KR20180051327A - 전기화학 디바이스 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20180051327A
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양호정
김경환
박휘열
허진석
임성진
정희수
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삼성전자주식회사
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Abstract

양극 집전체; 양극 집전체에 전기적으로 접촉하는 복수의 양극; 상기 양극으로 이루어진 제1 돌출부 및 양극 사이에 위치하는 제1 함몰부 상에 각각 배치되는 제2 돌출부 및 제2 함몰부를 포함하는 전해질층; 및 상기 전해질층의 제2 돌출부 및 제2 함몰부 상에 각각 배치되는 제3 돌출부 및 제3 함몰부를 포함하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스와 이의 제조방법이 제시된다.

Description

전기화학 디바이스 및 이의 제조방법{Electrochemical device, and preparation method thereof}
전기화학 디바이스, 및 이의 제조방법에 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 전자 기기의 구동에 적합한 배터리에 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 용량 증가를 위해 3차원(3D) 구조의 전극을 이용한 리튬 이차 전지에 대한 연구도 진행되고 있다.
한 측면은 충방전 시 전기화학 디바이스의 부피 변화를 효과적으로 수용할 수 있는 구조를 가지는 음극 집전체층과 리튬 음극의 두께 균일성을 향상시킬 수 있는 조성을 가지는 양극을 포함하는 전기화학 디바이스를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라,
양극 집전체;
양극 집전체에 전기적으로 접촉하는 복수의 양극;
상기 양극으로 이루어진 제1 돌출부 및 양극 사이에 위치하는 제1 함몰부 상에 각각 배치되는 제2 돌출부 및 제2 함몰부를 포함하는 전해질층; 및
상기 전해질층의 제2 돌출부 및 제2 함몰부 상에 각각 배치되는 제3 돌출부 및 제3 함몰부를 포함하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스가 제공된다.
다른 한 측면에 따라,
양극 집전체;
상기 양극 집전체와 접촉하는 복수의 양극;
상기 복수의 양극과 접촉하는 전해질층; 및
상기 전해질층의 표면 윤곽을 따라 배치된 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스가 제공된다.
또 다른 한 측면에 따라,
양극 집전체;
상기 양극 집전체와 접촉하며, 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성금속 함유 화합물을 포함하는 양극:
상기 양극과 접촉하는 전해질층; 및
상기 전해질층과 접촉하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스가 제공된다.
한 측면에 따르면, 3차원 구조를 가지는 음극 집전체층이 충방전 시 전기화학 디바이스의 부피 변화에 따른 스트레스를 완화할 수 있으며, 초기 충방전 효율이 낮은 화합물을 포함하는 양극이 리튬 음극의 두께 균일성을 향상시킴에 의하여 전기화학 디바이스의 용량 감소 및 구조 붕괴를 억제할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전기화학 디바이스의 내부를 부분적으로 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 전기화학 디바이스의 단면의 일부만으로 도시한 단면도이다.
도 4a는 도 1의 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 4b는 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 4c는 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 5는 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 6은 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 7은 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 8은 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 9는 모듈을 보여주는 사시도이다.
도 10은 사이드 스텝 커버리지를 보여주는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11f는 전기화학 디바이스의 제조방법을 보여주는 사시도 및 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여, 예시적인 구현예들에 따른 전기화학 디바이스, 및 이의 제조방법에 관하여 더욱 상세히 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 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 전기화학 디바이스의 내부를 부분적으로 보여주는 단면도이다. 도 3은 설명을 위하여 도 1의 전기화학 디바이스에서 양극 집전체 및 양극만을 도시하고 나머지는 생략한 단면도이다. 도 4a는 도1의 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 1 내지 도 4a를 참조하면, 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스(100)는 양극 집전체(101), 양극(102), 전해질층(120) 및 음극 집전체층(111)을 포함한다. 복수의 양극(102)은 양극 집전체(101)에 전기적으로 접촉하며, 양극 집전체(101)로부터 돌출되는 방향(예를 들어, 도 2에서 z방향)으로 배치될 수 있다. 전해질층(120)은 제2 돌출부(120a) 및 제2 함몰부(120b)를 포함하며, 제2 돌출부(120a) 및 제2 함몰부(120b)는 양극(102)으로 이루어진 제1 돌출부(102a) 및 양극(102) 사이에 위치하는 제1 함몰부(102b) 상에 각각 배치될 수 있다. 음극 집전체층(111)은 제3 돌출부(111a) 및 제3 함몰부(111b)를 포함하며, 제3 돌출부(111a) 및 제3 함몰부(111b)는 전해질층(120)이 포함하는 제2 돌출부(120a) 및 제2 함몰부(120b) 상에 각각 배치될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 복수의 제3 돌출부(111a)사이에 제3 함몰부(111b)에 의하여 형성되는 빈 공간이 배치된다. 이러한 빈 공간은 충방전 시에 수반되는 전기화학 디바이스(100)의 부피변화, 예를 들어 음극(112)(도 5 참조)의 부피 변화를 효과적으로 수용하여 균열 등의 열화를 방지할 수 있다. 결과적으로, 전기화학 디바이스(100)의 수명특성 향상 및 안정성 향상을 구현할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 음극 집전체(111) 상에 시트(sheet) 형태의 음극 집전체(113)가 추가적으로 배치될 수 있다. 시트 형태의 음극 집전체(113)는 복수의 제3 돌출부(111a)사이에 제3 함몰부(111b)에 의하여 형성된 빈 공간을 둘러쌀 수 있다. 빈 공간은 질소, 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워질 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 전기화학 반응에 참여하지 않은 기체로서 전지를 열화시키지 않는 것이라면 모두 가능하다. 빈 공간의 압력은 상온에서 대기압(1 atm)이거나 대기압 보다 낮을 수 있다. 시트 형태의 음극 집전체(113)는 금속 호일 등일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 도전성 슬러리 또는 스퍼터링 등에 의하여 시트 형태로 형성되는 도전성 재료일 수 있다.
도 4c를 참조하면, 복수의 제3 돌출부(111a)사이에 제3 함몰부(111b)에 의하여 형성되는 빈 공간에 버퍼층(114)이 추가적으로 배치되어 채울 수 있다. 버퍼층(114)은 전기화학 디바이스(100)의 충전 시에 음극(112)의 부피 증가를 효과적으로 수용하고 방전 시에 음극(112)의 부피 감소에 수반되는 음극 집전체층(111)의 충전 전 형태로의 복귀를 용이하게 하여 전기화학 디바이스(100)의 균열 등의 열화를 방지할 수 있다.
버퍼층(114)은 외력에 의하여 부피 변화가 용이한 탄성 재료를 포함할 수 있다. 탄성 재료는 예를 들어 천연 고무 및 합성 고무 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 합성 고무는 예를 들어 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 이소프렌 고무(IR), 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체(EPDM) 고무, 실리콘 고무, 알킬아크릴레이트 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸실란 고무, 부틸 아크릴레이트 공중합체 등일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 탄성 재료로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 탄성 재료는 도전재를 추가적으로 포함할 수 있다. 도전재는 탄소계 도전재 및 또는 금속계 도전재일 수 있다. 도전재는 카본 블랙, 흑연 미립자, 천연 흑연, 인조 흑연, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 카본파이버; 탄소나노튜브; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 또는 금속 튜브; 폴리페닐렌 유도체와 같은 전도성 고분자 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.
버퍼층(114)은 적어도 일부가 비어 있을 수 있다. 다시 말해, 버퍼층(114)의 일부에만 탄성 재료가 배치되고 나머지 부분은 비어있을 수 있는데, 탄성 재료가 차지하는 부피가 90부피% 이하, 70부피% 이하, 50부피% 이하, 30부피% 이하, 20부피% 이하, 또는 10부피% 이하이고 나머지는 빈 공간일 수 있다. 버퍼층(114)에 배치되는 탄성 재료는 다공성일 수 있다. 버퍼층(114)에 다공성 탄성 재료가 배치됨에 의하여 충방전 시에 수반되는 전기화학 디바이스(100)의 부피 변화를 더욱 효과적으로 수용할 수 있다.
도 1 내지 도 4c를 참조하면, 음극 집전체층(111)의 제3 돌출부(111a)와 제3 함몰부(111b)가 평행하게, 교대로 규칙적으로(regularly), 또는 주기적으로(periodically) 배열될 수 있다. 복수의 제3 돌출부(111a)와 제3 함몰부(111b)의 규칙적 또는 주기적인 배열은 전기화학 디바이스(100)의 구조적 균일성을 향상시켜 전기화학 디바이스(100)의 열화를 방지할 수 있다.
도 2 및 도 4a 내지 4c를 참조하면, 음극 집전체층(111)의 제3 함몰부(111b)는 서로 이격되어 마주보는 측면들 및 바닥면을 포함한다. 제3 함몰부(111b)의 측면과 바닥면이 이루는 각도는 60도 이상, 65도 이상, 70도 이상, 75도 이상, 80도 이상, 85도 이상, 또는 80도 내지 100도일 수 있다.
제3 함몰부(111b)의 마주보는 측면들이 이격되는 거리는 5㎛ 내지 30㎛, 6㎛ 내지 25㎛, 7㎛ 내지 20㎛, 또는 8㎛ 내지 18㎛ 일 수 있다.
제3 함몰부(111b)의 깊이, 다시 말해 전기화학 디바이스(100)의 표면으로부터 제3 함몰부(111b)의 바닥면까지의 거리는 60㎛ 내지 300㎛, 80㎛ 내지 250㎛, 100㎛ 내지 230㎛, 또는 120㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 제3 함몰부(111b)가 이러한 각도, 거리, 및 깊이를 가짐에 의하여 전기화학 디바이스(100)의 구조적 안정성 및 에너지 밀도가 증가되며, 동일한 공간에서 증가된 방전 용량을 구현할 수 있다.
음극 집전체층(111)의 두께는 5㎛ 이하, 4.5㎛ 이하, 4.0㎛ 이하, 3.5㎛ 이하, 3.0㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 또는 0.1㎛ 이하이고, 0.01㎛ 이상, 또는 0.05㎛ 이상일 수 있다. 음극 집전체층(111)의 두께가 5㎛ 이하임에 의하여 집전체가 차지하는 중량 분율이 감소하여 전기화학 디바이스(100)의 단위 중량 당 에너지 밀도가 증가할 수 있다.
음극 집전체층(111)의 복수의 제3 돌출부(111a) 및 제3 함몰부(111b)는 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 이러한 전기적 연결이 100 사이클 이상의 충방전 후에도 유지될 수 있다. 100 사이클 이상의 충방전 후에도 음극 집전체층(111)의 표면 저항은 충방전 전의 초기 표면 저항에 대하여 101% 이하, 104% 이하, 105% 이하, 110% 이하 또는 120% 이하일 수 있다.
도 1 내지 도 4c를 참조하면, 양극(102)은 초기 충방전 효율이 양극 활물질보다 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 양극(102) 전체에 균일하게 배치되거나 일부 영역에 편재되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 양극(102)이 전해질층(120)과 인접한 부분에 이러한 물질이 주로 배치될 수 있다.
초기 충전시에 양극(102)에서 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물이 산화되어 활성 금속 이온, 전자(electron) 및 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물로 분리되며, 활성 금속 이온은 양극(102)에서 전해질층(120)으로 이동하고 전자는 양극 집전체층(101)과 외부 회로를 거쳐 음극 집전체층(111)으로 이동하여, 음극 집전체층(111)과 전해질층(120)사이에서 전자에 의하여 환원된 활성 금속 이온이 전착(plating)되어 리튬 베드(bed)와 같은 활성 금속 베드(bed)가 형성된다. 이어지는, 초기 방전시에 활성 금속 베드(bed)에서 활성 금속이 산화되어 활성 금속 이온과 전자(electron)로 분리되며, 활성 금속 이온은 활성 금속 베드(bed)에서 전해질층(120)으로 이동하고 전자는 음극 집전체층(111)과 외부 회로를 거쳐 양극 집전체층(101)으로 이동하여, 양극(102)에서 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물이 활성 금속 이온과 전자에 의하여 환원되어 활성 금속 함유 화합물이 다시 형성된다. 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율이 낮으므로 초기 충전시에 활성 금속 베드 형성에 사용된 활성 금속 이온의 일부만이 방전시에 양극(102)으로 복귀하므로 활성 금속 베드의 일부는 잔존하여 음극이 되며 양극(102)에서도 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물의 일부가 잔존한다. 초기 양극(102)은 초기 충방전 효율이 양극 활물질보다 낮은 활성 금속 함유 화합물만을 포함하며, 초기 충방전 후의 양극(102)은 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물을 추가적으로 포함한다.
결과적으로, 초기 충방전을 거치면 도 5와 같이 음극(112)이 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 형성된다. 이와 같은 음극(112)은 증착 등의 종래 방법으로 배치되는 음극과 달리, 균일한 두께로 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 음극(112)의 두께가 불균일한 이유로 충방전 과정에서 전기화학 디바이스(100)의 용량이 감소하고, 전극 구조가 붕괴되는 단점을 방지하여, 전기화학 디바이스(100)의 수명특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율은 50% 이하일 수 있다. 이 경우 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 전착된 활성 금속의 50% 이하 만이 방전 시에 산화되고 나머지 활성 금속은 그대로 잔류하므로 음극(112)이 형성될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)에서 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율은 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 또는 10% 이하일 수 있다.
양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물은 Li3N, Li2NiO2, 및 Li2MnO 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 전기화학 디바이스에 사용되는 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮으면서 활성 금속을 함유하는 화합물로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.
양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 함량은 양극(102) 총 중량의 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 또는 0.5% 이하일 수 있다. 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 함량이 지나치게 높으면 양극 활물질의 함량이 감소하여 전기화학 디바이스의 용량이 감소하며, 지나치게 낮으면 생성되는 활성 금속 베드의 양이 미미하여 균일한 음극이 얻어지기 어려울 수 있다.
도 6을 참조하면, 양극(102)은 전해질층(120)에 접촉하는 비가역층(102c) 및 양극 집전체(101)에 접촉하는 가역층(102d)을 포함할 수 있다. 비가역층(102c)은 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함할 수 있다. 가역층(102d)은 비가역층(102c)과 양극 집전체(101) 사이에 배치되며 양극 활물질을 포함할 수 있다. 다시 말해, 양극(102)은 비가역층(102c)과 가역층(102d)을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 비가역층(102c)은 충방전에 의하여 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 일부 또는 전부가 산화되어 제거될 수 있어서 희생층이라고 지칭될 수 있다. 초기 충방전 이후에는 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물이 비가역층(102c) 영역에 남아 있을 수 있다. 비가역층(102c)이 감소하는 정도에 비례하여 전해질층(102)과 음극 집전체층(111) 사이에 음극(112)이 증가할 수 있다.
비가역층(102c)의 두께는 양극(102) 전체 두께의 30% 이하, 15% 이하, 9% 이하, 또는 4% 이하일 수 있다. 비가역층(102c)의 두께가 지나치게 두꺼우면 양극 활물질의 함량이 감소하여 전기화학 디바이스의 용량이 감소하며, 비가역층(102c)의 두께가 지나치게 얇으면 생성되는 활성 금속 베드의 양이 미미하여 일정한 두께의 음극이 얻어지기 어려울 수 있다. 비가역층(102c)의 두께는 200nm 이하, 150nm 이하, 100nm 이하, 또는 50nm 이하일 수 있다. 비가역층(102c)의 두께가 200nm 초과이면 양극 활물질의 함량이 감소하고 저항이 증가될 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 전기화학 디바이스(100)에서 양극(102)이 양극 집전체(101)에 대하여 수직인 방향으로 평판(flat panel) 형태로 양극 집전체(101) 상에 나란하게 이격되어 배치될 수 있다. 양극(102)이 양극 집전체(101)와 이루는 각도는 60도 내지 120도, 70도 내지 110도, 80도 내지 100도, 85도 내지 95도일 수 있다. 양극(102)의 단면의 높이(H)와 폭(W)의 종횡비(aspect ratio)는 5 이상, 10 이상, 20 이상, 30이상, 40 이상 또는 50 이상일 수 있다. 양극(102)이 평판 형태를 가짐에 의하여 양극(102)과 전해질층(120)의 접촉 면적이 증가하고 활성 금속 이온이 전해질층(120)까지 이동하는 거리가 감소되어 전기화학 디바이스(100)의 내부 저항이 감소하고 에너지 밀도가 증가하며 고율 특성이 향상될 수 있다.
양극(102)의 높이(도 3의 높이(H))는 10㎛ 이상일 수 있다. 양극(102)의 높이는 10㎛ 내지 5mm, 10㎛ 내지 1mm, 50㎛ 내지 1mm, 100㎛ 내지 500㎛, 100㎛ 내지 400㎛, 또는 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 양극(102)의 높이가 지나치게 낮으면 에너지 밀도가 저하되며, 지나치게 높으면 구조적 안정성이 저하될 수 있다. 양극(102)의 두께(도 3의, 폭(W))는 100㎛ 이하일 수 있다. 양극(102)의 두께는 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하, 또는 5㎛ 이하이고, 0.01㎛ 이상일 수 있다. 양극(102)의 두께가 감소할수록 이온이 전해질층(120)까지의 거리가 감소되어 전기화학 디바이스(100)의 내부 저항이 감소하고 고율 특성이 향상될 수 있다.
도면에 도시되지 않으나, 양극(102)과 양극 집전체(101) 사이에 전도성 접착층이 추가적으로 포함될 수 있다. 전도성 접착층은 양극(102)과 양극 집전체(101)을 접착시키면서 전기적으로 연결시키며 전도성 접착체 또는 전도성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 전기화학 디바이스(100)는 양극 집전체(101)에 전기적으로 접촉하며, 양극(102) 내부에 삽입되는 양극 도전체층(105)을 추가적으로 포함할 수 있다. 양극 도전체층(105)과 양극 집전체(101)는 다른 재료를 사용하여 별도로 제작된 후 접합되거나, 동일한 도전성 재료를 사용하여 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 집전체(101)는 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 복수의 양극 도전체층(105)을 포함할 수 있다. 도 7에서 양극 도전체층(105)이 평판 형태로 도시되어 있으나, 반드시 이러한 형태로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 도전체층으로 사용될 수 있는 형태라면 모두 가능하다. 예를 들어, 양극 도전체층(105)은 피시본 형태, 메시 형태, 격자 형태 등일 수 있다.
양극 도전체층(105)은 양극 집전체(101)로부터 전해질층(120)과 접촉하도록 전해질층(120)까지 연장될 수 있다. 양극 도전체층(105)이 전해질층(120)까지 연장되므로, 양극(102)의 단부까지 전자가 용이하게 이동할 수 있다. 다르게는, 양극 도전체층(105)은 양극 집전체(101)으로부터 전해질층(120)에 가까이 연장되지만 전해질층(120)과 접촉하지 않을 수 있다. 양극 도전체층(105)은 모든 양극(102) 내에 각각 삽입되거나 일부에만 삽입될 수 있으며, 삽입되는 형태는 서로 다를 수 있다. 높은 전자 전도도를 가지는 양극(102)은 양극 도전체층(105)을 포함하지 않을 수 있다. 양극 도전체층(105)의 두께는 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 또는 0.3㎛ 이하이고, 0.1㎛ 이상일 수 있다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 전기화학 디바이스(100)는 지지부(102e)를 추가적으로 포함할 수 있다. 지지부(102e)는 양극(102)으로 이루어진 제1 돌출부(102a) 사이에 위치하는 제1 함몰부(102b)에 배치되어 제1 돌출부(102a)과 접촉하며 제1 돌출부(102a)를 지지할 수 있다. 지지부(102e)는 양극 집전체(101)으로부터 돌출되는 방향으로 배치된 양극(102)의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며 양극(102)과 동일한 조성을 가질 수 있다. 지지부(102e)와 제1 돌출부(102a)는 일체로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 전기화학 디바이스(100)는 복수의 양극(102)을 포함하는 모듈(106)로 구성될 수 있다. 모듈(106)은 서로 이격되어 배치되는 복수의 양극(102)이 지지체에 의하여 지지되는 구조를 가지며, 지지체의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 지지체는 모듈(106)의 측면을 지지하는 격벽(103), 모듈(106)의 바닥면을 지지하는 양극 집전체(101) 등일 수 있다. 도 9에 도시되지 않으나, 모듈(106) 상에 전해질층, 음극 집전체층이 적층되어 전기화학 디바이스(100)가 구성된다. 전해질층과 음극 집전체층 사이에 음극이 추가로 배치될 수 있다.
도 9를 참조하면, 모듈(106)의 높이(H)는 10㎛ 내지 5mm, 10㎛ 내지 1mm, 50㎛ 내지 1mm, 100㎛ 내지 500㎛, 100㎛ 내지 400㎛, 또는 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 모듈(106)은 양극(102)과 수직으로 접촉하는 하나 이상의 격벽(103)을 포함할 수 있다. 모듈(106)에서 격벽(103)은 y 방향으로 배치되는 양극(102)과 직교하는 x방향으로 배치될 수 있다. 격벽(103)은 양극(102)의 양측면을 지지하여 충방전 시에 양극(102)의 팽창 및/또는 수축에 의한 모듈(106)의 변형 및 열화를 억제할 수 있다. 모듈(106)의 길이(L)는 20㎛ 내지 100mm, 20㎛ 내지 50mm, 20㎛ 내지 10mm, 100㎛ 내지 10mm, 200㎛ 내지 5000㎛, 200㎛ 내지 4000㎛, 또는 200㎛ 내지 3000㎛일 수 있다. 격벽(103)은 양극(102)과 다른 조성을 가질 수 있고 동일한 조성을 가질 수도 있다.
양극 집전체(101)는 평평한 시트 형태일 수 있다. 양극 집전체(101)의 두께는 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하, 5㎛ 이하, 3㎛ 이하, 또는 0.01㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 도 9와 같이 모듈(106)이 지지체로서 격벽(103)을 포함하지 않고, 양극 집전체층(101)만을 포함할 수도 있다.
도 5에서와 같이 음극(112)이 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 배치될 수 있다. 앞에서는 음극(112)이 전기화학 디바이스(100)의 충방전에 의하여 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 배치되는 방법을 설명하였으나, 반드시 이러한 방법으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 음극(112)은 물리기상증착(PVD) 등의 증착 방법으로 전해질층(120) 상에 배치될 수도 있다. 증착에 의하여 얇은 두께의 음극(112)이 배치된 후 충방전에 의하여 음극(112)의 두께가 추가적으로 증가될 수도 있다.
음극(112)은 전해질층(120)의 윤곽(contour)에 일치하는 컨포멀층(conformal layer), 다시 말해 전해질층(120)의 표면 윤곽(contour)을 따라 형성된 층을 가질 수 있다. 또한, 음극(112)은 높은 사이드 스텝 커버리지를 가질 수 있다. 도 10을 참조하면, 하기 수학식 1로 표시되는 음극(112)의 사이드 스텝 커버리지(side step coverage, SCs)는 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 99% 이상일 수 있다. 음극(112)은 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 초기 충방전에 의하여 배치되거나, 먼저 증착에 의하여 얇은 두께의 음극(112)이 배치된 후 충방전에 의하여 음극(112)의 두께가 증가되므로 높은 사이드 스텝 커버리지를 가질 수 있다.
<수학식 1>
SCs = Ts/Tt×100
Ts는 스텝에서 가장 피복이 얇은 지점의 두께, Tt는 스텝에서 평탄 표면의 피복 두께, H는 스텝의 높이, W는 스텝의 폭이다.
음극(112)은 리튬, 리튬과 합금가능한 활성 금속, 나트륨, 나트륨과 합금 가능한 활성 금속으로 이루어진 층일 수 있고, 두께는 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 또는 1㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 음극(112)의 두께는 0.01 내지 3㎛, 0.05 내지 3㎛, 또는 0.1 내지 3㎛ 일 수 있다.
도 2 및 도 4a 내지 도 8을 참조하면, 양극(102)과 음극(112)은 서로 직접 접촉하지 않고 전해질층(120)을 통하여 리튬 이온, 나트륨 이온 등의 금속 이온을 교환할 수 있다. 양극 집전체(101)는 양극(102)에 전기적으로 연결되며, 음극 집전체층(111)은 음극(112)에 전기적으로 연결된다. 전해질층(120)의 두께는 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 10㎛ 이하, 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 또는 0.1㎛ 이하이고, 0.01㎛ 이상일 수 있다. 전해질층(120)의 두께가 감소할수록 양극(102)과 음극(112) 사이의 이온 전달 거리가 감소되어 내부 저항이 감소하고 고율 특성이 향상될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)에서 전해질층(120)으로 고체 전해질을 사용하면 전해액 누액, 발화 등의 문제가 없어 전기화학 디바이스(100)의 안정성이 향상될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)는 작은 크기로 제작되어 모바일 장치나 웨어러블 장치(wearable device)와 같은 소형 장치의 전지에 용이하게 적용될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)는 예를 들어 휴대폰, 안경, 헬스 밴드, 손목 시계 등에 사용될 수 있다.
전기화학 디바이스(100)는 리튬 전지일 수 있으며, 양극 집전체(101) 및 음극 집전체층(111)은 Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속으로 이루어질 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 양극 집전체(101)는 알루미늄 호일이고 음극 집전체층(111)은 구리(Cu) 호일일 수 있다.
리튬 전지의 양극 활물질은 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 전지 양극 활물질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 양극 활물질로서 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 양극 활물질로서 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 리튬전이금속산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 화학식 LiCoO2의 리튬 코발트 산화물; 화학식 LiNiO2의 리튬 니켈 산화물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, 또는LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 화학식 Li2CuO2의 리튬동 산화물; 화학식 LiFe3O4의 리튬 철 산화물; 화학식 LiV3O8의 리튬 바나듐 산화물; 화학식 Cu2V2O7의 구리 바나듐 산화물; 화학식 V2O5의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)의 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn 2-x MxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M= Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식 LiMn2O4의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 리튬 망간 산화물; 디설파이드 화합물; 화학식 Fe2(MoO4)3의 철 몰리브덴 산화물 중에서 하나 이상 선택하여 사용할 수 있다. 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, 또는 LiFePO4 일 수 있다.
리튬 전지의 음극 활물질 또한 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 전지 음극 활물질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 가능하다. 음극 활물질은 알칼리 금속(e.g., 리튬, 소듐, 포타슘), 알칼리토 금속(e.g., 칼슘, 마그네슘, 바륨) 및/또는 일부(certain) 전이금속(e.g., 아연) 또는 이들의 합금일 수 있다. 특히, 음극 활물질은 리튬 및 리튬 합금 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 음극 활물질로서 리튬 금속이 사용될 수 있다. 음극 활물질로서 리튬 금속이 사용될 경우 집전체가 생략될 수 있다. 따라서 집전체가 차지하는 부피 및 무게를 감소시킬 수 있으므로 리튬 전지의 단위 중량 당 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 음극 활물질로서 리튬 금속과 다른 음극활물질의 합금이 사용될 수 있다. 다른 음극활물질은 리튬과 합금 가능한 금속일 수 있다. 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 리튬 합금은 리튬 알루미늄 합금, 리튬 실리콘 합금, 리튬 주석 합금, 리튬 은 합금리튬 납 합금 일 수 있다.
리튬 전지에서 전해질층(120)이 포함하는 고체 전해질은 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체 전해질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 고체 전해질로서 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-y TiyO3(PLZT)(O≤x<1, O≤y<1),PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, SiC, 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3,0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(O≤x≤1, O≤y≤1), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마늄티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), 리튬포스페이트옥시나이트라이드(LiPON, LixPONy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz, 0<x<3,0<y<2, 0<z<4) 계열 글래스, P2S5(LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7) 계열 글래스, Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2계 세라믹스, 가넷(Garnet)계 세라믹스 Li3+xLa3M2O12(M = Te, Nb, Zr)중에서 선택된 하나 이상 또는 이들의 조합물일 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질은 LiPON일 수 있다.
도 11a 내지 도 11g를 참조하면, 다른 일구현예에 따른 전기화학 디바이스 제조방법은 양극 집전체(101) 상에 수직하게 이격되어 배열된 복수의 양극(102)을 배치하는 단계를 포함한다. 양극(102)을 배치하는 단계는 복수의 양극 활물질(102d)을 배치하는 단계; 복수의 양극 활물질(102d) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계;를 포함한다. 전기화학 디바이스 제조방법은 복수의 양극 활물질(102d)을 배치하는 단계; 복수의 양극 활물질(102d) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계; 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c) 상에 전해질층(120)을 배치하는 단계; 및 전해질층(120) 상에 음극 집전체층(111)을 배치하는 단계;를 포함한다.
전기화학 디바이스는 복수의 양극 활물질을 포함하는 모듈(106)을 사용하여 제조될 수 있다. 전기화학 디바이스(100) 제조방법은 복수의 양극 활물질을 포함하는 모듈(106)을 준비하는 단계; 양극 집전체(101) 상에 모듈(106)을 배치하는 단계; 모듈(106) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계; 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c) 상에 전해질층(120)을 배치하는 단계; 및 전해질층(120) 상에 음극 집전체층(111)을 배치하는 단계;를 포함할 수 있다. 모듈(106)이 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함하는 경우, 모듈(106) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계가 생략될 수 있다.
도 11a를 참조하면, 복수의 양극을 포함하는 모듈(106)을 준비한다.
도 11b를 참조하면, 양극 집전체(101) 상에 모듈(106)을 배치한다. 모듈(106)은 도면에 도시되지 않으나 전도성 접착제 및/또는 전도성 페이스트를 사용하여 양극 집전체(101) 상에 부착할 수 있다.
도 11c를 참조하면, 모듈(106) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치한다. 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 방법은 증착일 수 있으나 반드시 증착으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다. 증착 방법은 CVD(화학기상증착), PVD(물리기상증착) 등일 수 있다. 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물은 Li3N일 수 있으나 반드시 이것으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물로 사용할 수 있는 재료라면 모두 가능하다. 양극(102)은 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함하는 비가역층(102c)과 양극 활물질을 포함하는 가역층(102d)으로 이루어질 수 있다.
도 11d를 참조하면, 양극(102) 상에 전해질층(120)을 배치한다. 전해질층(120)을 배치하는 방법은 증착일 수 있으나 반드시 증착으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 전해질층(120)의 증착 방법은 CVD, PVD 등일 수 있다.
도 11e를 참조하면, 전해질층(120) 상에 음극 집전체층(111)을 배치하여 전기화학 디바이스(100)를 준비한다. 음극 집전체층(111)을 배치하는 방법은 증착일 수 있으나 반드시 증착으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 음극 집전체층(111)의 증착 방법은 열증발(thermal evaporation) 등일 수 있다.
도 11f를 참조하면, 전해질층(120)과 음극 집전체층(111) 사이에 음극(112)이 형성될 수 있다. 음극(112)은 Li 금속일 수 있으나 반드시 이것으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 음극(112)으로 사용될 수 있는 음극 활물질이라면 모두 가능하다. 앞서 설명한 것과 같이 음극(112)은 초기 충방전에 의해 비가역층(102c)으로부터 형성될 수도 있고, 도 11d의 전해질층(120)이 형성된 이후 그리고 도 11e의 음극 집전체층(111)이 형성되기 이전에 증착으로 형성될 수도 있다.
100 전기화학 디바이스 101 양극 집전체
102 양극 102a 제1 돌출부
102b 제1 함몰부 102c 비가역층
102d 가역층 102e 지지부
103 격벽 105 도전체층
106 모듈 107 희생층
111 음극 집전체층 111a 제3 돌출부
111b 제3 함몰부 112 음극
113 시트형 음극집전체 114 버퍼층
120 전해질층 120a 제2 돌출부
120b 제2 함몰부 160 제1 적층체
170 제2 적층체 180 절단면

Claims (31)

  1. 양극 집전체;
    양극 집전체에 전기적으로 접촉하는 복수의 양극;
    상기 양극으로 이루어진 제1 돌출부 및 양극 사이에 위치하는 제1 함몰부 상에 각각 배치되는 제2 돌출부 및 제2 함몰부를 포함하는 전해질층; 및
    상기 전해질층의 제2 돌출부 및 제2 함몰부 상에 각각 배치되는 제3 돌출부 및 제3 함몰부를 포함하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부와 제3 함몰부가 평행하게 규칙적으로 배열된 전기화학 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부와 제3 함몰부가 평행하게 주기적으로 배열된 전기화학 디바이스.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 함몰부가 서로 이격되어 마주보는 측면들 및 바닥면을 포함하며, 측면과 바닥면이 이루는 각도가 60도 이상인 전기화학 디바이스.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 제3 함몰부의 마주보는 측면들 사이의 거리가 5㎛ 내지 30㎛ 이며, 제3 함몰부의 깊이(depth)가 60㎛ 내지 300㎛ 인 전기화학 디바이스.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 두께가 5㎛ 이하인 전기화학 디바이스.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부 및 제3 함몰부가 전기적으로 연결된 전기화학 디바이스.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부와 제3 함몰부의 전기적 연결이 100 사이클 이상의 충방전 후에도 유지되는 전기화학 디바이스.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 양극이 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물 및 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물 중 하나 이상을 포함하는 전기화학 디바이스.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율이 50% 이하인 전기화학 디바이스.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물이 Li3N, Li2NiO2, 및 Li2MnO3 중에서 선택된 하나 이상인 전기화학 디바이스.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 양극이 상기 전해질층에 접촉하는 비가역층; 및 상기 양극 집전체에 접촉하는 가역층을 포함하며,
    상기 비가역층이 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물 및 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 가역층이 양극 활물질을 포함하는 전기화학 디바이스.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 비가역층의 두께가 200nm 이하인 전기화학 디바이스.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 양극을 포함하는 모듈로 구성되는 전기화학 디바이스.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 모듈이 복수의 양극과 접촉하는 격벽을 포함하는 전기화학 디바이스.
  16. 제17 항에 있어서, 상기 격벽이 양극과 다른 조성을 가지는 전기화학 디바이스.
  17. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층과 전해질층 사이에 배치되는 음극을 포함하는 전기화학 디바이스.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 음극이 상기 전해질층의 윤곽(contour)에 일치하는 컨포멀층(conformal layer)인 전기화학 디바이스.
  19. 제17 항에 있어서, 상기 음극의 사이드 스텝 커버리지(side step coverage)가 50% 이상인 전기화학 디바이스.
  20. 제17 항에 있어서, 상기 음극이 활성 금속층인 전기화학 디바이스.
  21. 양극 집전체;
    상기 양극 집전체와 접촉하는 복수의 양극;
    상기 복수의 양극과 접촉하는 전해질층; 및
    상기 전해질층의 표면 윤곽을 따라 배치된 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 음극 집전체층이 전기적으로 연결된 돌출부 및 함몰부를 포함하는 전기화학 디바이스.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 돌출부와 함몰부가 평행하게 규칙적 또는 주기적으로 배열된 전기화학 디바이스.
  24. 제21 항에 있어서, 상기 전해질층과 상기 음극집전체층 사이에 배치된 음극을 더 포함하며, 상기 음극은 상기 전해질층의 표면 윤곽을 따라 배치된 전기화학 디바이스.
  25. 제24 항에 있어서, 상기 양극은 양극활물질과 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물 및 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물 중 하나 이상을 포함하는 전기화학 전지.
  26. 양극 집전체;
    상기 양극 집전체와 접촉하며, 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성금속 함유 화합물을 포함하는 양극:
    상기 양극과 접촉하는 전해질층; 및
    상기 전해질층과 접촉하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스.
  27. 제26 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율이 50% 이하인 전기화학 디바이스.
  28. 제26 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물이 Li3N, Li2NiO2, 및 Li2MnO3 중에서 선택된 하나 이상인 전기화학 디바이스.
  29. 제26 항에 있어서, 상기 양극이 상기 전해질층에 접촉하는 비가역층; 및 상기 양극 집전체에 접촉하는 가역층을 포함하며,
    상기 비가역층이 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함하며,
    상기 가역층이 상기 양극 활물질을 포함하는 전기화학 디바이스.
  30. 제29 항에 있어서, 상기 비가역층의 두께가 200nm 이하인 전기화학 디바이스.
  31. 제29 항에 있어서, 상기 비가역층이 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물을 더 포함하는 전기화학 디바이스.
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