KR20160001909A - 리튬 이차전지 - Google Patents

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KR20160001909A
KR20160001909A KR1020140080013A KR20140080013A KR20160001909A KR 20160001909 A KR20160001909 A KR 20160001909A KR 1020140080013 A KR1020140080013 A KR 1020140080013A KR 20140080013 A KR20140080013 A KR 20140080013A KR 20160001909 A KR20160001909 A KR 20160001909A
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lithium secondary
secondary battery
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이영기
조국영
김광만
김상우
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한국전자통신연구원
공주대학교 산학협력단
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Abstract

리튬 이차전지가 제공된다. 리튬 이차전지는 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 포함하고, 다수의 공극들을 가지되, 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면은 불균일한 플렉서블 필름 층; 상기 제 1 면 상에 배치되는 양극 활물질 층; 상기 양극 활물질 층 상에 배치되는 양극 집전체 층; 상기 제 2 면 상에 배치되는 음극 활물질 층; 상기 음극 활물질 층 상에 배치되는 음극 집전체 층; 및 상기 플렉서블 필름 층의 상기 다수의 공극들을 채우며 배치되며, 상기 양극 활물질 층 및 상기 음극 활물질 층과 접하는 전해질을 포함한다.

Description

리튬 이차전지{Lithium secondary battery}
본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극, 음극 및 분리막이 일체화된 리튬 이차전지에 관한 것이다.
정보 통신 산업 및 전자 산업이 발달함에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 급증하였고, 이에 따라 스마트 폰, 테블릿 PC 및 노트북 등과 같은 휴대용 전자 기기의 동력원으로 사용되는 리튬 이차전지의 사용 또한 급증하고 있다.
최근에는, 휴대용 전자 기기의 디자인의 다양성으로 인해 플렉서블(flexible) 전자 기기들의 개발이 이루어지고 있어, 리튬 이차전지 또한 플렉서블 디자인을 갖는 것이 중요하게 여겨지고 있다. 또한 계속하여 얇아지는 휴대용 전자 기기의 개발 추세에 따라 리튬 이차전지 역시 얇으면서도 높은 에너지 밀도를 가질 필요성이 제기되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 우수한 전기적 특성, 얇은 두께 및 고용량을 가지는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
리튬 이차전지가 제공된다. 리튬 이차전지는 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 포함하고, 다수의 공극들을 가지되, 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면은 불균일한 플렉서블 필름 층; 상기 제 1 면 상에 배치되는 양극 활물질 층; 상기 양극 활물질 층 상에 배치되는 양극 집전체 층; 상기 제 2 면 상에 배치되는 음극 활물질 층; 상기 음극 활물질 층 상에 배치되는 음극 집전체 층; 및 상기 플렉서블 필름 층의 상기 다수의 공극들을 채우며 배치되며, 상기 양극 활물질 층 및 상기 음극 활물질 층과 접하는 전해질을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 리튬 이차전지에 따르면, 불균일한 다공성 플렉서블 필름의 표면을 따라 활물질 층들을 형성함으로써 리튬 이온이 전해질로 오가는 표면적을 넓히고, 이에 따라 리튬 이차전지의 용량을 높일 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지에 따르면, 다공성 플렉서블 필름의 양면에 활물질 층들을 형성함으로써 리튬 이온의 이동거리를 단축시키고, 이에 따라 향상된 전기적 특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지에 따르면, 소프트한 다공성 플렉서블 고분자 필름을 사용함으로써 활물질들의 부피 팽창 시 발생하는 스트레스를 완화시킬 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지에 따르면, 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 박막 집전체를 형성하여, 리튬 이차전지의 전체적인 두께 및 무게를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 실험예 1에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예 2에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험예 3에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6는 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7는 실험예 4에 따라 제조된 리튬 이차전지 풀 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차전지는 플렉서블 필름 층(100), 양극 활물질 층(200), 양극 집전체 층(210), 음극 활물질 층(300), 음극 집전체 층(310) 및 전해질(400)을 포함할 수 있다.
플렉서블 필름 층(100)은 제 1 플렉서블 필름 층(110)과 제 2 플렉서블 필름 층(120)을 포함할 수 있다. 제 1 플렉서블 필름 층(110)은 제 1 면(100a)을 가질 수 있고, 제 2 플렉서블 필름 층(120)은 제 2 면(100b)을 가질 수 있다. 제 1 플렉서블 필름 층(110)과 제 2 플렉서블 필름 층(120)은 제 1 면(100a) 및 제 2 면(100b)을 바깥으로 향하게 하여 서로 접할 수 있다. 즉, 플렉서블 필름 층(100) 전체로 볼 때, 제 1 면(100a) 및 제 2 면(100b)은 서로 대향할 수 있다. 플렉서블 필름 층(100)은 다수의 공극들(100c)을 갖는 다공성일 수 있고, 이에 따라 제 1 면(100a) 및 제 2 면(100b)은 불균일할 수 있다. 다수의 공극들(100c)의 직경은 수십 나노미터(nm)일 수 있고, 다수의 공극들(100c)은 후술할 전해질(400)로 채워질 수 있다. 플렉서블 필름 층(100)의 두께는 전지 내에서 플렉서블 필름 층(100)에 의한 저항이 작아질 수 있도록 일반적으로는 5 μm 내지 40 μm, 바람직하게는 7 μm 내지 30 μm, 더욱 바람직하게는 1 μm 내지 16 μm일 수 있다.
플렉서블 필름 층(100)은 전자 전도성은 없고, 전해질에 의해 이온 전도성은 있으며, 유기 용매에 대한 내성은 높을 수 있다. 일 예로, 플렉서블 필름 층(100)은 폴리올레핀(polyolefin)계 수지인 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리부텐(polybutene) 또는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)의 호모폴리머(homopolymer), 코폴리머(copolymer), 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 폴리에틸렌은 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌 또는 고밀도 폴리에틸렌이 있는데, 기계적 강도의 관점에서 고밀도 폴리에틸렌이 바람직할 수 있다. 또한, 유연성 부여를 위해 2종 이상의 폴리에틸렌을 혼합하여 사용할 수도 있다. 플렉서블 필름 층(100)은 폴리올레핀(polyolefin)계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리사이클로올레핀(polycycloolefin), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리이미드아미드(polyimide-amide), 폴리아라미드(polyaramid), 나일론(nylon) 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(poly(tetrafluoroethylene))으로 이루어진 다공성 필름 또는 부직포일 수 있다. 이 중에서도 두께를 얇게 하여 전지 내의 활물질 비율을 높이고, 이에 따라 체적당 용량을 높일 수 있는 폴리올레핀계 수지로 이루어진 다공성 필름이 바람직할 수 있다.
양극 활물질 층(200)은 제 1 플렉서블 필름 층(110)의 제 1 면(100a) 상에 배치될 수 있다. 양극 활물질 층(200)은 양극 활물질, 도전재, 결합재 및 용매를 포함하는 양극 활물질 슬러리(미도시)를 제 1 면(100a) 상에 도포한 후 건조시킴으로써 형성될 수 있고, 그 두께는 0.5 μm 내지 300 μm일 수 있다. 양극 활물질 층(200)은 불균일한 제 1 면(100a)의 표면 형상을 따라 요철 형태로 형성될 수 있다. 일 예로, 양극 활물질은 리튬을 가역적으로 인터칼레이션(intercalation)/디인터칼레이션(deintercalation) 할 수 있는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1 -(x+y)NixMnyO2, V2O5, MnO2, MoO3 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도전재는 전자의 이동을 돕는 역할을 하며, 일 예로, 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black) 또는 슈퍼-피(super-P)를 포함할 수 있다. 일 예로, 결합재는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenfluoride), 카르복시메틸셀룰로오즈 (carboxymethylcellulose), 하이드록시프로필메틸세룰로오즈(hydroxypropylmethylcellulose) 또는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)을 포함할 수 있다. 일 예로, 용매는 에틸 알코올(ethyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 아세톤(acetone) 또는 메틸 피롤리돈(N,N-methyl-pyrrolidone)을 포함할 수 있다.
양극 집전체 층(210)은 양극 활물질 층(200) 상에 배치될 수 있다. 양극 집전체 층(210)은 고주파 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering), 무전해도금, 열증착(Thermal evaporation)을 통해 형성할 수 있지만, 바람직하게는 고주파 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)을 통해 형성하고, 그 두께는 350nm 내지 1.5μm일 수 있다. 양극 집전체 층(210)은 전기 전도성이 우수한 물질로 이루어질 수 있는데, 일 예로, 이러한 물질은 ITO(indium tin oxide), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 바나듐(v), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co) 또는 망간(Mn)을 포함할 수 있다. 양극 집전체 층(210)은 단층으로 형성될 수 있으며, 양극 활물질 층(200)과의 부착력 향상 등의 필요에 따라서 이에 부합 하는 전도층이 양극 활물질 층(200)과 집전체 사이에 형성 될 수도 있다.
음극 활물질 층(300)은 제 2 플렉서블 필름 층(120)의 제 2 면(100b)에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 음극 활물질 층(300)은 고주파 마그네트론 스퍼터링을 통해 음극 활물질을 증착함으로써 형성될 수 있고, 그 두께는 15nm 내지 1000nm일 수 있다. 이 실시예에서, 일 예로, 음극 활물질은 리튬을 가역적으로 인터칼레이션(intercalation)/디인터칼레이션(deintercalation) 또는 얼로이(alloy)/디얼로이(dealloy) 할 수 있는 실리콘(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 납(Pb), 세레늄(Se) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 음극 활물질 층(300)은 음극 활물질, 도전재, 결합재 및 용매를 포함하는 음극 활물질 슬러리(미도시)를 제 2 면(100b) 상에 도포한 후 건조시킴으로써 형성될 수 있고, 그 두께는 0.5 μm 내지 150 μm일 수 있다. 이 실시예에서, 일 예로, 음극 활물질은 리튬을 가역적으로 인터칼레이션(intercalation)/디인터칼레이션(deintercalation) 또는 얼로이(alloy)/디얼로이(dealloy) 할 수 있는 그라파이트(Graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도전재는 전자의 이동을 돕는 역할을 하며, 일 예로, 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black) 또는 슈퍼-피(super-P)를 포함할 수 있다. 일 예로, 결합재는 폴리비닐리덴플로라이드 (polyvinylidenfluoride), 카르복시메틸셀룰로오즈(carboxymethylcellulose), 하이드록시프로필메틸세룰로오즈(hydroxypropylmethylcellulose) 또는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)을 포함할 수 있다. 일 예로, 용매는 에틸 알코올(ethyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 아세톤(acetone) 또는 메틸 피롤리돈(N,N-methyl-pyrrolidone)을 포함할 수 있다. 음극 활물질 층(300)은 불균일한 제 2 면(100b)의 표면 형상을 따라 요철 형태로 형성될 수 있다.
음극 집전체 층(310)은 음극 활물질 층(300) 상에 배치될 수 있다. 음극 집전체 층(310)은 고주파 마그네트론 스퍼터링, 무전해도금, 열증착(Thermal evaporation)을 통해 형성할 수 있지만, 바람직하게는 고주파 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)을 통해 형성하고, 그 두께는 350nm 내지 1.5μm일 수 있다. 음극 집전체 층(310)은 화학적으로 안정하면서 전기 전도성이 우수한 물질로 이루어질 수 있는데, 일 예로, 이러한 물질은 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)을 포함할 수 있다.
전해질(400)은 플렉서블 필름 층(100)의 다수의 공극들(100c)을 채우며 배치될 수 있으며, 양극 활물질 층(200) 및 음극 활물질 층(300)과 접할 수 있다. 전해질(400)을 다수의 공극들(100c)에 수월하게 채우기 위하여, 제 1 플렉서블 필름 층(110)의 제 1 면(100a)의 반대면 및 제 2 플렉서블 필름 층(120)의 제 2 면(100b)의 반대면을 통해 전해질(400)을 채운 후, 제 1 플렉서블 필름 층(110)의 제 1 면(100a)의 반대면과 제 2 플렉서블 필름 층(120)의 제 2 면(100b)의 반대면을 접할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지에 따르면, 다공성 플렉서블 필름 층(100)을 분리막이자 지지체로 하여 플렉서블 리튬 이차전지의 제작이 가능해진다. 이에 따라, 활물질들의 부피 팽창 시 발생하는 스트레스를 소프트한 있는 다공성 플렉서블 필름 층(100)이 완화시켜 우수한 용량 유지 특성을 얻을 수 있다. 또한, 플렉서블 필름 층(100)의 양면에 활물질 층들(200 및 300)을 형성함으로써 리튬 이온의 이동거리를 단축시키고, 이에 따라 향상된 전기적 특성을 얻을 수 있다. 나아가, 고주파 마그네트론 스퍼터링을 통해 얇은 집전체 층들(210 및 310)을 형성하여, 리튬 이차전지의 전체적인 두께 및 무게를 줄이고 활물질들의 양을 증가시켜 체적당 높은 용량의 전지를 구현할 수 있다.
도 2는 실험예 1에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3은 실험예 2에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4는 비교예 1에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5는 실험예 3에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6는 비교예 2에 따라 제조된 리튬 이차전지 하프 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7는 실험예 4에 따라 제조된 리튬 이차전지 풀 셀의 전극 용량 및 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다. 이하, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 제조 방법 및 상기 리튬 이차전지의 특성 평가 결과를 설명한다.
<실험예 1>
음극 활물질 층은 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 실리콘 활물질을 다공성 플렉서블 필름 상에 증착하여 형성되었다. 음극 활물질 층의 증착은 지름 7cm의 고순도(99.999%) 실리콘 타겟을 증착 높이 약 10cm에 위치시킨 후, 챔버 안에 아르곤 가스를 주입하고, 약 7x10-3 Torr의 압력 조건에서, 25W 교류상 전원으로 약 10분 간 수행되었다.
음극 집전체 층은 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 구리 금속을 음극 활물질 층 상에 증착하여 형성되었다. 음극 집전체 층의 증착은 지름 7cm의 고순도(99.999%) 구리 타겟을 증착 높이 약 10cm에 위치시킨 후, 챔버 안에 아르곤 가스를 주입하고, 약 7x10-3 Torr의 압력조건에서, 50W 교류상 전원으로 약 30분 간 수행되었다.
상기 과정을 통해 제조된 전극의 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 단위전지(파우치 타입)를 제조하였다. 음극 반쪽전지 형태로 제조된 음극과 상대 전극 사이에 비수계 전해액에 24시간 담지해둔 PE 분리막(polyethylene separator)을 삽입한 후 열처리를 통해 파우치를 밀봉하여 리튬 이차전지 하프 셀을 제조하였다. 상기 반대 전극은 리튬 금속을 사용하였고, 상기 비수계 전해액으로 1M 농도의 LiPF6 리튬염이 도입된 에틸렌카보네이트/디에틸카보네이트(1/1 부피비) 혼합 용액이 사용되었다.
상기 과정을 통해 제조된 하프 셀의 충/방전 특성을 평가하기 위해 0.1C의 정전류(constant current) 조건으로 0.005V 내지 1.5V의 전압 영역에서 프리사이클링(precycling)을 수행하였다. 그 후, 0.5C 정전류/정전압 조건으로 100사이클까지 수명 특성 충/방전 실험을 진행하여 방전 용량을 측정한 결과를 도 2에 나타내었다.
<실험예 2>
음극 활물질 슬러리는 음극 활물질인 Li4Ti5O12, 도전재인 Super P Li 및 결합재인 폴리비닐리덴플로라이드를 8:1:1의 중량부 비율로 혼합하고, 이를 용매인 메틸 피롤리돈(N,N-methyl-pyrrolidone)에 분산시킨 후 아게이트 사발(Agate-mortal Pestle Sets)을 이용해 약 500회 이상 휘저어 제조되었다.
제조된 음극 활물질 슬러리를 닥터블레이드를 이용하여 다공성 플렉서블 필름에 약 30μm의 두께로 일정하게 도포한 후, 이를 약 60℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조하여 음극 활물질 층을 형성하였다.
음극 집전체 층은 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 구리 금속을 음극 활물질 층 상에 증착하여 형성되었다. 음극 집전체는 <실험예 1>과 동일한 방법으로 제조되었다.
상기 과정을 통해 제조된 전극의 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 단위전지(파우치 타입)를 제조하였다. 하프 셀 전지는 <실험예 1>과 동일한 방법으로 제조되었다.
상기 과정을 통해 제조된 하프 셀의 충/방전 특성을 평가하기 위해 0.1C의 정전류(constant current) 조건으로 1.0V 내지 2.5V의 전압 영역에서 프리사이클링(precycling)을 수행하였다. 그 후, 0.5C 정전류/정전압 조건으로 100사이클까지 수명 특성 충/방전 실험을 진행하여 방전 용량을 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
<비교예 1>
음극 활물질 층은 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 실리콘 활물질을 음극 집전체로 상용화된 구리 호일 상에 증착하여 형성되었다. 음극 활물질 층의 증착은 <실험예 1>과 동일한 조건으로 수행되었다.
상기 과정을 통해 제조된 전극의 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 단위전지(파우치 타입)를 제조하였다. 하프 셀 전지는 <실험예 1>과 동일한 방법으로 제조되었다.
상기 과정을 통해 제조된 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 <실험예 1>과 동일한 방법으로 수명 특성 충/방전 실험을 진행하여 방전 용량을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다.
도 2와 도 4를 비교하면, 사이클 초기에는 음극 집전체로 상용화된 구리 호일을 사용한 하프 셀 전지의 방전 용량(도 4)이 더 크나, 약 10회의 사이클이 지난 후에는 본 발명에 따른 하프 셀 전지의 방전 용량(도 2)이 더 큰 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
양극 활물질 슬러리는 양극 활물질인 LiFePO4, 도전재인 Super P Li 및 결합재인 폴리비닐리덴플로라이드를 8:1:1의 중량부 비율로 혼합하고, 이를 용매인 메틸 피롤리돈(N,N-methyl-pyrrolidone)에 분산시킨 후 아게이트 사발(Agate-mortal Pestle Sets)을 이용해 약 500회 이상 휘저어 제조되었다.
제조된 양극 활물질 슬러리를 다공성 플렉서블 필름에 닥터블레이드를 이용하여 약 10μm의 두께로 일정하게 도포한 후, 이를 약 60℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조하여 양극 활물질 층을 형성하였다.
양극 집전체 층은 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 알루미늄 금속을 양극 활물질 층 상에 증착하여 형성되었다. 양극 집전체 층의 증착은 지름 7cm의 고순도(99.999%) 알루미늄 타겟을 증착 높이 약 10cm에 위치시킨 후, 챔버 안에 아르곤 가스를 주입하고, 약 7x10-3 Torr의 압력조건에서, 50W 교류상 전원으로 약 30분 간 수행되었다.
상기 과정을 통해 제조된 전극의 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 단위전지(파우치 타입)를 제조하였다. 하프 셀 전지는 <실험예 1>과 동일한 방법으로 제조되었다.
상기 과정을 통해 제조된 하프 셀의 충/방전 특성을 평가하기 위해 0.1C의 정전류(constant current) 조건으로 2V 내지 4V의 전압 영역에서 프리사이클링(precycling)을 수행하였다. 그 후, 0.5C 정전류/정전압 조건으로 30사이클까지 수명 특성 충/방전 실험을 진행하여 방전 용량을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.
<비교예 2>
양극 활물질 슬러리는 <실험예 3>과 동일한 방법으로 제조되었다. 제조된 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체로 상용화된 알루미늄 호일 상에 닥터블레이드를 이용하여 약 10μm의 두께로 일정하게 도포한 후, 이를 약 60℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조하였다. 이를 통해, 양극 집전체 층 상에 양극 활물질 층이 형성된 양극을 제조하였다.
상기 과정을 통해 제조된 전극의 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 단위전지(파우치 타입)를 제조하였다. 하프 셀 전지는 <실험예 3>과 동일한 방법으로 제조되었다.
상기 과정을 통해 제조된 하프 셀 전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 <실험예 3>과 동일한 방법으로 수명 특성 충/방전 실험을 진행하여 방전 용량을 측정한 결과를 도 6에 나타내었다.
<실험예 3>에서 양극 집접체 층으로 사용된 증착된 알루미늄의 두께는 400nm이고, <비교예 2>에서 양극 집전체 층으로 사용된 알루미늄 호일의 두께는 20μm이다. 즉, 본 발명에 따른 전지에서 더 얇은 양극 집전체 층이 사용되어 금속 사용량이 감소하였다. 그럼에도 불구하고, 도 5와 도 6을 비교하면, 본 발명에 따른 하프 셀 전지의 방전 용량(도 5)과 양극 집전체로 상용화된 알루미늄 호일을 사용한 하프 셀 전지의 방전 용량(도 6)이 큰 차이를 나타내지 않음을 확인할 수 있다.
<실험예 4>
<실험예 1>에서 제조된 음극이 형성된 다공성 플렉서블 필름과 <실험예 3>에서 제조된 양극이 형성된 다공성 플렉서블 필름을 접합하여 만들어진 전지 풀 셀의 충/방전 특성을 평가하기 위하여 단위전지(파우치 타입)을 제조하였다. 음극이 형성된 다공성 플렉서블 필름의 반대면 및 양극이 형성된 다공성 플렉서블 필름의 반대면을 통해 비수계 전해액을 주입하고, 음극이 형성된 다공성 플렉서블 필름의 반대면과 양극이 형성된 다공성 플렉서블 필름의 반대면을 서로 접합하였다. 파우치에 전지를 위치하고 열처리를 통해 파우치를 밀봉하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 상기 비수계 전해액으로 1M 농도의 LiPF6 리튬염이 도입된 에틸렌카보네이트/디에틸카보네이트(1/1 부피비) 혼합 용액이 사용되었다.
상기 과정을 통해 제조된 리튬 이차전지의 충/방전 특성을 평가하기 위해 0.1C의 정전류(constant current) 조건으로 2V 내지 4V의 전압 영역에서 프리사이클링(precycling)을 수행하였다. 그 후, 0.5C 정전류/정전압 조건으로 20사이클까지 수명 특성 충/방전 실험을 진행하여 방전 용량을 측정한 결과를 도 7에 나타내었다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 플렉서블 필름 층
100a : 제 1 면
100b : 제 2 면
100c : 다수의 공극들
110 : 제 1 플렉서블 필름 층
120 : 제 2 플렉서블 필름 층
200 : 양극 활물질 층
210 : 양극 집전체 층
300 : 음극 활물질 층
310 : 음극 집전체 층
400 : 전해질

Claims (1)

  1. 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 포함하고, 다수의 공극들을 가지되, 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면은 불균일한 플렉서블 필름 층;
    상기 제 1 면 상에 배치되는 양극 활물질 층;
    상기 양극 활물질 층 상에 배치되는 양극 집전체 층;
    상기 제 2 면 상에 배치되는 음극 활물질 층;
    상기 음극 활물질 층 상에 배치되는 음극 집전체 층; 및
    상기 플렉서블 필름 층의 상기 다수의 공극들을 채우며 배치되며, 상기 양극 활물질 층 및 상기 음극 활물질 층과 접하는 전해질을 포함하는 리튬 이차전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101897458B1 (ko) 2018-03-02 2018-09-12 신일공영(주) 판넬 연결 방법 및 그 장치
US11465384B2 (en) 2017-07-04 2022-10-11 Samsung Sdi Co., Ltd. Outer case for flexible rechargeable battery and flexible rechargeable battery including same

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