KR20150031970A - 역 구조 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다공성 분리막 양쪽 표면에 직접 집전체를 형성함으로써, 전지의 구조를 단순화할 뿐만 아니라, 유연한 필름 형태의 전지에서 문제되는 박리문제를 해소할 수 있고, 또한 필름 제조공정에 적합한 전지를 제공한다.

Description

역 구조 전지{Inverse structured battery}

본 발명은 구조가 단순화되고, 각 구성의 박리 문제가 해소되는 필름 제조공정에 적합한 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 휴대용 소형 전자기기의 비약적인 발전으로 여기에 사용되는 전지의 기술적 발전에 이에 비례하여 발전하고 있으며, 특히 최근에서는 휴대용 소형 전자기기의 유연성(flexible)이 도입되어, 전지 또한 유연성을 가지는 것이 요구되고 있다.

전지는 기본적으로, 전해질, 집전체, 양극과 음극 등의 구성요소를 가지고 있으며, 일반적으로 전해질 양쪽에 양극과 음극이 형성되고 이러한 양극과 음극에 다시 집전체가 형성되는 구조를 가지고 있다.

그러나, 집전체와 양극 또는 음극의 접착력이 공고하지 않아 박리의 가능성이 높으며, 양극과 음극 또한 전해질과의 접착력이 공고하지 않아 이 또한 박리의 가능성이 높다. 또한, 상기와 같이 제조되는 전지의 중심에 전해질 층이 형성되어 있고, 통상 전해질로 고분자 전해질이 사용되는데, 고분자 전해질 자체의 강도가 약하고 양극과 음극과의 접착력도 약하여, 유연한 전지로 사용하기 어려운 측면이 있다.

이와 같은 유연한 전지를 제조하기 위한 종래 기술은 전해질 층을 전지의 중심구조를 가지는 것으로, 유연한 전지를 제공하는데 적합하지 않다.

일례로, 대한민국 공개특허 제10-1999-0087154호는, 연속적인 애노층과 캐소드층이, 애노드 집전체와 캐소드 집전체간의 우연한 접촉의 가능성을 줄이기 위하여 그 주변부에 돌출된 폴리머 에지를 갖는 폴리머 전해질층에 의하여 격리되어 있는 전기화학전지 및 밧데리의 제조방법을 제공하는 것이나, 집전체는 최외부에 위치하여 양극 또는 음극과 결합한 것으로 박리의 문제를 해소하기 어렵다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0726944호는, 다수의 망사형 금속 집전체부재를 이용하여 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 하나의 면에 배치되도록 형성한 망사형 금속 집전체를 기재하고 있으나, 전해질 막이 전지의 중심에 있으며 다수의 양극 및 음극이 존재하여 박리의 문제를 해소하기 어렵다.

이에 본 발명자들은, 전지의 구조가 단순화되고 각 구성의 박리 문제가 해소되며, 필름 제조공정에 적합한 전지를 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 다공성 분리막 양쪽 표면에 직접 집전체를 형성함으로써 상기의 문제점을 해소할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 구조가 단순화되고, 각 구성의 박리 문제가 해소되며 필름 제조공정에 적합한 전지 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다공성 분리막; 상기 다공성 분리막 양쪽 표면에 각각 형성된 제1 집전체 및 제2 집전체; 상기 제1 집전체 상에 형성된 양극; 및 상기 제2 집전체 상에 형성된 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극 상에 전해질이 형성되고, 상기 다공성 분리막에 전해질이 함침된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.

일반적으로 다공성 분리막은 전지에서 음극과 양극의 직접적 접촉을 방지하고, 전해질을 함유하여 전기적으로 양극과 음극을 연결하는 역할만 하였으나, 본 발명에서는 다공성 분리막 양쪽 표면에 직접 집전체를 형성함으로써, 그 기능을 확대하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 일반적인 전지와 본 발명의 전지의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 일반적으로는 집전체가 양극과 음극의 표면에 각각 형성되어 있어 필름 타입의 유연한 전지의 경우, 양극과 음극의 박리는 물론 집전체의 박리도 문제가 되는데, 본 발명에서는 다공성 분리막 양쪽 표면에 직접 집전체를 형성함으로써, 박리 문제를 해소할 수 있다.

또한, 양극과 음극으로 분리된 기존의 샌드위치 구조의 전지에서, 전해질과 양쪽 전극의 활물질이 코팅된 집전체가 하나의 구성요소에서 구현됨으로써, 전기적 접촉 성능이 증가하고, 전지 내부에서 생성된 전자의 이동경로가 짧아져, 전지 효율이 증가하는 특징이 있다.

나아가, 본 발명에서는 다공성 분리막; 상기 다공성 분리막 양쪽 표면에 각각 형성된 제1 집전체 및 제2 집전체; 상기 제1 집전체 상에 형성된 양극; 및 상기 제2 집전체 상에 형성된 음극을 포함하는 전지를 먼저 제조한 후, 이를 전해질 용액에 침지하는 것으로 전해질을 형성할 수 있다.

전해질 용액에 침지시, 전해질 용액이 양극과 음극 상에 형성됨은 물론, 일부의 전해질은 양극과 음극의 활물질에 충분히 스며들게 되고, 특히 다공성 분리막의 공극에도 전해질 용액에 스며들게 된다. 이에 따라 다공성 분리막이 전해질 층의 역할도 가지게 된다.

상기 다공성 분리막으로는 내부 기공을 가지는 물질이면 제한되지 않으며, 바람직하게는 종이를 사용할 수 있다. 종이는 3차 공극 구조를 가지고 있을 뿐만 아니라, 표면 전하에 의해 집전체로 사용되는 물질과 강하게 접착할 수 있고, 가격이 저렴하다는 점에서 유리하다.

상기 다공성 분리막의 양쪽 표면에 형성되는 제1 집전체 및 제2 집전체는, 일반적으로 전지의 집전체로 사용되는 물질이면 제한되지 않으며, 바람직하게는 금, 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속이나 그래핀 또는 탄소나노튜브 및 이의 복합체 (composite) 등의 전도성 소재를 사용할 수 있다. 이러한 물질은 본 발명에서 사용되는 다공성 분리막, 특히 종이와의 접착력이 우수하므로, 박리의 문제점을 해소할 수 있다. 상기 제1 집전체 및 제2 집전체의 각각의 두께는 전지의 성능을 저해하지 않는 범위이면 제한되지 않으며, 바람직하게는 300 nm 내지 700 nm이다.

상기 양극과 음극은 각각 전지의 활물질을 포함하는 것으로, 본 발명에서는 양극으로는 MnO₂를, 음극으로는 Zn을 사용하는 것이 바람직하며 통상적으로 사용되는 1차 및 2차 전지의 양극 및 음극 활물질도 사용 가능하다. 상기 양극과 음극은 각각 본 발명에 따른 집전체의 표면에 형성되는데, 이를 형성하는 방법으로는 양극과 음극의 활물질을 증착하는 방법으로 형성할 수 있다. 증착 방법 이외에도 코팅하는 방법으로도 형성할 수 있으며, 코팅시에는 바인더로 상기 양극과 음극으로 사용되는 물질과 함께 그래핀 및 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 혼합물로 코팅할 수 있다. 상기 폴리에틸렌옥사이드는 바인더의 역할을 하며, 그래핀은 도전재의 역할을 한다.

또한, 본 발명에 따른 전지는, 양극과 음극의 박리는 물론 집전체의 박리 문제를 해소할 수 있는바, 유연한 전지인 필름 전지인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 다공성 분리막의 양쪽 표면에 각각 제1 집전체 및 제2 집전체를 형성하는 단계(단계 1); 상기 제1 집전체 및 제2 집전체 상에 각각 양극 및 음극을 형성하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 전지를 전해질 용액에 침지하여, 상기 양극 및 음극 상에 전해질을 형성하고, 상기 다공성 분리막에 전해질이 함침시키는 단계(단계 3)를 포함하는, 본 발명에 따른 전지의 제조방법을 제공한다.

상기 단계 1은, 다공성 분리막과 집전체의 결합력을 이용하는 것으로, 다공성 분리막의 양쪽 표면에 각각 제1 집전체 및 제2 집전체를 형성하는 단계이다. 일반적으로 집전체는 양극과 음극의 표면에 형성되는 것이나, 본 발명에서는 보다 접착력이 우수한 다공성 분리막에 형성시키는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 집전체 및 제2 집전체의 형성은 증착 방식이나 코팅 방식을 사용할 수 있다.

상기 단계 2는, 상기 제1 집전체 및 제2 집전체 상에 각각 양극 및 음극을 형성하는 단계로, 증착 방식이나 코팅 방식을 사용할 수 있다. 코팅 방식을 사용할 경우에는 그래핀 및 폴리에틸렌옥사이드를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 각각 도전재 및 바인더의 역할을 한다.

상기 단계 3은, 전해질을 형성하는 단계로서, 상기 단계 2에서 제조된 전지를 전해질 용액에 침지하여, 상기 양극 및 음극 상에 전해질을 형성하고, 상기 다공성 분리막에 전해질이 함침시키는 단계이다. 특히, 상기 단계 3에 의하여, 전해질이 상기 양극과 음극에 형성됨은 물론, 다공성 고분자의 공극에도 함침되어 다공성 고분자가 전해질 층의 역할도 가지게 된다.

상기의 제조방법은, 본 발명에 따른 단순화된 전지 구조에 의하여, 일반적인 전지의 제조방법에 비하여 생산 공정이 단순화되고, 사용되는 소재도 절감할 수 있어 산업적인 대량생산에 유리하다.

본 발명에 따른 전지는, 다공성 분리막 양쪽 표면에 직접 집전체를 형성함으로써, 전지의 구조를 단순화할 뿐만 아니라, 유연한 필름 형태의 전지에서 문제되는 박리문제를 해소할 수 있는 전지를 제공할 수 있다.

도 1은, 종래 일반적인 전지의 구조와, 본 발명에 따른 전지의 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2 내지 4는, 본 발명에 따른 전지의 제조과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명에 따라 제조된 전지를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명에 따라 제조된 전지의 특성을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

실시예 : 역 구조 전지의 제조

이하, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 역 구조 전지를 제조하였다. 먼저, 종이 양쪽 면에 300 nm 두께로 Au를 증착하여 종이 약쪽 면에 집전체를 형성하였다(도 2).

다음으로, Au가 코팅된 집전체의 한쪽 면에 양극활 물질을 필요한 용량 만큼 코팅한 후 완전히 건조되면 다른 면에 음극활 물질을 코팅하였다(도 3). 상기 양극의 형성에는 MnO₂(활물질):graphene(도전재):Polyethyleneoxide(바인더)(1:0.02:0.01(weight))를 사용하였고, 음극의 형성에는 Zn(활물질):graphene(도전재):Polyethyleneoxide(바인더)(1:0.02:0.02(weight))를 사용하였다. 코팅 방식 대신에 증착 방법을 사용할 경우에는, 각각 양극 활물질로 Zn(활물질)만, 음극 활물질로 MnO₂만 사용하면 된다.

상기 제조된 전지를 유기계 또는 수계 전해질 용액에 침지하여 전해질이 양극 및 음극 활물질에 충분히 스며들게 하고, 전지 중심에 있는 종이의 공극에 머물게 하였다(도 4).

이상과 같이 제조된 전지를 압착 파우치에 넣어 봉합하여 본 발명에 따른 전지를 제조하였다.

실험예 : 전지 특성 평가

상기 실시예에서 제조된 전지의 사진을 도 5에 나타내었다. 또한, 상기 제조된 전지를 이용하여, 전지 두께, 출력 전압과 면적당 용량을 아래와 같이 측정하였으며, 그 결과를 도 6 및 표 1에 나타내었다. 전지 두께는 마이크로미터로 측정하였으며, 출력 전압과 면적당 용량은 1 cm × 5 cm (가로×세로) 크기의 single cell 전지를 potentiostat을 이용하여 측정하였다.

시험항목	단위	측정결과
전지두께	㎛	< 600
출력전압	V	~ 1.43
면적당 용량	mAh/㎠	3.82 ~ 5.482

Claims (9)

1. 다공성 분리막;
   상기 다공성 분리막 양쪽 표면에 각각 형성된 제1 집전체 및 제2 집전체;
   상기 제1 집전체 상에 형성된 양극; 및
   상기 제2 집전체 상에 형성된 음극을 포함하고,
   상기 양극 및 음극 상에 전해질이 형성되고, 상기 다공성 분리막에 전해질이 함침된 것을 특징으로 하는, 전지.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 분리막은 종이인 것을 특징으로 하는, 전지.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 집전체 및 제2 집전체는, 각각 금, 은, 구리, 알루미늄, 그래핀, 탄소나노튜브 또는 이의 복합체인 것을 특징으로 하는, 전지.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 집전체 및 제2 집전체의 각각의 두께는 300 nm 내지 700 nm인 것을 특징으로 하는, 전지.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 양극은 MnO₂인 것을 특징으로 하는, 전지.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 양극은 그래핀 및 폴리에틸렌옥사이드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전지.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 음극은 Zn 인 것을 특징으로 하는, 전지.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 음극은 그래핀 및 폴리에틸렌옥사이드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전지.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 전지는 필름 전지인 것을 특징으로 하는, 전지.

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