KR20150086730A - 가요성 이차 전지 - Google Patents

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권문석
최재만
정칠희
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Abstract

가요성 이차 전지가 개시된다. 개시된 가요성 이차 전지는 제 1전극층과 제 2전극층 및 상기 제 1전극층과 제 2전극층 사이에 형성된 분리막을 포함하는 전극 적층 구조체를 지니며, 상기 상기 전극 적층 구조체의 양단부를 제외한 영역에 형성되며, 상기 제 1전극층, 상기 제 2전극층 및 상기 분리막을 고정하는 고정부를 포함할 수 있다. 상기 고정부는 상기 전극 적층 구조체의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에 형성될 수 있다.

Description

가요성 이차 전지{Flexible secondary battery}
본 개시는 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가요성 이차 전지에 관한 것이다.
전자 분야의 기술 발달로 휴대폰, 게임기, PMP(portable multimedia player), MP3(mpeg audio layer-3) 플레이어뿐만 아니라, 스마트폰, 스마트 패드, 전자책 단말기, 가요성 태블릿 컴퓨터, 신체에 부착하는 이동용 의료 기기와 같은 각종 이동용 전자 기기에 대한 시장이 크게 성장하고 있다.
이와 같은 이동용 전자 기기 관련 시장이 성장함에 따라, 이동용 전자기기의 구동에 적합한 배터리에 대한 요구도 높아지고 있으며, 이들 이동용 전자 기기의 사용과 이동, 보관, 충격에 대한 내구성과 관련하여 기기 자체의 유연성에 대한 요구가 커져가고 있어 이를 구현하기 위해 배터리의 유연함에 대한 요구도 증대되어가고 있다.
현재 사용되는 배터리는 양극, 분리막 및 음극이 적층된 구조를 지닌다. 유연성이 충분히 확보되지 않은 배터리를 구부리게 되면, 두 전극의 미끄러짐으로 인한 성능 저하 현상이 발생할 수 있다. 예를 들어 전극의 미끄러짐으로 인한 마찰로 내부 구성층들의 손상이 발생할 수 있으며, 구성층들의 계면에 응력이 집중되어 박리 현상이 발생할 수 있다. 그리고, 구성층들의 휘어지는 곡률 반경이 작을 경우 각 전극들의 미끄러짐 양도 증가할 수 있는데, 이 때 내부 공간이 충분하지 않거나, 마찰로 인해 충분한 미끄러짐이 발생하지 못할 경우, 각 전극들 사이에 빈공간이 발생할 수 있다. 이러한 현상들에 의하여 배터리의 성능과 수명에 치명적인 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일측면은 휨 운동 또는 굽힘 운동 등의 다양한 변형이 가능하며 변형 상태에서도 안정성을 유지할 있는 가요성 이차 전지(flexible secondary battery)에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에서는,
제 1전극층과 제 2전극층 및 상기 제 1전극층과 제 2전극층 사이에 형성된 분리막을 포함하는 전극 적층 구조체를 포함하며,
상기 전극 적층 구조체의 양단부를 제외한 영역에 형성되며,
상기 제 1전극층, 상기 제 2전극층 및 상기 분리막을 고정하는 고정부를 포함하는 가요성 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기 고정부는 상기 전극 적층 구조체의 중앙부 또는 상기 전극 적층 구조체의 중앙부와 인접한 영역에 형성된 것일 수 있다.
상기 전극 적층 구조체의 중앙부와 인접한 영역은,
상기 전극 적층 구조체의 단부보다 상기 전극 적층 구조체의 중앙부와 가까운 거리를 지닐 수 있다.
상기 전극 적층 구조체는 하나 또는 그 이상의 고정부를 포함할 수 있다.
상기 고정부는 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프일 수 있다.
상기 고정부는 상기 전극 적층 구조체의 각 구성층들을 점용접 또는 리베팅에 의해 고정시킬 수 있다.
상기 제 1전극층은 제 1금속 집전체 및 상기 제 1금속 집전체의 적어도 일면에 형성된 제 1활물질층을 포함하며,
상기 제 2전극층은 제 2금속 집전체 및 상기 제 2금속 집전체의 적어도 일면에 형성된 제 2활물질층을 포함할 수 있다.
상기 제 1금속 집전체 및 상기 제 2금속 집전체에 형성된 연결탭을 포함할 수 있다.
상기 전극 적층 구조체의 적어도 일면에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층의 휨강성은 상기 전극 적층 구조체 내부의 각 개별층들의 평균 휨강성보다 큰 값을 지닌 것일 수 있다.
상기 보호층은 고분자 필름, 라미네이트된 고분자 필름층을 포함하는 필름, 금속 포일 또는 탄소를 포함하는 복합재 필름일 수 있다.
상기 전극 적층 구조체는 제 1전극 적층 구조체 및 제 2전극 적층 구조체를 포함하며,
상기 제 1전극 적층 구조체 및 상기 제 2전극 적층 구조체의 일 영역에는 각각 고정부가 형성되며,
상기 제 1전극 적층 구조체의 고정부와 상기 제 2전극 적층 구조체의 고정부가 연결될 수 있다.
상기 제 1전극 적층 구조체 및 상기 제 2전극 적층 구조체를 구성하는 각 층들은 서로 직렬 또는 병렬적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 외부 압력 등에 의한 전극 적층 구조체를 구성하는 각 층들의 굽힘 동작이나 미끄러짐 운동 시, 전지의 용량 저하 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극 적층 구조체를 구성하는 각 층들의 굽힘 동작이나 미끄러짐 운동시, 구성층들의 변형을 감소시킬 수 있으며, 구성층들이 안정된 정렬 상태를 유지함으로써 안정된 동작 특성을 지닌 가요성 이차 전지를 구현할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지를 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 연결탭이 형성된 구성을 나타낸 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지가 보호층을 더 포함하는 구조들을 나타낸 도면이다.
도 6은 이차 전지의 벤딩 전후의 용량을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지에 대해 상세히 설명하고자 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것일 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지를 나타낸 측면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 가요성 이차 전지는, 전극 적층 구조체(100)를 포함하며, 전극 적층 구조체(100)는 제 1전극층(110, 112), 제 2전극층(120, 122) 및 제 1전극층(110, 112)과 제 2전극층(120, 122) 사이에 형성된 분리막(130)(separator)을 포함할 수 있다. 제 1전극층(110, 112) 및 제 2전극층(120, 122)은 분리막(130)을 사이에 두고 교대로 형성될 수 있다. 즉, 제 1전극층(110, 112) 상에 분리막(130)이 형성되며, 분리막(130) 상에 제 2전극층(120, 122)이 형성된 구조를 하나의 전극 적층 단위체로 할 수 있다. 그리고, 다수의 전극 적층 단위체들이 다시 분리막(130)을 사이에 두고 전극 적층 구조체(100)를 형성할 수 있다.
전극 적층 구조체(100)의 일 영역에는 전극 적층 구조체(100)를 고정시킬 수 있는 고정부(200)가 형성될 수 있다. 고정부(200)는 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부에 인접한 영역일 수 있다. 여기서 전극 적층 구조체(100)의 중앙부에 인접한 영역이라 함은 전극 적층 구조체(100)의 양측 단부(310, 320)보다 중앙부에 가까운 영역을 의미할 수 있다. 다만 이에 한정되지 아니하며, 고정부(200)는 전극 적층 구조체(100)의 양측 단부(310, 320)를 제외한 영역에 형성될 수 있다.
도 1b에 나타낸 바와 같이 전극 적층 구조체(100)는 외부의 압력 등에 의하여 굽힘 운동을 할 수 있다. 외부 압력 등이 전극 적층 구조체(100)에 가해지는 경우, 전극 적층 구조체(100)는 변형이 발생할 수 있으며, 고정부(200)가 형성되지 않은 전극 적층 구조체(100)의 양측 단부(310, 320)는 굽힘 운동에 의하여 d만큼의 변형이 발생할 수 있다. 이 때, 전극 적층 구조체(100)의 고정부(200) 양측의 각 구성 층들, 제 1전극층(110, 112), 제 2전극층(120, 122) 및 분리막(130) 사이에는 미끄러짐이 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지와 같이 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부에 인접한 영역에 고정부(200)를 형성함으로써 외부의 압력 등에 의한 변형 발생 시, 전극 적층 구조체(100)의 구성층들 사이의 미끄러짐, 변형의 정도를 감소시킬 수 있으며, 구조적 안정성을 도모할 수 있다. 만일 전극 적층 구조체(100)의 양측 단부(310, 320) 중 하나, 예를 들어 제 1단부(310)에 고정부가 형성된 경우, 반대쪽 제 2단부(320)에서는 변형량은 d보다 커질 수 있으며, 구성층들 사이의 미끄럼양이 증가될 수 있다. 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에 고정부(200)가 형성됨으로써, 분리막(130) 양쪽의 제 1전극층(110, 112) 및 제 2전극층(120, 122)들은 가역적인 전기 화학적 반응을 할 수 있는 안정적인 정렬을 유지할 수 있다. 그리고, 전극 적층 구조체(100)가 반복적으로 굽힘 운동을 하는 경우, 전극 적층 구조체(100)를 구성하는 각각의 층들의 상대적 위치를 유지시켜 반복적인 굽힘 운동 후에도 충전 및 방전 등의 전기 화학적 반응이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 전극 적층 구조체(100)에는 하나 또는 그 이상의 고정부가 형성될 수 있다. 도 1a 및 도 1b에서는 고정부(200)가 전극 적층 구조체(100)의 중심부에 형성된 예를 도시하였다. 그러나, 이에 한정된 것은 아니며, 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 전극 적층 구조체(100)에는 다수의 고정부(210, 220), 예를 들어 제 1고정부(210) 및 제 2고정부(220)를 포함할 수 있다. 고정부(210, 220)를 다수개로 형성하는 경우 전극 적층 구조체(100)의 중심부(m)를 기준으로 대칭적으로 형성하거나, 고정부들을 동일한 간격을 지니도록 형성할 수 있다. 그러나, 이에 한정된 것은 아니며, 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 전극 적층 구조체(100)는 하나 또는 그 이상의 고정부가 전극 적층 구조체(100)의 중심부(m) 또는 중심부(m)에 인접한 영역에 형성될 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 가요성 이차 전지의 전극 적층 구조체(100)를 구성하는 각 층에 대해 설명하면 다음과 같다.
제 1전극층(110, 112)은 양극 필름 또는 음극 필름 중 어느 하나일 수 있다. 제 1전극층(110, 112)이 양극 필름인 경우, 제 2전극층(120, 122)은 음극 필름일 수 있다. 반대로 제 1전극층(110, 112)이 음극 필름인 경우, 제 2전극층(120, 122)은 양극 필름일 수 있다. 제 1전극층(110, 112)은 제 1금속 집전체(110) 표면에 형성된 제 1활물질층(112)을 포함할 수 있다. 제 2전극층(120, 122)은 제 2금속 집전체(120) 표면에 형성된 제 2활물질층(122)을 포함할 수 있다. 제 1전극층(110, 112)이 양극 필름인 경우, 제 1금속 집전체(110)는 양극 집전체일 수 있으며, 제 1활물질층(112)은 양극 활물질층일 수 있다. 제 2전극층(120, 122)이 음극 필름인 경우, 제 2금속 집전체(120)는 음극 집전체이며, 제 2활물질층(122)은 음극 활물질층일 수 있다. 제 1활물질층(112)은 제 1전극층(110, 112)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있으며, 제 2활물질층(122)은 제 2금속 집전체(120)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 제 2전극층(120, 122)의 길이는 제 1전극층(110, 112)의 길이보다 길게 형성할 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
양극 집전체는 알루미늄, 스테인레스강, 티탄, 구리, 은 또는 이들로부터 선택된 물질의 조합으로 형성된 금속 물질일 수 있다. 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.
양극 활물질층은 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 물질로 형성될 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 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 비닐리덴플루오라이드/테트라플루로에틸린 코폴리머 등의 폴리비닐리덴플루오라이드계 바인더,
나트륨-카르복시메틸셀룰로오스, 리튬-카르복시메틸셀룰로오스 등의 카르복시메틸셀룰로오스계 바인더,
폴리아크릴산, 리튬-폴리아크릴산, 아크릴, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트 등의 아크릴레이트계 바인더,
폴리아미드이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤, 리튬-나피온 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 유도체 등의 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 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 활물질층은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 물질로 형성될 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.
음극 활물질층에 포함되는 바인더 및 도전제는 각각 양극 활물질층에 포함된 바인더 및 도전제와 동일한 것을 사용할 수 있다.
양극 필름 또는 음극 필름은 금속 집전체 상에 활물질층을 다양한 방법에 의해 도포함으로써 형성할 수 있으며, 전극 활물질층의 도포 방법에는 제한이 없다.
이하의 도면에서는 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)의 일면 또는 양면에 형성된 활물질층에 대한 도시는 생략할 수 있다.
분리막(130)은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)막과 같은 다공성 고분자막일 수 있으며, 고분자 섬유를 포함하는 직포 또는 부직포 형태일 수 있다. 그리고, 분리막(130)은 세라믹 입자를 포함할 수 있고, 고분자 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 분리막(130)은 독립적인 필름으로 형성될 수 있으며, 또한 제 1전극층(110, 112) 또는 제 2전극층(120, 122) 상에 비전도성의 다공성 층을 형성함으로써 분리막(130)으로 사용될 수 있다. 분리막(130)은 제 1전극층(110, 112) 및 제 2전극층(120, 122)을 전기적으로 분리시키기 위해 형성한 것으로 분리막(130)의 형상은 제 1전극층(110, 112) 또는 제 2전극층(120, 122)과 유사한 형상을 지닐 수 있다. 그러나, 분리막(130)의 형상은 제 1전극층(110, 112) 또는 제 2전극층(120, 122)의 형상과 동일하게 형성될 필요는 없다.
고정부(200, 210, 220)는 전극 적층 구조체(100)의 각 구성 층들의 물질들과 반응성이 낮거나, 없는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 고정부(200, 210, 220)는 고분자 필름, 라미네이트된 고분자 물질을 포함하는 필름, 복합재, 절연성 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 고정부(200, 210, 220)는 다양한 방법에 의해 형성할 수 있다. 예를 들어 고분자 필름 또는 테이프를 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역을 둘러싸도록 고정 접착시켜서 형성시킬 수 있다. 그리고, 전극 적층 구조체(100)를 구성하는 각 층들의 일면 또는 양면의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에 절연성 접착제를 부착하여 고정부(200, 210, 200)를 형성할 수 있다. 예를 들어 제 1금속 집전체(110), 제 2금속 집전체(120) 및 분리막(130)의 각 층에 개별적으로 접착제를 미리 도포하고, 전극 적층 구조체(100)의 각 층들을 정렬시켜 결합함으로써 고정부(200, 210, 220)를 형성할 수 있다. 또한, 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에 관통부를 형성하여 고정 부재, 예를 들어 리벳(rivet)를 삽입하여 고정부(200, 210, 220)를 형성할 수 있다. 고정부(200, 210, 220)가 형성되는 영역의 제 1금속 집전체(110), 제 2금속 집전체(120) 및 분리막(130)의 일부 영역에는 활물질층(112, 122)을 형성하지 않을 수 있다. 고정부(200, 210, 220)는 약 2mm이상의 폭을 지니도록 형성될 수 있다. 고정부(200, 210, 220)의 폭에 대한 전극 적층 구조체(100)의 전체 길이는 약 20배 이하일 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 연결탭이 형성된 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 전극 적층 구조체(100)는 전극 적층 구조체의 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)로부터 각각 연장되어 형성된 연결탭(115, 125)을 포함할 수 있다. 연결탭(115, 125)는 외부의 리드탭과 연결될 수 있다. 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)의 표면에는 금속 활물질층이 형성될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 연결탭(115, 125)는 고정부(200)가 형성된 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에 형성될 수 있다. 만일 적극 적층 구조체(100)의 고정부(200)가 형성된 영역이 아닌 일단부에 연결탭(115, 125)이 형성된 경우 가요성 이차 전지의 전극 적층 구조체(100)가 굽힘 운동을 할 때, 상대적인 위치 변화량이 커질 수 있어 굽힘 운동이 반복될 경우 연결탭(115, 125)이 접히거나 끊어져 전지의 성능이 저하될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지는 제 1전극 적층 구조체(100a) 및 제 2전극 적층 구조체(100b)를 포함할 수 있으며, 각각의 일영역, 예를 들어 단부에 각각 형성된 고정부(200a, 200b)를 포함할 수 있다. 그리고, 제 1전극 적층 구조체(100a)의 금속 집전체(110a, 120a)는 연결탭(115a, 125a)이 형성될 수 있다. 제 2전극 적층 구조체(100b)의 금속 집전체(110b, 120b)는 연결탭(115b, 125b)이 형성될 수 있다. 제 1전극 적층 구조체(100a)의 고정부(200a)와 제 2전극 적층 구조체(100b)의 고정부(200b)를 연결시켜 고정시키면, 도 3a에 나타낸 전극 적층 구조체(100)와 유사한 구조를 가질 수 있으며, 중앙에 고정부(200a, 200b)가 형성된 전극 적층 구조체(100a, 100b)를 형성할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지는 제 1전극 적층 구조체(100a) 및 제 2전극 적층 구조체(100b)를 포함할 수 있으며, 그리고, 제 1전극 적층 구조체(100a)의 제 2전극 적층 구조체(100b)의 대향된 부분인 각각의 일단부에 형성된 고정부를 포함할 수 있다. 제 1전극 적층 구조체(100a)의 금속 집전체(110a, 120a)는 연결탭(150a, 150b)이 형성될 수 있다. 제 2전극 적층 구조체(100b)의 금속 집전체(110b, 120b)는 연결탭(160b, 160b)이 형성될 수 있다. 이 때 서로 다른 극성을 지닌 제 1전극 적층 구조체(100a)의 제 1연결탭(150a)과 제 2전극 적층 구조체(100b)의 제 2연결탭(160a)을 서로 연결시킬 수 있다. 그리고, 서로 다른 극성을 지닌 제 1전극 적층 구조체(100a)의 제 2연결탭(150b)과 제 2전극 적층 구조체(100b)의 제 1연결탭(160b)을 외부의 리드탭과 연결하는 연결탭으로 사용할 수 있다. 도 3c의 경우 제 1전극 적층 구조체(100a) 및 제 2전극 적층 구조체(100b)는 직렬로 연결된 것으로, 상기 도 3b의 경우 1전극 적층 구조체(100a) 및 제 2전극 적층 구조체(100b)는 병렬로 연결된 것이다. 사용자의 필요성에 따라 전극 적층 구조체들 사이에 직렬 또는 병렬 연결을 선택적으로 적용할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 실시예에 따른 가요성 이차 전지는 전극 적층 구조체(100)를 포함하며, 전극 적층 구조체(100)는 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)를 포함할 수 있다. 그리고, 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)로부터 각각 연장 또는 돌출되어 형성된 연결탭(115, 125)을 포함할 수 있다. 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)의 표면에는 금속 활물질층이 형성될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에는 고정부(240)가 형성될 수 있으며, 고정부(240)는 전극 적층 구조체(100)의 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)들을 관통하는 리벳 구조체나 점용접을 이용하여 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 실시예에 따른 가요성 이차 전지는 전극 적층 구조체(100)를 포함하며, 전극 적층 구조체(100)는 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)를 포함할 수 있다. 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에는 고정부(240)가 형성될 수 있으며, 고정부(240)는 전극 적층 구조체(100)의 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)들을 관통하는 리벳 구조체나 점용접을 이용하여 형성될 수 있다. 도 4b에서는 연결탭(115, 125)을 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)의 고정부(240)와 연결되도록 형성한 것으로, 연결탭(115, 125)이 집전체(110, 120) 외부로 돌출되지 않도록 형성된 실시예를 나타내었다.
도 4c를 참조하면, 실시예에 따른 가요성 이차 전지는 전극 적층 구조체(100)를 포함하며, 전극 적층 구조체(100)는 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)를 포함할 수 있다. 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에는 고정부(200)가 형성될 수 있다. 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에는 내부로 오목하게 형성된 홈부(115c, 125c)가 형성될 수 있다. 이러한 홈부는 전극 적층 구조체(100)의 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)에 교호적으로 형성될 수 있다. 이러한 홈부(115c, 125c)는 외부의 리드탭이 연결될 수 있으며, 홈부(115c, 125c)는 연결탭으로서의 역할을 할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지가 보호층을 더 포함하는 구조들을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가요전 이차 전지는 전극 적층 구조체(100)를 포함하며, 전극 적층 구조체(100)는 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)를 포함할 수 있다. 전극 적층 구조체(100)의 중앙부 또는 중앙부와 인접한 영역에는 고정부(200, 240)가 형성될 수 있다. 그리고, 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)는 외부의 리드탭과 연결될 수 있도록 연결탭(115, 125, 125c)을 포함할 수 있다. 그리고, 전극 적층 구조체(100)의 양면 중 적어도 한 면에 형성된 보호층(310, 320, 330)을 더 포함할 수 있다. 도 5b에서는 연결탭(115, 125)을 제 1금속 집전체(110) 및 제 2금속 집전체(120)의 고정부(240)와 연결되도록 형성한 것으로, 연결탭(115, 125)이 집전체(110, 120) 외부로 돌출되지 않도록 형성된 실시예를 나타내었다.
보호층(310, 320, 330)은 그 내부의 다른 전극 적층 구조체(100)의 구성 물질층들의 휨에 큰 영향을 주지 않도록 유연성 및 강성을 지닌 물질로 형성된 것일 수 있다. 보호층(310, 320, 330)의 휨강성(bending stiffness)은 전극 적층 구조체(100) 내부의 개별 층들의 평균 휨강성보다 큰 값을 가질 수 있으며, 예를 들어 1.5배 이상의 큰 값을 지닐 수 있다. 그리고, 보호층(310, 320, 330)은 15마이크로미터 내지 1밀리미터의 두께를 지닐 수 있다. 보호층(310, 320, 330)은 고분자 필름, 라미네이트된 고분자 필름층을 포함하는 필름, 금속 포일, 탄소를 포함하는 복합재 필름일 수 있다. 보호층(310, 320, 330)은 전극 적층 구조체(100)의 외부로부터의 물리적인 충격이나 화학적인 영향으로부터 내부의 전극 적층 구조체(100)의 다른 층들을 보호하는 역할을 할 수 있다. 전극 적층 구조체(100)가 휨 운동 또는 굽힘 운동에 의해 변형된 경우, 전극 적층 구조체 내부(100)는 압축력을 받기 때문에 개별층들은 주름을 발생시켜 압축스트레스를 완화하려는 경향을 지닌다. 전극 적층 구조체(100)의 개별층에 주름이 발생하게 되면 개별층들 사이의 간격이 벌어지고, 정렬 위치가 비가역적으로 변하거나 접힐 위험이 커진다. 이때 바깥쪽에 일정한 유연성 및 강성을 지닌 보호층(150)을 형성시킴으로써, 그 내부의 다른 층들에 주름과 같이 곡률반경이 작은 변형이 일어나려 할 경우 이를 눌러서 더 큰 변형이 일어나는 것을 방지하고, 내부 층들이 받는 스트레스를 완화시킬 수 있다.
도 6은 이차 전지의 벤딩 전후의 용량을 비교하여 나타낸 그래프이다. 여기서는 이차 전지의 굽힘(bending) 동작 전후의 용량을 비교한 것으로, 도 6에 나타낸 그래프에서의 B1은 굽힘 동작 전의 전지의 용량을 나타내며, B2는 곡률반경 50mm로 굽힘 운동을 시켜 전지를 휘게 만들었을 때의 용량을 나타낸 것이다. 그리고, Ref는 고정부를 형성하지 않은 이차 전지를 나타낸 것이며, 1P는 도 3a에 나타낸 바와 같이 전극 적층 구조체(100)의 중앙부에 고정부(200)를 형성시킨 이차 전지를 나타내며, 2P는 도 3b에 나타낸 바와 같이 전극 적층 구조체들(100a, 100b)을 결합하여 형성한 이차 전지를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 전극 적층 구조체의 중앙부에 고정부를 형성한 이차 전지의 충전 용량(1P1)과 방전 용량(1P2)의 경우 거의 변화가 없었고, 전극 적층 구조체들(100a, 100b)을 결합하여 형성한 이차 전지의 충전 용량(2P1)과 방전 용량(2P2)도 거의 변화가 없었다. 그러나, 고정부를 형성하지 않은 이차 전지의 충전 용량(Ref1)과 방전 용량(Ref2)의 경우 약 4% 정도 감소하여 용량 저하 현상이 크게 발생하였다. 이러한 용량 저하의 원인으로는 이차 전지 패키지의 내부의 전극 적층 구조체의 구성층들이 미끄러지기 위한 공간 부족이나, 미끄러짐 운동 시 전극 적층 구조체의 구성층들 사이의 마찰로 인한 내부 전극들 사이의 공간 형성으로 판단될 수 있다. 결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 가요성 이차 전지(1P, 2P)의 경우 외부 압력 등에 의한 굽힘 동작, 미끄러짐 운동 시 용량 저하 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있으며 안정화된 전극 적층 구조를 지닌 가요성 이차 전지를 나타낼 수 있다.
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.
100, 100a, 100b: 전극 적층 구조체 110, 110a: 제 1금속 집전체
112: 제 1활물질층 120, 120a: 제 2금속 집전체
122: 제 2활물질층 130: 분리막
115, 125: 연결탭 200, 200a, 200b, 240: 고정부
310, 320, 330: 보호층

Claims (13)

  1. 이차 전지에 있어서,
    제 1전극층과 제 2전극층 및 상기 제 1전극층과 제 2전극층 사이에 형성된 분리막을 포함하는 전극 적층 구조체를 포함하며,
    상기 전극 적층 구조체의 양단부를 제외한 영역에 형성되며,
    상기 제 1전극층, 상기 제 2전극층 및 상기 분리막을 고정하는 고정부를 포함하는 가요성 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 전극 적층 구조체의 중앙부 또는 상기 전극 적층 구조체의 중앙부와 인접한 영역에 형성된 가요성 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극 적층 구조체의 중앙부와 인접한 영역은,
    상기 전극 적층 구조체의 단부보다 상기 전극 적층 구조체의 중앙부와 가까운 거리를 지닌 영역인 가요성 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층 구조체는 하나 또는 그 이상의 고정부를 포함하는 가요성 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부는 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프인 가요성 이차 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 전극 적층 구조체의 각 구성층들을 점용접 또는 리베팅에 의해 고정시키는 가요성 이차 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극층은 제 1금속 집전체 및 상기 제 1금속 집전체의 적어도 일면에 형성된 제 1활물질층을 포함하며,
    상기 제 2전극층은 제 2금속 집전체 및 상기 제 2금속 집전체의 적어도 일면에 형성된 제 2활물질층을 포함하는 가요성 이차 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1금속 집전체 및 상기 제 2금속 집전체에 형성된 연결탭을 포함하는 가요성 이차 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층 구조체의 적어도 일면에 형성된 보호층을 더 포함하는 가요성 이차 전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 보호층의 휨강성은 상기 전극 적층 구조체 내부의 각 개별층들의 평균 휨강성보다 큰 값을 지닌 가요성 이차 전지.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 보호층은 고분자 필름, 라미네이트된 고분자 필름층을 포함하는 필름, 금속 포일 또는 탄소를 포함하는 복합재 필름인 가요성 이차 전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층 구조체는 제 1전극 적층 구조체 및 제 2전극 적층 구조체를 포함하며,
    상기 제 1전극 적층 구조체 및 상기 제 2전극 적층 구조체의 일영역에는 각각 고정부가 형성되며,
    상기 제 1전극 적층 구조체의 고정부와 상기 제 2전극 적층 구조체의 고정부가 연결된 가요성 이차 전지.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1전극 적층 구조체 및 상기 제 2전극 적층 구조체를 구성하는 각 층들은 서로 직렬 또는 병렬적으로 연결된 가요성 이차 전지.
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