KR20140136672A - 섬유 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

섬유 전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140136672A
KR20140136672A KR1020130056997A KR20130056997A KR20140136672A KR 20140136672 A KR20140136672 A KR 20140136672A KR 1020130056997 A KR1020130056997 A KR 1020130056997A KR 20130056997 A KR20130056997 A KR 20130056997A KR 20140136672 A KR20140136672 A KR 20140136672A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
separator
electrode
type
fiber
cell
Prior art date
Application number
KR1020130056997A
Other languages
English (en)
Inventor
최장욱
김주성
이용희
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020130056997A priority Critical patent/KR20140136672A/ko
Publication of KR20140136672A publication Critical patent/KR20140136672A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/38—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

섬유 기반의 입을 수 있는 전지 제조방법으로, 섬유 상에 금속을 적층하는 단계; 및 상기 적층된 금속 상에 전극 복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 진보된 성능과 특성을 갖는 폴리우레탄계 바인더와 세퍼레이터를 포함한 섬유전지 제조방법이 제공된다.

Description

섬유 전지 및 그 제조방법{Wearable Textile Rechargeable Battery and manufacturing method for the same}
본 발명은 섬유 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 구체적으로, (1) 모체 의복 (mother clothes) 상으로 통일된 부착을 위한 집전체로서 Ni-코팅 폴리에스테르 방적사, (2) 종래의 폴리비닐리덴 플로라이드 (PVDF) 바인더와 비교하여 실질적으로 증가된 결합력을 가지는 폴리우레탄 (PU) 바인더, 및 (3) 뛰어난 기계적, 전기화학적, 열적 특성을 가지는 PU 세퍼레이터, 및 (4) 이들 소재가 결합된 입는 섬유 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스마트폰은 우리의 일상에 대변혁을 일으켰다. 스마트폰은 간단히 전화기를 넘어서 다양한 새로운 기능 (예를 들어, 다양한 정보에 대한 접근, 새로운 개념의 소셜미디어를 통한 타인과의 커뮤니케이션, 사진/비디오 찍기, 음악 듣기, 비디오 보기 등)을 제공하여, 우리의 삶의 세세한 부분에 영향을 미치고 새로운 인간 삶의 패턴을 가능하게 하였다. 이러한 새로운 삶의 패러다임은 다른 미래의 전자기기를 발전시키게 되었다. 미래의 전자기기로는, 스마트폰의 다양한 기능을 만족시키면서 의복, 안경, 손목 기계 및 피부에까지 통합될 수 있어 별도의 운반의 필요성을 경감시켜 주는, 소위 입는 전자기기를 들 수 있다. 따라서, 입는 전자기기는 인간 삶에 있어서 확실히 또 다른 패러다임의 이동을 나타낸다.
이러한 동기에 따라, 새로운 개념을 이용하여 플렉서블하고, 굽힐 수 있고, 펼 수 있는 능력을 가지는 다양한 전자기기가 나타났으며, 입는 전자기기를 현실로 이끄는 데 큰 디딤돌이 되었다. 그럼에도 불구하고, 입는 전자기기를 작동시키는 데 있어서 필수 구성요소인 이차 전지는 그러한 발전을 따라가지 못하였고, 전체 기술에서 병목지점으로 남게 되었다. 전지의 연구집단은 입는 전자기기에 있어서 이차 전지의 뒤쳐진 상황을 인식하고, 많은 노력을 투자하였다. 연구과정 동안, 연구집단은 입는 섬유 전지의 실현을 위해서는, 모든 필수적인 전지의 구성요소 (전극, 세퍼레이터, 전해액)간 새로운 조화를 찾음으로써 특이한 기계적 움직임이 일어나는 동안에도 작동되도록 구성요소들이 재논의되고 수정될 필요가 있다는 합의에 도달하였다.
입는 섬유 전지의 개발에서, 종래의 셀 구조로부터의 가장 큰 변화를 필요로 하는 구성요소는 집전체 (current collector)이다. 왜냐하면, 집전체는 전체 셀의 기계적 특성을 크게 결정하기 때문이다. 이러한 방향에 따라, 가장 자연스러운 접근법 중 하나는 집전체로서 전도성 물질로 통합한 직물을 사용하려고 하는 것이다. Cui 그룹에 의해 개척된 직물 슈퍼커패시터 및 종이 전지는 유사한 맥락 (즉 종래의 종이 및 직물 기판을 전도성 탄소 나노소재로 통합하여 전도성 집전체로 변형하는 것)으로 이해될 수 있다. 또한 다른 그룹은 유사한 입는 에너지 저장장치의 실증을 위하여, 그래핀 종이와 같은 탄소 나노소재를 이용하여 플렉서블 전도성 기판을 개발하였다. 이러한 연구가 관련 분야에서 뛰어난 진전을 나타내 었음에도 불구하고, 탄소 나노튜브(CNT) 및 그래핀을 사용할 경우 여전히 개선할 여지가 많이 남아있다. 즉, 이들 소재의 통합을 근거로 획득한 전도성 직물의 최저 시트 저항은 보통 ~50 Ω/sq보다 크고, 이것은 셀 작동에서 심각한 저항을 나타낸다. 따라서 셀 사이즈 및 율속 특성 (rate performance)을 증가시키는 데 한계가 있다. 또한, CNT 및 그래핀은 빠르게 진보하고 있지만 여전히 대량생산에 대한 문제를 가지고 있다. 집전체와 함께, 세퍼레이터 및 바인더 또한 전극 활물질 층이 고유의 기능을 다 하면서 가혹한 기계적 움직임을 견디게 도와 주어야 한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이차 전지의 주요 필수 구성요소에 대한 알맞은 소재를 탐색 및 발굴하고 이것들을 조직적으로 통합함으로써 완전한 기능을 하는입는 섬유 전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 또한 (1) 모체 의복 (mother clothes) 상으로 통일된 부착을 위한 집전체로서 Ni-코팅 폴리에스테르 방적사, (2) 종래의 폴리비닐리덴 플로라이드 (PVDF) 바인더와 비교하여 실질적으로 증가된 결합력을 가지는 폴리우레탄 (PU) 바인더, 및 (3) 뛰어난 기계적, 전기화학적, 열적 특성을 가지는 PU 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 섬유전지 제조방법으로, 섬유 상에 금속 (Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn)을 적층하는 단계; 및 상기 적층된 금속상에 전극복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 섬유은 다양한 합성섬유 (폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리유레아 등)와 천연섬유 (면, 모, 견, 마 등)를 포함한 방적사인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극복합체는 전극물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극층과, 상기 전극 층 상, 층 사이 또는 층 내에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극층은 양극층, 음극층을 포함하며, 상기 세퍼레이터는 상기 양극층과 음극층 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 활성층은 슬러리 상태로 상기 금속이 코팅된 방적사상에 도포 혹은 방적사와 방적사 사이에 충진 된 후 건조된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 바인더는 폴리우레탄 등 열가소성 탄성체(폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리유레아계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계 등)들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 세퍼레이터는 전해질(LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)N, LiC4F9SO3, Li(CF3SO2)3C, LiBPh4 등)과 전해액((Ethylene Carbonate(EC), Propylene Carbonate(PC), Dimethyl Carbonate(DMC), Diethyl Carbonate(DEC), Ethylmethyl Carbonate(EMC), 1,2-dimethoxyethane(DME), γ-butyrolactone(GBL), Tetrahydrofuran(THF), 1,3-dioxolane(DOL), Diethylether(DEE), methyl formate(MF), methyl propionate(MP), Sulfolane(S), Dimethylsulfoxide(DMSO), acetonitrile(AN), Vinyl Carbonate(VC), Fluoroethylene Carbonate(FEC) 등)을 함유하며, 상기 세퍼레이터는 폴리우레탄 등 열가소성 탄성체(폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리유레아계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계 등)들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 섬유전지 제조방법 따라 제조된 섬유전지를 제공한다.
본 발명은 또한 섬유; 상기 섬유 상에 코팅된 금속; 및 상기 금속 상에 코팅된 전극복합체를 포함하는 섬유전지로서, 상기 전극 복합체는 전극물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극층이며, 전해질을 함유하는 상기 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 섬유에 코팅된 상기 금속은 Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극물질 100중량부에 대하여, 상기 도전재의 함량은 1-25중량부; 상기 바인더 함량은 1-30 중량부; 및 잔부의 전극활물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 바인더는 폴리우레탄등 열가소성 탄성체들 (폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리유레아계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계)을 사용한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 섬유는 다양한 합성섬유 (폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리유레아)와 천연섬유 (면, 모, 견, 마)를 포함한 방적사인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 섬유전지를 포함하는 의복이나 손목시계의 시계 줄과 같이 이를 전원으로 사용한 전자 기기를 제공한다.
본 발명에 따르면, (1) 집전체로서 Ni-코팅 폴리에스테르 방적사을 사용하여 이차 전지를 모체 의복 상에 통일되게 부착할 수 있고, (2) 폴리우레탄 (PU) 바인더를 사용하여 종래의 폴리비닐리덴 디플로라이드 (PVDF) 바인더에 비하여 실질적으로 증가된 결착력을 얻을 수 있고, (3) PU 세퍼레이터를 사용하여 항상된 기계적, 전기화학적, 열적 특성을 얻을 수 있다. 더욱이, 이들 소재가 결합될 때, 최종 완전셀 (full cell)은 대응되는 종래의 금속포일기재의 셀에 비하여 비슷한 전기화학적 특성을 내 놓으면서도 가혹한 기계적 테스트를 견딜 수 있다.
도 1은 입는 섬유 전지를 도시한다. 도 1a는 의복에 내장된 입는 섬유 전지를 도시하고, 도 1b는 의복에 부착된 입는 섬유 전지의 확장도이고, 도 1c는 손목시계줄 형태의 섬유전지를 도시하며, 도 1d는 입는 섬유 전지의 셀 배열의 개략도이다. 주요 구성성분은 굽힘성과 접힘성에 대해 안정한 소재를 주재로 한 것이다.
도 2는 입는 섬유 전지의 전극 구조를 도시한다. 도 2a는 활성 전극 (5x5 cm2)의 제조순서를 나타낸다. (왼쪽에서 오른쪽으로: 기본 폴리에스테르 방적사 기판, 무전해 도금법 (EDM)에 의해 Ni-코팅된 직물 기판, 전극 활성층의 컨포멀 코팅 후 최종 전극) 도 2b는 직조된 전지 전극 방적사의 개략도이고, 확대도는 복수의 가닥으로 구성된 각각의 방적사가 Ni 및 전극 활성층으로 코팅된 것을 나타낸다. 도 2c는 Ni-코팅된 직물의 형태를 도시하고, 삽도는 동일한 Ni-코팅 직물의 단면 SEM 이미지를 나타낸다. 도 2d는 탄소, 철 및 니켈에 대한 EDS 원소 도식화(Mapping)과 함께 복합체 전극 직물의 단면 SEM 이미지 (왼쪽 위)를 나타낸다.
도 3은 탄소 및 니켈에 대한 EDS Mapping과 함께 Ni-코팅된 직물의 단면 SEM 이미지 (왼쪽 위)를 나타내고, 또한 처음 세장의 이미지로부터 겹쳐진 이미지 (오른쪽 아래)를 나타낸다.
도 4은 집전체의 전기화학적 CV 스캔, 즉, Anode (Li/Li+ 1.0~2.5) 및 Cathode (Li/Li+ 2.0~4.0) 충전 및 방전 범위 에서 종래 금속포일-기재 전극 (도 4a 및 4c) 및 직물-기재 전지 (도 4b 및 4d)의 0.1 mV s-1에서의 CV 스캔을 나타낸다.
도 5는 섬유 전지 전극의 접힘 테스트에 대하여 나타낸다. 도 5a는 종래의 납작한 금속포일 및 직조된 방적사를 주재로 한 섬유 전지 전극의 반복된 접힘 테스트 중의 개략적인 비교를 나타내고, 도 5b는 종래의 금속포일-기재 전극 및 직물-기재 전극 사이의 특징적인 내구성을 비교하여 보여주는 사진이다.
도 6은 PU 바인더의 특징을 나타낸다. 도 6a는 PU 분자 구조를 나타낸다. 도 6b는 다양한 PVDF/PU 비율로 구성된 바인더를 가지는 전극막의 벗김 강도 테스트를 나타낸다. 도 6c는 바인더 사이의 수소 결합의 개략도이다. 도 6d는 물 적하 100초 후 측정된 다양한 PU-PVDF 중량비에서의 접촉각 테스트를 나타낸다.
도 7은 폴리우레탄 (PU) 세퍼레이터의 특징을 나타낸다. 도 7a는 PE 세퍼레이터 및 PU 세퍼레이터 사이의 특징적인 전해질 습윤성을 나타내고, 삽도는 60초 후의 물 접촉각을 나타낸다. 도 7b는 서로 다른 침지 시간에서 PU 세퍼레이터의 전해질 흡수를 보여준다. 도 7c는 세퍼레이터의 인장 강도를 시험하기 위한 실험과정을 나타내며, 샘플은 특별히 제작한 지그를 사용하여 꽉 붙잡았으며, 그런 후 파괴될 때까지 늘렸고, 그 동안 힘 대 신장을 모니터하였다. 도 7d는 PU 세퍼레이터 및 PE 세퍼레이터의 힘 대 신장 커브를 나타낸다. 도 7e는 다양한 담금 시간에서 PU 세퍼레이터 및 PE 세퍼레이터의 이온 전도성을 나타낸다. 도 7f는 0.05 mV s-1의 주사율에서 3.0~5.5 V 대 Li/Li+의 전위 범위에서의 양 세퍼레이터의 선형 스위프 볼타메트리 (LSV) 커브를 나타낸다. 도 7g는 서로 다른 온도에서 테스트된 양 세퍼레이터의 열 안정성을 나타내며, 명확히 비교하기 위하여 PE 세퍼레이터를 PU 세퍼레이터 상에 덮었다.
도 8은 입는 섬유 전지의 전기화학적 특징을 나타낸다. 도 8a는 전지 사이클 동안 양 끝단이 잡혀 있는 섬유 전지가 반복적으로 접히고 펴지는 폴딩 기구를 개략적으로 도시한다. 도 8b 및 8c는 각각 85 mA g-1의 정전류에서 LFP-LTO 완전셀 배열에서 0.6 내지 2.4 V 사이에서 사이클 된 입는 섬유 전지 및 종래의 금속포일-기재 전지의 첫 번째 충전-방전 커브를 나타내며, 적색 및 흑색 선은 각각 접는 운동 존재 및 부재 하에서 얻어진 것이다. 도 8c에서, 녹색 화살표는 기판의 파열로 인하여 금속포일-기재 셀이 기능을 멈춘 지점을 나타낸다. 도 8d는 78번의 접기-펴기 반복으로 구성된 1 사이클 후 종래의 금속포일-기재 전지의 셀의 구성요소를 나타낸다. 도 8e는 두 종류의 셀의 확대된 충전 프로파일을 나타내며, 각각의 주기는 접기 및 펴기의 한 사이클에 대응된다.
도 9는 반복된 접기-펴기 운동을 위한 자체 제작된 기구의 사진이다.
도 10은 입는 섬유 전지의 곡률 반경을 나타낸다. 도 10a는 곡률 반경의 정의를, 도 10b는 접는 움직임 동안 곡률 반경의 변화를 나타낸다.
도 11은 입는 섬유 전지의 율 특성 및 사이클 특성 데이터를 나타낸다. 도 11a는 일정한 0.5C-rate (85 mA g-1)에서 측정했을 때, 반복된 접기-펴기 하 (적색) 및 어떤 움직임도 없을 때 (흑색) 입는 섬유 전지의 사이클 성능을 나타낸다. 도 11b에서 반복된 접기-펴기 존재 하 (적색) 및 도 11c에서 어떤 움직임도 없을 때 (흑색) 상대적인 용량비를 내타낸다. 도 11d는 각각 반복된 접기-펴기 동안, 그리고 어떤 움직임도 없을 때 서로 다른 C-rate와 사이클 수에서의 전위 프로파일을 나타낸다. 도 11e 및 11f는 각각 반복된 접기-펴기 동안, 그리고 어떤 움직임도 없을 때 다양한 C-rate에서 전위 프로파일을 나타낸다. 도 11에서 모든 데이터에서 사용된 전위 범위는 LFP-LTO 완전 셀 배열에서 0.6~2.4 V이다.
도 12는 종래의 금속포일-기재 전지의 율 특성 및 사이클 특성 데이터를 나타낸다. 도 12a는 0.5C (=85 mA g-1)에서 측정된, 어떤 움직임도 없을 때의 금속포일-기재 전지 (적색) 및 직물-기재 전지 (흑색)의 사이클 성능을 나타낸다. 도 12b는 금속포일-기재 전지 (적색) 및 직물-기재 전지 (흑색) 사이의 서로 다른 C-rate와 사이클 수에서의 상대적인 용량비를 나타낸다. 도 12c는 LFP-LTO 완전 셀 배열에서 0.6~2.4 V의 전위 범위에서 서로 다른 C-rate에서 금속포일-기재 전지의 전위 프로파일을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 상술한 섬유전지의 필요성을 만족시키기 위한 것으로, 니켈과 같은 금속이 코팅 된 섬유 위에 구비된 전극 복합체를 포함하는 섬유전지를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 복합체는 금속 상에 적층 혹은 그 사이사이에 충진 되며, 상기 전극복합체는 양극 및 음극 활물질, 도전재, 개량된 바인더를 포함 한다. 이로써 각 전극의 탄성과 전도성을 상기 개량된 바인더와 도전재로 유지할 수 있다. 이하 본 발명에 따른 섬유전지의 제조방법을 일 실시예로서 설명한다.
1. 집전체로서 Ni-코팅 폴리에스테르 방적사
도 1a 및 1c는 본 발명의 일 실시 예로써 섬유 전지가 의복과 어떻게 통합될 수 있는지를 보여준다. 모체 의복과의 컨포멀한 접점을 가능하게 해 주는, 굽힐 수 있고 접을 수 있는 능력을 이용하여, 섬유 전지는 의복 상에 부착될 수도 있고 직물 층들 사이에 내장될 수도 있다. 또한 도 1b에 나타나 있듯이, 섬유 전지는 입는 형태 뿐 만 아니라 손목시계 줄 등 다양한 입는 전자 기기에 적용 될 수 있다. 도 1d에서 확인할 수 있듯이, 섬유 전지의 각각의 셀 구성요소가 굽힐 수 있고 접을 수 있는 능력을 가지므로 유지된다. 특히, 음극과 양극 양쪽 전극의 골격으로서 폴리에스테르 방적사의 사용은 그러한 통일된 부착을 위하여 대단히 중요하다. 또한 직물의 종류에 관계없이 본 발명의 섬유 전지가 모체 의복에 적응될 수 있도록 만들어 줄 것이다. 더욱이, 도 1d에 도시된 바와 같이, 각각의 셀 구성요소의 소재는 최종 전지의 유연성 및 굽힘성을 지지하기 위하여 선택된 것이다. 이에 대해서는 하기 상세히 설명한다. 게다가, 전체 제작 과정은 종래의 셀-조립에서 존재하는 단계로 구성되기 때문에, 대규모의 제조를 위해서 쉽게 확장될 수 있다.
도 2a는 서로 다른 제작단계에서 직물 기재 전극의 일련의 사진을 도시한다. 직조된 폴리에스테르 방적사를 직물 기판으로서 선택하고, 확립된 무전해 도금법(EDM)에 의해 각각의 방적사의 표면에 Ni를 코팅하였다. 그 다음에 활물질, 바인더 및 도전재로 구성되는 전극 복합체 층을 Ni 층에 코팅하였다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 직조된 직물의 날실 및 씨실 다발은 Ni이 코팅된 방적사의 집합이고, Ni 전도성 층 및 전지 활성층은 섬유 표면상 혹은 사이사이에 연속적으로 코팅 혹은 충진 된다. 본 발명에서 사용된 EDM은, 도 2c에 나타난 바와 같이, 직조된 방적사의 원래의 형태를 보존한다. 단면 주사전사현미경 (SEM) 이미지 (도 2c 및 도 3)는 EDM에 근거한 Ni 층의 컨포멀 코팅을 확인한다. 컨포멀 Ni 코팅은 특히 큰 치수를 가지는 전지 작동에서 매우 중요하다. 왜냐하면, Ni 코팅이 직물의 면 저항을 결정하기 때문이다. Ni-코팅 직물의 면 저항은 0.35 Ω/sq 밖에 되지 않고, 이것은 일반적인 금속포일만큼 작은 것이다. 또한 다양한 탄소 나노소재로 만들어진 전도성 종이보다 수십 단위만큼 더 작다. 따라서, EDM에 근거한 Ni 코팅은 이중의 기능, 즉, 금속 전도성의 제공 및 직물 고유의 기계적 특성의 유지 기능을 달성한다. 탄소 전도성 종이의 제한된 면 저항은 보통 전극-전극 접촉에서 전자 이동 장벽으로부터 유래된다. 단면 SEM 이미지 및 그것의 대응하는 원소의 도식화 (도 2d)는, 또한 Ni 및 전지 활물질의 연속적인 컨포멀 코팅을 확인한다. 게다가, 사이클릭 볼타메트리 (CV) 스캔은 Li/Li+ 1.0~4.0의 전위 범위에서 Ni-코팅 직물의 전기화학적 안정성을 보여준다 (도 4).
도 5a에 도시된 바와 같이, 실제 전지 테스트를 하기 전에, 반복적인 접기-펴기를 하면서 각각의 전극 기판의 내성을 평가하였다. 셀의 입는 능력을 평가하기 위하여 주된 기법으로서 반복된 접기-펴기 운동을 선택하였다. 왜냐하면, 접기-펴기는 특정한 전지 사이즈 (5x5 cm2)에 대하여 의복을 입는 동안 가장 흔히 일어나는 움직임이기 때문이다. 극단의 상황을 시뮬레이션하여 셀의 강력한 기계적 지속 가능성을 보장하기 위하여, 접기-펴기의 각 사이클에서, 인접한 접히는 단위가 서로 완전히 겹쳐질 때까지 완전히 접히도록 하는 것을 강조할 필요가 있다. 도 5b에 나타나 있듯이, Al-포일 기재 전지의 경우에, 단 한 사이클의 접기-펴기 후에도, 전지 활성층이 모서리 쪽으로의 압축 응력으로 인하여 접히는 모서리에서 벗겨지기 시작한다. 상황은 사이클이 반복 될 수록 더 나빠지고, 접기-펴기의 세 번의 사이클 후에서조차 Al-포일이 접히는 모서리를 따라 두 조각으로 찢어진다. 이에 반하여, 섬유 전지는 응력을 효과적으로 풀 수 있는 3D 직조 방적사를 사용하기 때문에, 동일한 접기-펴기의 100번의 사이클 동안에도 기계적으로 강력하다.
2. PU 바인더
3D 직조 구조 외에, PU 바인더 (도 6a의 분자 구조 참조)는 뛰어난 기계적 안정성에 있어서 결정적인 역할을 한다. 도 6b에 나타나 있듯이, PU 바인더는 종래의 PVDF 바인더에 비하여 벗김 강도를 상당히 증가시키고, 따라서 반복된 접기-펴기 사이클 동안 전극막을 저항성 있게 한다. PU 바인더의 뛰어난 접착력은 바인더 대 바인더의 상호작용을 강화하는 PU 바인더 사이의 수소 결합에서 기인 된다 (도 6c). PU 바인더는 또한, 우레탄 단위 및 그것의 인접한 폴리올 블록에서 많은 수의 산소 원자를 함유하는 독특한 분자 구조로 인하여 전해질과 함께 습윤성을 증가시킨다.
3. PU 세퍼레이터
세퍼레이터 또한 입는 능력에 기여한다. 세퍼레이터에 대하여 본 발명에서 추구하는 것은, 1) 전극-전극 접점에서 연속적인 이온 수송을 촉진시킬 뿐 아니라 전해액 누출을 최소화하기 위한 우수한 전해액 흡수를 가능하게 하고, 2) 의복을 입는 동안 비정상적인 움직임을 견디는 강력한 기계적 특성을 보유하고, 3) 고온에서 안전성을 확보하는 물질을 찾으려는 것이다.
상술한 세 가지 면에 초점을 맞추고 세퍼레이터를 평가하기 위하여 일련의 분석을 행하였다. 탈 이온화 물 (DI)을 세퍼레이터 표면에 적하하였을 때, 종래의 폴리에틸렌 (PE) 세퍼레이터와 대조적으로, PU 세퍼레이터는 도 7a의 삽도 (PU - 47°대 PE - 97°)에서 접촉각 결과에서 나타난 바와 같이, 훨씬 증진된 습윤성을 나타낸다. 전해액 흡수를 흡수량에 의해 정량적으로 분석할 때, PU 세퍼레이터의 흡수량은 수 분내에 240%에 달하고, 이것은 대부분의 겔 폴리머 전해액의 값보다 훨씬 높은 것이다 (도 7b). 참고로, 흡수량은 {(M2-M1)/M1}x100 (식에서, M1 및 M2는 침지 단계 전후의 세퍼레이터의 중량을 나타낸다)를 근거로 하여 계산되었다. 또한, 이런 뛰어난 전해액 흡수 능력은 전해액을 완전히 흡수했을 때 수평 및 수직 방향 모두에서 9.76% 만큼 PU 세퍼레이터의 치수를 증가시킨다 (도 7b 사진).
PE 및 PU 세퍼레이터의 인장 강도 또한 도 7c에 도시된 기구를 사용하여 측정하였고, 결과는 도 7d에서 힘 대 신장 커브에서 보여진다. 최대 전해액 흡수의 조건에서, PU는 세퍼레이터가 10배 이상 신장할 때까지 깨어지지 않지만, PE 세퍼레이터는 445%의 신장 후 깨어졌다. 뛰어난 신장성은 세퍼레이터 및 전체 셀의 가혹한 굽힘 및 접는 움직임을 지지할 수 있는 PU의 본질적인 소재의 특성을 반영하는 것이다.
다음으로, 세퍼레이터의 전기화학적 특성을 분석하였다. 더 나은 습윤성을 활용하는, 이온 전도성 관점 (도 7e)에서, PU 세퍼레이터는 12분의 빠른 습윤시간에서 PE 세퍼레이터 보다 ~2.3배 더 높은 이온 전도성을 나타내지만, 그 값은 PE 세퍼레이터의 증가된 흡수량 때문에 240분 후에 서로 급접하게 된다. 선형 스위프 볼타메트리 (LSV) 측정법 (도 7f)에서, PU 세퍼레이터는 전해액 분해에 대하여 PE 세퍼레이터와 유사한 거동을 나타내며, 이것은 보통 사용된 전해액과 상호작용하는 동안 PU 세퍼레이터가 PE 세퍼레이터만큼 전기화학적으로 안정하다는 것을 의미한다.
도 7g에 도시된 바와 같이, PU의 높은 녹는점 (≒240℃)으로 인하여, PU 세퍼레이터는 150℃에서 1시간 동안 열처리에 대하여 수직 및 수평 방향에서 각각 2.29% 및 3.15% 만큼만 수축한다. 반면, 많은 보고서에서 지적된 대로, PE 세퍼레이터는 ~120℃에서 수축되기 시작하여 150℃ 초과하면 PE의 본질적으로 낮은 녹는점 (=130℃) 때문에 작은 조각으로 말리게 되기 때문에, 열 수축으로 인한 악영향을 받는다. 열 수축에 대한 PU 세퍼레이터의 저항은 세라믹 코팅 PE 및 부직포 세퍼레이터에 대하여 확실히 비교될 정도이다.
4. 입는 섬유 전지
가혹한 기계적 움직임 하에서 입는 섬유 전지의 전기화학적 성능을 테스트하기 위하여, 직접 만든 폴딩 기구 (도 8a, 도 9)를 반복된 접기-펴기를 하는 동안 실시간 전지 측정에 사용하였다. 가혹한 접는 상황을 시뮬레이션하기 위하여, 10x11.5 cm2의 사이즈를 가지는 파우치 셀을 매 1.5 cm 접고, 각 1.5 cm 접히는 단위의 곡률 반경 (Rc)이 기계를 완전히 압축하였을 때 0.65 mm에 이르게 하였다. (Rc의 정의에 대해서는 도 10 참조) 또한, 안전한 접기-펴기의 각 사이클은 약 1분 걸리게 하였다. LiFePO4 (LFP) 및 Li4Ti5O12 (LTO)를 각각 5x5 cm2에 대하여 90 mg 및 128 mg의 질량으로 양극 및 음극 활성 물질로 사용하였다. 종래의 금속포일-기재 전지를 비교를 위한 대조구로서 또한 테스트하였다. 참고로, 입는 섬유 전지 및 금속포일-기재 전지의 최종 두께는 각각 650 및 360 um으로 하였다.
도 8b 및 8c는 각각, 접기-펴기 움직임의 존재 (부재)에서의 입는 섬유 전지 및 종래의 금속포일-기재 전지의 첫 번째 충전-방전 곡선을 나타낸다. 모든 경우에 대하여, 0.6~2.4 V의 완전셀 전압 범위에서, 85 mA g-1의 정전류 밀도를 적용하였다. 입는 섬유 전지의 경우에, 접기-펴기 동안 정전류 커브는 움직임이 없는 상태와 거의 동일한 길을 따르고, 이것은 전체의 전기화학적 반응이 가혹한 기계적 움직임 동안에 보전된다는 것을 나타낸다. 그러나, 금속포일-기재 전지의 경우에는, 셀이 충전 중간에 멈추며, 더욱 정확하게는 도 8c에서 녹색 화살표로 도시된 바와 같이, 78 사이클의 접기-펴기 후 셀이 멈춘다. 셀을 작동 후 개봉하였을 때, 양 전극은 복수의 접히는 모서리를 따라 벗겨진 것을 발견하였고 (도 8d), 이것은 셀 작동의 중단을 설명해 준다.
또한, 반복된 접기-펴기는 정전류 측정에서 전압의 주기적인 파동에 의해 나타내진다 (도 8e). 두 종류의 전지에서 파동의 각 주기는 각 접기-펴기 사이클의 기간 (즉, ~65초)과 잘 매치된다. 관찰된 접압 파동은 접기-펴기 동안 양극과 음극 사이에 거리 변화와 관련된다. 완전히 압축된 지점에서는, 양 전극 사이의 거리가 가장 가까워서, 도 8e에서 충전 과정 동안 가장 낮은 저항 또는 가장 낮은 과전압이 된다. 또한, 섬유 전지에서 파동의 비교적 높은 진폭은 세퍼레이터 두께와 관련된다. PU 세퍼레이터는 PE 세퍼레이터보다 두껍고, 결과적으로 양극과 음극 사이의 거리 변화가 PU 세퍼레이터의 경우에서 더 두드려져, 정전류 커브에서 파동의 더 큰 진폭을 이끌게 된다.
입는 섬유 전지는 또한 괜찮은 사이클 성능을 나타낸다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 5500번의 접기-펴기와 동등한 40 사이클 동안, 0.5C (1C=170 mA g-1)에서, 그리고 0.6~2.4 V의 전압 범위에서, 정전류 방식으로 사이클될 때, 섬유 전지는 접기-펴기 움직임의 존재 및 부재 하에서의 두 번째 사이클에서 각각 용량의 107.3% 및 91.3%를 유지하고, 이것은 반복된 접기-펴기가 모든 사이클 동안 섬유 전지의 용량 유지를 악화시키지 않는다는 것을 나타낸다. 접기-펴기 동안 비교적 낮은 용량은 주로 그런 기계적 움직임이 세퍼레이터 사이, 전극-전극 접점 및 전극 복합체 층 내를 포함하는 Li 확산의 다양한 지점에서 이온 수송을 덜 효율적으로 만드는 사실 때문이다. 그러나, 양측면에 활성 물질의 실질적인 질량 부하에서조차 매우 가혹한 기계적 움직임 동안 용량이 유지되었다는 것은 여전히 주목할 만하다. 본 발명에서 모든 비용량은 LFP 만의 질량에 근거하여 계산하였다. 전압 파동이 커브를 따라 나타났지만, 용량 유지에서와 같이, 전위 프로파일의 유사한 추세 (도 11b 및 11c)가 사이클 동안 두 경우 사이에서 관찰되었다.
섬유 전지는 율 특성의 관점에서 유사한 작용을 나타낸다. 비 용량이 접기-펴기 방식 동안 모든 C-rate에서 더 작더라도, C-rate가 증가하는 전체 용량 유지 추세가 접기-펴기의 존재 및 부재 두 경우에 대하여 일정하다 (도 11d). 양 경우에서의 전위 프로파일은 같은 문맥으로 이해될 수 있다 (도 11e 및 11f). 한 가지 분명한 현상은 더 높은 C-rate에서 전압 파동의 진폭이 증가 한다는 것이다. 이것은 PU 세퍼레이터의 두께 변화로 인해 각 접기-펴기 사이클 동안 이온 전도성 역시 변화 시키고, 이는 더 높은 C-rate에서 과전압을 증가시키는 상황을 보여준다. 접지 않는 상황에서 입는 섬유 전지와 동일한 측정 조건에 초점을 맞춰 측정한 금속포일-기재 전지의 전기화학적 결과는 도 12에 나타난다.
입는 섬유 전지를 보다 편하게 사용하기 위하여, 모체 의복으로부터 전지를 해체하지 않고 충전하는 능력을 가지는 것이 요구된다. 이러한 방향에 따라, 본 발명에서는, 플렉서블 태양 전지와 입는 섬유 전지를 통합할 수 있으며, 이것은 전지를 해체하여 그것을 충전하기 위해 콘센트에 연결할 필요성을 제거해 줄 것이다.
상기 도면을 통해 분석한 결과는 하기 실시 예에서 준비한 샘플 및 실험 예를 기초로 한 것이다. 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 한정되는 것이 아니라는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1 - 전지 소재 준비
사용된 폴리우레탄 바인더는 상업적으로 입수가능한 것으로서, 메틸렌 비페닐 디이소시아네이트, 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리테트라메틸렌 글리콜 (DS-106 DONGAH Chemical Co., Ltd. Korea)의 단위를 함유하는 것이다. 사용된 폴리우레탄 세퍼레이터는 상업적으로 입수가능한 것 (Polyurethane Nubuck film, En-Ha Mechnic., Ltd. Korea)이다.
실험예 - 무전해 도금을 통한 니켈 증착
니켈 코팅된 폴리에스테르 직물은 보고된 방법에 따라 준비하였다. 간단히 설명하면, 폴리에스테르 직물을 먼저 25℃에서 10분 동안 26 mM SnCl2 (Sigma-Aldrich)를 함유하는 37% HCl (Sigma-Aldrich, pH=1)에 담그었다. 그 다음, 샘플을 활성화시키기 위해 pH 2에서 1.7 mM PdCl2, 37% HCl 및 0.32 M H3BO3 (Sigma-Aldrich)에 담그었다. 다음, 무전해 도금을 통한 니켈 증착을 위하여, 직물 샘플을 97 mM NiSO4, 27 mM 트리소듐 시트레이트 디하이드레이트 (Sigma-Aldrich), 0.34 M NH4Cl, 및 0.14 M NaPO2H2·H2O (Sigma-Aldrich)에 담그었다. 마지막으로, 니켈-도금된 직물을 탈이온화된 물로 세척하고 20분 동안 150℃에서 건조하였다.
실험예 - 분석
직물 방적사의 형태를 SEM (HITACHI, S-4800)을 사용한 전지 제작을 통하여 분석하였고, SEM에 부속된 EDS 장치를 사용하여 원소 도식화를 행하였다. 집전체로의 활성 전극층의 부착력을 측정하기 위하여 벗김 테스트를 행하였다. 전극 샘플을 10 mm 폭 및 30 mm 길이를 가진 조각으로 자르고, 그 다음 이것을 3M 테이프에 부착하여 샘플을 준비하였다. 고정밀 미세기계 테스트 시스템 (Delaminator Adhesion Test System: DTS Company, Menlo Park, CA, USA)에서 100 um s-1의 일정한 이동속도로 테이프를 당김으로써, 샘플이 당김 움직임 하에 있는 동안 힘-이동의 형태로 연속적으로 벗김 강도를 모니터하였다. 세퍼레이터의 습윤성을 분석하기 위하여 접촉각 측정 시스템 (Phoenix 300, SEO Co. Ltd., Korea)을 사용하여 접촉각 측정을 행하였다. 세퍼레이터의 장출성을 조사하기 위하여, 벗김 강도와 동일한 장치 (단, 자체 제작된 지그 설치)를 사용하여 인장력 테스트를 행하였다. 이러한 테스트를 위하여, 세퍼레이터를 길이 21 mm, 폭 3 mm의 치수의 직사각형 조각으로 잘랐다. 그리고 샘플이 파열될 때까지 5 um s-1의 일정한 이동속도로 늘렸다.
실시예 2 - 셀 제조
활성 전극의 제조에서, 전극활물질, 덴타 블랙, 및 PU 바인더를 전극물질로 하여, 80:10:10 (음극) 및 74.4:15.6:10 (양극)의 중량비로 N-메틸-2-피롤리디논 (Sigma-Aldrich)에 용해시켰다. 본 발명의 일 실시예에서 전극복합체는 상기 전극활물질 100중량부에 대하여, 상기 전도성 탄소(덴타 블랙)의 함량은 10 내지 16 중량부; 상기 바인더 함량은 5-15 중량부이었다. 또한, 본 발명은 PU 세퍼레이터(전해질 함유)를 중심으로 양 측에 구비된 음극 전극과 양극 전극을 제조하였으며, 상기 음극 전극과 양극 전극은 상술한 무전해 도금된 니켈 상에 적층된 형태이며, 상기 전극의 조성비는 상술한 범위를 따른다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전극 활물질로서 시판되는 LFP (Hydro-Quebec) 및 LTO (Sigma-Aldrich)를 각각 음극 및 양극용으로 사용하였다.
이를 보다 상세히 설명하면, 독터 블레이드 기술을 이용하여 Ni-코팅된 폴리에스페르 직물 상에 상기 조성비로 혼합된 슬러리를 주조하였다. 활성층이 주조되면, 샘플을 12시간 동안 80℃에서 진공 오븐에서 건조하였다.
5x5 cm2 의 영역에 대하여 음극 및 양극을 각각 90 mg 및 128 mg 로딩하였다. anode 용량/cathode 용량으로 정의된 n/p 비율을 초기 최적화에 근거한 LTO/LFP 완전셀에 대하여 1.23로 조정하였다. 전기화학적 특성은 알루미늄 파우치 완전셀 (파우치 사이즈, 10x11.5 cm2)을 제조하여 분석하였다. 이들 셀에서, PU 세퍼레이터, 및 에틸렌 카보네이트 (EC) 및 디메틸 카보네이트 (DMC) (EC:DMC=1:1=v/v, Soulbrain Co., Ltd.)의 혼합물에 용해된 1 M 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6)를 각각 세퍼레이터 및 전해액으로 사용하였다. 종래의 금속포일-기재 파우치 완전셀을 동일한 방식으로 준비하였고, 다만 금속포일, PE 세퍼레이터 (Toray Tonen Specialty Separator Korea Ltd.) 및 PVDF를 각각 집전체, 세퍼레이터, 및 바인더로 사용하였다. 셀 조립 과정은 아르곤이 채워진 글러브박스에서 행하였다.
실험예 - 전기화학적 측정
Ni-코팅된 직물의 전기화학적 안정성을 Li/Li+ 1.0~4.0의 전위 범위에서 0.1 mV s-1에서 CV 스캔에 의해 분석하였다. 본 발명에서 모든 전지의 전기화학적 특성은 전지 사이클러 (MACCOR series 4000)를 사용하여 0.6~2.4 V의 완전셀 전위 범위에서 정전류법으로 테스트하였다. 율속 특성 테스트를 위하여, 각 주기에 대한 전류 밀도는 충전 및 방전에 대하여 동일하였다. 모든 파우치 완전셀 측정에서, 충전 과정은 CCCV 모드하에 있도록, 바이어스를 30분 동안 2.2 V에서 최저 전류 0.1 C로 유지하였다. 전기화학적 접기 펴기 테스트는 스텝 모터 (A3K-S545, Autonics, Korea)를 구비한 자체 제작한 선형 스테이지 기계 (QS48, TPC motion, Korea)을 사용하여 측정하였다. 접기-펴기 움직임 동안, 파우치 셀은 두 개의 이어있는 접히는 단위 (폭 1.5 cm)가 평행한 위치로 접촉될 때까지 압축하였다. 접기-펴기의 각각의 사이클을 약 1분 정도 걸린다. 세퍼레이터의 이온 전도성을 측정하기 위하여, 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피 (EIS) 측정을 CR2032 코인 형 셀을 준비하여 10 mHz~1 MHz의 주파수 범위에서 수행하였다 (Bio Logic VSP). 이러한 테스트를 위하여, 세퍼레이터를 두 개의 스테인리스 스틸 전극 사이에 끼워 넣었다. 세퍼레이터의 전기화학적 안정성은 LSV 실험에 의해 평가하였다. 전압은 25℃에서 0.05 mV s-1의 스캔 속도로 Li/Li+ 3.0~5.5의 전위 범위에서 스캔하였다.
본 발명에 따른 섬유전지는 단위 섬유에 적용되어, 의복 등에 활용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 섬유전지 제조방법으로,
    섬유 상에 금속 (Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn)을 적층하는 단계; 및
    상기 적층된 금속상에 전극복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유은 다양한 합성섬유 (폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리유레아 등)와 천연섬유 (면, 모, 견, 마 등)를 포함한 방적사인 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극복합체는 전극물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극층과, 상기 전극 층 상, 층 사이 또는 층 내에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전극층은 양극층, 음극층을 포함하며, 상기 세퍼레이터는 상기 양극층과 음극층 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 섬유기반 전지 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전극 활성층은 슬러리 상태로 상기 금속이 코팅된 방적사상에 도포 혹은 방적사와 방적사 사이에 충진 된 후 건조된 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄 등 열가소성 탄성체(폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리유레아계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계 등)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 전해질(LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)N, LiC4F9SO3, Li(CF3SO2)3C, LiBPh4 등)과 전해액((Ethylene Carbonate(EC), Propylene Carbonate(PC), Dimethyl Carbonate(DMC), Diethyl Carbonate(DEC), Ethylmethyl Carbonate(EMC), 1,2-dimethoxyethane(DME), γ-butyrolactone(GBL), Tetrahydrofuran(THF), 1,3-dioxolane(DOL), Diethylether(DEE), methyl formate(MF), methyl propionate(MP), Sulfolane(S), Dimethylsulfoxide(DMSO), acetonitrile(AN), Vinyl Carbonate(VC), Fluoroethylene Carbonate(FEC) 등)을 함유하며, 상기 세퍼레이터는 폴리우레탄 등 열가소성 탄성체(폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리유레아계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계 등)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 섬유전지 제조방법에 따라 제조된 섬유전지.
  9. 섬유;
    상기 섬유 상에 코팅된 금속; 및
    상기 금속 상에 코팅된 전극복합체를 포함하는 섬유전지로서, 상기 전극 복합체는 전극물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극층이며, 전해질을 함유하는 상기 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    섬유에 코팅된 상기 금속은 Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn 을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 전극물질 100중량부에 대하여,
    상기 도전재의 함량은 1-25중량부;
    상기 바인더 함량은 1-30 중량부; 및
    잔부의 전극활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유전지.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄등 열가소성 탄성체들 (폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리유레아계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계)을 사용한 것을 특징으로 하는 섬유전지.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 섬유는 다양한 합성섬유 (폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리유레아)와 천연섬유 (면, 모, 견, 마)를 포함한 방적사인 것을 특징으로 하는 섬유전지.
  14. 제 9항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 섬유전지를 포함하는 의복이나 손목시계의 시계 줄과 같이 이를 전원으로 사용한 전자 기기.
KR1020130056997A 2013-05-21 2013-05-21 섬유 전지 및 그 제조방법 KR20140136672A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130056997A KR20140136672A (ko) 2013-05-21 2013-05-21 섬유 전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130056997A KR20140136672A (ko) 2013-05-21 2013-05-21 섬유 전지 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140136672A true KR20140136672A (ko) 2014-12-01

Family

ID=52456840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130056997A KR20140136672A (ko) 2013-05-21 2013-05-21 섬유 전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20140136672A (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016175571A1 (ko) * 2015-04-30 2016-11-03 롯데첨단소재 주식회사 웨어러블 디바이스용 열가소성 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품
KR101675336B1 (ko) * 2015-05-29 2016-11-14 주식회사 비 에스 지 이차전지용 섬유형 전극 집전체 및 이의 제조방법
WO2018212446A1 (ko) * 2017-05-19 2018-11-22 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
CN109087817A (zh) * 2018-09-14 2018-12-25 广东工业大学 一种基于柔性涤纶线衬底的电极及其制备方法和可穿戴超级电容器

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016175571A1 (ko) * 2015-04-30 2016-11-03 롯데첨단소재 주식회사 웨어러블 디바이스용 열가소성 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품
KR101675336B1 (ko) * 2015-05-29 2016-11-14 주식회사 비 에스 지 이차전지용 섬유형 전극 집전체 및 이의 제조방법
WO2018212446A1 (ko) * 2017-05-19 2018-11-22 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
CN110622344A (zh) * 2017-05-19 2019-12-27 三星Sdi株式会社 锂二次电池
CN110622344B (zh) * 2017-05-19 2023-02-28 三星Sdi株式会社 锂二次电池
US11688858B2 (en) 2017-05-19 2023-06-27 Samsung Sdi Co., Ltd. Lithium secondary battery
CN109087817A (zh) * 2018-09-14 2018-12-25 广东工业大学 一种基于柔性涤纶线衬底的电极及其制备方法和可穿戴超级电容器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101632109B1 (ko) 플렉서블 섬유 전지
Xu et al. Li4Ti5O12-based energy conversion and storage systems: Status and prospects
Song et al. Recent progress in stretchable batteries for wearable electronics
KR101516225B1 (ko) 부직포 집전체, 이를 이용한 전지의 제조 방법 및 이의 제조 시스템
CN107591511B (zh) 用于锂电池的复合膜材料及其制备方法和应用
Liu et al. Flexible, solid electrolyte-based lithium battery composed of LiFePO4 cathode and Li4Ti5O12 anode for applications in smart textiles
EP2942828B1 (en) Lithium electrode and lithium secondary battery comprising same
CN106207264B (zh) 锂基电池组的电化学电池
JP6775849B2 (ja) 導電性織物で形成された保護層を含むリチウム二次電池用負極及びこれを含むリチウム二次電池
CN104900903B (zh) 二次电池
AU2009200223A1 (en) Non-aqueous secondary battery and separator used therefor
CN110168794A (zh) 锂电极和包含所述锂电极的锂二次电池以及柔性二次电池
CN107534129B (zh) 电极、电极组及非水电解质电池
KR101551472B1 (ko) 음극활물질 및 양극활물질을 포함하는 전도성 나노섬유 웹이 트위스팅 되어 형성된 얀 기반 유연 리튬-이온 전지 및 그 제조 방법
US20170025682A1 (en) Electrode plate, and electrode assembly and secondary battery, each including the same
JP6683259B2 (ja) 電池及び電子機器
KR20140136672A (ko) 섬유 전지 및 그 제조방법
TW201935745A (zh) 電池電極及其製作方法
CN103493275A (zh) 包括牺牲性锂电极和织物转化正极的锂离子电池前体
Li et al. Mechano-electrochemical perspectives on flexible lithium-ion batteries
CN106169560A (zh) 电极、蓄电装置及电子设备
KR102368088B1 (ko) 리튬 이차 전지
JP2022163149A (ja) 二次電池
Ghadi et al. Stretchable fabric-based LiCoO2, electrode for lithium ion batteries
CN104823320B (zh) 具有提高的耐振动性的电化学装置和电池模块

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application