KR101752849B1 - 전고체 구조전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전고체 구조전지에 관한 것으로서, 일정 간격을 두고 각각 설치되어 내부에 금속이온을 포함한 양극과 음극의 고체 복합재와, 상기 양극과 음극 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 내부 구성물질이 2차원적인 배열형태를 가져 이온 전도층을 형성하는 액정 전해질을 포함하여 구성되며, 전지를 포장하기 위한 별도의 구성이 필요 없이 전극으로 사용하는 피치계 탄소섬유 자체가 액정 전해질과 함께 전지를 구성하기 때문에 구조와 전지가 일체형으로 되어 구조전지의 경량화에 일조할 수 있는 효과가 있다.

Description

전고체 구조전지{All Solid-State structural battery}

본 발명은 전고체 구조전지에 관한 것으로서, 상세히는 구조물에서 하중을 지지하는 하중 지지부로 피치계 탄소섬유를 전극으로 사용하고, 양극와 음극의 상기 피치계 탄소섬유의 사이에 액정 전해질(LC)을 배치하여, 전류의 인가에 따라 상기 액정 전해질이 이온 전도층을 형성함으로써 상기 양극과 음극 사이에서 전지의 충방전을 위한 리튬이온을 전달하도록 한 구조와 전지가 일체형으로 된 전고체 구조전지에 관한 것이다.

일반적으로 종래 구조전지에서 전지의 충전 및 방전은 리튬이온의 전극간 이동을 통해서 이루어지는데, 도 1에 도시한 바와 같이, 분리막을 중심으로 양쪽에 전해질과 함께 양극 및 음극으로 전극이 배치되는 전지를 차폐구조(Shielding in Structure)로 포장하고, 구조물에 지지하기 위한 하중 지지부(Load bearing)를 연결하고 있다. 따라서 이러한 종래 구조전지는 구조를 통한 전기적인 터미널을 형성하고, 다양한 하중 조건을 위한 기계적인 포장 영역이 존재하며, 이로 인해 전지에 장벽을 형성하여 구조적인 불연속성(Structural Discontinuity)을 갖게 된다.

이러한 도 1의 종래 구조전지에서 이온의 이동을 통한 이온 전도성을 향상시키기 위해서 구조물 내부에 수분과 산소로부터 완벽하게 보호된, 즉 완벽하게 포장된 전지를 임베딩하는 형태로 구조+전지의 형태와 성능을 구현하고 있다. 이렇게 하는 주요한 이유는 고에너지밀도의 리튬이온 전달특성을 활용하고자 현재 상용 수준의 리튬이차전지의 충방전 메커니즘을 채택하기 위한 것으로, 리튬의 보호를 위해서 외부환경으로부터 전지가 완벽하게 포장되어 보호되어야 하는 문제가 있다. 또한 이러한 포장을 위해서 차폐구조로써 특수한 고분자 나노물질을 전지에 코팅하거나 고분자 필름으로 전지에 보호막을 만들어 주어야 하는 문제가 있다.

또 종래 구조전지에서 리튬이온의 이동 매질로 용매가 있는 유기 전해질이 널리 사용되고 있으나, 보다 얇고 유연한 기구에 구조전지를 적용하는 측면이나 구조 맞춤형 디자인, 누액 가능성 존재 및 외부환경과의 완벽한 차단이 필요하므로 전지의 내구성과 전지로써의 본질적인 한계를 가지게 된다.

또한 본 발명과 같은 하중 지지형의 전고체 구조전지에서 도 2에 도시한 바와 같이, PAN(polyacrylonitrile)계 탄소섬유를 하중지지(Load-Bearing)를 위한 하중 지지부로 사용하는 특허가 공개(특허문헌)된 바 있으나, 이러한 공개특허에서 전해질은 폴리머 겔, 이온성 액체(IL) 등을 사용하여 유리섬유나 폴리에틸렌 필름과 같은 분리막이 필요하고, 하중 지지부로 사용하는 PAN계 탄소섬유는 광학적 성질이 없어, 본 발명에서 구현하고자 하는 액정 전해질의 2차원적인 분자배열과는 관련이 없는 단순한 지지부의 역할만 한다고 하는 한계가 있다. 더욱이 도 2의 구조전지도 전지를 포장하고 있어 1차 장벽으로 구조적인 불연속성을 가지고 있고, 2차 장벽으로 형성되는 차폐구조를 별도로 형성하고 있다.

미국 공개특허공보 US2010-0259866 A1

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 구조전지의 구성 중 별도의 전지 포장이 필요 없도록 하중 지지형의 피치계 탄소섬유를 전지의 전극으로 사용하면서 하중 지지를 위한 하중 지지부 및 형상을 자유롭게 변경할 수 있는 구조물로 사용할 수 있도록 한 전고체 구조전지를 제공함에 있다.

다른 목적은 구조전지의 구성 중 전지 내부의 절연막, 즉 전극간 단락 방지를 위한 분리막이 필요 없는(separator-free) 구조전지와 용매가 필요 없는(solvent-free) 구조전지를 위해 전류의 인가에 따라 이온 이동을 위한 이온전도층을 2차원적 배열로 형성하는 액정 전해질을 전지의 전해질로 사용하도록 한 전고체 구조전지를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전고체 구조전지는, 일정 간격을 두고 각각 설치되어 내부에 금속이온을 포함한 양극과 음극의 고체 복합재와, 상기 양극과 음극 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 내부 구성물질이 2차원적인 배열형태를 가져 이온 전도층을 형성하는 액정 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 양극과 음극의 고체 복합재는 피치계 탄소섬유 복합재이며, 상기 피치계 탄소섬유의 내의 기공에 금속이온이 겔 형태로 가두도록 하는 것이 바람직하다.

상기 피치계 탄소섬유는 하중을 지지하는 하중 지지부로 구성되며, 구조전지의 배치형태에 맞추어 자유롭게 형상을 변형하도록 하는 것이 바람직하다.

또 상기 액정 전해질의 전류 인가시 내부 구성물질은 다수의 라멜라 형상인 것이 바람직하다.

또 상기 전류의 인가는 전류의 세기 및 전압의 크기 조절만으로 수행되는 것이 바람직하다.

또 상기 금속이온은 리튬이온인 것이 바람직하다.

본 발명의 전고체 구조전지에 의하면, 전지를 포장하기 위한 별도의 구성이 필요 없이 전극으로 사용하는 피치계 탄소섬유 자체가 액정 전해질과 함께 전지를 구성하기 때문에 구조와 전지가 일체형으로 되어 구조전지의 경량화에 일조할 수 있는 효과가 있다.

또 하중지지와 우수한 전도도 특성을 갖는 피치계 탄소섬유를 지지부와 전극으로 사용하고 있고, 액정 전해질의 고체화 및 구조화를 통해 전지의 구조적 안정성과 수명이 증대되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 전고체 구조전지를 항공기에 응용하는 경우 항공기의 경량화와 많은 에너지 저장 및 기체 내 공간을 절약할 수 있고 항공기의 임무능력을 증대할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 전고체 구조전지를 자동차에 응용하는 경우 자동차의 다양한 구조물 및 부품 자체를 구조전지로 적용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 전고체 구조전지를 로봇에 응용하는 경우 로봇 프레임의 구조중량 절감과 로봇 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 전고체 구조전지를 노트북에 응용하는 경우 노트북 새시 구조와 전지를 일체형 구조를 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 종래 전고체 구조전지의 개략적인 구성도
도 2는 PAN계 탄소섬유를 하중 지지부로 사용하는 종래 전고체 구조전지의 개략적인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 전고체 구조전지의 개략적인 구성도
도 4는 본 발명에 따른 전고체 구조전지의 전지작동 개념도

이하, 본 발명에 따른 전고체 구조전지의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 전고체 구조전지의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전고체 구조전지는 고체 복합재인 피치계 탄소섬유를 구조물의 하중 지지를 위한 하중 지지부로 사용하면서 양극과 음극의 전극으로도 사용하며, 양극와 음극의 상기 피치계 탄소섬유의 사이에 전해질로 액정(LC:Liquid Crystal) 전해질을 배치한 것이다. 이러한 본 발명에 따른 전고체 구조전지에서는 금속이온인 리튬이온을 고체 복합재 형상의 피치계 탄소섬유의 기공(pore) 안에 겔 형태로 가두는 방식을 사용하였고, 직류(DC) 전류 인가 시에 전기장을 걸어 줌으로써 액정 전해질에서 상분리가 일어날 수 있도록 매질을 조절하는 방식을 채택하고 있다.

또한 본 발명의 전고체 구조전지는 구조전지의 구조적 안정성을 유지하면서 이온전달 성능의 향상을 위해, 구조전지 내부의 절연막(전극간 단락 방지를 위한 분리막)이 필요 없는 separator-free 구조로 설계된 전극을 기반으로 한 새로운 개념 및 형상의 전지이다. 또한 하중 지지형 구조전지에 피치계 탄소섬유(Pitched-based Carbon Fiber)를 주요 골격으로 사용하면서 액정(LC:Liquid Crystal)을 전해질로 사용함으로써, 상기 피치계 탄소섬유의 피치(Pitch)의 광학적 성질에 기인한 액정상 배열 특성을 이용한 것이다. 더욱이 액정 전해질로 인해 용매가 필요 없는 solvent-free 구조로 전해질의 기지재(matrix) 성능을 강화하도록 한 것이다.

상기한 본 발명의 구조전지의 전지 구동의 기본적인 개념을 보면, 상기 액정 전해질은 겔과 고체의 이중의 상(Dual phase)이 공존하는 영역이 존재하며, 전기장을 걸어주어 미세 상분리를 발생시키고, 이에 의해 이온 전도층인 이온전도 채널이 형성되어 상기 피치계 탄소섬유의 양극과 음극으로부터 리튬이온이 상대방의 전극으로 이동하도록 전류를 조절하는 방식으로 전지가 구동되도록 한 것이다.

따라서 액정 전해질의 고체화 및 구조화를 모두 실현 가능한 기술로 하여 본 발명의 전지가 구동하며, 상기 액정 전해질은 전류가 인가되지 않은 상태에서는 고체상이고, 전류가 인가되어 작동 할 때에는 구조 및 형상을 유지하면서 전지 역할을 수행하게 된다.

이와 같은 기본적인 구조전지의 구성과 전지 구동의 개념을 갖는 본 발명의 전고체 구조전지에 대해서 보다 상세한 전지 기능 및 구동 개념은 다음과 같다.

구조전지의 기술은 현재 가능성이 검증된 기초 단계이나, 본 발명에서는 응용 단계로 도약하기 위한 전지 성능 향상의 키가 되는 메커니즘을 제시한 것이다. 이에 대해 전지 구조의 경량화 및 전지의 안정성과 수명 측면에서 본 발명의 우수성을 설명하도록 한다.

먼저 전지 구조의 경량화 측면에서, 본 발명의 전고체 구조전지의 전극으로 사용하는 피치계 탄소섬유 및 액정 전해질로 인해 전극 간의 단락방지를 위한 별도의 분리막이 필요 없고, 전류의 인가에 따라서 전극 간에 물리적 접촉이 되지 않으면서 이온 전달 경로만을 통해서 이온이 이동하는 성능을 가진다. 이에 따른 부가적 효과는 이온전달 경로와 최적의 형태로 액정 전해질에 의해 형성된 절연층이 구조 경량화를 가능하게 한다.

또한 종래 구조전지에서 전지가 완벽하게 포장되어 보호되어야 하는 문제가 있으나, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 피치계 탄소섬유와 액정 전해질을 사용함으로써 종래 구조전지에서와 같은 고분자 물질의 추가적인 층을 만들지 않으면서 장벽 역할을 동시에 할 수 있는 다기능성 구현이 가능하므로 구조 경량화에 이점을 갖는다.

다음은 전지의 안전성과 수명의 증대 측면에서, 본 발명의 전고체 구조전지는 하중지지와 우수한 전도도 특성을 갖는 피치계 탄소섬유를 사용하여, 피치계 탄소가 갖는 광학적 성질을 이용함으로써 종래 사용되지 않은 액정 전해질의 액정상 배열 특성을 구조전지에 이용한 것이다. 즉 종래 사용되어 온 PAN계 탄소섬유는 강도와 전도도 특성이 모두 우수하나 피치계와 같은 광학적 성질을 갖지 않는다. 이러한 피치계 탄소섬유는 PAN계에 비해서 강도 특성이 다소 저하되는 특성이 있으나, 반면에 모듈러스(Modulus)가 우수하고, 전도도 측면에서는 PAN계에 비해서 더 우수하다.

또한 전해질의 고체화를 통한 안전성 확보 및 구조화는 이온전도도와 이율배반(trade-off)의 성능 관계에 있으나, 본 발명의 구조전지에 사용되는 액정 전해질은 사막 위에 오아시스 채널과 같이 전류가 인가된 상태이거나 인가되지 않은 상태에서 모두 구조적 안정성을 갖는 구조로 되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 전고체 구조전지의 전지작동 개념도를 도시한 것이다.

도 4의 전지작동 개념도를 참조하면, 본 발명의 Separator-free, Solvent-free 전고체 구조전지는 액정 전해질을 통한 이온전달 경로가 최적의 형태로 형성될 수 있고, 상기 액정 전해질 내에서 자체적인 절연이 가능하도록 구성된다. 종래 유기용매 전해질은 극성 용매(solvent)를 사용하여 고분자 및 이온 매개체 등을 담지하고 있으나 전지가 초기 포장된 상태에서 시간이 지남에 따라 서서히 용매가 증발하게 되어 전해질과 전지 시스템에 오작동을 야기하는 것이 근본 문제로 되어 있다. 그러나 본 발명의 구조전지에 적용하는 액정 전해질은 이러한 극성 용매가 없이 분자 설계를 통해서 자체적인 분자 배향에 따른 이온전도 채널을 형성할 수 있으므로 Solvent-free 구조이고, 형성된 이온전도 채널을 통해서 이온이 전도되는 개념이므로 Separator-free 구조가 된다.

특히 본 발명에서 액정 전해질의 최적의 형태란 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 액정 전해질(LC)의 이온전달 구조(Ionic Conducting Structure)가 전류의 인가에 의해 내부 구성물질이 다수의 라멜라(lamellar) 형상으로 변형되어 상기 라멜라들이 서로 연결되는 2차원적 연속 네트워크(망상구조)를 이루고 있고, 이를 통해 3차원 공간에서 이온의 이동 및 전달이 가능하게 하는 것을 말한다.

또한 이온전도 채널 형성을 위한 액정 전해질의 전류 조절 메커니즘에 따르면, 전기장의 세기는 액정 전해질(LC)을 이루는 골격이 되며, 전기장(전류와 전압)의 크기를 조절함으로써 액정 전해질(LC)에 대한 힘의 방향을 바꿀 수 있고, 액정 전해질(LC) 표면에 추가적인 표면처리도 가능하다. 그런데 피치계 탄소섬유가 가지고 있는 산화 저항성으로 인해 액정 전해질(LC) 내에서 이온 전도도가 한 방향으로 지속적으로 증가하는 특성을 갖는다. 이에 따라 전류의 방향은 바꾸어 주지 않고, 전류의 세기 및 전압의 크기 조절만으로 이온전도 채널의 형태와 이온전도 매개체의 방향을 유지할 수 있다. 이와 같이 액정 전해질(LC)은 외부 전원이 인가된 상태에서는 액정 전해질(LC)의 배향이 2차원적 형태를 유지하여 이를 통해 이온이 이동하여 피치계 탄소섬유인 양극 또는 음극으로 전달되고, 외부 전원이 인가되지 않은 무전원 상태에서는 이온의 이동이 없는 무질서 구조를 유지하게 된다.

다음은 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 전고체 구조전지의 다양한 응용사례에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 전고체 구조전지는 복합재료 기술 분야에서 다기능성 섬유 강화 복합재 구조와 전지를 일체형으로 하여 경량화 할 수 있는 이점이 있다.

또한 새로운 개념의 이차전지로 누액 위험이 없고, 안전성과 수명이 탁월하게 향상된 구조전지의 충방전 전지 시스템을 구성할 수 있다.

또한 전계 배향 및 액정(LC) 전해질 상 배향과 피치계 탄소섬유 소재의 광학적 특성 등을 이용하여 소형 전자 기기, 예컨대 각종의 구부릴 수 있고 유연한 전자기기의 구조전지에 응용할 수 있다.

실제 본 발명의 전고체 구조전지는 무인기(UAV) 및 드론(Drone) 등 소형 항공기에 에너지 저장구조 패널 형태의 복합재 구조전지로 적용할 수 있는데, 항공기 구조에서 날개 구조물과 같은 주요 하중을 받는 구조를 전지화 함으로써 경량화 및 임무 능력의 증대를 가능하게 한다. 즉 항공기 날개에는 이미 탄소섬유 복합재 기술이 적용되고 있다. 따라서 항공기에서 날개의 인장하중을 주로 받는 날개 하부 스킨패널에 복합재 구조이면서 전지기능을 가진 본 발명의 전고체 구조전지를 패널 형태로 적용할 때에, 종래 구조전지가 동체 내부에서의 별도의 공간이 필요했던 부분을 감소시킴으로써, 구조 중량을 절감하고 날개에 장착되는 연료탱크 부분을 전지화 할 경우엔 항공기 운항시 연료의 슬러싱(slushing) 현상을 방지할 수 있다.

또 본 발명의 전고체 구조전지를 자동차에 응용하는 경우, 자동차 부품제조(Roof, Hood, Trunk Lid, Door, Plenum Cover 등에 적용)시 자동차의 다양한 상기 부품 자체를 구조전지로 적용할 수 있으므로, 자동차 하부의 넓은 공간에 포장된 전지를 별도로 배치할 필요가 없다.

또 로봇 외골격 분야에서, 물리적 신호 및 센서 기술만으로는 구조 경량화의 향상에 한계가 있어 전지 성능의 향상이 관건이 된다. 따라서 구조 경량화와 전지 성능 향상의 결합을 통한 적용성 증대를 위해 탄소 복합재인 피치계 탄소섬유를 사용하여, 1차적으로 로봇의 외골격 구조의 중량을 절감하고, 2차적으로 외골격 구조를 본 발명의 전고체 구조전지로 에너지 저장구조를 만들어 전지 성능을 향상시킨다.

또 최근 노트북 하드웨어는 가볍고 얇아지는 추세로, 노트북 본체 섀시와 리튬전지의 일체화를 통해서 전원 일체 구조의 구조전지를 가능하게 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 전고체 구조전지에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (8)

1. 일정 간격을 두고 각각 설치되어 내부에 금속이온을 포함한 양극과 음극의 고체 복합재와,
   상기 양극과 음극 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 내부 구성물질이 2차원적인 배열형태를 가져 이온 전도층을 형성하는 액정 전해질을 포함하며,
   상기 양극과 음극의 고체 복합재는 피치계 탄소섬유 복합재인 것을 특징으로 하고,
   상기 피치계 탄소섬유의 내의 기공에 금속이온이 겔 형태로 가두어진 것을 특징으로 하며,
   상기 액정 전해질은 겔과 고체의 이중의 상이 공존하는 영역이 존재하며, 외부 전원에 의해 전기장을 걸어주어 미세 상분리를 발생시키고, 이에 의해 이온 전도층인 이온 전도 채널이 형성되어 상기 피치계 탄소섬유 복합재의 양극과 음극으로부터 리튬 이온이 상대방의 전극으로 이동하도록 전류를 조절하는 전고체 구조전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 피치계 탄소섬유는 하중을 지지하는 하중 지지부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전고체 구조전지.
5. 제4항에 있어서,
   상기 피치계 탄소섬유는 구조전지의 배치형태에 맞추어 자유롭게 형상을 변형하도록 한 것을 특징으로 하는 전고체 구조전지.
6. 제1항에 있어서,
   상기 액정 전해질의 전류 인가시 내부 구성물질은 다수의 라멜라 형상인 것을 특징으로 하는 전고체 구조전지.
7. 제1항에 있어서,
   상기 전류의 인가는 전류의 세기 및 전압의 크기 조절만으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전고체 구조전지.
8. 제1항에 있어서,
   상기 금속이온은 리튬이온인 것을 특징으로 하는 전고체 구조전지.

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