KR101905168B1 - Bipolar All Solid-State Battery And Fabricating Method Thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 제조 공정을 보다 효율적으로 운영할 수 있고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 바이폴라 전고체 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bipolar pre-solid battery capable of operating a manufacturing process more efficiently and improving electrical characteristics, and a manufacturing method thereof.
일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 다른 이차 전지보다 에너지 밀도가 높고 고전압에서의 동작이 가능한 특징을 갖고 있다. 따라서 소형 경량화를 도모하기 쉬운 이차 전지로서 휴대 전화 등의 정보 기기에 주로 사용되고 있고, 최근 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등, 대형 동력용으로서의 수요도 높아지고 있다.Generally, a lithium ion secondary battery has higher energy density than other secondary batteries and can operate at a high voltage. Therefore, secondary batteries which are liable to be reduced in size and weight are mainly used for information devices such as cellular phones and the like, and demand for large-sized power such as electric vehicles and hybrid vehicles is recently increasing.
이러한 리튬 이온 이차 전지에는 양극층, 음극층 및 이들 사이에 배치되는 전해질층이 구비되는데, 전해질로서는, 예를 들면, 비수계의 액체 또는 고체가 이용되고 있다. 전해질에 액체(이하에서 '전해액'이라고 한다. )가 이용될 경우에는 전해액이 양극층이나 음극층의 내부로 침투하기 쉽다. 따라서 양극층이나 음극층(이하에서 이들을 '전극층'이라고 한다.)에 함유되어 있는 활물질과 전해액과의 계면 저항이 작아 전지 성능을 향상시키기 쉽다. 그런데 이러한 전해액은 가연성이기 때문에 안전성을 확보하기 위한 다양한 부가적인 복잡한 시스템을 필요로 한다. 한편, 고체의 전해질(이하에서 '고체 전해질'이라고 한다.)은 불연성이기 때문에 상기 복잡한 시스템을 간소화할 수 있다. 그러므로 불연성인 고체 전해질을 함유하는 층(이하에서 '고체 전해질층'이라고 한다. )이 구비되는 형태의 리튬 이온 이차 전지(이하에서 '고체 전지'라고 한다. )가 제안되고 있다.Such a lithium ion secondary battery includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed therebetween. As the electrolyte, for example, a non-aqueous liquid or a solid is used. When a liquid (hereinafter referred to as " electrolyte ") is used in the electrolyte, the electrolyte easily penetrates into the anode layer or the cathode layer. Therefore, the interface resistance between the active material contained in the positive electrode layer and the negative electrode layer (hereinafter referred to as " electrode layer ") and the electrolyte is small, and battery performance is easily improved. However, since the electrolyte is flammable, various additional complicated systems are required to secure safety. On the other hand, since the solid electrolyte (hereinafter referred to as " solid electrolyte ") is incombustible, the complicated system can be simplified. Therefore, a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as a "solid battery") in which a layer containing a non-combustible solid electrolyte (hereinafter referred to as a "solid electrolyte layer") is provided.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.The above-described information disclosed in the background of the present invention is only for improving the understanding of the background of the present invention, and thus may include information not constituting the prior art.
본 발명은 제조 공정을 보다 효율적으로 운영할 수 있고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 바이폴라 전고체 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a bipolar pre-solid battery capable of operating a manufacturing process more efficiently and improving electrical characteristics, and a method of manufacturing the same.
본 발명에 따른 바이폴라 전고체 전지는 일면 및 상기 일면에 반대되는 타면을 갖는 바이폴라 집전체; 상기 바이폴라 집전체의 일면에 도포되는 제 1 활물질; 상기 바이폴라 집전체의 타면에 형성되는 제 2 활물질; 및 상기 제 1 활물질과 제 2 활물질의 사이에 형성된 전고체 전해질을 포함하는 단위셀을 포함하고, 상기 제 2 활물질은 리튬박을 상기 바이폴라 집전체의 타면에 부착하여 형성될 수 있다.A bipolar pre-solid battery according to the present invention includes: a bipolar current collector having one surface and a surface opposite to the one surface; A first active material coated on one surface of the bipolar current collector; A second active material formed on the other surface of the bipolar current collector; And a whole solid electrolyte formed between the first active material and the second active material. The second active material may be formed by depositing a lithium foil on the other surface of the bipolar current collector.
여기서, 상기 바이폴라 집전체는 스테인리스 금속(SUS), 니켈, 니켈 합금 또는 알루미늄/구리의 클래드 금속을 통해 형성될 수 있다.Here, the bipolar current collector may be formed of stainless steel (SUS), nickel, nickel alloy, or aluminum / copper clad metal.
또한, 상기 제 1 활물질의 면적은 상기 제 2 활물질의 면적에 비해 크게 형성될 수 있다.The area of the first active material may be larger than the area of the second active material.
또한, 상기 전고체 전해질은 상기 제 1 활물질 및 제 2 활물질의 면적에 비해 크게 형성될 수 있다.In addition, the total solid electrolyte may be formed to have a larger area than that of the first active material and the second active material.
또한, 상기 단위셀의 스택시 상기 바이폴라 집전체의 상면에 상기 제 2 활물질을 감싸도록 형성된 절연 필름을 더 포함할 수 있다.The bipolar current collector may further include an insulation film formed on the top surface of the bipolar current collector to surround the second active material when the unit cell is stacked.
또한, 상기 절연 필름은 폴리 이미드(PI), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 중 선택된 어느 하나로 구성될 수 있다.Also, the insulating film may be composed of any one selected from polyimide (PI), polyethylene (PE), and polypropylene (PP).
더불어, 본 발명에 따른 바이폴라 전고체 전지의 제조 방법은 일면에 제 1 활물질이 형성되고, 타면에 제 2 활물질이 형성된 바이폴라 집전체를 롤에 권취하여 구비하는 단계; 전고체 전해질을 롤에 권취하여 구비하는 단계; 및 회전하는 두 개의 롤러 사이에 상기 바이폴라 집전체와 전고체 전해질을 공급하여 상기 롤러를 통해 압착하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, a method of manufacturing a bipolar pre-solid battery according to the present invention includes: winding a bipolar current collector having a first active material on one surface thereof and a second active material on the other surface thereof; Winding all solid electrolytes on rolls; And supplying the bipolar current collector and the pre-solid electrolyte between the two rotating rollers and pressing them through the rollers.
여기서, 상기 제 2 활물질은 리튬박을 상기 바이폴라 집전체의 타면에 부착하여 형성될 수 있다.Here, the second active material may be formed by depositing a lithium foil on the other surface of the bipolar current collector.
본 발명에 따른 바이폴라 전고체 전지는 양면에 각각 활물질이 형성된 바이폴라 집전판과, 활물질의 사이에 형성된 전고체 전해질이 구비된 단위셀을 구비하고, 각 단위셀들을 직렬 연결시 집전판들이 면접촉을 통해 바이폴라 구조를 형성하도록 함으로써, 용이하게 바이폴라 전고체 전지 구조를 형성할 수 있다.The bipolar pre-solid battery according to the present invention includes a bipolar current collector having active materials on both surfaces thereof, and a unit cell including a pre-solid electrolyte formed between the active material. When the unit cells are connected in series, The bipolar pre-solid battery structure can be easily formed.
또한, 음극 활물질의 형성에 있어서, 리튬박을 바이폴라 집전체에 부착함으로써, 간단하고 용이하게 전고체 전지를 제조할 수 있다.Further, in forming the negative electrode active material, by attaching the lithium foil to the bipolar current collector, it is possible to easily and easily produce the all solid battery.
또한, 단위셀의 형성시 바이폴라 집전체에 활물질이 형성된 구조를 롤에 권취하여 구비하고, 전고체 전해질 역시 롤에 권취하여 구비한 상태에서, 이들 구조를 2개의 롤러 사이에서 압착함으로써 대량으로 용이하게 전고체 전지를 제조할 수 있다.Further, a structure in which a bipolar current collector has an active material formed on a roll at the time of forming the unit cell and a pre-solid electrolyte is also wound around a roll, and these structures are pressed between the two rollers, All solid batteries can be produced.
또한, 양극 활물질의 도포 면적을 음극 활물질의 도포 면적에 비해 크게 형성하고, 전고체 전해질의 도포 면적을 활물질들의 도포 면적에 비해 크게 형성함으로써, 음극 활물질 내에서 유동성이 있는 리튬의 이동을 차단하여 이에 따른 전기적 특성 저하를 방지할 수 있다.In addition, by forming the coating area of the cathode active material larger than the coating area of the anode active material, and by forming the coating area of the entire solid electrolyte to be larger than the coating area of the active materials, the movement of lithium, which is fluid, It is possible to prevent the deterioration of the electrical characteristics caused by the above.
또한, 단위셀의 스택시 사이에 절연 필름을 형성하여, 전고체 전해질간 접촉에 따른 전기적 특성 저하를 방지할 수 있다.In addition, an insulating film is formed between the stacks of the unit cells to prevent the electrical characteristics from deteriorating due to the contact between all the solid electrolytes.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 전고체 전해질 합착 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지에 사용되는 필름 시트를 도시한 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지에서 필름 시트가 적층된 전후의 바이폴라 집전체를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 성능 평가 결과를 도시한 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a stack of a bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a view showing a process of laminating all solid electrolytes of a bipolar pre-solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a stack of a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention.
4 is a view showing a stack of a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention.
5 is a plan view showing a film sheet used in a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention.
6A and 6B are plan views showing front and rear bipolar current collectors in which a film sheet is laminated in a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a performance evaluation result of a bipolar pre-solid battery 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, It 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"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.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 one or more of the listed items. In the present specification, the term " connected "means not only the case where the A member and the B member are directly connected but also the case where the C member is interposed between the A member and the B member and the A member and the B member are indirectly connected do.
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, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"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 in this specification, are intended to be interchangeable with the said forms, 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 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.It is to be understood that the terms related to space such as "beneath," "below," "lower," "above, But may be utilized for an easy understanding of other elements or features. Terms related to such a space are for easy understanding of the present invention depending on various process states or use conditions of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature of the drawing is inverted, the element or feature described as "lower" or "below" will be "upper" or "above." Thus, "lower" is a concept encompassing "upper" or "lower ".
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택을 도시한 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a stack of a bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention; FIG.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지 스택(10)은 바이폴라 집전체(110), 제 1 활물질(120), 제 2 활물질(130) 및 고체 전해질(140)을 포함하는 단위셀을 스택하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 스택(10)의 최외곽에는 제 1 외곽 집전체(150) 및 제 2 외곽 집전체(160)가 더 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a bipolar pre-solid
또한, 상기 바이폴라 집전체(110)의 표면, 특히 단위셀의 외부로 노출되는 표면에는 이웃하는 단위셀과의 접촉 연결시 전기적 저항을 줄이기 위해, 별도로 백금, 은, 금, 니켈 중 선택된 어느 하나의 금속으로 구성된 접착제 또는 페이스트가 더 형성될 수 있다.Further, in order to reduce the electrical resistance when the surface of the bipolar
상기 제 1 활물질(120)은 상기 바이폴라 집전체(110)의 일면에 형성된다. 상기 제 1 활물질(120)은 양극으로 동작하는 경우, 니켈 코발트 망간(NCM), 리튬 코발트 옥사이드(LCO), 니켈 코발트 알루미늄(NCA)과 같이 잘 알려진 통상의 양극 활물질 소재에, 이온 전도체로서 나시콘계 및 페롭스카이트계, 그리고 가넷구조 등 산화물 및 바이너리 설파이드 등의 황화물계 고체 전해질, 그리고 PEO, PPO 등 이온전도성 및 바인더 기능의 고분자, Super P, CNT 등 전자 전도성 도전제를 혼합하여 사용될 수 있다. 다만, 상기 제 1 활물질(120)의 소재로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.The first
상기 제 2 활물질(130)은 상기 바이폴라 집전체(110)의 한면에 도포, 즉 상기 제 1 활물질(120)이 도포되지 않은 반대면인 타면에 형성된다. 즉, 상기 제 2 활물질(130)은 상기 바이폴라 집전체(110)를 기준으로 상기 제 1 활물질(120)과 대칭되어 형성된다.The second
상기 제 2 활물질(130)은 통상적으로 흑연계 기반의 리튬이온의 흡장 물질, 산화 실리콘(SiO2) 또는 산화 주석(SnO2)과 같은 물질을 통해 구성될 수 있고, 제 1 활물질(120)과 마찬가지로 이온 및 전자전도성 소재, 바인더 및 도전제를 사용한 복합전극을 사용하거나, 리튬 금속을 사용하여 제조할 수 있다.The second
다만, 보다 바람직하게 상기 제 2 활물질(130)은 상기 흑연이나 그라파이트 등의 소재를 사용하는 대신 리튬으로 구성된 얇은 박을 상기 바이폴라 집전체(110)의 타면에 붙임으로써 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 2 활물질(130)은 별도의 소재를 도포하는 대신, 리튬박을 상기 바이폴라 집전체(110)에 붙임으로써, 간단하기 용이하게 형성될 수 있다. 특히, 이 경우, 상기 제 2 활물질(130)은 통상적인 흑연이나 그라파이트에 비해 이온 용량을 높일 수 있는 장점을 갖는다.However, the second
상기 고체 전해질(140)은 이온 전도성 LLZO(LixLayZrzO12), 이온 전도성 바인더(예를 들면, PEO) 및 리튬염을 유기 용매(예를 들면, ACN)에 혼합하여 고체 전해질 슬러리를 제조하여 형성될 수 있다. 여기서, x=6~9 mole, y=2~4 mole, z=1~3 mole일 수 있다. 또한, 리튬염은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, LiClO4일 수 있다. 이밖에도, 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The
상기 제 1 외곽 집전체(150)는 최하부에 위치한 단위셀을 구성하는 집전체의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 외곽 집전체(150)의 일면에는 상기 제 2 활물질(130)이 형성될 수 있다. 반면, 상기 제 1 외곽 집전체(150)의 타면에는 활물질이 도포되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 제 1 외곽 집전체(150)는 바이폴라 집전체일 필요가 없으며, 따라서 효율을 위해 구리 또는 구리 합금으로 형성될 수 있다.The first
상기 제 2 외곽 집전체(160)는 최상부에 위치한 단위셀을 구성하는 집전체의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 외곽 집전체(160)의 일면에는 상기 제 1 활물질(120)이 형성될 수 있다. 반면, 상기 제 2 외곽 집전체(160)의 타면에는 활물질이 도포되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 제 2 외곽 집전체(160) 역시 바이폴라 집전체일 필요가 없으며, 따라서 효율을 위해 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다.The second
한편, 전지 스택(10)은 상기 제 1 외곽 집전체(150)와 제 2 외곽 집전체(160)의 사이에 상기 바이폴라 집전체(110), 제 1 활물질(120), 제 2 활물질(130) 및 전고체 전해질(140)로 구성된 단위셀이 반복하여 스택됨으로써, 직렬로 연결되어 형성될 수 있다.The
특히, 상기 전지 스택(10)은 상기 바이폴라 집전체(110)의 양면에 제 1 활물질(120)과 제 2 활물질(130)이 각각 형성된 상태에서, 전고체 전해질(140)을 결합한 형태로서 미리 대량으로 구비되어 있을 수 있다. 또한, 상기 전지 스택(10)은 이러한 구조들을 스택함으로써 상기 제 1 활물질(120)과 제 2 활물질(130)의 사이에 전고체 전해질(140)이 형성된 단위셀을 기본으로 하는 최종적인 전지 스택(10)의 구조를 이룰 수 있다.Particularly, in the
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 제조 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 전고체 전해질 합착 공정을 도시한 것이다.FIG. 2 is a view showing a process of laminating all solid electrolytes of a bipolar pre-solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지는 상기 바이폴라 집전체(110)의 양면에 제 1 활물질(120)과 제 2 활물질(130)이 각각 형성된 구조를 구비하고, 이와 별도로 전고체 전해질(140)을 구비할 수 있다. 즉, 상기 바이폴라 집전체(110), 제 1 활물질(120) 및 제 2 활물질(130)의 구조물은 별도로 하나의 롤에 감겨 있을 수 있고, 상기 전고체 전해질(140) 역시 별개의 다른 롤에 감겨진 상태로 구비될 수 있다.2, a bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention has a structure in which a first
그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 롤러(A, B)의 사이에 상기 바이폴라 집전체(110), 제 1 활물질(120) 및 제 2 활물질(130)의 구조물과 상기 전고체 전해질(140)이 각각 롤로부터 풀리면서 공급되도록 하고, 상기 롤러(A, B)로 이들 구조를 압착시킬 수 있다. 이러한 방식에 따르면, 사전에 바이폴라 집전체(110), 제 1 활물질(120) 및 제 2 활물질(130)의 구조물과 전고체 전해질(140)이 각각 구비되고, 이들의 합착 역시 롤투롤 방식을 이용하여 이루어질 수 있기 때문에, 단위셀의 기본 구조를 대량으로 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지(10)의 제조에 필요한 비용 및 공정을 줄일 수 있게 된다.2, the structure of the bipolar
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 구조를 설명하도록 한다.Hereinafter, the structure of a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택을 도시한 구성도이다.3 is a view illustrating a stack of a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 전지 스택(20)은 바이폴라 집전체(210), 제 1 활물질(220), 제 2 활물질(230), 전고체 전해질(240)를 포함할 수 있다. 또한, 전지 스택(20)의 최외곽에는 역시 제 1 외곽 집전체(250)와 제 2 외곽 집전체(260)가 구비될 수 있다. 여기서, 각 구성들의 소재는 앞서 설명한 일 실시예에서의 전지 스택(10)의 각각과 동일하게 구성될 수 있기 때문에, 설명의 편의를 위해 이하에서는 별도로 언급하지 않는다.3, a
본 실시예에서 상기 바이폴라 집전체(210) 및 그에 도포된 제 1 활물질(220)의 면적은 상기 바이폴라 집전체(210) 에 도포된 제 2 활물질(230)에 비해 큰 면적을 갖도록 구성될 수 있다.The area of the bipolar
이러한 면적의 차이는 도 3에 도시된 것과 같이, 단위셀(200)들이 스택된 스택 전지(20)에서, 제 2 활물질(230)의 면적에 비해 제 1 활물질(220)의 크기가 크게 배치되도록 하기 위함이다. 이 경우, 제 2 활물질(230)의 성분, 특히 음극 활물질 중에서 유동성이 있는 리튬이 상기 제 1 활물질(220)로 넘어가는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지는 스택 전지(20) 구조에서 활물질의 이동에 따른 단락 등의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 구조를 갖는다.3, the size of the first
한편, 도 3을 참조하면, 전고체 전해질(240)의 구성은 다른 구성에 비해 큰 면적을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은, 활물질 특히, 제 2 활물질(230)의 리튬이 하부에 위치한 단위셀의 제 1 활물질(220)로 넘어가는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.Referring to FIG. 3, the entire
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 구성을 설명하도록 한다.Hereinafter, the structure of a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택을 도시한 구성도이다. 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지에 사용되는 필름 시트를 도시한 평면도이다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지에서 필름 시트가 적층된 전후의 바이폴라 집전체를 도시한 평면도이다. 앞선 실시예와 동일한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 앞선 실시예와의 차이점을 위주로 설명하도록 한다.4 is a view showing a stack of a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention. 5 is a plan view showing a film sheet used in a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention. 6A and 6B are plan views showing front and rear bipolar current collectors in which a film sheet is stacked in a bipolar pre-solid battery according to another embodiment of the present invention. Parts having the same configuration and operation as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and differences from the preceding embodiment will be mainly described below.
도 4를 참조하면, 본 발명이 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 스택 전지(30)는 바이폴라 집전체(210), 제 1 활물질(220), 제 2 활물질(230) 및 전고체 전해질(240), 제 1 외곽 집전체(250) 및 제 2 외곽 집전체(260)의 구성을 앞선 실시예의 스택 전지(20)와 동일하게 구비할 수 있다. 한편, 스택 전지(30)는 하부에 위치한 바이폴라 집전체(210)의 상부에 상기 제 2 활물질(230)을 감싸도록 절연 필름(370)을 더 구비할 수 있다.4, the stacked
상기 절연 필름(370)은 기본적으로 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 절연성 소재로 구비되며, 다만 내부에 관통홀(371)을 구비한다. 상기 관통홀(371)을 통해 스택 구조에서 상기 제 2 활물질(230)과 상부의 스택된 전고체 전해질(240) 사이의 접촉이 가능하게 되고, 이에 따라 단위셀들의 직렬 연결이 가능하게 된다.The insulating
상기 절연 필름(370)은 별도로 도시하지는 않았지만 스프레이 접착제를 통해 상하부의 제 2 활물질(230) 및 전고체 전해질(240)와 부착된 상태를 유지할 수 있다. 스프레이 접착제는 전기화학적으로 전위 안정성이 우수한 소재로서 형성될 수 있다.The insulating
그리고 이러한 절연 필름(370)의 부착으로 인해, 스택 전지(30)에서 전고체 전해질(240)간의 접촉이 근본적으로 차단될 수 있고, 이에 따른 단락 등의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있다.Due to the attachment of the insulating
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 특성 실험 결과에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, characteristics of the bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention will be described.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지의 성능 평가 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing a performance evaluation result of a bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전고체 전지는 단위셀 3개를 직렬로 적층한 후, 파우치 외장재로 최종 조립된 시제품을 통해 실험이 진행되었다. Referring to FIG. 7, in a bipolar pre-solid battery according to an embodiment of the present invention, three unit cells were stacked in series, and then a test was conducted through a prototype product finally assembled with a pouch case.
이 때, 도 7의 결과와 같이 전지 스택(10)의 충전 후 개로전압(OCV)은 약 12.3[V], 그리고 평균 방전전압은 11.1[V]로서 단위셀 1개에 대해 적용하면 약 3.7[V] 방전전압과 거의 일치하는 방전 전압을 확인 할 수 있으며, 방전 용량의 경우 본 발명에 의한 시작품은 70[℃]에서 전류밀도 0.05[C] 로 방전한 결과, 약 105[mAh/g] 수준의 용량이 확인되었다. 이러한 특성은 단위셀로 제작된 방전용량과 거의 동일한 수준을 보여 주고 있으며, 충방전 싸이클에서도 우수한 가역성을 확인 할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 바이폴라 구조에 의한 전고체전지 셀/스택이 용이하게 제작되고, 단락 등 품질 문제가 크게 제어되는 효과가 확인되었다. 7, the open-circuit voltage OCV of the
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 바이폴라 전고체 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiment, but may be modified in various ways within the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
10, 20, 30; 전지 스택
110, 210; 바이폴라 집전체 120, 220; 제 1 활물질
130, 230; 제 2 활물질 140, 240; 전고체 전해질
150, 250; 제 1 외곽 집전체 160, 260; 제 2 외곽 집전체
370; 절연 필름10, 20, 30; Battery stack
110, 210; Bipolar
130, 230; A second
150, 250; A first
370; Insulating film
Claims (8)
상기 바이폴라 집전체의 일면에 도포되는 제 1 활물질;
상기 바이폴라 집전체의 타면에 형성되는 제 2 활물질; 및
상기 제 1 활물질과 제 2 활물질의 사이에 형성된 시트형의 전고체 전해질을 포함하는 단위셀을 포함하고,
상기 제 2 활물질은 리튬박을 상기 바이폴라 집전체의 타면에 부착하여 형성되고,
상기 단위셀의 스택시 상기 제 1 활물질의 면적은 상기 제 2 활물질의 면적에 비해 크게 형성되고, 상기 전고체 전해질은 상기 제 1 활물질 및 제 2 활물질의 면적에 비해 크게 형성되는 바이폴라 전고체 전지.A bipolar current collector having one surface and the other surface opposite to the one surface;
A first active material coated on one surface of the bipolar current collector;
A second active material formed on the other surface of the bipolar current collector; And
A unit cell including a sheet-like pre-solid electrolyte formed between the first active material and the second active material,
The second active material is formed by attaching a lithium foil to the other surface of the bipolar current collector,
Wherein the area of the first active material is larger than the area of the second active material when stacking the unit cells, and the total solid electrolyte is formed larger than the area of the first active material and the second active material.
상기 바이폴라 집전체는 스테인리스 금속(SUS), 니켈, 니켈 합금 또는 알루미늄/구리의 클래드 금속을 통해 형성된 바이폴라 전고체 전지.The method according to claim 1,
Wherein the bipolar current collector is formed of a stainless metal (SUS), a nickel, a nickel alloy, or an aluminum / copper clad metal.
상기 단위셀의 스택시 상기 바이폴라 집전체의 상면에 상기 제 2 활물질을 감싸도록 형성된 절연 필름을 더 포함하는 바이폴라 전고체 전지.The method according to claim 1,
And an insulating film formed on the upper surface of the bipolar current collector to surround the second active material when stacking the unit cells.
상기 절연 필름은 폴리 이미드(PI), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 중 선택된 어느 하나로 구성된 바이폴라 전고체 전지.6. The method of claim 5,
Wherein the insulating film is made of any one selected from polyimide (PI), polyethylene (PE), and polypropylene (PP).
전고체 전해질을 롤에 권취하여 구비하는 단계;
회전하는 두 개의 롤러 사이에 상기 바이폴라 집전체와 시트형의 전고체 전해질을 공급하여 상기 롤러를 통해 압착하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 활물질의 면적은 상기 제 2 활물질의 면적에 비해 크게 형성되고, 상기 전고체 전해질은 상기 제 1 활물질 및 제 2 활물질의 면적에 비해 크게 형성되는 바이폴라 전고체 전지의 제조 방법.Winding a bipolar current collector having a first active material on one surface and a second active material on the other surface;
Winding all solid electrolytes on rolls;
Supplying the bipolar current collector and the sheet-like pre-solid electrolyte between the two rotating rollers and pressing them through the rollers,
Wherein the area of the first active material is larger than the area of the second active material and the total solid electrolyte is formed larger than the area of the first active material and the second active material.
상기 제 2 활물질은 리튬박을 상기 바이폴라 집전체의 타면에 부착하여 형성된 바이폴라 전고체 전지의 제조 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the second active material is formed by attaching a lithium foil to the other surface of the bipolar current collector.
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