KR102538965B1 - 이차 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이차 전지에 따르면, 복수 개의 단위 셀은 이들 사이에 빈 공간(cavity)이 존재하도록 좌우 방향으로 이격되며, 상기 빈 공간이 존재하는 상기 복수 개의 단위 셀 사이에는 상기 단위 셀을 좌우 방향으로 지지하는 지지 부재가 배치될 수 있다.

Description

이차 전지 및 그 제조방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
이차 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는 전지의 용량 및 수명을 향상시키는 이차 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰러 폰, 스마트 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 웨어러블 기기 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다. 리튬 전지의 양극 활물질로는 주로 리튬계 산화물을 사용하고 있으며, 리튬 전지의 음극 활물질로는 주로 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬 전지는 일반적으로, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 고체 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 고체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다.
실시예에 따르면, 충전 및 방전이 진행되는 과정에서 내부 구성의 부피가 변하더라도, 그에 따른 내부 응력을 상쇄 또는 흡수할 수 있는 구조를 가지는 이차 전지 및 그 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 이차 전지는,
상하 방향으로 연장된 양극과, 상기 양극의 적어도 3 면을 둘러싸는 전해질막과, 상기 전해질막의 적어도 일부를 둘러싸는 음극을 가지는, 복수 개의 단위 셀을 포함하며,
상기 복수 개의 단위 셀은, 이들 사이에 빈 공간(cavity)이 존재하도록 좌우 방향으로 이격되며,
상기 빈 공간이 존재하는 상기 복수 개의 단위 셀 사이에, 상기 단위 셀을 좌우 방향으로 지지하는 지지 부재가 배치될 수 있다.
상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭은 상기 양극의 좌우 방향으로의 폭의 1 배 ~ 5배일 수 있다.
상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭은 상기 음극의 두께의 1 배 ~ 5배일 수 있다.
상기 지지 부재의 높이는, 상기 양극의 높이의 5 % ~ 15 % 일 수 있다.
상기 지지 부재의 높이는, 상기 전해질막의 두께보다 클 수 있다.
상기 지지 부재는 탄성 변형이 가능할 수 있다.
상기 지지 부재는 0.1 GPa ~ 10 GPa 사이의 영률(Young’s modulus)를 가질 수 있다.
상기 지지 부재는 이온 전도성을 가질 수 있다.
상기 지지 부재는, 인접한 단위 셀의 전해질막 사이에 배치될 수 있다.
상기 지지 부재는 상기 음극의 하부에 배치될 수 있다.
상기 이차 전지가 충전될 때의 상기 음극의 부피는, 상기 이차 전지가 방전될 때의 상기 음극의 부피의 150 % ~ 400 % 일 수 있다.
상기 이차 전지가 충전될 때의 상기 양극의 부피는, 상기 이차 전지가 방전될 때의 상기 양극의 부피의 110 % ~ 130 % 일 수 있다.
상기 복수의 단위 셀 각각의 양극의 일 단부에 전기적으로 접촉하는 양극 집전체;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위 셀 각각의 양극의 내부에 배치되며, 상기 양극 집전체에 전기적으로 연결된 내부 집전체;를 더 포함할 수 있다.
상기 음극에 전기적으로 접촉하는 음극 집전체;를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는, 상기 빈 공간에 대향하는 상기 음극의 표면에 전기적으로 접촉할 수 있다.
상기 복수 개의 단위 셀 각각의 양극이 전후 방향으로 연장될 수 있다.
다른 실시예에 따른 이차 전지의 제조방법은,
복수의 양극과 복수의 희생층이 좌우 방향으로 교번하여 적층된 적층 구조물에서 상기 복수의 희생층을 제거함으로써, 좌우 방향으로 서로 이격 배열된 복수의 양극을 형성하는 단계;
상기 서로 이격 배열된 복수의 양극의 표면 상에 전해질막을 형성하는 단계;
상기 복수의 양극 표면 상에 형성된 전해질막 사이에, 상기 전해질막을 좌우 방향으로 지지하는 지지 부재를 형성하는 단계; 및
상기 전해질막의 표면 상에 음극을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 음극을 형성하는 단계에서는, 상기 전해질막의 서로 대향하는 표면에 형성된 음극 사이에 빈 공간이 존재하도록, 음극을 형성할 수 있다.
상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭이 상기 양극의 좌우 방향으로의 폭의 1 배 ~ 5배가 되도록, 상기 음극을 형성할 수 있다.
상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭이 상기 음극의 두께의 1 배 ~ 5배가 되도록, 상기 음극을 형성할 수 있다.
상기 지지 부재의 높이가 상기 양극의 높이의 5 % ~ 15 % 가 되도록, 상기 지지 부재를 형성할 수 있다.
상기 지지 부재는 탄성 변형이 가능할 수 있다.
상기 지지 부재는 0.1 GPa ~ 10 GPa 사이의 영률(Young’s modulus)를 가질 수 있다.
상기 지지 부재는 이온 전도성을 가질 수 있다.
상기 복수의 양극과 전기적으로 접촉하는 양극 집전체를 형성하는 단계; 및
상기 음극과 전기적으로 접촉하는 음극 집전체를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체를 형성하는 단계에서는, 상기 음극 집전체를 상기 음극의 표면을 따라 형성할 수 있다.
상기 지지 부재를 형성하는 단계는, 사전(pre) 지지 부재에 상기 복수의 전해질막의 일부를 삽입하는 단계와, 상기 양극이 외부로 노출되도록, 상기 사전 지지 부재의 일부 및 상기 전해질막의 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 및 그 제조방법에 따르면, 복수의 단위 셀 사이에 빈 공간을 형성하고, 이러한 빈 공간에 복수의 단위 셀을 좌우 방향으로 지지하는 지지 부재를 배치함으로써, 이차 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시에에 따른 이차 전지를 개략적으로 나타내는 사시도이며,
도 2는 도 1의 이차 전지를 II-II'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 이차 전지에서 빈 공간의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 이차 전지의 일부인 A 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 이차 전지의 일부인 B 부분을 확대한 단면도로써, 탄성 변형이 가능한 지지 부재의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8a는 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 8b는 도 8a의 일부인 C 부분을 확대한 것으로써, 이차 전지가 충전될 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10 내지 도 21은 도 2에 도시된 이차 전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 22 내지 도 32은 도 6에 도시된 이차 전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 33 내지 도 34은 도 7에 도시된 이차 전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 및 그 제조방법을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 일 실시에에 따른 이차 전지(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 2는 도 1의 이차 전지(1)를 II-II'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 이차 전지(1)는, 양극 집전체(20)와, 양극 집전체(20) 상에 배치된 복수 개의 단위 셀(10), 복수 개의 단위 셀(10)을 좌우 방향(x 방향)으로 지지하는 지지 부재(220)를 포함할 수 있다. 복수 개의 단위 셀(10)의 적어도 일부 상에는 음극 집전체(30)가 배치될 수 있다.
복수 개의 단위 셀(10) 각각은, 양극(110), 음극(130) 및 이들 사이에 배치된 전해질막(120)을 포함한다.
양극(110)은 제1 방향, 예를 들어, 상하 방향(z 방향)으로 연장될 수 있다. 양극(110)의 상하 방향으로의 높이(이하, '높이'라 한다)는 수백 um 일 수 있다. 예를 들어, 양극(110)의 높이는 100 um ~ 999 um일 수 있다. 예를 들어, 양극(110)의 높이는 100 um ~ 500 um일 수 있다.
또한, 양극(110)은 제1 방향과 수직인 제2 방향, 예를 들어, 전후 방향(y 방향)으로 연장될 수 있다.
양극(110)은 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한, 양극(110)은 도전재나 바인더 없이 양극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 양극(110)은 LiCoO2와 같은 양극 조성의 세라믹 소결체(sintered polycrystalline ceramics)로 구성될 수 있다.
음극(130)은 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한, 음극(130)은 도전재나 바인더 없이 음극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 음극(130)은 리튬(Li) 금속과 같은 음극 금속으로 구성될 수도 있다.
전해질막(120)은 양극(110)과 음극(130)이 직접 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 전해질막(120)은 양극(110)과 음극(130) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 양극(110)과 음극(130)은 서로 직접적으로 접촉하지 않고 전해질막(120)을 통해 금속 이온을 교환할 수 있다.
전해질막(120)은 양극(110)의 형상을 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 전해질막(120)은 양극(110)의 적어도 3면을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 음극(130)은 이러한 전해질막(120)의 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 전해질막(120)은 균일한 두께를 가질 수 있다. 전해질막(120)의 두께는 2 um 이하일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전해질막(120)은 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 전해질막(120)은, 구불구불한 형태로 고정될 수 있다. 예를 들어, 전해질막(120)은 Li3PO4, Li3PO4 - xNx, LiBO2 - xNx, Li3PO4Nx, LiBO2Nx, Li4SiO4-Li3PO4, Li4SiO4-Li3VO4 등과 같은 고체 전해질을 포함할 수 있다.
복수의 단위 셀(10)은, 이들 사이에 빈 공간(cavity; 210)가 존재하도록 제3 방향, 예를 들어, 좌우 방향(x 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 제3 방향은 제1 방향 및 제2 방향과 교차하는 방향, 예를 들어, 수직인 방향일 수 있다.
복수의 단위 셀(10) 각각은 음극(130)이 양극(110)에 비해 외부에 배치되며, 상기 음극(130)은 빈 공간(210)에 대향하도록 배치될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 이차 전지(1)에서 빈 공간(210)의 역할을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 이차 전지(1)의 충전/방전이 진행되는 과정에서, 단위 셀(10)의 부피가 가변될 수 있다. 이차 전지(1)가 충전/방전이 진행될 때, 음극(130)의 부피가 달라질 수 있다. 이차 전지(1)가 충전될 때의 음극(130)의 부피는 이차 전지(1)가 방전될 때의 음극(130)의 부피보다 클 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(1)가 충전될 때의 음극(130)의 부피는 이차 전지(1)가 방전될 때의 음극(130)의 부피의 150 % ~ 400 % 일 수 있다.
실시예에 따른 이차 전지(1)에서는, 빈 공간(210)이 음극(130)에 대향하도록 배치된 상태이기 때문에, 음극(130)의 부피 변화를 위한 공간을 확보할 수 있다. 다시 말해, 이차 전지(1)의 충전 과정에서, 음극(130)이 팽창하더라도, 인접한 단위 셀(10)의 음극(130)이 서로 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일 예로써, 빈 공간(210)의 좌우 방향으로의 폭(w)은 음극(130)의 두께(t1)의 1 배 이상일 수 있다. 다만, 빈 공간(210)의 좌우 방향으로의 폭(w)은, 이차 전지(1)의 에너지 밀도를 고려하여, 음극(130)의 두께(t1)의 5배 이하일 수 있다. 다른 예로써, 빈 공간(210)의 좌우 방향으로의 폭(w)은 양극(110)의 좌우 방향으로의 폭(w2)의 1배 ~ 5 배일 수 있다. 여기서, 음극(130)의 두께(t1)는 이차 전지(1)가 방전된 상태일 때 전해질막(120)의 표면으로부터 멀어지는 방향으로의 두께로 정의한다. 양극(110)의 좌우 방향으로의 폭(w2)은, 이차 전지(1)가 방전된 상태일 때의 양극(110)의 좌우 방향으로의 폭으로 정의한다. 빈 공간(210)의 좌우 방향으로의 폭(w)은, 이차 전지(1)가 방전된 상태일 때의 빈 공간(210)의 좌우 방향으로의 폭으로 정의한다.
만일 음극(130)의 외부에 빈 공간(210)이 확보되어 있지 않을 경우에는, 이차 전지(1)의 충전 및 방전이 반복될 때, 음극(130)의 부피가 팽창 및 수축을 반복하게 된다. 이러한 음극(130)의 부피 팽창 및 수축의 반복이 나타날 때, 음극(130)은 음극(130)의 주변에 배치된 구성, 예를 들어, 전해질막(120)을 가압 및 가압의 해제를 반복하게 된다. 그로 인해, 음극(130) 내부에 균열이 발생하거나, 음극(130)과 전해질막(120)이 분리될 수 있다. 이는 이차 전지(1)의 용량 감소 및 수명 저하로 이어질 수 있다.
그러나, 실시예에 따른 이차 전지(1)에서는, 음극(130)의 외부에 빈 공간(210)이 존재하기 때문에, 음극(130)의 부피가 팽창하더라도, 음극(130)의 주변에 배치된 구성이 음극(130)에 의해 가압되는 것을 저감할 수 있다. 그에 따라, 음극(130)의 부피 팽창으로 나타날 수 있는 현상인 음극(130) 내부에 균열이 발생하는 현상 및 음극(130)과 전해질막(120)이 분리되는 현상 등을 방지할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 지지 부재(220)는, 빈 공간(210)을 사이에 두고 배치된 인접한 단위 셀(10)이 쓰러지지 않도록 지지할 수 있다. 지지 부재(220)는, 빈 공간(210)이 존재하는 복수 개의 단위 셀(10) 사이에 배치되어, 단위 셀(10)을 좌우 방향으로 지지할 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(220)는 빈 공간(210)의 아래에 배치되며, 단위 셀(10)의 하부 영역을 접촉 및 지지할 수 있다.
지지 부재(220)는 전후 방향으로 연장된 형태일 수 있다.
지지 부재(220)의 높이는 전해질막(120)의 두께보다 크다. 예를 들어, 지지 부재(220)의 높이는, 전해질막(120)의 두께의 5 배 이상일 수 있다. 예를 들어, 전해질막(120)의 두께가 2 um일 때, 지지 부재(220)의 높이는 10 um일 수 있다. 여기서, 전해질막(120)의 두께는 양극(110)의 표면으로부터 멀어지는 방향으로의 두께로 정의한다.
도 4는 도 2의 실시예에 따른 이차 전지(1)의 일부인 A 부분을 확대 도시한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 지지 부재(220)는, 빈 공간(210)을 사이에 두고 배치된 인접한 단위 셀(10)이 쓰러지지 않도록, 소정의 높이(h1)를 가질 수 있다.
예를 들어, 지지 부재(220)의 높이(h1)는, 양극(110)의 높이(h2)의 5 % ~ 15 % 일 수 있다. 지지 부재(220)의 높이(h1)가 양극(110)의 높이(h2)의 5 % 미만일 경우, 지지 부재(220)의 배치에도 불구하고, 단위 셀(10)이 쓰러질 수 있다. 반면, 지지 부재(220)의 높이(h1)가 양극(110)의 높이(h2)의 15 % 초과할 경우, 단위 셀(10)의 쓰러짐 방지에는 유용하겠으나, 지지 부재(220)의 높이(h1)가 높아진 만큼 빈 공간(210)의 높이가 줄어들기 때문에, 빈 공간(210)의 본래 효과가 저감될 수 있다. 또한, 지지 부재(220)의 높이(h1)가 양극(110)의 높이(h2)의 15 %를 초과 할 경우, 전해질막(120)을 덮는 음극(130)의 면적이 현저하게 줄어들게 되기 때문에, 소자의 동작이 방해될 수 있다.
단위 셀(10)이 쓰러지지 않도록 단위 셀(10) 사이에 배치된 지지 부재(220)는 탄성 변형될 수 있다. 지지 부재(220)는 탄성 변형이 가능하기 때문에, 양극(110)의 부피 변화시 발생하는 응력을 흡수할 수 있다.
지지 부재(220) 는, 0.1 GPa ~ 10 GPa 사이의 영률(Young’s modulus)을 가질 수 있다. 지지 부재(220)는 열경화성 수지 또는 자외선(UV) 경화성 수지를 포함할 수 있다. 지지 부재(220)는 고분자 에폭시를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
도 5는 도 2의 실시예에 따른 이차 전지(1)의 일부인 B 부분을 확대한 단면도로써, 탄성 변형이 가능한 지지 부재(220)의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 이차 전지(1)의 충전/방전이 진행되는 과정에서, 단위 셀(10)의 부피가 변할 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(1)가 충전/방전이 진행될 때, 양극(110)의 부피가 달라질 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(1)가 충전될 때의 양극(110)의 부피는 이차 전지(1)가 방전될 때의 양극(110)의 부피보다 클 수 있다. 이차 전지(1)가 충전될 때의 양극(110)의 부피는 이차 전지(1)가 방전될 때의 양극(110)의 부피의 110 % ~ 130 % 일 수 있다.
지지 부재(220)가 탄성 변형이 가능하기 때문에, 상기와 같이 양극(110)의 부피가 변할 경우, 양극(110)의 부피 변화에 대응하여 지지 부재(220)의 부피가 변할 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(1)가 충전되는 과정에서 양극(110)의 부피가 팽창할 때, 지지 부재(220)가 탄성 변형되어 수축될 수 있다. 그리하여, 양극(110)의 부피 변화에 따라 나타날 수 있는 내부 응력은 지지 부재(220)에 의해 흡수될 수 있다.
상기와 같이, 실시예에 따른 이차 전지(1)에서는, 복수의 단위 셀(10) 사이에 존재하는 빈 공간(210)에 의해서 음극(130)의 부피 변화에 따른 이차 전지(1)의 내부의 응력 발생을 방지 또는 흡수할 수 있으며, 상기 지지 부재(220)에 의해 단위 셀(10)의 쓰러짐을 방지하고 양극(110)의 부피 변화에 따른 이차 전지(1)의 내부의 응력 발생을 방지 또는 흡수할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 복수의 단위 셀(10) 각각의 양극(110)의 단부는 양극 집전체(20)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 셀(10) 각각의 양극(110)의 단부는 양극 집전체(20)에 전기적으로 접촉될 수 있다.
양극 집전체(20)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
양극 집전체(20) 상에 복수의 양극(110) 및 복수의 지지 부재(220)가 배치될 수 있다.
양극(110)은 양극 집전체(20)의 표면에 대해 실질적으로 수직하게 돌출되도록 배치될 수 있다. 다만, 양극(110)은 양극 집전체(20)에 대해 완벽하게 수직할 필요는 없으며, 경사지게 배치되는 것도 가능하다. 양극(110)은 양극 집전체(20)에 전도성 접착제에 의해 접착 및 고정될 수 있다. 전도성 접착제는 전도성 에폭시나 금속 페이스트가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
지지 부재(220)의 적어도 일부는 절연성을 가질 수 있다. 그에 따라, 지지 부재(220)는 양극 집전체(20)와 음극(130)의 전기적 접촉을 방지할 수 있다.
양극(110)의 내부에는 내부 집전체(21)가 배치될 수 있다. 내부 집전체(21)는 양극(110)의 내부에 삽입된 형태일 수 있다. 내부 집전체(21)는 양극 집전체(20)와 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 집전체(21)는 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 내부 집전체(21)는 Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
내부 집전체(21)가 양극(110)의 내부에 삽입되어 있으므로, 전해질막(120)에 인접한 양극(110)의 단부로부터 양극 집전체(20)로 전자의 전달이 용이할 수 있다. 그리하여, 양극(110)과 음극(130) 사이의 전해질막(120)을 통해 전체적으로 균일하게 금속 이온이 교환될 수 있으므로, 양극(110)의 높이를 충분히 높게 구성하는 것이 가능할 수 있다.
내부 집전체(21)는 양극 집전체(20)의 표면에 대해 실질적으로 수직하게 돌출되도록 배치될 수 있다. 다만, 내부 집전체(21)는 양극 집전체(20)에 대해 완벽하게 수직할 필요는 없으며, 경사지게 배치되는 것도 가능하다.
양극 집전체(20)와 내부 집전체(21)는 별도로 제작된 후 서로 접합될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 아니하며, 동일한 도전성 재료를 이용하여 일체로 형성될 수도 있다.
상기 도면에서는, 양극 집전체(20)와 내부 집전체(21)는 납작한 평판 형태인 것으로 도시되어 있으나, 반드시 완전한 평판 형태일 필요는 없다. 예를 들어, 양극 집전체(20)와 내부 집전체(21)는 피시본(fish bone) 형태, 메시 형태, 격자 형태 등 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
상기 도 1 및 도 2에서는 양극(110)의 내부에 내부 집전체(21)가 배치되도록 도시하였으며, 내부 집전체(21)는 선택적인 구성일 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에 따른 이차 전지(1a)에서는, 도 6과와 같이, 단위 셀(10)의 양극(110a)의 내부에 내부 집전체(21)가 삽입되지 않을 수도 있다.
복수의 단위 셀(10) 각각의 음극(130)은 음극 집전체(30)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 셀(10) 각각의 음극(130)은 음극 집전체(30)에 전기적으로 접촉될 수 있다.
음극 집전체(30)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
음극 집전체(30)는 양극 집전체(20)에 평행하게 배치될 수 있다. 음극 집전체(30)는 단위 셀(10)의 음극(130)의 상부에 접촉할 수 있다.
다만, 음극 집전체(30)의 배치는 반드시 평판 형태일 필요는 없다. 예를 들어, 음극 집전체(30)는 음극(130)의 형상을 따라 구부러질 수 있다. 예를 들어, 이차 전치(1b)의 음극 집전체(30a)는 도 7과 같이, 빈 공간(210)에 대향하는 음극(130)의 표면에 전기적으로 접촉할 수도 있다. 이 때, 음극 집전체(30a)는 음극(130)이 외부 공기와 접촉하는 것을 방지하는 패시베이션층(passivation layer)으로써 작용할 수 있다. 그리하여, 음극(130)과 외부 공기의 접촉으로 인한 화학 반응을 억제할 수 있다.
도 8a은 다른 실시예에 따른 이차 전지(1c)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 8b는 도 8a의 일부인 C 부분을 확대한 것으로써, 이차 전지(1c)가 충전될 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(1c)는, 지지 부재(220a)의 특성이 다를 수 있다. 본 실시예에 따른 이차 전지(1)의 나머지 구성은, 도 2의 이차 전지(1)의 구성과 동일하므로, 이에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 지지 부재(220a)는 탄성 변형이 가능하면서도 이온 전도성을 가질 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(220a)는, 탄성 변형이 가능한 자외선 경화 물질과 이온 전도성을 가지는 리튬염을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
도 8b를 참조하면, 지지 부재(220a)가 이온 전도성을 가짐으로써, 지지 부재(220a)에 인접한 양극(110), 예를 들어, 양극(110)의 하부에서 출발한 이온이 전체적으로 고른 흐름을 갖게 됨으로써, 균일한 음극(130)의 부피 변화를 유도할 수 있다.
한편, 상술한 실시예들에 따른 이차 전지(1, 1a, 1b, 1c)에서는, 음극(130)이 전해질막(120)의 상부 표면, 좌측 표면의 일부 및 우측 표면의 일부에 배치된 예를 중심으로 설명하였다. 그러나, 음극(130)의 배치는 이에 한정되지 아니하며, 전해질막(120)의 적어도 일부를 둘러싸는 구조라면 다양하게 배치될 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이차 전지(1d)를 개략적으로 나타낸 단면도로써, 도 9를 참조하여, 음극(130a)이 전해질막(120)의 일부를 둘러싼 구조의 다른 예를 설명한다. 도 9를 참조하면, 음극(130a)은 전해질막(120)의 좌측 표면의 일부 및 우측 표면의 일부에 형성되며, 전해질막(120)의 상부 표면에 배치되지 않을 수 있다. 음극 집전체(30)의 일부는 음극(130a)의 단부에 접촉하고, 다른 일부는 전해질막(120)에 접촉한다. 음극(130a)은 음극 집전체(30)에 전기적으로 접촉한다.
도 10 내지 도 21은 도 2에 도시된 이차 전지(1)의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 10을 참조하면, 제1 양극 시트(111')의 두께는 대략 1 um ~ 30 um 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 양극 시트(111')는 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 양극 시트(111')는 도전재나 바인더 없이 양극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 양극 시트(111')는 LiCoO2와 같은 양극 조성의 세라믹 소결체(sintered polycrystalline ceramics)로 구성될 수 있다. 제1 양극 시트(111')는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 양극 시트(111') 상에 내부 집전체(21')를 형성하고, 내부 집전체(21') 상에 제2 양극 시트(112')를 형성할 수 있다.
내부 집전체(21')는 도성성 금속 재료를 포함하는 페이스트를 제1 양극 시트(111') 상에 도포함으로써 형성될 수 있다. 내부 집전체(21')의 도전성 금속 재료는, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 내부 집전체(21')는 약 1 um 이하의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 양극 시트(112')는 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 양극 시트(112')는 도전재나 바인더 없이 양극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제2 양극 시트(112')는 LiCoO2와 같은 양극 조성의 세라믹 소결체(sintered polycrystalline ceramics)로 구성될 수 있다. 제2 양극 시트(112')의 재질은 제1 양극 시트(111')의 재질과 동일할 수 있다. 제2 양극 시트(112')의 두께는 대략 1 um ~ 30 um 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다
상기와 같이, 제1 양극 시트(111'), 내부 집전체(21') 및 제2 양극 시트(112')를 형성함으로써, 양극(110')을 형성할 수 있다.
양극(110') 상에 희생층(211)을 적층할 수 있다. 양극(110')의 제2 양극 시트(112') 상에 희생층(211')을 적층할 수 있다. 복수의 양극(110')과 복수의 희생층(211')을 교대로 반복하여 적층할 수 있다.
여기서, 양극(110')과 희생층(211')의 적층 횟수는 대략 1회 ~ 2000회 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
희생층(211')은 이후 진행될 공정에서 선택적으로 제거될 수 있는 재질을 포함할 수 있다.
일 예로써, 희생층(211')은 고온에서 휘발시켜 제거될 수 있는 재료, 예를 들어, 탄소 계열의 재료 또는 고분자 계열의 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 탄소 계열의 재료는 그래파이트일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 고분자 계열의 재료는 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다른 예로써, 희생층(211')은 식각에 의해 제거될 수 있는 재료일 수 있다. 예를 들어, 희생층(211')은 무기 산화물, 예를 들어, 산화 규소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 희생층(211')은 SiO2, LiSiO4, LiCoSiO4 중 적어도 하나를 포함한 시트 일 수 있다.
적층체(51)는 제1 양극 시트(111') 및 내부 집전체(21'), 제2 양극 시트(112'), 희생층(211')을 일반적인 테이프 캐스팅(tape casting) 후 각각의 시트를 순서대로 적층 한 다음에, 800 ℃~1100 ℃ 사이의 온도에서 소결하는 방법으로 제작 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11을 참조하면, 적층 구조물(51)의 외곽에 적층 구조물(51)을 둘러싸는 지지 프레임(40')을 형성할 수 있다. 적층 구조물(51)은 좌우 방향으로의 양 단부 및 전후 방향으로의 양 단부가 지지 프레임(40')에 의해 지지될 수 있다.
지지 프레임(40')의 재질은, 지지 프레임(40')이 적층 구조물(51)을 지지할 수 있으며, 이후 진행될 희생층(211) 제거 단계에서 제거되지 않는 재질일 수 있다. 예를 들어, 지지 프레임(40')의 재질은 고분자 에폭시를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다. 도 12를 참조하면, 복수의 양극(110')과 복수의 희생층(211')이 교번하여 적층된 적층 구조물(51)이 지지 프레임(40')에 의해 외곽이 지지된 상태에서 톱(saw)과 같은 절단 부재(60)로 절단함으로써, 원하는 크기를 가지는 복수 개의 적층 구조물(52)로 분할할 수 있다.
도 13에는, 적층 구조물(51)을 절단하여 분할된 하나의 적층 구조물(52)이 도시되어 있다. 적층 구조물(52)은 복수의 양극(110)과 복수의 희생층(211)이 좌우 방향으로 교번하여 적층된다. 양극(110)은 제1 양극 시트(111), 내부 집전체(21) 및 제2 양극 시트(112)가 좌우 방향으로 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
적층 구조물(52)은 좌우 방향으로의 양 단부 및 전후 방향으로의 양 단부가 지지 프레임(40)에 의해 지지될 수 있다. 도 14는 도 13의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 적층 구조물(52)은 좌우 방향으로의 양 단부가 지지 프레임(40)에 의해 지지될 수 있다.
지지 프레임(40)의 재질은, 지지 프레임(40)이 적층 구조물(52)을 지지할 수 있으며, 이후 진행될 희생층(211) 제거 단계에서 제거되지 않는 재질일 수 있다. 예를 들어, 지지 프레임(40)의 재질은 고분자 에폭시를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
도 15를 참조하면, 적층 구조물(52)에서 희생층(211)을 제거한다. 일 예로써, 희생층(211)은 희생층(211)만 선택적으로 식각할 수 있는 식각 공정에 의해 제거될 수 있다. 식각 공정에서는, 습식 식각 또는 건식 식각 방식이 사용될 수 있다. 다른 예로써, 희생층(211)은 열처리를 이용하여 휘발시켜 제거될 수 있다.
희생층(211)을 제거하게 되면, 3차원 구조의 양극(110)이 완성된다. 희생층(211)이 제거될 때, 양극(110)은 지지 프레임(40)에 의해 지지된 상태이다. 복수의 양극(110)은 좌우 방향으로 서로 이격 배열될 수 있다. 복수의 양극(110) 사이에는, 빈 공간(210')이 존재한다.
도 16을 참조하면, 서로 이격 배열된 양극(110)에 전해질막(120)을 형성한다. 예를 들어, 양극(110)의 표면에 전해질막(120)을 형성한다. 예를 들면, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-Organic CVD) 또는 스퍼터링 등에 의해 양극(110)의 표면에 증착될 수 있다. 전해질막(120)은 양극(110)의 표면에 균일한 두께를 가지도록 증착될 수 있다. 전해질막(120)의 두께는 2 um 이하일 수 있다. 전해질막(120)은, 양극(110)에서 지지 프레임(40)에 대향하는 면을 제외한 나머지 면에 형성될 수 있다.
전해질막(120)은 Li3PO4, Li3PO4 - xNx, LiBO2 - xNx, Li3PO4Nx, LiBO2Nx, Li4SiO4-Li3PO4, Li4SiO4-Li3VO4 등과 같은 고체 전해질을 포함할 수 있다.
도 17을 참조하면, 액체 상태의 사전 지지 부재(220')에 양극(110)의 표면에 형성된 전해질막(120)의 일부를 삽입 또는 담근다. 사전 지지 부재(220')는, 열 또는 자외선에 의해 경화될 수 있는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사전 지지 부재(220')는 고분자 에폭시를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
전해질막(120)의 일부가 액체 상태의 사전 지지 부재(220')에 삽입된 상태에서, 사전 지지 부재(220')를 열 또는 자외선에 의해 경화시킨다. 사전 지지 부재(220')는 경화되어 고체 상태로 변하며, 그에 따라 전해질막(120)으로 둘러싸인 양극(110)은 쓰러지지 않게 사전 지지 부재(220')에 의해 지지될 수 있다.
도 18을 참조하면, 양극(110)의 하부가 외부로 노출되도록, 사전 지지 부재(220')의 일부 및 전해질막(120)의 일부를 제거할 수 있다. 예를 들어, 양극(110)의 하부에 배치된 사전 지지 부재(220') 및 전해질막(120)을 제거할 수 있다.
예를 들어, 연마(polishing) 공정에 의해, 양극(110)의 하부에 배치된 사전 지지 부재(220') 및 전해질막(120)을 제거할 수 있다. 사전 지지 부재(220') 및 전해질막(120)을 제거하는 방법으로써, 기계적인 연마(mechanical polishing) 방식이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다. 예를 들어, 플라즈마를 이용한 플라즈마 애싱(plasma ashing) 방식이 사용될 수도 있다.
연마 공정에 의해, 양극(110)의 하부를 외부에 노출시키고, 전해질막(120) 사이에 배치된 지지 부재(220)를 형성할 수 있다. 이 때, 지지 프레임(40)의 하부가 일부 제거될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
지지 부재(220)는, 그 높이가 양극(110)의 높이의 5 % ~ 15 %가 되도록 형성될 수 있다. 또한, 지지 부재(220)는, 그 높이가 전해질막(120)의 두께보다 크도록 형성될 수 있다.
도 19를 참조하면, 전해질막(120) 상에 음극(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전해질막(120)의 적어도 일부를 둘러싸도록, 전해질막(120)의 표면 상에 음극(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 음극(130)은, 복수의 전해질막(120) 및 이들 사이에 배치된 지지 부재(220) 상에, 이들의 형상을 따라 형성될 수 있다. 음극(130)은 전해질막(120)의 좌측 표면 일부, 상부 표면, 우측 표면의 일부 및 지지 부재(220)의 상부 표면에 형성될 수 있다. 이로써, 각각 양극(110), 전해질막(120) 및 음극(130)을 포함하는 복수 개의 단위 셀(10)이, 좌우 방향으로 이격된 구조를 가질 수 있다. 인접한 단위 셀(10)의 음극(130)은 서로 연결되며, 지지 부재(220)는 음극(130)의 하부에 배치될 수 있다.
복수 개의 단위 셀(10) 사이에 빈 공간(210)이 존재할 수 있다. 빈 공간(210)은, 좌우 방향으로의 폭이 음극(130)의 두께의 1 배 ~ 5 배가 되도록 설계될 수 있다. 빈 공간(210)은, 좌우 방향으로의 폭이 양극(110)의 좌우 방향으로의 폭의 1 배 ~ 5 배가 되도록 설계될 수 있다.
도 20을 참조하면, 음극(130)의 상부에 음극 집전체(30)를 형성하고, 양극(110)의 하부에 양극 집전체(20)를 형성한다. 음극 집전체(30)는 음극(130)에 전기적으로 연결되며, 양극 집전체(20)는 양극(110)에 전기적으로 연결된다. 음극 집전체(30)와 양극 집전체(20)는 평행하게 배치될 수 있다. 양극 집전체(20)와 양극(110)는 도전성 접착제에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 도전성 접착제로써, 전도성 에폭시나 금속 페이스트가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
음극 집전체(30) 및 양극 집전체(20)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
양극 집전체(20)는 양극(110)의 내부에 배치된 내부 집전체(21)에 전기적으로 접촉할 수 있다. 양극 집전체(20) 상에 복수의 양극(110)이 수직으로 배치될 수 있다. 양극 집전체(20) 상에 복수의 내부 집전체(21)가 수직으로 배치될 수 있다.
도 21을 참조하면, 도 20의 구조물에서 지지 프레임(40)이 형성된 양 단부를 제거한다. 이를 통해, 도 2의 이차 전지(1)를 제조할 수 있다.
다만, 이차 전지(1)는 지지 프레임(40)이 반드시 제거될 필요는 없으며, 도 20과 같이 지지 프레임(40)을 제거하지 않고 사용될 수도 있다.
상술한 실시예에서는, 도 2의 이차 전지(1)를 제조하는 과정을 중심으로 설명하였으나, 도 8의 이차 전지(1c)를 제조하는 과정에 적용될 수 있다. 도 8의 이차 전지(1c)를 제조하는 과정에서는, 지지 부재(220a)가 이온 전도성을 가지는 재질로 변경 또는 추가되는 점이 다를 뿐, 나머지 과정은 동일하게 적용될 수 있다.
도 22 내지 도 32은 도 6에 도시된 이차 전지(1a)의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 22를 참조하면, 양극(110a') 상에 희생층(211')을 적층할 수 있다. 복수의 양극(110a')과 복수의 희생층(211')을 교대로 반복하여 적층할 수 있다.
여기서, 양극(110a')과 희생층(211')의 적층 횟수는 대략 1회 ~ 2000회 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
희생층(211')은 이후 진행될 공정에서 선택적으로 제거될 수 있는 재질을 포함할 수 있다. 희생층(211')은 고온에서 휘발시켜 제거될 수 있는 재료, 예를 들어, 탄소 계열의 재료 또는 고분자 계열의 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 탄소 계열의 재료는 그래파이트일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 고분자 계열의 재료는 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다른 예로써, 희생층(211')은 식각에 의해 제거될 수 있는 재료일 수 있다. 예를 들어, 희생층(211')은 무기 산화물, 예를 들어, 산화 규소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 희생층(211')은 SiO2, LiSiO4, LiCoSiO4 중 적어도 하나를 포함한 시트 일 수 있다.
도 23을 참조하면, 적층 구조물(51a)의 외곽에 적층 구조물(51a)을 둘러싸는 지지 프레임(40')을 형성할 수 있다. 적층 구조물(51a)은 좌우 방향으로의 양 단부 및 전후 방향으로의 양 단부가 지지 프레임(40')에 의해 지지될 수 있다.
복수의 양극(110a')과 복수의 희생층(211')이 교번하여 적층된 적층 구조물(51a)이 지지 프레임(40')에 의해 외곽이 지지된 상태에서 톱과 같은 절단 부재(60)로 절단함으로써, 원하는 크기를 가지는 복수 개의 적층 구조물(52a)로 분할할 수 있다. 적층 구조물(52a)은 복수의 양극(110a)과 복수의 희생층(211)이 좌우 방향으로 교번하여 적층된다.
도 24를 참조하면, 적층 구조물(52a)은 좌우 방향으로의 양 단부 및 전후 방향으로의 양 단부가 지지 프레임(40)에 의해 지지될 수 있다. 도 25는 도 24의 단면도이다. 도 25를 참조하면, 적층 구조물(52a)은 좌우 방향으로의 양 단부가 지지 프레임(40)에 의해 지지될 수 있다.
지지 프레임(40)의 재질은, 적층 구조물(52a)을 지지할 수 있으며, 이후 진행될 희생층(211) 제거 단계에서 제거되지 않는 재질일 수 있다. 예를 들어, 지지 프레임(40)의 재질은 에폭시를 포함할 수 있다.
도 26을 참조하면, 적층 구조물(52a)에서 희생층(211)을 제거한다. 일 예로써, 희생층(211)은 희생층(211)만 선택적으로 식각할 수 있는 식각 공정에 의해 제거될 수 있다. 식각 공정에서는, 습식 식각 또는 건식 식각 방식이 사용될 수 있다. 다른 예로써, 희생층(211)은 열처리를 이용하여 휘발시켜 제거될 수 있다.
희생층(211)을 제거하게 되면, 3차원 구조의 양극(110a)이 완성된다. 희생층(211)이 제거될 때, 양극(110a)은 지지 프레임(40)에 의해 지지된 상태이다. 복수의 양극(110a)은 좌우 방향으로 서로 이격 배열될 수 있다.
도 27를 참조하면, 서로 이격 배열된 양극(110a)에 전해질막(120)을 형성한다. 예를 들어, 양극(110a)의 표면에 고체 전해질막(120)을 형성한다. 예를 들면, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-Organic CVD) 또는 스퍼터링 등에 의해 양극(110a)의 표면에 증착될 수 있다. 전해질막(120)은 양극(110a)의 표면에 균일한 두께를 가지도록 증착될 수 있다. 전해질막(120)의 두께는 2 um 이하일 수 있다. 전해질막(120)은, 양극(110a)에서 지지 프레임(40)에 대향하는 면을 제외한 나머지 면에 형성될 수 있다.
전해질막(120)은 Li3PO4, Li3PO4 - xNx, LiBO2 - xNx, Li3PO4Nx, LiBO2Nx, Li4SiO4-Li3PO4, Li4SiO4-Li3VO4 등과 같은 고체 전해질을 포함할 수 있다.
도 28을 참조하면, 액체 상태의 사전 지지 부재(220')에 양극(110a)의 표면에 형성된 전해질막(120)의 일부를 삽입 또는 담근다. 사전 지지 부재(220')는, 열 또는 자외선에 의해 경화될 수 있는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사전 지지 부재(220')는 고분자 에폭시를 포함할 수 있다.
전해질막(120)의 일부가 사전 지지 부재(220')에 삽입된 상태에서, 사전 지지 부재(220')를 열 또는 자외선에 의해 경화시킨다. 사전 지지 부재(220')는 경화되어 고체 상태로 변하며, 그에 따라 전해질막(120)으로 둘러싸인 양극(110a)이 쓰러지지 않게 사전 지지 부재(220')에 의해 지지될 수 있다.
도 29를 참조하면, 양극(110a)의 하부가 외부로 노출되도록, 사전 지지 부재(220')의 일부 및 전해질막(120)의 일부를 제거할 수 있다. 예를 들어, 양극(110a)의 하부에 배치된 사전 지지 부재(220') 및 전해질막(120)을 제거할 수 있다.
예를 들어, 연마(polishing) 공정에 의해, 양극(110a)의 하부에 배치된 사전 지지 부재(220') 및 전해질막(120)을 제거할 수 있다. 사전 지지 부재(220') 및 전해질막(120)을 제거하는 방법으로써, 기계적인 연마(mechanical polishing) 방식이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다. 예를 들어, 플라즈마를 이용한 플라즈마 애싱(plasma ashing) 방식이 사용될 수도 있다.
연마 공정에 의해, 양극(110a)의 하부를 외부에 노출시키고, 전해질막(120) 사이에 배치된 지지 부재(220)를 형성할 수 있다. 이 때, 지지 프레임(40)의 하부가 일부 제거될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
지지 부재(220)는, 그 높이가 양극(110a)의 높이의 5 % ~ 15 %가 되도록 형성될 수 있다. 또한, 지지 부재(220)는, 그 높이가 전해질막(120)의 두께보다 크도록 형성될 수 있다.
도 30을 참조하면, 전해질막(120) 상에 음극(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전해질막(120)의 적어도 일부를 둘러싸도록, 전해질막(120)의 표면 상에 음극(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 음극(130)은, 복수의 전해질막(120) 및 이들 사이에 배치된 지지 부재(220) 상에, 이들의 형상을 따라 형성될 수 있다. 음극(130)은 전해질막(120)의 좌측 표면 일부, 상부 표면, 우측 표면의 일부 및 지지 부재(220)의 상부 표면에 형성될 수 있다. 이로써, 각각 양극(110a), 전해질막(120) 및 음극(130)을 포함하는 복수 개의 단위 셀(10)이, 좌우 방향으로 이격된 구조를 가질 수 있다. 인접한 단위 셀(10)의 음극(130)은 서로 연결되며, 지지 부재(220)는 음극(130)의 하부에 배치될 수 있다.
복수 개의 단위 셀(10) 사이에 빈 공간(210)이 존재할 수 있다. 빈 공간(210)은, 좌우 방향으로의 폭이 음극(130)의 두께의 1 배 ~ 5 배가 되도록 설계될 수 있다. 빈 공간(210)은, 좌우 방향으로의 폭이 양극(110a)의 좌우 방향으로의 폭의 1 배 ~ 5 배가 되도록 설계될 수 있다.
도 31을 참조하면, 음극(130)의 상부에 음극 집전체(30)를 형성하고, 양극(110a)의 하부에 양극 집전체(20)를 형성한다. 음극 집전체(30)는 음극(130)에 전기적으로 연결되며, 양극 집전체(20)는 양극(110a)에 전기적으로 연결된다. 음극 집전체(30)와 양극 집전체(20)는 평행하게 배치될 수 있다. 양극 집전체(20)와 양극(110a)는 도전성 접착제에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 도전성 접착제로써, 전도성 에폭시나 금속 페이스트가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
음극 집전체(30) 및 양극 집전체(20)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
양극 집전체(20)는 양극(110a)의 내부에 배치된 내부 집전체(21)에 전기적으로 접촉할 수 있다. 양극 집전체(20) 상에 복수의 양극(110a)이 수직으로 배치될 수 있다. 양극 집전체(20) 상에 복수의 내부 집전체(21)가 수직으로 배치될 수 있다.
도 32를 참조하면, 도 31의 구조물에서 지지 프레임(40)이 형성된 양 단부를 제거한다. 이를 통해, 도 6의 이차 전지(1a)를 완성할 수 있다. 다만, 이차 전지(1a)는 지지 프레임(40)이 반드시 제거될 필요는 없으며, 도 31과 같이 지지 프레임(40)을 제거하지 않고 사용될 수도 있다.
도 33 내지 도 34은 도 7에 도시된 이차 전지(1b)의 제조방법을 설명하는 도면들이다. 도 7에 개시된 이차 전지(1b)는, 상술한 도 10 내지 도 19에 개시된 공정에 따라 음극(130)까지 형성될 수 있다. 음극(130)을 형성한 이후의 제조 과정은, 도 33 및 도 34를 참조하여 설명한다.
도 33을 참조하면, 양극(110)의 하부에 양극 집전체(20)를 형성한다. 양극 집전체(20)는 양극(110)에 전기적으로 연결된다.
음극(130) 상에 음극 집전체(30a)를 형성한다. 음극 집전체(30a)를 음극(130)의 표면을 따라 형성할 수 있다. 음극 집전체(30a)는 음극(130)에 전기적으로 연결된다. 음극 집전체(30a)는, 음극(130)의 상부 표면은 물론, 빈 공간(210)에 대향하는 음극(130)의 표면에 전기적으로 접촉할 수 있다.
음극 집전체(30a) 및 양극 집전체(20)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
양극 집전체(20)는 양극(110)의 내부에 배치된 내부 집전체(21)에 전기적으로 접촉할 수 있다. 양극 집전체(20) 상에 복수의 양극(110)이 수직으로 배치될 수 있다. 양극 집전체(20) 상에 복수의 내부 집전체(21)가 수직으로 배치될 수 있다.
도 34을 참조하면, 도 33의 구조물에서 지지 프레임(40)이 형성된 양 단부를 제거한다. 이를 통해, 도 7의 이차 전지(1b)를 완성할 수 있다. 다만, 이차 전지(1b)는 지지 프레임(40)이 반드시 제거될 필요는 없으며, 도 33과 같이 지지 프레임(40)을 제거하지 않고 사용될 수도 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1, 1a, 1b, 1c : 이차 전지 10 : 단위 셀
20 : 양극 집전체 21 : 내부 집전체
30, 30a : 음극 집전체 40 : 지지 프레임
110, 110a : 양극 111 : 제1 양극 시트
112: 제2 양극 시트 120 : 전해질막
130 : 음극 210 : 빈 공간
211 : 희생층 220, 220a : 지지 부재

Claims (27)

  1. 상하 방향으로 연장된 양극과, 상기 양극의 외측에 배치되며 상기 양극의 적어도 3 면을 둘러싸는 전해질막과, 상기 전해질막의 외측에 배치되며 상기 전해질막의 적어도 일부를 둘러싸는 음극을 가지는, 복수 개의 단위 셀을 포함하며,
    상기 복수 개의 단위 셀은, 이들 사이에 빈 공간(cavity)이 존재하도록 좌우 방향으로 이격되며,
    상기 빈 공간이 존재하는 상기 복수 개의 단위 셀 사이에, 상기 단위 셀을 좌우 방향으로 지지하는 지지 부재가 배치된, 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭은 상기 양극의 좌우 방향으로의 폭의 1 배 ~ 5배인, 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭은 상기 음극의 두께의 1 배 ~ 5배인, 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재의 높이는, 상기 양극의 높이의 5 % ~ 15 % 인, 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재의 높이는, 상기 전해질막의 두께보다 큰, 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재는 탄성 변형이 가능한, 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지 부재는 0.1 GPa ~ 10 GPa 사이의 영률(Young’s modulus)을 가지는, 이차 전지
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재는 이온 전도성을 가지는, 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재는, 인접한 단위 셀의 전해질막 사이에 배치된, 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지 부재는 상기 음극의 하부에 배치되는, 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지가 충전될 때의 상기 음극의 부피는, 상기 이차 전지가 방전될 때의 상기 음극의 부피의 150 % ~ 400 % 인, 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지가 충전될 때의 상기 양극의 부피는, 상기 이차 전지가 방전될 때의 상기 양극의 부피의 110 % ~ 130 % 인, 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀 각각의 양극의 일 단부에 전기적으로 접촉하는 양극 집전체;를 더 포함하는, 이차 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀 각각의 양극의 내부에 배치되며, 상기 양극 집전체에 전기적으로 연결된 내부 집전체;를 더 포함하는, 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 음극에 전기적으로 접촉하는 음극 집전체;를 더 포함하는, 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 음극 집전체는, 상기 빈 공간에 대향하는 상기 음극의 표면에 전기적으로 접촉하는, 이차 전지.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 셀 각각의 양극이 전후 방향으로 연장된, 이차 전지.
  18. 복수의 양극과 복수의 희생층이 좌우 방향으로 교번하여 적층된 적층 구조물에서 상기 복수의 희생층을 제거함으로써, 좌우 방향으로 서로 이격 배열된 복수의 양극을 형성하는 단계;
    상기 서로 이격 배열된 복수의 양극의 표면 상에 전해질막을 형성하는 단계;
    상기 복수의 양극 표면 상에 형성된 전해질막 사이에, 상기 전해질막을 좌우 방향으로 지지하는 지지 부재를 형성하는 단계; 및
    상기 전해질막의 표면 상에 음극을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 음극을 형성하는 단계에서는, 상기 전해질막의 서로 대향하는 표면에 형성된 음극 사이에 빈 공간이 존재하도록, 음극을 형성하는, 이차 전지의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭이 상기 양극의 좌우 방향으로의 폭의 1 배 ~ 5배가 되도록, 상기 음극을 형성하는, 이차 전지의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 빈 공간의 좌우 방향으로의 폭이 상기 음극의 두께의 1 배 ~ 5배가 되도록, 상기 음극을 형성하는, 이차 전지의 제조방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 지지 부재의 높이가 상기 양극의 높이의 5 % ~ 15 % 가 되도록, 상기 지지 부재를 형성하는, 이차 전지의 제조방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 지지 부재는 탄성 변형이 가능한, 이차 전지의 제조방법
  23. 제22항에 있어서,
    상기 지지 부재는 0.1 GPa ~ 10 GPa 사이의 영률(Young’s modulus)을 가지는, 이차 전지의 제조방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 지지 부재는 이온 전도성을 가지는, 이차 전지의 제조방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 양극과 전기적으로 접촉하는 양극 집전체를 형성하는 단계; 및
    상기 음극과 전기적으로 접촉하는 음극 집전체를 형성하는 단계;를 더 포함하는, 이차 전지의 제조방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 음극 집전체를 형성하는 단계에서는,
    상기 음극 집전체를 상기 음극의 표면을 따라 형성하는, 이차 전지의 제조방법.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 지지 부재를 형성하는 단계는,
    사전(pre) 지지 부재에 상기 복수의 전해질막의 일부를 삽입하는 단계와,
    상기 양극이 외부로 노출되도록, 상기 사전 지지 부재의 일부 및 상기 전해질막의 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 이차 전지의 제조방법.
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