KR102181306B1 - 이차 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

이차 전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102181306B1
KR102181306B1 KR1020130122111A KR20130122111A KR102181306B1 KR 102181306 B1 KR102181306 B1 KR 102181306B1 KR 1020130122111 A KR1020130122111 A KR 1020130122111A KR 20130122111 A KR20130122111 A KR 20130122111A KR 102181306 B1 KR102181306 B1 KR 102181306B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
battery
secondary battery
delete delete
substrate
Prior art date
Application number
KR1020130122111A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150043096A (ko
Inventor
김재현
류순성
Original Assignee
엘지디스플레이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지디스플레이 주식회사 filed Critical 엘지디스플레이 주식회사
Priority to KR1020130122111A priority Critical patent/KR102181306B1/ko
Publication of KR20150043096A publication Critical patent/KR20150043096A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102181306B1 publication Critical patent/KR102181306B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471—Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40—Alloys based on alkali metals
    • H01M4/405—Alloys based on lithium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 이차 전지 및 이의 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 이차 전지는, 플렉시블 기판; 상기 플렉시블 기판 상에 양극, 전해질층 및 음극을 포함하는 전지부가 다수개 적층된 적층형 전지부; 및 상기 적층형 전지부의 양극과 음극에 연결된 제1 및 제2 리드를 포함하고, 상기 적층형 전지부의 전지부 각각에 형성된 양극과 음극은 각각의 제1 및 제2 연결부에 의해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 양극(Cathode)으로 사용되는 LiCoO에 대한 고온 결정화 공정을 진행하고, 고체 전해질 및 음극(Anode)을 저온 공정을 형성할 수 있어 전기 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차 전지 및 그 제조방법{SECONDARY BATTERY AND FABRICATING FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고상 박막 전지는 일반적으로 기판상에 박막을 적층하여 상기 박막이 상호작용하여 전압을 형성하는 방식으로 제조된다. 이러한 박막은 일반적으로 집전층, 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함한다. 박막은 스퍼터링 및 전기도금을 포함하는 다양한 증착 공정을 이용하여 증착될 수 있다. LiCoO2막을 결정화시키기 위하여 이와 같은 적용에 적합한 기판은 통상적으로 공기 중에서 적어도 700℃로 약 2시간에 이르기까지 적어도 하나의 고온 어닐 공정을 견딜 수 있는 고온 소재였다. 이와 같은 기판은 적당한 구조 및 물성을 가지는 적절한 물질일 수 있는데, 예를 들면 반도체 웨이퍼, 금속시트(예를 들어, 티타늄 또는 지르코늄), 알루미나와 같은 세라믹, 또는 LiCoO2 존재 하에서 일련의 고온 공정을 견딜 수 있는 기타 물질일 수 있으며, 이는 이들 온도 사이클 동안 전지에 사용되는 대부분의 물질과 상당한 계면반응을 겪을 수 있다.
LiCoO2 외에도 Ni, Nb, Mn, V을 포함하는, 때에 따라선 Co도 포함하는, 그러나 기타 전이 금속 산화물을 포함하는 리튬 함유 혼합 금속 산화물은 결정에너지 저장 캐소드 물질로 평가되고 있다. 일반적으로, 캐소드 물질은 비정질 형태로 증착된 다음 어닐 공정(anneal process)에서 가열되어 결정질 물질을 형성한다.
예를 들어 LiCoO2의 경우, 700℃ 이상에서의 어닐은 증착된 비정질막을 결정질 형태로 전환시킨다. 그러나 이러한 고온 어닐은 기판으로 사용될 수 있는 물질을 극히 제한하고, 리튬 함유 캐소드 물질과 파괴적 반응을 유발하며, 종종 금과 같은 고가의 귀금속 사용을 필요로 한다. 이러한 높은 써멀 버짓(thermal budget) 공정(즉, 연장된 기간 동안 고온임)은 반도체 또는 MEM 소자 공정과 맞지 아니하고 기판 물질의 선택을 제한하며, 비용을 증가시키고, 그러한 전지의 수율을 감소시킨다.
또한, 현재 사용되는 모바일 및 태블릿(Tablet) PC(Personal Computer)에는 리튬 이온 폴리머(polymer) 전지를 사용하는데, 이는 부피가 크고 폭발 위험성이 있다. 하지만, LiCoO2를 이용한 이차 전지에 비해 대용량 전지를 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 고체전해질 성분인 LiPON과 애노드 성분이 리튬(Li)은 각각 300℃ 이상과 180℃ 이상에서 심각한 열화가 발생되기 때문에 대용량 전지를 구현하기 위한 다중접합(Multi-Junction) 공정에 어려움이 있다.
따라서, LiCoO2를 이용한 고상 이차 전지는 소형 전력원으로만 개발되었고, 모바일과 같은 디스플레이 장치의 전원으로는 개발되지 못하고 있다.
본 발명은, 양극(Cathode)으로 사용되는 LiCoO에 대한 고온 결정화 공정을 진행하고, 고체 전해질 및 음극(Anode)을 저온 공정을 형성할 수 있어 전기 용량을 극대화할 수 있는 이차 전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 다중 접합 공정으로 다수개의 전지부를 적층하여 대용량 전지를 구현할 수 있는 이차 전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고체 전해질을 포함하는 전지를 롤링(Rolling)에 의한 다층 구조로 구현하여 대용량 전지를 구현할 수 있는 이차 전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 이차 전지는, 플렉시블 기판; 상기 플렉시블 기판 상에 양극, 전해질층 및 음극을 포함하는 전지부가 다수개 적층된 적층형 전지부; 및 상기 적층형 전지부의 양극과 음극에 연결된 제1 및 제2 리드를 포함하고, 상기 적층형 전지부의 전지부 각각에 형성된 양극과 음극은 각각의 제1 및 제2 연결부에 의해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 이차 전지 제조방법은, 제1 버퍼층, 희생층, 제2 버퍼층, 제1 집전층 및 LiCoO2막이 형성된 기판을 제공하는 단계; 상기 LiCoO2막을 결정화하여 양극을 형성하는 단계; 상기 양극 상에 전해질층 및 음극을 형성하는 단계; 상기 음극 상에 제2 집전층 및 보호필름을 형성하는 단계; 상기 기판 배면에 레이저 조사 공정을 진행하여, 상기 희생층을 경계로 기판을 분리하는 단계; 상기 제2 버퍼층 하측에 플렉시블 기판을 부착하는 단계; 및 상기 보호필름을 제거하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 이차 전지 제조방법은, 제1 버퍼층, 희생층, 제2 버퍼층 및 LiCoO2막이 형성된 기판을 제공하는 단계; 상기 LiCoO2막을 결정화하여 양극을 형성하는 단계; 상기 양극 상에 지지기판을 부착하는 단계; 상기 양극 및 지지기판을 제외하고, 제2버퍼층, 희생층 및 제1 버퍼층을 분리하는 단계; 상기 양극 하측에 제1 집전층을 형성하고, 제 1 캡핑층이 형성된 플렉서블 기판을 상기 제1 집전층 하측에 부착하는 단계; 상기 지지기판을 제거한 후, 상기 양극 상에 전해질층, 음극 및 제2 집전층을 형성하는 단계; 상기 제2 집전층 상에 제2 캡핑층 및 커버층을 형성하는 단계; 및 상기 양극, 전해질층 및 음극을 포함하는 전지부를 롤링 공정을 통해 적층 구조를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이차 전지 및 이의 제조방법은, 양극(Cathode)으로 사용되는 LiCoO에 대한 고온 결정화 공정을 진행하고, 고체 전해질 및 음극(Anode)을 저온 (또는 상온) 공정으로 형성할 수 있어 전기 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지 및 이의 제조방법은, 다중 접합 공정으로 다수개의 전지부를 적층하여 대용량 전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지 및 이의 제조방법은, 고체 전해질을 포함하는 전지를 롤링(Rolling)에 의한 다층 구조로 구현하여 대용량 전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 다중 접합 공정으로 전지부들을 적층한 이차 전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 롤링에 의한 다층 구조를 갖는 이차 전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 제조공정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 구체적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따라 적층된 다수개의 전지부들의 전기적으로 연결한 이차 전지의 구조이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 이차 전지를 디스플레이 패널의 전원으로 사용하는 모습을 도시한 도면이다.
도 7a 내지 도 7l은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지의 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 9c는 본 발명의 이차 전지에 사용되는 양극의 결정화 온도에 따른 특성을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 다중 접합 공정으로 전지부들을 적층한 이차 전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 고체 전해질을 갖는 이차 전지(200)의 구조는 플렉시블 기판(270) 상에 다수개의 전지부들(TFB: Thin Film Battery)이 적층된 적층형 전지부(280)와, 상기 다수개의 전지부들의 양극(Cathode)들과 음극(Anode)들을 공통으로 연결하는 제1 및 제2 리드(220a, 220b) 및 상기 적층형 전지부(280)를 감싸는 패킹부(250)를 포함한다.
상기 전지부들(TFB)은 양극(Cathode)으로써 LiCoO2막으로 형성되며, LiCoO2막은 펄스-dc 물리적 기상 증착(PVD) 공정에 의하여 기판 상에 증착될 수 있다.
상기 LiCoO2는 도 9a 내지 도 9c에 도시한 바와 같이, 약 700℃ 이상에서 최적의 결정화가 이루어진다. 따라서, 상기 LiCoO2는 상기 플레시블 기판(270)이 아닌 고온에서 변형이 없는 금속, 석영, 사파이어 기판 상에서 결정화가 이루어진다.
상기 LiCoO2의 양극 상에는 고체 전해질과 음극(Anode)이 적층되어 있고, 상기 고체 전해질은 LiPON으로 형성될 수 있고, 음극은 리튬(Li)을 포함할 수 있다.
본 발명의 이차 전지(200)는 LiCoO2, LiPON 및 Li을 포함하는 전지부를 다수개 적층하여 대용량 전지를 구현하였다. 또한, 본 발명은 양극을 구성하는 LiCoO2를 별도의 결정화 공정으로 형성한 후, 고체 전해질(LiPON)과 음극(Li)을 형성하여 고체 전해질 및 음극의 열화 현상을 방지하였다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 롤링에 의한 다층 구조를 갖는 이차 전지의 구조를 도시한 도면으로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 이차 전지(100)는 플렉시블 기판(170) 상에 전지부(180)가 형성되어 있고, 롤링(Rolling) 방식으로 전지부(180)들을 멀티 적층 구조로 형성하였다. 상기 전지부(180)는 패킹부(150)에 의해 패킹(Packing) 되어 있다.
상기 전지부(180)는 도 1의 전지부(TFB) 구조를 갖거나 다수의 전지부들이 적층된 구조일 수 있다. 제2 실시예에 의한 이차 전지(100)의 제조 방법은 도 7a 내지 도 7l에서 구체적으로 설명한다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 제조공정을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 기판(300) 상에 제1 버퍼층(301), 희생층(302), 제2 버퍼층(303), 제1 집전층(304: Current collect layer) 및 LiCoO2막(310a)을 형성한다.
상기 기판(300)은 고 내열성 기판이 바람직하며, 석영, 금속, 사파이어로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(300)은 Si, SiC, GaAs, ZnO, MgO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 버퍼층(301)은 절연 특성과 투습성을 방지할 수 있는 물질로써, 무기물 일 수 있다. 예를 들어, SiN, SiO 및 AlO 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 버퍼층(303) 역시 절연 특성과 투습성을 방지할 수 있는 물질로써, 무기물 일 수 있다. 예를 들어, SiN 또는 SiO 중 어느 하나일 수 있다.
상기 희생층(302)은 접착력과 레이저(Laser) 또는 자외선(Ultra Violet)에 의해 분리될 물질로 형성하는 것이 바람직하고, 비정질실리콘(a-Si:H)으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 집전층(304)은 전도성 금속일 수 있고, 예를 들어 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 백금(Pt) 중 어느 하나일 수 있다.
상기와 같이, LiCoO2막(310a)이 제1 집전층(304) 상에 형성되면, 700℃의 온도로 결정화 공정을 진행한다. 경우에 따라 450~900℃ 범위에서 선택적으로 가열 온도는 조절될 수 있다.
상기와 같이, LiCoO2막(310a)에 결정화 공정이 완료되면 이차 전지의 양극(310: Cathode)이 형성된다.
상기와 같이, 기판(300) 상에 양극(310)이 형성되면, 전해질층(320)과 금속막을 형성하여 음극(330: Anode)을 형성한다. 상기 전해질층(320)은 고체 전해질인 LiPON층일 수 있다. 또한, 상기 전해질층(320)은 무기물 전해질 및 고분자 전해질로 형성할 수 있다. 또한, 상기 음극(330)은 리튬(Li)일 수 있다.
상기와 같이, 기판(300) 상에 양극(310), 전해질층(320) 및 음극(330)이 형성되면, 제2 집전층(331)을 형성한다. 상기 제2 집전층(331) 상에는 보호필름(332)을 형성하며, 상기 보호필름(332)은 기판(300)을 분리할 때, 양극(310), 전해질층(320) 및 음극(330)을 포함하는 전지부를 지지할 수 있도록 PDMS 및 TRT/접착층으로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 보호필름(332)이 형성되면, 도 3d에 도시한 바와 같이, 기판(300) 배면으로 레이저(laser)를 조사하여, 희생층(302)을 경계로 제2 버퍼층(303) 상부에 형성된 양극(310), 전해질층(320) 및 음극(330)을 포함하는 전지부를 분리한다.
그런 다음, 접착층(355)이 형성된 플렉시블 기판(350)을 상기 제2 버퍼층(303)에 부착한다. 상기 플렉시블 기판(350)은 플라스틱 기판 또는 글라스 기판을 사용할 수 있다.
상기와 같이, 플렉시블 기판(350)이 부착되면, 상기 플렉시블 기판(350) 상부에는 제1, 제2 집전층(304, 331), 양극(310), 전해질층(320) 및 음극(330)으로 구성된 전지부가 형성된다. 이후, 제2 집전층(331) 상부에 배치된 보호필름(332)을 제거함으로써, 이차 전지를 완성한다.
상기 보호필름(332)을 제거할 때, 물리적 힘 또는 자외선 조사 공정으로 분리할 수 있다.
하지만, 상기 보호필름(332)은 적층되어 있는 전지소자간의 전기적 절연 역할 또는 크랙 발생의 억제를 위해 제거하지 않을 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 이차 전지는 700℃에서 결정화 공정을 진행하는 양극을 내열성 기판 상에서 진행한 후, 전해질층 및 음극을 저온 공정으로 상기 양극 상에 형성하고, 이후 플렉시블 기판을 양극, 전해질층 및 음극을 포함하는 전지부에 부착함으로써, 양극의 결정화 정도를 높일 수 있다.
아울러, 이차 전지 제조 공정 중 전해질층 및 음극이 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 구체적인 도면으로서, 도시된 바와 같이, 도 3a 내지 도 3f에 따라 제조된 이차 전지의 전지부(TFB)를 다층 접합 공정으로 적층할 수 있다.
상기 도 3f와 같이, 플렉서블 기판(350) 상에 접착층(355), 제2 버퍼층(303), 제1 집전층(304), 양극(310), 전해질층(320), 음극(330) 및 제2 집전층(331)으로 구성된 제1 전지부(first TFB)가 형성되면, 전지부를 형성하는 도 3d의 단계에서 플렉서블 기판 부착 없이, 접착층을 제2 버퍼층(304) 하측에 형성한 후, 상기 제1 전지부(first TFB) 에 부착한다.
제2 전지부(second TFB) 역시, 제1 전지부의 구조와 동일한 구조를 갖고, 접착층을 이용하여 다수개의 전지부들을 동일한 방식으로 적층 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 이차 전지는 다층 접합 공정이 가능하기 때문에 리듐 이온 폴리머 배터리에 비해 저 용량을 갖지만, 다수개의 전지부들을 적층할 수 있어, 고용량 전지를 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따라 적층된 다수개의 전지부들의 전기적으로 연결한 이차 전지의 구조이다.
플렉서블 기판(470) 상에 다수개의 전지부들(TFB)이 적층된 적층형 전지부(480)를 형성할 경우, 이들 전지부들(TFB)의 양극과 음극을 도 1과 같이 리드 단자를 인출하여 제1 및 제2 리드(220a, 220b)와 연결할 수 있지만, 도 5와 같이, 적층형 전지부(480)에 비아 홀(Via Hole)을 형성하고, 비아 홀에 제1 및 제2 연결부(430a, 430b)를 채워넣어 전지부들(TFB)을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 제1 및 제2 연결부(430a, 430b)들은 각각 제1 및 제2 리드(420a, 420b)와 전기적으로 연결되어, 외부 소자와 연결된다.
하지만, 상기 제1 및 제2 연결부(430a, 430b)는 상기 적층형 전지부(480)의 전지부(TFB)들에 도전성 필름을 부착하거나 도전성 물질을 프린팅함을 통해 상기 전지부들(TFB) 각각에 형성된 양극 또는 음극을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 전지부(TFB)에 양극과 음극에 연결부를 형성하는 방법은 공정 중 양극과 인접한 제1 집전층 및 음극과 인접한 제2 집전층에 수직한 비아홀을 형성한 후, 금속막을 증착하여 연결부들을 형성할 수 있다. 적층형 전지부(480)를 구현할 때에는 각각의 전지부 형성 단계에서 반복적으로 형성할 수 있다.
또한, 도면에는 명확하게 도시하지 않았지만, 전지부(TFB)가 양극, 전해질 및 음극이 적층되어 있기 때문에 양극과 연결되는 연결부와 음극과 연결되는 연결부의 전기적 접촉을 방지하기 위해 각각의 전지부에서 연결을 위한 집전층(양극 또는 음극)들을 다른 집전층 보다 외측으로 돌출되게 형성하면, 제1, 2 연결부(430a, 430b)들은 각각 전지부들의 양극 또는 음극들만 전기적으로 연결할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 이차 전지를 디스플레이 패널의 전원으로 사용하는 모습을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 모바일 또는 태블릿 기기에서 본 발명의 적층형 이차 전지(stacked TFB)를 전원으로 사용할 경우, 제1 플렉시블 기판(S1)을 사이에 두고 디스플레이 패널(Display Panel)과 적층형 이차 전지를 배치할 수 있다. 상기 적층형 이차 전지는 제2 플렉시블 기판(S2)을 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 패널은 액정표시장치 또는 유기전계발광소자를 포함하는 표시패널일 수 있고, 상기 제1 플렉시블 기판(S1)은 디스플레이 패널의 소자들이 형성되는 기판일 수 있다.
또한, 상기 제2 플렉시블 기판(S1) 다수개의 전지부들을 적층될 때, 제1 전지부가 형성된 일체형 기판일 수 있다.
또한, 경우에 따라 도 6b와 같이, 플렉시블 기판(S)에 적층형 이차 전지(Stacked TFB)가 형성되고, 상기 적층형 이차 전지 상에 디스플레이 패널을 안착시킬 수 있다.
도 7a 내지 도 7l은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지의 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 7a 내지 도 7l을 참조하면, 기판(500) 상에 제1 버퍼층(501), 희생층(502), 제2 버퍼층(503) 및 LiCoO2막(510a)을 형성한다.
상기 기판(500)은 고 내열성 기판이 바람직하며, 석영, 금속, 사파이어로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(500)은 Si, SiC, GaAs, ZnO, MgO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 버퍼층(501)은 절연 특성과 투습성을 방지할 수 있는 물질로써, 무기물 일 수 있다. 예를 들어, SiN, SiO 및 AlO 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 버퍼층(503) 역시 절연 특성과 투습성을 방지할 수 있는 물질로써, ZnO을 사용할 수 있다. 상기 LiCoO2막(510a)과 제2 버퍼층(503)은 스퍼터링 공정에 의해 증착할 수 있다.
상기 희생층(502)은 접착력과 레이저(Laser) 또는 자외선(Ultra Violet)에 의해 분리될 물질로 형성하는 것이 바람직하고, 비정질실리콘(a-Si:H)으로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제2 버퍼층(503) 상에 LiCoO2막(510a)이 형성되면, 700℃의 온도로 결정화 공정을 진행한다. 경우에 따라 450~900℃ 범위에서 선택적으로 가열 온도는 조절될 수 있다.
상기와 같이, LiCoO2막(510a)에 결정화 공정이 완료되면 이차 전지의 양극(510: Cathode)이 형성된다.
상기와 같이, 기판(500) 상에 양극(510)이 형성되면, 제1 접착층(511)이 형성된 지지기판(520)을 상기 양극(510)에 부착한다. 상기 지지기판(520) 전지부 형성을 위해 일시적으로 부착한 기판이다.
상기와 같이, 지지기판(520)이 부착되면, 레이저 분리 공정으로 상기 제2 버퍼층(503) 상부와 하부를 각각 분리한다.
따라서, 상기 지지기판(520)의 제1 접착층(511)에는 양극(510)이 부착된 상태에서 상기 제2 버퍼층(503)과 분리된다. 상기 제2 버퍼층(503)은 옥살산(oxalic acid)를 이용하여 제거할 수 있다. 또한, 건식 식각을 통해서 제2 버퍼층(503)으르 제거할 수도 있다.
또한, 제2 버퍼층(503) 하측은 레이저 조사 공정으로 희생층(502)과 제2 버퍼층(503)을 분리하는데, 사용되는 레이저는 엑시머(excimer) 레이저이고, 세기는 약 500mJ/㎠ 정도로 할 수 있다. 하지만, 이것은 고정된 것이 아니고 희생층(502)의 두께에 따라 레이저의 세기와 조사 시간은 조절될 수 있다.
상기와 같이, 양극(510)이 기판(500)과 분리되면, 양극(510) 하측에 제1 집전층(512)을 형성한다. 상기 제1 집전층(512)은 구리(Cu), 백금(Pt) 또는 알루미늄(Al)과 같은 전도성 금속을 증착하여 형성할 수 있다.
그럼 다음, 플렉서블 기판(540) 상에 제2 접착층(514) 및 제1 캡핑층(513)이 형성된 기판을 상기 제1 집전층(512)에 부착한다. 상기 제1 캡핑층(513)은 제1 집전층(512)과 제2 접착층(514) 사이의 투습성 향상을 위해 전도성 고분자(PANI: Polyaniline) 또는 무기물인 AlO으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 제1 캡핑층(513)은 전도성 고분자층과 AlO층의 이중 구조일 수 있다.
상기와 같이, 플렉서블 기판(540)이 부착되면, 도 7g에 도시된 바와 같이, 지지기판(520)을 제거하여, 상기 플렉시블 기판(540) 상에 제2 접착층(514), 제1 캡핑층(513), 제1 집전층(512) 및 양극(510)이 적층된다.
그런 다음, 상기 양극(510) 상에 전해질층(550)과 금속막을 형성하여 음극(560: Anode)을 형성한다. 상기 전해질층(550)은 고체 전해질인 LiPON층일 수 있다. 또한, 상기 전해질층(550)은 무기물 전해질 및 고분자 전해질로 형성할 수 있다. 또한, 상기 음극(560)은 리튬(Li)일 수 있다.
상기와 같이, 플렉서블 기판(540) 상에 양극(510), 전해질층(550) 및 음극(560)이 형성되면, 제2 집전층(561)을 형성한다. 상기 제2 집전층(561) 상에는 제2 캡핑층(562), 제3 접착층(563) 및 커버층(564)을 형성한다.
이와 같이, 양극(510), 전해질층(550) 및 음극(560)을 포함하는 전지부가 형성되면, 롤링(Rolling) 공정에 의해 상기 도 2에 도시한 전지부가 적층 구조를 갖는 이차 전지를 형성할 수 있다.
이때, 상기 제2 집전층(561) 상의 제2 캡핑층(562), 제3 접착층(563) 및 커버층(561)을 제거하고, 상기 제2 집전층(561) 상에 크랙(crack) 및 투습 방지를 위해 폴리머층(575)을 형성한 다음, 적층 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 이차 전지는 700℃에서 결정화 공정을 진행하는 양극을 내열성 기판 상에서 진행한 후, 전해질층 및 음극을 저온 공정으로 상기 양극 상에 형성하고, 이후 플렉시블 기판을 양극, 전해질층 및 음극을 포함하는 전지부에 부착함으로써, 양극의 결정화 정도를 높일 수 있다.
아울러, 이차 전지 제조 공정 중 전해질층 및 음극이 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 8a 내지 도 9c는 본 발명의 이차 전지에 사용되는 양극의 결정화 온도에 따른 특성을 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 LiCoO2막을 500℃ 정도에서 결정화한 후, 결정성, 결정방향 및 용량 특성을 도시한 도면이고, 도 9a 내지 도 9c는 LiCoO2막을 900℃ 정도에서 결정화한 후, 결정성, 결정방향 및 용량 특성을 도시한 도면이다.
도 8a와 도 9a의 LiCoO2막의 결정성(XRD)을 비교해보면, LiCoO2막은 고온에서 결정성이 우수함을 알 수 있다. 상기 LiCoO2막이 결정화되면 <101> 또는 <003> 결정 배향을 갖는데, 500℃ 보다 900℃에서 리듐(Li)이 계면을 따라 잘 이동할 수 있는 결정 방향 <101>의 특성이 우수함을 볼 수 있다.(도 8b 및 도 9b)
즉, 이차 전지의 양극(cathode)로 사용되는 LiCoO2막은 고온에서 결정화할 경우 <101> 결정 방향의 특성이 증가하는데, 이는 리듐 전지의 에너지 밀도 저장 능력(Capacity)을 증가시킨다.
도 8c 및 도 9c를 비교해 보면, LiCoO2막에서 <003> 결정 방향이 큰 경우(도 8c), 보다 <101> 결정 방향이 큰 경우에 에너지 저장 능력이 32㎂h/㎠ 에서 60㎂h/㎠ 으로 상승(87% 상승)한 것을 볼 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지 및 이의 제조방법은, 양극(Cathode)로 사용되는 LiCoO에 대한 고온 결정화 공정을 진행하고, 고체 전해질 및 음극(Anode)을 저온 공정을 형성할 수 있어 전기 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지 및 이의 제조방법은, 다중 접합 공정으로 다수개의 전지부를 적층하여 대용량 전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지 및 이의 제조방법은, 고체 전해질을 포함하는 전지를 롤링(Rolling)에 의한 다층 구조로 구현하여 대용량 전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.
300: 기판 301: 제1 버퍼층
302: 희생층 303: 제2 버퍼층
304: 제1 집전층 310: 양극(Cathode)
320: 전해질층 330: 음극
331: 제2 집전층 332: 보호필름

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1 버퍼층, 희생층, 제2 버퍼층 및 LiCoO2막이 형성된 기판을 제공하는 단계;
    상기 LiCoO2막을 결정화하여 양극을 형성하는 단계;
    상기 양극 상에 지지기판을 부착하는 단계;
    상기 양극 및 지지기판을 제외하고, 제2버퍼층, 희생층 및 제1 버퍼층을 분리하는 단계;
    상기 양극 하측에 제1 집전층을 형성하고, 제 1 캡핑층이 형성된 플렉서블 기판을 상기 제1 집전층 하측에 부착하는 단계;
    상기 지지기판을 제거한 후, 상기 양극 상에 전해질층, 음극 및 제2 집전층을 형성하는 단계;
    상기 제2 집전층 상에 제2 캡핑층 및 커버층을 형성하는 단계; 및
    상기 양극, 전해질층 및 음극을 포함하는 전지부를 롤링 공정을 통해 적층 구조를 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지 제조방법.


  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 SiN, SiO 및 AlO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제2 버퍼층은 ZnO인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 집전층은 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 백금(Pt) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 LiCoO2막의 결정화 온도는 450~900℃ 범위인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 전해질층은 고체 LiPON인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 음극은 리튬(Li)인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
KR1020130122111A 2013-10-14 2013-10-14 이차 전지 및 그 제조방법 KR102181306B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130122111A KR102181306B1 (ko) 2013-10-14 2013-10-14 이차 전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130122111A KR102181306B1 (ko) 2013-10-14 2013-10-14 이차 전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150043096A KR20150043096A (ko) 2015-04-22
KR102181306B1 true KR102181306B1 (ko) 2020-11-20

Family

ID=53035959

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130122111A KR102181306B1 (ko) 2013-10-14 2013-10-14 이차 전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102181306B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012190542A (ja) * 2011-02-21 2012-10-04 Denso Corp 捲回型電池、その製造方法および製造装置
KR101277254B1 (ko) * 2012-10-15 2013-06-26 이상호 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물을 버퍼층으로 활용한 전자소자 제조방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100942986B1 (ko) * 2006-03-21 2010-02-17 주식회사 엘지화학 전지셀 사이에 접착부재가 부착되어 있는 전지모듈
KR100982468B1 (ko) * 2008-04-25 2010-09-16 지에스나노텍 주식회사 고용량 박막전지 모듈 및 그 제조 방법
KR20100027526A (ko) * 2008-09-02 2010-03-11 삼성전기주식회사 박막 소자 제조방법
KR101161154B1 (ko) * 2010-10-20 2012-06-29 지에스나노텍 주식회사 기판 내장형 단자를 포함하는 박막전지 및 이를 이용하여 제조된 적층형 박막전지 모듈
KR101312081B1 (ko) * 2011-05-06 2013-10-02 스템코 주식회사 무기판 박막 전지, 및 그의 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012190542A (ja) * 2011-02-21 2012-10-04 Denso Corp 捲回型電池、その製造方法および製造装置
KR101277254B1 (ko) * 2012-10-15 2013-06-26 이상호 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물을 버퍼층으로 활용한 전자소자 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150043096A (ko) 2015-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI796295B (zh) 於電極與電解質層間具有中間層之能量儲存元件
JP5515307B2 (ja) 薄膜固体リチウムイオン二次電池
JP6590242B2 (ja) 薄膜全固体電池
JP4043296B2 (ja) 全固体電池
US20120115259A1 (en) Method for fabricating flexible electronic device and electronic device fabricated thereby
US10020540B2 (en) Thin film batteries comprising a glass or ceramic substrate
US20170149093A1 (en) Configurations of solid state thin film batteries
US20090136839A1 (en) Thin film battery comprising stacked battery cells and method
KR101792572B1 (ko) 절연물질이 코팅되어 있는 전극을 포함하는 전지셀
JP7065944B2 (ja) 積層電池構造および積層電池構造を製造するための方法
CN108808058B (zh) 一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片
US10263275B2 (en) All-solid rechargeable battery, method for manufacturing same, and electronic apparatus
US20110155219A1 (en) Thin film solar cell and method for fabricating the same
JP5217074B2 (ja) 薄膜固体リチウムイオン二次電池
KR102181306B1 (ko) 이차 전지 및 그 제조방법
KR101406659B1 (ko) 레이저를 이용한 소자 분리 방법, 플렉서블 소자 제조방법
JP2008140705A (ja) 全固体型リチウム二次電池製造方法および全固体型リチウム二次電池
WO2017204859A1 (en) Configuration of solid state thin film batteries
KR101231396B1 (ko) 플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자
KR101417575B1 (ko) 배터리 분리 방법 및 이를 이용한 배터리 제조방법
WO2014035014A1 (ko) 유연 전자소자 및 그 제조방법, 응력 완화에 의한 배터리 용량 증대 방법 및 이에 의하여 증대된 용량을 갖는 유연 배터리
KR101383448B1 (ko) 사용자 단말 전력공급용 다층 배터리 및 그 제조방법
US20240014433A1 (en) Method of Manufacturing an Electrode Assembly and Manufacturing Apparatus Thereof
KR101941452B1 (ko) 박막 전지 및 그 제조 방법
JP7104482B2 (ja) 再充電可能電池スタック

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant