KR102354524B1 - 신축성 이차전지 - Google Patents

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KR102354524B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 신축성 이차전지에 관한 것으로, 신축성 이차전지는 복수개의 양극 절개선이 길이방향으로 서로 이격하여 배치되는 양극; 복수개의 음극 절개선이 배치되는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 겔 고분자 전해질을 포함하고, 상기 양극 절개선은 상기 양극의 폭보다 짧은 길이를 갖고, 상기 복수개의 음극 절개선은 상기 복수개의 양극 절개선과 상기 겔 고분자 전해질을 기준으로 선대칭되는 것을 특징으로 한다.

Description

신축성 이차전지{stretchable secondary battery}
본 발명의 일 실시예는 신축성(stretchable) 이차전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지로써, 경제적이고, 친환경적이므로 그 사용이 장려되고 있다. 한편, 최근에는 이차 전지가 사용되는 전자 기기들의 종류가 다양화되고 있다. 예를 들어, 이차 전지를 전원 공급원으로 사용하는 다양한 입는 컴퓨터(wearable computer)기술과 그 응용 사례들이 개발 및 발표되고 있고, 또한, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 전자 기기는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계되고 있다.
이러한 전자 기기들을 동작시키기 위한 이차 전지는 우수한 성능과 함께, 이차 전지가 사용되는 전자 기기들의 형상에 따라 구부리는 등의 변형을 통해 이차 전지의 형상을 다양하게 변화시킬 필요가 있다.
종래의 전자 소자는 플라스틱 또는 유리 기판을 사용하므로 유연성이 낮아 응용 범위에 한계가 있었다. 이에 따라, 최근에는 플라스틱 또는 유리 기판 대신 플렉시블 기판을 사용하여 구부러질 수 있도록 제조되는 플렉시블 전자 소자가 개발되고 있다. 하지만 종래의 플렉시블 전자 소자는 생체 센서로 사용되어 사람의 피부에 부착되었을 때, 사람의 움직임에 따라 저항 값이 변하기 때문에 정확한 데이터를 얻기 어려웠다. 따라서, 구부러지거나 늘어나는 환경 속에서도 정확한 값을 얻을 수 있는 전자 소자가 필요하다.
상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 본 발명은 신축성 있는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신축성 이차전지는 복수개의 양극 절개선이 길이방향으로 서로 이격하여 배치되는 양극; 복수개의 음극 절개선이 배치되는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 겔 고분자 전해질을 포함하고, 상기 양극 절개선은 상기 양극의 폭보다 짧은 길이를 갖고, 상기 복수개의 음극 절개선은 상기 복수개의 양극 절개선과 상기 겔 고분자 전해질을 기준으로 선대칭되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 양극 절개선은 제1 단에서 시작해서 마주보는 제2 단으로 향하는 우변 절개선과 제2 단에서 시작해서 마주보는 제1 단으로 향하는 좌변 절개선을 포함하고, 상기 우변 절개선과 좌변 절개선은 서로 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른 신축성 이차전지는 길이방향으로 형성된 복수개의 산과 골을 포함하는 양극; 길이방향으로 형성된 복수개의 산과 골을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 겔 고분자 전해질을 포함하고, 상기 음극의 산과 골은 상기 양극의 산과 골과 상기 겔 고분자 전해질을 기준으로 선대칭되는 것을 특징으로 한다.
상기 신축성 이차전지는 상기 양극, 음극 및 겔 고분자 전해질을 내부에 수납하는 신축성 외장재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 양극과 음극은 전극 활물질, 도전재, 고분자 바인더를 용매에 혼합하여 형성된 슬러리를 금속 기판 위에 도포하고 건조하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전극 활물질은 전극 전체 중량을 기준으로 99% 내지 75%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 양극은 리튬복합 금속 산화물, 리튬 산화물, 나트륨 복합 금속 산화물, 나트륨 산화물, 황 혼합물, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 함유하는 전극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 음극은 소프트 카본, 하드 카본, 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 그래핀, 플러렌, 활성탄 및 메조 카본 마이크로비드 중에서 선택된 어느 하나의 카본; 및 Si, Sn, Li, Al, Ag, Bi, In, Ge, Pb, Pt, Ti, Zn, Mg, Cd, Ce, Cu, Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 어느 하나의 금속(Me); 상기 금속(Me) 중 2종 이상을 포함하는 합금; 및 상기 금속(Me) 중 1종 이상의 산화물(MeOx); 중에서 선택된 1종 이상을 함유하는 전극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 겔 고분자 전해질은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 (PE)계 또는 그 공중합체, 폴리[(비닐리덴플루오라이드코-트리플루오로에틸렌]계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜(PEO)계 또는 그 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 또는 그 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐 클로라이드계 또는 그 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 그 공중합체, 폴리이미드(PI)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌(PE)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리프로필렌(PP)계 또는 그 공중합체, 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 이민)(PEI)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 설파이드)(PES)계 또는 그 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트)(PVAc)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌숙시네이트)(PESc)계 또는 그 공중합체, 폴리에스테르계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들 중 선택된 1종 이상을 함유하는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 외장재는 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 (PE)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)계 또는 그 공중합체, 폴리[(비닐리덴플루오라이드코-트리플루오로에틸렌]계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜(PEO)계 또는 그 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 또는 그 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐 클로라이드계 또는 그 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 그 공중합체, 폴리이미드(PI)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌(PE)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리프로필렌(PP)계 또는 그 공중합체, 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 이민)(PEI)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 설파이드)(PES)계 또는 그 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트)(PVAc)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌숙시네이트)(PESc)계 또는 그 공중합체, 폴리에스테르계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들 중 선택된 1종 이상을 함유하는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 신축성 있도록 형성되어 인체 및 형태가 변환되는 곳 등 여러 곳에 유용하게 응용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 신축성 있도록 변형되어도 유용한 충반전 효과를 제공한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 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 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 이차전지의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 이차전지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 겔 고분자 전해질을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 겔 고분자 전해질의 상온에서의 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 신축성 이차전지의 충전-방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 신축성 이차전지의 충전-방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 이차전지이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 이차전지의 충-방전 곡선이다.
도 9는 도 8의 신축성 이차전지의 수명 특성을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이한, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가상현실환경을 이용한 인지 및 실행능력 훈련 평가 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 이차전지의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 이차전지의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 신축성 이차전지는, 양극(10), 음극(20), 겔 고분자 전해질(30) 및 외장재(40)를 포함한다.
여기서, 신축성은 늘어나고 줄어들 수 있는 성질을 의미한다.
신축성 이차전지는, 외력을 가해서 잡아당기는 등의 변형을 가하면 늘어나고 외력을 제거하면 복원되는 성질을 가진다.
양극(10)은 박막형이고, 길이 방향으로 서로 이격하여 배치되고 절개된 복수개의 양극 절개선(11, 12)을 포함한다.
양극 절개선(11, 12)은 양극(10)의 폭보다 길이가 짧다.
양극 절개선(11, 12)은 제1 단에서 시작해서 마주보는 제2 단으로 향하는 우변 절개선(11)과 제2 단에서 시작해서 마주보는 제1 단으로 향하는 좌변 절개선(12)을 포함하여, 'ㄹ'자형으로 형성된다.
상기 우변 절개선과 좌변 절개선은 서로 교번적으로 배치된다. 이로써, 음극(20)도 양극과 같이 음극 절개선에 의해 단락되지 않고 연결된다.
즉, 양극(10)은 양극 절개선(11, 12)에 의해 단락되지 않은 복수개의 연결된 'ㄹ'자형으로 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 총 11개의 양극 절개선(11, 12)이 개시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 도 1의 (b)와 같이 양극을 외력을 가해 잡아당기는 경우, 각 절개선이 벌어지게 되어 길이방향으로 용이하게 신장될 수 있다.
양극(10)은 금속 기판 및 금속 기판 상에 양극 합체층을 형성하여 제조할 수 있다. 양극 합체층은 양극 집전체인 금속 기판 상에 양극 활물질, 도전재, 고분자 바인더를 용매에 혼합하여 형성된 슬러리를 도포한 후, 건조 및 압연하여 박막형으로 형성할 수 있다.
금속 기판은 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 금속 기판은 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 금속 기판의 표면에 미세한 요철을 형성하여 활물질과의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
양극 활물질은 리튬복합 금속 산화물, 리튬 산화물, 나트륨 복합 금속 산화물, 나트륨 산화물, 황 혼합물, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다.
리튬복합 금속 산화물은 예를 들면, 층상 구조인 LiMO2 (M=Co, Mn, Ni, Fe 등), 스피널 구조인 LiM2O4 (M=Co, Mn, Ni, Fe 등), 올리빈 구조인 LiMPO4 (M=Co, Mn, Ni, Fe 등)를 포함할 수 있다.
나트륨 복합 금속 산화물은 예를 들면, 층상 구조인 NaMO2 (M=Co, Mn, Ni, Fe 등), 스피넬 구조인 NaM2O4 (M=Co, Mn, Ni, Fe 등), 올리빈 구조인 NaMPO4 (M=Co, Mn, Ni, Fe 등)를 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 75 중량% 내지 99 중량%, 바람직하게는 80 중량% 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 이때, 양극 활물질이 75 중량% 이하인 경우 에너지 밀도가 낮아져 용량이 저하될 수 있다.
바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 25 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 25 중량%로 첨가된다.
이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 탄소계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 (Chevron Chemical Company사, 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 또는 Gulf Oil Company사 제조), 케첸 블랙(Ketjenblack), EC 계열 (Armak Company사 제조), 불칸(Vulcan) XC-72 (Cabot Company사 제조) 및 수퍼(Super)-P (Timcal사 제조) 등이 있다.
상기 용매는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 양극 활물질 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리 중의 고형분 농도가 10 중량% 내지 70 중량%, 바람직하게 20 중량% 내지 60 중량%가 되도록 포함될 수 있다.
예를 들어, 양극 활물질로 LiFePO4를 채택하고 도전재로 카본 블랙을 채택하며, 바인더로 PVdF를 채택하여 85: 8: 7 의 비율로 혼합하여 혼합물을 생성하고, 금속 기판으로 채택된 알루미늄 호일 위에 상기 혼합물을 도포하여 전극을 구성할 수 있다.
음극(20)은 박막형이고, 길이 방향으로 서로 이격하여 배치되고 절개된 복수개의 음극 절개선을 포함한다. 상기 복수개의 음극 절개선은 상기 복수개의 양극 절개선과 상기 전해질을 기준으로 선대칭된다.
즉, 음극 절개선은 음극(20)의 폭보다 길이가 짧고, 음극 절개선은 제1 단에서 시작해서 마주보는 제2 단으로 향하는 우변 절개선과 제2 단에서 시작해서 마주보는 제1 단으로 향하는 좌변 절개선을 포함하여, 'ㄹ'자형으로 형성된다.
상기 우변 절개선과 좌변 절개선은 서로 교번적으로 배치된다. 이로써, 음극(20)도 양극과 같이 음극 절개선에 의해 단락되지 않고 연결된다.
한편, 절개선이 많을수록 신장성은 좋아지지만 절개선이 많아지면 전지 저항이 커지고 전지의 강도가 떨어질 수 있으므로, 전극의 두께 및 길이에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 합제층을 형성하여 제조할 수 있다. 상기 음극 합제층은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매 등을 포함하는 슬러리를 코팅한 후, 건조 및 압연하여 형성할 수 있다.
음극 활물질은 소프트 카본, 하드 카본, 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 그래핀, 플러렌, 활성탄 및 메조 카본 마이크로비드 중에서 선택된 어느 하나의 카본; 및 Si, Sn, Li, Al, Ag, Bi, In, Ge, Pb, Pt, Ti, Zn, Mg, Cd, Ce, Cu, Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 어느 하나의 금속(Me); 상기 금속(Me) 중 2종 이상을 포함하는 합금; 및 상기 금속(Me) 중 1종 이상의 산화물(MeOx); 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Li일 수 있다.
상기 금속 기판은 일반적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가진다. 이러한 금속 기판은, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은 음극 활물질 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 75 중량% 내지 99 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 95 중량% 내지 %에서 80 중량%로 포함될 수 있다.
바인더는 도전재, 음극 활물질 및 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다.　이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 음극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 슬러리 중 고형분의 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.　이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 탄소계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 용매는 물 또는 NMP, 알코올 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 활물질 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 슬러리 중의 고형분 농도가 50 중량% 내지 75 중량%, 바람직하게 50 중량% 내지 65 중량%가 되도록 포함될 수 있다.
예를 들어, 음극은 음극 활물질로서 흑연을 채택하고 도전재로서 카본블랙을 채택하며, 바인더로서 CMC-SBR를 채택하여 90:3:7의 비율로 혼합하여 혼합물을 생성하고, 금속 기판으로 채택된 구리 호일 위에 상기 혼합물을 도포하여 전극을 구성할 수 있다.
겔 고분자 전해질(30)은 양극(10)과 음극(20) 사이에 위치한다.
겔 고분자 전해질(30)은 신축성을 지니는 겔 고분자 전해질로 전기방사를 이용하여 PVdF-HFP 고분자 필름을 만들고 일정량의 리튬 염과 유기 용매가 혼합된 액체상의 전해질을 함침시켜 겔 고분자 전해질을 제작할 수 있다. 전기방사에 의하여 만들어진 고분자 필름은 마이크 크기의 파이버들이 그물처럼 교차하는 부직포 형태를 띠고 있음을 알 수 있다.
겔 고분자에 사용되는 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 (PE)계 또는 그 공중합체, 폴리[(비닐리덴플루오라이드코-트리플루오로에틸렌]계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜(PEO)계 또는 그 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 또는 그 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐 클로라이드계 또는 그 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 그 공중합체, 폴리이미드(PI)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌(PE)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리프로필렌(PP)계 또는 그 공중합체, 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 이민)(PEI)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 설파이드)(PES)계 또는 그 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트)(PVAc)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌숙시네이트)(PESc)계 또는 그 공중합체, 폴리에스테르계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합이다.
상기 액체 전해질은 비수성 유기 용매 또는 이온성 액체 용매 또는 이들의 혼합물에 리튬염 또는 나트륨염을 용해시킨 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 종류의 액체 전해질을 포함할 수 있다. 상기 비수성 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 비양성자성 용매, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 이온성 액체 용매는 이미다졸륨계(imidazolium), 피리디늄계(pyridinium), 피롤리디늄계(pyrrolidinium), 설포늄계(sulfonium), 피라졸륨계(pyrazolium), 암모늄계(ammonium), 몰포리늄계(Morpholinium), 포스포늄계(Phosphonium), 피페리디늄계(piperidinium) 양이온의 용매 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 액체 전해질에 사용되는 리튬염은 LiClO4, LiPF6, CF3SO2NLiSO2CF3(LiTFSI), Li[N(SO2F)2](LiFSI), Li[B(C2O4)2](LiBOB), LiBF4, LiAsF6, 리튬플루오로술포닐-트리플루오로메탄술포닐이미드(LiFTFSI) 또는 이들의 조합일수 있다. 액체 전해질에 사용되는 나트륨염은 NaClO4, NaPF4, NaPF6, NaAsF6, NaTFSI, Na[(C2F5)3PF3](NaFAP), Na[B(C2O4)2](NaBOB), Na[N(SO2F)2](NaFSI), NaBeti(NaN[SO2C2F5]2) 또는 이들의 조합일 수 있다.
외장재(40)는 신축성 소재로 형성되며, 상기 양극(10), 음극(20) 및 겔 고분자 전해질(30)를 내부에 수용한다.
외장재(40)는 외력을 가해서 잡아당기는 등의 변형을 가하면 늘어나고 외력을 제거하면 복원되는 성질을 가지는 고분자 화합물인 탄성 중합체(Elastomer)를 포함한다. 예를 들어, 상기 신축성 소재는, 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 (PE)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)계 또는 그 공중합체, 폴리[(비닐리덴플루오라이드코-트리플루오로에틸렌]계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜(PEO)계 또는 그 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 또는 그 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐 클로라이드계 또는 그 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 그 공중합체, 폴리이미드(PI)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌(PE)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리프로필렌(PP)계 또는 그 공중합체, 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 이민)(PEI)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 설파이드)(PES)계 또는 그 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트)(PVAc)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌숙시네이트)(PESc)계 또는 그 공중합체, 폴리에스테르계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합이다. 본 실시예에서는, 외장재(40)에 PDMS를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 겔 고분자 전해질을 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)는 겔 고분자 전해질(30)의 양끝을 외력에 의해 잡아당김으로써 외형이 변형된 겔 고분자 전해질을 도시한 도면이고, 도 2의 (b)는 겔 고분자 전해질(30)의 SEM 이미지이다. SEM 이미지를 마이크 크기의 파이버들이 그물처럼 교차하는 부직포 형태를 띠고 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 겔 고분자 전해질의 상온에서의 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 겔 고분자 전해질은 상온에서 3.15x10-3 S/cm의 우수한 이온 전도도를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 이차전지는 도 1 및 도 2을 참조하여, 외장재(10) 내부에 양극(10), 겔 고분자 전해질(20) 및 음극(30)을 순서대로 적층시키고 외장재(10)로 봉지하여 형성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 신축성 이차전지의 충전-방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
제1 신축성 이차전지는 외장재는 PDMS를 채택하고, 양극은 LiFePO4를 채택하고, 음극은 흑연을 채택하였으며, 제1 신축성 이차전지의 방전 용량은 155 mAh/g을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 신축성 이차전지의 충전-방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
제2 신축성 이차전지는 외장재는 PDMS를 채택하고, 양극은 LiNi0.5Mn1.5O4 을 채택하고, 겔 고분자 전해질은 PVdF-HFP을 채택하며, 음극은 흑연을 채택하였다. 제2 신축성 이차전지의 방전 용량은 150 mAh/g을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 이차전지이다.
도 7의 신축성 이차전지의 구성은 도 1과 거의 유사하며, 이하에서는 도 1과 차별화된 특징 위주로 설명한다.
신축성 이차전지는 양극(11), 음극(21), 전해질(31) 및 외장재(41-1, 41-2)를 포함한다.
양극(11)과 음극(21)은 각각 박막형이고, 길이방향으로 형성된 복수개의 산과 골을 포함한다. 음극(21)의 산과 골은 상기 양극(11)의 산과 골과 상기 전해질(31)을 기준으로 선대칭된다.
겔 고분자 전해질(31)은 양극(11)과 음극(21) 사이에 위치한다. 양극은 예를 들어 알루미늄 필름 상에서 산과 골을 형성하여 주름지게 하고, 음극은 구리 필름 상에서 주름지게 산과 골을 형성하여 주름지게 한다. 주름진 양극과 음극 사이에 신축성 있는 부직포 형태의 겔 고분자 전해질을 배치하고 전극 탭을 전극에 붙인 후, 폴리 우래탄과 같은 신축성 있는 고분자 필름으로 열 압착하여 봉지한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 이차전지의 충-방전 곡선이다.
도 7과 도 8을 참조하면 양극은 양극 활물질로서 LiFePO4을 채택하고, 음극은 음극 활물질로서 SnO2를 채택하였으며, 도전제는 카본을 채택하고, 바인더는 PVdF를 채택하며, 용매는 N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)를 채택하였다.
전극은 금속 기판 위에 무게비로 전극 물질(양극 활물질, 음극 활물질): 도전제: 바인더는 80 : 10 : 10로 혼합하여 금속 기판 상에 균일하게 도포 후, 건조하여 제작되었다.
이러한 신축성 이차전지는 힘이 가해지지 않은 보통 상태에서는 140 mAh/g의 용량을 나타내며 30% 인장하였을 때 130mAh/g을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 9는 도 8의 신축성 이차전지의 수명 특성을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면 신축성 이차전지는 인장 후 다시 원상태로 복귀했을 때 용량변화가 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 싸이클이 진행되어도 용량이 떨어지지 않고 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수개의 양극 절개선이 길이방향으로 서로 이격하여 배치되는 양극;
    복수개의 음극 절개선이 배치되는 음극;
    상기 양극과 음극 사이에 위치하고, 전기 방사에 의하여 그물 구조를 가지는 부직포 형태를 갖는 겔 고분자 전해질; 및
    상기 양극, 음극 및 겔 고분자 전해질을 내부에 수납하는 신축성 외장재
    를 포함하고,
    상기 양극 절개선은 상기 양극의 폭보다 짧은 길이를 갖고, 상기 복수개의 음극 절개선은 상기 복수개의 양극 절개선과 상기 겔 고분자 전해질을 기준으로 선대칭되고,
    상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 고분자 바인더를 85:8:7의 비율로 용매에 혼합하여 형성된 슬러리를 금속 기판 위에 도포하고 건조하여 형성되고,
    상기 겔 고분자 전해질은 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜(PEO)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌(PE)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 이민)(PEI)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 설파이드)(PES)계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들 중 선택된 1종 이상을 함유하는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합 중 어느 하나이고,
    상기 외장재는
    폴리 디메틸 실록산 (PDMS)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)계 또는 그 공중합체, 폴리[(비닐리덴플루오라이드코-트리플루오로에틸렌]계 또는 그 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 또는 그 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐 클로라이드계 또는 그 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 그 공중합체, 폴리이미드(PI)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트)(PVAc)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌숙시네이트)(PESc)계 또는 그 공중합체, 폴리에스테르계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들 중 선택된 1종 이상을 함유하는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 신축성 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 양극 절개선은 제1 단에서 시작해서 마주보는 제2 단으로 향하는 우변 절개선과 제2 단에서 시작해서 마주보는 제1 단으로 향하는 좌변 절개선을 포함하고, 상기 우변 절개선과 좌변 절개선은 서로 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 신축성 이차전지.
  3. 길이방향으로 형성된 복수개의 산과 골을 포함하는 양극;
    길이방향으로 형성된 복수개의 산과 골을 포함하는 음극;
    상기 양극과 음극 사이에 위치하고, 전기 방사에 의하여 그물 구조를 가지는 부직포 형태를 갖는 겔 고분자 전해질; 및
    상기 양극, 음극 및 겔 고분자 전해질을 내부에 수납하는 신축성 외장재
    를 포함하고,
    상기 음극의 산과 골은 상기 양극의 산과 골과 상기 겔 고분자 전해질을 기준으로 선대칭되고,
    상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 고분자 바인더를 85:8:7의 비율로 용매에 혼합하여 형성된 슬러리를 금속 기판 위에 도포하고 건조하여 형성되며,
    상기 음극은 음극 활물질, 도전제, 바인더를 90:3:7의 비율로 용매에 혼합하여 형성된 슬러리를 금속 기판 위에 도포하고 건조하여 형성되고,
    상기 겔 고분자 전해질은 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜(PEO)계 또는 그 공중합체, 폴리에틸렌(PE)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 이민)(PEI)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌 설파이드)(PES)계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들 중 선택된 1종 이상을 함유하는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합 중 어느 하나이고,
    상기 외장재는
    폴리 디메틸 실록산 (PDMS)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄 (PU)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)계 또는 그 공중합체, 폴리[(비닐리덴플루오라이드코-트리플루오로에틸렌]계 또는 그 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 또는 그 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)계 또는 그 공중합체, 폴리비닐 클로라이드계 또는 그 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 그 공중합체, 폴리이미드(PI)계 또는 그 공중합체, 폴리우레탄(PU)계 또는 그 공중합체, 폴리(비닐 아세테이트)(PVAc)계 또는 그 공중합체, 폴리(에틸렌숙시네이트)(PESc)계 또는 그 공중합체, 폴리에스테르계 또는 그 공중합체, 폴리아민계 또는 그 공중합체, 폴리설파이드계 또는 그 공중합체, 실록산(Siloxane-based)계 또는 그 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무(SBR)계 또는 그 공중합체, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)계 또는 그 공중합체, 또는 이들 중 선택된 1종 이상을 함유하는 이들의 유도체, 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 신축성 이차전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극은 리튬복합 금속 산화물, 리튬 산화물, 나트륨 복합 금속 산화물, 나트륨 산화물, 황 혼합물, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 함유하는 전극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 이차전지.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극은
    소프트 카본, 하드 카본, 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 그래핀, 플러렌, 활성탄 및 메조 카본 마이크로비드 중에서 선택된 어느 하나의 카본; 및
    Si, Sn, Li, Al, Ag, Bi, In, Ge, Pb, Pt, Ti, Zn, Mg, Cd, Ce, Cu, Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 어느 하나의 금속(Me);
    상기 금속(Me) 중 2종 이상을 포함하는 합금; 및
    상기 금속(Me) 중 1종 이상의 산화물(MeOx); 중에서 선택된 1종 이상을 함유하는 전극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 이차전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
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