KR20200081332A - 가요성 리튬 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 집전층과 제2 집전층을 포함하는 가요성 리튬 배터리를 제공하는 것으로, 제1 집전층은 제1 외표면과 제1 내표면을 구비하고, 제2 집전층은 제2 외표면과 제2 내표면을 구비하며, 제1 내표면과 제2 내표면 사이에는 접착제 프레임이 개재되어 설치되어, 폐쇄 공간을 형성하며, 이와 같은 폐쇄 공간의 내부에는 제1 활성 물질층, 제2 활성 물질층 및 제1 활성 물질층과 제2 활성 물질층 사이에 설치되는 전기적 절연층을 포함하는 전기화학 시스템 층이 수용되어 설치되며, 제1 내표면과 제1 활성 물질층 사이 및/또는 제2 내표면과 제2 활성 물질층 사이에는 연성 접착층이 설치되는 것으로, 상기 연성 접착층은 접착제와 도전 첨가물로 조성되며, 상기 접착제는 선상 구조 콜로이드와 입체 구조 콜로이드로 조성되는 것이다.

Description

가요성 리튬 배터리
본 발명은 배터리(battery, 電池) 구조에 관한 것으로, 특히 가요성 리튬 배터리에 관한 것이다.
인성적 과학기술의 수요 하에, 각종 착용형 전자 장치도 이에 상응하여 생겨나게 되었고, 각종 착용형 전자 장치가 가볍고 얇아야 한다는 추세에 보다 부합되도록 하기 위하여, 전자 장치 내부의 공간 분배가 중요한 과제로 부각되면서, 평면이 아닌 면에 설치 가능한 가요성 배터리는 이와 같은 과제에 하나의 해결 방책을 가져다 주게 된다. 도 1을 참조하면, 이는 현재의 가요성 배터리에 대한 구조 투시도이다. 도 1에서 도시하는 바와 같이, 이와 같은 가요성 배터리(10)는 주로 제1 집전층(12), 제2 집전층(14), 제1 집전층(12)과 제2 집전층(14) 사이에 개재되어 설치되는 글루(glue) 프레임(16)을 포함함으로써, 폐쇄 공간(18)을 형성하게 되는데, 이와 같은 폐쇄 공간(18) 내부에는 제1 활성 물질층(20), 전기적 절연층(22) 및 제2 활성 물질층(24)이 순차적으로 설치되고, 제1 활성 물질층(20), 전기적 절연층(22) 및 제2 활성 물질층(24)이 전기화학 시스템 층(26)을 구성하게 되며, 제1 활성 물질층(20)과 제1 집전층(12)은 접촉되고, 제2 활성 물질층(24)은 제2 집전층(14)과 접촉된다. 이와 같은 가요성 리튬 배터리(10)는 전체적으로 동적으로 휘어질 수 있다는 특성을 갖고 있으나, 휘어지는 과정에서 집전층(12, 14)이 그 인접하는 활성 물질층(20, 24)과 매우 쉽게 분리되어 단락(短絡)을 초래하게 된다.
상술한 요소를 감안하면, 본 발명은 이와 같은 단점에 대하여, 참신한 가요성 리튬 배터리를 제안함으로써, 상술의 이과 같은 문제들을 효과적으로 극복하고자 한다.
본 발명의 주요 목적은 가요성 리튬 배터리를 제공하는 것으로, 이와 같은 리튬 배터리는 집전층과 활성 물질층 사이에 연성 접착층을 설치함으로써, 배터리가 굴절될 때, 집전층과 활성 물질층이 분리되면서 단락이 발생하는 것을 방지하고자 한다.
본 발명의 두 번째 목적은 가요성 리튬 배터리를 제공하는 것으로, 이와 같은 리튬 배터리는 전기화학 시스템 층과 연성 접착층을 모두 제1 집전층, 제2 집전층 및 접착제 프레임으로 형성된 폐쇄 공간 내부에 밀봉시키고자 하는 것이다.
상술한 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 가요성 리튬 배터리를 제공하는 것으로, 상기 배터리는 주로 제1 외표면 및 제1 내표면을 구비하는 제1 집전층; 제2 외표면 및 제2 내표면을 구비하는 제2 집전층; 상기 제1 내표면과 상기 제2 내표면 사이에 개재되어 설치되는 것으로, 상부 표면 및 하부 표면은 상기 제1 내표면 및 상기 제2 내표면과 접착되고, 상기 제1 집전층과 상기 제2 집전층과 함께 폐쇄 공간을 형성하는 밀폐형으로 구성되는 접착제 프레임; 및 상기 폐쇄 공간 내부에 설치되어, 상기 접착제 프레임의 내측 표면과 인접되게 설치되는 것으로, 제1 활성 물질층, 제2 활성 물질층 및 상기 제1 활성 물질층과 상기 제2 활성 물질층 사이에 설치되는 전기적 절연층을 포함하는 전기화학 시스템 층;을 포함하는 것으로, 상기 제1 내표면과 상기 제1 활성 물질층 사이에, 및/또는 상기 제2 내표면과 상기 제2 활성 물질층 사이에 연성 접착층이 설치되고, 상기 연성 접착층은 접착제와 접착제에 혼합되는 도전 첨가물로 조성되며, 상기 접착제는 선상 구조 콜로이드와 입체 구조 콜로이드로 조성된다.
여기에서, 상기 선상 구조 콜로이드는 선상 고분자(linear polymer)로 조성되고, 선상 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethene; PTFE), 아크릴산 콜로이드(Acrylic Acid Glue), 에폭시수지(Epoxy), 폴리옥시에틸렌(PEO), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose; CMC), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene; SBR), 폴리메틸 아크릴산(polymethylacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP) 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
여기에서, 상기 입체 구조 콜로이드는 가교 고분자(cross-linking polymer)로 조성되고, 상기 가교 고분자는 에폭시수지(Epoxy), 아크릴수지(Acrylic Acid), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 네트워크형 가교 고분자이거나, 또는 폴리이미드(polyimide; PI) 및 그 유도체의 사다리형(ladder) 가교 고분자이다.
여기에서, 상기 도전 첨가물과 상기 접착제의 중량비는 1:1에서 7:3 사이이다.
여기에서, 상기 도전 첨가물과 상기 입체 구조 콜로이드의 중량비는 5:2에서 7:3 사이이다.
여기에서, 상기 선상 구조 콜로이드와 상기 입체 구조 콜로이드의 중량비는 3:2에서 9:1 사이이다.
여기에서, 상기 연성 접착층의 두께는 4μm~10μm 이다.
여기에서, 상기 도전 첨가물의 형상은 구(球)형, 관(管)형 또는 편상(片狀)형이거나, 또는 이들의 혼합형이다.
여기에서, 구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물은 카본블랙이다.
여기에서, 구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 평균 입경은 40나노미터이다.
여기에서, 상기 구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 표면적은 60㎡/g~300㎡/g이다.
여기에서, 관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물은 탄소 튜브이다.
여기에서, 관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 관 지름은 약 5~150 나노미터이고, 길이는 5~20 마이크로미터이다.
여기에서, 상기 관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 표면적은 표면적은 20㎡/g~400㎡/g인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
여기에서, 편상형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물은 흑연, 그래핀, 또는 이들의 조합이다.
여기에서, 편상형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 평균 입경은 3.5 마이크로미터이다.
여기에서, 상기 편상형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 표면적은 20㎡/g 이다.
도 1은 현재의 가요성 리튬 배터리에 대한 구조 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 단면도이다.
도 3은 도 2의 실시예의 부분 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 구조 단면도이다.
본 발명은 가요성 리튬 배터리가 굴절된 후, 집전층과 활성 물질층이 굴절로 인해 분리되어 단락이 발생되는 문제에 대한 해결방법을 안출한다.
도 2를 참조하면, 도면에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 가요성 리튬 배터리(30)는 주로 제1 집전층(12), 제2 집전층(14), 접착제 프레임(16) 및 전기화학 시스템 층(26)을 포함한다. 제1 집전층(12)은 제1 외표면(a) 및 제1 내표면(b)을 구비한다. 제2 집전층(14)은 제2 외표면(c) 및 제2 내표면(d)을 구비한다. 접착제 프레임(16)은 밀폐된 구조인 것으로, 제1 내표면(b)과 제2 내표면(d) 사이에 개재되어 설치되는 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 접착제 프레임(16)의 상부 표면 및 하부 표면은 제1 집전층(12)의 제1 내표면(b) 및 제2 집전층(14)의 제2 내표면(d)과 각각 접착되는 것으로, 따라서, 접착제 프레임(16), 제1 집전층(12) 및 제2 집전층(14)은 폐쇄 공간(18)을 형성한다. 전기화학 시스템 층(26)은 폐쇄 공간(18) 내부에 설치되되 접착제 프레임(16)의 내측 표면(e)에 인접되게 설치되는 것으로, 전기화학 시스템 층(26)은 제1 집전층(12)에서 제2 집전층(14)으로의 방향 상으로, 순차적으로 제1 활성 물질층(20), 제2 활성 물질층(24) 및 제1 활성 물질층(20)과 제2 활성 물질층(24) 사이에 설치되는 전기적 절연층(22)을 포함한다. 제1 내표면(b)과 제1 활성 물질층(20) 사이에는 제1 연성 접착층(32)이 설치되는 것으로, 제1 활성 물질층(20)과 동일한 것은, 제1 연성 접착층(32) 역시 접착제 프레임(16)의 내측 표면(e)에 인접되게 설치되며, 제1 연성 접착층(32)은 접착제와 상기 접착제에 혼합되는 도전 첨가물(34)로 구성된다. 접착제는 선상 구조 콜로이드와 입체 구조 콜로이드로 조성된다.
전기화학 시스템 층(26)과 제1 연성 접착층(32)이 모두 제1 집전층(12), 제2 집전층(14) 및 접착제 프레임(16) 내부에 완벽하게 밀봉되고, 또한 접착제 프레임(16)이 숙화(熟化) 반응 후에도 여전히 연성의 밀봉 콜로이드이기 때문에, 따라서 전기화학 시스템 층(26)과 제1 연성 접착층(32)은 수 차례의 굴곡을 거친 후에도 여전히 쉽게 파손되지 않는다.
상기 도전 첨가물(34)과 상기 접착제의 중량비는 1:1에서 7:3 사이이다. 상기 도전 첨가물(34)과 상기 입체 구조 콜로이드의 중량비는 5:2에서 7:3 사이이다. 상기 선상 구조 콜로이드와 상기 입체 구조 콜로이드의 중량비는 3:2에서 9:1 사이이다. 제1 연성 접착층(32)의 두께는 약 4μm~10μm 이다.
상기 도전 첨가물(34)의 형상은 구(球)형, 관(管)형 또는 편상(片狀)형의 형상을 갖거나 또는 이들이 혼합된 것이다. 예를 들면, 구(球)형의 형상을 갖는 경우, 상기 도전 첨가물(34)은 카본블랙(carbon black)일 수 있다. 구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물(34)의 평균 입경은 약 40나노미터이고, 표면적은 약 60㎡/g~300㎡/g이다. 관(管)형의 형상을 갖는 경우, 상기 도전 첨가물(34)은 탄소 튜브일 수 있다. 관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물(34)의 관 지름은 약 5~150 나노미터이고, 길이는 약 5μm~20μm 이며, 표면적은 약 20㎡/g~400㎡/g이다. 편상(片狀)형의 형상을 갖는 경우, 상기 도전 첨가물(34)은 흑연, 그래핀이거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 편상 형의 형상을 갖는 상기 도전 첨가물(34)의 평균 입경은 약 3.5μm이고, 표면적은 약 20㎡/g이다.
선상 구조 콜로이드는 소정의 유연도를 갖는 선상 고분자(linear polymer)로 조성될 수 있고, 선상 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethene; PTFE), 아크릴산 콜로이드(Acrylic Acid Glue), 에폭시수지(Epoxy), 폴리옥시에틸렌(PEO), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose; CMC), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene; SBR), 폴리메틸 아크릴산(polymethylacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP) 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
입체 구조 콜로이드가 가교 고분자(cross-linking polymer)로 조성되는 경우, 가교 고분자는 에폭시수지(Epoxy), 아크릴수지(Acrylic Acid), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 네트워크형 가교 고분자이거나, 또는 폴리이미드(polyimide; PI) 및 그 유도체의 사다리형(ladder) 가교 고분자이다.
본 발명은 가교 고분자를 이용하여 탁월한 열안정성 및 내열성을 구비하는 특성을 갖는 것으로, 가요성 배터리의 셋업 과정에서의 열처리를 실행할 때, 예를 들면, 가열 압축 공정의 경우, 가교 고분자가 고온을 견딜 수 있고 융화(融化)되지 않으며, 또한 선상 고분자과 비교 시, 가교 고분자 자체의 고분자 구조에는 보다 많은 입체 분기 사슬이 구비되므로, 고온(또는 고온고압)의 공정 하에서 가교 고분자는 선상 고분자가 결정을 형성 시의 장해로 되어, 선상 고분자가 형성하는 결정의 사이즈 및 그 결정의 정도를 제한함으로써, 결정이 초래하는 입체 장해를 저하시켜, 이온이 원활하게 통과되도록 한다.
도 3에서 도시하는 바와 같이, 도전 첨가물(34)은 제1 활성 물질층(20)과 제1 집전층(12) 사이의 전기적 전도 특성을 개선하는 것 외에, 도전 첨가물(34)의 존재에 의해 선상 구조 콜로이드와 입체 구조 콜로이드가 충진해야 하는 공간을 한층 더 줄이게 되는 것으로, 예를 들면, 선상 구조 콜로이드와 입체 구조 콜로이드가 충진해야 하는 공간은 두 개의 인접되는 도전 첨가물(34)의 간격(T)에 존재하게 될 것으로, 이렇게 하면 선상 구조 콜로이드의 공정에 따른 가열 압축 처리 또는 가압 처리로 인해 초래되는 결정은 효과적으로 방지할 수 있고, 가요성 능력은 증가시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 배터리가 외부의 힘을 받아 굴절되는 경우, 도전 첨가물(34)은 또한 제1 연성 접착층(32)이 외부의 힘을 감당하는 노드로서의 역할을 할 수 있다. 다시 말해서, 도전 첨가물(34)의 사이즈가 작고 또한 도핑 수량이 꽤나 많은 경우에, 노드의 수량을 상대적으로 많도록 하게 하면, 두 개의 노드 간의 접착제가 감당하는 변형량은 도전 첨가물(34)을 첨가하지 않은 접착제에 비하여 현저하게 감소하게 되는 것으로, 이에, 제1 연성 접착층(32)과 제1 집전층(12)의 제1 내표면(b) 및 제1 활성 물질층(20)의 접착 상태는 보다 완벽하게 된다.
비록 상술한 실시예에서 설명한 도전 첨가물(34)과 접착제는 모두 가요성 리튬 배터리(30)의 전기적 절연층(22)의 일측 어셈블리 상에 존재하는 것이나, 이를 전기적 절연층(22)의 타측 어셈블리에도 설치할 수 있는 것을 본 분야 기술자는 잘 알 것이다. 예를 들면, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 제2 내표면(d)과 제2 활성 물질층(24) 사이에도 제2 연성 접착층(36)을 단독으로 또는 동시에 설치할 수 있다. 제2 연성 접착층(36)의 성분은 제1 연성 접착층(32)을 조성하는 성분과 동일한다.
하지만, 이상에서 설명한 내용은 단지 본 발명의 비교적 바람직한 실시예인 것으로, 본 발명의 특허보호 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 특허청구범위에 따른 특징 및 사상에 따라 실행한 모든 등가의 변형 또는 수정은 모두 본 발명의 청구범위에 포함되어야 한다.
(종래 기술)
10: 가요성 리튬 배터리 12: 제1 집전층
14: 제2 집전층 16: 접착제 프레임
18: 폐쇄 공간 20: 제1 활성 물질층
22: 전기적 절연층 24: 제2 활성 물질층
26: 전기화학 시스템 층
(본 발명)
30: 가요성 리튬 배터리 12: 제1 집전층
14: 제2 집전층 16: 접착제 프레임
18: 폐쇄 공간 20: 제1 활성 물질층
22: 전기적 절연층 24: 제2 활성 물질층
26: 전기화학 시스템 층 32: 제1 연성 접착층
34: 도전 첨가물 36: 제2 연성 접착층
a: 제1 외표면 b: 제1 내표면
c: 제2 외표면 d: 제2 내표면
e: 내측표면 T: 간격

Claims (17)

  1. 제1 외표면 및 제1 내표면을 구비하는 제1 집전층;
    제2 외표면 및 제2 내표면을 구비하는 제2 집전층;
    상기 제1 내표면과 상기 제2 내표면 사이에 개재되어 설치되는 것으로, 상부 표면 및 하부 표면은 각각 상기 제1 내표면 및 상기 제2 내표면과 접착되고, 상기 제1 집전층과 상기 제2 집전층과 함께 폐쇄 공간을 형성하는 밀폐형으로 구성되는 접착제 프레임; 및
    상기 폐쇄 공간 내부에 설치되어, 상기 접착제 프레임의 내측 표면과 인접되게 설치되는 것으로, 제1 활성 물질층, 제2 활성 물질층 및 상기 제1 활성 물질층과 상기 제2 활성 물질층 사이에 설치되는 전기적 절연층을 포함하는 전기화학 시스템 층;을 포함하는 가요성 리튬 배터리에 있어서,
    상기 제1 내표면과 상기 제1 활성 물질층 사이에, 및/또는 상기 제2 내표면과 상기 제2 활성 물질층 사이에 연성 접착층이 설치되고, 상기 연성 접착층은 상기 접착제 프레임의 상기 내측 표면에 인접되게 설치되되, 접착제와 적어도 일종의 도전 첨가물을 포함하고, 상기 접착제는 선상 구조 콜로이드와 입체 구조 콜로이드로 조성되며, 상기 도전 첨가물은 상기 접착제에 혼합되는 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선상 구조 콜로이드는 선상 고분자로 조성되고, 상기 선상 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 아크릴산 콜로이드, 에폭시수지, 폴리옥시에틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌-부타디엔, 폴리메틸 아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐피롤리돈 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입체 구조 콜로이드는 가교 고분자로 조성되고, 상기 가교 고분자는 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 조합으로부터 선택되는 네트워크형 가교 고분자, 또는 폴리이미드 및 그 유도체의 사다리형 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전 첨가물과 상기 접착제의 중량비는 1:1에서 7:3 사이인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전 첨가물과 상기 입체 구조 콜로이드의 중량비는 5:2에서 7:3 사이인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선상 구조 콜로이드와 상기 입체 구조 콜로이드의 중량비는 3:2에서 9:1 사이인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연성 접착층의 두께는 4~10μm인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도전 첨가물의 형상은 구(球)형, 관(管)형 또는 편상(片狀)형이거나, 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물은 카본블랙인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 평균 입경은 40나노미터인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 표면적은 60~300㎡/g인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  12. 제8항에 있어서,
    관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물은 탄소 튜브인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  13. 제8항 또는 제12항에 있어서,
    관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 관 지름은 약 5~150 나노미터이고, 길이는 5~20 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 관형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 표면적은 표면적은 20~400㎡/g인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  15. 제8항에 있어서,
    편상형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물은 흑연, 그래핀, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  16. 제8항 또는 제15항에 있어서,
    편상형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 평균 입경은 3.5 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 편상형 형상을 갖는 상기 도전 첨가물의 표면적은 20㎡/g 인 것을 특징으로 하는 가요성 리튬 배터리.
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