KR102219283B1 - 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유-활물질 복합체는, 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 구조부, 및 구조부의 탄소섬유가 점유하는 영역 외의 적어도 일부 영역에 배치되는 활물질부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지 {CARBON FIBER-ACTIVE MATERIAL COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND LITHIUM-ION BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 탄소섬유 원단이 가지고 있는 3차원 다공성 구조를 활용하여 전극 활물질을 높은 대량 적재(high mass loading)가 가능하도록 하고 내구성을 향상시킨 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지에 관한 것이다.
리튬이온전지는 탁월한 전기 화학 성능과 고용량으로 인해 스토리지 시스템에서 가장 유망한 솔루션 중 하나이다. 대용량 저장 장치에 대한 요구를 충족시키기 위해 리튬이온전지의 정격 용량과 에너지 밀도의 개선이 필요하며 이는 새로운 복합 음극 또는 양극의 연구에 직결된다.
리튬이온전지 용으로 매우 대중적인 상용 음극 재료 중 하나인 리튬 철 인산염(LiFePO4 또는 LFP)은 저비용, 환경 성능, 비교적 큰 용량 및 안정성과 같은 장점을 가지고 있다. LFP에 고유하지 않은 모든 음극 물질은 물질의 고유 특성에 의해 제한되는 충전 용량에서 이론 값을 나타낸다.
Li 이온의 확산을 지연시킬 수 있는 구조적 결함 또는 다른 요인들은 음극의 실제 용량을 더 낮춘다. 현재의 LFP에 전기 화학적 성능을 향상시키는 기술에는 LFP(cLFP)에 탄소 코팅, 금속 도핑, LFP 입자 크기 제어 등이 있다.
[Wang, Y., Hosono, E., Wang, K. & Zhou, H. The design of a LiFePO4/carbon nanocomposite with a core-shell structure and its synthesis by an in situ polymerization restriction method. Angew. Chem. Int. Ed. 47,7461-7465 (2008)]
[Meethong, N., Kao, Y. H., Speakman, S. A. & Chiang, Y. M. Aliovalent substitutions in olivine lithium iron phosphate and impact on structure and properties. Adv. Funct. Mater. 19, 1060-1070 (2009)]
[Delmas, C., Maccario, M., Croguennec, L., Le Cras, F. & Weill, F. Lithium deintercalation in LiFePO(4) nanoparticles via a domino-cascade model. Nat. Mater. 7, 665-671 (2008)]
탄소 코팅 공정은 충/방전 공정 동안 전도성 탄소층이 전자 이동 속도를 증가시키기 때문에 주로 사용되어 왔다. 금속 도핑은 Li 이온의 확산 채널을 확장시키고 LFP 기반 리튬이온전지의 출력 전압을 증가시킬 수 있다. LFP 입자 크기의 감소는 Li 이온 확산 경로를 단축시키는 장점을 가진다. 그러나, 높은 표면적을 가지도록 바인더의 높은 LFP 적재량이 요구되는 단점이 있다. 따라서 나노 크기의 물질은 실용적인 리튬 이온 배터리에는 적용하는데 한계가 있다.
리튬이온전지에서 기존의 집전체로 쓰는 알루미늄 호일 또한 활물질의 적재량을 감소시키기 때문에, 배터리의 특성을 감소시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 집전체나 활물질을 탄소소재물질과 합성하여 복합구조체로 제작하는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 탄소섬유 원단이 가지고 있는 3차원 다공성 구조를 활용하여, 전극 활물질을 높은 대량 적재(high mass loading)가 가능한 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 임피던스 값을 낮추어 기존의 구조의 충/방전 특성을 극복하여 소자의 특성을 극대화할 수 있는 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 섬유의 불안전한 내구성으로 인한 효율 저하를 개선할 수 있는 탄소섬유-활물질 복합체와 그 제조 방법 및 탄소섬유-활물질 복합체를 포함하는 리튬이온전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 구조부; 및 구조부의 탄소섬유가 점유하는 영역 외의 적어도 일부 영역에 배치되는 활물질부를 포함하는, 탄소섬유-활물질 복합체가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 활물질부는 리튬 철 인산염(LiFePO4, LFP)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조부는 복수의 탄소섬유 층을 포함하고, 탄소섬유 층 사이에 활물질부가 배치될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소섬유-활물질 복합체는 리튬이온전지의 양극(cathode)으로 사용될 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 양극활물질을 포함하는 활물질 조성물을 제공하는 단계; (b) 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 구조부를 제공하는 단계; 및 (c) 구조부에 양극활물질을 포함하는 조성물을 코팅하는 단계를 포함하는, 탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 단계는, (a1) 리튬 철 인산염(LiFePO4, LFP)을 포함하는 양극활물질, 전도성 카본 및 바인더를 혼합하여 활물질 혼합물을 제조하는 단계; 및 (a2) 활물질 혼합물을 용매에 용해시켜 활물질 조성물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (d) 구조부 및 조성물을 압착 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (b) 단계는, (b1) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계; (b2) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; 및 (b3) 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산화된 탄소섬유 소스는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행할 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 탄소섬유-활물질 복합체를 양극(cathode)으로 사용하는, 리튬이온전지가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬이차전지는 코인셀 형태 또는 파우치 형태일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소섬유 원단이 가지고 있는 3차원 다공성 구조를 활용하여, 전극 활물질을 높은 대량 적재(high mass loading)가 가능하고, 배터리 용량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 임피던스 값을 낮추어 기존의 구조의 충/방전 특성을 극복하여 소자의 특성을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 섬유의 전해질에 의한 취약한 내구성을 향상시켜 효율 저하를 개선할 수 있는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 제작하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유 원단의 다양한 특성 및 응용예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 코인 셀에 적용한 개략도 및 탄소섬유 원단에 탑재된 활물질의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 집전체로 사용할 때 활물질이 탑재된 부피를 측정한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬이온전지 전극에서의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 셀의 에너지 저장 특성 측정 실험 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 셀을 LED 발광소자를 연결한 상태를 표시한 이미지이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 제작하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 먼저, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 준비한다.
단섬유(staple)는 통상 3~5cm의 길이(d)를 가지는 짧은 섬유이고, 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 탄소섬유는 90% 이상이 탄소원자로 구성된 섬유이다. 아크릴로니트릴(CH2=CHCN)의 중합체인 PAN계 중합체를 포함하는 방사 용액을 습식 방사, 건식 방사 또는 습식과 건식을 혼합한 방사 방법으로 전구체인 PAN 섬유를 얻은 후에, 이를 200℃~400℃의 산화성 분위기 하에서 가열하여 안정화시킬 수 있다. PAN의 시안기(cyano group: -CN)는 탄소와 질소가 삼중 결합(triple bond)을 이루는 구조를 가지며, 여기에 열이 가해지면 시안기의 삼중 결함이 이중 결합(double bond)으로 변하면서 PAN이 안정화 될 수 있다. 재활용된 단섬유를 원소재로서 사용할 수도 있다. 본 명세서에서는 산화되어 안정화된 상태를 "산화된 탄소섬유 소스", "폴리아크릴로니트릴게(PAN계) 산화섬유", "옥시팬"으로 지칭한다.
도 1의 (b) 및 (c)를 참조하면, 다음으로, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조할 수 있다. 이어서, 산화섬유 방적사로 원단을 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 산화된 탄소섬유 소스[폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유]는 탄화까지 마친 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 탄소섬유와는 달리 유연성이 뛰어나 원단을 제직 또는 제편하기 용이하며, 그로 인해 원단의 제조공정성이 우수한 이점이 있다.
종래에는 필라멘트 형태의 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 또는 피치계 산화섬유를 사용하여 곧바로 직물을 제직하거나 편물을 제편하여 원단을 제조하였으나, 이 방법에 의해 제조된 원단은 외력에 구부러지거나 겹쳐졌을때 쉽게 필라멘트 형태의 구조물들이 쉽게 파손되는 문제점이 있었다. 그리하여, 본 발명은 필라멘트 형태의 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 또는 피치계 산화섬유를 사용하는 대신에, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 사용한다. 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 방적사 또는 피치계 산화섬유 방적사를 사용하여 제조된 원단은 원단이 외력에 구부러지거나 겹쳐졌을때에도 파손되지 않고 유연한 형태를 유지할 수 있다.
도 1의 (d)를 참조하면, 다음으로, 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시킬 수 있다.
폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 방적사 또는 피치계 탄화섬유 방적사로 제조된 원단을 가열하면, PAN의 수소, 질소 등이 제거되면서 탄소끼리만의 결합이 존재하는 탄화가 완료됨에 따라 탄소섬유 원단(110)을 제조할 수 있다. 탄화가 완료된 면상 구조체 형태의 탄소섬유 원단을 "구조부"(110)로 나타낸다.
탄화는 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃인 것이 바람직하고, 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 700℃ 미만이거나 열처리 시간이 1분 미만인 경우에는 충분한 탄화가 수행되지 못해서 탄소섬유 원단의 전기전도도가 저하되는 문제가 있다. 또한, 열처리 온도가 1,500℃를 초과하거나 열처리 시간이 300분을 초과하는 경우에는 탄소섬유 원단의 강도 및 신도(ductility)가 떨어지는 문제가 있다.
탄화가 완료된 탄소섬유 원단(110)[구조부(110)]은 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 유연성을 구비하는 면상구조체 형태를 가진다. 구조부(110)는 복수의 탄소섬유 층[면상구조체 층]을 포함하고, 탄소섬유 층 사이에 빈 공간, 또는 공극(pore) 영역을 포함할 수 있다. 이 빈 공간에 후술할 활물질부(150)가 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유 원단의 다양한 특성 및 응용예를 나타내는 개략도이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 탄화가 완료된 탄소섬유 원단(110)[구조부(110)]을 통해 티셔츠, 장갑 등 의류를 제조할 수 있다. 구조부(110)는 열전도성이 뛰어나므로 히트 싱크(heat sink)로 사용될 수 있다. 또한, 면 저항(Sheet resistance)을 가지며 소정의 전압 인가시에도 발열성을 구비하게 되므로 히터로 사용될 수 있다. 구조부(110)는 탄소섬유로 이루어져 구기거나(Crumpled), 비트는(twisted) 등의 변형을 가하여도 전도성을 유지할 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 탄화가 완료된 탄소섬유 원단(110)[구조부(110)]이 열 절연 특성을 가지며, 보호물(protector)로서 사용될 수 있음이 나타난다.
도 2의 (c)를 참조하면, 구조부(110)를 한층 또는 복수층 적층한 형태를 코인 셀 형태 또는 파우치 셀 형태의 리튬이온전지에 적용할 수 있는 예시가 나타난다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 코인 셀에 적용한 개략도 및 탄소섬유 원단에 탑재된 활물질의 개략도이다.
구조부(110)를 리튬이온전지에 적용하기 위해, 먼저, 구조부(110)에 활물질부(150)를 형성할 수 있다. 활물질부(150)는 양극활물질(cathode active material)로서 기능할 수 있다. 활물질부(150)는 리튬 철 인산염(LiFePO4, LFP)을 포함할 수 있다.
탄소섬유-활물질 복합체(100: 110, 150)는 아래 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 양극활물질, 전도성 카본 및 바인더를 혼합하여 활물질 혼합물을 제조할 수 있다. 그리고, 활물질 혼합물을 용매에 용해시켜 활물질 조성물을 제조할 수 있다. 다음으로, 활물질 조성물을 구조부(110)에 코팅할 수 있다. 다음으로, 롤 프레스(roll-press)를 이용하여 활물질 조성물이 코팅된 구조부(110)를 압착하고, 오븐에서 건조를 수행할 수 있다. 최종적으로, 탄소섬유-활물질 복합체(100)가 제조될 수 있다.
탄소섬유-활물질 복합체(100)에서, 구조부(110)의 빈 공간, 또는 공극(pore) 영역에 리튬 철 인산염(LiFePO4, LFP)인 활물질부(150)가 배치될 수 있다. 다시 말해, 구조부(110)의 탄소섬유가 점유하는 영역 외의 적어도 일부 영역에 활물질부(150)가 배치될 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 탄소섬유-활물질 복합체(100)를 양극(cathode)로 사용하는 코인 셀 형태의 리튬이온전지(10)가 도시된다. 리튬이온전지(10)는 상부/하부 케이스(11), 상대 전극(anode; 12), 분리막(13), 개스킷(14), 전해질(15), 양극(100)[탄소섬유-활물질 복합체(100)]을 포함하고, 와셔(16), 스페이서(17) 등을 더 포함할 수 있다.
도 3의 (b) 및 (c)의 상부 도면은 구조부(110)의 탄소섬유 원단을 나타낸다. 도 3의 (b) 및 (c)의 하부 도면은 활물질부(150)가 구조부(110) 내부에 배치된 탄소섬유-활물질 복합체(100: 110, 150)를 나타내며, 탄소섬유-활물질 복합체(100) 내에 전해질(15)이 배치된 형태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 집전체로 사용할 때 활물질이 탑재된 부피를 측정한 이미지이다.
탄소섬유-활물질 복합체(100)를 100% 라고 할 때, 탄소섬유[구조부(110)]를 제외한 활물질 영역[활물질부(150)]은 48.29% 이고, 활물질과 탄소섬유를 제외한 포어(pore) 영역이 4,06% 이다. 이를 기반으로 탄소섬유를 제외한 영역 기준에서 활물질이 탑재된 로딩의 확률을 약 92%[48.29/(48.29+4.06)X100=92(%)]로 계산할 수 있다.
이하에서는, 일 실시예 및 비교예에 따라 탄소섬유 원단의 에너지 저장 소자 제작 및 특성을 살펴본다.
실시예 1 : 리튬이차전지의 제작 (탄소섬유원단 사용, CSF/LFP@C)
양극활물질 (리튬인산철, LiFePO4), 전도성 카본, 바인더 (PVDF, Polyvinylidene fluoride)를 8:1:1의 비율로 혼합하여 활물질 혼합물을 제조한다. 그리고, 활물질 혼합물을 N-메틸피롤리돈 용매에 용해시켜 슬러리 형태의 활물질 조성물을 제조한다. 활물질 조성물을 탄소섬유원단 위에 닥터블레이드 (doctor blade) 방법으로 코팅한다. 롤 프레스를 이용하여 압착시킨다. 그 후 전기오븐 및 진공오븐에서 120℃ 온도로 12시간 건조하여 양극활물질이 포함된 전극[탄소섬유-활물질 복합체(100)]을 제작한다.
비교예 1 : 리튬이차전지의 제작 (알루미늄포일 사용, Al/LFP@C)
실시예 1과 동일한 비율과 방식으로 혼합된 슬러리를 알루미늄포일 위에 코팅한다.
이렇게 제작된 전극(100)과 상대 전극(12)인 리튬 메탈을 이용하여 코인 셀 형태(CR2032)로 리튬이차전지(10)를 제작한다. 배터리 조립은 Ar 분위기의 글러브박스에서 진행한다. 코인 셀을 구성하는 부품으로는 케이스(Wellcos; 11), 상대 전극(Lithium metal; 12), 양극(100), 분리막(E16MMS/SK; 13), 개스킷(Wellcos; 14), 전해질(1M LiPF6, EC:DEC(1/1v)/Panax-etec; 15) 등이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬이온전지 전극에서의 특성을 나타내는 그래프이다. 상기 실시예 1을 이용한 리튬이온전지와 비교예 1의 리튬이온전지에 대해 2.4 ~ 4.2 V 의 전압 범위로 cut-off voltage 하에서 충/방전 실험을 실시하여 성능을 비교하였다.
도 5의 (a)를 참조하면, 0.5 및 5 C-rate에서 기존에 알려진 알루미늄 집전체와 동일한 리튬 철 인산의 거동을 보이는데, 이를 통해 상시 실기한 전압 범위에서 전해질(15)과의 부반응 또는 전기화학반응을 일으키지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 리튬인산철의 방전 용량이 0.5 C-rate에서 154 mAh/g을 나타냄을 확인할 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 탄소섬유 원단을 양극 집전체로 활용하였을 경우 충/방전 속도의 변화 특성에 향상된 성능을 나타냄을 알 수 있다.
도 5의 (a), (b)를 통해 탄소섬유 원단이 기존에 알려져 있었던 알루미늄 집전체와 같이 양극 집전체로 정상 작동함을 확인할 수 있다.
도 5의 (c)는 실시예 1및 비교예 1에 따라 제조된 전극을 이용한 배터리 수명 특성 평가이다. 1 C-rate에서 250회 충/방전을 실시하여 평가한 결과이다. 실시예 1을 통해 제작된 배터리의 경우 비교예 1을 통해 제작된 배터리보다 향상된 성능 및 수명 특성을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 250회에서의 방전 용량은 약 150 mAh/g을 발현했다.
도 5의 (d)는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전극으로 조립된 배터리의 임피던스 특성이다. 제작된 배터리의 300회 충/방전 전·후로 0.01 Hz ~ 100,000 Hz 주파수 범위에서 측정하였다. 실시예 1이 비교예 1에 비해 반원의 지름이 약 3배정도 줄어들었는데 이를 통해 전하 이동이 향상되었음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 셀의 에너지 저장 특성 측정 실험 그래프이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 셀을 LED 발광소자를 연결한 상태를 표시한 이미지이다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 파우치 형태(3 cm x 4 cm)로 배터리를 제작하였고, 앞서 설명한 실시예 1과 비교예 1을 적용하여 배터리를 제작하였다.
도 6의 (a)를 참조하면, 파우치 형태로 배터리를 제작한 경우에도 코인 셀 형태와 비슷한 용량을 발현함을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1의 경우가 비교예 1 보다 더 우수한 용량 특성을 발현함을 확인할 수 있다.
도 6의 (b)는 실시예 1을 적용하여 제작된 파우치 형태의 배터리의 굽힘 및 유연성 특성에 대한 평가 결과이다. 굽힘특성 평가 장치를 이용하여 12 mm의 곡률 반경으로 배터리를 굽힘 및 펼침을 400회 반복하였다. 도 6의 (b)의 화살표로 표시된 지점은 각각 400회의 굽힘 및 펼침의 반복을 나타낸다. 굽힘 및 펼침 전·후의 수명 및 용량 특성을 확인할 결과 1,200회의 반복 테스트에 불구하고 250회의 충/방전 이후까지 용량을 유지함을 확인할 수 있다. 쿨롱 효율 또한 약 100%를 유지함을 확인할 수 있으며, 이를 통해 실시예 1을 통해 제작된 배터리의 경우 우수한 유연성 및 내구성을 지님을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 실시예 1을 통해 제작된 파우치 형태의 배터리를 LED 전구의 전원으로 연결하여 굽힘 상태에서의 성능을 측정하였다. 파우치 형태의 배터리를 굽힌 상태[도 7의 (c)]에서도 전구의 빛이 그대로 유지됨을 확인할 수 있었고, 이를 통해 굽힘 상태에서 정상적으로 작동함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 리튬이온전지
100: 탄소섬유-활물질 복합체
110: 구조부
150: 활물질부

Claims (15)

  1. 산화섬유 방적사 - 산화섬유 방적사는 단섬유(staple) 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 형성함 - 로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 구조부; 및
    구조부의 탄소섬유가 점유하는 영역 외의 적어도 일부 영역에 배치되는 활물질부
    를 포함하는,
    탄소섬유-활물질 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    활물질부는 리튬 철 인산염(LiFePO4, LFP)을 포함하는,
    탄소섬유-활물질 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나를 포함하는,
    탄소섬유-활물질 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    구조부는 복수의 탄소섬유 층을 포함하고,
    탄소섬유 층 사이에 활물질부가 배치되는,
    탄소섬유-활물질 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    탄소섬유-활물질 복합체는 리튬이온전지의 양극(cathode)으로 사용되는,
    탄소섬유-활물질 복합체.
  6. (a) 양극활물질을 포함하는 활물질 조성물을 제공하는 단계;
    (b) 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 구조부를 제공하는 단계; 및
    (c) 구조부에 양극활물질을 포함하는 조성물을 코팅하는 단계
    를 포함하고,
    (b) 단계는,
    (b1) 단섬유(staple) 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계;
    (b2) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; 및
    (b3) 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계
    를 포함하는,
    탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    (a) 단계는,
    (a1) 리튬 철 인산염(LiFePO4, LFP)을 포함하는 양극활물질, 전도성 카본 및 바인더를 혼합하여 활물질 혼합물을 제조하는 단계; 및
    (a2) 활물질 혼합물을 용매에 용해시켜 활물질 조성물을 제조하는 단계
    를 포함하는,
    탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    (d) 구조부 및 조성물을 압착 및 건조하는 단계를 더 포함하는,
    탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    산화된 탄소섬유 소스는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나인, 탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃인, 탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    열처리는 1분 내지 300분 동안 수행하는, 탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    원단은 직물, 편물 중 어느 하나인, 탄소섬유-활물질 복합체의 제조 방법.
  14. 상기 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 탄소섬유-활물질 복합체를 양극(cathode)으로 사용하는, 리튬이온전지.
  15. 제14항에 있어서,
    리튬이온전지는 코인셀 형태 또는 파우치 형태인, 리튬이온전지.
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