KR20210049353A - 일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조를 포함하는 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스. - Google Patents

일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조를 포함하는 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스. Download PDF

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Abstract

본 발명은 일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 새로운 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하며, 두께 방향 관통형 홀이 형성된 집전체를 적용할 경우 전지 내 전해액의 농도 변화폭을 감소시켜 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.

Description

일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조를 포함하는 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스.{Secondary Battery Comprising Unit Cell Assembly Having Radial Structure}
본 발명은 일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조를 포함하는 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라, 에너지원으로서 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지의 수요가 다양해지고 증가함에 따라 새로운 형태의 이차전지에 대한 수요가 있다.
또한, 리튬 이차전지의 경우, 일반적으로 전해액 내의 리튬 이온은 특정 농도 범위에서 높은 이온 전도도를 보이고, 이 보다 농도가 묽거나 진하면 이온 전도도가 감소하게 된다. 리튬 이차전지 내부의 전해액 농도 혹은 리튬 이온의 농도는 일정하지 않으며, 전지의 작동 조건에 따라 양극과 음극 인근의 리튬 이온의 농도는 서로 반대 방향으로 거동하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해소한 새로운 형태의 이차전지 기술에 대한 필요성이 있다.
한국특허등록공보 제10-1859872호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조를 포함하는 새로운 형태의 이차전지 및 이를 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 이차전지는, 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 n 개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 전지를 형성하되, 각 단위 셀은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 셀 두께가 감소하는 구조이다.
구체적인 예에서, 상기 이차전지에서, k 번째(k는 1 내지 n-1 사이의 정수) 단위 셀과 k+1 번째 단위 셀은 서로 이웃하며 대면하는 구조이고, 첫번째 단위 셀과 n 번째(n은 5 내지 10000 사이의 정수) 단위 셀도 서로 이웃하며 대면하는 구조이다. 적용되는 디바이스의 크기에 따라 상기 n값을 달라질 수 있으며, 모바일 또는 소형 기기의 경우 n은 1000 이내로 제조가 가능하며, 자동차 등 대형셀이 사용되는 경우 n 값이 1000 이상에서 10000을 만족하는 범위까지 단위셀이 집합되어 있을 수 있다.
하나의 예에서, 상기 이차전지는, 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 n 개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 중공이 형성된 원통형 구조이고, 전지 내경과 외경의 직경 비율은 1:1.1 내지 100 범위이다.
또 다른 하나의 예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 내주면을 형성하는 중심 방향의 내측 단부의 두께(Din)와 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부의 두께(Dout)의 비율(Dout : Din)은, 1:1.1 내지 100 범위이다.
구체적인 예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심 방향으로 전극과 전극 사이의 간격이 감소하는 구조이다.
또 다른 구체적인 예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극은 각각 금속 집전체 상에 활물질을 포함하는 합제층이 도포된 구조이고, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체 상에 도포된 합제층의 두께가 감소하는 구조이다.
또 다른 구체적인 예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극은 각각 금속 집전체 상에 활물질을 포함하는 합제층이 도포된 구조이고, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체 상에 도포된 합제층의 밀도가 증가하는 구조이다.
하나의 예에서, 각 단위 셀은, 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 음극 사이에는 제1 분리막이 개재되고, 단위 셀과 단위 셀 사이는 제2 분리막이 개재된 구조이다.
구체적인 예에서, 상기 양극 및 음극은, 각각 집전체의 일면에 제1 분리막과 대면하는 방향으로 활물질을 포함하는 합제층이 합지된 구조이다.
하나의 예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극을 형성하는 금속 집전체는 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조이다.
구체적인 예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극을 형성하는 금속 집전체는 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조이고, 상기 관통형 홀이 형성된 면적 분율은 10 내지 80% 범위이다. 예를 들어, 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조의 금속 집전체는 메쉬 형태이다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명은 앞서 설명한 이차전지를 포함하는 디바이스를 제공한다. 구체적으로 상기 디바이스는 상기 디바이스는 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool), 드론(drone), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart) 또는 전력저장용 시스템일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스는 일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 방사형으로 집합된 새로운 구조를 제시하며, 두께 방향 관통형 홀이 형성된 집전체를 적용할 경우 전지 내 전해액의 농도 변화폭을 감소시켜 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2 및 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 수평 방향과 수직 방향 단면 구조를 나타낸 부분 확대도이다.
도 4 및 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 충전과 방전시 전압과 온도 변화를 비교 평가한 결과를 나타낸 그래프들이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
또한, 본 발명에서 "원통형" 또는 "원형"의 의미는 물리적인 원통형 또는 원형인 경우뿐만 아니라 전체적인 형상이 원통형 또는 원형에 가까운 경우를 포함한다. 예를 들어, 전지의 단면 형상이 n 각형인 경우, n이 5 이상인 경우 혹은 10 이상인 경우는 원형의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 n 개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 전지를 형성하되, 각 단위 셀은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 셀 두께가 감소하는 구조인 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는 다수의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 전지를 형성한다. 상기 이차전지의 형상은, 수평 단면 구조를 기준으로, 외주면이 원형 또는 그에 가까운 형태이거나 n 각형일 수 있고, 혹은 부채꼴 형태도 가능하다.
상기 이차전지에서 집합된 단위 셀의 개수 n은 5 이상의 정수이며, 구체적으로는 5 내지 10000, 5 내지 100, 100 내지 1000, 1000 내지 10000, 500 내지 5000 또는 3000 내지 10000 범위이다. 상기 단위 셀의 개수 n은 전지의 형태, 구조 내지 요구 물성에 따라 다양하게 설계 가능하다.
하나의 실시예에서, 상기 이차전지에서 k 번째(k는 1 내지 n-1 사이의 정수) 단위 셀과 k+1 번째 단위 셀은 서로 이웃하며 대면하는 구조이다. 또한, 첫번째 단위 셀과 n 번째(n은 5 내지 10000 사이의 정수) 단위 셀도 서로 이웃하며 대면하는 구조이다. 예를 들어, 상기 이차전지는 다수의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 원통형 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 원통형 구조는 외주면은 단위 셀의 개수에 의해 결정되며, 단면을 기준으로 원형 또는 n 각형을 형성할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 이차전지는 전체적으로 중심부에는 수직 방향으로 관통하는 중공이 형성되고, 외관은 원통형 형상을 가는 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 이차전지는, 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 n 개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 중공이 형성된 원통형 구조이다. 또한, 상기 이차전지는 전지 내경과 외경의 직경 비율은 1:1.1 내지 100 범위이다. 상기 이차전지의 전지 내경과 외경의 직경 비율은, 각각 내경과 외경의 평균값을 기준으로 산출한다. 구체적인 예에서, 상기 이차전지는 전지 내경과 외경의 직경 비율은 1:1.1 내지 100 범위, 1:1.5 내지 80 범위, 1:2 내지 50 범위, 1:10 내지 100 범위 또는 1:30 내지 100 범위이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 내주면을 형성하는 중심 방향의 내측 단부의 두께(Din)와 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부의 두께(Dout)의 비율(Dout : Din)은, 1:1.5~10 범위이다. 구체적인 예에서, 상기 비율(Dout : Din)은 1:1.1 내지 100 범위, 1:1.5 내지 80 범위, 1:2 내지 50 범위, 1:10 내지 100 범위 또는 1:30 내지 100 범위이다.
본 발명에 따른 이차전지에 포함된 단위 셀은, 일방향으로 두께가 감소하는 형태이다. 이는 기존의 각형 전지, 파우치형 전지 또는 원통형 전지와는 차별화된 형태이다. 기존의 이차전지는 외부 형상의 차이가 있으나, 각 전지를 구성하는 단위 셀은 전체적인 두께가 균일하게 제조하되, 적층 형태 혹은 권취 형태를 달리한 것에 불과하다. 하나의 실시예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심 방향으로 전극과 전극 사이의 간격이 감소하는 구조이다.
또한, 일방향으로 두께가 감소하는 형태의 상기 단위 셀과 두께가 균일한 단위 셀이 함께 집합된 구조를 적용하는 것으로, 다양한 형태의 디바이스에 적용 가능한 이차전지를 제조할 수 있다. 예를 들어 모바일 스마트 워치의 경우, 워치 밴드 내부에 수납이 가능한 이차전지가 적용될 수 있는데, 워치 밴드는 직선 구간 영역과 곡선 구간 영역이 결합된 형태로 이루어질 수 있다. 이때, 워치 밴드의 직선 구간 영역에서는 두께가 균일한 단위 셀이 집합되고, 곡선 구간 영역에서는 일방향으로 두께가 감소하는 단위 셀이 집합되는 구조의 이차전지를 사용함으로써, 소망하는 형태의 이차전지를 쉽게 제조할 수 있다.
구체적인 실시예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극은 각각 금속 집전체 상에 활물질을 포함하는 합제층이 도포된 구조이고, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체 상에 도포된 합제층의 두께가 감소하는 구조이다. 즉, 본 발명은 집전체에 로딩되는 합제층의 두께를 일방향으로 증가하거나 감소하도록 설계함으로써, 단위 셀에 두께 배향성을 부여할 수 있다.
또 다른 구체적인 실시예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극은 각각 금속 집전체 상에 활물질을 포함하는 합제층이 도포된 구조이고, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체 상에 도포된 합제층의 밀도가 증가하는 구조이다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 집전체에 로딩되는 합제층의 두께를 일방향으로 증가하거나 감소하도록 설계할 경우, 단위 셀의 위치 혹은 방향성에 따라 용량 불균일이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 집전체에 로딩되는 합제층의 밀도를 일방향으로 감소하거나 증가하도록 설계함으로써, 단위 셀에 두께 배향성에 따른 용량 불균일을 보상할 수 있다. 예를 들어, 집전체에 합지된 합제층의 두께가 얇은 영역은 합제층의 밀도를 높게 설정할 수 있다. 이러한 합제층의 밀도 배향성은, 집전체 상에 합제층을 균일하게 로딩한 상태에서 롤러를 이용한 가압시 일방향으로 가압 혹은 감압함으로써 구현 가능하다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 이차전지를 구성하는 각 단위 셀은, 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 음극 사이에는 제1 분리막이 개재되고, 단위 셀과 단위 셀 사이는 제2 분리막이 개재된 구조이다. 이 경우, 상기 양극 및 음극은, 각각 집전체의 일면에 제1 분리막과 대면하는 방향으로 활물질을 포함하는 합제층이 합지된 구조일 수 있다.
구체적으로, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극을 형성하는 금속 집전체는 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조이다. 본 발명에 따른 이차전지는 두께 방향 관통형 홀이 형성된 집전체를 단위 셀에 적용함으로써, 전지 내 전해액 또는 리튬 이온의 농도 변화폭을 감소시켜 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다. 본 발명에서는, 두께 방향 관통형 홀이 형성된 집전체를 단위 셀에 적용함으로써, 전해액 내의 리튬 이온 농도를 일정 범위에서 균일하게 유지할 수 있다. 이를 통해 전지의 과전압 요소들 중에서, 전해액 관련된 과전압 요인을 감소시켜 전지의 성능을 높일 수 있다.
하나의 실시예에서, 전지를 형성하는 각 단위 셀에서, 양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극을 형성하는 금속 집전체는 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조이고, 상기 관통형 홀이 형성된 면적 분율은 10 내지 80% 범위이다. 구체적으로, 상기 관통홀이 형성된 면적 분율은 10 내지 80%, 10 내지 70%, 10 내지 50%, 20 내지 90%, 30 내지 90% 또는 30 내지 60% 범위이다. 관통홀의 단위 면적당 수 내지 면적 분율을 상기 범위로 제어함으로써, 기계적 강도의 큰 저하 없이 집전체의 변형율을 줄이고 전지 내 전해액 농도 내지 리튬 이온 농도의 변화폭을 낮출 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 관통홀은 10 cm x 10 cm의 단위 면적당 10 내지 500개 형성된 구조이다. 구체적으로 상기 관통홀은 단위 면적당 10 내지 300개, 10 내지 200개, 10 내지 100개, 10 내지 70개, 30 내지 50개, 50 내지 500개, 100 내지 200개, 50 내지 300개, 100 내지 500개, 30 내지 200개 또는 10 내지 200개 형성된 구조이다. 예를 들어, 상기 금속 집전체는 메쉬 형태이다.
본 발명에서 상기 이차전지는 예를 들어, 리튬 이차전지이다. 상기 리튬 이차전지는 예를 들어, 앞서 설명한 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 비수 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다.
양극은, 양극 집전제의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 적층된 구조이다. 양극 활물질은 각각 독립적으로, 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 양극 합제층은 양극 활물질 외에 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 이차전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 구체적으로, 상기 양극용 집전체는, 설명한 금속 성분으로 형성되되 두께 방향 관통홀이 형성된 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 관통홀에 충진된 이온전도성 다공성 보강재를 포함하는 형태이다.
음극은 음극 합제층으로 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다. 구체적으로, 상기 음극용 집전체는, 설명한 금속 성분으로 형성되되 두께 방향 관통홀이 형성된 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 관통홀에 충진된 이온전도성 다공성 보강재를 포함하는 형태이다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 전해액은 비수 전해액을 포함하는 비수계 전해질을 사용할 수 있다. 상기 비수 전해액으로는 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다. 그러나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 리튬 이차전지 분야에서 사용되는 다수의 전해액 성분들이 적절한 범위 내에서 가감될 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 이차전지를 포함하는 디바이스를 제공한다. 구체적인 예에서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool), 드론(drone), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart) 또는 전력저장용 시스템이다.
예를 들어 모바일 전자기기인 스마트 시계에 본 발명의 이차전지가 포함되는 경우, 기존의 파우치형 전지는 평면으로 두께가 얇은 전극들을 여러 개 쌓아야 하는 것에 비하여, 본 발명의 이차전지는 그 자체로 중공형 구조로 제조가 가능하므로 시계의 밴드 형태에 대응하여 제조하기 적합하다. 또한, 크기 대비 고용량 달성이 가능하므로 무선 이어폰과 같은 초소형 디바이스에 적용이 가능하다. 한편, 집합된 단위셀 개수에 따라 크기 조절이 용이하므로, 전기차용 대형 원통형 전지에도 적용할 수 있다.
이하, 실시예 및 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면과 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 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.
실시예 1
양극 활물질로 NCM(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 100 중량부, 도전재로 카본 블랙(FX35, Denka) 1.5 중량부 및 바인더 고분자로 폴리비닐리덴 플루오라이드(KF9700, Kureha) 2.3 중량부를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제층 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 합제층 슬러리를 640 mg/25cm2의 로딩양으로 두께 방향 관통홀이 형성된 알루미늄 집전체 일면에 코팅 한 뒤 진공 건조하여, 양극을 수득하였다. 상기 알루미늄 집전체에서, 관통형 홀이 면적 분율 약 40% 수준으로 형성되고, 10 cm x 10 cm의 단위 면적당 약 50개 형성된 구조이다. 또한, 상기 양극 합제층은 일방향으로 두께 약 40% 수준까지 순차적으로 감소되도록 가압하였다.
음극은 음극 활물질로서 인조흑연(GT, Zichen(China)) 100 중량부, 도전재로서 카본블랙(Super-P) 1.1 중량부, 스티렌-부타디엔 고무 2.2 중량부, 카복시 메틸 셀룰로오즈 0.7 중량부를 용제인 물에 첨가하여 음극 활물질 슬러리를 제조한 후, 두께 방향 관통홀이 형성된 구리 집전체 일면에 코팅, 건조 및 압착하여 제조하였다. 상기 구리 집전체에서, 관통형 홀이 면적 분율 약 40% 수준으로 형성되고, 10 cm x 10 cm의 단위 면적당 약 50개 형성된 구조이다. 또한, 상기 양극 합제층은 일방향으로 두께 약 40% 수준까지 순차적으로 감소되도록 가압하였다.
한편, 폴리프로필렌을 건식 방법을 사용하여 일축 연신하여, 융점이 165℃이고, 일측의 너비가 200 mm인 미세 다공성 구조의 분리막을 제조하였다. 제1 분리막을 양극과 음극 사이에 개재하고, 양극과 음극의 외측에는 제2 분리막이 위치하는 구조의 단위 셀이 반복되도록 집합하여 전극 조립제를 제조하였다. 상기 전극 조립체는, 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 50 개의 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조이다.
상기 전극조립체를 중공 원통형 전지케이스에 내장한 후, 1M LiPF6 카보네이트계 용액 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.
도 1에는 제조된 이차전지의 단면 구조를 도시하였다. 또한, 도 2는 이차전지에 포함된 전극 조립체의 수평 방향 단면 구조의 부분 확대도를 도시하였고, 도 3에는 이차전지에 포함된 전극 조립체의 수직 방향 단면 구조의 부분 확대도를 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지(100)는, 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 50 개의 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조이다. 또한, 각 단위 셀은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 셀 두께가 감소하는 구조이다.
도 2를 참조하면, 이차전지를 구성하는 단위 셀은 음극 집전체(110), 음극 합제층(111), 제1 분리막(131), 양극 합제층(121), 양극 집전체(120) 및 제2 분리막(132)가 순차 적층된 구조이다. 또한, 상기 음극 집전체(110)와 양극 집전체(120)는 두께 방향으로 관통형 홀이 형성된 구조이다. 상기 음극 합제층(111)과 양극 합제층(121)은 각각 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체(110, 120) 상에 도포된 합제층(111, 121)의 두께가 감소하되, 밀도는 증가하는 구조이다.
도 3을 참조하면, 이차전지를 구성하는 단위 셀은 음극 집전체(110), 음극 합제층(111), 제1 분리막(131), 양극 합제층(121), 양극 집전체(120) 및 제2 분리막(132)가 순차 적층된 구조가 연속적으로 반복된 형태이다. 또한, 상기 음극 집전체(110)와 양극 집전체(120)는 두께 방향으로 관통형 홀이 형성된 구조이다. 상기 음극 집전체(110)와 양극 집전체(120)에는 다수의 관통형 홀들이 형성되어 있으며, 이러한 관통홀들은 리튬 이온의 원활한 유동을 촉진한다.
실시예 2
알루미늄 및 구리 집전체를 각각 메쉬 구조의 집전체를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.
비교예 1
양극 및 음극 집전체에 각각 두께 관통형 홀을 형성하지 않고, 양극 및 음극 합제층의 두께 구배를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 음극을 제조하였다.
한편, 폴리프로필렌을 건식 방법을 사용하여 일축 연신하여, 융점이 165℃이고, 일측의 너비가 200 mm인 미세 다공성 구조의 분리막을 제조하였다. 제1 분리막을 양극과 음극 사이에 개재하고, 양극과 음극의 외측에는 제2 분리막이 위치하는 구조의 단위 셀이 반복되도록 집합하여 전극 조립제를 제조하였다. 상기 전극 조립체는 50 개의 단위 셀이 순차 집합된 구조이다.
상기 전극조립체를 중공 각형 전지케이스에 내장한 후, 1M LiPF6 카보네이트계 용액 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.
실험예 1: 이차전지 물성 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 각 이차전지에 대하여 물성을 평가하였다. 구체적으로는 각 이차전지에 대한 충전과 방전을 수행하고, 충전 및 방전시 전압과 온도 변화를 각각 측정하였다. 이차전지에 대한 충전과 방전은 20℃, 1C 조건에서 수행하였다.
이차전지의 충전과 방전시 전압 변화를 평가한 결과는 도 4에 도시하였고, 이차전지의 충전과 방전시 온도 변화를 평가한 결과는 도 5에 도시하였다.
먼저, 도 4를 참조하면, 실시예 1에 따른 이차전지는 비교예 1과 대비하여 방전 전압이 높고, 충전 전압이 낮음을 알 수 있다. 이를 통해, 실시예 1에 따른 이차전지는 제품에 적용시 보다 높은 파워를 제공하며, 충전시에는 보다 낮은 충전 파워를 요구함을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 따른 이차전지는, 비교예 1과 대비하여, 충방전시 온도가 낮고 그 변화폭이 현저히 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1에 다른 이차전지는 요구되는 냉각 성능이 더 낮고, 보다 컴팩트한 설계가 가능하다.
따라서, 각종 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device)등에 적용이 가능하며, 특히 무선 이어폰이나 스마트워치와 같은 소형기기, 특히 이차전지의 중량 및 부피에 제약을 받으면서도 장기간 사용을 요하는 디바이스에 특히 적합하다.
또한 출력이 우수하여 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool)에도 사용될 수 있으며, 드론(drone), 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) 등 고출력의 전기를 이용하는 수송 수단뿐만 아니라 전기 저장 시스템에 적용하기에도 적합하다.
100: 이차전지
110: 음극 집전체
111: 음극 합제층
120: 양극 집전체
121: 양극 합제층
131: 제1 분리막
132: 제2 분리막

Claims (14)

  1. 수평 단면 구조를 기준으로, 중심축을 중심으로 n 개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 전지를 형성하되,
    각 단위 셀은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 셀 두께가 감소하는 구조인 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    k 번째(k는 1 내지 n-1 사이의 정수) 단위 셀과 k+1 번째 단위 셀은 서로 이웃하며 대면하는 구조이고,
    첫번째 단위 셀과 n 번째(n은 5 내지 10000 사이의 정수) 단위 셀도 서로 이웃하며 대면하는 구조인 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차전지는,
    수평 단면 구조를 기준으로,
    중심축을 중심으로 n 개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀이 방사형으로 집합되어 중공이 형성된 원통형 구조이고,
    전지 내경과 외경의 직경 비율은 1:1.1 내지 100 범위인 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전지를 형성하는 각 단위 셀은,
    수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 내주면을 형성하는 중심 방향의 내측 단부의 두께(Din)와 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부의 두께(Dout)의 비율(Dout : Din)은, 1:1.1~100 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    전지를 형성하는 각 단위 셀에서,
    양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은,
    수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심 방향으로 전극과 전극 사이의 간격이 감소하는 구조인 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    전지를 형성하는 각 단위 셀에서,
    양극 및 음극은 각각 금속 집전체 상에 활물질을 포함하는 합제층이 도포된 구조이고,
    양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체 상에 도포된 합제층의 두께가 감소하는 구조인 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전지를 형성하는 각 단위 셀에서,
    양극 및 음극은 각각 금속 집전체 상에 활물질을 포함하는 합제층이 도포된 구조이고,
    양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극은, 수평 단면 구조를 기준으로, 전지의 외주면을 형성하는 외측 단부에서 중심축 방향으로 금속 집전체 상에 도포된 합제층의 밀도가 증가하는 구조인 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각 단위 셀은, 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 음극 사이에는 제1 분리막이 개재되고,
    단위 셀과 단위 셀 사이는 제2 분리막이 개재된 구조인 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극은,
    각각 집전체의 일면에 제1 분리막과 대면하는 방향으로 활물질을 포함하는 합제층이 합지된 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전지를 형성하는 각 단위 셀에서,
    양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극을 형성하는 금속 집전체는 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전지를 형성하는 각 단위 셀에서,
    양극 및 음극 중 어느 하나 이상의 전극을 형성하는 금속 집전체는 두께 관통형 홀이 형성된 다공성 구조이고,
    상기 관통형 홀이 형성된 면적 분율은 10 내지 80% 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    다공성 구조의 금속 집전체는 메쉬 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 따른 이차전지를 포함하는 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 디바이스는 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool), 드론(drone), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart) 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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