KR101737549B1 - 가요성 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 내부에 수용공간을 포함하는 외장재, 상기 수용공간 내에 위치하고, 서로 이격된 양극 집전체와 음극 집전체, 상기 양극 집전체 상의 양극 활물질부 및 상기 음극 집전체 상의 음극 활물질부를 포함하고, 상기 양극 집전체는, 제1 방향으로 연장된 제1 연결부와, 상기 제1 연결부로부터 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 돌출된 복수의 제1 다리부들을 포함하며, 상기 음극 집전체는, 상기 제1 연결부와 나란한 제2 연결부와, 상기 제2 연결부로부터 상기 제1 연결부를 향해 돌출된 복수의 제2 다리부들을 포함하고, 상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들은 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이에서 서로 교번적으로 배치되며, 상기 양극 활물질부는, 상기 복수의 제1 다리부들 상에만 위치하고, 상기 음극 활물질부는, 상기 제2 연결부와 상기 복수의 제2 다리부들 상에 위치하는 가요성 이차 전지를 개시한다.

Description

가요성 이차 전지{Flexible secondary battery}
본 발명의 실시예들은 가요성 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지로써, 경제적이고, 친환경적이므로 그 사용이 장려되고 있다. 한편, 최근에는 이차 전지가 사용되는 전자 기기들의 종류가 다양화되고 있다. 예를 들어, 이차 전지를 전원 공급원으로 사용하는 다양한 입는 컴퓨터(wearable computer) 기술과 그 응용 사례들이 개발 및 발표되고 있고, 또한, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 전자 기기는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계되고 있다.
이러한 전자 기기들을 동작시키기 위한 이차 전지는 우수한 성능과 함께, 이차 전지가 사용되는 전자 기기들의 형상에 따라 구부리는 등의 변형을 통해 이차 전지의 형상을 다양하게 변화시킬 필요가 있다.
본 발명의 실시예들은, 가요성 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 내부에 수용공간을 포함하는 외장재, 상기 수용공간 내에 위치하고, 서로 이격된 양극 집전체와 음극 집전체, 상기 양극 집전체 상의 양극 활물질부 및 상기 음극 집전체 상의 음극 활물질부를 포함하고, 상기 양극 집전체는, 제1 방향으로 연장된 제1 연결부와, 상기 제1 연결부로부터 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 돌출된 복수의 제1 다리부들을 포함하며, 상기 음극 집전체는, 상기 제1 연결부와 나란한 제2 연결부와, 상기 제2 연결부로부터 상기 제1 연결부를 향해 돌출된 복수의 제2 다리부들을 포함하고, 상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들은 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이에서 서로 교번적으로 배치되며, 상기 양극 활물질부는, 상기 복수의 제1 다리부들 상에만 위치하고, 상기 음극 활물질부는, 상기 제2 연결부와 상기 복수의 제2 다리부들 상에 위치하는 가요성 이차 전지를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 연결부와 인접한 상기 양극 활물질부의 일단은, 상기 제1 연결부와 인접한 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들과 동일선 상에 위치하거나, 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들보다 상기 제2 연결부에 더 가깝게 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 양극 활물질부의 일단과 상기 동일선 간의 최단 거리는, 상기 제2 다리부의 일단과 상기 제1 연결부 간의 최단 거리의 50% 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 연결부와 인접한 상기 양극 활물질부의 일단은, 상기 제1 연결부와 인접한 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들보다 상기 제1 연결부에 더 가깝게 위치하고, 상기 양극 활물질부의 일단과 상기 제1 연결부 사이의 최단 거리는, 상기 제2 다리부의 일단과 상기 제1 연결부 사이의 최단 거리의 50%보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체는 동일 평면 상에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제1 다리부들의 면적이 상기 양극 활물질부의 면적보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들은 서로 나란하고, 상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들 사이의 간격은 0.5㎜보다 크고 1㎜이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제1 다리부들 및 상기 복수의 제2 다리부들 각각의 폭은 1㎜ 내지 3㎜일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제1 다리부들의 폭과 상기 복수의 제2 다리부들의 폭은 서로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제1 다리부들 및 상기 복수의 제2 다리부들 각각의 길이와 폭의 비는 10:1 내지 200:1일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체에는 각각 양극 탭과 음극 탭이 연결되고, 상기 양극 탭과 상기 음극 탭은 상기 외장재 외부로 노출될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 외장재는 제1 외장재와 상기 제2 외장재를 포함하고, 상기 제1 외장재와 상기 제2 외장재는 가장자리가 서로 접합되며, 상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재와 접하는 상기 양극 탭과 음극 탭의 외면에는 절연필름이 부착될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들은 라운드진 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 제1 다리부들은 상기 제2 연결부에서 상기 제1 연결부로 갈수록 점차 폭이 증가하고, 상기 복수의 제2 다리부들은 상기 제1 연결부에서 상기 제2 연결부로 갈수록 점차 폭이 증가할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 수직일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 이차전지는, 음극 집전체에서의 리튬 석출을 방지하며, 우수한 가요성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차 전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 양극 집전체 및 음극 집전체의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3a는 도 1의 음극 집전체에서의 리튬 석출 현상을 도시한 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 경우 가요성 이차 전지의 성능을 도시한 도이다.
도 4a는 도 1의 음극 집전체에서의 리튬 석출 현상을 도시한 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 경우 가요성 이차 전지의 성능을 도시한 도이다.
도 5는 도 2의 양극 집전체 및 음극 집전체의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 도 2의 양극 집전체 및 음극 집전체의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 도 2의 Z부분을 개략적으로 도시한 확대도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 이차 전지의 충방전 특성을 나타낸 도면들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차 전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도, 도 2는 도 1의 양극 집전체 및 음극 집전체의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도, 도 3a는 도 1의 음극 집전체에서의 리튬 석출 현상을 도시한 평면도, 도 3b는 도 3a의 경우 가요성 이차 전지의 성능을 도시한 도, 도 4a는 도 1의 음극 집전체에서의 리튬 석출 현상을 도시한 평면도, 그리고 도 4b는 도 4a의 경우 가요성 이차 전지의 성능을 도시한 도이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차 전지(1)는 내부에 수용공간을 포함하는 외장재(10), 외장재(10)의 수용공간 내에 위치하는 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)를 포함할 수 있다. 또한, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)에는 각각 양극 단자(25)와 음극 단자(35)가 연결되며, 양극 집전체(20) 상에는 양극 활물질부(40)가 위치하고, 음극 집전체(30) 상에는 음극 활물질부(50)가 위치할 수 있다.
외장재(10)는 제1 외장재(11)와 제2 외장재(12)를 포함할 수 있다. 제1 외장재(11)와 제2 외장재(12)는 가장자리가 서로 접합되어 수용공간을 밀봉하며, 수용공간에는 양극 집전체(20) 및 음극 집전체(30)과 함께 전해질이 수용될 수 있다. 수용공간은 제1 외장재(11)와 제2 외장재(12) 중 적어도 어느 하나에 드로잉 가공을 통해 형성될 수 있다.
제1 외장재(11)와 제2 외장재(12)는 가요성을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 외장재(11)와 제2 외장재(12)는 절연층, 금속층 및 절연층의 3층 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속층은 알루미늄, 스틸, 스텐레스 스틸 등으로 형성될 수 있으며, 절연층은 변성 폴리프로필렌(CPP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론, 폴리이미드(Polyimide) 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 제1 외장재(11)의 일측과 제2 외장재(12)의 일측은 연속적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 외장재(12) 상에 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)가 위치한 후에, 제2 외장재(12)의 일측과 연속적으로 형성된 제1 외장재(11)가 제2 외장재(12)상으로 접힌 후, 서로 맞닿은 제1 외장재(11)의 가장자리와 제2 외장재(12)의 가장자리가 서로 접합될 수 있다.
양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)는 서로 이격된 상태로 동일 평면상에 배치될 수 있다. 따라서, 가요성 이차 전지(1)는 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)를 절연시키기 위한 세퍼레이터를 필요로 하지 않고, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)가 적층 구조를 가지지 않는바, 보다 얇은 두께로 구현될 수 있다.
양극 집전체(20)는 금속 호일로 이루어질 수 있으며, 양면 테이프 등과 같은 접착층에 의해 외장재(10) 내부에 위치가 고정될 수 있다. 일 예로 양극 집전체(20)는 알루미늄 호일로 형성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 양극 집전체(20)는 니켈, SUS 등 전기적 저항이 적고 전기화학적 내성을 갖춘 다양한 재료가 사용될 수 있다.
양극 집전체(20)는 제1 방향으로 연장된 제1 연결부(21)와 제1 연결부(21)로부터 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 돌출된 복수의 제1 다리부(22)들을 포함할 수 있다. 제2 방향은 제1 방향과 수직일 수 있다. 제1 연결부(21)와 복수의 제1 다리부(22)들은 서로 일체적으로 형성될 수 있으며, 복수의 제1 다리부(22)들은 서로 일정간격 이격 되어 배치될 수 있다.
음극 집전체(30)는 구리 호일과 같은 금속 호일로 이루어지고, 양면 테이프 등과 같은 접착층에 의해 외장재(10) 내부에 위치가 고정될 수 있다. 다른 예로, 음극 집전체(30)는 니켈, SUS 등 전기적 저항이 적고 전기화학적 내성을 갖춘 다양한 재료로 이루어질 수 있다.
음극 집전체(30)는 제2 연결부(31)와, 제2 연결부(31)로부터 돌출된 복수의 제2 다리부(32)들을 포함할 수 있다. 제2 연결부(31)와 복수의 제2 다리부(32)들은 일체적으로 형성될 수 있다.
제2 연결부(31)는 제1 연결부(21)와 나란하고, 제1 연결부(21)로부터 일정 간격 이격될 수 있다.
복수의 제2 다리부(32)들은 서로 일정간격 이격 되며, 제1 연결부(21)를 향해 돌출될 수 있다. 복수의 제2 다리부(32)들은 복수의 제1 다리부(22)들과 나란하게 배열될 수 있으며, 복수의 제1 다리부(22)들 사이에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제1 다리부(22)들과 복수의 제2 다리부(32)들은 제1 연결부(21)와 제2 연결부(31) 사이에서 교번적으로 배치되며, 이에 따라 전하의 이동 거리를 최소화할 수 있게 되어, 가요성 이차 전지(1)의 내부 저항이 감소할 수 있다.
다른 예로, 양극 집전체(30)와 음극 집전체(40)는 인쇄기법으로도 제조될 수 있다. 예를 들어, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)는 전도성 분말을 포함하는 잉크를 제1 외장재(11) 또는 제2 외장재(12) 상에 코팅한 후 건조하는 방식으로 제조될 수 있다. 전도성 잉크는 바인더와 용매 그리고 전도성 분말을 혼합하여 제조할 수 있다. 전도성 분말은 카본 분말, 은 분말, 구리 분말, 니켈 분말, SUS 분말 등일 수 있고, 이들을 2가지 이상 혼합한 상태일 수도 있다.
양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)에는 각각 양극 탭(25)과 음극 탭(35)이 연결된다. 양극 탭(25)은 일 예로 알루미늄으로 형성되고, 음극 탭(35)은 일 예로 니켈로 형성될 수 있다.
양극 탭(25)과 음극 탭(35)은 제1 외장재(11)와 제2 외장재(12) 사이를 통해 외부로 도출될 수 있다. 이때, 제1 외장재(11) 및 제2 외장재(12)와 접하는 양극 탭(25)과 음극 탭(35)의 외면에는 외장재(10)와의 접합력의 향상 및 양극 탭(25)과 음극 탭(35) 간의 단락을 방지하기 위해 절연필름(19)이 부착될 수 있다.
양극 집전체(20)와 음극 집전체(30) 상에는 각각 양극 활물질부(40)와 음극 활물질부(50)가 형성될 수 있다. 양극 활물질부(40)와 음극 활물질부(50)는 각각 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)의 양면에 형성될 수도 있다.
양극 활물질부(40)는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4 등과 같은 리튬 함유 전이금속 산화물, 리튬 칼코게나이드 화합물 등으로 이루어질 수 있으며, 음극 활물질부(50)는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 산화물 또는 리튬 합금 등으로 이루어질 수 있다.
음극 활물질부(50)는 제2 연결부(31)와, 복수의 제2 다리부(32)들 상에 형성될 수 있다. 이에 반해, 양극 활물질부(40)는 복수의 제1 다리부(22)들 상에만 형성될 수 있다. 즉, 양극 활물질부(40)는 제1 연결부(21)에는 형성되지 않으며, 이에 따라, 복수의 제1 다리부(22)들과 복수의 제2 다리부(32)들의 폭이 동일하게 형성되더라도, 음극 활물질부(50)의 면적이 양극 활물질부(40)의 면적보다 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 양극 활물질부(40)에서 리튬(Li) 이온을 공여하는 양보다 음극 활물질부(50)에서 리튬(Li) 이온을 받아들일 수 있는 양이 커지므로, 가요성 이차 전지(1)의 안정적인 충방전이 가능해진다.
양극 활물질부(40)의 면적은 복수의 제1 다리부(22)들의 면적보다 작을 수 있다. 일 예로, 제1 연결부(21)와 인접한 양극 활물질부(40)의 일단(E1)은, 제1 연결부(21)와 인접한 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들과 동일선(V.L)상에 위치하거나, 상기 동일선(V.L.)을 기준으로 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들보다 제2 연결부(31)에 더 가깝게 또는 제1 연결부(21)에 더 가깝게 위치할 수 있다.
일 예로, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)이 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들보다 제2 연결부(31)에 더 가깝게 위치하는 경우, 양극 활물질부(40)의 면적이 지나치게 감소하는 것을 방지하기 위해, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)과 동일선(V.L.) 간의 최단 거리는, 제2 다리부(32)의 일단(E2)과 제1 연결부(21) 간의 최단 거리의 50% 이하일 수 있다. 제2 다리부(32)의 일단(E2)과 제1 연결부(21) 간의 최단 거리는 0.5㎜보다 크고, 1㎜ 이하일 수 있다.
다른 예로, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)이 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들보다 제1 연결부(21)에 더 가깝게 위치하는 경우, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)과 제1 연결부(21) 사이의 최단 거리는, 제2 다리부(32)의 일단(E2)과 제1 연결부(21) 사이의 최단 거리의 50% 보다 클 수 있다. 다시 말해, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)과 동일선(V.L.) 간의 최단 거리는, 제2 다리부(32)의 일단(E2)과 제1 연결부(21) 간의 최단 거리의 50% 이하일 수 있다.
따라서, 제2 활물질부(50)가 도포된 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)이 제1 활물질부(40)가 도포된 양극 집전체(20)에 의해 에워 쌓이는 것이 방지될 수 있으며, 이에 의해, 충전시 리튬 이온이 집중되기 쉬운 제2 다리부(32)들의 일단(E2)의 코너에서 리튬 이온의 석출로 인한 덴드라이트의 성장이 방지될 수 있다.
도 3a와 도 4a는 각각 음극 집전체(30)에서의 리튬 석출 현상을 도시한 평면도이고, 도 3b와 도 4b는 각각 도 3a와 도 4a에 따른 가요성 이차 전지(1)의 성능을 도시한 도이다.
도 3a 및 도 4a에서, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)는 제1 연결부(21) 및 제2 연결부(31)와 수직한 제2 방향을 따른 길이가 37㎜이고, 복수의 제1 다리부(22)들과 복수의 제2 다리부(32)들의 폭은 모두 2㎜로 제작되었다. 또한, 복수의 제1 다리부(22)들과 복수의 제2 다리부(32)들은 1㎜씩 서로 이격 되었다. 다만, 도 3a에서는 양극 활물질부(40)를 양극 집전체(20) 상에 전체적으로 형성하였으나, 도 4a에서는 본 발명의 실시예와 같이, 양극 활물질부(40)가 복수의 제1 다리부(22)들보다 작은 면적을 가지도록 형성하였다.
도 3a를 참조하면, 제2 다리부(32)들의 일단(E2)이 제1 활물질부(40)가 도포된 양극 집전체(20)에 의해 에워 쌓인 결과, 제2 다리부(32)들의 일단(E2)의 코너에서 리튬 이온의 석출로 인한 덴드라이트가 성장한 것을 알 수 있다. 이와 같이 덴드라이트가 성장하면, 이차 전지(1)의 전기 용량이 감소하고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 충전 중 전기용량 증가에 따라 일시적인 전압 강하 현상이 나타날 수 있다. 또한, 덴드라이트에 의해 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)가 단락될 수도 있다.
이에 반해, 도 4a의 경우에는, 덴드라이트가 성장하지 않았으며, 도 4b에 도시된 바와 같이, 300회의 충방전 테스트에서도 전압 강하 현상 없는 우수한 전지 특성을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 양극 활물질부(40)가 복수의 제1 다리부(22)들 상에만 형성되어, 제2 활물질부(50)가 도포된 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)이 제1 활물질부(40)가 도포된 양극 집전체(20)에 의해 에워 쌓이는 것이 방지됨으로써, 제2 다리부(32)들의 일단(E2)에서 덴드라이트의 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 덴드라이트의 형성에 의한 가요성 이차 전지(1)의 전압강하 현상, 전기용량 변동 현상 등이 방지됨으로써, 안정적인 용량 및 안정성의 확보가 가능하다.
도 5는 도 2의 양극 집전체 및 음극 집전체의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 6은 도 2의 양극 집전체 및 음극 집전체의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5을 참조하면, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)는 서로 이격된 상태로 동일 평면상에 배치된다.
양극 집전체(20)는 제1 연결부(21)와 제1 연결부(21)로부터 제2 연결부(31)를 향해 돌출된 복수의 제1 다리부(22)들을 포함할 수 있다.
음극 집전체(30)는 제1 연결부(21)와 나란한 제2 연결부(31)와, 제2 연결부(31)로부터 제1 연결부(21)를 향해 돌출된 복수의 제2 다리부(32)들을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 제2 다리부(32)들은 복수의 제1 다리부(22)들과 교번적으로 배치될 수 있다.
양극 집전체(20)와 음극 집전체(30) 상에는 각각 양극 활물질부(40)와 음극 활물질부(50)가 형성될 수 있다. 양극 활물질부(40)는 복수의 제1 다리부(22)들 상에만 형성되며, 음극 활물질부(50)는 제2 연결부(31)와 복수의 제2 다리부(32)들 상에 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 연결부(21)와 인접한 양극 활물질부(40)의 일단(E1)은, 제1 연결부(21)와 인접한 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들과 동일선(V.L)상에 위치하거나, 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들보다 제2 연결부(31) 또는 제1 연결부(21)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 이때, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)과 동일선(V.L.) 간의 최단 거리는, 제2 다리부(32)의 일단(E2)과 제1 연결부(21) 간의 최단 거리의 50% 이하일 수 있다.
따라서, 제2 활물질부(50)가 도포된 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)이 제1 활물질부(40)가 도포된 양극 집전체(20)에 의해 에워 쌓이는 것이 방지될 수 있으며, 이에 의해, 충전시 리튬 이온이 집중되기 쉬운 제2 다리부(32)들의 일단(E2)의 코너에서 리튬 이온의 석출로 인한 덴드라이트의 성장이 방지되고, 양극 활물질부(40)의 도포량이 지나치게 감소되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 복수의 제2 다리부(22)들의 일단(E2)들은 라운드진 형상을 가질 수 있다. 즉, 복수의 제2 다리부(22)들의 일단(E2)들에서 리튬 이온이 집중하기 쉬운 뾰족한 형상을 제거 또는 완화함으로써 리튬 이온의 석출로 인한 덴드라이트의 성장을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다. 이때, 복수의 제2 다리부(22)들과 대응하는 제1 연결부(21)의 대응영역(P)도 곡선을 포함하도록 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 연결부(21) 및 복수의 제1 다리부(22)를 포함하는 양극 집전체(20)와, 제2 연결부(31) 및 복수의 제2 다리부(32)를 포함하는 음극 집전체(30)는 동일 평면 상에 배치되고, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30) 상에는 각각 양극 활물질부(40)와 음극 활물질부(50)가 형성될 수 있다.
한편, 음극 활물질부(50)는 음극 집전체(30) 상에 전체적으로 형성되나, 양극 활물질부(40)는 복수의 제1 다리부(22)들의 면적보다 작은 면적을 가지도록 복수의 제1 다리부(22)들 상에 형성될 수 있다. 즉, 제1 연결부(21)와 인접한 양극 활물질부(40)의 일단(E1)은, 제1 연결부(21)와 인접한 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들과 동일선(V.L)상에 위치하거나, 복수의 제2 다리부(32)들의 일단(E2)들보다 제2 연결부(31) 또는 제1 연결부(21)에 더 가깝게 위치할 수 있으며, 양극 활물질부(40)의 일단(E1)과 동일선(V.L.) 간의 최단 거리는, 제2 다리부(32)의 일단(E2)과 제1 연결부(21) 간의 최단 거리의 50% 이하일 수 있다.
복수의 제1 다리부(22)들은 제2 연결부(31)에서 제1 연결부(21)로 갈수록 점차 폭이 증가할 수 있다. 즉, 제1 연결부(21)와 연결된 복수의 제1 다리부(22)들의 폭이 증가하므로, 가요성 이차 전지(1)가 반복적인 굽힘 운동 등을 하더라도, 복수의 제1 다리부(22)과 제1 연결부(21)는 안정적인 연결 상태를 유지할 수 있다. 이와 마찬가지로, 복수의 제2 다리부(32)들은 제1 연결부(21)에서 제2 연결부(31)로 갈수록 점차 폭이 증가할 수 있다.
도 7은 도 2의 Z부분을 개략적으로 도시한 확대도이고, 도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 이차 전지의 충방전 특성을 나타낸 도면들이다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32)는 서로 나란하게 형성되는데, 이때, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이의 간격(g)은 0.5㎜보다 크고, 1㎜이하일 수 있다.
도 8은 가요성 이차 전지(1)의 사용 횟수에 따른 전기 용량(방전량)을 측정한 결과로, 도 8의 a1은 도 4A에서 도시하고 설명한 양극 집전체(20) 및 음극 집전체(30)와 동일한 크기로 제작되었다. 그러나, 도 8의 a2는 도 4A에서 도시하고 설명한 양극 집전체(20) 및 음극 집전체(30)에서 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이의 간격(g)이 0.5㎜로 제작되었다.
도 8에서 알 수 있는 바와 같이, a1의 경우는 가요성 이차 전지(1)의 사용 횟수의 증가에 따라 전기용량의 감소가 일정한데 반해, a2의 경우는 가요성 이차 전지(1)의 사용횟수가 증가함에 따라 전기용량의 감소가 불균일하게 발생하는 변동(fluctuation) 현상이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이의 간격(g)이 0.5㎜ 이하인 경우는 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이에서 덴드라이트가 성장할 가능성이 있으므로, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이의 간격(g) 더 나아가 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30) 사이의 간격은 0.5㎜ 보다 크게 형성됨이 바람직하다.
한편, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30) 사이의 간격이 너무 큰 경우는 가요성 이차 전지(1)의 면적효율성이 감소하므로, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30) 사이의 간격 즉, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이의 간격(g)은 1㎜이하로 형성됨이 바람직하다.
또한, 제1 다리부(22)의 폭(w1)과 제2 다리부(32)의 폭(w2)은 1㎜ 내지 3㎜일 수 있다.
제1 다리부(22)의 폭(w1)과 제2 다리부(32)의 폭(w2)이 1㎜보다 작은 경우는 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32)의 저항이 증가하여 가요성 이차 전지(1)의 효율이 감소할 수 있다. 반면에, 제1 다리부(22)의 폭(w1)과 제2 다리부(32)의 폭(w2)이 3㎜보다 크면, 양극 집전체(20)와 음극 집전체(30)가 동일 평면 상에 위치하므로, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32)의 측방향으로 이동하는 전하의 이동효율이 감소할 수 있다. 즉, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32)의 중앙부에 위치하는 전하들은 양극 활물질부(40)와 음극 활물질부(50)를 가로질러 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32)의 측방향으로 이동하여야 하는바, 제1 다리부(22)의 폭(w1)과 제2 다리부(32)의 폭(w2)이 3㎜보다 크면 가요성 이차 전지(1)의 충방전 동작시 리튬 이온의 참여율이 감소할 수 있다.
한편, 가요성 이차 전지(1)가 우수한 유연성을 가지고 구부러질 때, 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32)에 가해지는 스트레스를 효과적으로 분산시키기 위해, 제1 다리부(22)의 길이와 폭(w1)의 비는 10:1 내지 200:1로 형성될 수 있다. 제1 다리부(22)의 길이가 폭(w1)의 10배 보다 작으면, 제1 다리부(22)의 굽힘 성질이 감소하여 가요성 이차 전지(1)의 반복적인 굽힘 운동에 의해 제1 다리부(22)에 전위(dislocation)가 발생하여 끊어짐 등의 손상이 일어날 수 있다. 반면에, 제1 다리부(22)의 길이가 폭(w1)의 200배 보다 큰 경우는, 가요성 이차 전지(1)가 일정크기를 가질 때, 폭(w1)이 지나치게 감소하여 가요성 이차 전지(1)의 제조가 곤란할 수 있고, 제1 다리부(22)의 저항이 증가하여 가요성 이차 전지(1)의 효율이 감소할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 다리부(32)의 길이와 폭(w2)의 비는 10:1 내지 200:1일 수 있다.
하기 표 1은 제1 다리부(22)의 폭(w1), 제2 다리부(32)의 폭(w2) 및 제1 다리부(22)와 제2 다리부(32) 사이의 간격(g)에 따른 음극양극비를 나타낸 결과이다. 이하에서, 음극은 음극 집전체(30)에 음극 활물질부(50)가 도포된 상태를 의미하며, 양극은 양극 집전체(20)에 양극 활물질부(40)가 도포된 상태를 의미한다. 또한, 음극양극비(n/p ratio)는 음극 기대용량을 양극 기대용량으로 나눈 값으로, 음극 기대용량은 음극에서 리튬(Li) 이온이 유입 또는 유출되는 양을 말하고, 양극 기대용량은 양극에서 리튬(Li) 이온이 유입 또는 유출되는 양을 의미한다.
제1 다리부 폭
(w1, ㎜)		 제2 다리부 폭
(w2, ㎜)		 간격(g, ㎜) 음극양극비
실시예 1 3 3 1 1.42
실시예 2 2 2 1 1.55
실시예 3 2 3 1 2.36
실시예 4 3 2 1 1.10
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4는 모두 음극양극비가 1보다 크게 형성된 것을 알 수 있다. 이는 양극 집전체(20)에 형성되는 양극 활물질부(40)가 제1 다리부(22)들의 면적보다 작은 면적을 가지고 제1 다리부(22)들 상에만 형성되었기 때문이며, 이에 따라, 양극에서 리튬(Li) 이온을 공여하는 양보다 음극에서 리튬(Li) 이온을 받아들일 수 있는 양이 크게 되어, 충방전시 리튬 이온의 이동에 여유가 생길 수 있다.
하기 표 2는 상기 표 1에 따른 가요성 이차 전지의 효율을 나타낸 결과이며, 도 9 내지 도 11은 하기 표 2에서 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 300회까지의 방전면적당용량(mAh/cm2)을 도시하고 있다.
평균 쿨롱 효율
(%, 300th)		 300th
방전면적당용량 (mAh/cm2)		 용량유지율
(%, 300th/1st)
실시예 1 99.56 0.28 83.44%
실시예 2 99.90 0.33 80.69%
실시예 3 99.17 0.23 71.81%
실시예 4 99.98 0.34 79.16%
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4는 300회 충방전시의 평균 쿨롱 효율이 모두 99%를 넘는바, 제1 다리부(22)의 폭(w1)과 제2 다리부(32)의 폭(w2)은 1㎜ 내지 3㎜로 형성됨으로써, 가요성 이차 전지(1)는 우수한 전지 특성을 가짐을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2의 경우는 300회 충방전시의 용량유지율이 80% 이상을 유지하는바, 제1 다리부(22)의 폭(w1)과 제2 다리부(32)의 폭(w2)이 동일하게 형성될 때, 가요성 이차 전지(1)의 전지 특성은 더욱 우수해짐을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (15)

  1. 내부에 수용공간을 포함하는 외장재:
    상기 수용공간 내에 위치하고, 서로 이격된 양극 집전체와 음극 집전체;
    상기 양극 집전체 상의 양극 활물질부; 및
    상기 음극 집전체 상의 음극 활물질부;를 포함하고,
    상기 양극 집전체는, 제1 방향으로 연장된 제1 연결부와, 상기 제1 연결부로부터 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 돌출된 복수의 제1 다리부들을 포함하며,
    상기 음극 집전체는, 상기 제1 연결부와 나란한 제2 연결부와, 상기 제2 연결부로부터 상기 제1 연결부를 향해 돌출된 복수의 제2 다리부들을 포함하고,
    상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들은 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이에서 서로 교번적으로 배치되며,
    상기 양극 활물질부는, 상기 복수의 제1 다리부들 상에만 위치하고,
    상기 음극 활물질부는, 상기 제2 연결부와 상기 복수의 제2 다리부들 상에 위치하며,
    상기 음극 활물질부의 면적이 상기 양극 활물질부의 면적보다 넓은 가요성 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 인접한 상기 양극 활물질부의 일단은, 상기 제1 연결부와 인접한 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들과 동일선 상에 위치하거나, 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들보다 상기 제2 연결부에 더 가깝게 위치하는 가요성 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 활물질부의 일단과 상기 동일선 간의 최단 거리는, 상기 제2 다리부의 일단과 상기 제1 연결부 간의 최단 거리의 50% 이하인 가요성 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 인접한 상기 양극 활물질부의 일단은, 상기 제1 연결부와 인접한 상기 복수의 제2 다리부들의 일단들보다 상기 제1 연결부에 더 가깝게 위치하고,
    상기 양극 활물질부의 일단과 상기 제1 연결부 사이의 최단 거리는, 상기 제2 다리부의 일단과 상기 제1 연결부 사이의 최단 거리의 50%보다 큰 가요성 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체는 동일 평면상에 배치된 가요성 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 다리부들의 면적이 상기 양극 활물질부의 면적보다 큰 가요성 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들은 서로 나란하고,
    상기 복수의 제1 다리부들과 상기 복수의 제2 다리부들 사이의 간격은 0.5㎜ 보다 크고 내지 1㎜ 이하인 가요성 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 다리부들 및 상기 복수의 제2 다리부들 각각의 폭은 1㎜ 내지 3㎜인 가요성 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 다리부들의 폭과 상기 복수의 제2 다리부들의 폭은 서로 동일한 가요성 이차 전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 다리부들 및 상기 복수의 제2 다리부들 각각의 길이와 폭의 비는 10:1 내지 200:1인 가요성 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체에는 각각 양극 탭과 음극 탭이 연결되고, 상기 양극 탭과 상기 음극 탭은 상기 외장재 외부로 노출된 가요성 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 외장재는 제1 외장재와 제2 외장재를 포함하고,
    상기 제1 외장재와 상기 제2 외장재는 가장자리가 서로 접합되며,
    상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재와 접하는 상기 양극 탭과 음극 탭의 외면에는 절연필름이 부착된 가요성 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 다리부들의 일단들은 라운드진 형상을 가지는 가요성 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 다리부들은 상기 제2 연결부에서 상기 제1 연결부로 갈수록 점차 폭이 증가하고, 상기 복수의 제2 다리부들은 상기 제1 연결부에서 상기 제2 연결부로 갈수록 점차 폭이 증가하는 가요성 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 수직인 가요성 이차 전지.
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