KR20130119207A - 3차원 형상의 전지 - Google Patents

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KR20130119207A
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Abstract

3차원 형상의 전지가 개시된다. 개시된 3차원 형상의 전지는, 제 1전극층, 제 2전극층 및 분리막을 구비하는 셀 구조체를 포함하며, 상기 셀 구조체는 서로 다른 크기를 지닌 적어도 두 개 이상의 패턴부들과 상기 패턴부들을 서로 연결하며 상기 패턴부들 사이에 형성된 연결부를 포함하는 구조를 지닐 수 있다. 전자 기기의 내부 형상에 따라 전지의 형상을 조절할 수 있다.

Description

3차원 형상의 전지{Three dimensional shaped battery}
본 개시는 2차 전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 3차원 형상의 전지{three dimensional shaped battery}에 관한 것이다.
전자 분야의 기술 발달로 휴대폰, 게임기, PMP(Portable Multimedia Player), MP3(MPEG Audio Layer-3) 플레이어뿐만 아니라, 스마트폰, 스마트 패드, 전자책, 시계형 전화, 신체에 부착하는 이동용 의료기기와 같은 각종 이동용 전자기기(mobile electronic device)에 대한 시장이 크게 성장하고 있다. 이처럼 이동용 전자기기에 대한 시장이 성장함에 따라, 이들 이동용 전자기기의 구동에 적합한 배터리에 대한 요구도 높아지고 있다.
특히 최근에는 이동용 전자 기기의 경우 사용상의 편의를 위해 다양한 형상을 지닌 전자 기기의 개발이 이루어지고 있으며, 특히 부피를 최소화하기 위하여 좁은 공간 내에 최대한 효율적으로 각 부품들을 배치하고자 설계되고 있다. 그러나, 이동용 전자 기기에 필수적으로 포함되어야 하는 배터리의 장착 공간에 의해 이동용 전자 기기의 설계상의 제약이 발생할 수 있다. 일반적인 배터리는 직육면체 형태를 지니고 있어 배터리를 이동용 전자 기기 내부에 장착하기 위하여, 전자 기기 내부에 배터리의 형태에 맞는 공간을 확보해야 하므로 설계 상의 제약이 따른다.
따라서, 다양한 형상을 지닌 휴대용 전자 기기의 설계에 따라 전자 기기 내부의 한정된 공간에 대해 유연하게 적용하여 장착할 수 있는 형태를 지닌 배터리에 대한 요구도 점차 증가되고 있다.
본 발명의 일측면에서는 전자 기기 내부의 형상에 따라 용이하게 적용될 수 있는 3차원 형상의 배터리를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면에서는 전자 기기 내부의 형상에 따라 용이하게 적용될 수 있는 3차원 형상의 배터리의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에서는,
제 1전극층, 제 2전극층 및 분리막을 구비하는 셀 구조체를 포함하며,
상기 셀 구조체는, 서로 다른 크기를 지닌 적어도 두 개 이상의 패턴부들과 상기 패턴부들을 서로 연결하며 상기 패턴부들 사이에 형성된 연결부를 포함하는 3차원 형상의 전지를 제공할 수 있다.
상기 연결부는 구부러지거나 접힌 구조를 지니며, 상기 패턴부들은 서로 대향하며 적층된 적층 구조를 지닐 수 있다.
상기 패턴부들은 각각의 면적이 상기 패턴부들의 적층 방향으로 순차적으로 변할 수 있다.
상기 패턴부들의 적층 구조에서 가운데 영역이 상대적으로 넓은 폭을 지닐 수 있다.
상기 패턴부들의 적층 구조에서 가운데 영역이 상대적으로 좁은 폭을 지닐 수 있다.
상기 패턴부들 중 적어도 어느 하나에 형성된 홀을 포함할 수 있다.
상기 패턴부들에 각각 형성된 홀들을 포함하며, 상기 홀들은 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
상기 패턴부들의 적층 구조의 적어도 일측 단부에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 연결부는 적어도 두 개 이상이며, 서로 다른 크기를 지닐 수 있다.
상기 셀 구조체는 젤리롤 또는 폴딩 구조로 형성될 수 있다.
상기 연결부는 활물질층이 형성되지 않은 영역을 포함할 수 있다.
상기 제 1전극층 또는 제 2전극층의 적어도 일부 영역으로부터 연장된 전극 집전체를 포함하며, 상기 전극 집전체는 리드탭과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제 1전극으로부터 연장된 전극 집전체 및 상기 제 2전극층으로부터 연장된 전극 집전체의 연장 방향이 서로 다를 수 있다.
상기 리드탭은 상기 제 1전극층 또는 제 2전극층의 활물질층이 형성되지 않은 영역과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 패턴부들을 포장하는 파우치를 더 포함할 수 있다.
상기 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하는 경우, 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00001
또한 상기 연결부는 제 1연결부 내지 제 h연결부(h는 정수)를 포함하며, 각 연결부의 폭은 W1 내지 Wh　이며, 상기 제 1연결부는 상기 제 1패턴부와 연결되며, h>7인 경우, 1이상 h-7　이하인 모든 정수 i에 대해 다음 식을 만족할 수 있다.
Wi+Wi+1+Wi+2+Wi+3 > Wi+4+Wi+5+Wi+5+Wi+7
상기 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하는 경우, 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00002
상기 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부의 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하며, 1이상 n-7　이하인 모든 정수 i에 대해 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00003
또한, 본 발명의 실시예에서는 전지를 제조하는 방법에 있어서, 전극 집전체 상에 전극 활물질층을 프린팅 방법에 의하여 코팅함으로써 제 1전극 및 제 2전극을 형성하는 3차원 형상의 전지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전자 기기의 한정된 공간의 내부 형상에 연동되도록 형성된 셀 구조체 및 이를 포함하는 3차원 형상의 전지를 제공할 수 있다. 이에 따라 전자 기기의 설계상의 한계를 극복할 수 있으며, 전자 기기 내부 공간이 경사면을 포함한 경우에도 그에 맞는 형상을 지닌 전지를 용이하게 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상의 전지 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 나타낸 3차원 형상의 전지의 셀 구조체를 펼친 형태 및 감는 형태를 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 1의 l1-l2를 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 1의 m1-m2를 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 3c는 도 2a의 n1-n2를 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 프린팅 공정에 의하여 전극 집전체 상에 전극활물질층을 형성한 뒤 이를 분리하는 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 프린팅 공정에 의하여 전극 집전체 상의 일부위에 전극활물질층을 형성한 뒤 이를 분리하는 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 패턴부 내부에 홀이 형성된 3차원 형상의 전지의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a는 리드탭 단자가 각각 형성된 제 1전극층 및 제 2전극층의 펼친 형태를 나타낸 도면이다.
도 7b는 도 7a에 나타낸 제 1전극층 및 제 2전극층을 접은 형태의 3차원 형상의 전지를 나타낸 도면이다.
도 8은 수학식 1를 적용하여 형성한 셀 구조체를 나타낸 도면이다.
도 9a는 수학식 2를 적용하여 형성한 셀 구조체를 나타낸 도면이다.
도 9b는 패턴부의 적층 구조의 가운데 부분이 상대적으로 좁은 폭을 지니는 3차원 형상의 전지를 나타낸 도면이다.
도 9c는 패턴부 적층 구조의 가운데 부분이 가장 넓은 폭을 지니는 3차원 형상의 전지를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상의 전지에 대해 상세히 설명하고자 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상의 전지 구조를 나타낸 평면도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상의 전지는, 제 1전극층, 분리막 및 제 2전극층을 포함하는 셀 구조체가 다층구조로 적층된 형태를 지닐 수 있다.
도 1을 참조하면, 셀 구조체는 적어도 두 개 이상의 패턴부(11)들과 패턴부(11)들 사이에 형성된 연결부(21)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 패턴부(11)들이 4개의 서로 다른 크기를 지닌 패턴부(11a, 11b, 11c, 11d)가 적층된 형태를 나타내었으나, 패턴부(11)들의 갯수는 제한되지 않는다. 연결부(21)는 패턴부(11)들 사이에 형성된 것으로, 도 1에서는 연결부(21)가 3개의 연결부(21a, 21b, 21c)를 포함하는 것을 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 적층하고자 하는 패턴부(11)들의 숫자가 증가함에 따라 패턴부(11)들 사이에 형성되는 연결부(12)들의 갯수도 증가될 수 있다. 연결부(12)들은 적어도 두 개 이상 형성될 수 있으며 서로 다른 크기를 지닐 수 있다. 패턴부(11)들을 서로 대향하며 적층되도록 형성하기 위하여, 연결부(21)는 구부러지거나 접힌 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 셀 적층체는 젤리롤 구조 또는 폴딩 구조로 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 나타낸 3차원 형상의 전지의 셀 구조체의 펼친 형태 및 감는 형태를 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 셀 구조체는 제 1패턴부(11a), 제 2패턴부(11b), 제 3패턴부(11c) 및 제 4패턴부(11d)를 포함하며, 제 1패턴부(11a) 및 제 2패턴부(11b) 사이에는 제 1연결부(21a)가 형성되며, 제 2패턴부(11b) 및 제 3패턴부(11c) 사이에는 제 2연결부(21b)가 형성되며, 제 3패턴부(11c) 및 제 4패턴부(11d) 사이에는 제 3연결부(11c)가 형성되어 있다. 도 1에 나타낸 3차원 형상의 전지 구조를 형성하기 위해서는 패턴부들 사이의 연결부 부위를 구부리거나 접어서 패턴부들을 서로 대향되도록 형성할 수 있다.
예를 들어 도 2b에 나타낸 바와 같이, 먼저 제 4패턴부(11d)를 제 3패턴부(11c) 상에 위치시키기 위하여 제 3연결부(21c)를 구부리거나 접는다. 그리고 나서, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 제 2연결부(21b)를 구부리거나 접어서 제 2패턴부(11b) 상에 제 4패턴부(11d) 및 제 3패턴부(11c)를 위치시킨다. 마지막으로 제 1연결부(21a)를 구부리거나 접어서 제 1패턴부(11a)가 제 3패턴부(11c) 상에 위치하도록 하면 도 2d에 나타낸 바와 같은 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
패턴부(11)들의 각각의 크기, 형상 및 갯수는 이동용 전자 기기에서 전지가 위치하게 될 영역의 형상 및 크기를 감안하여 임의로 조절하여 선택될 수 있다. 패턴부(11)들의 크기는 모두 다르게 형성할 수 있으며, 일부의 패턴부의 크기가 동일할 수 있으나 서로 크기가 다른 적어도 2개 이상의 패턴부를 포함할 수 있다. 패턴부들의 형상은 서로 유사한 형태로 형성할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 1에서는 패턴부(11)들이 십자형태로 형성된 구조를 나타내었으나, 이에 한정되지 않으며, 일부 영역의 테두리부에 곡면이나, 요철 형상을 포함할 수 있다. 또한 패턴부(11) 내부에 구멍이 형성될 수 있다.
도 3a는 도 1의 l1-l2를 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다. 도 3a를 참조하면, 제 2패턴부(11b) 상에 제 4패턴부(11d), 제 3패턴부(11c) 및 제 1패턴부(11a)가 순차적으로 적층되어 있다. 여기서는 가장 큰 면적을 지닌 제 2패턴부(11b)가 하부에 형성되며, 그 상부에 점차적으로 크기가 작은 패턴부들이 위치하도록 형성한 전지 셀 구조체의 예를 나타낸 것으로, 패턴부들의 적층 순서에 따라서 연결부들(21a, 21b, 21c)의 폭을 각각 조절될 수 있다. 제 1패턴부(11a) 및 제 2패턴부(11b) 사이에 형성된 제 1연결부(21a)는 다른 연결부들에 비해 상대적으로 큰 폭을 지니도록 형성될 수 있다.
도 3b는 도 1의 l1-l2를 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다. 도 3b를 참조하면 패턴부(11)는 가장 큰 면적을 지닌 제 2패턴부(11b) 상에 제 4패턴부(11d), 제 3패턴부(11c) 및 제 1패턴부(11a)가 순차적으로 적층된 구조를 지니고 있다. 패턴부(11)들은 서로 다른 크기를 지닌 적어도 두 개 이상의 패턴부를 포함하기 때문에 패턴부(11)들의 적어도 일측 단부에는 θ의 경사도를 지닐 수 있다. 패턴부(11)들의 단부가 이루는 경사도 θ는 90도보다 작으며, 이동용 전자 기기에서 전지가 위치하게 될 영역의 형상에 따라 선택될 수 있다.
도 3c는 도 2a의 n1-n2를 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다. 패턴부(11) 및 연결부(21)로 이루어진 셀 구조체(300)는 제 1전극층(301), 분리막(302) 및 제 2전극층(303)을 포함할 수 있다. 제 1전극층(301)은 양극판 또는 음극판 중 어느 하나 일 수 있으며, 제 1전극층(301)이 양극판인 경우, 제 2전극층(303)은 음극판이며, 제 1전극층(301)이 음극판인 경우, 제 2전극층(303)은 양극판일 수 있다. 양극판 및 음극판은 양극 집전체나 음극 집전체와 같은 전극 집전체에 대해 전극 활물질, 예를 들어 양극 활물질이나 음극 활물질을 코팅함으로써 형성할 수 있다. 양극판 및 음극판은 동일한 크기로 형성할 수 있으나, 연결부가 구부러지거나 접히는 것을 고려하여 양극판 및 음극판의 크기가 차이가 나도록 형성할 수 있다. 셀 구조체(300)를 젤리 롤 형상으로 형성하는 경우 제 1전극층(301) 또는 제 2전극층(303)의 일면에 추가적으로 분리막을 한 층 더 형성할 수 있다.
양극판은 양극 집전체 및 양극 집전체 표면에 형성된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 양극 집전체는 알루미늄, 스테인레스강, 티탄, 구리, 은 또는 이들로부터 선택된 물질의 조합으로 형성된 금속일 수 있다. 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.
양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 물질이면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 니켈 코발트산 리튬, 니켈 코발트 알루미늄산 리튬, 니켈 코발트 망간산 리튬, 망간산 리튬 및 인산철 리튬과 같은 리튬 전이금속 산화물, 황화 니켈, 황화 구리, 황, 산화철 및 산화 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
바인더는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
도전제는 카본블랙, 탄소섬유 및 흑연과 같은 탄소계 도전제, 금속섬유와 같은 도전성 섬유, 불화카본 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말과 같은 금속 분말, 산화아연 및 티탄산칼륨과 같은 도전성 휘스커, 산화티탄과 같은 도전성 금속 산화물 및 폴리페닐렌 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
음극판은 음극 집전체 및 음극 집전체 표면에 형성된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 음극 집전체는 구리, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 및 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 음극 활물질층은 음극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.
음극 활물질은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질은 금속, 탄소계 재료, 금속산화물 및 리튬금속질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 금속은 리튬, 규소, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 게르마늄, 주석, 납, 비소, 안티몬, 비스무트, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은, 구리, 철, 니켈, 코발트 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 탄소계 재료는 흑연, 흑연 탄소섬유, 코크스, 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 폴리아센, 피치계 탄소섬유 및 난흑연화성 탄소(hard carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 금속산화물은 리튬티탄산화물, 산화티탄, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화철, 산화텅스텐, 산화주석, 비정질 주석복합산화물, 실리콘 모노옥사이드, 산화코발트 및 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바인더 및 도전제는 각각 양극 활물질층에 포함된 바인더 및 도전제와 동일한 것일 수 있다.
분리막(302)은 폴리에틸렌(Polyethylen), 폴리프로필렌(Polyprophylene)막과 같은 다공성 고분자막일 수 있으며, 직포 또는 부직포 형태일 수 있으며, 세라믹 입자를 포함할 수 있고, 고분자 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 분리막(302)은 제 1전극층(301) 또는 제 2전극층(303) 상에 비전도성의 다공성 층을 형성하여 사용될 수 있다. 분리막(302)은 제 1전극층(301) 및 제 2전극층(303)을 전기적으로 분리시키기 위해 형성한 것으로 분리막(302)의 형상은 반드시 제 1전극층(301)이나 제 2전극층(303)의 형상과 동일하게 형성될 필요는 없다.
양극판 또는 음극판은 전극 집전체 상에 전극 활물질층을 다양한 방법에 의해 도포함으로써 형성할 수 있으며, 전극 활물질층의 도포 방법에는 제한이 없다. 구체적으로 전극 활물질층은 프린팅 공정을 이용하여 전극 집전체 상에 코팅함으로써 형성할 수 있다. 전극 집전체 상의 전면에 전극 활물질층을 코팅한 뒤, 원하는 형상에 따라 잘라내어 사용할 수 있다. 이 때 사용되지 않는 전극 활물질의 양을 최소화하기 위하여, 원하는 영역에 대해서만 전극 활물질층을 형성함으로써 재료를 효율적으로 이용하고 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 프린팅 공정에 의하여 전극 집전체 상에 전극활물질층을 형성한 뒤 이를 분리하는 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 전극 집전체(40) 상에 전극 활물질층(41)을 일정한 형상을 지니도록 도포한다. 그리고, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 전극 활물질층(41)이 형성되지 않은 전극 집전체(40) 영역을 제거하여 양극판 또는 음극판을 제조할 수 있다.
또한, 패턴부가 될 영역에 대해서만 전극 활물질층을 형성하고 연결부가 될 영역에 대해서는 전극 활물질층의 형성을 최소화할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 전극 집전체(50) 상에 패턴부(51a)에 해당하는 영역에 대해서만 전극 활물질층(51)을 형성한다. 연결부(51b)에 해당하는 영역에 대해서는 전극 활물질층(51)의 형성을 최소화한다. 그리고, 전극 집전체(50) 중, 패턴부(51a) 및 연결부(51b)를 제외한 영역을 제거함으로써 도 5b에 나타낸 바와 같이 양극판 또는 음극판을 제조할 수 있다. 전극 활물질층(51)은 패턴부(51a)의 적어도 90% 이상의 영역에 도포될 수 있다.
전극 집전체(40, 50) 상에 전극 활물질층(41, 51)을 도포하는 방법은 상술한 바와 같이 제한없이 다양한 공정을 사용할 수 있다. 전극 집전체(40, 50) 상의 원하는 영역에 대해서 전극 활물질층(41, 51)을 도포할 때 프린팅 공정을 사용하는 것이 유용할 수 있다. 프린팅 방법으로는 스크린, 스텐실, 그라비어, 잉크젯, 플렉소 그래피, 리소그래피 등의 방법을 사용할 수 있다.
양극판 및 음극판은 각각 외부 단자와 전기적으로 연결을 할 수 있도록 리드탭과 연결될 수 있다. 이를 위해 양극판 또는 음극판을 구성하는 진극 집전체(40, 50)의 일부 영역에는 전극 활물질층(41, 51)이 형성되지 않아 전극 집전체(40, 50)가 외부로 노출된 부분을 형성할 수 있으며, 이 부분이 리드 탭과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에 의한 3차원 형상의 전지는 셀 구조체를 가요성 파우치로 포장할 수 있으며, 이 때 리드 탭은 전지의 파우치 포장 외부로 노출되어 전지의 단자를 구성할 수 있다. 양극판 및 음극판의 리드 탭은 서로 같은 방향을 향하도록 형성될 수 있으며, 반대로 서로 다른 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
또한, 양극판 및 음극판을 구성하는 각각의 전극 집전체(40, 50)의 일부가 외부로 길게 연장되도록 형성함으로써 전지 외부로 연결된 리드탭과 전기적으로 연결되도록 형성할 수 있다. 이 때 양극판 및 음극판 각각으로부터 연장된 부분은 서로 동일한 방향을 향하도록 구성될 수 있으며, 또한 서로 다른 방향을 향하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 형성한 양극판 및 음극판을 각각 제 1전극층(301) 또는 제 2전극층(303)으로 사용하여 서로 겹침으로써 셀 구조체(300)를 형성할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 패턴부 내부에 홀이 형성된 3차원 형상의 전지의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 셀 구조체는 서로 다른 크기를 지닌 다수의 패턴부(61a, 61b, 61c, 61d)를 포함하며, 패턴부(61a, 61b, 61c, 61d)들 사이에는 연결부(62a, 62b, 62c, 62d)들이 형성되어 있다. 각각의 패턴부(61a, 61b, 61c, 61d) 내부에는 패턴부(61a, 61b, 61c, 61d)를 관통하는 홀(63a, 63b, 63c, 63d)이 형성되어 있다.
도 6b에 나타낸 바와 같은 3차원 형상의 전지를 형성하기 위하여, 제 3연결부(62c)를 구부리거나 접어(f61) 제 4패턴부(61d)를 제 3패턴부(61c) 상에 위치시키고, 제 2연결부(62b)를 구부리거나 접어서(f62) 제 2패턴부(61b) 상에 제 4패턴부(61d) 및 제 3패턴부(61c)를 위치시킨다. 그리고, 제 1연결부(62a)를 구부리거나 접어서(f63) 제 1패턴부(61a)가 제 3패턴부(61c) 상에 위치시킨다. 결과적으로 제 1패턴부(61a) 내지 제 4패턴부(61d)가 서로 대향하게 되며, 각각의 패턴부(61a, 61b, 61c, 61d)를 관통하는 홀(63)이 형성된다. 이와같은 구조를 지닌 3차원 형상의 전지의 경우, 전자 기기 내부의 한정된 공간에 끼워서 위치시킬 수 있어 우수한 공간 활용도를 지닐 수 있게 된다.
도 7a는 리드탭 단자가 각각 형성된 제 1전극층 및 제 2전극층의 펼친 형태를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 7b는 도 7a에 나타낸 제 1전극판 및 제 2전극판을 접은 형태의 3차원 형상의 전지를 나타낸 도면이다.
도 7a를 참조하면, 제 1전극층은 서로 다른 크기를 지닌 다수의 패턴부(711a, 711b, 711c, 711d)를 포함하며, 패턴부(711a, 711b, 711c, 711d)들 사이에는 연결부(721a, 721b, 721c, 721d)들이 형성되어 있다. 각각의 패턴부(711a, 711b, 711c, 711d) 내부에는 패턴부(711a, 711b, 711c, 711d)를 관통하는 홀(731a, 731b, 731c, 731d)이 형성되어 있다. 제 2패턴부(711b)의 홀(731b) 내부에는 외부 단자와 전기적으로 연결되는 제 1리드탭(74)이 형성되어 있다.
제 2전극층은 서로 다른 크기를 지닌 다수의 패턴부(712a, 712b, 712c, 712d)를 포함하며, 패턴부(712a, 712b, 712c, 712d)들 사이에는 연결부(722a, 722b, 722c, 722d)들이 형성되어 있다. 각각의 패턴부(712a, 712b, 712c, 712d) 내부에는 패턴부(712a, 712b, 712c, 712d)를 관통하는 홀(732a, 732b, 732c, 732d)이 형성되어 있다. 제 2패턴부(712b)의 일측부에는 외부 단자와 전기적으로 연결되는 제 2리드탭(75)이 형성되어 있다.
도 7a에 나타낸 제 1전극층 및 제 2전극층을 이용하여 형성한 3차원 형상의 전지의 구조를 도 7b에 나타내었다.
도 7b를 참조하면, 셀 구조체는 패턴부(71a, 71b, 71c, 71d)가 순차적으로 적층되어 있으며, 연결부(72)는 패턴부(71a, 71b, 71c, 71d)들을 적층시키기 위하여 구부러지거나 접힌 구조로 형성되어 있다. 패턴부(71a, 71b, 71c, 71d)들은 홀(73)에 의해 관통되어 있으며, 제 1전극층으로부터 외부 단자와 전기적으로 연결되는 제 1리드탭(74) 및 제 2전극층의 내부 홀(732b)에는 외부 단자와 전기적으로 연결되는 제 2리드탭(75)이 형성되어 있다. 이처럼 제 1전극층 및 제 2전극층에 각각 형성되는 리드탭은 서로 다른 방향으로 형성할 수 있으며 또한 동일한 방향으로 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 3차원 형상의 전지는 상술한 바와 같이 패턴부 및 연결부를 포함하는 셀 구조체를 포함하며, 각 패턴부의 형상 및 면적은 이동용 전자 기기의 전지 삽입부의 형태에 맞춰서 조절하여 형성할 수 있다. 이하, 패턴부 및 연결부의 설계 방법에 대해 설명하고자 한다.
패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함할 때, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부 각각의 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이라 한다. 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이고, 최대 면적을 지닌 패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하는 경우, 다음 수학식 1을 만족하도록 패턴부의 면적을 설정하여 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00004
상기 수학식 1에 따라 패턴부의 면적을 결정하여 셀 구조체를 형성한 예를 도 8에 나타내었다. 도 8을 참조하면, 패턴부(81a, 81b, 81c, 81d, 81e, 81f)는 제 1패턴부(81a) 내지 제 6패턴부(81f)를 포함하며, 패턴부(81a, 81b, 81c, 81d, 81e, 81f)들 사이에는 연결부(82a, 82b, 82c, 82d, 82e)가 형성되어 있다. 이 경우 상기 수학식 1의 n은 6이며, m은 3이며, 제 1패턴부(81a)가 최대 면적을 지니도록 각 패턴부를 형성할 수 있다. 예를 들어 제 1패턴부(81a) 내지 제 6패턴부(81f) 각각의 면적을 12cm2, 1.6cm2, 9.88cm2, 2.52cm2, 7.92cm2 및 3.6cm2으로 형성할 수 있으며, 이는 상기 수학식 1을 만족한다.
이와같이 상기 수학식 1을 적용하여 3차원 형상의 전지를 형성한 경우, 가장 넓은 면적을 지닌 패턴부 상에 순차적으로 작은 면적을 지닌 패턴부가 위치하게 되며, 패턴부들의 측단부는 경사진 구조를 지닌 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
또한, 3차원 형상의 전지의 패턴부의 적층 구조에서, 가운데 영역의 폭을 가장 넓게 형성된 구조 또는 가운데 영역의 폭을 가장 좁게 형성된 구조를 지니도록 형성하고자 하는 경우에는 다음 수학식 2를 만족하도록 패턴부의 면적을 설정할 수 있다. 여기서 패턴부는 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하고, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부 각각의 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이라 한다. 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이고, 최대 면적을 지닌 패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재한다.
[수학식 2]
Figure pat00005
상기 수학식 2를 만족하도록 패턴부를 포함하는 셀 구조체를 설계한 경우, 제 1패턴부가 제 n패턴부보다 바깥쪽에서 감기도록 권취한 경우 패턴부 적층 구조의 가운데 부분이 그 상하부보다 상대적으로 좁은 폭을 지니는 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다. 그리고, 제 1패턴부가 제 n패턴부보다 안쪽에서 감기도록 권취한 경우 패턴부 적층 구조의 가운데 부분이 그 상하부보다 상대적으로 넓은 폭을 지니는 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
도 9a에서는 상기 수학식 2를 적용하여 형성한 셀 구조체를 나타내었다. 도 9a를 참조하면, 패턴부(91a, 91b, 91c, 91d, 91e, 91f)는 제 1패턴부(91a) 내지 제 6패턴부(91f)를 포함한다. 그리고, 패턴부(91a, 91b, 91c, 91d, 91e, 91f)들 사이에는 각각 연결부가 형성될 수 있으며, 연결부는 패턴부(91a, 91b, 91c, 91d, 91e, 91f)들의 적층 순서에 따라 그 폭이 변할 수 있으므로 도면에서는 생략하였다. 상기 수학식 2를 적용하면, n은 6이며, m은 3이며, 제 1패턴부(91a)가 최대 면적을 지니도록 각 패턴부를 형성할 수 있다.
제 1패턴부(91a)가 제 6패턴부(91f)보다 바깥쪽에서 감기도록 셀 구조체를 권취한 경우, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 패턴부(91)의 적층 구조의 가운데 부분이 상대적으로 좁은 폭을 지니는 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다. 그리고, 제 1패턴부(91a)가 제 6패턴부(91f)보다 안쪽에서 감기도록 권취한 경우 도 9c에 나타낸 바와 같이, 패턴부(91) 적층 구조의 가운데 부분이 가장 넓은 폭을 지니는 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
또한, 연결부가 제 1연결부 내지 제 h연결부를 포함하는 경우, 제 1연결부 내지 제 h연결부(h는 정수) 각각의 폭을 W1 내지 Wh이라고 할 때, 제 1연결부가 제 1패턴부 및 제 2패턴부 사이에 위치하며, h가 7보다 큰 경우, 1 이상 h-7　이하인 모든 정수 i에 대해 수학식 3을 만족하도록 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
[수학식 3]
Wi+Wi+1+Wi+2+Wi+3 > Wi+4+Wi+5+Wi+5+Wi+7
상기 수학식 3에 따라 연결부를 구성하게 되면, 패턴부들을 적층하게 될 때 연결부의 폭을 넓게 형성할 수 있으므로 다층의 패턴부들의 형성이 가능하다.
본 발명의 실시예에 의한 3차원 형상의 전지는 패턴부들과 연결부들을 포함하는 셀 구조체가 일방향으로 감긴 구조 외에 지그재그 형상으로 연결부가 접힌 폴딩 구조로 형성될 수 있으며, 이 때 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부의 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하는 경우, 1이상 n-7　이하인 모든 정수 i에 대해 다음 수학식4를 만족하도록 3차원 형상의 전지를 형성할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00006
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 3차원 형상의 전지는 서로 다른 크기를 지닌 패턴부와, 패턴부들 사이에 형성된 연결부를 포함하며, 연결부를 구부리거나 접어 패턴부들이 서로 대향하며 적층된 셀 구조체를 포함한다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
11, 11a, 11b, 11c, 11d... 패턴부, 21, 21a, 21b, 21c... 연결부
300... 셀 구조체, 301... 제 1전극층
302... 분리막, 303... 제 2전극층
40, 50... 전극 집전체, 41, 51... 전극 활물질층

Claims (20)

  1. 제 1전극층, 제 2전극층 및 분리막을 구비하는 셀 구조체를 포함하며,
    상기 셀 구조체는, 서로 다른 크기를 지닌 적어도 두 개 이상의 패턴부들과 상기 패턴부들을 서로 연결하며 상기 패턴부들 사이에 형성된 연결부를 포함하는 3차원 형상의 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부는 구부러지거나 접힌 구조를 지니며, 상기 패턴부들은 서로 대향하며 적층된 적층 구조를 지닌 3차원 형상의 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 패턴부들은 각각의 면적이 상기 패턴부들의 적층 방향으로 순차적으로 변하는 3차원 형상의 전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 패턴부들의 적층 구조에서 가운데 영역이 상대적으로 넓은 폭을 지닌 3차원 형상의 전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 패턴부들의 적층 구조에서 가운데 영역이 상대적으로 좁은 폭을 지닌 3차원 형상의 전지.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 패턴부들 중 적어도 어느 하나에 형성된 홀을 포함하는 3차원 형상의 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 패턴부들에 각각 형성된 홀들을 포함하며, 상기 홀들은 서로 대응되는 위치에 형성된 3차원 형상의 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴부들의 적층 구조의 적어도 일측 단부에 경사면이 형성된 3차원 형상의 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부는 적어도 두 개 이상이며, 서로 다른 크기를 지닌 3차원 형상의 전지.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 셀 구조체는 젤리롤 또는 폴딩 구조로 형성된 3차원 형상의 전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부는 활물질층이 형성되지 않은 영역을 포함하는 3차원 형상의 전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극층 또는 제 2전극층의 적어도 일부 영역으로부터 연장된 전극 집전체를 포함하며, 상기 전극 집전체는 리드탭과 전기적으로 연결된 3차원 형상의 전지
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1전극으로부터 연장된 전극 집전체 및 상기 제 2전극층으로부터 연장된 전극 집전체의 연장 방향이 서로 다른 3차원 형상의 전지.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 리드탭은 상기 제 1전극층 또는 제 2전극층의 활물질층이 형성되지 않은 영역과 전기적으로 연결된 3차원 형상의 전지.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴부들을 포장하는 파우치를 더 포함하는 3차원 형상의 전지.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하는 경우, 다음 식을 만족하는 3차원 형상의 전지.
    Figure pat00007
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 연결부는 제 1연결부 내지 제 h연결부(h는 정수)를 포함하며, 각 연결부의 폭은 W1 내지 Wh　이며, 상기 제 1연결부는 상기 제 1패턴부와 연결되며, h>7인 경우, 1이상 h-7　이하인 모든 정수 i에 대해 다음 식을 만족하는 3차원 형상의 전지.
    Wi+Wi+1+Wi+2+Wi+3 > Wi+4+Wi+5+Wi+5+Wi+7
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부가 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하는 경우, 다음 식을 만족하는3차원 형상의 전지.
    Figure pat00008
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴부는, 제 1패턴부 내지 제 m패턴부, 제 m+1패턴부 내지 제 n패턴부(m, n은 정수)를 포함하며, 상기 각각의 패턴부 면적은 A1 내지 Am, Am+1 내지 An이며, 여기서 m은 n/2 이하이며 n/2에 가장 가까운 정수이며, 최대 면적을 지닌 패턴부의 제 1패턴부 내지 제 m패턴부 사이에 존재하며, 1이상 n-7　이하인 모든 정수 i에 대해 다음 식을 만족하는 3차원 형상의 전지.
    Figure pat00009
  20. 제 1항의 전지를 제조하는 방법에 있어서,
    전극 집전체 상에 전극 활물질층을 프린팅 방법에 의하여 코팅함으로써 제 1전극 및 제 2전극을 형성하는 3차원 형상의 전지의 제조 방법.
KR1020120042182A 2012-04-23 2012-04-23 3차원 형상의 전지 KR101968642B1 (ko)

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