KR20150015258A - 유연한 박막형 전지셀 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 양극;음극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 음극; 및 이온의 이동이 가능한 상태로 상기 양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 양극과 음극에 결합되어 있는 분리층;을 포함하고 있으며, 전체 두께가 10 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀을 제공한다.

Description

유연한 박막형 전지셀 및 이의 제조방법 {Thin Film Type Battery Cell Having Improved Flexibility and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 양극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 하나 이상의 양극;음극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 하나 이상의 음극; 및이온의 이동이 가능한 상태로 상기 양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 양극과 음극에 결합되어 있는 하나 이상의 분리층;을 포함하고 있으며, 전체 두께가 10 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
또한, 모바일 기기의 소형화와 슬림화 및 다양한 디자인 트랜드로 인하여 새로운 형태의 전지셀이 요구되고 있는 실정에서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 적용 가능한 전지셀에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
더욱이, 최근에는, 인체 착용 컴퓨터(wearable computer)와 같은 다양한 형상의 디바이스에 대한 연구 및 개발이 활발해짐에 따라 이에 적용될 수 있도록 다양한 형상의 구현이 가능한 전지셀에 대한 수요가 높은 실정이다.
일반적으로 전지셀은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 적층한 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 함침된 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 적층하여 구성한 종래의 전지셀의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 상기 전지셀(100)은 집전체(111, 121, 131) 상에 활물질(112, 113, 122, 123, 132, 133)이 도포된 양극(110, 130)과 음극(120), 및 상기 양극(110, 130)과 음극(120) 사이에 개재되는 분리막(140, 150)이 순차적으로 적층되어 구성된다.
그러나, 상기 종래의 전지셀(100)을 이루는 집전체(111, 121, 131), 활물질(112, 113, 122, 123, 132, 133) 및 분리막(140, 150) 등의 요소들은 그 자체가 적어도 수 내지 수십 마이크로미터의 두께를 갖고 있어, 상기 요소들을 적층하여 전지셀(100)을 구성할 경우, 완성된 전지셀(100)은 필연적으로 밀리미터 단위의 소정의 두께를 갖게 되는 바, 상기 두께로 인하여, 전지셀(100)의 형상을 유연하게 구현하는데 제약이 있고, 또한, 전지셀(100)의 형상을 무리하게 변경할 경우, 양극(110, 130), 음극(120), 분리막(140, 150)의 요소가 적층된 구조로 인하여, 상기 각 요소간의 탈리를 수반하여, 전지셀(100)의 안정적 운영에 영향을 미치기도 한다.
상기 전지셀(100)의 형상 변경에 따라 각 요소간의 탈리가 발생한 구조에 대한 부분 모식도가 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지셀(100)의 형상이 변형됨에 따라, 전지셀(100)을 이루는 집전체(131), 활물질(132), 분리막(150)이 각각 대면하는 요소와 부분적으로 탈리(210, 310)되어 있다.
상기와 같은 탈리 현상은 전지셀(100)을 이루는 집전체(131), 활물질(132), 분리막(150) 등 각 요소가 갖는 고유의 물리적 성질의 차이에 의해 발생하거나, 각 요소가 접하는 면에서의 약한 결착력에 의해 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 활물질, 분리층, 집전체 성분 등의 요소를 입자 상태로 구성함으로써, 전체적인 두께가 매우 얇은 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 전지셀이 적용되는 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 사용하고, 다양한 외형을 가지는 디바이스에도 효율적으로 장착할 수 있으며, 형상의 변형에도 불구하고 각 요소간의 탈리를 방지하거나 최소화하여, 안정성을 향상시킬 수 있는 박막형 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 전지셀은, 양극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 하나 이상의 양극;
음극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 하나 이상의 음극; 및
이온의 이동이 가능한 상태로 상기 양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 양극과 음극에 결합되어 있는 하나 이상의 분리층;
을 포함하고 있으며,
전체 두께가 10 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터의 크기를 갖는 구조로 이루어져 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은, 전지셀의 각 요소가 입자 상태로 구성됨에 따라, 전체적으로 매우 얇은 두께를 갖게 되며, 향상된 유연성을 발휘한다.
또한, 전지셀의 유연성이 향상됨으로써, 형상의 변형이 보다 자유로워 지고, 이에 따라, 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 사용하고, 다양한 외형을 가지는 디바이스에도 효율적으로 장착할 수 있으며, 입자상태로 구성된 구조로 인해, 형상의 변경에도 불구하고 각 요소 간의 탈리를 방지하거나 최소화하여, 전지셀의 안정성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 또는 음극의 두께는 활물질 입자들의 평균 직경(R)의 1배 내지 5배의 크기일 수 있다.
상기 양극 및 음극은 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루는 구조로 형성되는 바, 활물질 입자들이 복층으로 지나치게 두껍게 형성될 경우, 전지셀 전체의 두께를 증가시키는 원인이 되어, 소망하는 효과를 발휘할 수 없다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 양극 활물질 입자들의 표면에는 제 1 집전체용 소재가 도포되어 있고, 제 1 집전체용 소재들이 접촉되어 양극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루고 있는 구조일 수 있다.
마찬가지로, 상기 음극 활물질 입자들의 표면에 제 2 집전체용 소재가 도포되어 있고, 제 2 집전체용 소재들이 접촉되어 음극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루고 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은, 얇은 두께를 구현하기 위하여, 전지셀의 각 요소들이 입자상태로 구성되는 바, 상기 집전체용 소재들 역시 입자 상태로 활물질 입자들의 표면에 도포될 수 있으며, 양극 및 음극 활물질 입자들은 표면에 도포된 각각의 집전체용 소재들과 접촉함으로써, 전기적 접속을 이루고 있는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 양극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루는 제 1 집전체용 소재는, 양극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이룰 수 있는 소재라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 알루미늄일 수 있다.
마찬가지로, 상기 음극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루는 제 1 집전체용 소재는, 음극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이룰 수 있는 소재라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 구리일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체용 소재는 전도성 고분자를 포함할 수 있으며, 앞서 예를 들어 설명한 집전체용 소재인 알루미늄 또는 구리를 대신해 상기 전도성 고분자만으로 구성될 수도 있다.
이러한 경우에, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌, 폴리티오펜, 및 폴리피롤로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물일 수 있으며, 바람직하게는, 폴리아닐린일 수 있다.
상기 고분자 물질들은 온도 상승에 따라 소정의 온도에 도달하였을 때 용융되거나 저항이 상승하는 특성을 가지고 있어, 정상적인 작동 조건에서는 활물질 입자들의 전기적 접속을 방해하지 않으면서도, 비정상적인 작동 조건, 예를 들어, 과전류의 통전으로 인해 전지셀이 고온이 될 때, 상기 전도성 고분자 물질이 용융되거나 저항이 상승하면서 전기적 연결을 차단할 수 있다.
특히, 폴리아닐린은 금속과 대등한 전기 전도성을 가지며, 금속에 비해 용융점이 비교적 낮아, 전지의 안전성을 위협하는 고온에 도달할 때 용융되어 전지셀의 단전을 이룰 수 있다.
본 발명에 따른 박막형 전지셀에 있어서, 제 1 집전체용 소재 또는 제 2 집전체용 소재는 양극 활물질 또는 음극 활물질의 입자 표면을 20 내지 100%의 범위를 도포하고 있는 구조일 수 있으며, 상기 제 1 집전체용 소재 또는 제 2 집전체용 소재는 분리층의 대향 부위에서 양극 활물질 또는 음극 활물질의 입자 표면을 도포하고 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 집전체용 소재 또는 제 2 집전체용 소재는 분리층의 대향 부위에서 양극 활물질 또는 음극 활물질의 입자 표면을 도포하고 있는 구조로서, 양극 활물질 및 음극 활물질 입자들은 분리층을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하고, 상기 양극 활물질 입자들은 분리층과 제 1 집전체용 소재 사이에, 상기 음극 활물질 입자들은 분리층과 제 2 집전체용 소재 사이에 위치하는 구조일 수 있으며, 이러한 경우에, 상기 제 1 집전체용 소재 또는 제 2 집전체용 소재는 양극 활물질 또는 음극 활물질의 입자 표면을 20 내지 100%의 범위를 도포함으로써, 상기 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루고 있는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리층은 겔(gel) 상태의 다공성 고분자, 또는 고상 전해질로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은, 종래의 전지셀에서 사용되던 분리막 및 전해액을 사용하지 않아, 전지셀의 온도 상승에 필연적으로 수반되는 분리막의 수축에 의한 단락을 방지하고, 이에 따른 안전성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 양극 활물질 입자, 음극 활물질 입자 및 분리층은 분사 방식으로 부가되어 형성되는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 분사 방식은 상기 양극 활물질 입자, 음극 활물질 입자 및 분리층을 입자 상태로 균일하게 분사할 수 있는 방식이라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 스프레이 코팅 방식, 잉크젯 인쇄 방식, 슬릿 코팅 방식, 다이 코팅 방식, 또는 스핀 코팅에서 선택될 수 있다.
이러한 코팅 방식은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 박막형 전지셀의 양극 및 음극은 상기 분사 방식에 의해 양극 활물질 및 음극 활물질이 입자 상태로 분사되므로, 소정의 공극률(poroaity) 및 표면 거칠기 값을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 양극과 음극의 공극률은 지나치게 작을 경우, 전지셀 내에서 이온의 흐름을 방해하여, 레이트 특성이 저하되며, 공극률이 지나치게 높을 경우, 입자간 결합력이 낮아 취급이 용이하지 않으며, 전기 전도도 및 밀도의 저하를 초래하는 바, 바람직하게는, 15 내지 40%일 수 있다.
상기 표면 거칠기는 금속 표면을 다듬질 가공할 때 생기는 미세한 요철의 정도를 의미하는 것으로, 표면 조도(表麵 粗度)라고도 한다. 이러한 표면 거칠기의 단위로는 중심선 평균 거칠기(Ra), 최대 높이(Rmax), 10개소 평균 거칠기(Rz)등이 있다.
상기 중심선 평균 거칠기(Ra)는 거칠기 곡선에서 기준 길이 전체에 걸쳐 평균선으로부터 벗어나는 모든 봉우리와 골짜기의 편차 평균값을 표면 거칠기로 사용한다. 중심선 평균 거칠기(Ra)는 일반적인 소재에서 가장 많이 사용되는 표면 거칠기 표시 방법이다.
최대 높이(Rmax)는 단면 곡선의 가장 높은 봉우리에서 가장 깊은 골짜기까지의 수직 거리를 표면 거칠기로 사용한다.
10개소 평균 거칠기(Rz)는 단면 곡선에서 가장 높은 봉우리 5개의 평균 높이와 가장 깊은 골짜기 5개의 평균 깊이의 차를 표면 거칠기로 사용한다.
본 발명에 따른 박막형 전지셀을 이루는 양극 및 음극의 표면 거칠기는 Ra 값으로 0.8 내지 0.9일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은 양극, 음극, 분리층의 적층면은 하나 이상의 곡면(curved surface)을 포함하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 활물질이 입자 상태로 분사되어 구성된 구조로 인해, 상기 전지셀의 형상의 변경에도 불구하고 활물질 입자들의 탈리 없이 곡률반경 2 밀리미터까지 구부러질 수 있다.
본 발명에 따른 박막형 전지셀은 매우 얇은 두께를 갖는 바, 상기 전지셀의 두께는 10 내지 1000 마이크로미터일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 10 내지 100 마이크로미터일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 또는 하나 이사의 분리층은, 각각 크기가 상이한 하나 이상의 양극, 음극 또는 분리층을 포함하고, 상기 양극, 음극, 분리층의 적층구조는 단차를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 크기의 용어는, 양극, 음극, 또는 분리층이 서로 적층되는 대면적의 넓이를 의미한다.
상기 전지셀은 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 인체 착용 컴퓨터(wearable computer), 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치일 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은, 양극 활물질, 음극 활물질 및 분리층 등의 요소가 입자 상태로 분사되어 구성됨으로써, 전지셀의 전체적인 두께를 매우 얇게 구성해, 유연성을 향상시킬 수 있다.
또한, 매우 얇은 두께로 인해 유연성을 향상시킴으로써, 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 사용하고, 다양한 외형을 가지는 디바이스에도 효율적으로 장착할 수 있으며, 입자상태로 구성된 구조로 인해, 형상의 변경에도 불구하고 각 요소 간의 탈리를 방지하거나 최소화하여, 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전지셀의 일반적인 구조를 나타내는 모식도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 전지셀의 형상 변경 상태에서의 구조를 나타내는 부분 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 박막형 전지셀의 구조를 나타내는 모식도이다;
도 5는 도 4의 박막형 전지셀의 형상 변경 상태에서의 구조를 나타내는 모식도이다;
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막형 전지셀의 구조를 나타내는 모식도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 박막형 전지셀의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 박막형 전지셀(400)은 활물질(420, 440), 분리층(430) 및 집전체용 소재(410, 450)가 입자 상태로 도포되어 있다.
구체적으로, 상기 전지셀(400)은 각 요소가 제 1 집전체용 소재(450), 양극 활물질 입자(440), 분리층(430), 음극 활물질 입자(420), 제 2 집전체용 소재(410)의 순서로 도포되어 구성되며, 이러한 경우에, 상기 요소들은 입자 상태로 도포되어 있어, 매우 얇은 두께의 박막형 전지셀(400)을 구성할 수 있다.
상기 양극 활물질 입자(440), 음극 활물질 입자(420), 분리층(430) 및 집전체용 소재(410, 450)는 스프레이 코팅 방식, 잉크젯 인쇄 방식, 슬릿 코팅 방식, 다이 코팅 방식, 또는 스핀 코팅에서 선택되는 분사 방식에 의해 부가되므로, 입자 상태로 매우 얇게 도포될 수 있으며, 따라서, 상기 박막형 전지셀(400)은 매우 얇은 두께로 구성되어 유연성을 향상시킬 수 있다.
상기 양극 활물질 입자(440)들은 제 1 집전체용 소재(450)와 접촉되어 전기적으로 접속된 상태에서 단층을 이루고 있고, 음극 활물질 입자(420)들은 제 2 집전체용 소재(410)와 접촉되어 전기적으로 접속된 상태에서 단층을 이루고 있는 바, 상기 제 1 집전체용 소재(450) 및 제 2 집전체용 소재(410)는 분리층(430)의 대향 부위에서 각각 양극 활물질 입자(440) 및 음극 활물질 입자(420)의 표면을 도포하고 있으며, 상기 양극 활물질 입자(440) 및 음극 활물질 입자(420)의 표면을 20 내지 100%의 범위를 도포하고 있다.
상기 분리층(430)은 고상 전해질로 이루어져 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 겔 상태의 다공성 고분자로 이루어질 수도 있다.
또한 상기 전지셀(400)의 양극과 음극은 양극 활물질 입자(440) 및 음극 활물질 입자(420)가 분사되어 형성됨에 따라, 소정의 공극률과 표면 거칠기를 갖는 바, 상기 양극과 음극의 공극률은 15 내지 40%이고, 표면 거칠기는 Ra 값으로 0.8 내지 0.9이다.
도 5에는 도 4의 박막형 전지셀의 형상 변경 상태에서의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 상기 박막형 전지셀은 제 1 집전체용 소재(450), 양극 활물질 입자(440), 분리층(430), 음극 활물질 입자(420), 제 2 집전체용 소재(410)가 입자 상태로 분사되어 도포되므로, 매우 얇은 두께를 갖는다.
따라서, 상기 전지셀은 소망하는 형태로 절곡하거나, 구부리는 등 형상을 자유롭게 변경하는 것이 종래의 전지셀에 비하여 용이하고, 활물질 입자 등 각 요소의 대면 부위에서의 탈리 없이 곡률반경 2 밀리미터까지 구부러질 수 있다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막형 전지셀의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
우선, 도 6을 참조하면, 박막형 전지셀(600)은 활물질(620, 640), 분리층(630) 및 집전체용 소재(610, 650)가 입자 상태로 도포되어 있다.
구체적으로, 상기 전지셀(600)은 각 요소가 제 1 집전체용 소재(650), 양극 활물질 입자(640), 분리층(630), 음극 활물질 입자(620), 제 2 집전체용 소재(610)의 순서로 도포되어 구성되며, 이러한 경우에, 상기 요소들은 입자 상태로 도포되어 있어, 매우 얇은 두께의 박막형 전지셀(600)을 구성할 수 있다.
상기 양극 활물질 입자(640), 음극 활물질 입자(620), 분리층(630) 및 집전체용 소재(610, 650)는 스프레이 코팅 방식, 잉크젯 인쇄 방식, 슬릿 코팅 방식, 다이 코팅 방식, 또는 스핀 코팅에서 선택되는 분사 방식에 의해 부가되므로, 입자 상태로 매우 얇게 도포될 수 있으며, 따라서, 상기 박막형 전지셀(600)은 매우 얇은 두께로 구성되어 유연성을 향상시킬 수 있다.
상기 양극 활물질 입자(640)들은 제 1 집전체용 소재(650)와 접촉되어 전기적으로 접속된 상태에서 복층을 이루고 있고, 음극 활물질 입자(620)들은 제 2 집전체용 소재(610)와 접촉되어 전기적으로 접속된 상태에서 단층을 이루고 있는 바, 상기 제 1 집전체용 소재(650) 및 제 2 집전체용 소재(610)는 분리층(630)의 대향 부위에서 각각 양극 활물질 입자(640) 및 음극 활물질 입자(620)의 표면을 도포하고 있으며, 상기 양극 활물질 입자(640) 및 음극 활물질 입자(620)의 표면을 20 내지 100%의 범위를 도포하고 있다.
상기 분리층(630)은 고상 전해질로 이루어져 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 겔 상태의 다공성 고분자로 이루어질 수도 있다.
또한 상기 전지셀(600)의 양극과 음극은 양극 활물질 입자(640) 및 음극 활물질 입자(620)가 분사되어 형성됨에 따라, 소정의 공극률과 표면 거칠기를 갖는 바, 상기 양극과 음극의 공극률은 15 내지 40%이고, 표면 거칠기는 Ra 값으로 0.8 내지 0.9이다.
도 7을 참조하면, 박막형 전지셀(700)은 양극 활물질 입자(740, 741), 음극 활물질 입자(720, 721), 분리층(730, 731), 집전체용 소재(710, 711, 750, 751)가 층을 이루면서 하나 이상의 층들이 적층되어 있고, 상기 양극 활물질 입자(740, 741)로 이루어진 층과 집전체용 소재(750, 751)로 이루어진 층이 양극을 이루고, 음극 활물질 입자(720, 721)로 이루어진 층과 집전체용 소재(710, 711)로 이루어진 층이 음극을 이룬다.
이러한 경우에, 상기 박막형 전지셀(700)은 크기가 각각 상이한 하나 이상의 양극, 음극 또는 분리층을 포함하고, 이에 따라, 상기 양극, 음극, 분리층의 적층구조는 단차(w)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
상기 단차는 계단형 구조로 이루어져 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은 양극 활물질, 음극 활물질 및 분리층 등의 요소가 입자 상태로 분사되어 구성됨으로써, 전지셀의 전체적인 두께를 매우 얇게 구성해, 유연성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 전지셀은 유연성의 향상으로 인해, 자유로운 형상의 변경이 용이하고, 이에 따라, 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 사용하고, 다양한 외형을 가지는 디바이스에도 효율적으로 장착할 수 있으며, 입자상태로 구성된 구조로 인해, 형상의 변경에도 불구하고 각 요소 간의 탈리를 방지하거나 최소화하여, 개선된 안정성을 발휘한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 양극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 하나 이상의 양극;
    음극 활물질 입자들이 전기적으로 접속된 상태에서 단층 또는 복층을 이루고 있는 하나 이상의 음극; 및
    이온의 이동이 가능한 상태로 상기 양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 양극과 음극에 결합되어 있는 하나 이상의 분리층;
    을 포함하고 있으며,
    전체 두께가 10 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 또는 음극의 두께는 활물질 입자들의 평균 직경(R)의 1배 내지 5배의 크기인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질 입자들의 표면에 제 1 집전체용 소재가 도포되어 있고, 제 1 집전체용 소재들이 접촉되어 양극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 활물질 입자들의 표면에 제 2 집전체용 소재가 도포되어 있고, 제 2 집전체용 소재들이 접촉되어 음극 활물질 입자들의 전기적 접속을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 집전체용 소재는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 집전체용 소재는 구리인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체용 소재는 전도성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌, 폴리티오펜, 및 폴리피롤로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  9. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 집전체용 소재 또는 제 2 집전체용 소재는 양극 활물질 또는 음극 활물질의 입자 표면을 20 내지 100%의 범위를 도포하고 있는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 집전체용 소재 또는 제 2 집전체용 소재는 분리층의 대향 부위에서 양극 활물질 또는 음극 활물질의 입자 표면을 도포하고 있는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층은 겔(gel) 상태의 다공성 고분자, 또는 고상 전해질로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질 입자, 음극 활물질 입자 및 분리층은 분사 방식으로 부가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 분사 방식은 스프레이 코팅 방식, 잉크젯 인쇄 방식, 슬릿 코팅 방식, 다이 코팅 방식, 또는 스핀 코팅에서 선택되는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극의 공극률(poroaity)은 15 내지 40%인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극의 표면 거칠기는 Ra 값으로 0.8 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 양극, 음극, 분리층의 적층면은 하나 이상의 곡면(curved surface)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 박막형 전지셀은 활물질 입자들의 탈리 없이 곡률반경 2 밀리미터까지 구부러질 수 있는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 두께는 10 내지 100 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 또는 하나 이상의 분리층은, 각각 크기가 상이한 하나 이상의 양극, 음극 또는 분리층을 포함하고, 상기 양극, 음극, 분리층의 적층구조는 단차를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 박막형 전지셀.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 20 항에 따른 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 인체 착용 컴퓨터(wearable computer), 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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