KR20100000655A - 유연성이 개선된 이차전지 - Google Patents

Abstract

유연성이 개선된 이차전지가 개시된다. 개시된 이차전지는, 기판에 일체로 설치된 제1전극집전체와, 제1전극집전체 위에 순차적으로 인쇄되어 적층된 제1전극합제층, 전해질층, 제2전극합제층 및, 제2전극합제층에 일체로 결합된 금속망 형태의 제2전극집전체를 구비한다.

Description

유연성이 개선된 이차전지{Secondary battery provided improved flexibility}

본 발명은 충전과 방전을 반복하는 이차전지에 관한 것으로서, 특히 유연성이 개선된 이차전지에 관한 것이다.

일명 축전지라고도 불리는 이차전지는 양극과 음극 사이에 배치된 전해질을 통해 전하를 이동시키면서 충전과 방전을 반복할 수 있는 장치를 말한다.

한편, 최근에는 모든 전자기기들이 소형 경량화되어 가는 추세라서, 이차전지에도 좁은 공간에 쉽게 장입할 수 있도록 얇고 유연한 특성이 요구되고 있다.

그런데, 유연성이 충분히 확보되지 않은 이차전지를 구부리게 되면, 예컨대 두 극 사이의 전해질 접합부에 응력이 집중하면서 박리가 생기는 경우가 많기 때문에, 전지의 성능과 수명에 치명적인 영향을 줄 수 있다.

따라서, 유연성이 충분한 이차전지를 만들면, 전지의 성능도 안정적으로 보장할 수 있고, 전자기기를 소형 경량화하는데에도 유리한 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 기판과, 상기 기판에 일체로 설치된 제1전극집전체와, 상기 제1전극집전체 위에 순차적으로 인쇄되어 적층된 제1전극합제층, 전해질층, 제2전극합제층 및, 상기 제2전극합제층에 일체로 결합된 금속망 형태의 제2전극집전체를 포함한다.

여기서, 상기 제2전극집전체는 열압착에 의해 상기 제2전극합제층 속으로 매립되며 일체로 결합될 수 있다.

상기 제2전극집전체 위에 인쇄되어 그 제2전극집전체의 금속망 구멍을 매우며 응고됨으로써 상기 제2전극합제층와 제2전극집전체가 일체로 고정되게 하는 바인더층이 더 구비될 수 있으며, 상기 바인더층에 도전제가 포함될 수 있다.

상기 제2전극집전체는 상기 제2전극합제층 위에 놓여진 상태에서 그 위에 상기 바인더층이 인쇄됨에 따라 일체로 고정될 수 있고, 또는, 상기 제2전극집전체는 상기 제2전극합제층에 몸체 일부가 열압착에 의해 매립된 상태에서 그 위에 상기 바인더층이 인쇄됨에 따라 일체로 고정될 수도 있다.

상기 제2전극집전체는 구리, 스테인레스 스틸, 티타늄, 니켈 중 어느 하나를 포함한 재질로 구성될 수 있으며, 두께가 200nm~100㎛, 금속망 구멍의 개구율이 1%~99%, 금속망 구멍들의 중심간 평균거리가 5mm 미만일 수 있다.

또한, 상기 전해질층에 바인더 성분이 0.5~20wt% 포함될 수 있고, 상기 제2전극집전체 위에 보호층이 설치될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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 도시된 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 실시예의 이차전지는 기판(10), 제1전극집전체(20), 제1전극합제층(30), 전해질층(40), 제2전극합제층(50) 및, 제2전극집전체(60)가 순차적으로 적층되어 일체형 몸체를 이루고, 그 위에 보호층(encapsulation layer;70)이 덮여지는 구조로 이루어져 있다. 즉, 전지의 핵심부인 기판(10)부터 제2전극집전체(60)까지가 견고한 일체형 몸체로 제작되고, 그 위에 보호층(70)이 덮이는 구조이므로, 굽힘응력이 가해질 경우 보호층(70)과 몸체 사이가 떨어질 수는 있어도 몸체 내부에서 층간 박리가 일어날 가능성은 극히 낮아지게 된다.

먼저, 상기 기판(10)은 유연한 플라스틱 재질로 이루어지며, 그 위에 상기 제1전극집전체(20)가 견고하게 부착된다. 여기서 "제1전극"은 양극과 음극 중 어느 한 전극을 의미하며, "제2전극"은 제1전극과 대응되는 나머지 전극을 의미한다. 또한, "합제층"은 리튬과 같은 전극활성물질에 도전제 및 바인더가 혼합되어 있는 층을 의미한다.

그리고, 상기 제1전극합제층(30)과 전해질층(40) 및 제2전극합제층(50)이 프린팅 공정을 통해 순차적으로 인쇄되어 적층된다. 즉, 각 층을 따로 만들어서 라미네이팅(laminating) 하는 것이 아니라, 프린팅 공정 기법을 이용해서 각 층을 직접 인쇄하는 방식으로 적층 구조를 만드는 것이다. 이렇게 하면 층간 틈새가 거의 없는 매우 얇은 적층 구조를 만들 수 있어서, 전지의 유연성을 더욱 개선할 수 있으며, 또한 인쇄 과정에서 통전과 집전을 위한 회로연결 구조도 바로 인쇄할 수 있기 때문에 나중에 별도의 회로연결 과정을 거칠 필요도 없게 된다.

이후, 상기 제2전극합제층(50) 위에 제2전극집전체(60)를 적층하게 되는데, 이 제2전극집전체(60)로는 구리, 스테인레스 스틸, 티타늄, 니켈과 같은 금속재를 다수의 구멍이 형성된 망(mesh) 형태로 만든 것이 사용된다. 이와 같이 금속망 형태로 제2전극집전체(60)를 만들게 되면, 그 금속망 구멍을 통해 결합이 이루어지기 때문에 제2전극합제층(50)과의 일체형 결합을 매우 견고하게 만들 수 있다.

이 제2전극집전체(60)를 결합시키는 방법으로는 다음과 같은 예들이 적용될 수 있다. 먼저, 도 2a 및 도 2b와 같이(도 2b는 도 2a의 A부분을 확대) 열압착을 이용해서 제2전극집전체(60)의 몸체가 제2전극합제층(50) 속으로 매립되면서 결합되도록 할 수 있다. 즉, 앞선 인쇄 과정을 거친 후 건조된 제2전극합제층(50) 위에 제2전극집전체(60)를 놓고 열과 압력을 가해 누르면, 제2전극집전체(60)가 제2전극합제층(50) 속으로 들어가게 되고, 이때 제2전극합제층(50)의 상면 일부가 도 2b와 같이 상기 금속망 구멍(61)을 통해 빠져나오면서 두 층(50)(60)이 오버랩되어 상호간에 단단한 결합이 이루어지게 된다.

또 다른 예로는, 도 3과 같이 별도의 바이더층(80)을 더 형성하는 방법도 적용될 수 있다. 즉, 제2전극합제층(50) 위에 제2전극집전체(60)를 놓고 그 위에 바인더층(80)을 인쇄하여 건조시킨다. 그러면, 바인더층(80)이 제2전극집전체(60)의 금속망 구멍을 매우면서 응고되어 제2전극합제층(50)과 제2전극집전체(60) 간의 견고한 결합구조를 만들 수 있게 된다. 또는, 도 4와 같이 제2전극집전체(60)을 제2전극합제층(50)으로 열압착해서 몸체 일부가 매립되게 한 다음 상기 바인더층(80)을 인쇄할 수도 있다. 이렇게 되면, 열압착에 의한 결합력과 바인더층(80)에 의한 결합력이 합쳐져서 더욱 견고한 일체형 구조가 만들어질 수 있다.

그리고, 상기 바인더층(80)에 도전재가 혼합되면, 제2전극합제층(50)과 제2전극집전체(60) 간의 충분한 도전성도 확보할 수 있다.

물론, 제2전극집전체(60)도 프린팅 공정으로 직접 인쇄해서 적층할 수 있다면 더욱 얇은 적층 구조가 얻어질 수 있겠지만, 도전성이 우수한 금속재 중에는 낮은 온도에서 소성 가능한 잉크재료로 만들 만한 것이 거의 없고, 잉크재료로 적합한 탄소재의 경우에는 도전성이 낮은 문제가 있다. 따라서, 집전체는 프린팅 공정보다 상기와 같은 열압착 또는 바인더를 이용한 금속망 집전체의 일체화 공정이 바람직하다.

이와 같은 과정으로 기판(10)에서 제2전극집전체(60)까지 일체로 구비된 이차전지 몸체가 만들어지면, 그 위에 보호층(70)을 덮어준다.

이렇게 만들어진 이차전지는, 전술한 바대로 기판(10)에서 제2전극집전체(60)까지 견고한 일체형 몸체로 만들어지기 때문에, 굽힘응력 등이 작용해도 몸체 내부의 각 층간 박리가 거의 일어나지 않게 된다. 따라서, 안정적인 유연성을 확보할 수 있다. 그리고, 제1전극합제층(30)부터 제2전극합제층(50)까지 프린팅공정을 이용해서 인쇄할 때 회로연결 구조도 같이 인쇄되므로, 별도의 회로연결 공정을 거칠 필요가 없어진다. 그러므로, 제작도 쉽고 안정적인 유연성도 확보할 수 있는 이차전지가 구현되는 것이다.

한편, 상기 금속망 형태의 제2전극집전체(60)의 두께는 200nm~500㎛ 범위가 적당하다. 200nm 미만으로 너무 얇아지면 도전성이 저하되고, 500㎛이상으로 너무 두꺼워지면 유연성이 저하된다. 또한, 금속망 구멍의 개구율은 1%~99% 범위가 적당하다. 1% 미만으로 구멍이 너무 없으면 결합력이 약해지고, 99%를 초과해서 너무 구멍이 많아지면 도전성이 저하된다. 그리고, 금속망 구멍들의 중심간 거리는 5mm를 넘지 않는 것이 바람직하다. 즉, 큰 구멍들을 띄엄띄엄 형성하는 것보다는 작은 구멍들을 촘촘히 형성하는 것이 결합력 향상 측면에서 효과적이기 때문이다.

그리고, 상기 전해질층(40)은 "분리막층"이라고도 불리는데, 바인더 성분을 0.5~20wt% 정도 포함시키면 제1,2전극합제층(30)(50)과의 결합력이 더욱 향상될 수 있다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자 에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 구조를 도시한 도면,

도 2a 내지 도 4는 도 1에 도시된 이차전지의 제조 시 제2전극집전체의 설치예를 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...기판 20...제1전극집전체

30...제1전극합제층 40...전해질층

50...제2전극합제층 60...제2전극집전체

70...보호층 80...바인더층

Claims (10)

1. 기판과, 상기 기판에 일체로 설치된 제1전극집전체와, 상기 제1전극집전체 위에 순차적으로 인쇄되어 적층된 제1전극합제층, 전해질층, 제2전극합제층 및, 상기 제2전극합제층에 일체로 결합된 금속망 형태의 제2전극집전체를 포함하는 이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2전극집전체가 열압착에 의해 상기 제2전극합제층 속으로 매립되며 일체로 결합된 이차전지.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2전극집전체 위에 인쇄되어 그 제2전극집전체의 금속망 구멍을 매우며 응고됨으로써 상기 제2전극합제층와 제2전극집전체가 일체로 고정되게 하는 바인더층이 더 구비된 이차전지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 바인더층에 도전제가 포함된 이차전지.
5. 제3항에 있어서,

   상기 제2전극집전체는 상기 제2전극합제층 위에 놓여진 상태에서 그 위에 상기 바인더층이 인쇄됨에 따라 일체로 고정된 이차전지.
6. 제3항에 있어서,

   상기 제2전극집전체는 상기 제2전극합제층에 몸체 일부가 열압착에 의해 매립된 상태에서 그 위에 상기 바인더층이 인쇄됨에 따라 일체로 고정된 이차전지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2전극집전체는 구리, 스테인레스 스틸, 티타늄, 니켈 중 어느 하나를 포함한 재질인 이차전지.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제2전극집전체는, 두께가 200nm~100㎛이고, 금속망 구멍의 개구율이 1%~99%이며, 금속망 구멍들의 중심간 평균거리가 5mm 미만인 이차전지.
9. 제1항에 있어서,

   상기 전해질층에 바인더 성분이 0.5~20wt% 포함된 이차전지.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제2전극집전체 위에 보호층이 설치된 이차전지.

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