KR20190114903A - 전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지 - Google Patents

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KR20190114903A
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이상균
이재헌
최백범
구자훈
김민욱
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 양극; 하나 이상의 음극; 및 교차로 적층된 상기 양극과 상기 음극의 사이를 분리시키는 전해질막을 포함하는 전고체 전지용 스택에 관한 것으로, 상기 양극은, 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극은, 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, 하나 이상의 상기 양극 집전체 또는 하나 이상의 상기 음극 집전체는, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.

Description

전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지{Stack for all-solid-state battery and all solid battery including the same}
본 발명은 전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 균일한 계면 접합이 가능한 전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지는 분리막에 의해 음극과 양극이 구획되는 구조여서 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 단락이 발생할 수 있으며 이로 인해 과열 또는 폭발 등의 위험으로 이어질 수 있다. 따라서 리튬 이온 이차 전지 분야에서 안전성을 확보할 수 있는 고체 전해질의 개발은 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.
이러한 전고체 전지의 경우, 셀 성능의 향상을 위해서는 전극 및 고체 전해질막층에 바인더 성분을 최소화하여 적층체를 만들어야만 한다. 또한 전극의 기공도도 이론적으로는 제로화가 필요하다.
전극 및 유닛 셀 스택(양극/전해질막/음극)에 압력을 가하여 전극 기공도 구현 및 전극/전해질막의 계면 접합 구현이 가능하지만, 별도의 압력을 가한 유닛 셀 스택들을 적층하면서 계면 접합하기가 매우 어려운 상황이다.
셀 스택 구성을 스택하기만 하고, 한번에 가압하는 공법이 적용될 수도 있지만, 이 경우 전체 구성들의 계면 간 가압 정도 차에 따른 계면 접합 불균일이 문제가 된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 집전체의 양면에 특정 전처리를 통해 균일한 계면 접합이 가능해진 전고체 전지용 스택 및 그를 포함하는 전고체 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 양극; 하나 이상의 음극; 및 교차로 적층된 상기 양극과 상기 음극의 사이를 분리시키는 전해질막을 포함하는 전고체 전지용 스택에 관한 것으로, 상기 양극은, 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극은, 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, 하나 이상의 상기 양극 집전체 또는 하나 이상의 상기 음극 집전체, 또는 이 둘 모두에는 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 전고체 전지용 스택이 제공된다.
이때, 상기 전고체 전지용 스택의 최외곽 면에 위치하는 전극의 양극 집전체 또는 음극 집전체, 또는 이 둘 모두에만, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 것일 수 있다.
그리고, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체의 요철이 형성된 타면의 표면 조도(Rz)는 각각 독립적으로 2.0㎛ 내지 7.0㎛일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 프라이머 탄소 코팅층은 두께가 0.5㎛ 내지 5㎛일 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 프라이머 탄소 코팅층은 탄소 재료 및 바인더 수지를 포함하는 것이다.
그리고, 상기 양극 집전체, 상기 음극 집전체 또는 이 둘 모두는 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 표면 처리된 것일 수 있다.
그리고, 상기 전해질막은 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 표면 처리된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 양극, 상기 음극, 상기 전해질막 또는 이 중 둘 이상은 고체 전해질을 포함하며, 여기에서 상기 고체 전해질 재료는 황화물계 고체 전해질을 포함하는 것이다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 본 발명에 따른 전고체 전지용 스택을 포함하는 전고체 전지가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 전극 집전체를 활용하여, 전고체 전지용 스택의 균일한 계면 접합이 가능해진다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 집전체를 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 일 실시양태에 따른 집전체를 포함하는 전극을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전고체 전지용 스택을 나타낸 것으로서, 양극과 음극이 전해질막을 개재하여 교번하여 적층되어 있는 모양을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 스택을 나타낸 것으로서, 스택의 최외곽측에 배치된 전극에 포함된 전극 집전체에만 프라이머 탄소 코팅층 및 요철이 형성된 것을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 전고체 전지용 스택을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 1에 따른 스택을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예에서 수득된 전지의 비저항 특성을 확인한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 전고체 전지용 스택은, 하나 이상의 양극; 하나 이상의 음극; 및 교차로 적층된 상기 양극과 상기 음극의 사이를 분리시키는 전해질막을 포함하는 전고체 전지용 스택(stack)에 관한 것이다. 상기 양극은, 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극은, 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 양면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다. 본 발명에 있어서 하나 이상의 상기 양극 집전체 또는 하나 이상의 상기 음극 집전체, 또는 이 둘 모두에는, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 전극 집전체를 활용하면, 전고체 전지용 스택에 적층된 소자들의 층간 접착력도 향상될 수 있고, 스택의 균일한 계면 접합이 가능하다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전고체 전지용 스택의 최외곽 면에 위치하는 전극의 양극 집전체 또는 음극 집전체에만, 또는 이 둘 모두에만, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 것일 수 있다.
프라이머 탄소 코팅의 단가가 비싸다는 단점이 있으므로, 스택의 최외곽 면에 위치하는 전극 집전체에만 프라이머 탄소 코팅층을 형성시킴으로써 프라이머 탄소 코팅의 사용 빈도를 낮춰 비용의 효율성을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 집전체(10)를 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 집전체는 음극, 양극 및 또는 이 둘 모두에 적용될 수 있다. 상기 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시양태를 더욱 상세하게 설명하면 상기 집전체는 전도성 박판(10b) 및 상기 전도성 박판의 일측 표면에 형성된 프라이머 탄소 코팅층(10a)을 포함한다. 상기 집전체에서 프라이머 탄소 코팅층(10a)이 형성되지 않은 전도성 박판의 타측 표면은 소정의 조도를 갖는 요철이 형성된 요철면(10c)이다. 상기 전도성 박판은 전기 전도성을 갖는 것으로서 예를 들어 전기 전도성을 갖는 금속 재료를 포함하는 금속판일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 구성적 특징을 갖는 집전체를 포함하는 전극(20)을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다. 이를 참조하면 상기 전극은 집전체의 양면에 전극 활물질층(21)이 형성되어 있다. 상기 전극 활물질층은 전극 활물질을 포함하는데 상기 전극 활물질이 양극 활물인 경우에는 상기 전극은 양극으로 사용되고, 상기 전극 활물질이 음극 활물질인 경우에는 상기 전극은 음극으로 사용된다. 도 2에서 도면 작성 편의상 요철면(10c)을 개략적으로 나타내었으며 이의 구체적인 형상은 도 1에 도시된 사항을 참조한다.
도 3은 양극과 음극이 전해질막을 개재하여 교번하여 적층된 전고체 전지용 스택(100)을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면 하나 이상의 양극(120a)과 하나 이상의 음극(120b)이 번갈아 적층되어 있으며 양극과 음극 사이에는 각각 고체 전해질막(130)이 개재되어 있다. 또한, 상기 각각의 양극과 음극은 본 발명에 따른 집전체(110)를 포함하고 있다. 상기 고체 전해질막은 양극과 음극 사이의 이온 전달 통로로 제공되는 것으로서 전자의 이동은 차단하여 전기 절연성 분리막의 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 스택(200)에 대한 것으로서, 하나 이상의 양극(220a)과 하나 이상의 음극(220b)이 번갈아 적층되어 있으며 양극과 음극 사이에는 각각 고체 전해질막(230)이 개재되어 있다. 스택의 최외곽측에 배치된 전극에 포함된 전극 집전체(210)에만 프라이머 탄소 코팅층 및 요철이 형성된 것을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 스택의 최상단 및 최하단에 배치된 전극의 집전체에는 일측면에 요철면이 형성되어 있으며 이의 반대면에는 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있다. 이 경우 스택의 최상단 전극과 최하단 전극의 사이에 배치된 전극(이하 '내측 전극' 이라고 함)에 포함된 집전체(240)는 요철면 및 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있지 않을 수 있다. 또 다른 일 실시양태에 따르면 내측 전극 중 적어도 하나 이상은 상기 요철면 및 프라이머 탄소 코팅층이 구비될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 전고체 전지용 스택(300)을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다. 이에 따르면 음극(320b)과 양극(320a) 사이에 전해질막(330)이 형성되어 있으며, 음극 및 양극은 집전체를 포함하고 각 집전체(310)는 일측면에 요철면(310c)이 형성되어 있으며 타측면에 프라이머 탄소 코팅층(미도시)이 형성되어 있다. 도 6은 비교예 1에 따른 스택(400)을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것으로서, 음극(420b)과 양극(420a)의 집전체(470)는 전도성의 금속 박막으로 요철면이나 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있지 않다. 도 6에서 도면 부호 430은 전해질막을 나타낸 것이다.
이러한 전극 집전체에 사용되는 전도성 박판은 예를 들어 금속판 등의 전기 전도성을 나타내는 것으로서 이차 전지 분야에서 공지된 집전체 재료로서 전극의 극성에 따라 적절한 것을 사용할 수 있다. 일 예로 양극 집전체의 경우에는 알루미늄 포일을 사용할 수 있고, 음극 집전체로는 구리 포일을 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 적용되는 전지의 특성에 따라 적절한 범위를 선택할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 집전체는 약 6㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 예를 들어 양극의 경우에는 약 8㎛ 내지 20㎛ 두께의 금속판, 예를 들어 알루미늄 포일이 사용될 수 있으며, 음극의 경우에는 약 6㎛ 내지 20㎛ 두께의 금속판, 예를 들어 구리 포일이 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 프라이머 탄소 코팅층은 집전체의 한쪽 표면에 형성되는 것으로서, 탄소 재료를 포함한다. 또한, 상기 프라이머 탄소 코팅층은 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 탄소 재료는 전자 전도성을 갖는 도전성의 탄소 재료인 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 이의 비제한적인 예로는 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 등을 들 수 있으며, 이 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적으로, 필요한 경우 상기 탄소 재료와 함께 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프라이머 탄소 코팅층은 0.5㎛ 내지 5㎛의 범위 내에서 적절한 두께를 가질 수 있다.
상기 바인더는 전기화학적으로 안정하고 전극을 구성하는 층간 결착력 및 탄소 재료의 고정을 위한 결착력을 제공하는 것이면 특별한 종류로 한정되는 것은 아니다. 이의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene) 등의 불소계 바인더, 폴리부틸 아크릴레이트 (polybutyl acrylate), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴 등의 아크릴계 바인더, SBR 등 고무계 바인더 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 프라이머 탄소 코팅층은 적절한 용매에 상기 탄소 재료 및 바인더를 투입하여 코팅층 형성용 분산액을 준비한 후 집전체의 일측 표면에 도포 및 건조하는 방식으로 형성될 수 있다. 상기 도포 방법은 공지된 용액 도포 방법 중 적절한 방법을 선택하여 수행될 수 있는데 예를 들어 그라비아 코팅의 방법으로 수행될 수 있다.
한편, 상기 양극 집전체 및/또는 상기 음극 집전체의 요철이 형성된 타면(요철면)의 표면 조도(Rz)는 각각 독립적으로 2.0㎛ 내지 7.0㎛인 것이며 상기 범위내에서 2.5㎛ 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 6.5㎛이하의 범위를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 표면 조도(Rz)는 십점평균조도를 의미한다.
상기 Rz 수치가 2.0 ㎛ 미만으로 낮은 경우에는 계면접합 개선 정도가 낮아서 계면접합을 위한 높은 프레스 압력이 요구된다. 따라서, 적정 프레스 압력인 500 Mpa 이하 내에서 필요한 계면접합을 구현하기 위해서는 상기 수치범위의 표면 조도(Rz)를 만족할 것이 요구된다.
본 발명에 있어서, 표면 조도(Rz)를 집전체의 표면에 도입하는 방법은 상기 범위의 표면 조도(Rz)를 형성할 수 있는 방법이면 특별한 방법으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 집전체로 사용되는 전도성 박판의 표면을 식각 용액으로 처리하거나, 표면에 요철을 갖는 전사 부재를 이용해서 집전체로 사용되는 전도성 박판의 표면을 가압함으로써 상기 전사 부재의 요철 형상을 집전체로 전사하는 등의 방법을 이용해서 집전체의 표면이 적절한 조도(Rz)를 갖도록 한다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전사 부재는 한 쌍의 가압 롤을 포함하는 롤 프레스 장치일 수 있다. 상기 가압 롤의 표면은 요철이 형성되어 있어 집전체가 상기 롤 프레스 장치를 통과하면서 가압 롤 표면의 요철 형상이 집전체의 표면으로 전사되고 이에 따라 집전체의 표면에 소정의 조도(Rz)를 갖는 요철면이 형성된다.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 집전체 및/또는 상기 음극 집전체는 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 표면 처리된 것일 수 있는데, 이러한 표면 처리를 통해, 전극 활물질층과의 접착력이 보다 향상될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 표면 처리는 적어도 프라이머 탄소 코팅층 형성전 수행되는 것이다.
한편, 본 발명의 전극 활물질층은, 복수의 전극 활물질 입자 및 상기 복수의 전극 활물질 입자들 표면의 적어도 일부에 코팅되어 있으며 상기 복수의 전극 활물질 입자들을 서로 연결시키는 고체 전해질을 포함하는 것일 수 있다.
나아가, 상기 전극 활물질층은, 상기 복수의 전극 활물질 입자의 표면과, 상기 고체 전해질의 내부 또는 표면에 분산되어 있는 도전재를 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 도전재는 통상적으로 전극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 10중량% 또는 0.1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 음극 활물질은 리튬이온 이차 전지의 음극 활물질로 사용 가능한 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 음극 활물질은 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤≤1), SnxMe1 -xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등에서 선택된 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 음극 활물질은 탄소계 물질 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 양극 활물질은 리튬이온 이차 전지의 양극 활물질로 사용 가능한 것이면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2 - xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있다. 그러나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 고체 전해질은 전극 활물질 입자의 표면에 코팅되어 있다. 특히, 상기 전극 활물질 입자들은 상기 고체 전해질을 매개로 하여, 점결착 및/또는 면결착하여 일체화된 전극 활물질층을 구성하도록 집적되어 있다.
그리고, 본 발명의 고체 전해질은, 전극의 종류에 따라 적절한 것을 사용할 수 있는데, 예를 들어 양극의 경우에는 산화 안정성이 우수한 고체 전해질을 사용하는 것이 바람직하고, 음극의 경우에는 환원 안정성이 우수한 고체 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 고체 전해질은 전극 내에서 주로 리튬 이온을 전달하는 역할을 하기 때문에, 이온 전도도가 높은 소재, 예를 들어 10-5 s/m 이상, 바람직하게는 10-4 s/m 이상인 것이면 어느 것이나 사용 가능하며, 특정한 성분으로 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 고체 전해질은, 용매화된 리튬염에 고분자 수지가 첨가되어 형성된 고분자 고체 전해질이거나, 유기용매와 리튬염을 함유한 유기 전해액, 이온성 액체, 모노머 또는 올리고머 등을 고분자 수지에 함유시킨 고분자 겔 전해질일 수 있으며, 나아가, 이온전도도가 높은 황화물계 고체 전해질 또는 안정성이 우수한 산화물계 고체 전해질일 수도 있다.
이때, 상기 황화물계 고체 전해질의 바람직한 예로는, Li2S-P2S5계 glass나, 결정성을 갖는 LGPS(Li10GeP2S12), LiSiPSCl, Li(SiGe)PS, Li(SiSn)PS, LiGePSO 등일 수 있고, 상기 산화물계 고체 전해질의 바람직한 예로는, Li7 - xLa3(Zr2-xNbx)O12 (0<x<2) 등일 수 있다.
이때, 상기 고분자 고체 전해질은 예를 들어, 폴리에테르계 고분자, 폴리카보네이트계 고분자, 아크릴레이트계 고분자, 폴리실록산계 고분자, 포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌 유도체, 알킬렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리이미드(PI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 이들 중 2 종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 고분자 고체 전해질은 고분자 수지로서 PEO(poly ethylene oxide) 주쇄에 PMMA, 폴리카보네이트, 폴리실록산(pdms) 및/또는 포스파젠과 같은 무정형 고분자를 공단량체로 공중합시킨 가지형 공중합체, 빗형 고분자 수지 (comb-like polymer) 및 가교 고분자 수지 등이 포함될 수 있고, 상기 고분자 들의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 고분자 겔 전해질은 리튬염을 포함하는 유기 전해액과 고분자 수지를 포함하는 것으로서, 상기 유기 전해액은 고분자 수지의 중량 대비 60~400 중량부를 포함하는 것이다. 겔 전해질에 적용되는 고분자는 특정한 성분으로 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리에테르계, PVC계, PMMA계, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리불화비닐리덴-육불화프로필렌(poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene: PVdF-HFP 등이 포함될 수 있다. 그리고 상기 고분자 들의 혼합물일 수 있다.
이때, 상기 리튬염은 이온화 가능한 리튬염으로서 Li+X-로 표현할 수 있다. 이러한 리튬염의 음이온으로는 특별히 제한되지 않으나, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-, (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.
본 발명의 전해질막은 음극과 양극 사이에 개재되는 것으로서, 음극과 양극을 전기적으로 절연하는 동시에 리튬 이온을 통과시키는 역할을 하는 것이다. 상기 전해질막은 통상의 전고체 전지 분야에서 사용되는 고분자 전해질막으로 사용되는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다.
그리고, 상기 전해질막은 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 표면 처리된 것일 수 있는데, 이러한 표면 처리를 통해, 그와 대면하는 전극 활물질층과의 접착력이 보다 향상될 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 본 발명의 전고체 전지용 스택을 포함하는 전고체 전지를 제공한다. 그리고, 본 발명은, 상기 전고체 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
1. 스택의 준비
실시예 1 내지 실시예 3
1) 양극 및 음극 집전체의 준비
두께 20㎛의 알루미늄 박막(Rz 1.0+/-0.3㎛) 및 두께 12㎛의 구리 박막(Rz 1.3+/-0.2㎛)을 준비하였다. 상기 박막들의 표면에 한 쌍의 가압 롤이 구비된 롤프레스 장치를 이용하여 요철을 도입하였다. 상기 가압 롤은 표면에 미리 요철이 형성된 것으로서, 이의 역상이 박막들에 전사되도록 하였다. 그 결과 각 박막은 아래 [표 1]에 기재된 표면 조도(Rz)를 나타내었다.
다음으로 아래와 같은 방법으로 요철이 도입된 각 박막들의 한쪽 표면에 프라이머 탄소 코팅층을 형성하였다. 카본 블랙과 폴리비닐리덴플루오라이드를 98:2의 중량비로 혼합하고 이를 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)에 투입하여 코팅층용 분산액을 제조하였다. 그라이어 코팅 방식을 이용해서 상기 분산액을 각 박막들의 한쪽 표면에 코팅하였다. 형성된 코팅층은 각각 두께가 2㎛였다. 이와 같은 방법으로 한쪽 표면은 요철이 도입되고 한쪽 표면은 프라이머 탄소 코팅층이 형성된 집전체를 수득하였다.
2) 전극의 제조
양극 활물질(LiCoO2, LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2 및 LiNi0 . 8Co0 . 15Al0 . 05O2의 혼합물), 고체 전해질(Li10GeP2S12), 도전재(카본 블랙) 및 바인더 수지(NBR in xylene)을 중량비로 65:25:5:5의 비율로 혼합된 전극 합재를 상기에서 수득한 집전체의 양면에 코팅하여 양극을 제조하였다. 각 전극 활물질층의 두께는 50㎛ 였다.
음극 활물질(흑연 및 SiO의 혼합물), 고체 전해질(Li10GeP2S12), 도전재(카본 블랙) 및 바인더 수지(NBR in xylene)을 중량비로 65:25:5:5의 비율로 혼합된 전극 합재를 상기에서 수득한 집전체의 양면에 코팅하여 양극을 제조하였다. 각 전극 활물질층의 두께는 50㎛ 였다.
3) 스택의 제조
Li10GeP2S12 100%의 고체 전해질막(200㎛)을 준비하였다. 이의 양면에 상기 양극과 음극을 적층하였다. 이를 지그 셀로 가압하여 전지를 제조하였다. 이때 압력은 400Mp로 하였다.
비교예 1
롤 프레스 장치를 이용해서 표면에 요철을 도입하는 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
비교예 1
표면 조도(Rz)
단위: ㎛		 실시예 1
표면 조도(Rz)
단위: ㎛		 실시예 2
표면 조도(Rz)
단위: ㎛		 실시예 3
표면 조도(Rz)
단위: ㎛
알루미늄 박막 1.0 +/- 0.3 5.0 +/- 0.4 3.5 +/- 0.5 6.0 +/- 0.5
구리 박막 1.3 +/- 0.2 3.7 +/- 0.5 3.0 +/- 0.5 3.7 +/- 0.5
2. 평가 실험 결과
상기 실시예 및 비교예에서 수득된 전지에 대해 가압장치를 이용해서 50kgf로 가압한 상태에서 저항(DC 저항)을 측정하였다. 수득된 저항값을 스택의 두께로 나누어 계면 저항값을 산출하였다. 도 7은 실시예 및 비교예의 비저항 특성을 정리하여 나타낸 것이다. 이에 따르면 실시예에서 수득된 전지의 경우 비교예에 비해 더욱 우수한 비저항 특성을 나타내는 것으로 확인되었다.
[부호의 설명]
10 집전체, 10a 탄소 코팅층, 10b 전도성 박판, 10c 요철면, 20 전극, 21 전극 활물질층, 100 전고체 전지용 스택, 120a 양극, 120b 음극, 110 집전체, 130 고체 전해질막, 200 전고체 전지용 스택, 220a 양극, 220b 음극, 210 집전체, 230 고체 전해질막, 240 내측 전극에 포함된 집전체, 300 실시예 1에 따른 전고체 전지용 스택, 320a 양극, 320b 음극, 310 집전체, 310a 탄소 코팅층, 310b 전도성 박판, 310c 요철면, 400 비교예 1에 따른 스택, 420a 양극, 420b 음극, 470 집전체, 430 전해질막

Claims (10)

  1. 하나 이상의 양극; 하나 이상의 음극; 및 교차로 적층된 상기 양극과 상기 음극의 사이를 분리시키는 전해질막을 포함하는 전고체 전지용 스택에 관한 것으로,
    상기 양극은, 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하고,
    상기 음극은, 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 양면에 형성된 양극 활물질층을 포함하며,
    하나 이상의 상기 양극 집전체 또는 하나 이상의 상기 음극 집전체 또는 이 둘 모두는, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전고체 전지용 스택의 최외곽 면에 위치하는 전극의 양극 집전체, 음극 집전체 또는 이 둘 모두에만, 일면에 프라이머 탄소 코팅층이 형성되어 있고, 타면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체의 요철이 형성된 타면의 표면 조도(Rz)는 각각 독립적으로 2.0 내지 7.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프라이머 탄소 코팅층은 탄소 재료 및 바인더 수지를 포함하는 것인 전고체 전지용 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프라이머 탄소 코팅층은 두께가 0.5㎛ 내지 5㎛인 것인 전고체 전지용 스택
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양극 집전체 또는 상기 음극 집전체 또는 이 둘 모두는 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해질막은 플라즈마 처리 또는 코로나 처리로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양극, 음극, 전해질막 또는 이 중 둘 이상은 고체 전해질을 포함하는 것인 전고체 전지용 스택.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고체 전해질 재료는 황화물계 고체 전해질을 포함하는 것인 전고체 전지용 스택.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전고체 전지용 스택을 포함하는 전고체 전지.
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