KR102140587B1 - 마이크로 캡슐에 함유된 고분자를 이용한 구조 지지형 에너지저장구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 구조전지는 전기화학반응 저하의 영향을 최소화하면서 수평 및 수직 방향으로 가해지는 하중에 모두 대응할 수 있으며, 대면적의 전지에도 용이하게 적용 가능한 특징을 갖는다.

Description

마이크로 캡슐에 함유된 고분자를 이용한 구조 지지형 에너지저장구조체 {Structure-Supported Energy Storage Structure Using Polymer Contained in Microcapsules}
본 발명은 이차 전지용 구조전지 복합재에 관한 것으로서, 수평 방향 하중뿐만 아니라 수직 방향의 기계적 하중 지지에 효과적인 이차 전지용 구조전지에 관한 것이다.
소형 전자 기기의 배터리로 널리 활용되는 리튬 이차전지는, 그 편리성 및 효율성으로 인해 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템까지 그 활용 범위가 확대되고 있다. 따라서 현재 연구는 에너지 저장 기술을 넘어 저장 장치의 내구성까지 확보할 수 있는 기계적 강도 증가 및 다기능성 기술 개발을 목표로 진행되고 있다. 전지를 보호하는 외피가 모든 충격을 감당해야 했던 기존과 달리, 전지 자체가 기계적 하중을 지지하는 구조전지의 개념은 외력의 영향을 많이 받을 수 있는 방위산업, 전기 자동차 분야를 타겟으로 집중 연구되고 있다.
하중지지와 에너지 저장을 동시에 수행할 수 있는 구조전지 연구의 핵심은 배터리 구조의 하중지지 모델 구현에 있다. 종래의 구조전지는 배터리 구성 재료에 변화를 주어 기계적 강도를 증가시키는 방법을 택하고 있다. 예시로서, 분리막으로 유리섬유(GF, Glass Fabric)를 사용하거나, 탄소섬유(CF, Carbon Fabric)를 전극의 집전체로 이용하여 기계적 강도를 증가시키는 방법이 있으며, 이는 등록특허 10-1772446에 개시되어있다. 또한, 액체 전해질에 비해 강한 열 안정성, 기계적 물성을 갖는 고체 전해질을 사용하여 기계적 강도를 증가시키는 방법이 있다. 이러한 고체 전해질을 이용하면 전극, 분리막, 전해질에 이르는 전지구조가 물리적으로 이어질 수 있으며, 나아가 적층형태의 라미네이트(laminate) 구조(하기 그림 1)를 형성할 수 있어, 단위부피당 전지의 집적도와 기계적 물성을 향상시킨다. 그러나 고체 전해질을 사용할 경우, 상용되는 액체 전해질에 비해 이온전도도가 매우 낮아 높은 성능을 나타내지 못하며, 대용량 전지에만 적합하여 적용 범위가 협소한 문제점이 있다.
[그림 1]
Figure 112018080272079-pat00001
또한, 전지 구조에 변화를 주어 기계적 강도를 증가시키는 방법이 사용될 수 있는데, 유리섬유나 탄소섬유는 상용 분리막이나 집전체에 비해 하중을 지지하는 능력이 우수하여, 여기에 한 개의 집전체에 음극과 양극을 코팅하는 바이폴라 전극 구조를 사용하면 라미네이트 구조와 유사한 적층 복합 구조체를 완성할 수 있다. 이는 단위전지를 구성하는 데 필요한 부피를 감소시켜 높은 전압과 회로 내 저항최소화, 높은 에너지밀도를 얻을 수 있고 기계적 성능 또한 증가하게 된다. 다만, 이 경우 아래 그림 2와 같이 바이폴라 전극 구조의 특성상 한 장의 집전체를 사이에 두고 도포된 반대쪽 전극으로 리튬 이온이 이동할 가능성이 있다. 그러므로 단위전극의 측면을 차단함으로 인해 생기는 생산성 하락이 단점으로 제시되고 있다.
[그림 2]
Figure 112018080272079-pat00002
편, 압축강도의 지탱에 있어 평면보다는 원형의 형태로 재료가 배치되는 것이 구조적으로 더 효율적인데, 하기 그림 3과 같이 전지의 각 구성요소를 원통형으로 설계한 뒤에 이를 여러 개 적층 시키는 연구 또한 진행된 바 있다. 재료에 가해지는 응력은 인장력뿐만 아니라 압축력도 있기 때문에, 이러한 구조설계는 화학전지의 특성상 층간의 이격으로 인한 기계적 물성의 하락을 상쇄하는 방법이 될 수 있다. 다만, 실제 산업현장에서 양산 시 생산성이 떨어져 실제 상품으로 구현하는 데 어려움이 있음은 문제점으로 지적되고 있다.
[그림 3]
Figure 112018080272079-pat00003
또한, 기계적 안정성 향상을 위해 고분자 또는 알루미늄과 같은 재료로 외면을 감싸는 방식의 파우치형 이차 전지가 상용되고 있으나, 이는 수직 방향으로 가해지는 기계적 하중을 지지하기 어려우며, 케이싱 재료와 전극 물질 간 물리적 간극이 생겨 전체적인 에너지 저장구조 측면에서 봤을 때 부피 증가와 에너지 밀도 감소를 초래한다. 또한, 대용량의 에너지를 요구하는 경우 전지 용량 및 크기 역시 증가하게 되는데, 이 때 파우치형 이차 전지의 경우 사용되는 외부 케이싱 재료의 면적도 넓어져 기계적 하중에 대한 안정성이 더 떨어지는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 10-1772446(2017.08.21)
Neudecker, B.J., Benson, M.H., and Emerson, B.K., Proceedings of the 14th international conference on composite materials(ICCM 14), Society of Manufacturing Engineers, San Diego, CA. 2003.07.
금까지 연구된 구조전지 모델은 대부분 전지의 구성 요소를 기계적 강도가 강한 재료로 치환한 것이다. 그 때문에 그 재료들이 전기화학반응에 영향을 주어 성능과 구조의 효율성을 감소시키는 요인으로 작용하였다. 특히 종래의 구조전지는 전지의 수평방향으로 가해지는 하중은 강한 반면, 수직방향으로 가해지는 하중은 잘 지지하지 못하는 모습을 보였다. 그러므로 본 발명에서는 수평 및 수직으로 가해지는 하중에 모두 대응할 수 있으며, 대면적의 전지에도 용이하게 적용 가능한 구조전지 모델을 제안하고자 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 양극, 음극, 전해질층 및 마이크로 캡슐층으로 구성된 구조전지를 제공한다.
본 발명의 구조전지는 특정패턴의 오목부가 형성된 음극 및 양극에, 상기 음극 및 양극 사이에 위치하는 마이크로 캡슐층 및 전해질층을 포함하며, 음극 및 양극의 오목부에 마이크로 캡슐을 적층하여 마이크로 캡슐층을 형성하고, 음극 및 양극의 오목부 외에 전해질을 적층하여 전해질층을 형성한 것이다.
일 구현예로서 본 발명은, 음극 및 양극 제조시 집전체 상에 전극 슬러리를 특정패턴으로 도포하여 특정패턴의 오목부가 형성된 음극 및 양극을 제조하며, 마이크로 캡슐을 전극 슬러리가 도포되지 않은 빈 부분인 오목부에 도포, 전해질을 전극 슬러리가 도포된 부분에 도포하여 제조된 구조를 갖는다.
본 발명의 구조전지는, 음극과 양극 사이에 분리막을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 마이크로 캡슐은 단일층으로 도포되며, 압력이 가해지면 캡슐이 깨어질 수 있도록, 구조전지의 수직방향과 평행하게 위치하는 일 직경이 음극과 양극 사이의 간극보다 크되 구조전지 전체 두께를 초과하지 않으며, 분리막이 있는 경우에는 그 일 직경이 음극 또는 양극과 분리막 사이의 간극보다 크되 구조전지 전체 두께의 절반을 초과하지 않아야 한다.
본 발명의 일 실시예로서 마이크로 캡슐은 그 내부에 주제 또는 경화제를 각각 포함하며, 다른 실시예로서 마이크로 캡슐은 주제를 마이크로 캡슐 형태로 제조한 뒤 경화제를 코팅한 것을 포함한다. 또 다른 실시예로서 본 발명의 마이크로 캡슐은 온도 및 압력을 가하는 경우 화학적 경화 반응을 일으키는 1종의 물질을 마이크로 캡슐 내에 포함하는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 구조전지는 전극의 외부에 음극 및 양극의 외면을 각각 감싸며, 음극과 양극의 면적보다 큰, 고분자 또는 알루미늄 재료의 케이싱을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기의 케이싱 고분자 재료로는, 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 사용될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 고체 또는 점도가 높은 겔 타입의 전해질, 액체 또는 점도가 낮은 겔 타입의 전해질을 사용하는 경우 각각에 대하여 상기의 구조전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 구조전지는 전기화학반응 저하의 영향을 최소화하면서 수평 및 수직 방향으로 가해지는 하중에 모두 대응할 수 있으며, 대면적의 전지에도 용이하게 적용 가능한 특징을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조전지의 측면 모식도이며, (a) 및 (b)는 분리막이 없는 경우, (c)는 분리막이 있는 경우를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 패터닝 평면 모식도이다.
본 발명의 목적은 전지의 구성요소 중 일부를 물성이 좋은 재료로 치환하거나 추가하여 전지의 기계적 하중지지능력을 증가시키는 것이다. 구체적으로는, 전지 제작 단계에서 경화반응이 가능한 고분자가 함유된 마이크로 캡슐을 선택적으로 도포하여, 이것이 열 및 압력에 의해 화학적으로 반응하여 경화되어 기계적 하중을 지지하는 역할을 한다.
본 발명의 구조전지는 수평 및 수직으로 가해지는 하중 모두에 효율적으로 대응할 수 있다. 특히 본 발명은 잉크젯 프린팅이나 Roll-to-Roll 공정에 응용할 수 있도록 패터닝 기법으로 전극을 도포하는 방법을 포함하는데, 이를 통해 전기화학반응 저하에 대한 영향을 최소화시킨 전지 구조 형성이 가능하다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이며, 때문에 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 도면에서 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 단위 셀(unit cell)은 특정패턴의 오목부가 형성된 양극; 상기 특정패턴과 동일한 패턴의 오목부가 형성된 음극; 및 상기 음극 및 양극 사이에 위치하는 마이크로 캡슐층 및 전해질층;을 포함하는 구조로 이루어진다. 구체적으로 본 발명의 구조전지는, 도 1과 같이 음극 및 양극 전극, 전해질층 및 고분자가 함유된 마이크로 캡슐층으로 구성되며, 음극과 양극이 일정 간격을 두고 각각 설치되고, 그 사이에 고분자가 함유된 마이크로 캡슐층 및 전해질층을 포함한다.
음극 및 양극에 형성된 특정 패턴의 오목부는, 음극 및 양극 제조 시 집전체 상에 전극 슬러리가 도포되지 않은 부분을 의미하며, 이후 전극 슬러리가 도포된 부분 상에는 전해질층을, 상기 오목부 상에는 마이크로 캡슐층을 적층한다. 구체적으로 살펴보면, 일 구현예로서 본 발명은 음극 및 양극 제조시 집전체 상에 전극 슬러리를 특정패턴으로 도포하여 특정패턴의 오목부가 형성된 음극 및 양극을 제조하며, 마이크로 캡슐을 전극 슬러리가 도포되지 않은 빈 부분인 오목부에 도포, 전해질을 전극 슬러리가 도포된 부분에 도포하여 제조된 구조를 갖는다.
본 발명은 고분자가 함유된 마이크로 캡슐을 전극 표면의 특정 영역에 선택적으로 도포하여, 이러한 마이크로 캡슐이 고온·고압의 성형 조건에서 깨어진 후 화학적으로 반응하여 경화되는 원리를 이용한다. 고분자가 함유된 마이크로 캡슐은 고온·고압의 조건에서 성형되어 전지 구조 내 복합재로서 작용하여 기계적 충격을 흡수한다.
상기 마이크로 캡슐에 함유된 고분자는, 전극에 간섭이 적으면서 기계적 강도를 높일 수 있는 물질에 해당하면 제한되지 않고 모두 사용 가능하나, 에폭시, 아크릴 또는 실리콘계 접착성 고분자를 사용할 수 있으며, 에폭시 주제(主劑) 및 에폭시 경화제를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
전지 제작 단계에서 도포된 마이크로 캡슐은, 강한 압력에 의해 깨어지면서 화학적으로 반응하여 경화된다. 이렇게 경화된 고분자가 전지 구조 내 복합재로서 작용하여 기계적 충격력을 흡수한다. 도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 마이크로 캡슐은 전해질층에 단일층으로 도포되며, 완전한 구 형태일 수 있지만, 하기 그림 4와 같이 수직방향에 하나의 직경, 수평방향에 두 개의 직경을 갖는 타원구 또는 알약 형태일 수 있다. 따라서, 캡슐의 수직방향 직경은 수평방향의 두 직경보다 길거나(타원구 형태), 같을(완전한 구 형태) 수 있다. 또한 이 경우 캡슐의 수직방향은 전체 구조전지 적층 방향의 수직방향과 일치하며, 캡슐의 수평방향은 전체 구조전지 적층 방향과 일치한다.
Figure 112018080272079-pat00004
즉, 압력에 의해 마이크로 캡슐이 깨어져 원활한 화학적 경화 반응이 일어날 수 있도록, 구조전지의 수직방향과 평행하게 위치하는 일 직경이 음극과 양극 사이의 간극보다 크되, 구조전지 전체 두께를 초과하지 않아야 한다. 또한, 분리막이 있는 경우에는 그 일 직경이 음극 또는 양극과 분리막 사이의 간극보다 크되, 구조전지 전체 두께의 절반을 초과하지 않아야 한다.
또한, 마이크로 캡슐이 깨어진 후 음극-고분자-양극으로 물리적 결합이 이루어질 수 있도록, 집전체에 전극 슬러리가 도포되지 않은 오목부의 면적과 상응한 면적으로 충분히 도포되고, 즉 캡슐의 수평 단면 면적이 오목부의 면적과 유사하며, 패턴의 모양 및 면적에 따라 마이크로 캡슐은 단일층에 하나 이상 함유될 수 있다(도 3 참조). 마이크로 캡슐은 1종 또는 2종으로 그 내부에 고온·고압 등의 조건에 따라 경화 가능한 고분자 물질을 함유하며, 이 때 서로 다른 고분자 물질이 각각의 다른 마이크로 캡슐에 함유될 수 있다. 즉, 일 실시예로서 i) 주제와 경화제 각각이 포함된 마이크로 캡슐 2종을 제조할 수도 있으며(도 1(b) 참조), 또 다른 실시예로서 ii) 주제를 마이크로 캡슐 형태로 제조한 뒤 경화제를 코팅하는 방법으로 제조하거나(도 2 참조), iii) 고온·고압의 조건에서 화학적 경화 반응을 일으키는 1종 물질을 마이크로 캡슐 내에 포함하여 제조하는 것도 가능하다.
본 발명에서, 고온·고압의 조건 하 화학적 경화 반응을 일으키는 물질은, 에폭시, 아크릴 또는 실리콘계 접착성 고분자이며, 에폭시 주제(主劑) 및 경화제를 사용하는 것이 바람직하다. 대표적인 에폭시 주제인 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(Bisphenol A diglycidyl ether)의 경우, 분자 구조 양 말단의 삼각 고리형태의 글리시딜(Glycidyl) 작용기가 경화제의 말단기와 반응하여 화학결합을 생성한다. 경화제의 말단에는 아미노기, 하이드록실기 등이 있으며 대표적인 경화제로는 디시안디아미드(Dicyandiamide)가 있다.
본 발명에서 사용되는 전해질의 상은 고체, 겔, 액체 타입 모두 가능하다.
본 발명의 구조전지는 분리막을 추가적으로 더 포함할 수 있다. 분리막을 포함하는 경우에는, 음극 전극에 마이크로 캡슐 또는 전해질을 도포한 후 분리막을 적층하고, 다시 마이크로 캡슐 또는 전해질을 도포한 후 양극 전극을 적층한다. 본 발명의 구조전지는, 점도가 높은 겔이나 고체 전해질을 사용하는 경우 분리막이 필수적이지 않으며, 점도가 낮은 겔이나 액체 전해질을 사용하는 경우에도 제조과정상 경화 후 전해질을 주입하기 때문에 분리막이 필수적이지 않아 제조과정을 간소화 할 수 있으며, 제조비용을 절감할 수 있다. 한편, 분리막을 포함하는 경우, 구조전지의 수직방향에 해당하는 일 직경은, 음극 또는 양극과 분리막 사이의 간극보다 크되 구조전지 전체 두께의 절반을 초과하지 않아야 한다.
또한, 본 발명의 구조전지는 음극과 양극 각각의 바깥쪽에 고분자 또는 알루미늄으로 이루어진 외부 케이싱 재료를 추가적으로 더 포함할 수 있으며, 이는 전체 구조를 보호하는 역할을 한다. 외부 케이싱 재료로 쓰이는 고분자의 일 예로, 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)가 사용될 수 있다.
본 발명에서 적층되는 전극의 크기는 원하는 에너지밀도에 의해 계산되며, 케이싱 재료는 구조를 보호하는 영역이 필요하기 때문에 전극의 크기보다 조금 넓게 만들어진다. 도포되는 전해질은 파우치 내부 공간 이상으로 충분한 양이 도포되어 각 전극과 잘 접촉할 수 있도록 하여 조립한다.
본 발명의 구조전지는 다음의 제조방법을 통해 제조된다.
먼저 음극활물질, 양극활물질, 도전제, 바인더 등을 이용하여 전극 슬러리를 제조하여 집전체에 특정패턴으로 도포한다. 이 때, 음극은 구리 포일, 양극은 알루미늄 포일이 일반적으로 사용되나 이에 제한되지 않는다. 기계적 물성 증가를 위해 경우에 따라 탄소 섬유 또는 유리 섬유가 사용될 수 있다.
또한, 경화가 가능한 고분자 물질을 마이크로 캡슐 형태로 제조한다. 이 때, 마이크로 캡슐은, 구조전지의 적층 방향의 수직에 해당하는 일 직경이 음극과 양극 사이의 간극보다 크되 구조전지 전체 두께를 초과하지 않도록 제조하며, 분리막이 있는 경우라면 그 일 직경이 음극 또는 양극과 분리막 사이의 간극보다 크되 구조전지 전체 두께의 절반을 초과하지 않도록 제조하여서, 압력이 가해질 때 캡슐이 깨어질 수 있어야 한다.
준비된 물질을 음극 전극, 마이크로 캡슐 형태의 고분자 / 전해질, 양극 전극 순서로 적층한다.
집전체에 전극 슬러리를 도포하는 경우, 도 3과 같이(예시적) 패터닝하여 특정 영역에 선택적으로 도포한다. 패턴의 모양은 제한되지 않으나, 음극-고분자-양극으로 물리적 결합이 이루어질 수 있도록, 집전체 상에서 전극 슬러리가 도포되지 않은 오목부에는 마이크로 캡슐을 도포하고, 오목부 외 전극 슬러리가 도포된 부분에는 전해질을 도포하여 본 발명의 이차 전지를 제조한다.
즉, 고분자 마이크로 캡슐이 도포될 자리에는 활물질이 도포되지 않고 바로 집전체와 연결될 수 있어야 하므로, 전극의 패터닝 디자인이 필요하다. 이는 패터닝이 가능한 코팅기기를 사용하여 도포할 수 있고, 일 예로서 잉크젯 프린팅을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 잉크젯 프린팅을 사용하는 경우 대면적의 전극을 Roll-to-Roll 공정으로 쉽게 생산할 수 있어, 산업화 및 대형화에 대한 가능성을 높일 수 있다. 특히 대용량, 대면적의 전지가 필요한 전기 자동차 분야 등에 유용하게 적용할 수 있다. 한편, 전극 슬러리는 음극과 양극에 각각 50μm 이하의 마이크로미터 단위 두께로 도포하며, 이를 초과할 경우 전극 물질의 확산에 어려움이 있다.
본 발명에서 사용되는 전해질의 상은 고체, 겔, 액체 타입 모두 가능하다.
본 발명의 구조전지 제조 방법은 전체적으로 상기에 설명된 바와 같으나, 액체 타입 또는 낮은 점도의 겔 타입 전해질을 사용하는 경우에는, 전해질을 가장 마지막 단계에 주입한다. 액체 타입 또는 낮은 점도의 겔 타입 전해질 사용 시에는, 전해질이 마이크로 캡슐과 섞여 전지의 기능성이 떨어질 우려가 있으므로, 고분자를 먼저 열과 압력에 의해 경화시킨 후에 액체 전해질을 후속으로 주입하는 방법을 통해 전지를 제조하는 것이 바람직하다. 즉, 음극 전극, 마이크로 캡슐 형태의 고분자, 양극 전극 순서로 적층한 후, 직경 수 마이크로미터 크기의 호스 등을 설치하여 마지막에 액체 타입의 전해질을 주입할 수 있는 공간을 확보하는 것이 바람직하다. 그 이후 열과 압력을 동시에 가하여 고분자의 마이크로 캡슐이 깨져 경화 반응이 일어나도록 하고, 전극 내부 공간에 액체 전해질을 주입한다.
또한, 본 발명의 구조전지 제조 방법은 음극과 양극 각각의 외면, 즉 음극과 양극을 각각 감싸는 부분에 고분자 또는 알루미늄으로 이루어진 케이싱 재료를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 즉, 케이싱 재료를 추가적으로 더 포함하는 경우 본 발명의 구조전지는, 케이싱 재료, 음극 전극, 마이크로 캡슐 또는 전해질, 양극 전극, 케이싱 재료 순으로 적층된다.
실시예
이하 기재된 본 발명의 실시예는 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공될 뿐이며, 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이므로, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1. 전극 제조
양극활물질, 음극활물질, 도전제, 바인더 등을 이용하여 전극 슬러리를 제조한다. 집전체로서 양극은 알루미늄 포일, 음극은 구리 포일을 사용하며, 이러한 집전체에 제조한 전극 슬러리를 도포한다. 이 때, 잉크젯 프린터를 이용하여 도 3과 같이 특정패턴으로 전극 슬러리를 50 μm로 도포하고, 진공 오븐에 건조하여 전극을 제조한다.
2. 마이크로 캡슐 제조
에폭시 주제 및 에폭시 경화제를 각각 교반 하고 에폭시 주제를 마이크로 캡슐 형태로 제조한 뒤, 경화제를 코팅하는 방법으로 제조한다. 마이크로 캡슐의 크기는 구조전지 각 층 적층방향의 수직에 해당하는 일 직경이 음극과 양극 사이의 간극보다 크되, 구조전지 전체 두께를 초과하지 않아야 한다.
3. 구조전지 제조
알루미늄 케이싱 재료(아래쪽), 음극 전극, 마이크로 캡슐 / 전해질, 양극 전극, 알루미늄 케이싱 재료(위쪽) 순으로 적층한다. 이 때, 전극 슬러리가 도포된 부분에는 겔 타입의 전해질을 도포하고, 전극 슬러리가 도포되지 않은 부분에는 상기 2.에서 제조한 마이크로 캡슐을 도포한다.
4. 비교 실험 - 3점 굽힘 테스트
마이크로 캡슐이 적용된 경우와 그렇지 않은 경우의 기계적, 전기화학적 물성을 비교 평가한다.
(1) 구조전지 제조
상기 제조 방법에 따라 구조전지를 제조한다. 이 때, 전지의 형태는 3점 굽힘 시험을 위하여 사각형 모양의 파우치셀이 적합하다. 구조전지의 크기는 전극부를 가로, 세로 100mm크기로 하여 제조한다. 마이크로캡슐 에폭시 패턴은 수평방향의 두 직경이 모두 5mm이고, 각 패턴 간 간격은 중심점 기준 20mm로 한다. 양 가장자리로부터 20mm의 간격을 두고 패턴의 중심점을 위치시킨다. (이 경우 가로, 세로 길이당 각각 4개의 에폭시 패턴이 들어갈 수 있으며 전체 패턴의 개수는 4X4=16개이다.) 최종적으로, 전극부에 케이싱 재료를 적용한 전체 구조전지의 크기는 가로, 세로 140mm크기로 한다. (전극부의 밀봉 부분을 사방으로 20mm 확보한다.)
(2) 기계적 안정성 평가
제작된 구조전지와 에폭시가 도포되지 않은 비교군을 두어 3점 굽힘 시험을 한다. 굽힘 시험은 전극부에 한하여 시행하며, 구조전지의 중심점으로부터 휘어진 거리를 변위로 하여 기계적 파괴가 일어날 때까지 계속한다. 측정은 변위 당 가해지는 힘 간의 그래프를 도출하며, 같은 변위만큼 변형이 발생했을 때 마이크로캡슐 에폭시가 도포된 구조전지가 그렇지 않은 경우보다 더 큰 힘을 가해야 함을 알 수 있다. 이를 통해 구조전지의 기계적 안정성을 확인한다.
(3) 전기화학적 안정성 평가
3점 굽힘 시험 상태에서 전기화학 반응을 진행한다. 제작된 구조전지와 에폭시가 도포되지 않은 비교군을 같은 힘을 가한 상태에서 cyclic voltammetry 시험을 수행한다. 측정은 0.2C의 전류속도에서 얻어지는 사이클당 충,방전 시 전지용량 그래프를 도출하며, 같은 힘이 가해졌을 때 마이크로 캡슐 에폭시가 도포된 구조전지가 그렇지 않은 경우보다 더 우수한 전지용량을 가짐을 알 수 있다. 이를 통해 구조전지의 기계적 하중 하에서의 전기화학적 안정성을 확인한다.

Claims (15)

  1. 특정 패턴의 오목부가 형성된 양극;
    상기 특정 패턴과 동일한 패턴의 오목부가 형성된 음극; 및
    상기 음극 및 상기 양극 사이에 적층된 마이크로 캡슐층 및 전해질층;을 포함하며,
    상기 양극의 오목부와 상기 음극의 오목부는 서로 마주보도록 적층되고,
    상기 마이크로 캡슐층은, 상기 음극 및 양극의 오목부에 마이크로 캡슐이 적층된 것이며,
    상기 전해질층은, 상기 음극 및 양극의 오목부 외에 전해질이 적층된 것이고,
    상기 마이크로 캡슐층 내 상기 마이크로 캡슐은 경화제를 포함하는, 구조전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 캡슐층 내 하나의 상기 마이크로 캡슐은,
    구조전지 적층 방향과 수직하게 위치하는 일 직경이, 음극과 양극 사이의 간극보다 길되, 구조전지 전체 두께를 초과하지 않는 길이를 갖는, 구조전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 음극과 양극 사이에 위치하는 분리막을 더 포함하며,
    상기 마이크로 캡슐층 및 전해질층은, 상기 분리막과 상기 양극 사이 및 분리막과 음극 사이에 각각 적층되는 것을 특징으로 하는, 구조전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 마이크로 캡슐층 내 하나의 상기 마이크로 캡슐은,
    구조전지 적층 방향과 수직하게 위치하는 일 직경이, 음극 또는 양극과 분리막 사이의 간극보다 길되 구조전지 전체 두께의 절반을 초과하지 않는 길이를 갖는, 구조전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 캡슐은, 주제 및 경화제 각각을 포함하는 2종의 캡슐인, 구조전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 캡슐은, 주제를 마이크로 캡슐 형태로 제조한 뒤, 경화제를 코팅한 것인, 구조전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 캡슐은, 화학적 경화 반응을 일으키는 1종의 물질을 포함하는, 구조전지.
  8. 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주제는 에폭시 주제, 상기 경화제는 에폭시 경화제인, 구조전지.
  9. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    고분자 또는 알루미늄 재료로 이루어진 케이싱을 더 포함하는 구조전지로서,
    상기 케이싱은 상기 음극과 양극의 면적보다 크며, 상기 음극과 양극의 외면을 각각 감싸는 것을 특징으로 하는, 구조전지.
  10. 구조전지의 제조방법으로서,
    (a) 특정패턴의 오목부가 형성된 양극 및 상기 특정패턴과 동일한 패턴의 오목부가 형성된 음극을 제조하는 단계;
    (b) 고분자를 함유하는 마이크로 캡슐을 제조하는 단계;
    (c) 음극 전극, 마이크로 캡슐층 및 전해질층, 양극 전극 순으로 적층하는 단계; 및
    (d) 열 및 압력을 가해 마이크로 캡슐을 깨는 단계;를 포함하며,
    상기 전해질은 고체 또는 점도가 높은 겔 타입이고,
    상기 마이크로 캡슐층은, 상기 음극 및 양극의 오목부에 마이크로 캡슐을 적층하여 제조하며,
    상기 전해질층은, 상기 음극 및 양극의 오목부 외에 전해질을 적층하여 제조한 것인, 구조전지의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 음극 및 양극은, 각 집전체 상에 전극 슬러리를 특정패턴으로 도포하여 제조하는 것을 특징으로 하는, 구조전지의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 특정패턴은 잉크젯 프린터 코팅 기기를 이용하여 도포하여 형성하는 것을 특징으로 하는, 구조전지의 제조 방법.
  13. 구조전지의 제조방법으로서,
    (a) 특정패턴의 오목부가 형성된 양극 및 상기 특정패턴과 동일한 패턴의 오목부가 형성된 음극을 제조하는 단계;
    (b) 고분자를 함유하는 마이크로 캡슐을 제조하는 단계;
    (c) 음극 전극, 마이크로 캡슐층, 양극 전극 순으로 적층하는 단계;
    (d) 열 및 압력을 가해 마이크로 캡슐을 깨는 단계; 및
    (e) 상기 마이크로 캡슐이 깨져 경화된 후, 전극 내부 공간에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하며,
    상기 전해질은 액체 또는 점도가 낮은 겔 타입이고,
    상기 마이크로 캡슐층은, 상기 음극 및 양극의 오목부에 마이크로 캡슐을 적층하여 제조한 것을 특징으로 하는, 구조전지의 제조 방법.

  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에, 고분자 또는 알루미늄 재료로 이루어진 케이싱을 더 포함하는 구조전지의 제조방법으로서,
    상기 케이싱은 상기 음극과 양극의 면적보다 크며, 상기 음극과 양극의 외면을 각각 감싸는 것을 특징으로 하는, 구조전지의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (e) 단계 이후에, 고분자 또는 알루미늄 재료로 이루어진 케이싱을 더 포함하는 구조전지의 제조방법으로서,
    상기 케이싱은 상기 음극과 양극의 면적보다 크며, 상기 음극과 양극의 외면을 각각 감싸는 것을 특징으로 하는, 구조전지의 제조방법.
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