KR102302258B1 - 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지용 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 집전체; 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에, 서로 이격된 복수의 소정 형상의 패턴들을 이루며 형성되어 있는 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은, 복수의 전극 활물질 입자, 상기 복수의 전극 활물질 입자들 표면의 일부에 코팅되어 있으며 상기 복수의 전극 활물질 입자들을 서로 연결시키는 고체 전해질을 포함하며, 상기 전극 활물질 입자들은, 그 표면의 적어도 일부가 상기 전극 활물질층의 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극에 관한 것이다.

Description

고체 전해질을 포함하는 전고체 전지용 전극{Electrode for all solid battery including solid electrolyte}
본 발명은 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전시 발생하는 가스를 외부로 용이하게 배출시킬 수 있는 전고체 전지용 전극에 관한 것이다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지는 분리막에 의해 음극과 양극이 구획되는 구조여서 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 단락이 발생할 수 있으며 이로 인해 과열 또는 폭발 등의 위험으로 이어질 수 있다. 따라서 리튬 이온 이차 전지 분야에서 안전성을 확보할 수 있는 고체 전해질의 개발은 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.
고체 전해질을 이용한 리튬 이차 전지는 전지의 안전성이 증대되며, 전해액의 누출을 방지할 수 있어 전지의 신뢰성이 향상되며, 박형의 전지 제작이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 음극으로 리튬 금속을 사용할 수 있어 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며 이에 따라 소형 이차 전지와 더불어 전기 자동차용의 고용량 이차 전지 등에 응용이 기대되어 차세대 전지로 각광받고 있다.
도 1은 고체 전해질이 적용된 전극을 포함하는 리튬 이차 전지의 충방전 이후의 전극 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 고체 전해질(22)을 포함하는 리튬 이차 전지의 충방전시 전극 활물질 입자(21)와 고체 전해질(22)의 반응으로 인해 가스가 생성되는데, 이러한 가스는, 액체 전해질 시스템에서와 달리 전극 외부로 배출되지 못하고 전극 내부에 갇히게 된다. 이로써 전극 계면 저항이 증가되어 전지의 수명이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 활물질과 고체 전해질의 반응으로 인해 발생된 가스를 전극 외부로 용이하게 배출시킬 수 있는 전고체 전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전고체 전지용 전극은, 전극 집전체; 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에, 서로 이격된 복수의 소정 형상의 패턴들을 이루며 형성되어 있는 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은, 복수의 전극 활물질 입자, 상기 복수의 전극 활물질 입자들 표면의 일부에 코팅되어 있으며 상기 복수의 전극 활물질 입자들을 서로 연결시키는 고체 전해질을 포함하며, 상기 전극 활물질 입자들은, 그 표면의 적어도 일부가 상기 전극 활물질층의 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전극 활물질층은, 상기 복수의 전극 활물질 입자의 표면과, 상기 고체 전해질의 내부 또는 표면에 분산되어 있는 도전재를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수의 소정 형상의 패턴들 사이에 공극 채널이 형성되어 있는 것일 수 있다.
그리고, 상기 소정 형상의 패턴들은, 선형, 물결형, 점형 또는 격자형의 패턴을 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 고체 전해질은, 고분자 고체 전해질, 고분자 겔 전해질, 황화물계 고체 전해질 및 산화물계 고체 전해질로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 소정 형상의 패턴들 각각의 폭은, 상기 전극 활물질 입자 크기의 1 배 내지 3 배일 수 있다.
그리고, 상기 전극 활물질 입자의 크기는 1 내지 100 ㎛이고, 상기 복수의 패턴들이 이격되어 있는 간격은 0.1 내지 30 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 전극 활물질 입자의 크기는 5 내지 30 ㎛이고, 상기 복수의 패턴들이 이격되어 있는 간격은 1 내지 20 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 활물질과 고체 전해질의 반응으로 인해 발생된 가스가, 전극 활물질층의 패턴들 사이에 형성된 간격을 통해 전극 외부로 배출되게 함으로써, 전극 내부의 가스를 용이하게 제거할 수 있다.
이로써, 전극 계면에서의 저항 증가를 억제하여 전지의 수명이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 고체 전해질이 적용된 전극을 포함하는 전지의 충방전 이후의 전극 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 포함하는 전지의 충방전 이후의 전극 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 전고체 전지용 전극은, 전극 집전체; 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에, 서로 이격된 복수의 소정 형상의 패턴들을 이루며 형성되어 있는 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은, 복수의 전극 활물질 입자, 상기 복수의 전극 활물질 입자들 표면의 일부에 코팅되어 있으며 상기 복수의 전극 활물질 입자들을 서로 연결시키는 고체 전해질을 포함하며, 상기 전극 활물질 입자들은, 그 표면의 적어도 일부가 상기 전극 활물질층의 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 포함하는 전지의 충방전 이후의 전극 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 전극 활물질 입자(21)와 고체 전해질(22)의 반응으로 인해 발생된 가스가, 전극 활물질 입자(21)와 고체 전해질(22)로 이루어진 패턴들 사이에 형성된 간격(24)을 통해 전극 외부로 배출되게 함으로써, 전극 내부의 가스를 용이하게 제거할 수 있는 효과가 있다. 이로써, 전극 계면에서의 저항 증가를 억제하여 전지의 수명이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 전극 활물질 입자들 표면의 적어도 일부가 전극 활물질층의 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는데, 여기서 전극 활물질층의 외부로 노출되어 있다는 것은, 전극 활물질층의 상면으로 노출되어 있다는 것 이외에, 서로 이격된 복수의 패턴들 사이에 형성되어 있는 간격에 노출되어 있는 것도 포함한다.
특히, 집전체 또는 고체 전해질에 의해 상기 전극 활물질 입자의 전체 표면이 외부로 노출되지 않는 구조를 이루게 되면, 전극 활물질 입자와 고체 전해질간의 반응에 의해 발생된 가스가 전극 활물질층 내부에 존재하게 되어, 전극 활물질 입자가 들뜨게 되는 문제가 발생하거나, 전극 계면에서의 저항이 증가되어 전지의 수명이 퇴화될 수 있다.
따라서, 모든 전극 활물질 입자들 표면의 적어도 일부는 외부로 노출되어 있는 구조를 가져야만 본원발명의 과제를 근본적으로 해결할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 소정 형상의 패턴들 사이에 공극 채널이 형성되어 있을 수 있는데, 이로써 전극 내부의 가스를 더욱 효율적으로 배출할 수 있다.
그리고, 상기 소정 형상의 패턴들은, 선형, 물결형, 점형 또는 격자형의 패턴을 포함할 수 있는데, 상기 패턴들의 형상으로 한정되는 것은 아니고, 전극 내부의 가스 배출이 용이한 구조이기만 하면 다양한 형태의 패턴들이 가능하다.
그리고, 상기 전극 활물질 입자의 크기는 1 내지 100 ㎛이고, 바람직하게는 5 내지 30 ㎛이다. 그리고, 상기 복수의 패턴들이 이격되어 있는 간격은 0.1 내지 30 ㎛이고, 바람직하게는 1 내지 20 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 복수의 패턴들이 이격되어 있는 간격이 30 ㎛, 바람직하게는 20 ㎛를 초과하게 되면, 전극 밀도가 감소하게 되는 문제가 발생할 수 있고, 1 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 미만이면, 원활한 가스 배출이 이루어지지 않을 수 있다.
특히, 상기 소정 형상의 패턴들 각각이 형성하고 있는 폭은, 상기 전극 활물질 입자 크기의 1 내지 3 배일 경우, 가스 배출이 더욱 용이한데, 상기 조건을 만족하게 되면, 충방전시 전극 활물질과 고체 전해질간의 계면에서 생성된 가스가 전극 내, 특히 전극 활물질과 고체 전해질간의 계면에서 쉽게 배출되기 때문에, 반복된 충방전 이후에도 상기 계면이 유지되고, 계면 저항이 커지지 않아 수명 특성이 월등히 개선되는 효과가 발생된다.
그리고, 상기 전극 활물질층은, 상기 복수의 전극 활물질 입자의 표면과, 상기 고체 전해질의 내부 또는 표면에 분산되어 있는 도전재를 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 도전재는 통상적으로 전극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전극은 전극 집전체를 포함하고 있는데, 이러한 전극 집전체로는 금속판 등의 전기 전도성을 나타내는 것으로서 이차 전지 분야에서 공지된 집전체 전극의 극성에 따라 적절한 것을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 전고체 전지용 전극은 음극 및 양극 중 어느 하나일 수 있다. 상기 전극이 음극인 경우에는 전극 활물질은 리튬이온 이차 전지의 음극 활물질로 사용 가능한 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 음극 활물질은 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe’yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 음극 활물질은 탄소계 물질 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
상기 전극이 양극인 경우, 상기 전극 활물질은 리튬이온 이차 전지의 양극 활물질로 사용 가능한 것이면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4(여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 -xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2 - xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3등을 포함할 수 있다. 그러나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 고체 전해질은 전극 활물질 입자의 표면의 일부에 코팅되어 있고, 전술한 바와 같이, 전극 활물질 입자의 표면 전체에 코팅되어 있는 것은 아니다. 특히, 상기 전극 활물질 입자들은 상기 고체 전해질을 매개로 하여, 점결착 및/또는 면결착하여 일체화된 전극 활물질층 패턴을 구성하도록 집적되어 있다.
그리고, 본 발명의 고체 전해질은, 전극의 종류에 따라 적절한 것을 사용할 수 있는데, 예를 들어 양극의 경우에는 산화 안정성이 우수한 고체 전해질을 사용하는 것이 바람직하고, 음극의 경우에는 환원 안정성이 우수한 고체 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 고체 전해질은 전극 내에서 주로 리튬 이온을 전달하는 역할을 하기 때문에, 이온 전도도가 높은 소재, 예를 들어 10-5 s/m 이상, 바람직하게는 10-4 s/m 이상인 것이면 어느 것이나 사용 가능하며, 특정한 성분으로 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 고체 전해질은, 용매화된 리튬염에 고분자 수지가 첨가되어 형성된 고분자 고체 전해질이거나, 유기용매와 리튬염을 함유한 유기 전해액, 이온성 액체, 모노머 또는 올리고머 등을 고분자 수지에 함유시킨 고분자 겔 전해질일 수 있으며, 나아가, 이온전도도가 높은 황화물계 고체 전해질 또는 안정성이 우수한 산화물계 고체 전해질일 수도 있다.
이때, 상기 고분자 고체 전해질은 예를 들어, 폴리에테르계 고분자, 폴리카보네이트계 고분자, 아크릴레이트계 고분자, 폴리실록산계 고분자, 포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌 유도체, 알킬렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 고분자 고체 전해질은 고분자 수지로서 PEO(poly ethylene oxide) 주쇄에 PMMA, 폴리카보네이트, 폴리실록산(pdms) 및/또는 포스파젠과 같은 무정형 고분자를 공단량체로 공중합시킨 가지형 공중합체, 빗형 고분자 수지 (comb-like polymer) 및 가교 고분자 수지 등이 포함될 수 있고, 상기 고분자 들의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 고분자 겔 전해질은 리튬염을 포함하는 유기 전해액과 고분자 수지를 포함하는 것으로서, 상기 유기 전해액은 고분자 수지의 중량 대비 60~400 중량부를 포함하는 것이다. 겔 전해질에 적용되는 고분자는 특정한 성분으로 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리에테르계, PVC계, PMMA계, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리불화비닐리덴-육불화프로필렌(poly(vinylidene fluoride-hexafluoro propylene:　PVdF-HFP 등이 포함될 수 있다. 그리고 상기 고분자 들의 혼합물일 수 있다.
이때, 상기 리튬염은 이온화 가능한 리튬염으로서 Li+X-로 표현할 수 있다. 이러한 리튬염의 음이온으로는 특별히 제한되지 않으나, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- ,CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -,SCN-, (CF3CF2SO2)2N-등을 예시할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 전고체 전지용 전극을 적어도 하나 이상 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 통상적으로, 전고체 전지에서는, 전극에 포함되어 있는 고체 전해질이 세퍼레이터의 역할을 할 수 있다. 하지만, 전고체 전지용 전극이 어느 한쪽 전극에만 적용되는 경우에는, 별도의 고분자 세퍼레이터막이 더 필요할 수 있다.
여기서, 상기 고분자 세퍼레이터막은 음극과 양극 사이에 개재되는 것으로서, 음극과 양극을 전기적으로 절연하는 동시에 리튬 이온을 통과시키는 역할을 하는 것이다. 상기 고분자 세퍼레이터막은 통상의 전고체 전지 분야에서 사용되는 고분자 세퍼레이터막으로 사용되는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은, 상기 리튬 이온 이차 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
1. 실시예 1
(1) 음극의 제조
평균 입경(D50)이 20 ㎛인 인조흑연, 도전재인 카본 블랙, 고분자 고체 전해질(PEO + LiFSI, 20:1(mol비))을 70:10:20의 중량비로 혼합하여, 5g의 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물에 아세토나이트릴(AN)을 첨가하여 고형분의 함량을 30 %로 맞춰 음극 슬러리를 제조하였다.
이어서, 두께가 20 ㎛인 구리 집전체에 선형의 패턴 마스크를 배치시킨 뒤, 상기 음극 슬러리를 도포한 다음, 120 ℃에서 24 시간 동안 진공 건조시켰다. 이때 선형 패턴의 폭이 40 ㎛, 상기 패턴들이 이격되어 있는 간격은 5 ㎛였다.
이어서, 패턴 마스크를 제거하고, 압연 공정을 진행하여, 두께가 40 ㎛인 음극을 형성하였다.
(2) 전지의 제조
1.4875cm2의 원형으로 타발한 음극과 1.7671cm2의 원형으로 절단된 리튬 금속 박막을 상대 전극으로 하여, 코인형 하프셀을 제조하였다. 구체적으로, 상기 리튬 금속과 상기 음극 사이에, 50 ㎛ 두께의 고분자 세퍼레이터막(PEO + LiFSI, 20:1(mol비))을 게재하여 전극 조립체를 제조하였다.
2. 실시예 2
선형 패턴의 폭이 40 ㎛, 상기 패턴들이 이격되어 있는 간격은 5 ㎛이고, 압연 후 음극의 두께가 80 ㎛인 것을 제외하고, 실시예 1에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 전극 조립체를 제조하였다.
3. 실시예 3
선형 패턴의 폭이 60 ㎛, 상기 패턴들이 이격되어 있는 간격은 5 ㎛이고, 압연 후 음극의 두께가 80 ㎛인 것을 제외하고, 실시예 1에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 전극 조립체를 제조하였다.
4. 실시예 4
선형 패턴의 폭이 40 ㎛, 상기 패턴들이 이격되어 있는 간격은 10 ㎛이고, 압연 후 음극의 두께가 80 ㎛인 것을 제외하고, 실시예 1에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 전극 조립체를 제조하였다.
5. 실시예 5
선형 패턴의 폭이 40 ㎛, 상기 패턴들이 이격되어 있는 간격은 20 ㎛이고, 압연 후 음극의 두께가 80 ㎛인 것을 제외하고, 실시예 1에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 전극 조립체를 제조하였다.
6. 비교예 1
패턴이 적용되지 않고, 압연 후 음극의 두께가 80 ㎛인 것을 제외하고, 실시예 1에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 전극 조립체를 제조하였다.
7. 비교예 2
선형 패턴의 폭이 100 ㎛, 상기 패턴들이 이격되어 있는 간격은 5 ㎛이고, 압연 후 음극의 두께가 80 ㎛인 것을 제외하고, 실시예 1에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 전극 조립체를 제조하였다.
8. 실험예 : 수명 특성 평가
실시예 1 내지 5와 비교예 1 및 2에서 제조된 전지에 대해 충/방전을 수행하여, 방전 용량 유지율을 평가하였고, 이를 하기 표 1에 나타내었다. 한편, 수명 특성 평가 시, 60 ℃의 온도에서, 0.05 C로 충/방전하였고, 10회 사이클은 방전(리튬이 음극에 없는 상태)상태에서 종료하고, 용량 유지율을 평가하였다.
충전 조건: CC(정전류)/CV(정전압)(5 mV/0.005 C current cut-off)
방전 조건: CC(정전류) 조건 1.5 V
용량 유지율은, 첫 번째 방전 용량 대비 10 사이클 후 방전용량의 비를 계산하여 도출하였다. 이를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
패턴의 폭(㎛) 40 40 60 40 40 - 100
패턴의 간격(㎛) 5 5 5 10 20 - 5
전극 두께(㎛) 40 80 80 80 80 80 80
수명 특성(%, @10 cycles) 94 92 89 92 93 62 74
상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 패턴을 적용함에 따라 수명 특성이 월등히 개선되었음을 확인할 수 있다.
실시예들의 경우, 사이클 진행 후, 전극 활물질과 고체 전해질이 분리가 되지 않았으며, 따라서, 전극 내부에 포획된 가스로 인한 두께 변화를 관찰할 수 없었다. 또한, 패턴을 적용하게 되면, 전극 두께, 즉 로딩량이 증가하여도 가스 배출 성능 및 수명 특성 향상 효과가 거의 동일하게 유지된다는 점을 실시예 1 및 2를 통해 확인할 수 있다.
나아가, 패턴의 간격은 가스가 배출되어 이동할 수 있을 정도의 간격이기만 하면, 간격이 더 증가하더라도 효과 상승이 크지 않았다는 점을 실시예 2, 4 및 5를 통해 확인할 수 있다.
한편, 비교예 2의 경우, 패턴의 폭이 100 ㎛로, 음극 활물질 입자 크기 대비 약 5배 정도인데, 이 경우, 상기 패턴 내부에 포획되어 있는 가스가 효율적으로 배출되지 못하게 된다. 상기 표 1을 보면, 비교예 1보다는 수명 특성이 개선되었으나, 적절한 패턴의 폭을 갖는 실시예들과 비교하면 수명 특성이 좋지 않다는 점을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 전극 집전체
20: 전극 활물질층
21: 전극 활물질 입자
22: 고체 전해질
23: 도전재
24: 패턴들 사이의 간격

Claims (8)

  1. 전극 집전체; 및
    상기 전극 집전체의 적어도 일면에, 서로 이격된 복수의 소정 형상의 패턴들을 이루며 형성되어 있는 전극 활물질층을 포함하고,
    상기 전극 활물질층은, 복수의 전극 활물질 입자, 상기 복수의 전극 활물질 입자들 표면의 일부에 코팅되어 있으며 상기 복수의 전극 활물질 입자들을 서로 연결시키는 고체 전해질을 포함하며,
    상기 전극 활물질 입자들은, 그 표면의 적어도 일부가 상기 전극 활물질층의 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 활물질층은, 상기 복수의 전극 활물질 입자의 표면과, 상기 고체 전해질의 내부 또는 표면에 분산되어 있는 도전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 소정 형상의 패턴들 사이에 공극 채널이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소정 형상의 패턴들은, 선형, 물결형, 점형 또는 격자형의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질은, 고분자 고체 전해질, 고분자 겔 전해질, 황화물계 고체 전해질 및 산화물계 고체 전해질로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소정 형상의 패턴들 각각의 폭은, 상기 전극 활물질 입자 크기의 1 배 내지 3 배인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자의 크기는 1 내지 100 ㎛이고,
    상기 복수의 패턴들이 이격되어 있는 간격은 0.1 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자의 크기는 5 내지 30 ㎛이고,
    상기 복수의 패턴들이 이격되어 있는 간격은 1 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전극.
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