KR20160085624A - 에너지 밀도와 율특성이 향상된 이차 전지 - Google Patents

에너지 밀도와 율특성이 향상된 이차 전지 Download PDF

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Abstract

에너지 밀도와 율특성이 모두 향상될 수 있는 구조를 갖는 이차 전지가 개시된다. 개시된 이차 전지는, 서로 마주하여 배치된 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층, 상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며 상기 제 1 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 1 활물질층, 상기 제 2 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며 상기 제 2 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 2 활물질층, 및 상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며 상기 다수의 제 1 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 제 1 도전체층을 포함할 수 있다.

Description

에너지 밀도와 율특성이 향상된 이차 전지 {Secondary battery having high rate capability and high energy density}
개시된 실시예들은 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 밀도와 율특성이 모두 향상될 수 있는 구조를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다. 리튬 전지의 양극 활물질로는 주로 리튬계 산화물을 사용하고 있으며, 리튬 전지의 음극 활물질로는 주로 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬 전지는 일반적으로, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 고체 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 고체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다.
이러한 리튬 전지에서, 에너지 밀도와 율특성(rate capability)을 더욱 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 에너지 밀도의 향상은 리튬 전지의 용량을 증가시킬 수 있으며, 율특성의 향상은 리튬 전지의 충전 속도를 증가시킬 수 있다.
에너지 밀도와 율특성이 모두 향상될 수 있는 구조를 갖는 이차 전지를 제공한다.
일 실시예에 따른 전지는, 서로 마주하여 배치된 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층; 상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 제 1 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 1 활물질층; 상기 제 2 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 제 2 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 2 활물질층; 상기 다수의 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 전극 집전체층 사이, 및 상기 다수의 제 2 활물질층과 상기 제 1 전극 집전체층 사이에 각각 배치된 전해질층; 및 상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 다수의 제 1 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 제 1 도전체층;을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층은 서로 평행하게 배치된 평판 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층은 곡률을 갖는 만곡된 평판의 형태를 가지며 서로 평행하게 배치될 수도 있다.
상기 다수의 제 1 활물질층은 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 접촉하며, 상기 다수의 제 2 활물질층은 상기 제 2 전극 집전체층의 제 2 표면에 접촉하고, 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면이 서로 마주보도록 상기 제 1 전극 집전체층과 상기 제 2 전극 집전체층이 배치될 수 있다.
상기 다수의 제 1 활물질층은 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 대해 수직하게 배치되어 있으며, 상기 다수의 제 2 활물질층은 상기 제 2 전극 집전체층의 제 2 표면에 수직하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 다수의 제 2 활물질층은 평판 형태를 가지며, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 다수의 제 2 활물질층이 교대로 나란하게 배열될 수 있다.
상기 제 1 도전체층은 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 가질 수 있다.
상기 제 1 도전체층은, 상기 다수의 제 1 활물질층 중에서 적어도 일부의 활물질층 내에 삽입되어 있으며, 상기 제 1 도전체층의 양측 표면이 제 1 활물질층과 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 1 도전체층의 제 2 단부는 상기 전해질층에 접촉할 수 있다.
상기 제 1 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 1 도전체층의 제 2 단부는 상기 제 1 활물질층에 접촉할 수 있다.
예를 들어, 상기 전해질층은 고체 전해질을 포함할 수 있다.
상기 전해질층은 상기 다수의 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 전극 집전체층 사이, 및 상기 다수의 제 2 활물질층과 상기 제 1 전극 집전체층 사이를 따라 구불구불하게 형성될 수 있다.
상기 전지는, 상기 제 2 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며 상기 다수의 제 2 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 제 2 도전체층을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 도전체층은 상기 제 2 전극 집전체층으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 가질 수 있다.
상기 제 2 도전체층은, 상기 다수의 제 2 활물질층 중에서 적어도 일부의 활물질층 내에 삽입되어 있으며, 상기 제 2 도전체층의 양측 표면이 제 2 활물질층과 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 제 2 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 2 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 도전체층의 제 2 단부는 상기 전해질층에 접촉할 수 있다.
상기 제 2 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 2 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 도전체층의 제 2 단부는 상기 제 2 활물질층에 접촉할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 활물질층은 양극 조성의 세라믹 소결체를 포함하는 양극 활물질로 이루어질 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 전지는, 평판 형태를 갖는 제 1 전극 집전체층; 상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 제 1 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 1 활물질층; 상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 다수의 제 1 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 도전체층; 상기 다수의 제 1 활물질층과 교대로 나란하게 배열되어 있는 다수의 제 1 부분 및 상기 제 1 전극 집전체층과 나란하게 마주하여 배치되며 상기 다수의 제 1 부분으로부터 연장되어 형성된 제 2 부분을 포함하는 제 2 활물질층; 및 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 제 2 부분 사이, 및 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분과 상기 제 1 전극 집전체층 사이에 각각 배치된 전해질층;을 포함할 수 있다.
상기 다수의 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분과 제 2 부분이 일체로 형성될 수 있다.
상기 도전체층은, 상기 다수의 제 1 활물질층 중에서 적어도 일부의 활물질층 내에 삽입되어 있으며, 상기 도전체층의 양측 표면이 제 1 활물질층과 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 상기 도전체층의 제 2 단부는 상기 전해질층에 접촉할 수 있다.
상기 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 상기 도전체층의 제 2 단부는 상기 제 1 활물질층에 접촉할 수 있다.
상기 전해질층은, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 제 2 부분 사이, 및 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분과 상기 제 1 전극 집전체층 사이를 따라 구불구불하게 형성될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 이차 전지의 경우, 다수의 양극 활물질층들과 다수의 음극 활물질층들이 양극 집전체층과 음극 집전체층에 대해 수직한 방향으로 배치되어 있기 때문에, 이차 전지의 에너지 밀도와 율특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 이차 전지의 단위 셀의 높이를 증가시키면, 높이에 비례하여 반응 면적이 증가하므로 율특성이 향상될 수 있다. 또한, 이차 전지의 단위 셀의 높이를 증가시키면 이차 전지 내에서 양극 활물질과 음극 활물질이 차지하는 분율(fraction)이 증가하여 이차 전지의 에너지 밀도도 향상될 수 있다.
이러한 이차 전지의 단위 셀은 매우 작은 크기로 제작이 가능하기 때문에, 모바일 장치나 웨어러블 장치(wearable device)와 같은 소형 장치의 전지에 적합할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 비교예에 따른 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 단위 셀의 높이와 반응 면적 사이의 관계에 대해 도 1에 도시된 실시예와 도 4에 도시된 비교예를 비교하여 보이는 그래프이다.
도 6은 단위 셀의 높이와 활물질 분율 사이의 관계에 대해 도 1에 도시된 실시예와 도 4에 도시된 비교예를 비교하여 보이는 그래프이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도 및 분해 사시도이다.
도 10은 도 1에 도시된 이차 전지의 다수의 단위 셀들을 적층하여 형성된 적층 구조를 예시적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 에너지 밀도와 율특성이 향상된 이차 전지에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 이차 전지(100)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 서로 마주하여 배치된 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111), 제 1 전극 집전체층(101)에 전기적으로 접촉하는 다수의 제 1 활물질층(102), 제 2 전극 집전체층(111)에 전기적으로 접촉하는 다수의 제 2 활물질층(112), 및 다수의 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112) 사이, 다수의 제 1 활물질층(102)과 제 2 전극 집전체층(111) 사이, 및 다수의 제 2 활물질층(112)과 제 1 전극 집전체층(101) 사이에 각각 배치된 전해질층(120)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 이차 전지(100)는 제 1 전극 집전체층(101)에 전기적으로 접촉하며 다수의 제 1 활물질층(102)의 내부에 삽입되어 있는 제 1 도전체층(103) 및 제 2 전극 집전체층(111)에 전기적으로 접촉하며 다수의 제 2 활물질층(112)의 내부에 삽입되어 있는 제 2 도전체층(113)을 더 포함할 수 있다.
제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)은, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)은 평평한 평판의 형태로 형성될 수 있으며, 서로 평행하게 배치될 수 있다.
제 1 활물질층(102)은 제 1 전극 집전체층(101)의 표면에 전기적으로 접촉할 수 있으며, 제 2 활물질층(112)은 제 2 전극 집전체층(111)의 표면에 전기적으로 접촉할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)의 서로 마주보는 표면에 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112)이 각각 부착될 수 있다. 여기서, 제 1 활물질층(102)은 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 제 1 전극 집전체층(101)은 양극 집전체일 수 있다. 또한, 제 1 활물질층(102)은 도전재나 바인더 없이 양극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제 1 활물질층(102)은 LiCoO2와 같은 양극 조성의 세라믹 소결체나 단결정(sintered polycrystalline ceramics or single crystal)으로 구성될 수 있다. 제 2 활물질층(112)은 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 제 2 전극 집전체층(111)은 음극 집전체일 수 있다. 또한, 제 2 활물질층(112)은 도전재나 바인더 없이 음극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제 2 활물질층(112)은 리튬(Li) 금속과 같은 음극 금속으로 구성될 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 제 1 활물질층(102)들과 다수의 제 2 활물질층(112)들은 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)에 대해 실질적으로 수직하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 활물질층(102)은 제 1 전극 집전체층(101)의 표면에 대해 실질적으로 수직하게 돌출되도록 배치되고, 제 2 활물질층(112)은 제 2 전극 집전체(111)의 표면에 대해 실질적으로 수직하게 돌출되도록 배치될 수 있다. 그러나, 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)이 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)에 대해 완벽하게 수직할 필요는 없으며, 경사지게 배치되는 것도 가능하다. 또한, 다수의 제 1 활물질층(102)들과 다수의 제 2 활물질층(112)들은 평평한 평판의 형태로 형성될 수 있으며, 서로 나란하게 번갈아 배치될 수 있다. 즉, 제 1 활물질층(102)들과 다수의 제 2 활물질층(112)들은, 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111) 사이에서 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)에 수직하게 배치될 수 있으며, 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)의 표면에 평행한 방향을 따라 서로 교대로 배열될 수 있다.
전해질층(120)은 다수의 제 1 활물질층(102)들이 다수의 제 2 활물질층(112) 및 제 2 전극 집전체층(111)과 직접 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 또한, 전해질층(120)은 다수의 제 2 활물질층(112)들이 다수의 제 1 활물질층(102)들과 제 1 전극 집전체층(101)과 직접 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 이를 위하여, 전해질층(120)은 다수의 제 1 활물질층(102)들과 다수의 제 2 활물질층(112)들 사이, 다수의 제 1 활물질층(102)들과 제 2 전극 집전체층(111) 사이, 및 다수의 제 2 활물질층(112)들과 제 1 전극 집전체층(101) 사이를 따라 구불구불한 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112)은 서로 직접적으로 접촉하지 않고 전해질층(120)을 통해 금속 이온을 교환할 수 있다. 또한, 제 1 전극 집전체층(101)은 제 1 활물질층(102)에만 전기적으로 연결될 수 있으며, 제 2 전극 집전체층(111)은 제 2 활물질층(112)에만 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 전해질층(120)은 구불구불한 형태로 고정되어 있는 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전해질층(120)은 Li3PO4, Li3PO4-xNx, LiBO2-xNx, Li3PO4Nx, LiBO2Nx, Li4SiO4-Li3PO4, Li4SiO4-Li3VO4 등과 같은 고체 전해질을 포함할 수 있다.
한편, 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112)의 전기 전도도가 제 1 전극 집전체층(101)과 제 2 전극 집전체층(111)의 전기 전도도보다 통상적으로 낮기 때문에, 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112) 사이의 균일한 이온 교환 반응을 위하여, 각각의 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112)에 각각 제 1 도전체층(103)과 제 2 도전체층(113)이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전체층(103)은 제 1 전극 집전체층(101)과 전기적으로 연결되어 있으며, 제 1 활물질층(102)의 내부에 삽입될 수 있다. 또한, 제 2 도전체층(113)은 제 2 전극 집전체층(111)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 제 2 활물질층(112)의 내부에 삽입될 수 있다.
제 1 도전체층(103)과 제 1 전극 집전체층(101)은 서로 다른 재료를 사용하여 별도로 제작된 후 서로 접합될 수도 있으나, 동일한 도전성 재료를 이용하여 일체로 형성될 수도 있다. 마찬가지로, 제 2 도전체층(113)과 제 2 전극 집전체층(101)도 서로 다른 재료를 사용하여 별도로 제작된 후 서로 접합될 수도 있으나, 동일한 도전성 재료를 이용하여 일체로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 전극 집전체층(101)은 그의 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 다수의 평판 형태의 제 1 도전체층(103)을 갖도록 형성될 수 있으며, 제 2 전극 집전체층(111)은 그의 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 다수의 평판 형태의 제 2 도전체층(113)을 갖도록 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에는 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 납작한 평판 형태인 것으로 도시되어 있으나, 반드시 완전한 평판일 필요는 없다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)은 피시본 형태, 메시 형태, 격자 형태 등 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
납작한 평판 형태의 제 1 도전체층(103)이 각각의 제 1 활물질층(102) 내에 삽입되어 있기 때문에, 제 1 도전체층(103)의 양쪽 표면은 제 1 활물질층(102)과 접촉할 수 있다. 마찬가지로, 제 2 도전체층(113)이 각각의 제 2 활물질층(112) 내에 삽입되어 있기 때문에, 제 2 도전체층(113)의 양쪽 표면은 제 2 활물질층(112)과 접촉할 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)은 각각 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)으로부터 전해질층(120)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)의 제 1 단부는 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)에 각각 접촉하고 제 2 단부는 전해질층(120)에 접촉할 수 있다. 그러면, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)은 각각 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)을 완전히 갈라 놓을 수 있다. 예를 들어, 제 1 활물질층(102)은 제 1 도전체층(103)에 의해 2 부분(102a, 102b)으로 나뉠 수 있으며, 제 2 활물질층(112)은 제 2 도전체층(113)에 의해 2 부분(112a, 112b)으로 나뉠 수 있다.
이와 같이, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)의 내부에 삽입되어 있으므로, 전해질층(120)에 인접하는 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)의 단부로부터 각각 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)으로 전자의 전달이 용이할 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전체층(103)이 없을 경우에, 전해질층(120)에 인접하는 제 1 활물질층(102)의 단부는 다른 부분에 비하여 제 1 전극 집전체층(101)과의 거리가 멀기 때문에, 제 1 활물질층(102)의 단부로부터 제 1 전극 집전체층(101)까지 전자가 전달되기 어려울 수 있다. 이로 인해, 제 1 활물질층(102)의 길이가 길어지게 되면 제 1 활물질층(102)의 단부 영역은 거의 활용되지 못 할 수도 있다. 그러나, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)을 사용함으로써, 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)으로부터 전해질층(120)에 인접한 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)의 단부까지의 전자의 이동이 용이하게 될 수 있다. 따라서, 제 1 활물질층(102)과 제 2 활물질층(112) 사이의 전해질층(120)을 통해 전체적으로 균일하게 금속 이온이 교환될 수 있으므로, 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)의 길이를 충분히 길게 구성하는 것이 가능할 수 있다.
도 1 및 도 2에는 모든 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)들에 각각 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예시일 뿐이며, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 다수의 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)들 중에서 일부에만 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 선택적으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 2개의 제 1 및 제 2 활물질층(102)마다 하나의 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 각각 삽입될 수도 있다.
또한, 도 1 및 도 2에는 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)이 완전한 평판 형태이고 이차 전지(100)가 완전한 직사각형 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3은 다른 실시예에 따른 이차 전지(100')의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100')는 휘어진 직사각형 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)은 곡률을 갖는 만곡된 평판의 형태를 가지며 서로 평행할 수 있다. 이러한 휘어진 이차 전지(100')는 곡면의 형태를 갖도록 제작된 다양한 전자기기에 적용될 수 있다.
상술한 본 실시예에 따르면, 서로 평행한 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111) 사이에 독립적인 다수의 평행한 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)들이 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)의 표면에 수직하게 교대로 배열되어 있기 때문에, 이차 전지(100)의 에너지 밀도와 율특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)들의 높이를 증가시켜 이차 전지(100)의 단위 셀의 높이(h)를 증가시키면, 그 높이에 비례하여 반응 면적이 증가하므로 율특성이 향상될 수 있다. 또한, 이차 전지(100)의 단위 셀의 높이(h)를 증가시키면, 이차 전지(100) 내에서 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)들이 차지하는 분율(fraction)이 증가하여 이차 전지(100)의 에너지 밀도도 향상될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 사용 시간을 증가시키는 동시에 충전 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 고체 전해질을 사용하기 때문에 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 높은 전지 안정성을 기대할 수 있다. 이러한 이차 전지(100)의 단위 셀은 작은 크기로도 제작이 가능하기 때문에, 모바일 장치나 웨어러블 장치와 같은 소형 장치의 전지에 적합할 수 있다.
예를 들어, 도 4는 비교예에 따른 이차 전지(10)의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이며, 도 5 및 도 6은 상술한 본 실시예에 따른 이차 전지(100)의 특성을 도 4에 도시된 비교예와 비교하여 보이는 그래프이다. 구체적으로, 도 5는 단위 셀의 높이와 반응 면적 사이의 관계에 대해 도 1에 도시된 이차 전지(100)와 도 4에 도시된 비교예에 따른 이차 전지(10)를 비교하여 보이고 있으며, 도 6은 단위 셀의 높이와 활물질 분율 사이의 관계에 대해 도 1에 도시된 이차 전지(100)와 도 4에 도시된 비교예에 따른 이차 전지(10)를 비교하여 보이고 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 비교예에 따른 이차 전지(10)는 순차적으로 적층된 제 1 전극 집전체층(11), 제 1 활물질층(13), 분리막(20), 제 2 활물질층(14), 및 제 2 전극 집전체층(12)을 포함한다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 전극 집전체층(11), 제 1 활물질층(13), 분리막(20), 제 2 활물질층(14), 및 제 2 전극 집전체층(12)은 모두 서로에 대해 평행하게 배치되어 있다. 또한, 비교예에 따른 이차 전지(10)는 액체 전해질을 사용하는 것으로 가정하였다.
도 5 및 도 6의 그래프는, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)와 비교예에 따른 이차 전지(10)의 길이 및 폭이 각각 294 um 및 200 um로 동일하다고 가정하고 높이를 변화시키면서 얻었다. 또한, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)에서 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)들의 두께를 20 um, 전해질층(120)의 두께를 1 um로 가정하였으며, 비교예에 따른 이차 전지(10)에서 제 1 및 제 2 활물질층(13, 14)의 두께를 50 um, 분리막(20)의 두께를 20 um로 가정하였다. 그리고, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)와 비교예에 따른 이차 전지(10)에서 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111; 11, 12)의 두께는 모두 15 um로 가정하였다. 상술한 비교예에 따른 이차 전지(10)의 크기는 상용 중인 전지의 사양에 근거한 것이다.
도 5의 그래프에서 알 수 있듯이, 단위 셀의 높이를 증가시키더라도 비교예에 따른 이차 전지(10)의 반응 면적은 일정하게 유지된다. 반면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)의 반응 면적은 높이에 비례하여 선형적으로 증가할 수 있다. 또한, 도 6의 그래프를 참조하면, 비교예에 따른 이차 전지(10)와 본 실시예에 따른 이차 전지(100)에서 모두 단위 셀의 높이가 증가할수록 활물질 부피분율이 증가하지만, 전반적으로 본 실시예에 따른 이차 전지(100)의 활물질 부피분율이 비교예에 따른 이차 전지(10)의 활물질 부피분율보다 크다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 단위 셀의 높이가 150 um인 경우, 비교예에 따른 이차 전지(10)의 반응 면적은 58,800 um2 정도이고 활물질 부피분율은 0.67인 반면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)의 반응 면적은 333,200 um2 정도이고 활물질 부피분율은 0.76이다. 따라서, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 비교예에 따른 이차 전지(10)에 비해 반응 면적은 5배 이상, 활물질 부피분율은 13 %이상 증가한다는 것을 알 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이차 전지(200)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 각각 제 1 및 제 2 전극 집전체층(101, 111)으로부터 전해질층(120)까지 연장되어 전해질층(120)에 접촉하고 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)은 각각 제 1 및 제 2 활물질층(102, 112)을 완전히 갈라 놓을 수 있다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 전해질층(120)에 가깝게 연장되지만 전해질층(120)에 접촉하지는 않을 수도 있다. 이 경우, 제 1 도전체층(103)의 양측 표면에 각각 접촉하는 제 1 활물질층(102)의 두 부분(102a, 102b)은 완전히 분할되지 않고 전해질층(120)과 인접하는 영역에서 서로 이어질 수 있다. 마찬가지로, 제 2 도전체층(113)의 양측 표면에 각각 접촉하는 제 2 활물질층(112)의 두 부분(112a, 112b)은 완전히 분할되지 않고 전해질층(120)과 인접하는 영역에서 서로 이어질 수 있다. 도 7에는 제 1 및 제 2 도전체층(103, 113)이 모두 전해질층(120)에 접촉하지 않는 것으로 도시되어 있으나, 제 1 도전체층(103)과 제 2 도전체층(113) 중에서 어느 하나는 전해질층(120)과 접촉하고 나머지 하나는 전해질층(120)과 접촉하지 않을 수도 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이차 전지(300)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 1에 도시된 이차 전지(100)와 비교할 때, 도 8에 도시된 이차 전지(300)는 제 2 도전체층(113)이 생략되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 8에 도시된 이차 전지(300)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 이차 전지(100)의 구성과 동일할 수 있다. 제 2 활물질층(112)이 충분히 높은 전기 전도도를 갖는 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 제 2 도전체층(113)이 없더라도 전해질층(120)에 인접한 제 2 활물질층(112)의 단부로부터 제 2 전극 집전체층(111)으로 전자의 전달이 원활할 수 있기 때문에 제 2 도전체층(113)이 생략될 수 있다. 도 8에는 도시되지 않았지만, 제 1 활물질층(102)이 충분히 높은 전기 전도도를 갖는 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 제 1 도전체층(103)이 생략될 수도 있다. 도 8에는 제 1 도전체층(103)이 전해질층(120)과 접촉하는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서는 제 1 도전체층(103)이 전해질층(120)과 접촉하지 않을 수도 있다.
또한, 도 9a 및 도 9b는 각각 또 다른 실시예에 따른 이차 전지(400)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도 및 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 이차 전지(100)와 비교할 때, 도 9a 및 도 9b에 도시된 이차 전지(400)는 제 2 전극 집전체층을 사용하지 않고 제 2 활물질층(114)이 제 2 전극 집전체층의 역할을 하도록 구성되어 있다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 이차 전지(400)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 이차 전지(100)의 구성과 동일할 수 있다.
제 2 활물질층(114)이, 예를 들어, 리튬(Li) 금속과 같이 전기 전도도가 매우 우수한 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 제 2 활물질층(114)이 전극 집전체층의 역할도 할 수 있다. 이를 위하여, 제 2 활물질층(114)은 다수의 제 1 활물질층(102)과 교대로 나란하게 배열되어 있는 다수의 제 1 부분(114a) 및 제 1 전극 집전체층(101)과 나란하게 마주하여 배치되어 있는 제 2 부분(114b)을 포함할 수 있다. 제 2 활물질층(114)의 제 2 부분(114b)은 도 1에 도시된 제 2 전극 집전체층(111)의 역할을 하며 평판 형태를 가질 수 있다. 또한, 다수의 제 1 부분(114a)들은 제 2 부분(114b)으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 가질 수 있다. 제 2 활물질층(114)의 다수의 제 1 부분(114a)들과 제 2 부분(114b)은 동일한 재료로 일체로 형성될 수 있다. 전해질층(120)은 다수의 제 1 활물질층(102)들과 제 2 활물질층(114)의 다수의 제 1 부분(114a)들 사이, 다수의 제 1 활물질층(102)들과 제 2 활물질층(114)의 제 2 부분(114b) 사이, 및 제 2 활물질층(114)의 다수의 제 1 부분(114a)들과 제 1 전극 집전체층(101) 사이에 배치되며, 구불구불하게 형성될 수 있다.
도 10은 도 1에 도시된 이차 전지(100)의 다수의 단위 셀들을 적층하여 형성된 적층 구조(500)를 예시적으로 나타내는 사시도이다. 도 10을 참조하면, 이차 전지(100)의 다수의 단위 셀들을 적층할 때, 같은 종류의 전극 집전체(101, 111)들이 서로 접촉하도록 이차 전지(100)의 다수의 단위 셀들을 배치할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 이차 전지(100)의 단위 셀의 제 1 전극 집전체(101)는 다른 이차 전지(100)의 단위 셀의 제 1 전극 집전체(101)와 서로 접촉하며, 어느 하나의 이차 전지(100)의 단위 셀의 제 2 전극 집전체(111)는 다른 이차 전지(100)의 단위 셀의 제 2 전극 집전체(111)와 서로 접촉할 수 있다. 그리고 제 1 전극 집전체(101)들에 제 1 도선(501)을 연결하고 제 2 전극 집전체(111)들에 제 2 도선(502)을 연결함으로써 적층된 다수의 이차 전지(100)의 단위 셀들이 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 에너지 밀도와 율특성이 향상된 이차 전지에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200, 300, 400.....이차 전지 101.....제 1 전극 집전체층
102.....제 1 활물질층 103, 113.....도전체층
111.....제 2 전극 집전체층 112, 114.....제 2 활물질층
120.....전해질층 500.....적층 구조
501, 502.....도선

Claims (26)

  1. 서로 마주하여 배치된 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층;
    상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 제 1 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 1 활물질층;
    상기 제 2 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 제 2 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 2 활물질층;
    상기 다수의 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 전극 집전체층 사이, 및 상기 다수의 제 2 활물질층과 상기 제 1 전극 집전체층 사이에 각각 배치된 전해질층; 및
    상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 다수의 제 1 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 제 1 도전체층;을 포함하는 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층은 서로 평행하게 배치된 평판 형태를 갖는 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 집전체층과 제 2 전극 집전체층은 곡률을 갖는 만곡된 평판의 형태를 가지며 서로 평행하게 배치되어 있는 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 활물질층은 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 접촉하며, 상기 다수의 제 2 활물질층은 상기 제 2 전극 집전체층의 제 2 표면에 접촉하고, 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면이 서로 마주보도록 상기 제 1 전극 집전체층과 상기 제 2 전극 집전체층이 배치되어 있는 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 활물질층은 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 대해 수직하게 배치되어 있으며, 상기 다수의 제 2 활물질층은 상기 제 2 전극 집전체층의 제 2 표면에 수직하게 배치되어 있는 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 다수의 제 2 활물질층은 평판 형태를 가지며, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 다수의 제 2 활물질층이 교대로 나란하게 배열되어 있는 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 도전체층은 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 갖는 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 도전체층은, 상기 다수의 제 1 활물질층 중에서 적어도 일부의 활물질층 내에 삽입되어 있으며, 상기 제 1 도전체층의 양측 표면이 제 1 활물질층과 접촉하도록 배치되어 있는 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 1 도전체층의 제 2 단부는 상기 전해질층에 접촉하는 전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층의 제 1 표면에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 1 도전체층의 제 2 단부는 상기 제 1 활물질층에 접촉하는 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질층은 고체 전해질을 포함하는 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질층은 상기 다수의 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 전극 집전체층 사이, 및 상기 다수의 제 2 활물질층과 상기 제 1 전극 집전체층 사이를 따라 구불구불하게 형성되어 있는 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 다수의 제 2 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 제 2 도전체층을 더 포함하는 전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 도전체층은 상기 제 2 전극 집전체층으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 갖는 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 도전체층은, 상기 다수의 제 2 활물질층 중에서 적어도 일부의 활물질층 내에 삽입되어 있으며, 상기 제 2 도전체층의 양측 표면이 제 2 활물질층과 접촉하도록 배치되어 있는 전지.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 2 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 도전체층의 제 2 단부는 상기 전해질층에 접촉하는 전지.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 2 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 도전체층의 제 2 단부는 상기 제 2 활물질층에 접촉하는 전지.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 양극 조성의 세라믹 소결체를 포함하는 양극 활물질로 이루어진 전지.
  19. 평판 형태를 갖는 제 1 전극 집전체층;
    상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 제 1 전극 집전체층에 수직하게 배치된 다수의 제 1 활물질층;
    상기 제 1 전극 집전체층에 전기적으로 접촉하며, 상기 다수의 제 1 활물질층의 내부에 삽입되어 있는 도전체층;
    상기 다수의 제 1 활물질층과 교대로 나란하게 배열되어 있는 다수의 제 1 부분 및 상기 제 1 전극 집전체층과 나란하게 마주하여 배치되며 상기 다수의 제 1 부분으로부터 연장되어 형성된 제 2 부분을 포함하는 제 2 활물질층; 및
    상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 제 2 부분 사이, 및 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분과 상기 제 1 전극 집전체층 사이에 각각 배치된 전해질층;을 포함하는 전지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 다수의 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분과 제 2 부분이 일체로 형성되어 있는 전지.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 도전체층은, 상기 다수의 제 1 활물질층 중에서 적어도 일부의 활물질층 내에 삽입되어 있으며, 상기 도전체층의 양측 표면이 제 1 활물질층과 접촉하도록 배치되어 있는 전지.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 도전체층은 상기 제 1 전극 집전체층으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 갖는 전지.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 상기 도전체층의 제 2 단부는 상기 전해질층에 접촉하는 전지.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 도전체층의 제 1 단부는 상기 제 1 전극 집전체층에 접촉하며, 상기 제 1 단부의 반대쪽에 있는 상기 도전체층의 제 2 단부는 상기 제 1 활물질층에 접촉하는 전지.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 전해질층은 고체 전해질을 포함하는 전지.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 전해질층은 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분 사이, 상기 다수의 제 1 활물질층과 상기 제 2 활물질층의 제 2 부분 사이, 및 상기 제 2 활물질층의 다수의 제 1 부분과 상기 제 1 전극 집전체층 사이를 따라 구불구불하게 형성되어 있는 전지.
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