 제2 전극)이 적층될 수 있는 지지구조를 제공할 수도 있고, 상기 염(Salt)은 과염소산 리튬(LiClO4), 육불화인산리튬(LiPF6), 붕불화리튬(LiBF4), 육불화비소리튬(LiAsF6), 트리플루오로메타설폰산리튬(LiCF3SO3), 티탄산리튬(Li4Ti5O12; LTO), 리튬인산철(LiFePO4; LFP), 비스트리플루오로메틸설포닐이미드리튬[LiN(CF3SO2)2]등의 리튬염(전해질) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있고, 상기 용매는 비수용매일 수 있으며, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 1,2-디메톡시에탄(DME), γ-부티로락톤(γ-BL), 테트라히드로프란(THF), 2-메틸테트라히드로프란(2-MeTHF), 1,3-디옥소란, 1,3-디메톡시프로판, 비닐렌카보네이트(VC) 등의 종류 중에서 선택되는 단일용매 또는 2종 이상의 혼합용매를 사용할 수 있다.The
복수의 지지체(131)는 서로 이격 또는 고립되어 액체 전해질이 형성될 이격 공간을 제공한다. 종래에는 액체 전해질을 사용할 경우에 양극과 음극의 전기적 통전 형상을 방지하기 위해 수십 ㎛로 두꺼운 분리막이 필요하였지만, 본 발명에서는 복수의 지지체(131)를 통해 이온 전도도(ionic conductivity)를 조절할 수 있으므로 두꺼운 분리막이 없이도 양극과 음극의 전기적 통전 현상을 방지할 수 있다. 이에 중간층(130)의 두께를 얇게 하여 단위부피당 제1 전극(또는 양극) 또는 제2 전극(또는 음극)의 비율을 높일 수 있기 때문에 단위부피당 활물질의 양이 증가되어 분리막의 사용시보다 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 지지체(131)는 염 구조체(132)와 함께 3D 프린팅 과정 중 효과적으로 상부 적층물(예를 들어, 제2 전극)이 적층될 수 있는 지지구조를 제공하기 때문에 3D 프린팅 기법으로 쉽고 간편하게 이차전지를 제조할 수 있게 한다.The plurality of
한편, 복수의 지지체(131)는 액체 전해질의 분포를 균일하게 해줄 수 있도록 이차 전지(100)의 평면에 고르게 분포할 수 있고, 서로 이격되어 있어 이격 공간으로 힘을 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라, 적층 구조를 지지하기 위하여 복수의 지지체(131)가 강성한 재료로 구성되는 경우에도 복수의 지지체(131)가 서로 이격되어 제공되므로 복수의 지지체(131) 사이의 공간에는 액체 전해질이 제공되기 때문에 복수의 지지체(131)에 의해서 유연성이 희생되지 않고 전체적인 이차전지(100)의 유연성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the plurality of
그리고 복수의 지지체(131)는 고체 전해질로 형성할 수 있다. 복수의 지지체(131)가 고체 전해질로 이루어지면, 복수의 지지체(131)로도 이온이 이동할 수 있기 때문에 절연물질로 복수의 지지체(131)를 형성하는 경우보다 이차전지(100)의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. 상기 고체 전해질은 재료에 있어서 특별히 제한되는 것은 아니지만, 산화물계 또는 황화물계인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 몰리브덴 산화물, 티타늄 산화물, 바나듐 산화물, 크롬 산화물, 탄탈 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 니오븀 산화물 및 텅스텐 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The plurality of
상기 중간층을 형성하는 단계에서는 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132) 중 어느 하나를 형성하고, 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132) 중 나머지 다른 하나를 형성할 수 있다. 일실시예로, 도 3a와 같이 복수의 지지체(131)가 형성되는 복수의 격리 공간이 제공되도록 염 구조체(132)를 먼저 형성하고, 제공된 복수의 격리 공간에 채우는 방식으로 복수의 지지체(131)를 형성할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면, 잉크(또는 프린팅 기법)를 이용하여 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)를 형성할 수 있고, 간단하게 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)를 형성할 수 있다. 한편, 염 구조체(132)에 복수의 격리 공간이 제공되도록 하는 방법은 복수의 격리 공간을 제외한 부분만을 적층하는 방법과 평면으로 모두 적층한 후 복수의 격리 공간을 식각하는 방법이 있다. 그리고 상기의 방법은 일실시예로서 이에 한정되지 않으며, 복수의 지지체(131)를 먼저 형성하고 복수의 지지체(131) 사이의 이격 공간에 염 구조체(132)를 형성할 수도 있는데, 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)로 이루어진 중간층(130)을 형성할 수 있으면 족하다.In the step of forming the intermediate layer, any one of the plurality of
상기 중간층을 형성하는 단계는 하나의 절차로서 수행될 수도 있다. 이러한 경우, 단일 공정으로 중간층(130)을 형성할 수 있고, 프린팅 기법을 사용시 노즐(Nozzle, 10)의 최단 거리 이동으로 중간층(130)을 형성할 수 있다.The step of forming the intermediate layer may be performed as one procedure. In this case, the
상기 중간층을 형성하는 단계는 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132) 각각의 구성물질을 포함하는 복수의 잉크를 이용한 3D 프린팅 기법으로 중간층(130)을 형성할 수 있다. 3D 프린팅 기법으로 중간층(130)을 형성하는 방법은 일실시예로, 도 3b와 같이 복수의 노즐(10)을 이용해 위치에 따라 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)를 각각의 노즐이 형성할 수 있고, 노즐(10)이 지날 때 한 번에 중간층(130)의 두께를 가질 수 있다. 한편, 노즐(10)이 z-축으로 높이를 변화하며 연속 적층되어 중간층(130)의 두께를 가질 수도 있는데, 그 형성방법에 특별한 제한은 없다. 3D 프린팅 기법으로 중간층(130)을 형성할 경우, 노즐(10)의 최단 거리 이동으로 쉽고 빠르게 중간층(130)을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)로 중간층(130)을 구성하여 3D 프린팅으로 이차전지의 기본이 되는 적층물을 모두 형성할 수 있고, 이에 따라 3D 프린팅 기법으로 쉽고 빠르게 이차전지를 제조할 수 있다. 이에 이차전지의 모든 제조 공정이 인라인 공정으로 수행될 수 있고, 이로 인해 공정 시간이 단축될 수 있으며, 이차전지의 생산성과 공정 효율이 향상될 수 있다.The
상기 복수의 잉크는 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132) 각각의 구성물질의 분말로 제조되고, 각각의 구성물질의 분말이 용해 또는 분산되는 용매를 각각 포함하며, 상기 복수의 잉크의 점착력과 이온 전도도를 향상시키기 위한 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 바인더, 도전제, 보습제, 분산제, 증점제 및 완충제 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 3D 프린팅을 하기 위해서는 잉크가 적정한 점도를 유지하여야 하는데, 상기 첨가제들을 첨가하여 적정한 점도를 유지하면서 활물질의 전도성이 향상된 잉크를 제조할 수 있다. 상기 용매는 탈이온수(Deionized water)를 주성분으로 하며, 건조속도를 조절하기 위해 에탄올, 메탄올, 부탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 이소부틸알코올, 에틸렌글리콜, N-메틸-2-피롤리돈 등의 알코올계를 혼합한 용매를 사용할 수 있다.Each of the plurality of inks is made of a powder of a constituent material of each of the plurality of the supports (131) and the salt structure (132), and each of the powders of the constituent materials is dissolved or dispersed, And an additive for improving ionic conductivity. The additive may include at least one of a binder, a conductive agent, a moisturizer, a dispersant, a thickener, and a buffer. In order to perform 3D printing, the ink should maintain a proper viscosity. By adding the additives, the ink having improved conductivity of the active material can be produced while maintaining an appropriate viscosity. The solvent includes deionized water as a main component and may be a solvent such as ethanol, methanol, butanol, propanol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, ethylene glycol, N-methyl- A solvent mixed with an alcohol system may be used.
상기 바인더는 잉크에 결착력을 부여하는 역할을 하며, 결착제일 수 있는데, 폴리비닐알콜, 에틸렌-프로필렌-디엔 3원 공중합체, 스틸렌-부타디엔 고무, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테드라플루오로에틸렌, 테트라플루오루에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC) 중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 그리고 상기 도전제는 전도성을 향상시키기 위한 물질로, 아세틸렌 블랙, 카본블랙, 그래파이트, 탄소섬유, 카본나노튜브 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 보습제는 잉크의 건조를 억제하여 노즐 막힘을 방지하는 역할을 하며, 글리콜류, 글리세롤, 피롤리돈 등을 사용할 수 있다.The binder serves to bind the ink, and may be a binder. Examples of the binder include polyvinyl alcohol, an ethylene-propylene-diene terpolymer, a styrene-butadiene rubber, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoro Ethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, and carboxymethylcellulose (CMC) may be used. The conductive agent is a material for improving conductivity, and acetylene black, carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, or the like can be used. In addition, the humectant suppresses drying of the ink to prevent clogging of the nozzle, and glycol, glycerol, pyrrolidone and the like can be used.
상기 분산제는 활물질과 도전제를 골고루 분산시켜 주는 역할을 하며, 지방산염, 알킬디카르복시산염, 알킬황산에스테르염, 다가황산에스테르알콜염, 알킬나프탈렌황산염, 알킬벤젠황산염, 알킬나프탈렌황산에스테르염, 알킬술폰숙신산염, 나프텐산염, 알킬에테르카르복시산염, 아실레이티드펩티드, 알파올레핀황산염, N-아실메틸타우린염, 알킬에테르황산염, 2차다가알콜에톡시설페이트, 폴리옥시에틸렌알킬퍼밀에테르황산염, 모노글리설페이트, 알킬에테르인산에스테르염, 알킬인산에스테르염, 알킬아민염, 알킬피리듐염, 알킬이미다졸륨염, 불소계- 또는 실리콘계-아크릴산 중합체, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌스테롤에테르, 폴리옥시에틸렌의 라놀린 유도체, 폴리옥시에틸렌/폴리옥시프로필렌 공중합체, 폴리옥시에틸렌솔비탄지방산에스테르, 모노글리세라이드지방산에스테르, 수크로스지방산에스테르, 알칸올아미드지방산, 폴리옥시에틸렌지방산 아미드, 폴리옥시에틸렌알킬아민, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피리돈, 폴리아크릴아미드, 카르복시기-함유 수용성 폴리에스테르, 수산기-함유 셀룰로오스계 수지, 아크릴 수지, 부타디엔 수지, 아크릴산계, 스티렌아크릴계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리우레탄계, 알킬베타민, 알킬아민옥사이드, 포스파티딜콜린 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 그리고 상기 증점제는 점도를 증진시키는 역할을 하며, 에틸렌-비닐알코올 공중합체, 셀룰로오스 유도체(예를 들어, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스) 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 완충제는 잉크의 안정성을 유지하며 적정 pH를 조절하는 물질로, 트리메틸아민, 트리에탄올아민, 디에탄올아민, 에탄올아민 또는 수산화나트륨, 수산화암모늄 중에서 선택된 하나 이상의 아민계 화합물을 사용할 수 있다.The dispersing agent serves to disperse the active material and the conductive agent evenly. The dispersant may be at least one selected from the group consisting of fatty acid salts, alkyldicarboxylic acid salts, alkylsulfuric acid ester salts, polyvalent sulfuric ester alcohol salts, alkylnaphthalene sulfate, alkylbenzenesulfuric acid salts, alkylnaphthalene sulfuric acid ester salts, Sulfonic acid salts, naphthenic acid salts, alkyl ether carboxylic acid salts, acylated peptide, alpha olefin sulfate, N-acylmethyltaurine salt, alkyl ether sulfate, secondary alcohol alcohol ethoxy sulfate, polyoxyethylene alkylperme ether sulfate, Alkyl ether phosphates, alkyl amine salts, alkyl pyridinium salts, alkyl imidazolium salts, fluorinated or silicone-acrylic acid polymers, polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyethylene sterol ethers, poly Lanolin derivatives of oxyethylene, polyoxyethylene / polyoxypropylene copolymers, polyoxyethylene sorbitan A water-soluble polyester, a fatty acid ester, a monoglyceride fatty acid ester, a sucrose fatty acid ester, an alkanolamide fatty acid, a polyoxyethylene fatty acid amide, polyoxyethylene alkylamine, polyvinyl alcohol, polyvinylpyridone, polyacrylamide, , A hydroxyl group-containing cellulose resin, an acrylic resin, a butadiene resin, an acrylic acid resin, a styrene acrylic resin, a polyester resin, a polyamide resin, a polyurethane resin, an alkyl betaine resin, an alkylamine oxide resin and a phosphatidylcholine resin. . The thickener serves to enhance the viscosity, and ethylene-vinyl alcohol copolymer, cellulose derivative (for example, carboxymethyl cellulose, methyl cellulose) and the like can be used. The buffer may be at least one amine compound selected from the group consisting of trimethylamine, triethanolamine, diethanolamine, ethanolamine, sodium hydroxide, and ammonium hydroxide to maintain the stability of the ink and to control the pH of the ink.
한편, 3D 프린팅 기법으로 이차전지의 기본이 되는 모든 적층물을 형성할 경우, 적층물 각각의 잉크를 이용하여 적층물을 각각 형성하고, 상기 각각의 잉크는 적층물 각각의 구성물질분말 및 적층물 각각의 구성물질분말을 용해시키거나 분산시키는 용매를 포함할 수 있다. 그리고 3D 프린팅을 위한 프린터는 x, y, z의 세 축으로 제어가 가능한 프린터일 수 있고, 마이크로 노즐(Micronozzle) 및 벌크 노즐(Bulk nozzle)이 사용될 수 있다. 그리고 상기 잉크들의 분사 속도를 제어할 수 있는 공압식 컨트롤러를 사용할 수도 있다.On the other hand, in the case of forming all of the laminated materials which are the basis of the secondary battery by the 3D printing technique, the laminated material is formed by using each ink of the laminated material, And a solvent that dissolves or disperses the respective constituent material powder. The printer for 3D printing may be a printer capable of controlling three axes of x, y, and z, and a micronozzle and a bulk nozzle may be used. A pneumatic controller capable of controlling the ejection speed of the ink may also be used.
복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)는 1 내지 200 ㎛의 높이로 형성할 수 있다. 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)는 염 구조체(132)가 용매에 용해되어 액체 전해질이 됨으로써 중간층(130)을 이루게 되는데, 중간층(130)은 두께가 얇을수록 이온의 이동거리가 짧아지기 때문에 이온전달 속도가 빨라지고 최대용량이 커져서 출력량이 좋아지게 된다. 하지만, 중간층(130)의 두께가 너무 얇아져서 1 ㎛보다 얇아지게 되면 양극과 음극의 전기적 통전 현상을 방지하지 못하고 쇼트(Short)가 발생하게 될 수 있다. 반면에, 중간층(130)의 두께가 200 ㎛보다 두꺼워지면, 이온의 이동거리가 너무 길어져 이온전달 시간이 오래 걸리기 때문에 출력 효율이 감소될 수 있다. 그리고 중간층(130)의 두께가 얇아지면, 단위부피당 제1 전극(또는 양극) 또는 제2 전극(또는 음극)의 비율을 극대화시킬 수 있어 단위부피당 활물질의 양이 늘어나기 때문에 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.The plurality of
그리고 중간층(130) 상에 제2 전극(140)을 형성한다(도 2d). 제2 전극(140)은 활물질 및 도전제를 포함할 수 있고, 제2 전극(140)은 양극과 음극 중 제1 전극(120)과 대응되는 나머지 전극일 수 있다. 제2 전극(140)이 음극일 경우, 활물질로 리튬이온을 도핑하는 것이 가능한 폴리아세탈, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 도전성 고분자, 리튬이온을 도핑하는 것이 가능한 코크스, 탄소섬유, 흑연, 메소페이즈피치계 탄소, 열분해 기상 탄소물질, 수지소성체 등의 탄소재나 이황화 티탄, 이황화 몰리브덴, 셀렌화 니오브 등의 카르코겐 화합물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge)과 같은 금속물질, 이들의 산화물 또는 2종 이상의 화합물 등을 사용할 수 있는데, 상기 탄소재의 형태는 흑연계 탄소재, 흑연 결정부와 비결정부가 혼재한 탄소재, 결정층이 불규직한 적층구조를 갖는 탄소재 등일 수 있다. 그리고 활물질을 결착하는 결착제(또는 바인더)를 더 포함할 수도 있으며, 상기 도전제와 결착제는 활물질에 비해 소량 함유될 수 있다. 한편, 제1 전극(120)이 음극이고, 제2 전극(140)이 양극일 경우에는 상기와 반대로 제1 전극(120)과 제2 전극(140)을 형성할 수 있는데, 각 전극의 극성에 따라 그 활물질을 선택할 수 있다.The
집전체(110), 제1 전극(120), 중간층(130) 및 제2 전극(140)은 모두 프린팅 공정으로 형성할 수 있다. 본 발명에서는 복수의 지지체(131)와 염 구조체(132)로 중간층(130)을 구성하여 프린팅 공정으로 이차전지의 기본이 되는 집전체(110), 제1 전극(120), 중간층(130) 및 제2 전극(140)을 모두 형성할 수 있고, 이에 따라 3D 프린팅 기법으로 쉽고 빠르게 이차전지를 제조할 수도 있다. 이에 이차전지의 모든 제조 공정이 인라인 공정으로 수행될 수 있고, 이로 인해 공정 시간이 단축될 수 있으며, 이차전지의 생산성과 공정 효율이 향상될 수 있다.The
다음으로, 염 구조체(132)를 용매에 용해시켜 액체 전해질을 형성한다. 이때, 도 2e와 같이 이차전지의 기본이 되는 적층물을 외장재(150)로 패키징하고, 염 구조체(132)를 용해시키는 용매를 한 곳으로 염 구조체(132)에 주입하여 액체 전해질을 형성할 수 있다. 이러한 경우, 상기 용매를 주입한 후 액체 전해질이 누수되지 않도록 액체 전해질의 주입에 사용된 주입구를 실링하여 준다.Next, the
한편, 제2 전극(140) 상에 집전체(110)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 에너지 밀도를 더욱 향상시키기 위해 이차전지(100)의 단위 셀(cell)을 스택(stack)하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 그리고 외장재(150)까지 3D 프린팅으로 형성할 수도 있으며, 복수의 단위 셀을 3D 프린팅으로 형성하여 스택되도록 할 수도 있다. 이러한 경우 연속 공정 중에 단위 셀과 단위 셀을 스택할 수 있어 공정 효율을 높이고 공정 시간을 줄여주는 장점을 가지며, 3D 프린팅으로 외장재(150)까지 형성할 경우 이차전지의 기본이 되는 적층물이 밀봉되도록 외장재(150)를 형성한 후 구멍을 뚫어 염 구조체(132)를 용해시키는 용매의 주입구를 형성할 수도 있고, 염 구조체(132)를 용해시키는 용매의 주입구가 형성되도록 외장재(150)를 형성할 수도 있다. 이때도 상기 주입구는 실링하여 준다. 그리고 이차전지(100)의 단위 셀(cell)을 스택할 때 어느 하나의 단위 셀의 제2 전극과 다른 단위 셀의 제1 전극이 접촉되도록 스택할 수도 있고, 전선 등으로 어느 하나의 단위 셀의 제2 전극과 다른 단위 셀의 제1 전극이 연결되도록 할 수도 있는데, 어느 하나의 단위 셀의 제2 전극과 다른 단위 셀의 제1 전극을 연결하는 방법에 있어서 특별한 제한은 없다.
The method may further include forming a
이처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지는 염(예를 들어, 리튬염)을 이용해 염 구조체를 형성하고 용매로 염 구조체를 용해시킴으로써 그 내부에 쉽게 액체 전해질을 형성할 수 있으며, 이에 따라 염 구조체를 프린팅 기법으로 형성할 수 있기 때문에 3D 프린팅으로 한번에 집전체, 제1 전극, 복수의 지지체, 염 구조체 및 제2 전극을 모두 형성할 수 있다. 이에 모든 제조 공정이 인라인 공정으로 수행될 수 있고, 이로 인해 공정 시간이 단축될 수 있으며, 생산성과 공정 효율이 향상될 수 있다. 그리고 3D 프린팅으로 한번에 형성된 하나의 적층물을 패키징하면 되기 때문에 패키징이 쉬워질 수 있다. 또한, 제1 전극과 제2 전극 사이에 복수의 지지체가 형성되어 3D 프린팅 공정 중에 양극과 음극을 물리적으로 차단할 수 있고, 이차전지의 충방전시 두꺼운 분리막 없이도 양극과 음극의 전기적 통전 현상을 방지할 수 있다. 이에 전해질층의 두께를 얇게 하여 단위부피당 양극 또는 음극의 비율을 높일 수 있기 때문에 단위부피당 활물질의 양이 증가되어 분리막의 사용시보다 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 그리고 복수의 지지체를 고체 전해질로 형성하여 복수의 지지체로도 이온이 이동할 수 있도록 할 수 있고, 이에 따라 전반적인 이온 전도도(ionic conductivity)를 향상시킬 수 있다. 한편, 에너지 밀도를 더욱 향상시키기 위해 이차전지의 단위 셀(cell)을 스택(stack)할 수도 있으며, 복수의 단위 셀을 3D 프린팅으로 스택되도록 형성하여 연속 공정 중에 단위 셀과 단위 셀을 스택할 수 있기 때문에 공정 효율을 상승시키고 공정 시간을 줄일 수 있으면서 에너지 밀도가 높은 이자전지를 얻을 수 있다.
As described above, the secondary battery according to an embodiment of the present invention can easily form a liquid electrolyte by forming a salt structure using a salt (for example, a lithium salt) and dissolving the salt structure with a solvent, Since the salt structure can be formed by the printing method, the current collector, the first electrode, the plurality of supports, the salt structure, and the second electrode can be formed all at once by 3D printing. Thus, all manufacturing processes can be performed in an in-line process, which can shorten the process time and improve productivity and process efficiency. And packaging can be made easy by packaging one stack formed at a time by 3D printing. In addition, since a plurality of supports are formed between the first electrode and the second electrode, the positive electrode and the negative electrode can be physically cut off during the 3D printing process, and the electrical conduction between the positive electrode and the negative electrode can be prevented . Since the thickness of the electrolyte layer can be made thinner to increase the ratio of the anode to the cathode per unit volume, the amount of the active material per unit volume can be increased and the energy density can be improved more than when the separator is used. In addition, the plurality of supports may be formed of a solid electrolyte so that the ions can move to a plurality of supports, thereby improving the overall ionic conductivity. Meanwhile, in order to further improve the energy density, a unit cell of a secondary battery may be stacked, and a plurality of unit cells may be stacked by 3D printing to stack unit cells and unit cells during a continuous process. It is possible to obtain a high-energy-density fuel cell, which can increase the process efficiency and reduce the process time.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent embodiments may be possible. Accordingly, the technical scope of the present invention should be defined by the following claims.
10 : 노즐 100 : 이차전지
110 : 집전체 120 : 제1 전극
130 : 전해질층 또는 중간층 131 : 복수의 지지체
132 : 액체 전해질 또는 염 구조체 140 : 제2 전극
150 : 외장재10: Nozzle 100: Secondary battery
110: collector 120: first electrode
130: electrolyte layer or intermediate layer 131: plural supports
132: liquid electrolyte or salt structure 140: second electrode
150: Outer material
Claims (12)
제1 활물질을 함유하며, 상기 집전체 상에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 전해질층; 및
제2 활물질을 함유하며, 상기 전해질층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고,
상기 전해질층은,
서로 이격되어 각각 고립되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격을 유지하는 복수의 지지체; 및
상기 복수의 지지체 사이의 이격 공간에 제공되어 연속적인 망 구조를 갖는 액체 전해질을 포함하고,
상기 액체 전해질은 상기 연속적인 망 구조를 따라 제공되는 용매에 고상의 염(Salt) 구조체를 용해시킨 것이고,
상기 집전체, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 복수의 지지체 및 상기 고상의 염(Salt) 구조체는 프린팅 공정으로 형성되는 이차전지.
A whole house for exchanging electrons;
A first electrode containing a first active material and formed on the current collector;
An electrolyte layer formed on the first electrode; And
A second electrode containing a second active material and formed on the electrolyte layer,
Wherein the electrolyte layer comprises:
A plurality of spacers which are spaced apart from each other and isolated from each other, and which maintain a gap between the first electrode and the second electrode; And
And a liquid electrolyte provided in a spaced-apart space between the plurality of supports and having a continuous network structure,
The liquid electrolyte is obtained by dissolving a solid salt structure in a solvent provided along the continuous network structure,
Wherein the current collector, the first electrode, the second electrode, the plurality of supports, and the solid salt structure are formed by a printing process.
상기 복수의 지지체는 고체 전해질로 이루어지는 이차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of supports comprises a solid electrolyte.
상기 전해질층은 1 내지 200 ㎛의 두께를 갖는 이차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte layer has a thickness of 1 to 200 mu m.
상기 집전체 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 서로 이격되어 각각 고립된 복수의 지지체와 상기 복수의 지지체 사이의 이격 공간에 제공되어 연속적인 망 구조를 갖는 염(Salt) 구조체로 이루어진 중간층을 형성하는 단계;
상기 중간층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 염 구조체를 용매에 용해시켜 액체 전해질을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 액체 전해질을 형성하는 단계에서는 상기 연속적인 망 구조를 따라 제공되는 상기 용매에 상기 염(Salt) 구조체를 용해시켜 상기 연속적인 망 구조의 상기 액체 전해질을 형성하고,
상기 복수의 지지체는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격을 유지하며,
상기 집전체, 상기 제1 전극, 상기 중간층 및 상기 제2 전극은 프린팅 공정으로 형성되는 이차전지 제조방법.
Forming a current collector;
Forming a first electrode on the current collector;
Forming an intermediate layer comprising a plurality of supports isolated from each other on the first electrode and a salt structure provided in a space between the plurality of supports and having a continuous network structure;
Forming a second electrode on the intermediate layer; And
And dissolving the salt structure in a solvent to form a liquid electrolyte,
In the step of forming the liquid electrolyte, the salt structure may be dissolved in the solvent provided along the continuous network structure to form the liquid electrolyte of the continuous network structure,
Wherein the plurality of supports maintains a gap between the first electrode and the second electrode,
Wherein the current collector, the first electrode, the intermediate layer, and the second electrode are formed by a printing process.
상기 중간층을 형성하는 단계에서는, 상기 복수의 지지체와 상기 염 구조체 중 선택된 어느 하나를 먼저 형성한 후에 나머지 다른 하나를 형성하는 이차전지 제조방법.
The method of claim 5,
Wherein the forming of the intermediate layer comprises forming one of the plurality of supports and the salt structure first and then forming the remaining one.
상기 중간층을 형성하는 단계는, 하나의 절차로서 수행되는 이차전지 제조방법.
The method of claim 5,
Wherein the step of forming the intermediate layer is performed as one procedure.
상기 중간층을 형성하는 단계에서는 상기 복수의 지지체의 구성물질과 상기 염 구조체의 구성물질을 포함하는 복수의 잉크를 이용한 3D 프린팅 기법으로 상기 중간층을 형성하는 이차전지 제조방법.
The method of claim 5,
Wherein the intermediate layer is formed by a 3D printing technique using a plurality of inks including a constituent material of the plurality of supports and a constituent material of the salt structure.
상기 복수의 지지체는 고체 전해질로 형성하는 이차전지 제조방법.
The method of claim 5,
Wherein the plurality of supports are formed of a solid electrolyte.
상기 중간층은 1 내지 200 ㎛의 높이로 형성하는 이차전지 제조방법.The method of claim 5,
Wherein the intermediate layer has a height of 1 to 200 mu m.
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