KR20170042935A - 3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지 - Google Patents

3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지 Download PDF

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Abstract

3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 개시된 3차원 구조의 전극 구조체는 집전체 플레이트에 돌출되게 배치된 다수의 제1 활물질 플레이트들이 구조적 안정성을 확보하기 위하여 전극 집전체 플레이트에 다수의 활물질 플레이트들을 가로질러 격벽을 배치한 구조를 지니며, 이러한 3차원 구조의 전극 구조체는 전해질층을 사이에 두고 이격되게 배치되는 2개의 전극 구조체 중 어느 하나가 될 수 있다.

Description

3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지{Three dimensional electrode structure and battery having the same}
본 개시는 3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 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, 태블릿 컴퓨터, 신체에 부착하는 이동용 의료 기기와 같은 각종 이동용 전자 기기에 대한 시장이 크게 성장하고 있다. 이러한 이동용 전자 기기 관련 시장이 성장함에 따라, 이동용 전자기기의 구동에 적합한 전지(battery)에 대한 요구도 높아지고 있다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로, 특히 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있다. 최근에는 3차원 구조의 전극을 이용한 고용량의 이차 전지에 대한 연구도 진행되고 있다.
3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지를 제공하자고자 한다.
일 측면에 따르는 3차원 구조의 전극 구조체는, 전극 집전체 플레이트; 상기 전극 집전체 플레이트에 돌출되게 배치된 다수의 활물질 플레이트들; 및 상기 전극 집전체 플레이트에 상기 다수의 활물질 플레이트들을 가로질러 배치된 격벽;을 포함한다. 여기서 전극 구조체는 전극 집전체 플레이트에 다수의 활물질 플레이트들이 돌출되게 배치되어 있다는 점에서 3차원 구조를 가진다고 이해될 수 있다.
상기 격벽은 복수개 마련되며 상기 다수의 활물질 플레이트들의 길이 방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다. 물론, 상기 복수의 격벽들 중 적어도 일부의 격벽들은 상기 다수의 활물질 플레이트들의 길이 방향을 따라 서로 다른 간격으로 형성될 수도 있다.
상기 격벽은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상기 격벽은 평평한 평판 형상을 가질 수 있다. 다른 예로서, 상기 격벽은 만곡된 평판 형상을 가질 수도 있다.
상기 다수의 활물질 플레이트들은 평판 형상을 가질 수 있다.
상기 다수의 활물질 플레이트들은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면에 수직하게 배치될 수 있다. 또한, 상기 격벽은 상기 전극 집전체 플레이트 및 상기 다수의 활물질 플레이트들에 수직하게 형성될 수 있다. 여기서, 수직하게 형성된다는 것은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면에 대해 수직하게 형성됨과 동시에 상기 활물질 플레이트의 평판면에 대해 수직하게 형성됨을 의미한다. 달리 말하면, 수직하게 형성된다는 것은 상기 다수의 활물질 플레이트들의 길이 방향에 대해 수직하게 형성됨을 의미한다. 물론, 상기 격벽의 적어도 일부는 상기 다수의 활물질 플레이트들에 비스듬히 형성될 수도 있다.
상기 격벽은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면을 기준으로 상기 다수의 활물질 플레이트들과 동일한 높이로 형성될 수 있다.
상기 격벽과 상기 다수의 활물질 플레이트들은 동일한 조성의 활물질로 형성될 수 있다. 또는, 상기 격벽과 상기 다수의 활물질 플레이트들은 서로 다른 조성의 활물질로 형성될 수도 있다. 또는 상기 격벽은 비활물질로 형성될 수도 있다.
일 측면에 따르는 전지는, 상기 격벽의 내부에 위치하며 상기 전극 집전체 플레이트에 전기적으로 접촉하는 격벽 내부 집전체층을 더 포함할 수 있다. 상기 격벽 내부 집전체층은 도전체로 형성될 수 있다. 도전체는 예를 들어 금속, 전도성 폴리머, 전도성 세라믹 혹은 탄소구조체일 수 있다.
상기 격벽 내부 집전체층은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면으로부터 돌출하여 연장된 평판 형상을 가질 수 있다. 상기 격벽 내부 집전체층은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면에 수직하게 배치될 수 있다. 상기 격벽 내부 집전체층은 상기 격벽 내부에서 상기 격벽과 평행하게 위치할 수 있다. 상기 격벽 내부 집전체층은 상기 격벽 내부에 삽입되어 있으며, 상기 격벽 내부 집전체층의 양측 표면이 상기 격벽과 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 격벽 내부 집전체층의 제1 단부는 상기 전극 집전체 플레이트에 접촉할 수 있다. 상기 제1 단부의 반대쪽에 있는 상기 격벽 내부 집전체층의 제2 단부는 전해질층에 접촉하게 배치될 수 있다. 또는, 상기 제1 단부의 반대쪽에 있는 상기 격벽 내부 집전체층의 제2 단부는 상기 격벽의 내부에 위치할 수도 있다.
상기 다수의 활물질 플레이트들은 상기 전극 집전체 플레이트상에 등간격으로 배열될 수 있다.
일 측면에 따르는 3차원 구조의 전극 구조체는, 상기 다수의 활물질 플레이트들의 적어도 일부의 내부에 위치하며, 상기 전극 집전체 플레이트에 전기적으로 접촉하는 내부 집전체층을 더 포함할 수 있다. 상기 내부 집전체층은 도전체로 형성될 수 있다. 상기 내부 집전체층은 상기 다수의 활물질 플레이트들의 평판면에 평행하게 위치할 수 있다. 상기 내부 집전체층은 상기 전극 집전체 플레이트로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형태를 가질 수 있다. 상기 내부 집전체층의 제1 단부는 상기 전극 집전체 플레이트에 접촉하며, 상기 내부 집전체층의 제1 단부의 반대쪽에 있는 상기 내부 집전체층의 제2 단부는 상기 전해질층에 접촉할 수 있다. 또는, 상기 내부 집전체층의 제1 단부는 상기 전극 집전체 플레이트에 접촉하며, 상기 내부 집전체층의 제1 단부의 반대쪽에 있는 상기 내부 집전체층의 제2 단부는 상기 다수의 활물질 플레이트들의 내부에 위치할 수도 있다.
상기 전극 집전체 플레이트는 도전체로 형성될 수 있다.
일 측면에 따르는 3차원 구조의 전극 구조체는, 상기 전극 집전체 플레이트의 상기 다수의 활물질 플레이트들이 배치된 면쪽에 마련된 활물질 베이스층을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르는 전지는, 제1 전극 구조체; 상기 제1 전극 구조체와 이격되어 배치되는 제2 전극 구조체; 및 상기 제1 전극 구조체와 상기 제2 전극 구조체 사이에 마련되는 전해질층;을 포함하며, 상기 제1 전극 구조체는 전극 집전체 플레이트와, 상기 전극 집전체 플레이트에 돌출되게 배치된 다수의 활물질 플레이트들과, 상기 전극 집전체 플레이트에 상기 다수의 활물질 플레이트들을 가로질러 배치된 격벽을 포함하는 3차원 구조의 전극 구조체일 수 있다. 물론, 제2 전극 구조체 역시 상기 제1 전극 구조체에 대향되게 배치되는 3차원 구조를 가질 수 있다. 이러한 전지는 충전이 가능한 2차 전지일 수 있다.
또 다른 측면에 따르는 전지는, 제1 전극 집전체 플레이트와, 상기 제1 전극 집전체 플레이트에 돌출되게 배치된 다수의 제1 활물질 플레이트들과, 상기 제1 전극 집전체 플레이트에 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들을 가로질러 형성되는 격벽을 포함하는 제1 전극 구조체; 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들과 번갈아가며 위치하면서 서로 이격되게 배치되는 다수의 제2 활물질 플레이트들을 포함하는 제2 전극 구조체; 및 상기 제1 전극 구조체와 상기 제2 전극 구조체 사이에 마련되는 전해질층;을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 구조체는 상기 다수의 제2 활물질 플레이트들이 배치되는 제2 전극 집전체 플레이트를 더 포함할 수 있다. 제1 전극 집전체 플레이트와 상기 제2 전극 집전체 플레이트는 서로 마주보며 서로 평행하게 배치될 수도 있다. 상기 제1 전극 집전체 플레이트와 제2 전극 집전체 플레이트는 평평한 평판이거나 또는 곡률을 갖는 만곡된 평판의 형태를 가질 수 있다. 상기 제2 전극 집전체 플레이트와 상기 다수의 제2 활물질 플레이트들은 일체로 형성될 수도 있다. 또는 상기 다수의 제2 활물질 플레이트들이 상기 제2 전극 집전체 플레이트 상에 부착되어 있을 수도 있다.
상기 제1 전극 구조체는 양극이며, 상기 제2 전극 구조체는 음극일 수 있다. 예를 들어, 상기 다수의 제1 활물질 플레이트는 양극 조성의 세라믹 소결체를 포함하는 양극 활물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로는, 상기 다수의 제1 활물질 플레이트는 리튬계 양극 활물질로 형성될 수 있다. 상기 다수의 제2 활물질 플레이트는 리튬 금속, 실리콘, 탄소 혹은 산화물 음극으로 형성될 수 있다.
상기 전해질층은 고체 전해질을 포함할 수 있다.
상기 전해질층은 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들과 상기 다수의 제2 활물질 플레이트들 사이, 상기 격벽과 상기 다수의 제2 활물질 플레이트들 사이, 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들의 끝단과 상기 제2 전극 집전체 플레이트 사이, 상기 격벽의 끝단과 상기 제2 전극 집전체 플레이트 사이, 상기 다수의 제2 활물질 플레이트들의 끝단과 상기 제1 전극 집전체 플레이트 사이를 따라 구불구불하게 형성될 수 있다. 달리 말하면, 상기 전해질층은 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들과 격벽의 표면을 따라 구불구불하게 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 구조체, 상기 전해질, 및 상기 제2 전극 구조체는 제1 전지셀층을 형성하며, 상기 제1 전지셀층과 동일한 구조를 갖는 전지셀층들이 다층으로 적층될 수 있다.
다른 측면에 따르는 전지의 제조방법은, 적어도 하나의 제1 활물질 시트와 적어도 하나의 희생층이 교대로 제1 방향으로 적층된 제1 시트 적층구조체를 마련하는 단계; 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 상기 제1 시트 적층구조체와 격벽층이 교대로 적층된 제1 전극 적층구조체를 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2 방향에 동시에 수직한 제3 방향을 법선으로 하는 상기 제1 전극 적층구조체의 일 면에 제1 전극 집전체 플레이트를 형성하는 단계; 상기 희생층을 제거하여 제1 전극 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극 구조체에 고체 전해질 및 제2 전극 구조체를 순차적으로 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 활물질 시트는 제1 활물질을 포함한 슬러리를 가열 건조하여 시트 형태로 제작함으로써 형성할 수 있다.
상기 제1 시트 적층구조체는 상기 제1 활물질 시트, 제1 내부 집전체층, 제1 활물질 시트, 및 희생층 시트를 교대로 반복하여 적층하여 형성할 수 있다.
상기 희생층 시트는 희생층 물질을 포함하는 슬러리를 가열 건조하여 시트 형태로 제작함으로써 형성할 수 있다.
상기 격벽층은 제1 활물질을 포함한 슬러리를 가열 건조하여 시트 형태로 제작함으로써 형성할 수 있다. 상기 격벽층과 상기 제1 활물질 시트는 동일한 조성의 제1 활물질로 형성할 수 있다. 상기 격벽층과 상기 제1 활물질 시트는 서로 다른 조성의 제1 활물질로 형성할 수 있다.
격벽층을 대신하여, 격벽 복합체 시트가 제1 시트 적층구조체와 교대로 적층되어 제1 전극 적층구조체를 형성할 수 있다. 격벽 복합체 시트는 제1 활물질 시트, 격벽 내부 집전체층, 및 제1 활물질 시트를 순서대로 적층하여 형성할 수 있다.
상기 격벽 내부 집전체층은 도전 물질을 포함하는 페이스트(paste)를 상기 제1 활물질 시트에 코팅함으로써 형성할 수 있다.
상기 격벽은 비활물질을 포함한 슬러리를 가열 건조하여 시트 형태로 제작함으로써 형성할 수도 있다.
상기 제1 전극 집전체 플레이트는 증착법 또는 프린팅법으로 형성할 수 있다.
상기 제1 전극 적층구조체 및 제1 전극 집전체 플레이트를 마련하는 단계는, 상기 제1 전극 적층구조체를 상기 제3 방향에 수직하게 절단하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 전극 집전체 플레이트는 상기 제1 전극 적층구조체의 절단된 일면에 형성할 수 있다.
다른 측면에 따르는 전지의 제조방법은, 상기 제1 전극 적층구조체를 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 적층구조체를 소결하는 단계는 상기 제1 전극 적층구조체를 절단하기 전에 수행할 수 있다. 상기 희생층은 상기 제1 전극 적층구조체를 절단한 후에 식각공정을 통해 제거할 수 있다.
상기 제1 전극 적층구조체를 소결하는 단계는 상기 제1 전극 적층구조체를 절단한 후에 수행할 수도 있다. 상기 제1 전극 적층구조체를 소결할 때 상기 희생층을 동시에 제거할 수 있다. 상기 희생층은 번아웃(burn-out)공정 또는 멜트 아웃(melt-out)공정을 통해 제거할 수 있다. 상기 희생층을 제거하는 단계는 상기 희생층의 잔여물을 제거하는 세척(washing)공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 집전체 플레이트를 형성하는 단계는 제1 활물질 베이스를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지는, 다수의 제1 활물질 플레이트들과 다수의 제2 활물질 플레이트들이 제1 전극 집전체층과 제2 전극 집전체층에 대해 각각 수직한 방향으로 배치되어 있기 때문에, 전지의 에너지 밀도와 율특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전지의 단위 셀의 높이를 증가시키더라도, 높이에 비례하여 반응 면적이 증가하므로 높은 율특성이 유지될 수 있다. 또한, 전지의 단위 셀의 높이를 증가시키면 전지 내에서 양극 활물질과 음극 활물질이 차지하는 분율(fraction)이 증가하여 이차 전지의 에너지 밀도도 향상될 수 있다.
하나 또는 복수의 격벽들을 제1 전극 집전체 플레이트에 수직하게 배치된 다수의 제1 활물질 플레이트들을 가로질러 형성함으로써, 예를 들어 제1 활물질 플레이트들의 종횡비(두께 대비 높이 비)를 10 이상으로 하더라도, 제1 활물질 플레이트들의 3차원 구조를 안정화시킬 수 있다.
제1 전극 구조체를 제조하는 단계에서, 격벽의 지지 구조에 의해 제1 활물질 플레이트들이 휘거나 무너지지 않을 수 있으며, 이에 따라 제1 활물질 플레이트들의 간격을 균일하게 할 수 있다.
격벽의 지지 구조에 의해 제1 전극 구조체 및 제2 전극 구조체의 부피 팽창으로 인한 변형을 억제할 수 있다.
격벽의 지지 구조에 의해 제1 활물질 플레이트들의 간격을 균일하게 하고, 또한 제1 전극 구조체의 구조를 안정화시킴으로써, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
개시된 실시예에 따른 전지는 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 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전지의 단위 셀의 제1 전극 구조체만을 개략적으로 나타내는 부분 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11는 격벽 두께와 활물질 부피분율 사이의 관계에 대해 실시예와 비교예를 비교하여 보이는 그래프이다.
도 12는 격벽 간격과 활물질 부피분율 사이의 관계에 대해 실시예와 비교예를 비교하여 보이는 그래프이다.
도 13은 도 1에 도시된 전지의 단층 구조의 단위 셀들을 적층하여 형성된 적층 구조의 전지를 예시적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 14a 내지 도 14n은 도 1에 도시된 전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지와 이러한 전지의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다. 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 전지(100)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전지(100)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 전지(100)의 단위 셀의 제1 전극 구조체(110)만을 개략적으로 나타내는 부분 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지(100)는, 3차원 구조의 제1 전극 구조체(110), 제1 전극 구조체(110)와 서로 마주하여 배치된 제2 전극 구조체(120), 및 제1 전극 구조체(110)와 제2 전극 구조체(120) 사이에 배치되는 전해질층(130)을 포함할 수 있다.
제1 전극 구조체(110)는 제1 전극 집전체 플레이트(111), 제1 전극 집전체 플레이트(111)에 전기적으로 접촉하는 다수의 제1 활물질 플레이트(112)들, 및 제1 활물질 플레이트(112)들을 가로질러 형성되는 격벽(115)들을 포함할 수 있다.
제1 전극 집전체 플레이트(111)는 평평한 평판의 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극 집전체 플레이트(111)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 전극 집전체 플레이트(111)는 양극 집전체일 수 있다.
제1 활물질 플레이트(112)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)에 대해 돌출되게 배치될 수 있다. 제1 활물질 플레이트(112)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)의 표면에 전기적으로 접촉할 수 있다. 제1 활물질 플레이트(112)들은 평평한 평판의 형태로 형성될 수 있다. 이러한 제1 활물질 플레이트(112)들은 예를 들어, 두께 대비 높이(즉, 종횡비)가 10 이상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 활물질 플레이트(112)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)의 일면에 실질적으로 수직하게 부착될 수 있다. 이와 같이 제1 활물질 플레이트(112)들이 제1 전극 집전체 플레이트(111)의 일면에 돌출되게 형성됨으로써, 제1 전극 구조체(110)는 3차원 구조를 지니게 되며, 전지의 에너지 밀도와 율특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
제1 활물질 플레이트(112)들은 제1 활물질 재료, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있다. 다른 예로, 제1 활물질 플레이트(112)들은 도전재나 바인더 없이 제1 활물질 재료 자체로만 이루어질 수도 있다. 제1 활물질 재료는 양극 활물질일 수 있다. 예를 들어, 제1 활물질 플레이트(112)들은 LiCoO2와 같은 양극 조성의 세라믹 소결체나 단결정(sintered polycrystalline ceramics or single crystal)으로 형성될 수 있다.
격벽(115)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)에 제1 활물질 플레이트(112)들을 가로질러 형성된다. 가령, 격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들의 길이 방향에 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 이러한 격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들을 높은 종횡비를 갖는 형상으로 형성하더라도 그 형상을 유지할 수 있게 지지한다. 가령, 제1 활물질 플레이트(112)들은 두께 대비 높이의 종횡비가 10 이상일 수 있는데, 이와 같은 높은 종횡비로 말미암아 격벽(115) 없이 단순히 제1 활물질 플레이트(112)들로 전극 구조체를 제조하는 경우, 제조 단계에서 수직으로 세워진 제1 활물질 플레이트(112)가 쉽게 허물어지거나 휠 수 있으며, 또한 제조가 끝난 뒤라도 쉽게 변형될 염려가 있다. 이에, 격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들을 수직한 방향으로 가로질러 형성될 수 있는바, 제1 활물질 플레이트(112)들을 구조적으로 안정화시킨다. 또한, 전지(100)의 구동시 제1 활물질 플레이트(111) 및 제2 활물질 플레이트(122)가 두께 방향으로 팽창 및 수축을 함에 따라 전지에 응력이 작용하게 되는데, 격벽(115)들에 의해 이러한 응력에 의한 변형을 억제하게 되며, 이에 따라 전지(100)의 장기 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들의 간격을 균일하게 함으로써 반응을 균일화하고 충전 용량을 확보할 수 있게 된다.
격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들과 동일한 조성의 제1 활물질로 형성되거나, 또는 제1 활물질 플레이트(112)들과 다른 조성의 제1 활물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 격벽(115)들은 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물로 이루어지거나, 또는 도전재나 바인더 없이 양극 활물질 자체로만 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 격벽(115)들은 LiCoO2와 같은 양극 조성의 세라믹 소결체나 단결정(sintered polycrystalline ceramics or single crystal)으로 형성될 수 있다. 이와 같이 격벽(115)들을 제1 활물질 플레이트(112)들과 같은 양극 활물질로 형성함으로써, 전지(100)에서 양극 활물질이 차지하는 양(부피)을 높일 수 있고, 이에 따라 전지(100)의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들의 길이 방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다. 물론, 복수의 격벽(115)들 중 적어도 일부의 격벽(115)들은 제1 활물질 플레이트(112)들의 길이 방향을 따라 서로 다른 간격으로 형성될 수도 있다. 격벽(115)들은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 격벽(115)들은 평평한 평판 형상을 가질 수 있다. 다른 예로서, 격벽(115)들은 꺾여지거나 만곡된 평판 형상을 가질 수도 있다. 본 실시예는 격벽(115)들이 복수개 마련된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 격벽(115)이 하나만 마련된 경우를 배제하는 것은 아니다.
제2 전극 구조체(120)는 제1 전극 집전체 플레이트(111)와 나란하게 마주하여 배치되어 있는 제2 전극 집전체 플레이트(121)와 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 전기적으로 접촉하는 다수의 제2 활물질 플레이트(122)들을 포함할 수 있다.
제2 전극 집전체 플레이트(121)는 제1 전극 집전체 플레이트(111)와 평행하게 배치되는 평평한 평판 형상을 가질 수 있으며, 제1 전극(양극) 집전체 플레이트(111)에 대응되는 음극 집전체 플레이트로 이해될 수 있다. 제2 전극 집전체 플레이트(121)는, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
제2 활물질 플레이트(122)들은 제2 전극 집전체 플레이트(121)로부터 수직하게 돌출하여 연장된 평판 형상을 가지는 제1 부분(122a)을 포함할 수 있다. 나아가, 제2 활물질 플레이트(122)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)에 나란하게 마주하여 배치되어 있는 제2 부분(122b)을 더 포함할 수도 있다. 제2 활물질 플레이트(122)들의 제2 부분(122b)은 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 맞닿는 평판 형태로 형성될 수 있다. 제2 활물질 플레이트(122)들의 제2 부분(122b)은 생략될 수 있으며, 따라서 제2 활물질 플레이트(122)들은 제1 부분(122a)만으로 이루어질 수도 있다. 또한, 제2 활물질 플레이트(122)들의 제2 부분(122b)은 후술하는 바와 같이, 제2 전극 집전체층의 일부로 이해될 수도 있다.
제2 활물질 플레이트(122)들은 음극 활물질 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 활물질 플레이트(122)들은 리튬(Li) 금속과 같이 전기 전도도가 매우 우수한 음극 활물질 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 제2 활물질 플레이트(122)들은 실리콘, 탄소 혹은 산화물 음극으로 형성될 수도 있다.
이와 같이 제2 활물질 플레이트(122)들이 전기 전도도가 매우 우수한 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 제2 활물질 플레이트(122)의 제2 부분(122b)은 실질적으로 제2 전극 집전체층의 역할도 할 수 있으며, 제2 전극 집전체 플레이트(121)는 생략될 수도 있다. 나아가, 후술하는 바와 같이 전해질층(130)은 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들과 격벽의 표면을 따라 구불구불하게 형성될 수 있는바, 제2 활물질 플레이트(122)는 제1 전극 구조체(110)의 다수의 제1 활물질 플레이트(112)들과 격벽(115)에 의해 형성되는 공간을 완전히 채우지 않고 전해질층(130)의 표면을 따라 구불구불하게 코팅되어 형성될 수도 있다.
제1 전극 구조체(110)와 제2 전극 구조체(120)는 이격되어 배치되며, 제1 전극 구조체(110)와 제2 전극 구조체(120)의 사이에는 전해질층(130)이 위치한다. 구체적으로, 전해질층(130)은 다수의 제1 활물질 플레이트(112)들과 다수의 제2 활물질 플레이트(122)들 사이, 격벽(115)들과 다수의 제2 활물질 플레이트(122)들 사이, 다수의 제2 활물질 플레이트(120a)들과 제1 전극 집전체 플레이트(111) 사이에 배치되며, 구불구불하게 형성될 수 있다. 달리 말하면, 전해질층(130)은 상기 다수의 제1 활물질 플레이트들과 격벽의 표면을 따라 구불구불하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 활물질 플레이트(112)들와 제2 활물질 플레이트(122)들은 서로 직접적으로 접촉하지 않고 전해질층(130)을 통해 금속 이온을 교환할 수 있다. 또한, 제1 전극 집전체 플레이트(111)는 제1 활물질 플레이트(112)들에만 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 전극 집전체 플레이트(121)는 제2 활물질 플레이트(122)들에만 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 전해질층(130)은 구불구불한 형태로 고정되어 있는 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전해질층(130)은 Li3PO4, Li3PO4-xNx, LiBO2 - xNx, Li3PO4Nx, LiBO2Nx, Li4SiO4-Li3PO4, Li4SiO4-Li3VO4 등과 같은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 본 실시예의 전지(100)는 전해질층(130)이 고체 전해질인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 전해질층(130)이 액체 전해질인 경우를 배제하는 것은 아니다.
한편, 제1 활물질 플레이트(112)들의 전기 전도도가 제1 전극 집전체 플레이트(111)의 전기 전도도보다 통상적으로 낮기 때문에, 제1 활물질 플레이트(112)와 제2 활물질 플레이트(122) 사이의 균일한 이온 교환 반응을 위하여, 제1 활물질 플레이트(112)들에 각각 제1 내부 집전체층(113)들이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제1 내부 집전체층(113)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)와 전기적으로 연결되어 있으며, 제1 활물질 플레이트(112)들의 내부에 삽입될 수 있다.
제1 내부 집전체층(113)들 및 제1 전극 집전체 플레이트(111)는 서로 다른 도전체 재료로 형성될 수도 있으나, 동일한 도전성 재료를 이용하여 형성될 수도 있다. 도 2에는 제1 내부 집전체층(113)들이 납작한 평판 형태인 것으로 도시되어 있으나, 반드시 완전한 평판일 필요는 없다. 예를 들어, 제1 내부 집전체층(113)들은 피시본 형태, 메시 형태, 격자 형태 등 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
납작한 평판 형태의 제1 내부 집전체층(113)이 각각의 제1 활물질 플레이트(112) 내에 삽입되어 있기 때문에, 제1 내부 집전체층(113)의 양쪽 표면은 제1 활물질 플레이트(112)와 접촉할 수 있다. 이러한 제1 내부 집전체층(113)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)로부터 전해질층(130)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 즉, 제1 내부 집전체층(113)들 각각의 제1 단부는 제1 전극 집전체 플레이트(111)에 접촉하고 각각의 제2 단부는 전해질층(130)에 접촉할 수 있다. 그러면, 제1 내부 집전체층(113)들은 각각 제1 활물질 플레이트(112)을 완전히 갈라 놓을 수 있다. 예를 들어, 제1 활물질 플레이트(112)들 각각은 제1 내부 집전체층(113)에 의해 2개 부분(112a, 112b)으로 나뉠 수 있다.
상기와 같이, 제1 내부 집전체층(113)들이 제1 활물질 플레이트(112)들의 내부에 각각 삽입되어 있으므로, 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 가까운 제1 활물질 플레이트(112)들의 단부로부터 제1 전극 집전체 플레이트(111)로 전자의 전달이 용이할 수 있다. 예를 들어, 제1 내부 집전체층(113)이 없을 경우에, 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 가까운 제1 활물질 플레이트(112)의 단부는 다른 부분에 비하여 제1 전극 집전체 플레이트(111)과의 거리가 멀기 때문에, 제1 활물질 플레이트(112)의 단부로부터 제1 전극 집전체 플레이트(111)까지 전자가 전달되기 어려울 수 있다. 이로 인해, 제1 활물질 플레이트(112)의 길이가 길어지게 되면 제1 활물질 플레이트(112)의 단부 영역은 거의 활용되지 못 할 수도 있다. 그러나, 제1 내부 집전체층(113)을 사용함으로써, 제1 전극 집전체 플레이트(111)로부터 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 가까운 제1 활물질 플레이트(112)의 단부까지의 전자의 이동이 용이하게 될 수 있다. 따라서, 제1 활물질 플레이트(112)들은 전해질층(130)을 통해 제2 활물질 플레이트(122)들과 전체적으로 균일하게 금속 이온이 교환될 수 있으므로, 제1 활물질 플레이트(112)들의 길이(높이)를 충분히 길게 구성하는 것이 가능할 수 있다.
격벽(115)들에도 마찬가지의 이유로 격벽 내부 집전체층(116)들이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제1 내부 집전체층(113)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)와 전기적으로 연결되어 있으며, 제1 활물질 플레이트(112)들의 내부에 삽입될 수 있다. 격벽 내부 집전체층(116)들 역시 제1 전극 집전체 플레이트(111)와 전기적으로 연결되어 있으며, 격벽(115)들의 내부에 삽입될 수 있다.
격벽 내부 집전체층(116)들은 제1 내부 집전체층(113)들 및 제1 전극 집전체 플레이트(111)와 서로 다른 도전체 재료로 형성될 수도 있으나, 동일한 도전성 재료를 이용하여 형성될 수도 있다. 예를 들어, 격벽 내부 집전체층(116)들은 금속, 전도성 폴리머, 전도성 세라믹 혹은 탄소구조체로 형성될 수 있다. 격벽 내부 집전체층(116)들은 제1 내부 집전체층(113)들과 같이 납작한 평판 형상으로 형성될 수 있으나, 반드시 완전한 평판일 필요는 없다. 예를 들어, 격벽 내부 집전체층(116)들은 피시본 형태, 메시 형태, 격자 형태 등 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
격벽 내부 집전체층(116)들이 각각 격벽(115)들 내에 삽입되어 있기 때문에, 격벽 내부 집전체층(116)의 양쪽 표면은 격벽(115)과 접촉할 수 있다. 이러한 격벽 내부 집전체층(116)들은 제1 전극 집전체 플레이트(111)로부터 전해질층(130)과 접촉하도록 연장될 수 있다. 즉, 격벽 내부 집전체층(116)들 각각의 제1 단부는 제1 전극 집전체 플레이트(111)에 접촉하고 각각의 제2 단부는 전해질층(130)에 접촉할 수 있다. 그러면, 격벽 내부 집전체층(116)들은 각각 격벽(115)을 완전히 갈라 놓을 수 있다. 예를 들어, 격벽(115)들 각각은 격벽 내부 집전체층(116)에 의해 2개 부분(115a, 115b)으로 나뉠 수 있다.
격벽 내부 집전체층(116)들은 격벽(115)들의 내부에 각각 삽입되어 있으므로, 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 가까운 격벽(115)들의 단부로부터 제1 전극 집전체 플레이트(111)로 전자의 전달이 용이할 수 있다.
도 1 내지 도 3에는 제1 활물질 플레이트(112)들 및 격벽(115)들에 각각 제1 내부 집전체층(113)들 및 격벽 내부 집전체층(116)들이 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예시일 뿐이며, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 다수의 제1 활물질 플레이트(112)들 중에서 일부에만 제1 내부 집전체층(113)이 선택적으로 배치될 수도 있다. 또한, 격벽(115)들 중에서 일부에만 격벽 내부 집전체층(116)이 선택적으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 2개의 제1 활물질 플레이트(112)마다 하나의 제1 내부 집전체층(113)이 각각 삽입될 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3을 참조한 실시예에서는 제1 및 제2 전극 집전체 플레이트(111, 121)가 완전한 평판 형태이고 전지(100)가 완전한 직사각형 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 제1 및 제2 전극 집전체 플레이트(111, 121)는 곡률을 갖는 만곡된 평판의 형태를 가지며 서로 평행하게 배치되어 전지가 휘어진 직사각형 형태를 가질 수도 있다. 이와 같이 휘어진 전지는 곡면의 형태를 갖도록 제작된 다양한 전자기기에 적용될 수 있을 것이다.
상술한 본 실시예에 따르면, 서로 평행한 제1 및 제2 전극 집전체 플레이트(111, 121) 사이에 독립적인 다수의 평행한 제1 및 제2 활물질 플레이트(112, 122a)들이 제1 및 제2 전극 집전체 플레이트(111, 121)의 표면에 수직하게 교대로 배열되어 있기 때문에, 전지(100)의 에너지 밀도와 율특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 활물질 플레이트(112, 122)들의 높이를 증가시켜 전지(100)의 단위 셀의 높이(h)를 증가시키더라도, 그 높이에 비례하여 반응 면적이 증가하므로 높은 율특성이 유지될 수 있다. 또한, 전지(100)의 단위 셀의 높이(h)를 증가시키면, 전지(100) 내에서 제1 및 제2 활물질 플레이트(112, 122)들이 차지하는 분율(fraction)이 증가하여 전지(100)의 에너지 밀도도 향상될 수 있다. 따라서, 전지(100)의 사용 시간을 증가시키는 동시에 충전 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 고체 전해질을 사용하기 때문에 본 실시예에 따른 전지(100)는 높은 전지 안정성을 기대할 수 있다. 이러한 전지(100)의 단위 셀은 작은 크기로도 제작이 가능하기 때문에, 모바일 장치나 웨어러블 장치와 같은 소형 장치의 전지에 적합할 수 있다.
상술한 본 실시예는 제1 전극 구조체(110)가 양극이고 제2 전극 구조체(120)가 음극인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 반대로, 제1 전극 구조체(110)가 음극이고 제2 전극 구조체(120)가 양극일 수도 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전지(200)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다. 도 4에 도시된 전지(200)는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 전지(100)와 비교할 때, 격벽 내부 집전체층(도 1의 116)이 생략되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 4에 도시된 전지(200)의 나머지 구성은 도 1 내지 도 3에 도시된 전지(100)의 구성과 동일할 수 있다. 격벽(115)이 충분히 높은 전기 전도도를 갖는 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 격벽 내부 집전체층(116)이 없더라도 제2 전극 집전체 플레이트(121)에 가까운 격벽(115)의 단부로부터 제1 전극 집전체 플레이트(111)로 전자의 전달이 원활할 수 있기 때문에 격벽 내부 집전체층(116)이 생략될 수 있다.
도 4에는 제1 내부 집전체층(113)이 전해질층(130)과 접촉하는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서는 제1 내부 집전체층(113)이 전해질층(130)과 접촉하지 않을 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 5에 도시된 전지(300)는, 도 4를 참조하여 설명한 전지(200)와 비교할 때, 격벽(315)이 비활물질 재료로 형성된다는 점에서 차이가 있다. 격벽(315)을 형성하는 재료를 활물질로 제한하지 않음으로써, 강성과 같은 물성이 좋은 재료를 사용하거나, 혹은 제조공정상 좀 더 유리한 특성을 갖는 재료를 사용할 수 있게 된다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 6에 도시된 전지(400)는, 도 4 또는 도 5를 참조하여 설명한 전지(200, 300)와 비교할 때, 제1 내부 집전체층(113)이 생략되어 있다는 점에서 차이가 있다. 제1 활물질 플레이트(412)들이 충분히 높은 전기 전도도를 갖는 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 제1 내부 집전체층(113)이 생략될 수도 있다. 격벽(415)는 제1 활물질 플레이트(412)들과 동종의 활물질 재료로 형성되거나 혹은 비활물질 재료로 형성될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이다.
도 7에 도시된 전지(500)는, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 전지(100, 200, 300, 400)와 비교할 때, 제1 전극 구조체(510)에 도전물질로 형성되는 제1 집전체층(511) 외에도 제1 활물질로 형성되는 제1 활물질 베이스층(512)을 더 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다. 제1 집전체층(511)은 전술한 제1 전극 집전체 플레이트로 이해될 수 있다. 전지(500)의 바닥면에도 제1 활물질(양극 활물질)을 형성함으로써, 전지(500)에서 제1 활물질(양극 활물질)이 차지하는 양(부피)을 높일 수 있고, 이에 따라 전지(500)의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 이때 제1 내부 집전체층(113)은 제1 활물질 베이스층(512)을 관통하여 제1 집전체층(511)에 전기적으로 접촉할 수도 있다. 제1 내부 집전체층(113)이 생략될 수도 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 전지(600)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면 사시도이며, 도 9는 도 8에 도시된 전지(600)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 실시예의 전지(600)는, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 전지(100, 200, 300, 400, 500)와 비교할 때, 제2 전극 구조체(620)의 제2 활물질 플레이트(622)에 제2 내부 집전체층(623)이 삽입되어 있다는 점에서 차이가 있다. 제2 활물질 플레이트(622)들이 전기 전도도가 다소 낮은 활물질 재료로 이루어지는 경우에는, 제2 내부 집전체층(623)에 의해 전자 전달을 좀 더 용이하게 하여, 예를 들어 제2 내부 집전체층(623)의 단부쪽까지 충분히 활용될 수 있도록 할 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 전지(700)의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 단면사시도이다. 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한 실시예에서는, 제1 및 제2 내부 집전체층(713, 723)이 각각 제1 및 제2 전극 집전체 플레이트(711, 721)으로부터 전해질층(130)까지 연장되어 전해질층(130)에 접촉하고 있다. 따라서, 제1 및 제2 내부 집전체층(713, 723)은 각각 제1 및 제2 활물질 플레이트(112, 122)을 완전히 갈라 놓을 수 있다. 그러나, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 내부 집전체층(713, 723)이 전해질층(130)에 가깝게 연장되지만 전해질층(130)에 직접적으로 접촉하지는 않을 수도 있다. 이 경우, 제1 내부 집전체층(713)의 양측 표면에 각각 접촉하는 제1 활물질 플레이트(712)의 두 부분(712a, 712b)은 완전히 분할되지 않고 전해질층(130)과 인접하는 영역에서 서로 이어질 수 있다. 마찬가지로, 제2 내부 집전체층(723)의 양측 표면에 각각 접촉하는 제2 활물질 플레이트(722)의 두 부분(722a, 722b)은 완전히 분할되지 않고 전해질층(130)과 인접하는 영역에서 서로 이어질 수 있다. 도 10에는 제1 및 제2 내부 집전체층(713, 723)이 모두 전해질층(730)에 접촉하지 않는 것으로 도시되어 있으나, 제1 내부 집전체층(713)과 제2 내부 집전체층(723) 중에서 어느 하나는 전해질층(730)과 접촉하고 나머지 하나는 전해질층(130)과 접촉하지 않을 수도 있다. 이는 격벽(115)과 격벽 내부 집전체층(116)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 11는 격벽 두께와 활물질 부피분율 사이의 관계에 대해 실시예와 비교예를 비교하여 보이는 그래프이며, 도 12는 격벽 간격과 활물질 부피분율 사이의 관계에 대해 도시된 실시예와 비교예를 비교하여 보이는 그래프이다. 제1 실시예는 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 전지(200)에서와 같이 격벽이 제1 활물질로 형성된 경우이고, 제2 실시예는 도 5를 참조하여 설명한 실시예의 전지(300)에서와 같이 격벽이 비활물질로 형성된 경우이다. 한편, 비교예는 격벽이 없는 경우이다. 공통적으로 제1 활물질 플레이트의 어느 한쪽(예를 들어 도 1의 112a)의 두께는 10 μm이고, 제1 내부 집전체의 두께는 1 μm이고, 제1 활물질 플레이트의 높이는 200 μm이고, 제1 활물질 플레이트들 사이의 빈 공간의 두께는 20 μm이며, 전체 전지 셀의 크기(dimensions)는 30 mm x 11 mm를 가정하고 격벽의 두께 및 격벽 간 간격의 함수로 제1 활물질의 부피분율을 계산하였다. 이와 같은 활물질 부피분율은 전지의 부피 에너지 밀도와 직접적인 연관이 있다.
먼저 도 11을 참조하면, 제1 및 제2 실시예의 격벽들은 간격이 1mm이고, 두께가 10μm 에서 100μm 사이에 있는 경우의 제1 활물질의 부피분율을 보여준다. 비교예의 경우, 격벽이 없으므로, 점선과 같이 제1 활물질의 부피분율에 변화가 없다고 이해될 수 있다. 한편, 제1 실시예의 경우, 격벽의 두께를 증가시키면 제1 활물질의 부피분율이 조금씩 증가함을 볼 수 있다. 이와 같이 제1 활물질의 부피분율이 증가하게 된다면, 전지가 충전할 수 있는 에너지 밀도가 증대될 수 있다. 한편, 제2 실시예의 경우, 격벽의 두께를 증가시키면 제1 활물질의 부피분율이 조금씩 감소함을 볼 수 있다.
다음으로, 도 12를 참조하면, 제1 및 제2 실시예의 격벽들의 두께가 20 μm이고, 격벽들간의 간격이 0.25mm 내지 3.0mm 사이에 있는 경우의 제1 활물질의 부피분율을 보여준다. 비교예의 경우, 격벽이 없으므르, 점선과 같이 제1 활물질의 부피분율에 변화가 없다고 이해될 수 있다. 한편, 제1 실시예의 경우, 격벽들간의 간격을 증가시키면 제1 활물질의 부피분율이 조금씩 감소함을 볼 수 있다. 반면에, 제2 실시예의 경우, 격벽들간의 간격을 감소시키면 제1 활물질의 부피분율이 조금씩 증가함을 볼 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 격벽의 두께가 20μm이고 격벽들간의 간격이 1mm인 경우, 격벽이 없는 경우를 기준으로 제1 활물질의 부피분율의 변화가 대략 ±2% 정도가 된다. 이와 같이 격벽이 있더라도 제1 활물질의 부피분율의 변화를 ±2%이내로 억제할 수 있으므로, 기존의 격벽이 없는 경우에 설계된 전지의 설계치들을 크게 변경없이 활용할 수도 있으며, 고에너지 밀도를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 도 1에 도시된 전지(100)의 다수의 단층 구조의 단위 셀들을 적층하여 형성된 적층 구조의 전지(800)를 예시적으로 나타내는 단면 사시도이다. 도 13을 참조하면, 전지(800)의 다수의 단위 셀들을 적층할 때, 같은 종류의 전극 집전체 플레이트(111, 121)들이 서로 접촉하도록 전지(100)의 다수의 단위 셀들을 배치할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 전지(100)의 단위 셀의 제1 전극 집전체(111)는 다른 전지(100)의 단위 셀의 제1 전극 집전체(111)와 서로 접촉하며, 어느 하나의 전지(100)의 단위 셀의 제2 전극 집전체(121)는 다른 전지(100)의 단위 셀의 제2 전극 집전체(121)와 서로 접촉할 수 있다. 그리고 제1 전극 집전체(111)들에 제1 도선(801)을 연결하고 제2 전극 집전체(121)들에 제2 도선(802)을 연결함으로써 적층된 다수의 전지(100)의 단위 셀들이 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
전술한 실시예들의 전지(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)은 충전이 가능한 2차 전지일 수 있다.
다음으로, 전술한 실시예들의 전지의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 14a 내지 도 14n은 도 1에 도시된 전지(100)의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 14a는 볼 밀링 및 혼합(ball milling & mixing) 공정을 수행하는 장치(1001)을 예시적으로 도시한 것이다. 도 14a를 참조하면, 활물질 재료, 분산제(dispersing agent), 용매(solvent), 바인더(binder), 가소제(plasticizer) 등을 포함하는 활물질 시트 재료들을 분쇄기(1001)에 넣고 잘게 분쇄하고 혼합하여 슬러리(1011)를 준비하는 볼 밀링 및 혼합 공정을 수행한다. 활물질 재료는 예를 들어 LiMO2 (M=Co, Ni, Mn 중 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합) 조성과 같은 양극 활물질 분말일 수 있다.
다음으로, 도 14b는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법을 이용하여 제1 활물질 시트를 후막 테이프 형태로 형성하는 과정을 예시적으로 도시한 것이다. 도 14b를 참조하면, 먼저 이송 벨트(moving belt, 1002)에 슬러리(1011)를 도포한다. 여기서, 예를 들면 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 이용하여 슬러리(1011)를 균일한 두께로 이송 벨트(1002)에 도포할 수 있다. 다음으로, 이송 벨트(1002)에 도포된 슬러리(1011)를 건조하게 되면 제1 활물질 시트(1011')가 제작된다. 여기서, 슬러리(1011)의 효과적인 건조를 위해 시트 형태로 도포된 슬러리(1011)를 바인더의 유리전이온도 Tg (glass transition temperature) 이하로 가열할 수 있다.
도 14c를 참조하면, 제1 활물질 시트(1011')는 대략 1㎛ ~ 30㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이렇게 제작된 제1 활물질 시트(1011')는 양극 활물질, 분산제, 바인더, 가소제 등을 포함하는 양극 활물질 시트일 수 있다. 한편, 이상에서는 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 제1 활물질 시트(1011')를 제조하는 경우를 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 제1 활물질 시트(1011')는 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
다음으로, 도 14d를 참조하면, 희생층 시트(1020)를 준비한다. 희생층 시트(1020)는 대략 1㎛ ~ 50㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 희생층 시트(1020)는 희생층 물질, 분산제, 용매, 바인더, 가소제 등을 포함하는 슬러리를 시트 형태로 제작하고 건조 공정을 통해 용매를 제거함으로써 형성될 수 있다. 여기서 희생층 물질로는, 예를 들어 불산(HF, 0.5% ~ 20%)과 같은 식각용액에 의해 제거될 수 있는 Li2MSiO4 (M=Co, Ni, Mn 중 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합) 조성이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 식각용액에 따라 희생층 물질은 다양하게 선택될 수 있다. 나아가, 다른 예로서, 희생층을 제거하는 방법에 따라서 다양한 물질이 희생층 물질로 사용될 수 있다. 예를 들어, 소결 공정을 통해 제거될 수 있는 C(탄소)나, 멜트아웃(melt-out) 공정을 통해 제거될 수 있는 Li2CO3, LiCl와 같은 물질이 희생층 물질로 사용될 수도 있다.
도 14e를 참조하면, 제1 활물질 시트(1011'), 제1 내부 집전체층(1012), 제1 활물질 시트(1011'), 및 희생층 시트(1020)를 교대로 반복하여 적층함으로써 제1 시트 적층구조체(1030)를 형성한다. 여기서, 제1 활물질 시트(1011'), 제1 내부 집전체층(1012), 및 제1 활물질 시트(1011')의 적층 구조물은 도 1의 제1 활물질 플레이트(112) 및 제1 내부 집전체층(113)의 구조물(이하, 제1 활물질 복합체 시트(1010))에 대응될 수 있다. 제1 내부 집전체층(1012)은 양극 집전체층이 될 수 있다. 이러한 제1 내부 집전체층(1012)은 예를 들어 Au, Pd 등과 같은 집전 물질을 포함하는 페이스트 혹은 내부 집전체 슬러리를 제1 활물질 시트(1011')에 도포함으로써 형성될 수 있다. 제1 내부 집전체층(1012)은 슬러리 혹은 페이스트를 인쇄하는 방법 이외에도 내부 집전체 소재를 스퍼터링(sputtering)이나, 증착(evaporation)과 같은 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)으로 증착하는 방법도 가능하다.
이러한 제1 내부 집전체층(1012)은 대략 1㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. XYZ 좌표에서 보았을 때, 제1 시트 적층구조체(1030)의 적층면은 XY 평면에 평행하며, 제1 시트 적층구조체(1030)의 적층 방향은 Z 방향이 된다. 제1 시트 적층구조체(1030)의 적층 횟수는 예를 들어 일회 내지 수천회 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 14f를 참조하면, 격벽 복합체 시트(1040)를 마련할 수 있다. 격벽 복합체 시트(1040)는 격벽 시트(1041)에 격벽 내부 집전체층(1042)을 형성하고, 격벽 내부 집전체층(1042)에 격벽 시트(1041)를 적층함으로써 제작될 수 있다. 여기서, 격벽 시트(1041)는 전술한 제1 활물질 시트(1011')와 실질적으로 동일한 시트일 수 있다. 물론 다른 실시예로서, 제1 활물질 시트(1011')와 다른 조성의 제1 활물질 재료로 형성되거나, 혹은 비활물질 재료로 형성될 수도 있다. 격벽 내부 집전체층(1042)은 양극 집전체층이 될 수 있다. 이러한 격벽 내부 집전체층(1042)은 예를 들어 Au, Pd 등과 같은 집전 물질을 포함하는 페이스트를 격벽 시트(1041)에 도포함으로써 형성될 수 있다. 이러한 격벽 내부 집전체층(1042)은 대략 1㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 14g를 참조하면, 적어도 하나의 제1 시트 적층구조체(1030)와 적어도 하나의 격벽 복합체 시트(1040)를 교대로 반복하여 적층함으로써, 제1 전극 적층구조체(1050)를 형성한다. XYZ 좌표에서 보았을 때, 적어도 하나의 제1 시트 적층구조체(1030)와 적어도 하나의 격벽 복합체 시트(1040)는 Y 방향으로 적층한다. 달리 말하면, 제1 시트 적층구조체(1030)의 ZX평면에 평행한 면이 격벽 복합체 시트(1040)에 적층된다. 제1 시트 적층구조체(1030)와 격벽 복합체 시트(1040)의 적층 횟수는 예를 들어 일회 내지 수백회 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 14h를 참조하면, 제1 전극 적층구조체(1050)를 소정 온도에서 소결(sintering)한다. 여기서, 소결 온도는 예를 들면, 대략 900℃ ~ 1100℃ 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 소결 과정을 통하여 소결된 제1 전극 적층구조체(1050)가 형성된다. 즉, 제1 활물질 복합체 시트(1010), 희생층 시트(1020), 및 격벽 복합체 시트(1040)를 동시에 소결하여 소결된 제1 전극 적층구조체(1050)를 형성한다.
이어서, 도 14i를 참조하면, 소결된 제1 전극 적층구조체(1050)를 블레이드(blade, 1003)와 같은 절단기로 절단(dicing)함으로써 원하는 두께를 가지는 복수개의 제1 전극 적층구조체(1050')로 분할한다. 제1 전극 적층구조체(1050)의 절단 방향은 Y 방향으로서, 절단된 제1 전극 적층구조체(1050')의 절단면은 YZ 평면에 평행하게 된다. 이와 같이 절단 공정을 통해, 제1 활물질 플레이트(도 1의 112) 및 격벽(115)의 높이를 결정할 수 있다.
이어서, 도 14j를 참조하면, 절단된 제1 전극 적층구조체(1050')에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)을 형성한다. 제1 전극 집전체 플레이트(1060)는 제1 전극 적층구조체(1050')의 일면(도 14j에서 절단된 제1 전극 적층구조체(1050')의 상면으로서, XYZ 좌표에서 보면, 제1 전극 집전체 플레이트(1060)는 제1 전극 적층구조체(1050')의 YZ평면에 평행한 면)에 형성된다. 제1 전극 집전체 플레이트(1060)는 예를 들어, 증착법, 프린팅 법등을 통해 형성할 수 있다.
도 14k를 참조하면, 제1 전극 집전체 플레이트(1060)가 부착된 제1 전극 적층구조체(1050')에서 희생층(1020)을 제거한다. 희생층(1020)은 희생층(1020)만을 선택적으로 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)할 수 있는 식각물질(etchant)을 사용하여 제거될 수 있다. 예를 들어 제1 활물질 복합체 시트(1010) 및 격벽 복합체 시트(1040)의 활물질 재료가 LiCoO2이고, 희생층(1020)이 Li2CoSiO4으로 형성된 경우, 식각물질로는 HF가 사용될 수 있다. 식각물질은 제1 활물질 복합체 시트(1010) 및 격벽 복합체 시트(1040)의 활물질 재료나 희생층(1020)의 재료에 따라 달라질 수 있다. 이와 같이 희생층(1020)을 제거하게 되면 도 14k에 도시된 바와 같이 3차원 구조의 제1 전극 구조체(1070)가 완성된다.
제1 전극 구조체(1070)는 전술한 공정과 다른 공정을 통해서 제작할 수 있다.
일예로, 전술한 공정에서는 제1 전극 적층구조체(1050)를 소결한 후 절단하였으나, 먼저 제1 전극 적층구조체(1050)를 절단한 후 소결할 수도 있다.
다른 예로, 전술한 공정에서는 절단된 제1 전극 적층구조체(1050)에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)를 형성한 후 희생층(1020)을 식각하였으나, 먼저 절단된 제1 전극 적층구조체(1050)에서 희생층(1020)을 식각한 후에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)를 형성할 수도 있다.
또 다른 예로, 제1 활물질 복합체 시트(1010) 및 격벽 복합체 시트(1040)의 활물질 재료가 LiCoO2이고, 희생층(1020)이 C(탄소)와 같이 소결시 번아웃(burn-out)될 수 있는 재료로 형성되는 경우라면, 제1 전극 구조체(1070)를 소결할 때 동시에 희생층(1020)을 제거할 수도 있다. 가령, 도 14g에서와 같이 제1 전극 적층구조체(1050)를 형성한 후에 소결 공정없이 곧바로 도 14i에서와 같이 제1 전극 적층구조체(1050)를 소정 두께로 절단한다. 다음으로, 도 14j에서와 같이 절단된 제1 전극 적층구조체(1050)에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)를 형성하여, (아직 희생층(1020)이 제거되지 아니한) 제1 전극 구조체(1070)를 형성한 후, 제1 전극 구조체(1070)에 열을 가함으로써, 희생층(1020)의 제거(즉, 번아웃)와 제1 전극 구조체(1070)의 소결을 동시에 진행할 수 있다. 또는, 도 14i에서와 같이 제1 전극 적층구조체(1050)를 절단한 후 먼저 소결 및 번아웃 공정을 진행한 후, 소결된 제1 전극 적층구조체(1050)에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)를 형성할 수도 있다.
또 다른 예로, 제1 활물질 복합체 시트(1010) 및 격벽 복합체 시트(1040)의 활물질 재료가 LiCoO2이고, 희생층(1020)은 Li2CO3나 LiCl와 같이 소결시 녹아서 제거되는, 즉 멜트아웃(melt-out)될 수 있는 재료로 형성되는 경우라면, 제1 전극 적층구조체(1050)를 소결할 때 동시에 희생층(1020)을 제거할 수도 있다. 즉, 도 14g에서와 같이 제1 전극 적층구조체(1050)를 형성한 후에 소결 공정없이 곧바로 도 14i에서와 같이 제1 전극 적층구조체(1050)를 소정 두께로 절단하고, 도 14j에서와 같이 절단된 제1 전극 적층구조체(1050)에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)를 형성하여, (아직 희생층(1020)이 제거되지 아니한) 제1 전극 구조체(1070)를 형성한다. 다음으로, 제1 전극 구조체(1070)에 열을 가함으로써, 희생층(1020)의 제거(즉, 멜트아웃)와 제1 전극 구조체(1070)의 소결을 동시에 진행할 수 있다. 후속하여, 희생층(1020)의 잔여물을 세척(washing)하는 공정을 진행할 수 있다. 또는, 도 14i에서와 같이 제1 전극 적층구조체(1050)를 절단한 후 먼저 소결, 멜트아웃, 및 세척 공정을 진행한 후, 소결된 제1 전극 적층구조체(1050)에 제1 전극 집전체 플레이트(1060)를 형성할 수도 있다.
이상과 같이 제작된 제1 전극 구조체(1070)를 이용하여 전지(도 1의 100)를 제조하는 방법을 다음과 같다.
도 14l을 참조하면, 제1 전극 구조체(1070)에 고체 전해질(1080)을 형성한다. 이러한 고체 전해질(1080)은 예를 들면, CVD(Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition) 또는 스퍼터링 등에 의해 제1 활물질 복합체 시트(1010)의 표면 및 제1 전극 집전체(1060)의 표면에 증착될 수 있다. 고체 전해질(1080)은 예를 들면 LiPON(lithium phosphorus oxynitride) 등과 같은 비정질 세라믹을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14m을 참조하면, 고체 전해질(1080) 상에 제2 전극 구조체(1090)를 형성한다. 여기서, 제2 전극 구조체(1090)는 제1 전극 구조체(1070)의 빈 공간을 채우도록 형성될 수 있다. 또는 제2 전극 구조체(1090)는 제1 전극 구조체(1070)의 빈 공간을 완전히 채우지 않고 고체 전해질(1080)의 표면을 따라 구불구불하게 코팅될 수도 있다. 이러한 제2 전극 구조체(1090)는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극 구조체(1090)는 리튬(lithium)을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 제2 전극 구조체(1090)는, 예를 들면, 증발법(evaporation)에 의해 리튬을 고체 전해질(1080)에 증착시키거나 또는 용융된 리튬을 제1 전극 구조체(1070)의 빈 공간에 채움으로써 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극 구조체(1090)는 이외에 다른 방법을 통해서도 형성될 수 있다.
도 14n을 참조하면, 제2 전극 구조체(1090) 상에 제2 전극 집전체 플레이트(1095)를 형성함으로써 전지(1000)가 완성된다. 여기서, 제2 전극 집전체 플레이트(1095)는 음극 집전체로서 예를 들면, Cu 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 본 발명인 3차원 구조의 전극 구조체를 갖는 전지 및 이의 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800: 전지
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710: 제1 전극 구조체
111, 511, 711: 제1 전극 집전체 플레이트
112, 412, 712: 제1 활물질 플레이트
113, 116, 713: 제1 내부 집전체층
115, 215, 315, 415: 격벽
120, 620, 720: 제2 전극 구조체
121, 621, 721: 제2 전극 집전체 플레이트
122, 622, 722: 제2 활물질 플레이트
130: 전해질층
512: 제1 활물질 베이스층
623, 723: 제2 내부 집전체층
801, 802: 도선

Claims (20)

  1. 전극 집전체 플레이트;
    상기 전극 집전체 플레이트에 돌출되게 배치된 다수의 활물질 플레이트들; 및
    상기 전극 집전체 플레이트에 상기 다수의 활물질 플레이트들을 가로질러 배치된 격벽;을 포함하는 3차원 구조의 전극 구조체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 격벽은 복수개 마련되며 상기 다수의 활물질 플레이트들의 길이 방향을 따라 등간격으로 배치된 3차원 구조의 전극 구조체.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 격벽은 서로 평행하게 배치된 평판 형상을 갖는 3차원 구조의 전극 구조체.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 활물질 플레이트들은 상기 전극 집전체 플레이트에 수직하게 배치되며,
    상기 격벽은 상기 전극 집전체 플레이트 및 상기 다수의 활물질 플레이트들에 대해 수직하게 배치된 3차원 구조의 전극 구조체.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면을 기준으로 상기 다수의 활물질 플레이트들과 동일한 높이로 형성되는 3차원 구조의 전극 구조체.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 격벽과 상기 다수의 활물질 플레이트들은 동일한 조성의 활물질 또는 서로 다른 조성의 활물질로 형성되는 3차원 구조의 전극 구조체.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 격벽은 비활물질로 형성되는 3차원 구조의 전극 구조체.
  8. 제1 항에 있어서,
    도전체로 형성되며 상기 격벽의 내부에 위치하며 상기 전극 집전체 플레이트에 전기적으로 접촉하는 격벽 내부 집전체층을 더 포함하는 3차원 구조의 전극 구조체.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 격벽 내부 집전체층은 상기 전극 집전체 플레이트의 평판면으로부터 돌출하여 연장된 평판 형상을 갖는 형성된 3차원 구조의 전극 구조체.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 격벽 내부 집전체층은 상기 격벽 내부에서 상기 격벽과 평행하게 위치하는 3차원 구조의 전극 구조체.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 격벽 내부 집전체층은 상기 격벽 내부에 삽입되어 있으며, 상기 격벽 내부 집전체층의 양측 표면이 상기 격벽과 접촉하도록 배치되는 형성된 3차원 구조의 전극 구조체.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 격벽 내부 집전체층의 제1 단부는 상기 전극 집전체 플레이트에 접촉하며, 상기 제1 단부의 반대쪽에 있는 상기 격벽 내부 집전체층의 제2 단부는 전해질층에 접촉하거나 상기 격벽 내부에 위치하는 3차원 구조의 전극 구조체.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 활물질 플레이트들은 상기 전극 집전체 플레이트상에 등간격으로 배열된 3차원 구조의 전극 구조체.
  14. 제1 항에 있어서,
    도전체로 형성되며 상기 다수의 활물질 플레이트들의 내부에 위치하며 상기 전극 집전체 플레이트에 전기적으로 접촉하는 내부 집전체층을 더 포함하는 3차원 구조의 전극 구조체.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 집전체 플레이트는 도전체로 형성된 3차원 구조의 전극 구조체.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 집전체 플레이트의 상기 다수의 활물질 플레이트들이 배치된 면쪽에 마련된 활물질 베이스층을 더 포함하는 3차원 구조의 전극 구조체.
  17. 제1 전극 구조체;
    상기 제1 전극 구조체와 이격되어 배치되는 제2 전극 구조체; 및
    상기 제1 전극 구조체와 상기 제2 전극 구조체 사이에 마련되는 전해질층;을 포함하며, 상기 제1 전극 구조체는 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항의 3차원 구조의 전극 구조체인 전지.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 전극 구조체는, 상기 제1 전극 구조체의 다수의 활물질 플레이트들과 번갈아가며 위치하면서 서로 이격되게 배치되는 다수의 제2 활물질 플레이트들 포함하는 전지.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 전극 구조체는 양극이며, 상기 제2 전극 구조체는 음극인 전지.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 전극 구조체, 상기 전해질, 및 상기 제2 전극 구조체는 제1 전지셀층을 형성하며, 상기 제1 전지셀층들이 다층으로 적층되는 전지.
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