KR20210043147A - 전자 장치 - Google Patents

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KR20210043147A
KR20210043147A KR1020190125952A KR20190125952A KR20210043147A KR 20210043147 A KR20210043147 A KR 20210043147A KR 1020190125952 A KR1020190125952 A KR 1020190125952A KR 20190125952 A KR20190125952 A KR 20190125952A KR 20210043147 A KR20210043147 A KR 20210043147A
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battery
electronic device
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solid
battery cells
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김영미
박창성
김태영
배광욱
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 적어도 하나 이상의 프로그램이 저장되는 저장부; 전력 관리부; 상기 저장부 및 전력 관리부를 제어하는 제어부; 상기 전력 관리부와 연결되는 제1 배터리; 및 상기 저장부와 연결되는 제2 배터리;를 포함하고, 상기 제1 배터리 및 제2 배터리 중 적어도 하나 이상은 고체 전해질을 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.

Description

전자 장치{THE ELECTROLIC DEVICE}
본 발명은 전자 장치에 관한 것이다.
일반적으로 휴대 가능한 전자 장치는 충전이 가능한 내장 배터리를 구비하고 있다. 상기 내장 배터리의 저장 용량은 전자장치의 사용 시간을 결정하는 중요한 요건이 될 수 있다. 따라서, 전자 장치의 사용 시간을 늘리기 위한 방안 중 하나는 내장 배터리의 저장 용량을 증가시키는 것이다. 하지만, 내장 배터리의 저장 용량을 증가시키는 것은 한계가 있을 수 있다. 이러한 이유로, 전자장치에 있어서, 전력 소모를 효율적으로 관리하는 다양한 방안이 제시되어 왔다.
종래에는, 전자 장치에서 소모 전력을 정확하게 예측하여 관리하는 방법을 주로 사용하였다. 상기 소모 전력은 전자 장치에 설치된 소프트웨어에 상응한 응용 프로그램(application)(이하 '소프트웨어 요소' 또는 'SW 요소'라 칭함)을 수행하기 위해, 전자장치를 구성하는 하드웨어에 상응한 구성(이하 '하드웨어 요소' 또는 'HW 요소'라 칭함)을 동작시키는데 관여하는 전력 소모량의 합을 통해 구할 수 있다.
이러한 소모 전력의 예측 및 관리를 위해 전력 관리부는 별도의 프로그램을 사용하며, 배터리 소모량 및 잔여량에 따라 각 하드웨어에 공급되는 전력량을 조절하는 기능을 수행한다. 도 1은 상기 전력 관리부가 적용된 전자 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다. 도 1을 참조하면, 전력 관리 회로는 배터리(14)의 잔여 전력량에 따라 하드웨어의 구동에 필요한 전기를 공급하는 기능을 수행한다.
최근에는 보다 큰 디스플레이가 적용되는 경향 및 프로세서의 요구 전력 증가 등에 따라 요구되는 배터리의 용량이 증가하고 있다. 하지만 기존에 사용되는 리튬 이온 전고체 전지는 안정성 등의 이유로 하나의 배터리 셀로 구성하여야 한다. 이러한 경우 전자 장치에서 배터리는 단일 부품으로는 가장 큰 크기를 가지게 되며, 내부 설계의 자유도를 저하시키는 주요 원인이 되고 있다.
본 발명의 일 목적은 구조 설계의 자유도를 향상시킨 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 안정성을 가지는 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 전기적 효율을 가지는 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 셀의 열화를 방지할 수 있는 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는 적어도 하나 이상의 프로그램이 저장되는 저장부; 전력 관리부; 상기 저장부 및 전력 관리부를 제어하는 제어부; 상기 전력 관리부와 연결되는 제1 배터리; 및 상기 저장부와 연결되는 제2 배터리;를 포함하고, 상기 제1 배터리 및 제2 배터리 중 적어도 하나 이상은 고체 전해질을 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 구조 설계 자유도를 가지는 전자 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 우수한 전기화학적 안정성을 가지는 전자 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전력 손실을 저감시킬 수 있는 전자 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 배터리 셀의 열화를 방지할 수 있는 전자 장치를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전자 장치의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전자 장치의 내부 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의 일 실시예에 따른 전자 장치의 전기적 연결 형태를 나타내는 모식도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 각각 다른 실시형태를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 5 및 도 5의 내부 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 적용되는 전고체 전지를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 I-I' 단면의 예시이다.
도 10은 도 9의 A 영역의 확대도이다.
도 11는 도 9의 B 영역의 확대도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 전고체 전지의 단면도이다.
도 13은 도 12의 바디를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이는 본 명세서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시예의 다양한 변경 (modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물 (alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 사용될 수 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, "A 또는 B", "A 또는/및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
본 명세에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제1 배터리와 제2 배터리는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 구성요소 (예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어 ((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어 (connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 또 다른 구성요소 (예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소 (예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소 (예: 제3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된 (또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한 (suitable for)", "~하는 능력을 가지는 (having the capacity to)", "~하도록 설계된 (designed to)", "~하도록 변경된 (adapted to)", "~하도록 만들어진 (made to)", 또는 "~를 할 수 있는 (capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된 (또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된 (specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된 (또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서 (예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서 (generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥 상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 명세서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에 따른 전자 장치는, 예를 들면, 스마트 폰 (smart phone), 태블릿 PC (tablet personal computer), 이동전화기 (mobile phone), 영상 전화기, 전자책 리더기 (e-book reader), 데스크탑 PC (desktop personal computer), 랩탑 PC (laptop personal computer), 넷북 컴퓨터 (netbook computer), 워크스테이션 (workstation), 서버, PDA (personal digital assistant), PMP (portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라 (camera), 또는 웨어러블 장치 (wearable device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 웨어러블 장치는 액세서리형 (예: 시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈, 또는 머리 착용형 장치 (head-mounted-device(HMD)), 직물 또는 의류 일체형 (예: 전자의복), 신체 부착형 (예: 스킨 패드(skin pad) 또는 문신), 또는 생체 이식형 (예: implantable circuit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어떤 실시예들에서, 전자장치는 가전제품 (home appliance)일 수 있다. 가전제품은, 예를 들면, 텔레비전, DVD (digital video disk) 플레이어, 오디오, 냉장고, 에어컨, 청소기, 오븐, 전자레인지, 세탁기, 공기청정기, 셋톱박스 (set-top box), 홈 오토매이션 컨트롤 패널 (home automation control panel), 보안 컨트롤 패널 (security control panel), TV 박스 (예: 삼성 HomeSyncTM, 애플 TVTM 또는 구글 TVTM), 게임콘솔 (예: XboxTM, PlayStationTM), 전자사전, 전자키, 캠코더 (camcorder), 또는 전자 액자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 장치는, 각종의료기기 (예: 각종 휴대용 의료측정기기 (혈당 측정기, 심박 측정기, 혈압 측정기, 또는 체온 측정기 등), MRA (magnetic resonance angiography), MRI (magnetic resonance imaging), CT (computed tomography), 촬영기, 또는 초음파기 등), 네비게이션 (navigation) 장치, GPS 수신기 (global positioning system receiver), EDR (event data recorder), FDR (flight data recorder), 자동차 인포테인먼트 (infotainment) 장치, 선박용 전자장비 (예:선박용 항법장치, 자이로콤파스 등), 항공전자기기 (avionics), 보안기기, 차량용 헤드 유닛 (head unit), 산업용 또는 가정용 로봇, 금융기관의 ATM (automatic teller's machine), 상점의 POS (point of sales), 또는 사물 인터넷 장치 (internet of things)(예: 전구, 각종 센서, 전기 또는 가스 미터기, 스프링클러 장치, 화재경보기, 온도조절기 (thermostat), 가로등, 토스터 (toaster), 운동기구, 온수탱크, 히터, 보일러 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에 따르면, 전자장치는 가구 (furniture) 또는 건물/구조물의 일부, 전자 보드 (electronic board), 전자 사인 수신 장치 (electronic signature receiving device), 프로젝터 (projector), 또는 각종 계측기기 (예: 수도, 전기, 가스, 또는 전파 계측 기기 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전자장치는 전술한 다양한 장치들 중 하나 또는 그 이상의 조합일 수 있다. 어떤 실시 예에 따른 전자장치는 플렉서블 전자장치일 수 있다. 또한, 본 문서의 실시 예에 따른 전자장치는 전술한 기기들에 한정되지 않으며, 기술 발전에 따른 새로운 전자장치를 포함할 수 있다.
도면에서, X 방향은 제1 방향, L 방향 또는 길이 방향, Y 방향은 제2 방향, W 방향 또는 폭 방향, Z 방향은 제3 방향, T 방향 또는 두께 방향으로 정의될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치는 적어도 하나 이상의 프로그램이 저장되는 저장부; 전력 관리부; 상기 저장부 및 전력 관리부를 제어하는 제어부; 상기 전력 관리부와 연결되는 제1 배터리 셀; 및 상기 저장부와 연결되는 제2 배터리 셀;을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 중 적어도 하나 이상은 전고체 전지를 포함할 수 있다.
상기 저장부는 전자 장치의 동작에 필요한 프로그램 및 데이터를 저장하는 역할을 수행하며, 프로그램 영역과 데이터 영역으로 구분될 수 있다. 프로그램 영역은 전자 장치의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램 및 전자 장치를 부팅시키는 운영체제(OS, Operating System), 멀티미디어 콘텐츠 재생 등에 필요한 응용 프로그램, 전자 장치의 기타 옵션 기능, 예컨대, 음성 대화 기능, 카메라 기능, 소리 재생 기능, 이미지 또는 동영상 재생 기능에 필요한 응용 프로그램 등을 저장할 수 있다. 데이터 영역은 전자 장치의 사용에 따라 발생하는 데이터가 저장되는 영역으로서, 이미지, 동영상, 폰 북, 오디오 데이터 등을 저장할 수 있다.
상기 제어부는 전자 장치의 전반적인 동작을 제어한다. 구체적으로 제어부는 전자 장치의 저장부, 전력 관리부 및 후술하는 통신부, 오디오 출력부 및/또는 디스플레이를 전부 또는 일부 제어할 수 있다. 구체적으로, 전자 장치에 사용자의 입력(예를 들어, 터치 입력, 음성 입력, 제스쳐 입력, 동공 입력 인식부(214), 뇌파 입력, 다른 사용자 단말 장치에 의한 입력 등)에 따라 정해진 동작을 수행할 수 있다. 또한, 미리 입력된 프로그램에 따라 정해진 동작을 수행할 수 있다.
상기 제어부는 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는, CPU, 응용 프로그램 프로세서 (application processor (AP)), 또는 커뮤니케이션 프로세서 (communication processor (CP)) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 프로세서는, 예를 들면, 전자 장치의 적어도 하나의 다른 구성요소들의 제어 및/또는 통신에 관한 연산이나 데이터 처리를 실행할 수 있다.
전력 관리부(Power Management Unit: PMU)는 전자 장치의 동작을 위해 필요한 전원(Power)이 배터리에 충전/방전되도록 관리하며, 전원을 공급받는 경우 배터리에 공급하기에 적합하도록 전원을 변압할 수 있다. 이때 전력 관리부는 전원관리 집적회로(Power Management Integrated Circuit: PMIC)로 구현될 수 있으며, 전원 관리를 위한 동작들을 제어하는 프로세서(Processor)나 전류 조절을 위한 저항 등을 포함할 수 있으나 이하 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 전력 관리부의 세부 구성요소들을 구분하지 않고 '전력 관리부'라 통칭한다.
상기 실시예에서, 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 중 적어도 하나 이상은 전고체 전지를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 배터리 셀이란, 적어도 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 셀을 의미할 수 있으며, 하나의 전지가 셀을 형성하거나, 필요에 따라 복수개의 이차 전지를 절연 물질 등으로 패킹한 구조를 가질 수 있다. 본 명세서에서 전고체 전지란, 고체 전해질이 적용된 이차 전지를 의미할 수 있다. 상기 고체 전해질이란, 상온(25℃) 및/또는 상기 배터리의 구동 온도에서 전해질이 고체상인 것을 의미할 수 있으며, 상기 온도 보다 유리 전이 온도(Tg)가 높은 전해질을 의미할 수 있다. 상기 고체 전해질은 고분자계 고체 전해질 및/또는 세라믹계 고체 전해질을 포함할 수 있다. 고체 전해질이 적용된 전지는 크기에 비해 출력이 높은 특성을 가지므로, 전고체 전지는 작은 크기에도 우수한 출력 효율을 가질 수 있어 이를 적용한 배터리 셀의 부피를 줄일 수 있는 특징이 있다. 이를 이용하여 다양한 크기의 배터리 셀을 형성할 수 있으므로, 복수개로 나누어진 배터리 셀을 전자 장치에 적용할 수 있어 구조 설계의 자유도를 크게 향상시킬 수 있다. 상기 고체 전해질 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 설명은 후술하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 전자 장치는 통신부 및 상기 통신부와 연결되는 제3 배터리 셀을 포함할 수 있다. 통신부는 전자 장치를 외부 기기와 연결하는 기능을 수행한다. 따라서 전자 장치는 통신부를 통해 전자 장치의 구동에 필요한 다양한 정보, 전자 장치의 업데이트를 위한 업데이트 정보 등을 수신할 수 있다. 상기 통신부는 다양한 통신 방식에 따라 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 이를 위해, 통신부는 근거리 무선 통신 모듈, 무선 통신 모듈 등과 같은 다양한 통신 모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 근거리 무선 통신 모듈은 근거리에 위치한 외부 기기와 무선 통신을 수행하는 통신 모듈로써, 예를 들어, 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등이 될 수 있다. 무선 통신 모듈은 와이파이(WiFi), IEEE 등과 같은 무선 통신 프로토콜에 따라 외부 네트워크에 연결되어 통신을 수행하는 모듈이다. 이 밖에 무선 통신 모듈은 3G(3rd Generation), 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evoloution), 5G(5th Generation) 등과 같은 다양한 이동 통신 규격에 따라 이동 통신 망에 접속하여 통신을 수행하는 이동 통신 모듈을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전자 장치는 오디오 출력부 및 상기 오디오 출력부와 연결되는 제4 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상기 오디오 출력부는 제어부의 제어에 의해 오디오를 출력할 수 있다. 오디오 출력부는 통신부를 통해 입력되는 오디오(예를 들어, 음성, 사운드)를 출력하거나, 제어부의 제어에 의해 저장부에 저장된 오디오를 출력할 수 있다. 상기 오디오 출력부는 스피커, 헤드폰 출력 단자 및 S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface 출력 단자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전자 장치는 디스플레이 및 상기 디스플레이와 연결된 제5 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상기 디스플레이는 이미지, 동영상, 텍스트, 음악 등과 같은 다양한 컨텐츠, 다양한 컨텐츠를 포함하는 어플리케이션 실행 화면, GUI(Graphic User Interface) 화면 등을 표시하는 장치를 의미할 수 있다. 상기 디스플레이는, 액정 디스플레이 (liquid crystal display (LCD)), 발광 다이오드 (light-emitting diode (LED)) 디스플레이, 유기 발광 다이오드 (organic light-emitting diode (OLED)) 디스플레이, LCoS(Liquid Crystal on Silicon), DLP(Digital Light Processing), QD(quantum dot) 디스플레이 패널, 마이크로 전자기계 시스템 (micro electromechanical systems (MEMS)) 디스플레이 또는 전자종이 (electronic paper) 디스플레이 등과 같은 다양한 형태로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 디스플레이는 터치패드와 상호 레이어 구조를 이루는 터치 스크린 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 디스플레이는 출력 장치 이외에 사용자 인터페이스로 사용될 수 있게 된다. 여기서, 터치 스크린은 터치 입력 위치 및 면적뿐만 아니라 터치 입력 압력까지도 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명의 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상은 다른 배터리 셀과 이격되어 배치될 수 있다. 배터리 셀이 다른 배터리 셀과 이격되어 배치된다는 것은, 상기 배터리 셀 들이 전자 장치 내부에서 서로 다른 위치에 배치되는 것을 의미할 수 있고, 소정의 거리를 두고 배치되는 것을 의미할 수 있으며, 예를 들어 10 μm 이상, 10 cm 이하의 거리를 두고 배치되는 것을 의미할 수 있다. 도 3은 본 발명의 예시적인 전자 장치를 나타내는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 배터리 셀(34)과 배터리 셀(35)는 서로 다른 위치에 배치되어 있을 수 있다. 상기 예시와 같이 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상이 다른 배터리 셀과 이격되어 배치됨으로써 다양한 구조의 구현이 가능하여 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전술한 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 충전 용량이 상이할 수 있다. 본 명세서에서 충전 용량은, 배터리 셀이 가질 수 있는 전기 용량 또는 전하량을 의미할 수 있으며, 25℃ 1기압에서의 공칭 용량을 의미할 수 있다. 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 하나 이상의 배터리 셀이 다른 배터리 셀과 충전 용량이 상이한 경우, 전력 소모가 높은 부품에 충전 용량이 큰 배터리 셀이 연결되도록 배치하여 별도로 전력 관리를 할 수 있다.
또한 본 실시예는 다양한 변형 형태가 가능할 수 있다. 예를 들어 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀을 충전 용량이 큰 순서대로 정렬할 경우, 상기 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀은, 전자 장치의 내부 부품 중 전력 사용량이 많은 순서에 따라 연결될 수 있다. 또한, 전자 장치의 각 부품 중 전자 장치의 구동에 중요도가 높은 순서에 따라, 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀을 충전 용량이 큰 순서대로 연결하는 등 필요에 따라 다양한 형태로 연결이 가능하다. 도 3은 본 발명의 예시적인 전자 장치를 나타내는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 전력 사용량이 높은 응용 프로그램 프로세서(AP) 전용 배터리 셀(34)은, 메인 기판과 연결되는 배터리 셀(35)과 분리되어 배치될 수 있으며, 충전 용량이 더 큰 배터리 셀을 소모 전력이 높은 부품에 직접 연결시킬 수 있다.
상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 어느 하나의 충전 용량을 다르게 형성하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 배터리 셀 내부에 포함되는 전고체 전지의 개수를 다르게 형성하거나, 전고체 전지 들의 연결 형태를 변경하여 형성할 수 있다. 상기 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀의 충전 용량은 특별히 제한되는 것은 아니며, 연결하려는 부품의 특성에 따라 자유롭게 조절할 수 있다. 상기 충전 용량은, 예를 들어 10 mAh 이상일 수 있으며, 10000 mAh 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 전술한 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 작동 전압이 상이할 수 있다. 본 명세서에서 작동 전압은 상온 상압에서 방전된 경우의 평균 작동 전압을 의미할 수 있으며, 25℃ 1기압에서의 공칭 전압을 의미할 수 있다. 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 다른 배터리 셀과 상이한 작동 전압을 가지는 경우, 전자 장치에 적용되는 부품의 요구 전압에 따라 배터리 셀을 배치할 수 있으며, 전력 회로 등에서 소모되는 전기를 저감시켜 사용 효율을 높일 수 있다.
상기 실시예의 경우 또한, 다양한 변형 형태가 가능할 수 있다. 예를 들어 제1 배터리 셀 내지 제3 배터리 셀은 디스플레이 등 특정 부품의 사용 환경에 최적화된 작동 전압을 가지도록 설계하고, 제4 및 제5 배터리 셀은 다양한 부품에 범용적으로 적용이 가능한 작동 전압을 가지도록 설계할 수 있다. 도 3을 참조하면, 작동 전압을 높여 전자 장치의 구동 속도를 높여야 할 필요가 있는 경우, 응용 프로그램 프로세서(AP)와 직접 연결된 배터리 셀(34)은 상대적으로 높은 작동 전압을 가질 수 있으며, 메인 기판과 연결되는 배터리 셀(35)은 일반적인 작동 전압을 가지는 배터리 셀을 적용할 수 있다. 이 경우 전자 장치의 구조 설계의 자유도가 높아짐은 물론, 전압 변경 등의 과정을 최소화하여 전기 사용 효율을 극대화 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 2 이상의 배터리 셀이 병렬로 연결되어 있을 수 있다. 도 4는 본 실시예에 따른 전자 장치의 전기적 연결 형태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전자 장치(40)는 복수의 배터리 셀(44, 45, 46, 47)을 포함할 수 있으며, 이 중 적어도 2 이상의 배터리 셀이 병렬로 연결될 수 있다. 상기와 같이 2 이상의 배터리 셀이 병렬로 연결되는 경우, 셀 밸런싱이 맞지 않아 발생할 수 있는 셀의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 예시의 경우, 어느 한 배터리 셀이 먼저 방전되거나, 예상되는 전력량에 비해 충전량이 모자란 경우 등과 같이, 필요한 경우 병렬로 연결된 배터리 셀이 다른 배터리 셀을 보조할 수 있다. 이 경우 전력 관리부에서 전력 사용량을 감지하여 병렬로 연결된 배터리 셀의 전력 사용량을 조절하고, 보조할 배터리 셀을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 전자 장치는 기판을 포함하고, 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 상기 기판의 표면에 실장되어 있을 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 제1 배터리 셀 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 기판의 내부에 실장될 수 있다. 상기 두 실시형태에서 기판에 실장되는 배터리 셀은 하나 이상의 전고체 전지를 포함하는 것으로, 기판의 표면에 실장하는 경우 상기 전고체 전지를 직접 기판에 실장하여 배치할 수 있으며, 또는 기판의 내부에 실장하는 경우 상기 전고체 전지를 직접 기판의 내부에 실장하여 배치할 수 있다. 상기 실시형태 들과 같이, 기판의 표면 및/또는 내부에 배터리 셀을 실장하고, 나머지 배터리 셀은 별도의 배터리 셀의 영역에 배치하는 경우, 교체 빈도가 높은 배터리 셀은 별도의 영역에 배치하고, 교체의 필요성이 적은 배터리 셀은 기판의 표면 및/또는 내부에 배치하여 사후 관리의 용이성을 증대시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 배터리 셀에 적용되는 전고체 전지에 대하여 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 하나의 배터리 셀(44)의 내부에는 하나 이상의 전고체 전지가 포함될 수 있다. 상기 전고체 전지가 복수개인 경우 전고체 전지 들은 필요에 따라 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있을 수 있다.
도 8 내지 도 13은 본 발명에 적용되는 전고체 전지를 나타내는 도면이다. 도 8 내지 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 전고체 전지(100, 200)는 고체 전해질층(111, 211) 및 상기 고체 전해질층(111, 211)을 사이에 두고 배치되는 양극(121, 221) 및 음극(122, 222)을 포함하는 바디(110, 210); 및 상기 바디(110, 210)의 일면 및 상기 면에 대향하는 타면에 배치되고 상기 양극(121, 221) 및 음극(122, 222)과 각각 연결되는 제1 및 제2 외부 전극(131, 231, 132, 232);을 포함하며, 상기 양극(121, 221)은 양극 활물질층 및 상기 고체 전해질(111, 211)과 접하는 양극(121, 221)의 계면에 배치되는 제1 전해 혼합부(151, 251)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제1 전해 혼합부(151, 251)는 양극 활물질 및 액상 및/또는 겔상의 전해질이 랜덤하게 혼합되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 제1 전해 혼합부는 양극 활물질과 액상 및/또는 겔상의 전해질이 함께 존재하는 영역을 의미할 수 있다. 예를 들어 도 10을 참조하면, 양극(121, 221)의 양극 활물질과, 상기 양극 활물질이 배치되지 않은 영역에 존재하는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 함께 배치되어 있는 영역(151, 251)을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 전고체 전지(100, 200)에 포함되는 양극(121, 221)은 표면에 요부 또는 기공이 형성되어 있을 수 있다. 상기 요부는 상기 양극(121, 221)의 표면에 홈부가 형성된 형상을 의미할 수 있으며, 상기 기공(pores)은 상기 양극(121, 221)의 표면 아래에 배치되는 공극(voids)을 의미할 수 있다. 본 발명에 따른 전고체 전지의 양극(121, 221)이 기공을 가지는 경우, 상기 양극(121, 221)의 표면은 다공성일 수 있다.
상기 양극(121, 221)은 표면에 요부가 형성되어 있는 경우, 상기 양극(121, 221)의 평균 표면 조도는 1.0 ㎛ 이상일 수 있다. 본 명세서에서 어느 표면의 평균 표면 조도(Ra)는 Zygo Corporation 사의 7300 Optical Surface Profiler과 같은 광학 표면 프로파일러를 이용하여 측정하거나, mitutoyo 사의 표면조도 측정기 SV-3200 등을 이용하여 측정한 값일 수 있다. 상기 양극(121, 221)의 평균 표면 조도는 1.0 ㎛ 이상, 1.2 ㎛ 이상, 1.4 ㎛ 이상, 1.6 ㎛ 이상, 1.8 ㎛ 이상 또는 2.0 ㎛ 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따른 전고체 전지의 양극(121, 221)의 평균 표면 조도(Ra)의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 100 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 양극(121, 221)은 표면에 기공이 형성되어 있는 경우, 상기 기공의 기공도는 0.1 내지 0.8의 범위 내일 수 있다. 본 명세서에서 기공도는 전체 면적 대비 기공이 차지하는 면적을 비율로 나타낸 값을 의미할 수 있다. 상기 기공도는 전자주사현미경 분석, 또는 BET 법 등을 통하여 구할 수 있으며, 예를 들어, 양극의 단면을 촬영한 전자주사현미경의 이미지를 이용하여 구할 수 있다.
본 발명의 일 예시에서, 양극(121, 221)의 표면에 배치되는 요부 및/또는 기공의 내부에는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 충진되어 있을 수 있다. 상기 액상은 졸(sol)을 포함하는 개념일 수 있다. 본 명세서에서 졸(sol)은 액체 배지에 고체 입자들이 들어있는 콜로이드성 현탁액을 의미할 수 있으며, 액체 내에 고체 입자들이 분산되어 있는 상을 의미할 수 있다. 또한 본 명세서에서 겔(gel)은 콜로이드성 액체가 젤리 형상으로 고체화 된 것을 의미할 수 있으며, 액체 내의 고체 입자들이 가교 네트워크를 형성한 상을 의미할 수 있다. 상기 졸(sol) 및 겔(gel)은 상온 상압(25℃, 1기압)에서의 상을 의미할 수 있으며, 졸(sol)과 겔(gel)의 경계가 불명확한 상태로 혼합되어 있을 수 있다.
본 발명의 상기 예시에 따른 전고체 전지는 양극(121, 221)의 표면에 배치되는 요부 및/또는 기공이 배치되고, 상기 요부 및/또는 기공의 내부에는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 충진되어 있으므로, 고체 전해질층(111, 211)과 양극(121, 221) 사이의 접촉성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고체 전해질층(111, 211)과 양극(121, 221) 사이의 접촉성 향상을 통하여 고체 전해질층(111, 211)과 양극(121, 221)의 계면에서의 병목(bottle neck) 문제를 해결하여 에너지 장벽(energy barrier)을 낮출 수 있다.
도 9 (a)와 도 9(b)는 본 발명에 따른 전고체 전지의 변형례를 나타낸다. 도 9 (a)와 도 9(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 전고체 전지(100, 200)의 양극(121, 221)과 음극(122, 222)은 서로 제1 방향(X 방향)으로 대향하거나(도 9(a)) 또는 서로 제3 방향(Z 방향)으로 대향하도록(도 9(b)) 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 전해 혼합부(151, 251)의 액상 및/또는 겔상의 전해질의 부피 분율은 0.2 내지 0.8의 범위 내일 수 있다. 상기 부피 분율은 상기 제1 전해 혼합부(151, 251)의 전체 부피에 대한 액상 및/또는 겔상의 전해질의 부피의 비율을 의미할 수 있다. 상기 제1 전해 혼합부(151, 251)의 전체 부피는 육면체 형상의 기하학적 구조에 대한 계산을 통해 구할 수 있으며, 상기 액상 및/또는 겔상의 전해질의 부피는 Micromeritics 사의 ASAP-2020와 같은 비표면적분석기(Surface Area and Porosimetry Analyzer)를 이용하여, 상기 제1 전해 혼합부(151, 251)에서 양극 활물질이 존재하지 않는 영역의 부피를 측정하여 구할 수 있다.
본 발명의 일 예시에서, 양극(121, 221)에 포함되는 양극 활물질은 충분한 용량을 확보할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 상기 양극 활물질은 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 이용 가능한 모든 양극 활물질이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 예를 들어 하기 화학식으로 표시되는 화합물일 수 있다: LiaAl-bMbD2 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); LiaEl-bMbO2-cDc (식중 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE2-bMbO4-cDc (식중 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiaNi1-b-cCobMcDα(식중 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); LiaNi1-b-cCobMcO2-αXα(식중 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNi1-b-cCObMcO2-αX2 (식중 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNi1-b-cMnbMcDα (식중 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); LiaNi1-b-cMnbMcO2-αXα (식중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNi1-b-cMnbMcO2-αX2 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNibEcGdO2 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1); LiaNibCocMndGeO2 (식중,0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); LiaNiGbO2 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaCoGbO2 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMnGbO2 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMn2GbO4 (식중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O2; LiRO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3 (0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3 (식중, 0≤f≤2); 및 LiFePO4, 상기 화학식에서 A 는 Ni, Co, or Mn; M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 또는 희토류원소(rare-earth element); D는 O, F, S, or P; E 는 Co 또는 Mn; X 는 F, S, 또는 P; G 는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, or V; Q는 Ti, Mo 또는 Mn; R 은 Cr, V, Fe, Sc, 또는 Y; J 는 V, Cr, Mn, Co, Ni, 또는 Cu이다.
상기 양극 활물질은 또한, LiCoO2, LiMnxO2x (식중, x =1 또는 2), LiNi1-xMnxO2x (식중, 0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (식중, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2, TiS3, 또는 FeS3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전고체 전지의 양극은 도전제, 바인더 및 양극 집전체를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 도전제로는 본 발명의 전고체 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 도전제의 함량은 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부, 예를 들어 2 내지 5 중량부를 사용한다. 도전제의 함량이 상기 범위일 때 최종적으로 얻어진 전극이 우수한 전도도 특성을 가질 수 있다.
상기 바인더는, 상기 활물질과 도전제 등의 결합력을 향상시키기 위해 사용할 수 있다. 상기 바인더는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무 및 다양한 공중합체 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 바인더의 함량은 양극 활물질의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부, 예를 들어 2 내지 5 중량부를 사용할 수 있다. 바인더의 함량이 상기 범위를 만족할 때 활물질층이 높은 결합력을 가질 수 있다.
상기 양극 집전체로는 망상 또는 메시 모양 등의 다공체를 사용할 수 있으며, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 등의 다공성 금속판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기 양극 집전체는 산화를 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수도 있다.
본 발명의 전고체 전지에 적용되는 양극은, 양극 활물질을 포함하는 조성물이 구리 등의 금속을 포함하는 양극 집전체 상에 직접 코팅 및 건조되어 제조할 수 있다. 또는, 양극 활물질 조성물이 별도의 지지체 상에 캐스팅된 다음, 이를 경화하여 양극이 제조될 수 있으며, 이 경우 별도의 양극 집전체를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 전해 혼합부(151, 251)에 포함되는 액상 및/또는 겔상의 전해질은 리튬염을 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 예를 들어, 상기 리튬염의 양이온으로 Li+를 포함하고, 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, PF4C2O4 -, PF2C4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 리튬염은 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCH3CO2, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiAlO4, 및 LiCH3SO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있고, 이들 외에도 리튬 이차배터리의 전해액에 통상적으로 사용되는 LiBETI (lithium bisperfluoroethanesulfonimide, LiN(SO2C2F5)2), LiFSI (lithium fluorosulfonyl imide, LiN(SO2F)2), 및 LiTFSI (lithium (bis)trifluoromethanesulfonimide, LiN(SO2CF3)2)로 나타내는 리튬 이미드염과 같은 전해질염을 포함할 수 있다. 상기 리튬염의 구체적인 예시로 LiPF6, LiBF4, LiCH3CO2, LiCF3CO2, LiCH3SO3, LiFSI, LiTFSI 및 LiN(C2F5SO2)2으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어 액상으로 제1 전해 혼합부(151, 251)에 포함될 수 있다. 상기 유기 용매는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, 감마부티로락톤, 1,3-디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디에틸렌글리콜, 디메틸에테르 및 이들의 혼합물 등을 예로 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 리튬염이 유기 용매에 용해되어 있는 경우, 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 5.0 M 일 수 있다. 상기 농도 범위에서 전술한 제1 전해 혼합부에 포함되는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 높은 이온 전도도를 나타내면서도, 후술하는 겔상의 경우에도 적합하게 사용 가능할 수 있다.
또한, 상기 리튬염이 겔상으로 제1 전해 혼합부(151, 251)에 포함되는 경우, 상기 제1 전해 혼합부(151, 251)는 고분자를 포함할 수 있다. 상기 고분자는 겔 상을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 고분자의 비제한적인 예로, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사클루오로프로필렌(PVdF-HFP), 폴리스티렌(PS) 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에스테르설파이드(PES) 및 이들의 유도체를 들 수 있다.
상기 고분자는 리튬염이 겔 및/또는 졸 상을 형성할 수 있다면 그 함량은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 상기 고분자는 전체 액상 및/또는 겔상의 전해질 총 중량의 1 내지 50중량%일 수 있다.
본 발명의 액상 및/또는 겔상의 전해질이 제1 전해 혼합부(151, 251)에 포함되도록 하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 양극, 음극 및 고체 전해질을 포함하는 바디를 소성하여 형성하는 경우, 상기 양극, 음극 및/또는 고체 전해질은 소성 수축으로 인해 표면에 요부 및/또는 기공을 가지게 된다. 적용하려는 전해질이 액상인 경우 상기 요부 및/또는 기공이 형성된 바디를 액상 전해질에 침지시켜 전해질을 흡수시킨 후 외부에 절연막을 형성하여 액상 전해질을 포함하는 바디를 제조할 수 있다. 또한, 적용하려는 전해질이 겔상인 경우, 액상 전해질에 전술한 고분자의 전구체 및 경화제 등을 혼합한 후, 상기 혼합액에 상기 바디를 침지하여 혼합액을 흡수시킨 후 가열하는 등, 가교 반응을 유도하여 고분자 매트릭스를 형성시켜 겔 상의 전해질을 전해 혼합부 내에 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 전고체 전지의 제1 전해 혼합부(151, 251)는 두께가 1.0 ㎛ 내지 100.0 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 두께는 1.0 ㎛ 이상, 1.2 ㎛ 이상, 1.4 ㎛ 이상, 1.6 ㎛ 이상, 1.8 ㎛ 이상 또는 2.0 ㎛ 이상일 수 있으며, 100 ㎛ 이하 또는 90 ㎛ 이하 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 전고체 전지(100, 200)의 음극(122, 222)은 고체 전해질(111, 211)과 접하는 상기 음극(122, 222)의 계면에 제2 전해 혼합부(152, 252)를 포함할 수 있다. 상기 제2 전해 혼합부(152, 252)는 음극 활물질 및 액상 및/또는 겔상의 전해질이 랜덤하게 혼합되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 제2 전해 혼합부(152, 252)는 음극 활물질과 액상 및/또는 겔상의 전해질이 함께 존재하는 영역을 의미할 수 있다. 예를 들어 도 11을 참조하면, 음극(122, 222)의 음극 활물질과, 상기 음극 활물질이 배치되지 않은 영역에 존재하는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 함께 배치되어 있는 영역(152, 252)을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 전고체 전지(100, 200)에 포함되는 음극(122, 222)은 표면에 요부 또는 기공이 형성되어 있을 수 있다. 상기 요부는 상기 음극(122, 222)의 표면에 홈부가 형성된 형상을 의미할 수 있으며, 상기 기공(pores)은 상기 음극(122, 222)의 표면 아래에 배치되는 공극(voids)을 의미할 수 있다. 본 발명에 따른 전고체 전지의 음극(122, 222)이 기공을 가지는 경우, 상기 음극(122, 222)의 표면은 다공성일 수 있다.
상기 음극(122, 222)은 표면에 요부가 형성되어 있는 경우, 상기 음극(122, 222)의 평균 표면 조도는 1.0 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 음극(122, 222)의 평균 표면 조도는 1.0 ㎛ 이상, 1.2 ㎛ 이상, 1.4 ㎛ 이상, 1.6 ㎛ 이상, 1.8 ㎛ 이상 또는 2.0 ㎛ 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따른 전고체 전지의 음극(122, 222)의 평균 표면 조도(Ra)의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 100 ㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 음극(122, 222)은 표면에 기공이 형성되어 있는 경우, 상기 기공의 기공도는 0.1 내지 0.8의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 일 예시에서, 음극(122, 222)의 표면에 배치되는 요부 및/또는 기공의 내부에는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 충진되어 있을 수 있다. 상기 액상은 졸(sol)을 포함하는 개념일 수 있다. 상기 예시에 따른 전고체 전지는 음극(122, 222)의 표면에 배치되는 요부 및/또는 기공이 배치되고, 상기 요부 및/또는 기공의 내부에는 액상 및/또는 겔상의 전해질이 충진되어 있으므로, 고체 전해질층(111, 211)과 음극(122, 222) 사이의 접촉성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고체 전해질층(111, 211)과 음극(122, 222) 사이의 접촉성 향상을 통하여 고체 전해질층(111, 211)과 음극(122, 222)의 계면에서의 병목(bottle neck) 문제를 해결하여 에너지 장벽(energy barrier)을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제2 전해 혼합부(152, 252)의 액상 및/또는 겔상의 전해질의 부피 분율은 0.2 내지 0.8의 범위 내일 수 있다. 상기 부피 분율은 상기 제2 전해 혼합부(152, 252)의 전체 부피에 대한 액상 및/또는 겔상의 전해질의 부피의 비율을 의미할 수 있다. 상기 액상 및/또는 겔상의 전해질에 관한 설명은 전술한 제1 전해 혼합부의 전해질과 동일하므로 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 전고체 전지의 제2 전해 혼합부(152, 252)는 두께가 1.0 ㎛ 내지 100.0 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 두께는 1.0 ㎛ 이상, 1.2 ㎛ 이상, 1.4 ㎛ 이상, 1.6 ㎛ 이상, 1.8 ㎛ 이상 또는 2.0 ㎛ 이상일 수 있으며, 100 ㎛ 이하 또는 90 ㎛ 이하 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전고체 전지에 포함되는 음극은 통상적으로 사용되는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질로는 탄소계 재료, 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘계 합금, 실리콘-탄소계 재료 복합체, 주석, 주석계 합금, 주석-탄소 복합체, 금속 산화물 또는 그 조합을 사용할 수 있으며, 리튬 금속 및/또는 리튬 금속 합금을 포함할 수 있다.
상기 리튬 금속 합금은 리튬과, 리튬과 합금 가능한 금속/준금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속/준금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 포함하지 않는다), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 리튬티타늄옥사이드(Li4Ti5O12) 등의 전이금속 산화물, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 포함하지 않는다) 및 MnOx (0 < x ≤ 2) 등일 수 있다. 상기 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, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 상기 리튬과 합금가능한 금속/준금속의 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 활물질은 원소 주기율표의 13족 내지 16족 원소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 활물질은 Si, Ge 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
상기 탄소계 재료는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있다. 또한, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스, 그래핀, 카본블랙, 플러렌 수트(fullerene soot), 카본나노튜브, 및 탄소섬유로 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리콘은 Si, SiOx(0 <x <2, 예를 들어 0.5 내지 1.5), Sn, SnO2, 또는 실리콘 함유 금속 합금 및 이들이 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 실리콘 함유 금속 합금은 예를 들어 실리콘과, Al, Sn, Ag, Fe, Bi, Mg, Zn, in, Ge, Pb 및 Ti 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
음극은 상술한 양극 제조과정에서 양극 활물질 대신 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는 거의 동일한 방법에 따라 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 고체 전해질층은 가넷계(Garnet-type), 나시콘계(Nasicon-type), 리시콘계(LISICON-type), 페로브스카이트계(perovskite-type) 및 리폰계(LiPON-type)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 가넷계 고체 전해질은 Li7La3Zr2O12 등 LiaLabZrcO12로 표시되는 리튬-란타늄-지르코늄-산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO)을 의미할 수 있으며, 상기 나시콘계 고체 전해질은 Li1+xAlxM2-x(PO4)3(LAMP) (0<x<2, M=Zr, Ti, Ge) 형 화합물에 Ti가 도입된 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (0<x<1)의 리튬-알루미늄-티타늄-인산염(LATP), 과량의 리튬이 도입된 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 등 Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (0<x<1)로 표시되는 리튬-알루미늄-게르마늄-인산염 (LAGP) 및/또는 LiZr2(PO4)3의 리튬-지르코늄-인산염 (LZP)을 의미할 수 있다.
또한, 상기 리시콘계 고체 전해질은 또는 xLi3AO4-(1-x)Li4BO4 (A: P, As, V 등, B: Si, Ge, Ti 등)로 표시되며 Li4Zn(GeO4)4, Li10GeP2O12(LGPO), Li3.5Si0.5P0.5O4, Li10.42Si(Ge)1.5P1.5Cl0.08O11.92 등을 포함하는 고용체 산화물 및 Li4-xM1-yM'y'S4 (M= Si, Ge and M' = P, Al, Zn, Ga)로 표시되는 Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-P2S5, Li2S-GeS2 등을 포함하는 고용체 황화물을 의미할 수 있다.
그리고 상기 페로브스카이트계 고체 전해질은 Li1/8La5/8TiO3 등 Li3xLa2/3-x
Figure pat00001
1/3-2xTiO3 (0<x<0.16,
Figure pat00002
공공)으로 표시되는 리튬-란타늄-티타늄-산화물(lithium lanthanum titanate, LLTO)을 의미할 수 있으며, 상기 리폰계 고체 전해질은 Li2.8PO3.3N0.46 등의 리튬-포스포러스-옥시나이트라이드(lithium phosphorous oxynitride)와 같은 질화물을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 예시에서, 본 발명의 전고체 전지에 적용되는 고체 전해질의 이온 전도도는 10-3 S/cm 이상일 수 있다. 상기 이온 전도도는 25 ℃의 온도에서 측정한 값일 수 있다. 상기 이온 전도도는 1 x 10-3 S/cm 이상, 2 x 10-3 S/cm 이상, 3 x 10-3 S/cm 이상, 4 x 10-3 S/cm 이상 또는 5 x 10-3 S/cm 이상일 수 있으며, 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 1 x 100 S/cm 일 수 있다. 상기 범위의 이온 전도도를 만족하는 고체 전해질을 사용하는 경우 본 발명에 따른 전고체 전지가 높은 출력을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 전고체 전지는 커버부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 커버부는 바디(110, 210)의 제3면(S3) 내지 제6면(S6)에 배치될 수 있다. 상기 커버부는 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 고분자 수지 등의 필름을 부착하거나, 또는 바디 상에 세라믹 물질을 도포한 후 소성하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 전고체 전지는 바디의 제1 방향(X 방향)의 양면에 제1 외부 전극(131, 231) 및 제2 외부 전극(132, 232)이 배치될 수 있다. 제1 외부 전극(131, 231)은 양극(121, 221)과 연결되며, 제2 외부 전극(132, 232)은 음극(122, 222)과 연결될 수 있다.
상기 제1 외부 전극(131, 231) 및 제2 외부 전극(132, 232)은 도전성 금속 및 글라스를 포함할 수 있다. 상기 도전성 금속은 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 납(Pb) 및 이들의 합금 중 하나 이상의 도전성 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제1 외부 전극(131, 231) 및 제2 외부 전극(132, 232)에 포함되는 글라스 성분은 산화물들이 혼합된 조성일 수 있다. 상기 글라스 성분은, 예를 들어 규소 산화물, 붕소 산화물, 알루미늄 산화물, 전이금속 산화물, 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전이금속은 아연(Zn), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 알칼리 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na) 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 제1 외부 전극(131, 231) 및 제2 외부 전극(132, 232)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 도전성 금속 및 글라스를 포함하는 도전성 페이스트에 바디를 딥핑하여 형성하거나, 상기 도전성 페이스트를 바디의 표면에 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등으로 인쇄하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 도전성 페이스트를 바디의 표면에 도포하거나 또는 상기 도전성 페이스트를 건조시킨 건조막을 바디 상에 전사하여 형성하는 등 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 전고체 전지는 양극 및 음극를 각각 2개 이상 포함하고, 복수의 양극, 고체 전해질층 및 음극이 순차 적층되어 있을 수 있다. 도 12는 본 실시예에 따른 전고체 전지의 단면도이고, 도 13은 본 실시예에 따른 바디(310)를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 복수의 양극(321) 및 음극(322)이 고체 전해질층(311)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 상기 양극(321)은 바디(310)의 제1면(S1)을 통해 노출될 수 있으며, 상기 바디(310)의 제1면(S1)으로 노출되는 부분이 제1 외부 전극(331)과 연결될 수 있다. 또한, 상기 음극(322)은 바디(310)의 제2면(S2)을 통해 노출될 수 있으며, 상기 바디(310)의 제2면(S2)으로 노출되는 부분이 제2 외부 전극(332)과 연결될 수 있다. 상기와 같이 서로 대향하는 양극 및 음극이 복수개 포함되는 경우, 본 발명에 따른 전고체 전지는 고용량, 높은 에너지 밀도 및/또는 대전류 구현이 가능할 수 있다.
상기 실시예에서, 고체 전해질층(311)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 양극(321) 및 음극(322)의 표면에는 각각 제1 전해 혼합부 및 제2 전해 혼합부가 배치될 수 있다. 복수개의 양극(321) 및 음극(322)의 표면에 각각 제1 전해 혼합부 및 제2 전해 혼합부가 배치됨으로써 고체 전해질(311)과 전극 간의 접촉성을 더욱 개선할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전해 혼합부에 관한 설명은 전술한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300: 전고체 전지
110, 210, 310: 바디
111, 211, 311: 고체 전해질층
121, 221, 321: 양극
122, 222, 322: 음극
131, 132, 231, 232, 331, 332: 제1 및 제2 외부 전극
151, 251: 제1 전해 혼합부
152, 252: 제2 전해 혼합부

Claims (12)

  1. 적어도 하나 이상의 프로그램이 저장되는 저장부;
    전력 관리부;
    상기 저장부 및 전력 관리부를 제어하는 제어부;
    상기 전력 관리부와 연결되는 제1 배터리 셀; 및
    상기 저장부와 연결되는 제2 배터리 셀;을 포함하고,
    상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 중 적어도 하나 이상은 전고체 전지를 포함하는 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 장치와 통신하는 통신부 및 상기 통신부과 연결되는 제3 배터리 셀을 추가로 포함하는 전자 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    오디오 신호를 출력하는 오디오 출력부 및 상기 오디오 출력부와 연결되는 제4 배터리 셀을 추가로 포함하는 전자 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    디스플레이 및 상기 디스플레이와 연결되는 제5 배터리 셀을 추가로 포함하는 전자 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 이격되어 배치되는 전자 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 충전 용량이 상이한 전자 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 작동 전압이 상이한 전자 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 2 이상의 배터리 셀이 병렬로 연결된 전자 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판을 추가로 포함하고,
    상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 상기 기판의 표면에 실장된 전자 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판을 추가로 포함하고,
    상기 제1 내지 제5 배터리 셀 중 적어도 하나 이상의 배터리 셀은 상기 기판의 내부에 실장된 전자 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전고체 전지는 고체 전해질층을 사이에 두고 복수의 양극 및 음극이 순차 적층되어 배치되는 전자 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 10-3 S/cm 이상의 이온 전도도를 가지는 전자 장치.
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