KR20210067853A

KR20210067853A - 평판형 리튬 전극

Info

Publication number: KR20210067853A
Application number: KR1020200077719A
Authority: KR
Inventors: 신달우; 신진식; 오미현; 김성한; 박지윤
Original assignee: 한국제이씨씨(주)
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2021-06-08
Also published as: KR102406330B1

Abstract

본 발명은 평판형 리튬 전극에 관한 것으로, 집전체의 표면에 형성되는 리튬 금속시트; 및 리튬 금속시트가 밀봉되며 집전체의 표면이 덮어지게 배치되는 절연성 필름을 포함하고, 집전체는 구리(Cu)를 이용해 평판형으로 형성되며, 리튬 금속시트는 집전체의 표면의 가장자리가 노출되게 정렬되어 형성되는 리튬 금속층과, 리튬 금속층이 매립되게 집전체의 표면에 형성되는 계면층을 포함하며, 리튬 금속층의 표면적은 집전체의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 집전체의 표면적보다 작게 평판형으로 형성되며, 계면층은 전도성 고분자를 이용해 리튬 금속층이 매립되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

평판형 리튬 전극{Flat type lithium electrode}

본 발명은 평판형 리튬 전극에 관한 것으로, 특히 집전체의 표면에 리튬을 이용해 리튬 금속층을 형성함으로써 이차 전지의 음극에 적용 시 에너지 밀도를 개선시킬 수 있는 평판형 리튬 전극에 관한 것이다.

리튬 이온 이차 전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용한다. 이러한 리튬 이온 이차 전지는 양극과 음극의 사이에 분리막이 배치되며, 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 하며, 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리 될 때 일어나는 전기화학적 산화, 환원반응에 의하여 발생하는 전자가 전기에너지를 생성한다. 리튬 이온 이차 전지에 관련된 기술이 한국등록특허공보 제10-0626510호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.

한국등록특허공보 제10-0626510호는 리튬 이온 이차 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 양극과 음극이 권심에 둘러 감겨 그 양극과 음극과의 사이에 독립한 세퍼레이터(분리막)를 갖지 않은 전극군을 구비한 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 음극 또는 양극의 적어도 한쪽이 다공막을 구비함과 동시에 음극 및 양극이 각각 음극용 수지필름 및 양극용 수지필름에 의해서 권심에 접속되어 있다. 이러한 수지필름을 사용하는 것에 의해 다공막의 파손을 저감하여 음극과 양극과의 단락을 방지하게 구성된다.

한국등록특허공보 제10-0626510호와 같은 종래의 리튬 이온 이차 전지는 음극으로 구리박과 구리 박의 표면에 전극 물질로 흑연 등의 탄소재료를 도포하여 사용된다. 이와 같이 종래의 리튬 이온 이차 전지는 음극을 구리 박과 구리 박의 표면에 전극 물질로 흑연 등의 탄소재료를 도포하여 사용함으로써 에너지 밀도가 낮은 문제점이 있다.

: 한국등록특허공보 제10-0626510호

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 집전체의 표면에 리튬을 이용해 리튬 금속층을 형성함으로써 이차 전지의 음극에 적용 시 에너지 밀도를 개선시킬 수 있으며, 리튬 금속층을 전도성 고분자인 계면층으로 매립시켜 리튬 금속층의 표면을 개질시킴으로써 충방전 사이클의 신뢰성을 개선시킬 수 있는 평판형 리튬 전극을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 집전체의 상부의 표면에 리튬 금속층과 계면층을 연속적으로 형성한 후 도전성 접착제를 매개로 리튬 금속층과 계면층이 형성된 집전체의 어느 한면이나 전면이 밀봉되도록 절연성 필름을 형성함으로써 핸들링이나 보관을 용이하게 할 수 있는 평판형 리튬 전극을 제공함에 있다.

본 발명의 평판형 리튬 전극은 집전체; 집전체의 표면에 형성되는 리튬 금속시트; 및 상기 리튬 금속시트가 밀봉되며 상기 집전체의 표면이 덮어지게 배치되는 절연성 필름을 포함하고, 상기 집전체는 구리(Cu)를 이용해 평판형으로 형성되며, 상기 리튬 금속시트는 상기 집전체의 표면의 가장자리가 노출되게 정렬되어 형성되는 리튬 금속층과, 상기 리튬 금속층이 매립되게 상기 집전체의 표면에 형성되는 계면층을 포함하며, 상기 리튬 금속층의 표면적은 집전체의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 집전체의 표면적보다 작게 평판형으로 형성되며, 상기 계면층은 전도성 고분자를 이용해 상기 리튬 금속층이 매립되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 평판형 리튬 전극은 집전체의 표면에 리튬을 이용하여 리튬 금속층을 형성함으로써 이차 전지의 음극에 적용 시 에너지 밀도를 개선시킬 수 있는 이점이 있고, 리튬 금속층을 전도성 고분자인 계면층으로 매립시켜 리튬 금속층의 표면을 개질시킴으로써 충방전 사이클의 신뢰성을 개선시킬 수 있는 이점이 있으며, 집전체의 상부의 표면에 리튬 금속층과 계면층을 연속적으로 형성한 후 도전성 접착제를 매개로 리튬 금속층과 계면층이 형성된 집전체의 어느 한면이나 전면이 밀봉되도록 절연성 필름을 형성함으로써 핸들링이나 보관을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 리튬 전극의 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 평판형 판형 리튬 전극의 A-A선 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 평판형 리튬 전극의 다른 실시예를 나타낸 단면도.

이하, 본 발명의 평판형 리튬 전극의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 평판형 리튬 전극의 일 실시예는 집전체(10), 리튬 금속시트(20) 및 절연성 필름(30)을 포함하여 구성된다.

집전체(10)는 본 발명의 평판형 리튬 전극을 전반적으로 지지한다. 리튬 금속시트(20)는 집전체(10)의 표면에 형성되며, 리튬 금속층(21)과 계면층(23)을 포함하여 구성된다. 절연성 필름(30)은 집전체(10)의 표면이 덮어지며 리튬 금속시트(20)가 밀봉되게 집전체(10)의 표면이 덮어지게 배치된다.

본 발명의 평판형 리튬 전극의 구체적인 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

집전체(10)는 도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 평판형 리튬 전극을 전반적으로 지지하며, 재질은 구리(Cu)를 이용해 두께(T1)가 20 내지 400㎛인 평판형으로 형성된다.

리튬 금속시트(20)는 도 1 및 도 2에서와 같이 리튬 금속층(21)과 계면층(23)을 포함하여 구성된다.

리튬 금속층(21)은 리튬(Li)을 이용해 집전체(10)의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 정렬되며 집전체(10)의 표면적(S1)보다 작게 평판형으로 형성된다. 즉, 리튬 금속층(21)의 상부나 하부의 표면적(S3)은 집전체(10)의 상부나 하부의 표면적(S1)보다 작게 형성된다. 예를 들어, 리튬 금속층(21)의 형성 시 집전체(10)의 표면 중 가장자리가 노출되게 리튬 금속층(21)의 표면적(S3)을 설정하여 형성된다. 여기서, 집전체(10)의 상부나 하부의 표면적(S1)은 서로 동일하며 리튬 금속층(21)의 상부나 하부의 표면적(S3)은 또한 서로 동일하게 형성된다. 이러한 리튬 금속층(21)은 리튬(Li)을 증착이나 스퍼터링 방법을 이용해 두께(T2)가 50 내지 200㎛가 되게 형성된다. 이와 같이 즉, 리튬 금속층(21)은 리튬(Li)이 수분이나 물 등과 쉽게 반응함에 의해 화학적이 방법보다는 물리적인 증착이나 스퍼터링 방법을 이용하여 형성함으로써 집전체(10)의 상부의 표면에 안정적이며 용이하게 형성할 수 있게 된다.

계면층(23)은 리튬 금속층(21)이 매립되게 집전체(10)의 표면의 가장자리에 접착되게 형성된다. 이러한 계면층(23)은 전도성 고분자를 이용해 리튬 금속층(21)이 매립되며 집전체(10)의 표면의 가장자리 부분이 노출되게 형성된다. 즉, 계면층(23)의 일 실시예는 집전체(10)의 가장자리 부분과 리튬 금속층(21)의 표면에 각각 도전성 접착체를 코팅한 후 도전성 접착제를 이용해 점성이 1000 내지 100000cps(centi Poise)인 전도성 고분자를 도포하여 두께(T3)가 1 내지 5㎛가 되게 형성된다. 리튬 금속층(21)의 표면에 계면층(23)을 접착하기 위해 사용되는 도전성 접착제는 실버 에폭시(silver epoxy)가 사용되며, 전도성 고분자의 재질은 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), PEDOT(poly(3,4-ethylene dioxythiophene)) 및 폴리아닐린(polyaniline) 중 하나가 사용된다.

계면층(23)의 다른 실시예는 집전체(10)의 가장자리 부분과 리튬 금속층(21)의 표면에 점성이 1000 내지 100000cps(centi Poise)인 전도성 고분자를 직접 도포하여 두께(T3)가 1 내지 5㎛가 되게 형성된다. 여기서, 전도성 고분자의 재질은 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), PEDOT(poly(3,4-ethylene dioxythiophene)) 및 폴리아닐린(polyaniline) 중 하나가 사용된다.

계면층(23)은 도 1 및 도 2에서와 같이 리튬 금속층(21)이 집전체(10)의 상부의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 집전체(10)의 상부의 표면적(S1)보다 표면적(S3)을 작게 형성함으로써 리튬 금속층(21)을 용이하게 매립시킨 상태로 집전체(10)의 상부에 형성할 수 있으며, 이로 인해 리튬 금속층(21)이 외부로 노출되어 외부에 포함되는 수분 등의 물과 반응이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

절연성 필름(30)은 도 2에서와 같이 리튬 금속시트(20)가 밀봉되며 집전체(10)의 표면이 덮어지게 집전체(10)의 가장자리에 도전성 접착제(31)를 매개로 접착된다. 즉, 절연성 필름(30)은 집전체(10)의 상부의 표면 중 외부로 노출된 표면에 도전성 접착체(31)를 도포한 후 도전성 접착제(31)를 매개로 집전체(10)와 계면층(23)의 상부의 표면 중 외부로 노출된 표면이 커버(cover)되도록 접착된다. 이와 같이 절연성 필름(30)은 리튬 금속시트(20) 즉, 리튬 금속층(21)과 계면층(23)이 형성된 집전체(10)의 상부의 표면을 밀봉시킴으로써 리튬 금속시트(20)가 외부에서 노출되어 수분 등과 반응하는 것을 방지하게 된다. 여기서, 도전성 접착제(31)는 실버 에폭시(silver epoxy)가 사용되며, 절연성 필름(30)의 재질은 폴리에테르설폰(PES: polyether sulfone), 폴리에테르에테르케톤(PEEK: polyether ether ketone), 폴리에테르이미드(PEI: polyetherimide) 및 폴리아미드이미드(polyamide-imide) 중 하나가 사용된다.

본 발명의 평판형 리튬 전극의 구체적인 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3에서와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 평판형 리튬 전극은 집전체(10), 리튬 금속시트(20) 및 절연성 필름(30)을 포함하여 구성된다.

집전체(10)는 두께(T1)가 20 내지 400㎛가 사용되며 재질은 구리(Cu)가 사용되어 형성되는 것으로, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 리튬 전극과 동일하게 적용됨으로 설명을 생략한다.

리튬 금속시트(20)는 둘 이상의 리튬 금속층(21), 둘 이상의 실리콘층(22) 및 둘 이상의 계면층(23)을 포함하여 구성된다.

둘 이상의 리튬 금속층(21)은 각각 집전체(10)의 표면에의 가장자리가 노출되게 정렬되어 형성된다. 이러한 둘 이상의 리튬 금속층(21) 중 하나의 리튬 금속층(21)의 표면적(S2: 도 1에 도시됨)이 집전체(10)의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 집전체(10)의 표면적(S1: 도 1에 도시됨)보다 작게 평판형으로 형성되며 나머지 리튬 금속층(21)은 계면층(23)의 표면에 각각 배치되어 형성된다. 둘 이상의 실리콘층(22)은 각각 리튬 금속층(21)의 표면에 배치되어 형성된다. 즉, 둘 이상의 실리콘층(22)은 각각 리튬 금속층(21)과 계면층(23) 사이에 위치되게 형성된다.

둘 이상의 계면층(23)은 각각 실리콘층(22)의 표면에 배치되어 형성된다. 이러한 둘 이상의 계면층(23) 중 하나의 계면층(23)은 전도성 고분자를 이용해 둘 이상의 리튬 금속층(21)이 매립되며 집전체(10)의 표면의 가장자리 부분이 노출되게 형성되며 나머지 계면층(23)은 그래핀을 이용해 실리콘층(22)의 표면에 형성된다. 예를 들어, 둘 이상의 계면층(23) 중 가장 상부에 배치되는 계면층(23)은 전도성 고분자를 이용해 둘 이상의 리튬 금속층(21), 둘 이상의 실리콘층(22) 및 둘 이상의 계면층(23) 중 나머지 다른 계면층(23)이 매립되며 집전체(10)의 표면의 가장자리 부분이 노출되게 형성된다. 둘 이상의 계면층(23) 중 가장 상부에 배치된 계면층(23)을 제외한 나머지 계면층(23)은 그래핀을 이용해 실리콘층(22)의 표면에 형성되며, 이러한 둘 이상의 계면층(23) 중 나머지 다른 계면층(23)은 가장 상부에 배치되는 계면층(23)에 의해 매립되며, 집전체(10)의 표면의 가장자리 부분이 노출되게 형성되고, 이러한 나머지 계면층(23)은 그래핀을 이용해 실리콘층(22)의 표면에 형성된다.

전술한 둘 이상의 리튬 금속층(21)과 둘 이상의 실리콘층(22)은 각각 서로 상부의 표면적(S2: 도 1에 도시됨)과 두께(T2,T3)가 서로 동일하게 형성된다. 예를 들어, 둘 이상의 리튬 금속층(21)과 둘 이상의 실리콘층(22)의 두께(T2,T3)는 각각 5 내지 20㎛이며 둘 이상의 계면층(23)의 두께는 0.1 내지 1㎛되게 각각 형성된다.

절연성 필름(30)은 리튬 금속시트(20)가 밀봉되며 집전체(10)의 표면이 덮어지도록 집전체(10)의 표면의 가장자리에 도전성 접착체(31)를 매개로 접착되고, 도전성 접착제(31)는 실버 에폭시(silver epoxy)가 사용되며, 절연성 필름(30)의 재질은 폴리에테르설폰(PES:polyether sulfone), 폴리에테르에테르케톤(PEEK: polyether ether ketone), 폴리에테르이미드(PEI: poly ether imide) 및 폴리아미드이미드(polyamide-imide) 중 하나가 사용된다. 절연성 필름(30)의 다른 실시예는 진공 포장을 이용한다. 즉, 절연성 필름(30)은 집전체(10)와 집전체(10)의 표면에 형성되는 리튬 금속시트(20)가 각각 밀봉되게 진공되장되어 형성된다.

이와 같이 본 발명의 평판형 리튬 전극은 이차 전지에 사용되는 음극 활물질로 리튬 금속층(21)과 실리콘층(22)을 복합하여 사용함으로써 리튬 금속층(21)의 리튬(Li)으로 에너지 밀도를 증가시키면서 실리콘층(22)을 형성하는 실리콘(Si)으로 안전성 확보할 수 있다. 특히 본 발명의 평판형 리튬 전극은 계면층(23)으로 전도성 고분자를 사용하여 형성함으로써 리튬 금속층(21)의 표면에서 발생될 수 있는 덴드라이트(dendrite)로 인한 신뢰성을 저하를 방지할 수 있고, 계면층(23)으로 그래핀을 사용하여 형성함으로써 실리콘층(22)을 형성하는 실리콘(Si)을 안정적으로 규제할 수 있어 본 발명의 평판형 리튬 전극을 이차 전지에 적용 시 제품의 안정성 및 신뢰성을 개선시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 평판형 리튬 전극은 집전체(10)의 상부의 표면에 계면층(20)을 형성한 후 절연성 필름(30)을 이용해 본 발명의 평판형 리튬 전극의 어느 한 면 즉, 계면층(20)이 형성된 집전체(10)의 표면을 커버하거나 본 발명의 평판형 리튬 전극의 전면을 커버하여 밀봉함으로써 리튬과 외부에 존재할 수 있는 수분과의 반응을 방지할 수 있으며 핸들링과 보관을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 평판형 리튬 전극은 이차 전지 제조 산업 분야에 적용할 수 있다.

10: 집전체
20: 리튬 금속시트
21: 리튬 금속층
22: 실리콘층
23: 계면층
30: 절연성 필름

Claims

집전체;
집전체의 표면에 형성되는 리튬 금속시트; 및
상기 리튬 금속시트가 밀봉되며 상기 집전체의 표면어 덮어지게 배치되는 절연성 필름을 포함하고,
상기 집전체는 구리(Cu)를 이용해 평판형으로 형성되며, 상기 리튬 금속시트는 상기 집전체의 표면의 가장자리가 노출되게 정렬되어 형성되는 리튬 금속층과, 상기 리튬 금속층이 매립되게 상기 집전체의 표면에 형성되는 계면층을 포함하며, 상기 리튬 금속층의 표면적은 집전체의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 집전체의 표면적보다 작게 평판형으로 형성되며, 상기 계면층은 전도성 고분자를 이용해 상기 리튬 금속층이 매립되게 형성되는 평판형 리튬 전극.
제1항에 있어서,
상기 리튬 금속층은 리튬(Li)을 증착이나 스퍼터링 방법을 이용해 두께가 50 내지 200㎛되게 형성되는 평판형 리튬 전극.
제1항에 있어서,
상기 계면층은 상기 집전체의 가장자리 부분과 상기 리튬 금속층의 표면에 각각 도전성 접착체를 코팅한 후 상기 도전성 접착제를 이용해 점성이 1000 내지 100000cps(centi Poise)인 전도성 고분자를 도포하여 두께가 1 내지 5㎛되게 형성되며, 상기 도전성 접착제는 실버 에폭시(silver epoxy)가 사용되며, 상기 전도성 고분자의 재질은 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), PEDOT(poly(3,4-ethylene dioxythiophene)) 및 폴리아닐린(polyaniline) 중 하나가 사용되는 평판형 리튬 전극.
제1항에 있어서,
상기 리튬 금속시트는 상기 집전체의 표면에의 가장자리가 노출되게 각각 정렬되어 형성되는 둘 이상의 리튬 금속층과, 상기 리튬 금속층의 표면에 각각 배치되어 형성되는 둘 이상의 실리콘층과, 상기 실리콘층의 표면에 각각 배치되어 형성되는 둘 이상의 계면층을 포함하며,
상기 둘 이상의 리튬 금속층 중 하나의 리튬 금속층의 표면적은 집전체의 표면에서 가장자리 부분이 노출되게 집전체의 표면적보다 작게 평판형으로 형성되며 나머지 리튬 금속층은 계면층의 표면에 각각 배치되어 형성되고, 상기 둘 이상의 실리콘층은 각각 리튬 금속층과 계면층 사이에 위치되게 형성되며, 상기 둘 이상의 계면층 중 하나의 계면층은 전도성 고분자를 이용해 상기 둘 이상의 리튬 금속층이 매립되며 상기 집전체의 표면의 가장자리 부분이 노출되게 형성되며 나머지 계면층은 그래핀을 이용해 실리콘층의 표면에 형성되는 평판형 리튬 전극.
제4항에 있어서,
상기 둘 이상의 리튬 금속층, 상기 둘 이상의 실리콘층 및 상기 둘 이상의 계면층 중 상기 둘 이상의 리튬 금속층과 상기 둘 이상의 실리콘층은 각각 서로 상부의 표면적과 두께가 서로 동일하게 형성되고, 상기 둘 이상의 계면층 중 하나의 계면층은 전도성 고분자를 이용해 상기 둘 이상의 리튬 금속층, 상기 둘 이상의 실리콘층 및 상기 둘 이상의 계면층 중 나머지 계면층이 매립되며 상기 집전체의 표면의 가장자리 부분이 노출되게 형성되며, 상기 나머지 계면층은 그래핀을 이용해 실리콘층의 표면에 형성되는 평판형 리튬 전극.
제4항에 있어서,
상기 둘 이상의 리튬 금속층, 상기 둘 이상의 실리콘층 및 상기 둘 이상의 계면층 중 상기 둘 이상의 리튬 금속층과 상기 둘 이상의 실리콘층의 두께는 각각 5 내지 20㎛이며 상기 둘 이상의 계면층의 두께는 0.1 내지 1㎛되게 형성되는 평판형 리튬 전극.
제1항에 있어서,
상기 절연성 필름은 상기 리튬 금속시트가 밀봉되며 집전체의 표면이 덮어지게 집전체의 가장자리에 도전성 접착체를 매개로 접착되고, 상기 도전성 접착제는 실버 에폭시(silver epoxy)가 사용되며, 상기 절연성 필름의 재질은 폴리에테르설폰(PES: polyether sulfone), 폴리에테르에테르케톤(PEEK: polyether ether ketone), 폴리에테르이미드(PEI: polyetherimide) 및 폴리아미드이미드(polyamide-imide) 중 하나가 사용되는 평판형 리튬 전극.
제1항에 있어서,
상기 절연성 필름은 상기 집전체와 상기 리튬 금속시트가 각각 밀봉되게 진공 포장되어 형성되는 평판형 리튬 전극.