KR20180136311A - 롤러블 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가요성 및 투습 방지 효율이 우수하면서 벤딩 실험후에도 내구성을 갖는 롤러블 배터리에 관한 것이다.
롤러블 배터리는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극을 분리시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 전해질; 및 상기 전극 조립체와 전해질을 내부 공간에 내장하는 플렉서블 파우치를 포함하고, 상기 플렉서블 파우치의 외장재는, 접착층; 상기 접착층 위에 형성되며 투습 방지 기능을 갖는 고분자 기재; 및 상기 고분자 기재 위에 형성되며 투습 방지 및 가스 배리어 기능을 갖는 금속층;을 포함한다.

Description

롤러블 배터리{Rollable Battery}
본 발명은 롤러블 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가요성 및 투습 방지 효율이 우수하면서 벤딩 실험후에도 내구성을 갖는 롤러블 배터리에 관한 것이다.
최근, 휴대용 전화기, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 전자기기의 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 특히 두루마리형 디스플레이, 플렉서블 전자종이(flexible e-paper), 플렉서블 액정표시장치(flexible liquid crystal display, flexible-LCD), 플렉서블 유기발광다이오드(flexible organic light-emitting diode, flexible-OLED) 등이 적용된 플렉서블 모바일 전자기기에 대한 관심이 증가하고 있다.
이에 따라, 플렉서블 모바일 전자기기를 위한 전원공급장치, 즉 배터리는 박막이면서 가요성을 갖는 플렉서블 배터리가 요구되고 있다.
일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극과 음극, 및 양극과 음극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급한다.
박막의 플렉서블 배터리는 하우징으로서 가요성을 갖는 플렉서블 파우치 형태가 바람직하며, 양극과 음극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질도 액체 전해질보다 겔형 또는 고체형 전해질을 사용하는 것이 바람직하다.
최근, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 파우치에 넣고 실링하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0132037호에는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극을 분리시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체, 전해질, 및 상기 전극 조립체와 전해질을 내부 공간에 내장하는 파우치를 포함하고, 상기 파우치의 외장재는, 고분자 기재, 및 상기 고분자 기재에 적층되고, 금속층 또는 세라믹층으로 이루어진 적어도 하나의 베리어층을 포함하는 플렉서블 배터리가 제안되어 있다.
상기 플렉서블 배터리는 가요성 및 투습 방지 효율이 우수한 플렉서블 배터리용 파우치를 이용하여 플렉서블 배터리를 제안하고 있으나, 고분자 기재에 금속층 또는 세라믹층의 베리어층이 적층된 외장재 구조는 실링 공정을 진행한 후 단차로 인하여 코팅층에 크랙이 발생하여 누액이 발생하는 문제가 있다.
: 한국 공개특허공보 제10-2015-0132037호
본 발명은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 가요성 및 투습 방지 효율이 우수하면서 벤딩 실험후에도 내구성을 갖는 롤러블 배터리를 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예의 롤러블 배터리는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극을 분리시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 전해질; 및 상기 전극 조립체와 전해질을 내부 공간에 내장하는 플렉서블 파우치를 포함하고, 상기 플렉서블 파우치의 외장재는, 접착층; 상기 접착층 위에 형성되며 투습 방지 기능을 갖는 고분자 기재; 및 상기 고분자 기재 위에 형성되며 투습 방지 및 가스 배리어 기능을 갖는 금속층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 롤러블 배터리는 상기 금속층 위에 표면을 보호하기 위한 표면보호층을 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 가요성 및 투습 방지 효율이 우수하면서 벤딩 실험후에도 내구성을 갖는다.
본 발명에서는 플렉서블 파우치의 외장재를 고분자 기재의 일측에 접착층을 형성하고, 타측에 투습 방지 및 가스 배리어 기능을 갖는 금속층을 형성하여 다층 구조로 구현하여, 가요성 및 투습 방지 효율이 우수한 박막 형태의 롤러블 배터리를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 롤러블 배터리를 나타내는 평면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 파우치의 외장재의 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 롤러블 배터리(100)는 플렉서블 파우치(110); 플렉서블 파우치(110)의 내부 공간에 삽입되는 플렉서블 전극 조립체(140) 및 전해질(미도시)로 구성된다.
플렉서블 파우치(110)의 내부 공간(113)에 플렉서블 전극 조립체(140) 및 전해질을 삽입하여 실링하면, 롤러블 배터리를 제조하게 된다.
플렉서블 전극 조립체(140)는 음극과 양극 사이에 분리막(미도시)이 개재된다. 음극과 양극 각각에는 음극 집전체와 양극 집전체에 음극단자(120)와 양극단자(130)가 대응되어 연결되어 있으며, 파우치의 외부로 노출된다.
이때, 파우치(110)의 내부 공간(113)에는 플렉서블 전극 조립체(140)와 함께 전해질도 함께 내장된다. 전해질이 액체 전해질인 경우, 파우치(110)의 내부 공간(113)에는 플렉서블 전극 조립체(140)를 삽입시키고, 액체 전해질을 내부 공간에 투입한 후, 실링한다. 그리고, 전해질이 겔형 전해질인 경우, 음극과 양극 각각과 분리막 사이에 겔형 전해질이 위치된 플렉서블 전극 조립체를 파우치(110)의 내부 공간(113)에 삽입시킨 후 실링하면 된다.
상술된 플렉서블 전극 조립체(140)는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극을 분리시키는 분리막을 포함하며, 양극에는 양극 활물질층이 형성되어 있고, 음극에는 음극 활물질층이 형성되어 있다.
양극 활물질층은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질의 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, V2O5, V6O13 또는 LiNi1-x-yCoxMyO2(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 양극 활물질 이외에도 다른 종류의 양극 활물질을 사용하는 것도 물론 가능하다.
음극 활물질층은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 탄소 섬유, 또는 탄소 복합체의 탄소계 음극 활물질, 주석 산화물, 이들을 리튬화한 것, 리튬, 리튬합금 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 음극 활물질로 종류가 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에서 분리막은 음극 활물질층을 커버하도록 각각 전해액에 팽윤이 이루어지며 전해질 이온의 전도가 가능한 고분자로 이루어지는 제1 무기공 고분자 필름층과, 내열성 고분자 또는 내열성 고분자 및 팽윤성 고분자와, 무기물 입자의 혼합물의 초극세 섬유상으로 이루어진 무기물 함유 다공성 고분자 웹층으로 구현할 수 있다.
그리고, 분리막은 제1 무기공 고분자 필름층 대신에 팽윤성 고분자를 전기방사하여 얻어지는 다공성 고분자 웹 또는 부직포를 사용하는 것도 가능하다. 다공성 고분자 웹은 예를 들어, 팽윤성 고분자를 용매에 용해시켜 방사용액을 형성한 후, 방사용액을 음극 활물질층 위에 전기방사하여 초극세 섬유로 이루어진 다공성 고분자 웹을 형성하고, 고분자(예를 들어, PVDF)의 융점 보다 낮은 온도에서 다공성 고분자 웹을 캘린더링함에 의해 다공성 고분자 웹층이 얻어진다.
여기서, 음극에서 음극 활물질층을 커버하도록 형성되는 제1 무기공 고분자 필름층은 전해액에 팽윤이 이루어지며 전해질 이온의 전도가 가능한 고분자, 예를 들어, PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드), PEO(Poly-Ethylen Oxide), PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), TPU(Thermoplastic Poly Urethane) 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 제1 무기공 고분자 필름층은 고분자를 용매에 용해시켜 방사용액을 형성한 후, 방사용액을 음극 활물질층 위에 전기방사하여 초극세 섬유상으로 이루어진 다공성 고분자 웹을 형성하고, 고분자의 융점 보다 낮은 온도에서 다공성 고분자 웹을 열처리하거나 캘린더링을 실시함에 의해 무기공의 고분자 필름층이 얻어진다.
전해질은 액체 전해질 또는 고분자 고체 전해질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 롤러블 배터리에서, 액체 전해질을 사용하게 되면 리튬 이온 플렉서블 배터리가 되고, 고분자 고체 전해질을 사용하는 경우 리튬 폴리머 플렉서블 배터리가 된다. 여기서, 리튬 폴리머 플렉서블 배터리는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 플렉서블 배터리와 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 플렉서블 배터리를 포함한다.
상기 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 플렉서블 배터리는 겔 폴리머 형성용 모노머와 중합 개시제가 혼합된 유기 전해액을 주입하고 부가중합반응을 일으킴에 의해 겔 폴리머 형성용 모노머는 중합반응에 의해 겔형 고분자 전해질을 형성한다.
플렉서블 파우치(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 투습 방지 기능을 갖는 고분자 기재(20)의 일측에 접착층(10)을 형성하고 타측에 투습 방지 및 가스 배리어 기능을 갖는 금속층(30)을 형성한다.
또한, 금속층(30)의 상부에는 표면보호층(40)이 형성될 수 있다.
상기 투습 방지 기능을 갖는 고분자 기재(20)는 예를 들어, PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름을 사용할 수 있다.
상기 고분자 기재(20)의 일측에 형성되는 접착층(10)은 예를 들어, 실링성이 양호한 고분자 수지를 사용할 수 있으며, 특히, CPP(Casting Polypropylene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조로 사용할 수 있다.
고분자 기재(20)의 타측에 투습 방지 및 가스 배리어 기능을 갖는 금속층(30)은 스퍼터링, 화학 기상 증착 등의 방법으로 Al, Cu, Cr 등으로 구현하는 것이 바람직하며, 이외의 금속, 이들이 조합된 합금 및 이들의 적층구조도 가능하다.
금속층(30)의 상부에 형성되는 표면보호층(40)은 예를 들어, PET 필름을 사용할 수 있다.
이하에 본 발명의 실시예에 따른 롤러블 배터리(100)의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 롤러블 배터리(100)는 투습 방지 기능을 갖는 고분자 기재(20)로서 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름의 일측면에 롤-투-롤 방법으로 금속층(30)으로 Al을 스퍼터링 방법으로 형성한다.
이어서, 고분자 기재(20)의 타측면에 접착층(10)으로서 CPP 필름을 부착한다.
상기 적층된 다층 구조의 외장재를 파우치 크기로 커팅한 후 한쌍의 적층 필름의 외곽을 열압착하여 3측면에 실링부(111)가 형성된 파우치(110)를 형성한다.
그 후, 음극, 양극 및 분리막으로 이루어진 전극 조립체(140)를 스택킹(stacking) 방식으로 조립한 후 파우치(110) 내부에 삽입하고, 전해액을 충진한 후, 입구를 엔드 실링하여 조립한다.
본 발명에서는 상기한 조립방법 이외에 고분자 기재(20)로서 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름의 일측면에 접착층(10)으로서 CPP 필름을 부착하고, 스택킹(stacking) 방식으로 전극 조립체(140)를 조립한 후, 조립된 배터리 셀에 스퍼터링 방법으로 금속층(30)을 형성하는 공정을 채용할 수 있다.
전술된 본 발명의 롤러블 배터리는 웨어러블 디바이스, E-paper, E-Mobile, 손목 혈액 측정기와 같은 의료기구, 웨어러블 무전기와 같은 휴대용 군수품 등의 응용 제품에 적용될 수 있다.
본 발명은 가요성 및 투습 방지 효율이 우수한 롤러블 배터리에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 접착층 20: 고분자 기재
30: 금속층 40: 표면보호층
100: 롤러블 배터리 110: 플렉서블 파우치
111: 실링부 113: 내부 공간
120: 음극단자 130: 양극단자
140: 전극 조립체

Claims (1)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극을 분리시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    전해질; 및
    상기 전극 조립체와 전해질을 내부 공간에 내장하는 플렉서블 파우치를 포함하고,
    상기 플렉서블 파우치의 외장재는,
    접착층;
    상기 접착층 위에 형성되며 투습 방지 기능을 갖는 고분자 기재;
    상기 고분자 기재 위에 형성되며 투습 방지 및 가스 배리어 기능을 갖는 금속층;을 포함하는 롤러블 배터리.
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