KR20180116964A - 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자 - Google Patents

전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자 Download PDF

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Abstract

실시예는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것이다.
실시예는 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 배치되는 전극용 조성물층을 포함하는 전극 구조에 있어서, 상기 전극 구조는 자성재료를 포함하는 전기화학 소자의 전극 구조일 수 있다.

Description

전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자{ELECTRODE STRUSCTURE AND ELECTROCHEMICAL DEVICE USING THE SAME}
실시예는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다.
휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.
전기화학 소자는 충방전이 가능하고 에너지 밀도가 높다는 측면에서 주목 받고 있는 분야이며, 응용 분야의 확대에 따라 높은 정전 용량과 에너지 밀도가 요구되고 있다.
전기화학 소자는 전기 에너지와 화학 에너지 상호간에 변환이 가능하도록 하는 것으로, 구체적인 예로는 슈퍼 캐패시터, 리튬 이온 2차 전지, 하이브리드 캐패시터 등이 있다.
슈퍼 캐패시터는 이온의 정전기적 흡착과 탈착을 통해 전기를 축적하는 전기 이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor), 산화-환원 반응을 통하여 전기를 축적하는 의사 캐패시터(Pseudo capacitor) 그리고 비대칭(Asymmetric) 전극 형태를 가지는 하이브리드 캐패시터(Hybrid capacitor)로 나눌 수 있다.
전기 이중층 슈퍼 캐패시터는 전해액에 함침된 양극 및 음극, 두 전극 사이에 구비되는 분리막, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락 방지를 위한 가스켓, 금속 케이스 등을 포함하여 단위 셀이 이루어지며, 이러한 단위 셀을 적층하고 양극 및 음극의 단자를 조합하여 구성되며, 전극 형성용 조성물로 전극 활물질 외에 바인더, 도전재가 포함될 수 있으며 각 성분은 혼합 후 슬러리 형태로 슈퍼 캐패시터에 적용될 수 있다.
이러한 슈퍼 캐패시터는 기존 배터리로 대응이 어려운 고출력이 필요한 회생제동 부품이나, 순간 정전에 대비할 수 있는 메모리 보호 기능에 활용될 수 있다.
예를 들어, 슈퍼 캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 이온의　이동이나 표면 화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다.
한편, 2차 전지는 에너지 밀도가 높은 장점이 있으나, 충전속도가 낮은 단점이 있는 반면에, 슈퍼 캐패시터는 출력밀도가 높고 충전속도가 높은 장점이 있으나, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
이러한 슈퍼캐패시터의 낮은 에너지 밀도는 에너지 저장 장치로써 이차전지 또는 납축전지 대비 열세가 되는 단점이다.
이에 따라 종래기술의 슈퍼 캐패시터는 기술적 단점인 낮은 에너지 밀도를 높이기 위한 방향으로 기술개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 전극부분 활성탄의 비표면적을 증가시키거나 고전압에서 사용가능한 전해액을 개발하고 있다.
한편, 슈퍼캐패시터로 충전할 수 있는 총 에너지량인 에너지 밀도(E)는 정전용량(C)에 비례하므로 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시키는 노력이 필요한 실정이나 적절한 기술적 해결방안이 도출되지 못하는 상황이다.
또한 종래기술의 슈퍼 커패시터에서 전해액 내의 이온의 거동속도 저하에 따라 저항이 증가하거나 누설전류가 발생하는 등 전기적 특성에 대한 문제가 있다.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 한다.
실시예의 해결하고자 하는 기술적 과제는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 발명의 설명 전체를 통해 파악될 수 있다.
실시예는 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 배치되는 전극용 조성물층을 포함하는 전극 구조에 있어서, 상기 전극 구조는 자성재료를 포함하는 전기화학 소자의 전극 구조일 수 있다.
또한 실시예에 따른 전기화학 소자는 상기 전극구조를 포함할 수 있다.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온이 활성물질층에 흡착되는 양이 증가되어 정전용량이 향상되어 전기화학 소자의 에너지 밀도가 증가될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상될 수 있다. 이에 따라 전해액의 이온 거동속도 향상에 따라 전기화학 소자의 내부 저항이 감소하여 전기적 특성이 향상될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상됨에 따라 전기화학 소자의 누설전류가 감소되어 전기적 특성이 향상되는 기술적 효과가 있다.
실시예의 기술적 효과는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 명의 설명 전체를 통해 파악될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 전기화학 소자의 개략도.
도 2는 제1 실시예에 따른 전기화학 소자의 단면도.
도 3은 제2 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조 단면도.
도 4a는 제2 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조의 부분 단면도.
도 4b는 제2 실시예에 따른 전기화학 소자의 전극 구조 부분 평면도.
도 5는 제3 실시예에 따른 전기화학 소자의 단면도.
도 6은 제4 실시예에 따른 전기화학 소자의 단면도.
이하 상기의 과제를 해결하기 위한 구체적으로 실현할 수 있는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 전기화학 소자(100)의 개략도이다.
실시예의 전기화학 소자는 전기에너지와 화학에너지의 상호변환이 가능한 것으로서, 실시예의 목적을 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 실시예의 전기화학 소자는 슈퍼 캐패시터, 이차 전지 등 일 수 있으며, 이하에서는 전 기화학 소자로 슈퍼 캐패시터를 예로 설명하나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예의 전기화학 소자(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120), 분리막(130, 135), 전해액, 제1 리드선(151), 제2 리드선(152) 및 덮개(140) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
도2를 참조하여 설명하면, 제1 실시예에 따른 전기화학 소자(101)는 제1 베이스 기판(110a)과 제2 베이스 기판(120a) 상에 각각 전극 전극용 조성물층인 제1 전극용 조성물층(110b)과 제2 전극용 조성물층(120b)을 도포하여 형성된 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 소정의 분리막(130)을 사이에 두고 결합될 수 있다. 상기 제1 전극(110)은 양극일 수 있고, 상기 제2 전극(120)은 음극일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 전극용 조성물층(120b)은 상기 제2 베이스 기판(120a) 아래에 배치될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 제1 전극(110)/분리막(130)/제2 전극(120)을 포함하는 전극구조를 소정의 덮개(140)에 수납한 다음, 여기에 소정의 전해액을 주입시킬 수 있다. 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120)은 각각 제1 리드선(151) 및 제2 리드선(152)과 전기적으로 연결될 수 있다.
실시예의 전기화학 소자(100)에서, 제1 리드선(151) 및 제2 리드선(152)을 통해 제1 전극(110), 제2 전극(120)의 양단에 연결된 제1 베이스 기판(110a) 및 제2 베이스 기판(120a)에 수 볼트의 전압이 가해지면, 전기장이 형성되고 이에 따라 전해액 내의 이온들이 이동하여 제1, 제2 전극(110, 120) 표면에 흡착되어 전기가 저장되는 전기 화학적 메커니즘의 원리에 의해 전기가 충전될 수 있다.
(제1 실시예)
이하 도 1과 도 2를 참조하여 실시예에 따른 전기화학 소자를 주요 구성을 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
<베이스 기판과 전극용 조성물층>
도 2를 참조하면, 실시예에서 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 중 적어도 하나는 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a) 상에서 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b)이 각각 배치된 것이다.
예를 들어, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 중 적어도 하나의 전극은 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a) 상에서 전극 형성용 조성물이 롤링으로 압연된 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 전극 형성용 조성물이 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a) 상에 코팅된 것일 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(120)은 전극 형성용 조성물을 시트 상태로 만들어 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)에 붙인 후 건조하여 형성된 것일 수 있다.
상기 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)은 전도성 물질을 포함하여 형성되어 전기적 전도성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)은 구리, 알루미늄 등의 금속을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b)의 원료인 전극 형성용 조성물은 탄소원, 바인더, 도전재 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 선택적으로 용매를 더 포함할 수 있다. 또한, 각 성분은 혼합 후 슬러리 형태로 상기 전기 화학 소자(100)에 적용될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b)은 제1, 제2 전극(110, 120)의 활물질로서 기능할 수 있다.
상기 탄소원은 다공성 활성탄, 탄소오니언(carbononion), 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 카바이드 유도 탄소(carbide derived carbon), 주형화된 탄소(mesoporous carbon) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 탄소원은 결정질 구조(미도시) 및 비정질 구조(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 비정질 구조는 복수 개의 기공들을 포함하고, 기공에 전해질 이온의 유입이 용이하여 정전 용량이 향상되어 출력 밀도가 증대될 수 있다.
상기 바인더는 전극 형성용 조성물에 접착성을 부여할 수 있다. 상기 바인더의 예로는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극 형성용 조성물에 전도성을 부여할 수 있다. 상기 도전재의 예로는 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 전극 형성용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 전극 형성용 조성물은 물 또는 유기 용매 등의 용매를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<자성물질층>
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공하고자 함이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 제1 실시예에 따른 전기화학 소자(101)는 베이스 기판(110a, 120a)과, 상기 베이스 기판(110a, 120a) 상에 배치되는 전극용 조성물층(110b, 120b)을 포함하는 전극 구조를 구비하고, 상기 전극 구조는 자성재료를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 전기화학 소자(101)는 제1 베이스 기판(110a)과, 상기 제1 베이스 기판(110a) 상에 배치되는 제1 전극용 조성물층(110b) 및 상기 제1 베이스 기판(110a)과 상기 제1 전극용 조성물층(110b) 사이에 배치되는 제1 자성물질층(110c)을 포함할 수 있다. 상기 제1 자성물질층(110c)은 제1 자성재료를 포함할 수 있다.
또한 제1 실시예에 따른 전기화학 소자(101)는 제2 베이스 기판(120a)과, 상기 제2 베이스 기판(120a) 아래에 배치되는 제2 전극용 조성물층(120b) 및 상기 제2 베이스 기판(120a)과 상기 제2 전극용 조성물층(120b) 사이에 배치되는 제2 자성물질층(120c)을 포함할 수 있다. 상기 제2 자성물질층(120c)은 제1 자성재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)은 강자성을 갖는 물질로 금속, 페라이트 등의 산화물, 천이금속 질화물, 비정질 합금 등 중에 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)은 강자성체일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실시예에서 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)은 Ni, Co, Fe 중에 적어도 하나 이상의 강자성체를 포함하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 도금이나 이-빔(E-beam), 스퍼터(Sputter) 등을 이용하여 형성될 수 있고, 포토리소(Photo-litho) 방식으로 선택 증착이 진행될 수 있다.
또한 상기 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)은 MnFe2O4 등의 페라이트일 수 있다. 또한 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)은 경화(硬化)자석으로 텅스텐강, 크로뮴강, KS강 등일 수 있고, 석출(析出)경화자석으로는 MK강, 알루니코(알루미늄·니켈·코발트·구리의 합금), 신KS강, 큐니페(구리·니켈·철의 합금) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)과 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b) 사이에 각각 배치되는 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)의 자기력이 전해액의 이온 거동의 속도와 이온 흡착의 양을 향상시키기 위한 힘으로 작용할 수 있으며, 이러한 자기력에 의해 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상될 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)과 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b) 사이에 각각 배치되는 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)의 자기력에 의해 전해액의 이온 거동 속도 향상에 따른 전기화학 소자의 내부저항 감소하여 정전용량이 향상되어 에너지 밀도가 증가하는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a)과 제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b) 사이에 각각 배치되는 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)의 자기력에 의해 전해액상의 이온이 전극용 조성물층에 흡착되는 양이 향상됨에 따라 정전용량 향상으로 에너지 밀도 증가하는 기술적 효과가 있다.
자성재료 유무 정전용량(F/cc) 비고
비교예 없음 28.1
제1 실시예 있음 29.4 약 4% 향상
표 1은 비교예와 제1 실시예에 따른 전기화학 소자의 정전용량 비교 데이터이다. 제1 실시예에 따른 전기화학 소자는 비교예에 비해 정전용량이 약 4% 향상되는 기술적인 효과가 있다.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온이 활성물질층에 흡착되는 양이 증가되어 정전용량이 향상되어 전기화학 소자의 에너지 밀도가 증가될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상될 수 있다. 이에 따라 전해액의 이온 거동속도 향상에 따라 전기화학 소자의 내부 저항이 감소하여 전기적 특성이 향상될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상됨에 따라 전기화학 소자의 누설전류가 감소되어 전기적 특성이 향상되는 기술적 효과가 있다.
<분리막, 전해액, 덮개>
도 1을 참조하면, 실시예에서 상기 전기화학 소자(100)는 복수의 분리막을 포함할 수 있다. 일 실시예 따르면, 상기 전기화학 소자(100)가 복수의 분리막을 포함하는 경우, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 배치되는 분리막(130) 이외의 제2 분리막(135)은 상기 제1 전극(110)의 상부에 배치될 수 있다.
실시예에서 분리막(130)은 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(130)은 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120)과 접촉하며 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(110), 분리막(130), 제2 전극(120)은 순차적으로 적층되어 실시예에 따른 전기화학 소자(100)를 형성할 수 있다.
상기 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 분리막(130)을 포함하여 적층 형성된 전기화학 소자(100)는 전해액에 함침될 수 있다.
실시예에서 전해액은 비수계 전해액일 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 전해액으로 비수계 전해액이 사용되는 경우 전해질 양이온은 TEA+, TEMA+, Li+, EMIM+, Na+ 등일 수 있고, 전해질 음이온은 BF4 -, PF6 -, TFSI-, FSI- 등일 수 있다. 또한, 전해액 용매는 유기성 전해액, 보다 구체적으로는 ACN, PC, GBL, DMK 등일 수 있다.
상기 전해액의 농도는 용매와 전해질 이온의 종류마다 상이할 수 있다.
실시예에서 상기 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 그 사이에 배치된 분리막(130)은 덮개(140) 내에 배치된 구조일 수 있다. 상기 덮개(140)는 전도성 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 덮개(140)는 알루미늄 등의 전도성 물질을 포함할 수 있다.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온이 활성물질층에 흡착되는 양이 증가되어 정전용량이 향상되어 전기화학 소자의 에너지 밀도가 증가될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상될 수 있다. 이에 따라 전해액의 이온 거동속도 향상에 따라 전기화학 소자의 내부 저항이 감소하여 전기적 특성이 향상될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상됨에 따라 전기화학 소자의 누설전류가 감소되어 전기적 특성이 향상되는 기술적 효과가 있다.
(제2 실시예)
다음으로, 도 3은 제2 실시예에 따른 전기화학 소자(102)의 단면도이다. 도 4a는 제2 실시예에 따른 전기화학 소자(102)의 일부 전극 구조(E)의 I-I'선(도 4b 참조)을 따른 단면도이며, 도 4b는 제2 실시예에 따른 전기화학 소자의 일부 전극 구조(E) 평면도이다.
제2 실시예는 제1 실시에의 기술적 특징을 채용할 수 있으며, 이하 제2 실시예의 주된 특징을 중심으로 기술하기로 한다.
우선, 도 3을 참조하면, 제2 실시예에서 전극용 조성물층(110d, 120d)은 자성물질층(110c, 120c) 및 베이스 기판(110a, 120a)과 접할 수 있다.
예를 들어, 제2 실시예에서 상기 제1 전극용 조성물층(110d)은 상기 제1 자성물질층(110c) 및 상기 제1 베이스 기판(110a)과 접할 수 있다. 또한 제2 실시예에서 상기 제2 전극용 조성물층(120d)은 상기 제2 자성물질층(120c) 및 상기 제2 베이스 기판(120a)과 접할 수 있다.
도 4a 및 도 4b을 참조하면, 자성물질층의 단면 구조 또는 평면 구조는 일정한 패턴의 어레이(Array) 형태, 또는 메쉬(Mesh) 형태 등의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 형태일 수 있다.
좀 더 구체적으로, 도 4a를 참조하면, 상기 제1 전극용 조성물층(110d)은 상부영역(110b1) 및 그 상부영역(110b1)으로부터 상기 제1 베이스 기판(110a) 방향으로 돌출되는 제1 돌출부(110b2)를 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 전극용 조성물층(120d)은 상기 제2 베이스 기판(120a) 방향으로 돌출되는 제2 돌출부(미도시)를 포함할 수 있다.
이를 통해, 실시예에서 전극용 조성물층은 상기 자성물질층 및 상기 베이스 기판과 동시에 접함으로써 상기 전극용 조성물층이 상기 베이스 기판과 접하여 전기전도도가 유지됨에 아울러, 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온이 활성물질층에 흡착되는 양이 증가되어 정전용량이 향상되어 전기화학 소자의 에너지 밀도가 증가될 수 있는 복합적 기술적 효과가 있다.
(제3 실시예)
도 5는 제3 실시예에 따른 전기화학 소자(103)의 단면도이다.
제3 실시예는 제1 실시예와 제2 실시예의 기술적 특징을 포함할 수 있으며, 이하 제3 실시예의 주된 특징을 중심을 설명하기로 한다.
제3 실시예의 전극 구조에서, 베이스 기판은 자성재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제3 실시예에 따른 전기화학 소자(103)에서 제3 베이스 기판(110a3)과 제4 베이스 기판(120a4)은 제2 자성재료를 포함할 수 있다. 상기 제4 자성재료는 베이스 기판의 일부로 합금 또는 화합물의 형태로 포함할 수 있다.
예를 들어, 제3 베이스 기판(110a3)과 제4 베이스 기판(120a4)의 제2 자성재료는 강자성을 갖는 물질로 금속, 페라이트 등의 산화물, 천이금속 질화물, 비정질 합금 등 중에 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 자성재료는 Ni, Co, Fe 중에 적어도 하나 이상을 포함하는 강자성체일 수 있다. 또한 상기 제2 자성재료는 MnFe2O4 등의 페라이트일 수 있다. 또한 제2 자성재료는 경화(硬化)자석으로 텅스텐강, 크로뮴강, KS강 등일 수 있고, 석출(析出)경화자석으로는 MK강, 알루니코(알루미늄·니켈·코발트·구리의 합금), 신KS강, 큐니페(구리·니켈·철의 합금) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 제1, 제2 베이스 기판(110a3, 120a4)에 제2 자성재료가 포함되고, 이러한 제2 자성재료의 자기력에 의해 전해액의 이온 거동 속도 향상에 따른 전기화학 소자의 내부저항 감소하여 정전용량이 향상되어 에너지 밀도가 증가하는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 제1, 제2 베이스 기판(110a3, 120a4)에 제2 자성재료가 포함되고, 제2 자성재료의 자기력에 의해 전해액상의 이온이 전극용 조성물층에 흡착되는 양이 향상됨에 따라 정전용량 향상으로 에너지 밀도 증가하는 기술적 효과가 있다.
자성재료 유무 정전용량(F/cc) 비고
비교예 없음 28.1
제3 실시예 있음 30.0 약 6% 향상
표 2는 비교예와 제3 실시예에 따른 전기화학 소자의 정전용량 비교 데이터이다. 제3 실시예에 따른 전기화학 소자는 비교예에 비해 정전용량이 약 6% 향상되는 기술적인 효과가 있다.
(제4 실시예)
도 6은 제4 실시예에 따른 전기화학 소자(104)의 단면도이다.
제4 실시예는 제1 실시예 내지 제3 실시예의 기술적 특징을 포함할 수 있으며, 이하 제4 실시예의 주된 특징을 중심을 설명하기로 한다.
제4 실시예의 전극 구조에서, 전극용 조성물층은 자성재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제4 실시예에 따른 전기화학 소자(104)에서 제3 전극용 조성물층(110b3)과 제4 전극용 조성물층(120b4)은 제3 자성재료를 포함할 수 있다.
상기 제3 전극용 조성물층(110b3)과 제4 전극용 조성물층(120b4)은 제3 자성재료가 활물질의 일부로 합금 또는 화합물의 형태로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 전극용 조성물층(110b3)와 제4 전극용 조성물층(120b4)의 제3 자성재료는 강자성을 갖는 물질로 금속, 페라이트 등의 산화물, 천이금속 질화물, 비정질 합금 등 중에 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 자성재료는 Ni, Co, Fe 중에 적어도 하나 이상을 포함하는 강자성체일 수 있다. 또한 상기 제3 자성재료는 MnFe2O4 등의 페라이트일 수 있다. 또한 제3 자성재료는 경화(硬化)자석으로 텅스텐강, 크로뮴강, KS강 등일 수 있고, 석출(析出)경화자석으로는 MK강, 알루니코(알루미늄·니켈·코발트·구리의 합금), 신KS강, 큐니페(구리·니켈·철의 합금) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 제3, 제4 전극용 조성물층(110b3, 120b4)에 제3 자성재료가 포함되고, 이러한 제3 자성재료의 자기력에 의해 전해액의 이온 거동 속도 향상에 따른 전기화학 소자의 내부저항 감소하여 정전용량이 향상되어 에너지 밀도가 증가하는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 제3, 제4 전극용 조성물층(110b3, 120b4)에 제3 자성재료가 포함되고, 제3 자성재료의 자기력에 의해 전해액상의 이온이 전극용 조성물층에 흡착되는 양이 향상됨에 따라 정전용량 향상으로 에너지 밀도 증가하는 기술적 효과가 있다.
자성재료 유무 정전용량(F/cc) 비고
비교예 없음 28.1
제4 실시예 있음 31.8 약 12% 향상
표 3은 비교예와 제4 실시예에 따른 전기화학 소자의 정전용량 비교 데이터이다. 제4 실시예에 따른 전기화학 소자는 비교예에 비해 정전용량이 약 12% 향상되는 기술적인 효과가 있다.
실시예는 정전용량(C)을 증가시켜 에너지 밀도(E)를 향상시킬 수 있는 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온이 활성물질층에 흡착되는 양이 증가되어 정전용량이 향상되어 전기화학 소자의 에너지 밀도가 증가될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예는 전기적 특성이 향상된 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상될 수 있다. 이에 따라 전해액의 이온 거동속도 향상에 따라 전기화학 소자의 내부 저항이 감소하여 전기적 특성이 향상될 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 베이스 기판과 전극용 조성물층 사이에 배치되는 자성물질층에 의해 자기력이 발생하여 전해액상의 이온의 거동 속도가 향상됨에 따라 전기화학 소자의 누설전류가 감소되어 전기적 특성이 향상되는 기술적 효과가 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
제1 전극(110), 제2 전극(120), 분리막(130, 135),
제1 리드선(151), 제2 리드선(152), 덮개(140), 제1, 제2 베이스 기판(110a, 120a),
제1, 제2 전극용 조성물층(110b, 120b), 제1, 제2 자성물질층(110c, 120c)

Claims (8)

  1. 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 배치되는 전극용 조성물층을 포함하는 전극 구조에 있어서,
    상기 전극 구조는 자성재료를 포함하는 전기화학 소자의 전극 구조.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 구조는,
    상기 베이스 기판과, 상기 전극용 조성물층 사이에 배치되는 제1 자성재료를 포함하는 자성물질층을 포함하는 전기화학 소자의 전극 구조.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전극 구조는,
    제1 베이스 기판과, 상기 제1 베이스 기판 상에 배치되는 제1 전극용 조성물층 및 상기 제1 베이스 기판과 상기 제1 전극용 조성물층 사이에 배치되는 상기 제1 자성재료를 포함하는 제1 자성물질층;을 포함하고,
    상기 전극 구조는,
    제2 베이스 기판과, 상기 제2 베이스 기판 아래에 배치되는 제2 전극용 조성물층 및 상기 제2 베이스 기판과 상기 제2 전극용 조성물층 사이에 배치되는 제2 자성물질층을 포함하는 전극 구조.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 전극용 조성물층은,
    상기 자성물질층 및 상기 베이스 기판과 접하는 전기화학 소자의 전극 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극용 조성물층은
    상기 제1 베이스 기판 방향으로 돌출되는 제1 돌출부를 포함하고,
    상기 전극용 조성물층의 제1 돌출부는 상기 자성물질층 및 상기 베이스 기판과 접하는 전기화학 소자의 전극 구조.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 구조에서,
    상기 베이스 기판은 제2 자성재료를 포함하는 전기화학 소자의 전극 구조.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 구조에서,
    상기 전극용 조성물층은 제3 자성재료를 포함하는 전기화학 소자의 전극 구조.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 하나에 기재된 전극 구조를 포함하는 전기화학 소자.
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