KR20140062821A - 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부; 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체 및 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극; 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층; 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 무선 충전방식을 적용함으로써, 편리하게 전지의 충전을 수행할 수 있고, 전지내부에 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함함으로써, 국부적인 충전의 문제점이 해소될 수 있으며, 충전용 코일이 패키징에 형성되어 있어, 보강재와 같은 역할을 함으로써, 전지의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

Description

무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지{Wireless rechargeable cable-type secondary battery}
본 발명은 변형이 자유로운 케이블형 이차전지에 관한 것으로, 더 자세하게는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지에 관한 것이다.
최근 이차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다.　이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
이차 전지는 현재 낮은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 최근 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 대중화를 주도하고 있으며, 종래의 많은 종류의 장치들을 무선화하는 경향도 있어, 이차전지에 대한 수요가 폭발하고 있다. 또한, 환경오염 등의 방지 측면에서 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 실용화되고 있는데, 이들 차세대 자동차들은 이차전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.
일반적으로 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치형의 전지가 대부분이다. 이는 이차전지는 음극, 양극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 원통형 또는 각형의 금속캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극 조립체에 전해질을 주입시켜 제조하기 때문이다.　따라서, 이차전지 장착을 위한 일정한 공간이 필수적으로 요구되므로, 이러한 이차전지의 원통형, 각형 또는 파우치형의 형태는 다양한 형태의 휴대용 장치의 개발에 대한 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있다. 이에, 형태의 변형이 용이한 신규한 형태의 이차전지가 요구되어 왔으며, 이러한 요구로 인해, 단면적 직경에 대하여 길이의 비가 매우 큰 전지인 선형전지가 제안되었다.
한편, 이러한 선형전지는 전지의 체적에 비해 표면적이 매우 큰 전극 및 집전체 소자로 구성됨으로써 전자의 원활한 흐름이 기존의 일반적인 전지에 비해 상대적으로 어렵게 된다.
따라서, 선형전지의 충전방식으로서 기존의 유선 충전방식을 그대로 적용할 경우, 전지 내부에 있는 전극 전반에 걸쳐 충전이 되기보다는, 외부 도선과 집전체의 접촉부위에 국한되어 충전이 일어날 수 있다. 또한, 전류 밀도가 높은 고속 충전 시에는 저항의 영향이 상대적으로 크게 작용함으로써 그 충전효율은 더욱 낮아지게 될 수 있는 문제가 발생된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기존의 유선 충전방식과 달리, 무선충전 방식을 적용하여, 전지내부에 전류를 유도할 수 있도록 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부; 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체 및 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극; 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층; 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지를 제공한다.
여기서, 상기 다이오드는, 고전위 집전체인 상기 내부집전체 또는 상기 외부집전체에서, 저전위 집전체인 상기 외부집전체 또는 상기 내부집전체로 역방향 연결되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 다이오드는, 내부집전체에서 외부집전체로 역방향 연결되거나, 또는 상기 외부전극이 양극이고, 상기 내부전극이 음극인 경우, 상기 다이오드는, 외부집전체에서 내부집전체로 역방향 연결되는 것일 수 있다.
한편, 상기 전해질은, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐렌카보네이트(VC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸포르메이트(MF), 감마-부티로락톤(γ-BL;butyrolactone), 설포레인(sulfolane), 메틸아세테이트(MA; methylacetate), 또는 메틸프로피오네이트(MP; methylpropionate)를 사용한 비수전해액; PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전해질은, 리튬염을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
한편, 상기 열린 구조의 내부집전체는, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체일 수 있다.
그리고, 상기 내부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것일 수 있다.
그리고, 상기 도전재는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 전도성 고분자는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 고분자일 수 있다.
한편, 상기 분리층은, 전해질층 또는 세퍼레이터일 수 있다.
여기서, 상기 전해질층은, PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 전해질층은, 리튬염을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
그리고, 상기 세퍼레이터는, 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재; 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재일 수 있다.
한편, 상기 외부전극은, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층 및 상기 외부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하거나, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체 및 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체 및 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 상기 분리층과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나, 또는 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 상기 분리층의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 외부집전체는, 중공형의 집전체, 와이어형 집전체, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체일 수 있다.
그리고, 상기 외부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴합금;으로 제조된 것일 수 있다.
한편, 상기 패키징은, 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층, 상기 제1 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 형성된 제2 열수축 튜브층을 구비하거나, 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층, 상기 제1 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 상기 제1 열수축 튜브층과 접촉하도록 형성된 제2 열수축 튜브층을 구비하거나, 또는 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 열수축 튜브층 및 상기 열수축 튜브층 내에 피복되어 있고, 상기 외부전극의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일을 구비하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 열수축 튜브층은, 폴리올레핀, 폴리에스테르 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 충전용 코일은, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴합금;으로 제조된 것일 수 있다.
그리고, 상기 충전용 코일의 두께는, 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다.
그리고, 상기 충전용 코일은, 상기 케이블형 이차전지 1 mm의 단위길이 중, 1 내지 100회 권선되어 있는 것일 수 있다.
한편, 상기 내부전극은, 음극 또는 양극이고, 상기 외부전극은, 상기 내부전극에 상응하는 양극 또는 음극일 수 있다.
이때, 상기 내부전극이 음극이고, 상기 외부전극이 양극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고, 상기 외부전극 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고, 상기 외부전극 활물질층은 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부; 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체 및 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극; 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층; 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지가 제공된다.
그리고, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부; 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체, 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층 및 상기 내부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극; 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 케이블형 이차전지의 충전방식으로 무선 충전방식을 적용함으로써, 기존의 유선 충전방식에 비해 편리하게 이차전지의 충전을 수행할 수 있다.
또한, 전지내부에 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함함으로써, 종래의 케이블형 이차전지의 형상으로부터 야기되는 국부적인 충전의 문제점이 해소될 수 있다.
그리고, 패키징에 충전용 코일이 형성되어 있어, 보강재와 같은 역할을 함으로써, 케이블형 이차전지의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
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 하나의 메쉬형의 내부전극을 가지는 케이블형 이차전지의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 권선된 와이어형의 내부전극을 가지는 케이블형 이차전지의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징에 포함된 다이오드를, 기호로 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징에 포함된 다이오드를, 기호로 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 내부전극을 가지는 케이블형 이차전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리층을 각각 구비하는 다수의 내부전극을 가지는 케이블형 이차전지의 단면도이다.
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.
이하 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 하나의 메쉬형의 내부전극을 가지는 케이블형 이차전지의 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 권선된 와이어형의 내부전극을 가지는 케이블형 이차전지의 도면이다.
그리고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징에 포함된 다이오드를, 기호로 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 본 발명의 케이블형 이차전지(100)는, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부(110); 상기 리튬이온 공급 코어부(110)의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체(120) 및 상기 내부집전체(120)의 표면에 형성된 내부전극 활물질층(130)을 구비하는 내부전극; 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층(140); 상기 분리층(140)의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층(150) 및 외부집전체(160)를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층(170) 및 권선되어 형성된 충전용 코일(180)을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결된다.
여기서, 수평 단면은 원형 또는 다각형일 수 있는데, 원형은 기하학적으로 완전한 대칭형의 원형과 비대칭형의 타원형 구조이다. 그리고, 다각형은 특별히 제한되는 것은 아니고, 그 예로는 삼각형, 사각형, 오각형 또는 육각형일 수 있다.
본 발명의 케이블형 이차전지는 수평 단면에 대한 길이방향으로 길게 늘어진 선형구조를 갖고, 가요성을 가지므로 변형이 자유롭다.
기존의 케이블형 이차전지는 내부전극과 외부전극 사이에 전해질층을 구비하고 이들 전해질층은 단락을 방지하기 위하여 내부전극과 외부전극을 격리시켜야 하므로 일정한 수준의 기계적 물성을 갖는 겔형 고분자 전해질이나 고체 고분자 전해질을 사용할 필요가 있었다.　그러나, 이러한 겔형 고분자 전해질이나 고체 고분자 전해질은 리튬이온 소스로서 성능이 뛰어나지 않으므로, 전극 활물질층에 리튬이온을 충분히 공급하기 위해서는 전해질층의 두께가 증가될 수 밖에 없으며, 이러한 전해질층의 두께의 증가에 의해서 전극간의 간격이 벌어지게 되어 오히려 저항의 증가로 인한 전지성능의 저하를 가져오게 되는 문제가 있다.
반면에, 본 발명의 케이블형 이차전지(100)는 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부(110)를 구비하며, 본 발명의 내부집전체(120)는 열린 구조를 가지므로 리튬이온 공급 코어부(110)의 전해질은 내부집전체(120)를 통과하여 내부전극 활물질층(130) 및 외부전극 활물질층(150)에 도달할 수 있다.　따라서, 전해질층의 두께를 무리하게 증가시킬 필요가 없으며, 오히려 전해질층을 필수구성요소로 하지 않으므로 선택적으로 세퍼레이터만을 사용할 수도 있다.　즉, 본 발명의 케이블형 이차전지는 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부(110)를 구비하여 전극의 활물질으로의 침투가 용이하여, 전극에서의 리튬이온의 공급 및 리튬이온의 교환을 용이하게 할 수 있으므로, 전지의 용량 특성 및 사이클 특성이 우수하다.
또한, 본 발명의 케이블형 이차전지는, 외부의 자기장을 이용해 전류를 형성하는 무선 충전방식을 적용함으로써, 기존의 유선 충전방식에 비해 편리하게 이차전지의 충전을 수행할 수 있다.
상기 무선 충전방식으로는, 마이크로파를 이용하는 방법과 전자기 유도방법 등이 적용될 수 있다.
본 발명에서는 전자기 유도방법으로서, 외부기기에 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생하며, 이러한 자기장은 케이블형 이차전지의 충전용 코일에 유도 전류를 발생시키고, 이러한 유도 전류가 본 발명의 케이블형 이차전지를 충전시키게 되는 작동원리가 적용된다.
본 발명에서는 전지의 외부를 감싸며 전지를 보호하는 패키징에 충전용 코일이 형성됨으로써, 무선 충전을 가능하게 함과 동시에, 보강재와 같은 역할을 함으로써 케이블형 이차전지의 기계적 물성을 향상시키는 효과를 부여하게 되고, 전지내부의 전반적인 부분에 권선되어 형성된 충전용 코일에 의해서, 종래의 케이블형 이차전지의 형상으로부터 야기되는 국부적인 충전의 문제점이 해소될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에서는 무선 충전과 방전이 원활히 수행되도록 하기 위해, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는데, 이때, 상기 다이오드는, 고전위 집전체(양극 집전체)인 상기 내부집전체 또는 상기 외부집전체에서, 저전위 집전체(음극 집전체)인 상기 외부집전체 또는 상기 내부집전체로 역방향 연결된다.
즉, 상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 다이오드는, 내부집전체에서 외부집전체로 역방향 연결되거나, 또는 상기 외부전극이 양극이고, 상기 내부전극이 음극인 경우, 상기 다이오드는, 외부집전체에서 내부집전체로 역방향 연결된다. 상기 다이오드를 구비함으로써, 충전과 방전이 원활하게 이루어진다.
한편, 상기 리튬이온 공급 코어부(110)는 전해질을 포함하는데, 이러한 전해질로는 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니지만 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐렌카보네이트(VC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸포르메이트(MF), 감마-부티로락톤(γ-BL;butyrolactone), 설포레인(sulfolane), 메틸아세테이트(MA; methylacetate), 또는 메틸프로피오네이트(MP; methylpropionate)를 사용한 비수전해액; PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함할 수 있다.
그리고, 이러한 전해질은, 리튬염을 더 포함할 수 있는데, 이러한 리튬염으로는 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 등을 사용하는 것이 바람직하다.　그리고, 이러한 리튬이온 공급 코어부(110)는 전해질로만 구성될 수 있으며, 액상의 전해액의 경우에는 다공질의 담체를 사용하여 구성될 수도 있다.
그리고, 본 발명의 내부집전체는 리튬이온 공급 코어부의 전해질의 침투가 용이하도록 열린 구조를 가진다. 상기 열린 구조라 함은 그 열린 구조를 경계면으로 하고, 이러한 경계면을 통과하여 내부에서 외부로의 물질의 이동이 자유로운 형태의 구조를 말하는 것이며, 이러한 열린 구조로는 전해질의 침투가 용이한 형태의 구조라면 모두 채택이 가능하다.
도 1과 도 2를 참조하면, 이러한 열린 구조의 내부집전체의 비제한적인 예로는 메쉬형의 내부집전체(120) 또는 권선된 와이어형의 내부집전체(220)에 대해 도시하고 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 권선된 시트형 집전체 등의 사용도 가능하다.
상기 내부집전체(120, 220)로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면처리된 것; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다.
집전체는 활물질의 전기화학 반응에 의해 생성된 전자를 모으거나 전기화학 반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 하는 것으로, 일반적으로 구리나 알루미늄 등의 금속을 사용한다. 특히, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자 또는 전도성 고분자로 이루어진 고분자 전도체를 사용하는 경우에는 구리나 알루미늄과 같은 금속을 사용한 경우보다 상대적으로 가요성이 우수하다. 또한, 금속 집전체를 대체하여 고분자 집전체를 사용하여 전지의 경량성을 달성할 수 있다.
이러한 도전재로는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈 등이 가능하며, 전도성 고분자는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 등이 사용 가능하다. 다만, 집전체에 사용되는 비전도성 고분자는 특별히 종류를 한정하지는 않는다.
본 발명의 내부전극 활물질층(130)은 상기 내부집전체(120)의 표면에 형성된다.　이때, 상기 내부집전체(120)의 외면을 둘러싸며 형성됨으로써 내부집전체(120)의 열린 구조가 내부전극 활물질층(130)의 외면으로 노출되지 않는 경우뿐만 아니라, 내부전극 활물질층(130)이 상기 내부집전체(120)의 열린 구조의 표면에 형성되어 상기 내부집전체(120)의 열린 구조가 내부전극 활물질층(130)의 외면으로 노출되는 경우도 포함한다.　예를 들면, 권선된 와이어형 집전체의 표면에 활물질층을 형성하는 경우와 전극 활물질층이 형성된 와이어형 집전체를 권선하여 사용하는 경우를 들 수 있다.
한편, 본 발명의 분리층은, 전해질층 또는 세퍼레이터를 사용할 수 있다.
이러한 이온의 통로가 되는 전해질층으로는 PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질 등을 사용한다. 고체 전해질의 매트릭스(matrix)는 고분자 또는 세라믹 글라스를 기본골격으로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 고분자 전해질의 경우에는 이온전도도가 충족되더라도 반응속도적 측면에서 이온이 매우 느리게 이동할 수 있으므로, 고체인 경우보다 이온의 이동이 용이한 겔형 고분자의 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 겔형 고분자 전해질은 기계적 특성이 우수하지 않으므로 이를 보완하기 위해서 기공구조 지지체 또는 가교 고분자를 포함할 수 있다.　본 발명의 전해질층은 분리막의 역할이 가능하므로 별도의 분리막을 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 전해질층은, 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염은 이온 전도도 및 반응속도를 향상시킬 수 있는데, 이들의 비제한적인 예로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬을 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터로는 그 종류를 한정하는 것은 아니지만 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재; 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재 등을 사용할 수 있다.　특히, 리튬이온 공급 코어부의 리튬이온이 외부전극에도 쉽게 전달되기 위해서는 상기 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재에 해당하는 부직포 재질의 세퍼레이터를 사용할 수 있다.
한편, 상기 외부전극은, 분리층과 접하게 되는, 외부전극 활물질층과 외부집전체의 배치에 따라서 여러 가지 구현예가 가능하다.
도 1에 따른 외부전극은, 상기 분리층(140)의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층(150)과 상기 외부전극 활물질층(150)의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체(160)를 구비한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지의 외부전극은, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체와 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층을 구비하는 구조; 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체와 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 상기 분리층과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하는 구조; 또는 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 상기 분리층의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하는 구조; 등이 가능하다.
본 발명의 외부집전체로는, 특별히 그 형태를 제한하는 것은 아니지만, 중공형의 집전체, 와이어형 집전체, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체를 사용할 수 있다. 그리고, 이러한 외부집전체로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 등으로 제조된 것을 사용할 수 있다.
한편, 상기 패키징은, 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층, 상기 제1 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 형성된 제2 열수축 튜브층을 구비하는 구조; 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층, 상기 제1 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 상기 제1 열수축 튜브층과 접촉하도록 형성된 제2 열수축 튜브층을 구비하는 구조; 또는 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 열수축 튜브층 및 상기 열수축 튜브층 내에 피복되어 있고, 상기 외부전극의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일을 구비하는 구조; 등이 가능하다.
이때, 상기 열수축 튜브층은 가열하면 수축하는 튜브로, 단자(端子) 또는 형태나 크기가 다른 물질을 빈틈없이 꽉 싸는데, 대개는 고분자 수지로 만들어지며 절연(絶緣)이나 그 밖의 용도로 사용된다. 이러한 열수축 튜브층은 다양한 재질 및 형태를 갖는 열수축 튜브가 상용화 되어 있으므로, 본 발명의 목적에 적합한 것을 용이하게 입수하여 사용할 수 있다. 열수축 튜브층은, 자동 피복 가공기를 이용해서 리튬 이온 전지에 열수축 튜브를 삽입하여, 열수축시키는 작업을 행하기 때문에, 열수축 튜브층이 입구가 열린 상태로 자립(supporting itself)할 만큼의 강성을 가지고 있는 것이 필요하다. 또한, 이차전지에 열적 손상을 주지 않도록, 수축 가공의 온도를 저온으로 하는 것이 필요하며, 일반적으로는 70℃ 내지 200℃ 또는 70℃ 내지 120℃ 의 온도로 수축이 완료되는 것이 요구된다. 이러한 열수축 튜브층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르 및 폴리비닐리덴풀루오라이드, 폴리테트라풀루오로에틸렌 등의 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 충전용 코일은, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴합금;으로 제조된 것일 수 있다.
이때, 상기 충전용 코일의 두께는, 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으며, 상기 충전용 코일은, 상기 케이블형 이차전지 1 mm의 단위길이 중, 1 내지 100회 권선되어 있는 것일 수 있다.
2차 코일은 코일의 단면적과 감은 횟수에 영향을 받는데, 상기 수치범위를 만족함으로써 2차 코일인 충전용 코일에서 케이블형 이차전지의 무선 충전이 일어날 수 있는 효과적인 유도 전류를 발생시킬 수 있다.
상기 내부전극은, 음극 또는 양극이고, 상기 외부전극은, 상기 내부전극에 상응하는 양극 또는 음극일 수 있다.
본 발명의 전극 활물질층은 집전체를 통해서 이온을 이동시키는 작용을 하고, 이들 이온의 이동은 전해질층으로부터의 이온의 흡장 및 전해질층으로의 이온의 방출을 통한 상호작용에 의한다.
이러한 전극 활물질층은 음극 활물질층과 양극 활물질층으로 구분할 수 있다.
구체적으로, 상기 내부전극이 음극이고, 상기 외부전극이 양극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은, 음극 활물질층으로서, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 외부전극 활물질층은, 양극 활물질층으로서, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임) 로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우에는 내부전극 활물질층은 양극 활물질층이 되고, 외부전극 활물질층은 음극 활물질층이 될 수 있다.
이하에서는 일시예에 따른 케이블형 이차전지 및 그 제조방법을 도 2를 참조하여 간략하게 살펴본다.
일 실시예에 따른 본 발명의 케이블형 이차전지(200)는, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부(210); 상기 리튬이온 공급 코어부(210)의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체(220)와 상기 내부집전체(220)의 표면에 형성된 내부전극 활물질층(230)을 구비하는 내부전극; 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층(240); 상기 분리층(240)의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층(250)과 상기 외부전극 활물질층(250)의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체(260)를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층(270), 상기 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일(280) 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 형성된 부가적인 제2 열수축 튜브층(270`)을 구비한다.
먼저, 고분자 전해질을 사용하여 압출기 등을 사용하여 와이어 형태로 형성하여 리튬이온 공급 코어부(210)를 준비한다.　또는, 중심부가 빈 내부전극을 준비한 후에, 내부전극의 중심부에 비수전해액을 주입하여 리튬이온 공급 코어부(210)를 형성할 수도 있으며, 보호코팅까지 적용된 전지 조립체를 준비한 이후에 전지의 내부전극 지지체 중심부에 비수전해액을 주입하여 형성할 수도 있다. 또 다른 방법으로는 스폰지 재질의 와이어 형태의 담체를 준비한 후에 이에 비수전해액을 주입하여 리튬이온 공급 코어부(210)를 준비할 수도 있다.
이후에, 와이어형의 내부집전체(220)를 준비하고 상기 리튬이온 공급 코어부(210)에 권선한다. 상기 권선된 와이어형의 내부집전체(220)의 표면에 내부전극 활물질층(230)을 코팅한다.　이러한 코팅방법으로는 일반적인 코팅방법이 적용될 수 있으며, 구체적으로는 전기도금(electroplating) 또는 양극산화처리(anodic oxidation process) 방법이 사용 가능하지만, 일정한 간격을 유지하기 위해서는 활물질을 포함하는 전극슬러리를 압출기를 통하여 불연속적으로 압출코팅하는 방법을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다.　또한, 활물질을 포함하는 전극슬러리인 경우에는 딥코팅(dip coating) 또는 압출기를 사용하여 압출코팅하는 방법을 사용하여 제조하는 것도 가능하다.
이어서, 상기 내부전극 활물질층(230)을 둘러싸도록 고분자 전해질층으로 이루어진 분리층(240)을 형성한다.　상기 전해질층인 분리층(240)을 형성하는 방법도 특별히 한정되지는 않지만, 선형인 케이블형 이차전지의 특성상 압출코팅하는 방법을 사용하는 것이 제조하기가 용이하다.
상기 코팅된 전해질인 분리층(240)의 외면에 외부전극 활물질층(250)을 코팅하여 형성한다. 내부전극 활물질층(230)의 코팅방법이 외부전극 활물질층(250)의 코팅에도 동일하게 적용될 수 있다.
그리고, 상기 외부전극 활물질층(250)의 외면에 중공형의 외부집전체(260)를 형성한다. 이때, 상기 외부집전체로는, 메쉬형의 집전체, 권선된 와이어형 집전체 또는 권선된 시트형 집전체 등이 적용될 수도 있다. 이때, 외부전극 활물질층을 외부집전체에 미리 형성시킨 다음에 이를 분리층 위에 적용하여 외부전극을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 권선된 시트형 집전체의 경우, 시트형 집전체 상에 외부전극 활물질층을 형성시키고, 이를 소정의 폭을 갖도록 절단하여 시트형 외부전극을 준비할 수 있다. 이후, 상기 외부전극 활물질층이 분리층에 접하도록, 준비된 시트형 외부전극을 분리층의 외면을 권선하여 외부전극을 분리층 상에 형성할 수 있다.
이와 달리, 외부전극의 형성시에, 분리층의 외면을 둘러싸도록 외부집전체를 먼저 형성하고, 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸도록 외부전극 활물질층을 형성할 수도 있다.
이어서, 상기 전극조립체의 외면을 감싸도록 열수축 튜브층(270)을 형성한다.　상기 열수축 튜브층(270)은 절연체로서 공기 중의 수분 및 외부충격에 대하여 전극을 보호하기 위해 형성한다.
이어서, 충전용 코일(280)을 상기 열수축 튜브층(270)의 외면을 둘러싸도록 권선하여 형성시킨다. 이때, 상기 충전용 코일(280)의 일단부는, 외부집전체와 전기적으로 연결시키고, 타단부는 내부집전체와 전기적으로 연결시키며, 다이오드를 통해 내부집전체와 외부집전체 사이를 전기적으로 연결시킨다.
마지막으로, 상기 충전용 코일(280)을 감싸도록 열수축 튜브층(270`)을 형성한다.
이하에서는, 또 다른 가능한 실시예를 도 5 및 도 6을 참고하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 본 발명의 케이블형 이차전지(300)는, 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부(310); 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부(310)의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체(320)와 상기 내부집전체(320)의 표면에 형성된 내부전극 활물질층(330)을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극; 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층(340); 상기 분리층(340)의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층(350) 및 외부집전체(360)를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층(370) 및 권선되어 형성된 충전용 코일(380)을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결된다.
이러한 복수의 전극으로 이루어진 내부전극을 구비하는 케이블형 이차전지의 경우에도, 전술한 바와 같이, 상기 외부전극은, 다양한 형태로 존재할 수 있다.
그리고, 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 본 발명의 케이블형 이차전지(400)는, 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부(410); 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부(410)의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체(420), 상기 내부집전체(420)의 표면에 형성된 내부전극 활물질층(430)과, 상기 내부전극 활물질층(430)의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층(440)을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극; 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층(450) 및 외부집전체(460)를 구비하는 외부전극; 및 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며, 상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결된다.
이때, 상기 외부전극은, 다양한 형태로 존재가 가능한데, 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하는 구조 이외에도, 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 외부집전체와 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층을 구비하는 구조; 상기 내부전극들의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체와 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 상기 내부전극과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하는 구조; 또는 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 상기 내부전극들의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하는 구조를 가질 수 있다.
상기 케이블형 이차전지(300, 400)는, 전술한 바와 같이 무선 충전과 방전이 원활히 수행되도록 하기 위해, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하는 충전용 코일을 구비하는데, 이때, 상기 다이오드는, 고전위 집전체(양극 집전체)인 상기 내부집전체 또는 상기 외부집전체에서, 저전위 집전체(음극 집전체)인 상기 외부집전체 또는 상기 내부집전체로 역방향 연결된다.
이러한 케이블형 이차전지(300, 400)는, 복수의 전극으로 이루어진 내부전극을 구비하므로, 음극과 양극의 밸런스 조정이 용이하고 다수의 전극을 구비하므로 단선의 가능성을 방지할 수 있다.
100,200,300,400: 케이블형 이차전지
110,210,310,410: 리튬이온 공급 코어부
120,220,320,420: 내부집전체
130,230,330,430: 내부전극 활물질층
140,240,340,440: 분리층
150,250,350,450: 외부전극 활물질층
160,260,360,460: 외부집전체
170,270,370,470: 열수축 튜브층
180,280,380,480: 충전용 코일

Claims (28)

  1. 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부;
    상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체 및 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극;
    상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층;
    상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및
    상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며,
    상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드는, 고전위 집전체인 상기 내부집전체 또는 상기 외부집전체에서, 저전위 집전체인 상기 외부집전체 또는 상기 내부집전체로 역방향 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 다이오드는, 내부집전체에서 외부집전체로 역방향 연결되거나, 또는
    상기 외부전극이 양극이고, 상기 내부전극이 음극인 경우, 상기 다이오드는, 외부집전체에서 내부집전체로 역방향 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐렌카보네이트(VC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸포르메이트(MF), 감마-부티로락톤(γ-BL;butyrolactone), 설포레인(sulfolane), 메틸아세테이트(MA; methylacetate), 또는 메틸프로피오네이트(MP; methylpropionate)를 사용한 비수전해액; PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은, 리튬염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열린 구조의 내부집전체는, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도전재는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 고분자인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은, 전해질층 또는 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전해질층은, PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전해질층은, 리튬염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는, 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재; 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 외부전극은, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층 및 상기 외부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하거나,
    상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체 및 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나,
    상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부집전체 및 상기 외부집전체의 외면을 둘러싸며 상기 분리층과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나, 또는
    상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 상기 분리층의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 형성된 외부집전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 외부집전체는, 중공형의 집전체, 와이어형 집전체, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 외부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴합금;으로 제조된 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 패키징은, 상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층, 상기 제1 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 형성된 제2 열수축 튜브층을 구비하거나,
    상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 제1 열수축 튜브층, 상기 제1 열수축 튜브층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일 및 상기 충전용 코일의 외면을 둘러싸며 상기 제1 열수축 튜브층과 접촉하도록 형성된 제2 열수축 튜브층을 구비하거나, 또는
    상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 열수축 튜브층 및 상기 열수축 튜브층 내에 피복되어 있고, 상기 외부전극의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 권선되어 형성된 충전용 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 열수축 튜브층은, 폴리올레핀, 폴리에스테르 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 충전용 코일은, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴합금;으로 제조된 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 충전용 코일의 두께는, 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 충전용 코일은, 상기 케이블형 이차전지 1 mm의 단위길이 중, 1 내지 100회 권선되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 내부전극은, 음극 또는 양극이고, 상기 외부전극은, 상기 내부전극에 상응하는 양극 또는 음극인 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 내부전극이 음극이고, 상기 외부전극이 양극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고,
    상기 외부전극 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고,
    상기 외부전극 활물질층은 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  27. 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부;
    각각의 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체 및 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극;
    상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층;
    상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및
    상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며,
    상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
  28. 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부;
    각각의 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 형성된 열린 구조의 내부집전체, 상기 내부집전체의 표면에 형성된 내부전극 활물질층 및 상기 내부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극;
    상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성되고, 외부전극 활물질층 및 외부집전체를 구비하는 외부전극; 및
    상기 외부전극의 외면을 둘러싸며 형성되고, 열수축 튜브층 및 권선되어 형성된 충전용 코일을 포함하는 패키징;을 구비하며,
    상기 충전용 코일은, 상기 내부집전체와 상기 외부집전체 사이에 전기적으로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 충전용 코일의 일단부는, 상기 외부집전체와 전기적으로 연결되고, 상기 충전용 코일의 타단부는, 상기 내부집전체와 전기적으로 연결되는 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 무선 충전이 가능한 케이블형 이차전지.
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