KR20220026222A - separation layer with three-dimensional minimal surface, STORAGE BATTERY HAVING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a storage battery provided with a three-dimensional curved structure as a separation layer and a manufacturing method thereof. The three-dimensional curved structure for a separation layer is divided into two subspaces of which insides are twisted with each other by an interface, is provided as a separation layer because the interface is permeable to an ionized fluid, and the two subspaces are provided as a space for accommodating an electrode and active material of the storage battery, respectively. According to the present invention, the subspaces of the three-dimensional curved structure in the form of a triply periodic minimal surface (TPMS) are used as an accommodation space for the electrode and active material of the storage battery, and the interface of the structure having a large specific surface area is used as the separation layer of the storage battery, such that a volumetric energy density is very high. In addition, because the separation layer surrounds the electrode and the active material, its structural strength and stability can be improved compared to the weight of the storage battery, and in this case, even if the electrode is composed of a wire having a small diameter, the active material does not escape from the electrode, such that the weight of the electrode can be reduced.

Description

3차원 최소곡면 형태의 분리층 및 이를 구비한 축전지 및 그 제조방법{separation layer with three-dimensional minimal surface, STORAGE BATTERY HAVING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Separation layer in the form of a three-dimensional minimal curved surface, a storage battery having the same, and a manufacturing method thereof

본 발명은 다공질 소재로 만들어진 3주기 최소 곡면 또는 이와 유사한 곡면 형태로 구성된 3차원 곡면 구조체의 응용에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 이러한 구조체를 축전지의 분리층에 적용하는 것에 관련된다.The present invention relates to the application of a three-dimensional curved structure composed of a three-period minimum curved surface made of a porous material or a similar curved surface shape, and more specifically, to the application of such a structure to a separation layer of a storage battery.

근래 한승철 등은 얇은 박막으로 구성된 소위 "Shellular"라는 3차원 박막 다공질 구조체를 소개하였다(Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.). 이러한 "Shellular"는 일정한 단위셀이 주기적으로 반복되며 박막으로 구성되어 매우 가볍고 강도가 높고, 또한 통상적으로 1) 폴리머 등으로 템플릿(template, 희생구조물)을 제조하고, 2) 그 표면에 템플릿과 다른 경질 재료의 코팅층을 형성한 후, 3) 코팅층의 일부 표면을 제거하여 내부의 템플릿을 노출시키고, 4) 열 또는 화학적인 방법 등으로 템플릿을 제거하는 일련의 과정을 통해 제조될 수 있는 것으로 알려져 있다.Recently, Seungcheol Han et al. introduced a three-dimensional thin-film porous structure composed of a thin film called “Shellular” (Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, “A New Type of Low Density Material; Shellular”, Advanced Materials, Vol. 27, pp.5506-5511, 2015.). Such “shellular” is very light and high in strength because a certain unit cell is periodically repeated and composed of a thin film. Also, typically 1) a template (sacrificial structure) is manufactured with a polymer, etc., and 2) a template and other It is known that after forming the coating layer of a hard material, it can be manufactured through a series of processes of 3) removing a part of the surface of the coating layer to expose the template inside, and 4) removing the template by heat or chemical methods. .

상기한 "Shellular"의 이상적인 형태로서 1865년 독일의 수학자 H.A. Schwarz가 최초로 발견한 TPMS (Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)이 알려져 있다(Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). TPMS는 곡면 상의 모든 점에서 일정한 평균곡률(mean curverture)은 가지는 곡면으로서 여기서 평균곡률이란 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두 방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미한다. TPMS는 도 1에 나타낸 바와 같이 다양한 형태가 존재하며 이중 도 1의 상부 좌측에 나타나 있는 P-surface와 D-surface 가 화학 및 생물분야에서 가장 대표적으로 인용되고 있다. 또한 상기한 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS는 공간을 각기 연속인 두개의 부공간(subvolume)으로 나누고 이 두개의 부공간의 체적비가 1:1로 동일하지만, 체적비가 다른 경우에도 두 부공간을 나누는 평균곡률이 균일(constant)한 최소 표면적(minimal surface)의 곡면을 정의할 수 있는데 이 곡면 또한 TPMS라고 한다. 이 경우 두개의 부공간(subvolume)은 각각 연속이며 서로 꼬인형태로 존재한다(참고문헌: M. Maldovan and E. L. Thomas, “Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2).As an ideal form of the above "Shellular", the German mathematician H.A. TPMS (Triply Periodic Minimal Surface: 3-periodic minimum surface) discovered by Schwarz for the first time is known (Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). TPMS is a curved surface that has a constant mean curvature at all points on the curved surface. As shown in FIG. 1, various types of TPMS exist, and among them, P-surface and D-surface shown in the upper left of FIG. 1 are most representatively cited in the fields of chemistry and biology. In addition, the TPMS having the above-described zero mean curvature divides a space into two consecutive subvolumes, and the volume ratio of the two subvolumes is 1:1, but even when the volume ratio is different. A curved surface with a minimum surface area with a constant average curvature dividing the two subspaces can be defined, and this surface is also called TPMS. In this case, the two subvolumes are each continuous and present in a twisted form (Reference: M. Maldovan and EL Thomas, “Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2).

이러한 TPMS는 곡면에 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어, TPMS 형태의 Shelluar 또한 다양한 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다. 구체적으로, TPMS형태로 제조된 Shellular 에 외부하중이 작용할 때, 응력이 어느 한 부분에 집중 되지 아니하므로 종래 3차원 트러스형 박막 다공질 구조체에서 발생하는 조기 국부좌굴현상이 발생하지 않는다고 보고되고 있다(참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.). 또한 부드러운 곡면으로 둘러싸인 각 부공간은 넓은 표면적을 가지며 내부에 유체가 흐를 때 투과성(permeability)이 우수하기 때문에, 두 부공간의 경계에 존재하는 박막은 두 부공간 사이의 열 및 물질이동 계면(heat and mass transfer interface)으로서 활용 가능성이 높은 것으로 알려져 있다.Such TPMS has a uniform average curvature anywhere on the curved surface, so it is reported that the TPMS type Shelluar also has various characteristics. Specifically, when an external load is applied to the shellular manufactured in the form of TPMS, the stress is not concentrated in any one part, so it is reported that the early local buckling phenomenon that occurs in the conventional three-dimensional truss-type thin-film porous structure does not occur (refer to Literature: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.). In addition, since each subspace surrounded by a smooth curved surface has a large surface area and has excellent permeability when a fluid flows inside, the thin film existing at the boundary of the two subspaces is a heat and material transfer interface between the two subspaces. and mass transfer interface), which is known to have high potential for use.

상기 TPMS 형태의 Shellular의 특성 및 이를 활용한 일 예가 대한민국 특허 제 10-1840021호 및 대한민국 특허 제 10-1988567호 등에 개시되어 있으며, 이와 관련하여 도 2을 참조해 설명한다. 도 2의 (a)는 일종의 TPMS인 gyroid 곡면에 의하여 분리된 두개의 부공간을 나타낸다. 도 2의 (b)는 이 TPMS 곡면을 조직공학 스케폴드로서 체외에서 세포의 배양에 사용될 수 있음을 나타내고 있고, 이 경우 한 부공간의 세포의 배양에 다른 한 부공간은 영양분과 산소 및 대사 폐기물을 운반하는 유체의 채널로 사용된다. 이에 관한 세부 사항은 상기 대한민국 특허 제 10-1840021호에 개시되어 있다. 도 2의 (c)는 이 TPMS 곡면을 고분자전해질막 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에 사용한 예로서 한 부공간의 수소의 운반채널로 한 부공간은 산소의 운반 채널로 사용되며 계면은 전해박막인 nafion 양면에 촉매층 (catalyst layer) 및 기체확산층(gas diffusion layer)이 차례로 적층된 막전극조립체 (membrane electrode assembly)를 구성한다. 이에 관한 세부 사항은 상기 대한민국 특허 제 10-1988567호에 개시되어 있다.The characteristics of the TPMS-type shellular and an example using the same are disclosed in Korean Patent Nos. 10-1840021 and 10-1988567, and will be described with reference to FIG. 2 in this regard. Figure 2 (a) shows two subspaces separated by a gyroid curved surface, which is a kind of TPMS. Figure 2 (b) shows that this TPMS curved surface can be used for culturing cells in vitro as a tissue engineering scaffold. It is used as a channel for the fluid that carries it. Details on this are disclosed in Korean Patent No. 10-1840021. (c) of FIG. 2 shows an example of using this TPMS curved surface in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. One subspace is used as a hydrogen transport channel, and one subspace is used as an oxygen transport channel, and the interface is electrolytic. A membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially stacked on both sides of nafion, which is a thin film, constitutes a membrane electrode assembly. Details on this are disclosed in Korean Patent No. 10-1988567.

한편 축전지(이차전지, secondary battery)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 생성하는 장치를 말하고, 도 3은 이러한 축전지의 원리를 설명하고 있다. 종래 대표적인 축전지로서 예컨대 납산 축전지가 알려져 있으며, 납산 축전지는 100년 이상 사용되어 온 대표적인 축전지로서 낮은 가격과 안정성으로 현재도 가장 널리 사용된다. 납산 축전지의 경우, 음극은 납(Pb), 양극은 이산화납 (PbO2), 전해액으로 황산 수용액이 각각 사용되며, 다음과 같은 반응으로 충전과 방전을 반복한다. On the other hand, a storage battery (secondary battery) refers to a device that stores external electrical energy in the form of chemical energy and generates electricity when necessary, and FIG. 3 explains the principle of such a storage battery. As a conventional typical storage battery, for example, a lead-acid storage battery is known, and as a representative storage battery that has been used for more than 100 years, the lead-acid storage battery is still the most widely used due to its low price and stability. In the case of a lead-acid battery, lead (Pb) is used for the negative electrode, lead dioxide (PbO 2 ) is used for the positive electrode, and sulfuric acid aqueous solution is used as the electrolyte, and charging and discharging are repeated in the following reaction.

[완전 충전 상태] Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O [완전 방전 상태] [Fully charged state] Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 ↔ 2PbSO 4 + 2H 2 O [Fully discharged]

이 경우, 먼저 음극인 납판은 아래의 식 1과 같이 진한 황산과 반응하여 황산 납과 2개의 전자를 방출하고, 이 전자들이 도선을 따라 흐르다가 양극에 만나면 아래의 식 2와 같은 반응을 한다. In this case, first, the lead plate, which is the negative electrode, reacts with concentrated sulfuric acid as shown in Equation 1 below to emit lead sulfate and two electrons, and when these electrons flow along the wire and meet the anode, the reaction occurs as in Equation 2 below.

(식 1) Pb(s) + H2SO4(l) → PbSO4(s) + 2e- + 2H+ (aq) (Equation 1) Pb (s) + H 2 SO 4 (l) → PbSO 4 (s) + 2e - + 2H + (aq)

(식 2) PbO2(s) + 2e- + H2SO4(l) → PbSO4(s) + 2OH- (Formula 2) PbO 2(s) + 2e - + H 2 SO 4(l) → PbSO 4(s) + 2OH -

상기한 반응으로 1개의 셀에서 나오는 전압 약 2V로, 다른 전지에 비해 매우 높은 편이다. 통상 축전지는 부피를 최소화하기 위해서 양극과 음극의 전극 사이를 가깝게 두면서도 전극끼리 접촉하여 합선되는 것을 방지하기 위하여 얇은 분리층(separation layer)을 두며, 액상의 전해액을 사용하는 경우에는 분리층에 전해액을 흡수하여 담지하는 기능을 부여하기 위해 천이나 펠트 형태의 것이 사용되기도 한다. 어떤 형태이건 분리층은 전해액 내의 이온이 통과하도록 다수의 공극을 가지고 있다.The voltage coming out of one cell by the above reaction is about 2V, which is very high compared to other batteries. In general, in order to minimize the volume, a thin separation layer is placed between the electrodes of the anode and the anode close to each other, and a thin separation layer is placed in order to prevent a short circuit due to contact between the electrodes. In order to provide the function of absorbing and supporting the material, fabric or felt-type ones are sometimes used. Either way, the separation layer has a number of pores to allow ions in the electrolyte to pass through.

이러한 축전지의 경우 부피 기준 에너지 저장 밀도가 중요하지만, 종래의 납산 축전지는 양극/음극/전해질층이 평행하게 배치된 얇은 평판이 둥글게 말린 구조의 원형 축전지도 제안되고는 있으나 단순히 평면 형태의 양극과 음극 그리고 전해질층이 서로 평행하게 배치되는 구조가 가장 일반적이며, 이러한 구조의 축전지들은 모두 부피 기준 에너지 저장 밀도가 상대적으로 낮은 한계가 있다. 또한 종래 축전지 구조에서는, 주변의 활물질이 흘러내리지 않도록 전극을 그물망 등의 형태로 별도로 가공 가공해야 해기 때문에 전극 무게가 상대적으로 커져야 하고, 또한 축전지 자체의 구조적 강도와 안정성이 떨어지는 한계도 있다. 따라서 종래 축전지 구조에서 이와 같은 한계 내지 문제점을 개선할 필요성은 상존하고 있는 실정이다.In the case of such a storage battery, the energy storage density based on the volume is important, but in the conventional lead acid storage battery, a circular storage battery with a thin flat plate in which the positive/negative/electrolyte layers are arranged in parallel has also been proposed. In addition, a structure in which the electrolyte layers are disposed parallel to each other is the most common, and all of the storage batteries having such a structure have a relatively low volume-based energy storage density. In addition, in the conventional storage battery structure, since the electrode must be separately processed in the form of a mesh to prevent the surrounding active material from flowing down, the electrode weight must be relatively large, and also the structural strength and stability of the storage battery itself are limited. Therefore, there is a need to improve such limitations or problems in the conventional storage battery structure.

대한민국 특허 제1840021호Korean Patent No. 1840021 대한민국 특허 제1988567호Korean Patent No. 1988567 대한민국 특허 제1341216호Korean Patent No. 1341216 대한민국 특허 제1612500호Korean Patent No. 1612500 대한민국 특허 제1699943호Korean Patent No. 1699943 대한민국 특허 제1905483호Korean Patent No. 1905483 대한민국 특허출원 제10-2019-0027715호Korean Patent Application No. 10-2019-0027715 대한민국 특허출원 제10-2019-0027716호Korean Patent Application No. 10-2019-0027716 대한민국 특허출원 제10-2019-0101784호Korean Patent Application No. 10-2019-0101784

- Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.- Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015. - Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer- Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer - M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2- M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2 - Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Vol. 31, Pages 31-38, 2019.- Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Vol. 31, Pages 31-38, 2019.

본 발명의 목적은, 부피 기준 에너지 밀도, 전극의 경량화 및 축전지 자체에 대한 구조적 강도 및 안정성이 제고된 새로운 구조의 축전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a storage battery having a new structure in which volume-based energy density, weight reduction of electrodes, and structural strength and stability of the storage battery itself are improved, and a method for manufacturing the same.

본 발명자 등은, 상기 과제해결을 위해 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획될 수 있고 각각의 부공간이 연속된 형태의 3차원 곡면 구조체의 기하학적 구조에 주목하여, 상기 계면을 분리층으로 구성하는 한편 2개의 부공간 각각을 양극 및 음극의 배치되는 공간으로 활용하는 방안을 착안하고, 이러한 3차원 곡면 구조체가 특히 TPMS로 이루어진 경우 부피 기준 에너지 밀도, 전극의 경량화, 및 무게 대비 축전지 자체의 구조적 강도 및 안정성이 제고될 수 있음을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.In order to solve the above problems, the present inventors pay attention to the geometric structure of a three-dimensional curved structure in which the interior can be separated into two subvolumes of a twisted shape by an interface, and each subvolume is continuous Therefore, the method of configuring the interface as a separation layer and utilizing each of the two subspaces as spaces for the anode and the cathode is considered, and when such a three-dimensional curved structure is made of TPMS, the volume-based energy density of the electrode It was confirmed that the structural strength and stability of the storage battery itself compared to weight reduction and weight could be improved, leading to the present invention. Recognition of the above-described problems and the gist of the present invention based thereon are as follows.

(1) 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 축전지용 3차원 곡면 구조체로서, 상기 계면이 이온화된 유체에 대한 투과성을 가져 축전지의 분리층으로 제공되고, 상기 2개의 부공간 각각은 축전지의 전극 및 활물질이 수용되는 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 축전지용 3차원 곡면 구조체.(1) A three-dimensional curved structure for a storage battery in which the interior is separated and partitioned into two subspaces twisted with each other by an interface, wherein the interface has permeability to an ionized fluid and is provided as a separation layer of the storage battery, Each of the subspaces is a three-dimensional curved structure for a storage battery, characterized in that provided as a space in which the electrode and the active material of the storage battery are accommodated.

(2) 상기 계면은 액상 전해액을 흡수하여 담지할 수 있는 다공성 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 축전지용 3차원 곡면 구조체.(2) The interface is a three-dimensional curved structure for a storage battery of (1), characterized in that consisting of a porous layer capable of absorbing and supporting the liquid electrolyte.

(3) 상기 계면은 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 축전지용 3차원 곡면 구조체.(3) The interface is a three-dimensional curved structure for a storage battery of (1), characterized in that the three-periodic minimal surface (TPMS; Triple Periodic Minimal Surface).

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 따른 3차원 곡면 구조체; 상기 3차원 곡면 구조체를 수용하여 상기 2개의 부공간이 외부로부터 차폐되도록 수용하는 케이싱; 상기 2개의 부공간 각각에 수용되는 전극 및 활물질; 및 상기 케이싱 내부에 수용되는 전해액을 포함하는 축전지.(4) the three-dimensional curved structure according to any one of (1) to (3); a casing accommodating the three-dimensional curved structure so that the two subspaces are shielded from the outside; an electrode and an active material accommodated in each of the two subspaces; and an electrolyte solution accommodated in the casing.

(5) 상기 (1) 내지 (3) 중 하나에 따른 3차원 곡면 구조체를 형성하는 단계; 상기 3차원 곡면 구조체를 케이싱 내부에 수용시키는 단계; 상기 2개의 부공간 각각에 활물질 페이스트를 주입하는 단계; 상기 2개의 부공간 각각에 전극을 삽입하는 단계; 상기 활물질 페이스트를 경화시키는 단계; 상기 케이싱 내부로 전해액을 주입하는 단계; 및 상기 케이싱을 밀봉하는 단계;를 포함하는 축전지 제조방법.(5) forming a three-dimensional curved structure according to any one of (1) to (3); accommodating the three-dimensional curved structure inside the casing; injecting an active material paste into each of the two subspaces; inserting an electrode into each of the two subspaces; curing the active material paste; injecting an electrolyte into the casing; and sealing the casing.

(6) 상기 3차원 곡면 구조체를 형성하는 단계는, 템플릿을 형성하는 단계; 상기 템플릿의 표면에 축전지의 분리층을 형성하는 단계; 상기 분리층의 일부를 제거하여 템플릿을 노출시키는 단계; 및 상기 템플릿을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 축전지 제조방법.(6) forming the three-dimensional curved structure, forming a template; forming a separation layer of the storage battery on the surface of the template; removing a portion of the separation layer to expose the template; and removing the template;

(7) 상기 템플릿을 형성하는 단계는 3D 프린팅으로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 축전지 제조방법. (7) The method of manufacturing the storage battery of (6), characterized in that the step of forming the template is performed by 3D printing.

(8) 상기 템플릿을 형성하는 단계는 2개의 부공간 중 어느 하나가 제1 고체로 채워진 원안 템플릿을 3D 프린팅으로 형성하는 단계; 상기 원안 템플릿의 2개의 부공간 중 제1 고체로 채워지지 않은 다른 부공간을 제2 고체로 충진하는 단계; 및 상기 1고체를 제거하여 역상 템플릿을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 역상 템플릿이 상기 분리층 형성을 위한 최종 템플릿으로 사용되는 것을 특징으로 하는 상기 (7)의 축전지 제조방법.(8) forming the template includes: forming a circular template in which one of the two subspaces is filled with a first solid by 3D printing; filling another subspace not filled with the first solid among the two subspaces of the original template with a second solid; and removing the one solid to form a reverse-phase template, wherein the reverse-phase template is used as a final template for forming the separation layer.

(9) 상기 3차원 곡면 구조체를 형성하는 단계는 3D 프린팅으로 직접 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 축전지 제조방법.(9) The method of manufacturing the storage battery of (5), characterized in that the step of forming the three-dimensional curved structure is directly performed by 3D printing.

(10) 상기 3D 프린팅은 용융 적층 모델링 방법으로 수행되고, 이 과정에서 압출량을 제어하여 상기 분리층의 기공률이 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 (9)의 축전지 제조방법.(10) The 3D printing is performed by a melt lamination modeling method, and the porosity of the separation layer is controlled by controlling the extrusion amount in this process.

본 발명에 따르면, TPMS 형태의 3차원 곡면 구조체의 부공간을 축전지의 전극 및 활물질에 대한 수용 공간으로 활용하고 넓은 비표면적을 갖는 해당 구조체의 계면을 축전지의 분리층으로 활용함으로써 부피 기준 에너지 밀도가 매우 높고, 또한 분리층이 전극 및 활물질을 감싸는 형태이기 때문에 축전지의 무게 대비 구조적 강도와 안정성이 향상됨과 동시에 이 경우 전극을 작은 직경의 와이어로 구성하더라도 활물질이 전극으로부터 이탈되지 않아 전극 자체의 무게도 감소될 수 있다. According to the present invention, the volume-based energy density is increased by utilizing the subspace of the TPMS-shaped three-dimensional curved structure as a space for receiving electrodes and active materials of the storage battery and using the interface of the structure having a large specific surface area as the separation layer of the storage battery. Since the separation layer is very high and the separation layer surrounds the electrode and the active material, the structural strength and stability compared to the weight of the storage battery are improved, and in this case, even if the electrode is composed of a small-diameter wire, the active material does not separate from the electrode, so the weight of the electrode itself is also reduced. can be reduced.

또한 본 발명에 따라 3D 프린터를 이용해 TPMS 형태의 3차원 곡면 구조체를 두꺼운 다공성 계면을 갖도록 제작하여 축전지에 적용하는 경우, 그 제조 공정이 단순화될 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 전해액 저장 공간이 확보될 필요가 없고 전해액의 요동에 의한 누출 사고가 방지될 수 있으며, 또한 분리층이 두껍게 구성될 수 있기 때문에 종래 얇은 분리막과는 달리 전기합선 방지를 위해 분리층 내 기공을 아주 작게 하지 않아도 된다.In addition, according to the present invention, when a three-dimensional curved structure in the form of TPMS is manufactured to have a thick porous interface using a 3D printer and applied to a storage battery, the manufacturing process can be simplified and a separate electrolyte storage space must be secured. Unlike conventional thin separators, there is no need to make the pores in the separation layer very small in order to prevent electrical short circuits, since leakage accidents due to fluctuations of the electrolyte can be prevented, and the separation layer can be made thick.

도 1은 3주기적 최소 곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)에 관한 예.
도 2는 TPMS 형태의 3차원 곡면 구조체를 활용한 종례 기술에 관한 도면.
도 3은 종래 축전지의 동작 원리를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 축전지의 분리층으로 제공되는 3차원 곡면 구조체의 사시도 및 투영도.
도 6은 상기 상기 도 4 및 도 5의 3차원 곡면 구조체에서 2개의 부공간에 금속 전극이 삽입된 상태를 나타낸 도면.
도 7은 도 6에 따라 전극이 삽입된 3차원 곡면 구조체가 케이싱에 수용된 상태에서 도시된 축전지의 구조도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 축전지 제조공정에 관한 플로우차트.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 3D 프린팅 방식으로 템플릿을 제조하는 과정을 나타낸 사진 자료.
도 10은 도 9의 템플릿을 이용해 3차원 곡면 구조체를 제조하고, 축전지를 케이싱에 패킹하는 과정을 나타내는 사진 자료.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 축전지 구성 각부의 구현 방법에 관한 사진 자료.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 3D 프린팅 방식에 의해 3차원 곡면 구조체를 직접 제조한 후, 이를 이용해 축전지를 제조하는 과정에 관한 사진 자료.1 is an example of a three-periodic minimum curved surface (TPMS; Triple Periodic Minimal Surface).
2 is a view of a prior art using a three-dimensional curved structure of the TPMS type.
3 is a view showing the operating principle of a conventional storage battery.
4 and 5 are perspective and projection views of a three-dimensional curved structure provided as a separation layer of a storage battery according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a view showing a state in which a metal electrode is inserted into two sub-cavities in the three-dimensional curved structure of FIGS. 4 and 5;
7 is a structural diagram of the storage battery shown in a state in which the three-dimensional curved structure into which the electrode is inserted according to FIG. 6 is accommodated in the casing.
8 is a flowchart of a storage battery manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a photographic material showing a process of manufacturing a template in a 3D printing method according to an embodiment of the present invention.
10 is a photographic data showing a process of manufacturing a three-dimensional curved structure using the template of FIG. 9 and packing a storage battery in a casing;
11 is a photographic material of a method of implementing each part of a storage battery configuration according to an embodiment of the present invention.
12 is a photographic data relating to a process of manufacturing a storage battery using a three-dimensional curved structure directly manufactured by a 3D printing method according to another embodiment of the present invention;

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Accordingly, since the configuration of the embodiments described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, various equivalents that can be substituted for them at the time of filing of the present invention It should be understood that there may be variations and variations. On the other hand, in the drawings, the same or similar reference numbers are given to the same or equivalents, and in the entire specification, when it is said that a part "includes" a certain component, it is a different component unless specifically stated to the contrary. It does not exclude, but means that other components may be further included.

본 발명은 축전지(1)의 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체(10) 및 이를 포함한 축전지(1)와 관련된다. 상기 축전지(1)는 외장 요소로서 케이싱(20)을 포함하며, 3차원 곡면 구조체(10)가 케이싱(20) 내부에 수용된다. 축전지(1)를 구성하는 분리층(130), 전극(30; 310, 320), 활물질(40) 및 전해액(50)은 케이싱(20) 내, 그 내부에 수용 장착된 3차원 곡면 구조체(10)의 분할된 부공간(110, 120) 또는 분리층(130) 계면에 수용된다. The present invention relates to a three-dimensional curved structure 10 for a separation layer 130 of a storage battery 1 and a storage battery 1 including the same. The storage battery 1 includes a casing 20 as an exterior element, and a three-dimensional curved structure 10 is accommodated inside the casing 20 . The separation layer 130 , the electrodes 30 ; 310 , 320 , the active material 40 , and the electrolyte 50 constituting the storage battery 1 are within the casing 20 , and the three-dimensional curved structure 10 is accommodated and mounted therein. ) is accommodated in the divided subspaces 110 and 120 or the separation layer 130 interface.

상기 축전지(1)의 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체(10)는 상술한 "shellular"와 같이 일정한 단위셀이 주기적으로 반복되는 경량 구조체로서, 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간(110, 120)으로 분리 구획된다. 이 경우, 상기 계면은 축전지(1)의 분리층(130)으로 제공되고 상기 2개의 부공간(110, 120) 각각은 축전지(1)의 전극(30; 310, 320) 및 활물질(40)이 수용되는 공간으로 제공되는 것을 특징으로 한다. The three-dimensional curved structure 10 for the separation layer 130 of the storage battery 1 is a lightweight structure in which certain unit cells are periodically repeated like the above-mentioned "shellular", and is a structure in which two parts are twisted together by an interface. It is divided into subspaces 110 and 120 . In this case, the interface is provided as the separation layer 130 of the storage battery 1, and each of the two subspaces 110 and 120 is the electrode 30; 310, 320 and the active material 40 of the storage battery 1 It is characterized in that it is provided as an accommodation space.

상기 축전지(1)의 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체(10)의 기하학적 구조는 부드러운 곡면 형태의 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간(110, 120)으로 구획될 수 있는 다양한 형태일 수 있으며, 그 종류는 다를 수 있지만 바람직하게는 대한민국특허 제1905488호와 마찬가지로 3주기적 최소곡면 형태(TPMS) 또는 이에 근접한 형태로 구현될 수 있다. The geometric structure of the three-dimensional curved structure 10 for the separation layer 130 of the storage battery 1 has various shapes that can be divided into two subspaces 110 and 120 in the form of being twisted with each other by a smooth curved interface. , and the type may be different, but preferably, as in Korean Patent No. 1905488, it may be implemented in a three-period minimally curved shape (TPMS) or a shape close thereto.

특히, 축전지(1)의 분리층(130)으로 제공되는 3차원 곡면 구조체(10)의 기하학적 구조를 실시예에서와 같이 TPMS로 구성할 경우 에너지 밀도, 축전지(1)의 구조적 강도 및 안정성, 전극(30; 310, 320)의 경량화 측면 등에서 유리할 수 있다. 한편, 적용 가능한 3주기적 최소곡면 형태의 종류와 관련해서도 아래의 실시예에서는 TPMS 중 P-곡면과 G-곡면 (gyroid) 형태가 예시되어 있지만 이에 제한되지 않으며, 다른 TPMS도 가능하다.In particular, when the geometric structure of the three-dimensional curved structure 10 provided as the separation layer 130 of the storage battery 1 is composed of TPMS as in the embodiment, energy density, structural strength and stability of the storage battery 1, electrode (30; 310, 320) may be advantageous in terms of weight reduction and the like. On the other hand, with respect to the types of the applicable three-period minimum curved surface, the P- and G-curved (gyroid) shapes of the TPMS are exemplified in the examples below, but the present invention is not limited thereto, and other TPMS are also possible.

상기 분리층(130), 즉 3차원 곡면 구조체(10)의 계면은 0.1mm 이하의 얇은 분리막일 수도 있고, 수mm의 두꺼운 판 형태일 수도 있으며 다공질로서 유체 특히 이온화된 유체에 대해 높은 투과성을 갖는다. 또한 두꺼운 판 형태의 계면의 경우, 일정량의 액상의 전해액을 흡수하여 담지하는 기능이 부여된 다공성 층 형태로 제공될 수 있다. 이러한 분리층(130)으로 재질은 특별히 제한되지는 않으며 예컨대 올레핀계 폴리머가 사용될 수 있다. 다공성 올레핀 계열의 폴리머는 내약품성과 내화학성이 우수하며 종래의 배터리도 널리 사용되는 소재이다.The separation layer 130, that is, the interface of the three-dimensional curved structure 10 may be a thin separation membrane of 0.1 mm or less, or a thick plate shape of several mm, and has high permeability to fluids, particularly ionized fluids, as porous. . In addition, in the case of a thick plate-shaped interface, it may be provided in the form of a porous layer having a function of absorbing and supporting a certain amount of liquid electrolyte. The material of the separation layer 130 is not particularly limited and, for example, an olefin-based polymer may be used. The porous olefin-based polymer has excellent chemical resistance and chemical resistance, and is a widely used material for conventional batteries.

상기 축전지(1)는 분리층(130)으로 제공되는 3차원 곡면 구조체(10); 및 상기 3차원 곡면 구조체(10)를 수용하여 상기 2개의 부공간(110, 120)이 외부로부터 차폐되도록 수용하는 케이싱(20); 전극(30; 310, 320) 및 활물질(40); 및 전해액(50);을 포함한다. 이 경우, 축전지(10)의 전극(30; 310, 320) 및 활물질(40)은 상술한 바와 같이 상기 3차원 곡면 구조체(10)의 부공간(110, 120) 각각에 수용되며, 전해액(50)은 케이싱(20) 내부에 수용된다. 전해액(50)은, 분리층(130) 계면이 얇은 박막 형태인 경우 2개의 부공간(110, 120) 내에 수용된 전극(30; 310, 320) 및 활물질(40)의 외면 즉 계면 양쪽 공간에 대부분 존재하고, 분리층(130) 계면이 두꺼운 다공질 층인 경우 분리층(130)의 계면의 양쪽 공간 외에도 분리층(130) 내에 상당량이 흡수 및 담지되어 수용되거나 나아가 분리층(130) 계면이 충분이 두꺼우면 대부분(50)이 흡수 및 담지될 수 있다.The storage battery 1 includes a three-dimensional curved structure 10 provided as a separation layer 130; and a casing 20 accommodating the three-dimensional curved structure 10 so that the two subspaces 110 and 120 are shielded from the outside; electrodes 30 ; 310 , 320 and an active material 40 ; and an electrolyte (50); In this case, the electrodes 30 ; 310 , 320 and the active material 40 of the storage battery 10 are accommodated in each of the subspaces 110 and 120 of the three-dimensional curved structure 10 as described above, and the electrolyte 50 ) is accommodated in the casing 20 . When the separation layer 130 interface is in the form of a thin thin film, the electrolyte 50 is mostly on the outer surface of the electrode 30 ; 310 , 320 and the active material 40 accommodated in the two subcavities 110 , 120 , that is, in the space on both sides of the interface. In the case where the separation layer 130 interface is a thick porous layer, in addition to the space on both sides of the interface of the separation layer 130, a significant amount is absorbed and supported in the separation layer 130 and accommodated, or furthermore, the separation layer 130 interface is thick enough. Most of the surface 50 can be absorbed and supported.

도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 축전지(1)의 분리층(130)으로 제공되는 3차원 곡면 구조체(10)의 사시도 및 투영도를 각각 나타내며, 이 경우 3차원 곡면 구조체(10)의 기하학적 구조는 TPMS 중 P-곡면과 G-곡면 (gyroid) 형태가 예시되어 있다. 실시예에 따른 P-곡면 및 G-곡면 형태의 3차원 곡면 구조체(10)의 경우, 서로 수직인 세방향에서 각 부공간(110, 120)에서 다른 부공간(110, 120)과 교차하지 않고 직선형으로 관통하는 빈공간이 관측된다. 각 부공간(110, 120)에서의 이러한 직선형 빈공간의 존재는, 직선형태의 금속전극(30; 310, 320)이 각 부공간(110, 120) 내에서 삽입될 수 있음을 의미한다.4 and 5 respectively show a perspective view and a projection view of the three-dimensional curved structure 10 provided as the separation layer 130 of the storage battery 1 according to a preferred embodiment of the present invention, in this case the three-dimensional curved structure 10 ), the P-curve and G-curve (gyroid) shapes of TPMS are exemplified. In the case of the three-dimensional curved structure 10 of the P-curved surface and the G-curved shape according to the embodiment, in each of the subspaces 110 and 120 in three directions perpendicular to each other, without intersecting the other subspaces 110 and 120 An empty space passing through in a straight line is observed. The existence of such a linear empty space in each of the subspaces 110 and 120 means that the straight metal electrodes 30 ; 310 and 320 can be inserted in each of the subspaces 110 and 120 .

도 6의 (a)와 (b)는 축전지(1)의 분리층(130)으로 제공되는 상기 도 4의 P-곡면과 도 5의 G-곡면 형태의 3차원 곡면 구조체(10)의 외측 육면 중 어느 한면을 통하여 두 부공간(110, 120) 각각에 양극(+)과 음극(-)의 금속전극(30; 310, 320)을 삽입한 형상을 나타내고 있다. 전극(30; 310, 320)이 연장되는 방향을 따라 바라본 것으로 한 단위셀 당 양과 음의 한쌍의 전극(30; 310, 320)이 삽입된 상태이며 두 부공간(110, 120) 중 제1 부공간(110, 120)에는 양극이 제2 부공간(110, 120)에는 음극이 각각 삽입된 것으로 예시되어 있다. 축전지(1) 제조광정에서 동일 극성의 전극(30; 310, 320)간에서 납땜, 용접, 기계적 접촉 등에 의해 전기적으로 상호 연결된다. 이 경우, 제1 부공간(110, 120)에 음극이 제2 부공간(110, 120)에 양극이 삽입될 수 있음은 물론이다.6 (a) and (b) are the outer six surfaces of the three-dimensional curved structure 10 of the P-curved surface of FIG. 4 and the G-curved surface of FIG. 5 provided as the separation layer 130 of the storage battery 1 . It shows the shape in which the metal electrodes 30; 310, 320 of the positive electrode (+) and the negative electrode (-) are inserted into each of the two subcavities 110 and 120 through either side. As viewed along the direction in which the electrodes 30; 310, 320 extend, a pair of positive and negative electrodes 30; 310, 320 are inserted per unit cell, and the first part of the two subspaces 110 and 120 It is exemplified that an anode is inserted into the spaces 110 and 120 and a cathode is inserted into the second subspaces 110 and 120 , respectively. In the manufacturing well of the storage battery 1, the electrodes 30; 310 and 320 of the same polarity are electrically interconnected by soldering, welding, mechanical contact, or the like. In this case, it goes without saying that the cathode may be inserted into the first subspaces 110 and 120 and the anode may be inserted into the second subcavities 110 and 120 .

한편 실시예에서는 3차원 곡면 구조체(10)의 모든 단위셀마다 양극 및 음극의 전극(30; 310, 320)이 쌍을 이루어 삽입되어 있는 것으로 예시되어 있으나, 이는 필수적으로 요구되거나 제한적인 의미를 갖는 것은 아니다. 즉, 3차원 곡면 구조체(10)의 2개의 부공간(110, 120) 각각은 하나의 공간으로 연속적으로 통하는 구조이기 때문에 전체 축전지에서 하나의 전극 쌍만 있는 경우에도 축전지 기능이 구현되는 데 문제가 없고, 다만 3차원 곡면 구조체(10)의 복수의 단위셀 마다 이에 대응되어 복수의 전극 쌍이 구비되는 경우 전극 표면적이 증가함으로써 축전지 동작이 보다 효과적일 수 있다. Meanwhile, in the embodiment, it is exemplified that the electrodes 30; 310, 320 of the positive electrode and the negative electrode are inserted in pairs for every unit cell of the three-dimensional curved structure 10, but this has a required or limited meaning. it is not That is, since each of the two subspaces 110 and 120 of the three-dimensional curved structure 10 is a structure that continuously communicates into one space, even if there is only one electrode pair in the entire storage battery, there is no problem in implementing the storage battery function. However, when a plurality of electrode pairs are provided corresponding to each of the plurality of unit cells of the three-dimensional curved structure 10, the electrode surface area increases, so that the operation of the storage battery may be more effective.

도 7의 (a)와 (b)는 도 6에 따라 전극(30; 310, 320)이 삽입된 3차원 곡면 구조체(10)가 케이싱(20)에 수용된 상태에서 도시된 축전지(1)의 구조도를 나타낸다. 이 경우 3차원 곡면 구조체(10)의 계면 최외측 단부는 케이싱(20)의 내벽면에 완전히 밀착됨으로써 3차원 곡면 구조체(10)의 2개의 부공간(110, 120)은 최외측 경계에서 외부와 차폐됨과 동시에 상호간에도 차폐 구획된다. 도면에서는 이러한 축전지(1)의 내부 구조가 명확히 이해될 수 있도록 케이싱(20)의 일부 표면을 절개한 상태로 나타내었다.7A and 7B are structural diagrams of the storage battery 1 shown in a state in which the three-dimensional curved structure 10 into which the electrodes 30; 310 and 320 are inserted according to FIG. 6 is accommodated in the casing 20; indicates In this case, the outermost end of the interface of the three-dimensional curved structure 10 is completely in close contact with the inner wall surface of the casing 20 so that the two subspaces 110 and 120 of the three-dimensional curved structure 10 are separated from the outside at the outermost boundary. At the same time being shielded, they are also shielded from each other. In the drawings, a portion of the surface of the casing 20 is cut off so that the internal structure of the storage battery 1 can be clearly understood.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 축전지(1) 제조공정에 관한 플로우차트를 나타낸다. 본 발명에 따른 축전지(1) 제조방법은 3차원 곡면 구조체(10)를 형성하는 단계(S10); 상기 3차원 곡면 구조체(10)를 케이싱(20) 내부에 수용시키는 단계(S20); 상기 2개의 부공간(110, 120) 각각에 활물질(40) 페이스트를 주입하는 단계(S30); 상기 2개의 부공간(110, 120) 각각에 전극(30; 310, 320)을 삽입하는 단계(S40); 상기 활물질(40) 페이스트를 경화시키는 단계(S50); 상기 케이싱(20) 내부로 전해액(50)을 주입하는 단계(S60); 및 상기 케이싱(20)을 밀봉하는 단계(S70);를 포함한다. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of the storage battery 1 according to an embodiment of the present invention. The manufacturing method of the storage battery 1 according to the present invention comprises the steps of forming a three-dimensional curved structure 10 (S10); accommodating the three-dimensional curved structure 10 inside the casing 20 (S20); injecting the active material 40 paste into each of the two subspaces 110 and 120 (S30); inserting the electrodes 30; 310, 320 into each of the two subcavities 110 and 120 (S40); curing the active material 40 paste (S50); injecting the electrolyte 50 into the casing 20 (S60); and sealing the casing 20 (S70).

이 경우, 상기 S40에서 동일 전극(30; 310, 320) 간에는 납땜, 용접, 기계적 접촉 등의 방식으로 통해 전기적으로 연결하는 과정이 수반된다. S50에서 액상으로 주입된 활물질(40) 페이스트는 건조 수축하면서 자연스럽게 곡면 구조체(10)의 분리층(130) 계면으로부터 분리되어 분리층(130)의 양쪽 주변으로 소정의 빈 공간이 확보될 수 있고, 이러한 빈 공간은 전해액(50)이 주입 및 수용되는 공간으로 활용될 수 있다. 상기 S60에서 3차원 곡면 구조체(10)의 분리층(130) 계면이 충분한 두께를 가지고 있어 그 내부에 전해액(50)을 모두 흡수할만큼 충분한 기공 공간이 확보된 경우에는 주입된 전해액(50) 대부분이 3차원 곡면 구조체(10)의 분리층(130) 계면 자체 내로 수용될 수 있으며, 곡면 구조체(10)의 분리층(130) 계면이 얇은 박막인 경우에는 전해액(50) 대부분은 상술한 바와 같이 활물질(40) 수축과정에서 생성된 분리층(130) 계면의 양쪽 빈 공간으로 주입된다. 상기 S70은 전극(30; 310, 320) 한쌍만 노출되도록 하고 3차원 곡면 구조체(10)가 전체적으로 흔들리는 경우에도 전해액이 누출되지 않도록 뚜껑(도면 미도시)을 덮는 과정이다.In this case, in S40, a process of electrically connecting the same electrodes 30; 310, 320 through a method such as soldering, welding, or mechanical contact is accompanied. The active material 40 paste injected in the liquid phase in S50 is naturally separated from the separation layer 130 interface of the curved structure 10 while drying and shrinking, so that a predetermined empty space can be secured around both sides of the separation layer 130, This empty space may be used as a space in which the electrolyte 50 is injected and accommodated. In S60, when the separation layer 130 interface of the three-dimensional curved structure 10 has a sufficient thickness and sufficient pore space is secured to absorb all of the electrolyte 50 therein, most of the injected electrolyte 50 The separation layer 130 interface of the three-dimensional curved structure 10 may be accommodated in the interface itself, and when the separation layer 130 interface of the curved structure 10 is a thin film, most of the electrolyte 50 is as described above. The active material 40 is injected into the empty spaces on both sides of the interface of the separation layer 130 created during the shrinkage process. In S70, only a pair of electrodes 30; 310, 320 is exposed and a lid (not shown) is covered so that electrolyte does not leak even when the three-dimensional curved structure 10 is shaken as a whole.

상기 3차원 곡면 구조체(10)의 형성(S10)과 관련해서는 다양한 방법이 적용될 수도 있겠으나, 본 발명자 등이 선행특허 등을 통해 제안한 템플릿을 이용한 방법이 용이한 방법 중 하나로 유리하게 적용될 수 있다. 이러한 템플릿을 이용한 3차원 곡면 구조체(10)의 제조 과정은, 기본적으로 템플릿을 형성하는 단계; 상기 템플릿의 표면에 축전지(1)의 분리층(130)을 형성하는 단계; 상기 분리층(130)의 일부를 제거하여 템플릿을 노출시키는 단계; 및 상기 템플릿을 제거하는 단계;를 포함한다. Various methods may be applied with respect to the formation (S10) of the three-dimensional curved structure 10, but the method using a template proposed by the present inventors through prior patents, etc. may be advantageously applied as one of the easy methods. The manufacturing process of the three-dimensional curved structure 10 using such a template includes basically forming a template; forming a separation layer 130 of the storage battery 1 on the surface of the template; removing a portion of the separation layer 130 to expose the template; and removing the template.

이 경우 템플릿은 기하학적으로 3차원 곡면 구조체(10)의 2개의 부공간(110, 120) 중 어느 하나의 부공간(110, 120)을 채우고 있는 형태의 고형 물질, 예컨대 폴리머 등으로 이루진다. 또한 2개의 부공간(110, 120) 중 어느 하나가 제1 고체로 채워진 것을 '원안 템플릿'으로 하고 원안 템플릿의 2개의 부공간(110, 120) 중 제1 고체로 채워지지 않은 다른 부공간(110, 120)을 제2 고체로 충진한 후 1고체를 제거함으로써 제작된 것을 '역상 템플릿'이라고 할 때, 이러한 '원안 템플릿'에 기초해 제작된 '역상 템플릿'이 필요에 따라, 예컨대 템플릿 제작 공정 및 사용되는 분리층(130)의 재질 등을 고려해 후술하는 바와 같이 3차원 곡면 구조체(10) 제조을 위한 최종 템플릿으로 사용될 수 있다.In this case, the template is geometrically made of a solid material, for example, a polymer, which fills any one of the two subcavities 110 and 120 of the three-dimensional curved structure 10 . In addition, one of the two subspaces 110 and 120 filled with the first solid is referred to as a 'original template', and another subspace ( 110 and 120) are filled with a second solid and then removed as a first solid is referred to as a 'reversed-phase template' As will be described later in consideration of the process and the material of the separation layer 130 used, it may be used as a final template for manufacturing the three-dimensional curved structure 10 .

상기 템플릿의 제조방법과 관련해서는 본 발명자 등이 선행특허 등을 통해 제안한 다양한 방식이 이용될 수 있다. 구체적으로, 첫번째 방식으로 3차원 광 리소그래피를 이용하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국특허 제1341216 호에 개시되어 있고, 두번째 방식으로 폴리머 구슬을 일정한 패턴으로 배열한 후 이것을 처리하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국 특허 제1612500호, 대한민국 특허 제1905483호, 대한민국 특허출원 제10-2019-0027715호, 대한민국 특허출원 제10-2019-0027716호 및 대한민국 특허출원 제10-2019-0101784호에 개시되어 있고, 세번째 방식으로 와이어를 3차원 트러스 형태로 직조한 후 이것 위에 수지를 함침하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국 특허 제1699943 호에 각각 개시되어 있다. 이러한 선행특허들에 따른 3차원 곡면 구조체(10) 제조를 위한 템플릿 형성 방법들은 본 발명의 일부로서 일체로 참조될 수 있다.In relation to the method of manufacturing the template, various methods proposed by the present inventors through prior patents and the like may be used. Specifically, the first method is disclosed in Korean Patent No. 1341216 to form a template using three-dimensional optical lithography, and the second method is to form a template by arranging polymer beads in a predetermined pattern and processing this. 1612500, Korean Patent No. 1905483, Korean Patent Application No. 10-2019-0027715, Korean Patent Application No. 10-2019-0027716 and Korean Patent Application No. 10-2019-0101784, and in the third way After weaving a wire into a three-dimensional truss shape, impregnating a resin thereon to form a template is disclosed in Korean Patent No. 1699943, respectively. The template forming methods for manufacturing the three-dimensional curved structure 10 according to these prior patents may be integrally referred to as a part of the present invention.

선택적으로, 상기 템플릿 제조방법과 관련해서 본 발명자 등이 선행특허 등을 통해 제안한 상기한 7가지 방식 외에서 3D 프린팅을 이용하는 것도 가능하며, 도 9는 이러한 3D 프린팅 방식으로 템플릿을 제조하는 과정에 대한 사진 자료이다. 구체적으로 도 9의 (a)는 3D 프린팅 소재로 널리 이용되는 HIPS (high impact polystyrene) 라는 재질로 G-곡면 형태의 템플릿(610)을 3D 프린트한 것이다. 도 9의 (b)는 3D 프린트의 제작 원리상 필연적으로 표면이 거칠기 때문에 두 종류의 유기용매로 부분적으로 용해하여 표면을 매끈하게 처리한 상태를 나타낸 것이다. 이러한 표면처리 방법은 소위 'Han's treatment'로 본 발명자 등의 선행 논문에 개시되어 있다 (참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.). Optionally, with respect to the template manufacturing method, it is also possible to use 3D printing in addition to the above-mentioned seven methods proposed by the present inventors through prior patents, etc. it is data Specifically, (a) of FIG. 9 is a 3D printing of a G-curved template 610 with a material called high impact polystyrene (HIPS), which is widely used as a 3D printing material. Figure 9 (b) shows a state in which the surface is smoothed by partially dissolving it with two kinds of organic solvents because the surface is inevitably rough in terms of the manufacturing principle of 3D printing. This surface treatment method is so-called 'Han's treatment' and has been disclosed in prior papers by the present inventors (References: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31 , Pages 31-38, 2019.).

한편 상술한 바와 같이 분리층(130)은 템플릿의 표면에 액상 소재를 코팅하여 고형화시킨 후 해당 템플릿을 제거함으로써 얻어지는데, 실시예에서와 같이 통상적으로 사용되는 다공성 폴리프로필렌 분리층(130) 소재의 경우 그 액상 코팅액 온도가 섭씨 140도로서 HIPS 소재의 템플릿(610)이 고상을 유지하여 사용될 수 있는 사용제안온도인 섭씨 80도보다 높기 때문에 HIPS 템플릿(610)을 다공성 폴리프로필렌(PP; polyprophylene) 재질의 3차원 곡면 구조체(10) 제조를 위한 직접적인 템플릿으로 활용하기에 부적절하다. 도 9의 (c) 및 (d)는 이러한 HIPS 템플릿(610)를 '원안 템플릿(610)'으로 하여 제작되어 3차원 곡면 구조체(10) 제조시 사용될 최종 템플릿으로서 티올렌(thiolene) 재질의'역상 템플릿(620)'의 제작 공정 및 그 사진 자료를 각각 나타낸다. 구체적으로 도 9의 (b)에 따라 HIPS 재질(제1 고체)로 제조된 '원안 템플릿(610)'의 빈 공간을 열경화성 수지인 티올렌(제2 고체)으로 채우고 섭씨 120도에서 가열하여 경화한 후(도 9의 (c)), 유기용매인 THF (tetra-hydro-furan)와 MEK (methyl-ethyl-ketone) 각각 하루씩 담가 '원안 템플릿(610)'을 구성하는 제1 고체로서 HIPS를 제거함으로써 제2 고체의 티올렌 재질로만 이루어진 '역상 템플릿(620)'을 얻는다(도 9의 (d)). 다만, 분리층(130) 소재보다 높은 용융 온도를 갖는 소재를 3d 프린팅에 의한 템플릿 소재로 할 수 있다면, 상술한 도 9의 (c) 및 (d)에 따른 '역상 템플릿(620)' 제작 과정은 불필요할 수 있다.Meanwhile, as described above, the separation layer 130 is obtained by coating a liquid material on the surface of the template to solidify it and then removing the template. In case the liquid coating solution temperature is 140 degrees Celsius, the HIPS template 610 is made of a porous polypropylene (PP; polyprophylene) material because it is higher than the suggested use temperature of 80 degrees Celsius that the template 610 of the HIPS material can be used by maintaining the solid phase. It is not suitable for use as a direct template for manufacturing the three-dimensional curved structure 10 of 9 (c) and (d) show the HIPS template 610 as the 'original template 610', which is a final template to be used in manufacturing the 3D curved structure 10, which is made of a thiolene material'. The manufacturing process of the reverse image template 620 and its photographic data are respectively shown. Specifically, the empty space of the 'original template 610' made of a HIPS material (first solid) according to FIG. After (Fig. 9(c)), the organic solvents THF (tetra-hydro-furan) and MEK (methyl-ethyl-ketone) were soaked for one day, respectively, and HIPS as the first solid constituting the 'original template 610' By removing , a 'reversed-phase template 620' made of only a second solid thiolene material is obtained (FIG. 9(d)). However, if a material having a higher melting temperature than the material of the separation layer 130 can be used as a template material by 3d printing, the 'reversed-phase template 620' manufacturing process according to FIGS. 9 (c) and (d) described above may be unnecessary.

도 10은 도 9의 템플릿(520)을 이용해 3차원 곡면 구조체(10)를 제조하고, 축전지(1)를 케이싱(20)에 패킹하는 과정을 나타내는 사진 자료이다. 이 경우, 도 10의 (a) 내지 (c)는 상술한 축전지(1) 제조단계에서 상술한 3차원 곡면 구조체(10)를 형성하는 단계(S10)의 세부 공정을 나타내며, 도 10의 (d)는 축전지(1) 제조단계 중 3차원 곡면 구조체(10)를 케이싱(20) 내부에 수용시키는 단계(S20)에 대응된다. 구체적으로, 도 9의 (d)에 따라 제조된 티올렌 재질의 역상 템플릿(620) 표면에 비용매상분리법(NIPS; non-solvent induced phase separation) 에 의하여 다공성 폴리프로필렌(PP; polyprophylene) 재질의 분리층(130)을 코팅한다(도 10의 (a), 참고문헌: Junnia A. Franco, Sandra E. Kentish, Jilska M. Perera, Geoff W. Stevens, Fabrication of a Superhydrophobic polypropylene membrane by deposition of a porous crystalline polypropylene coating, Journal of Membrane Science, Volume 318, Issues 1-2, (2008), pp. 107-113). 다음으로 역상 템플릿(620)의 상부 표면에 형성되어 있는 분리층(130)을 제거함으로써 그 아래에 있는 티올렌 재질의 역상 템플릿 일부를 외부로 노출시킨다(도 10의 (b)). 계속하여 외부로 노출된 분리층(130) 아래의 티올렌 재질의 역상 템플릿(620)을 식각 등의 방식에 의해 제거함으로써 다공성 폴리프로필렌 재질의 분리층(130)으로만 이루어진 'Shellular'즉 3차원 곡면 구조체(10)를 얻은 후(도 10의 (c)), 이를 케이싱(20) 내에 수용하여 패킹 과정을 수행하게 된다(도 10의 (d)). 10 is a photograph showing a process of manufacturing the three-dimensional curved structure 10 using the template 520 of FIG. 9 and packing the storage battery 1 in the casing 20 . In this case, (a) to (c) of Figure 10 shows the detailed process of the step (S10) of forming the three-dimensional curved structure 10 described above in the manufacturing step of the storage battery 1 described above, Figure 10 (d) ) corresponds to the step (S20) of accommodating the three-dimensional curved structure 10 inside the casing 20 during the manufacturing step of the storage battery 1 . Specifically, separation of porous polypropylene (PP) material by non-solvent induced phase separation (NIPS) on the surface of the reversed-phase template 620 made of thiolene material prepared according to (d) of FIG. 9 . The layer 130 is coated (FIG. 10(a), reference: Junnia A. Franco, Sandra E. Kentish, Jilska M. Perera, Geoff W. Stevens, Fabrication of a Superhydrophobic polypropylene membrane by deposition of a porous crystalline crystalline polypropylene coating, Journal of Membrane Science, Volume 318, Issues 1-2, (2008), pp. 107-113). Next, by removing the separation layer 130 formed on the upper surface of the reversed-phase template 620, a portion of the reversed-phase template made of thiolene material underneath it is exposed to the outside (FIG. 10(b)). Continually, by removing the reversed-phase template 620 made of thiolene material under the separation layer 130 exposed to the outside by etching or the like, 'Shellular' consisting only of the separation layer 130 made of porous polypropylene material, that is, three-dimensional After obtaining the curved structure 10 (FIG. 10 (c)), it is accommodated in the casing 20 to perform a packing process (FIG. 10 (d)).

도 11은 축전지(1) 구성 각부의 구현 방법에 관한 사진 자료를 나타낸다. 도 11에서 사용된 3차원 곡면 구조체(10)는 상술한 본 발명의 일실시예에 따라 템플릿을 이용해 제작된 것이 이용되었다. 이 경우, 도 11의 (a) 내지 (d)는 상술한 축전지(1) 제조단계에서 상기 2개의 부공간(110, 120) 각각에 활물질(40) 페이스트를 주입하는 단계(S30); 상기 2개의 부공간(110, 120) 각각에 전극(30; 310, 320)을 삽입하는 단계(S40); 상기 활물질(40) 페이스트를 경화 후, 상기 케이싱(20) 내부로 전해액(50)을 주입하는 단계(S50, S60); 및 상기 케이싱(20)을 밀봉하는 단계(S70)를 각각 나타낸다. 구체적으로, 도 11의 (a) 내지 (c)는 상기 다공성 폴리프로필렌 재질의 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체(10)의 2개의 부공간(110, 120) 각각에 활물질(40) 페이스트를 주입한 후 전극(30; 310, 320)을 삽입하고(도 11의 (a), (b)), 활물질(40) 페이스트를 경화 후 전해액(50)을 주입한(도 11의 (c)) 각각의 상태에 대한 확대 사진을 나타내며, 도 11의 (d)는 케이싱(20)을 밀봉한 최종 형태의 축전지(1)에 대한 사진을 나타내고 있다.11 shows photographic data related to the implementation method of each component of the storage battery 1 . The three-dimensional curved structure 10 used in FIG. 11 was manufactured using a template according to an embodiment of the present invention described above. In this case, (a) to (d) of FIG. 11 shows the steps of injecting the active material 40 paste into each of the two subspaces 110 and 120 in the manufacturing step of the storage battery 1 described above (S30); inserting the electrodes 30; 310, 320 into each of the two subcavities 110 and 120 (S40); After curing the active material 40 paste, injecting the electrolyte 50 into the casing 20 (S50, S60); and sealing the casing 20 ( S70 ), respectively. Specifically, (a) to (c) of FIG. 11 shows the active material 40 paste in each of the two subspaces 110 and 120 of the three-dimensional curved structure 10 for the separation layer 130 of the porous polypropylene material. After injecting the electrodes 30; 310, 320 (FIG. 11 (a), (b)), after curing the active material 40 paste, the electrolyte 50 was injected (FIG. 11 (c)) ) shows an enlarged photograph for each state, and FIG. 11 ( d ) shows a photograph of the storage battery 1 in the final form in which the casing 20 is sealed.

한편 얇은 분리막으로 구성된 종래 일반적인 축전지(1)의 경우, 활물질(40)로부터 생성된 전도성 덴드라이트(dendrite) 조직의 관통에 의해 전기합선 현상을 방지되기 위해서는 분리막 내 기공이 1um 수준으로 매우 작아야 하는 것으로 알려져 있다. 상술한 본 발명의 일실시예에 따라 템플릿을 이용해 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체를 제조하는 경우, 해당 분리층(130)의 두께는 코팅층 두께에 의존하여 상대적으로 얇게 형성되기 때문에 상술한 얇은 분리막으로 구성된 종래 축전지(1)와 마찬가지로 분리층(130) 내 기공의 크기도 작게 형성되어야 하는 한계가 있을 수 있다. 또한 템플릿을 이용해 분리층(130) 제조시, 템플릿의 별도 제조 및 제거에 수반되어 추가적이 시간 및 비용이 필요하고, 폐기물 처리 비용이 발생할 수 있는 한계도 있다. 이러한 사항들을 개선할 수 있는 방안으로서, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 3차원 곡면 구조체(10)를 형성하는 단계를 3D 프린팅으로 직접 수행하는 것을 제안한다.On the other hand, in the case of a conventional general storage battery 1 composed of a thin separator, the pores in the separator must be very small, at the level of 1 μm, in order to prevent an electric short circuit by penetrating the conductive dendrite tissue generated from the active material 40. is known In the case of manufacturing the three-dimensional curved structure for the separation layer 130 using a template according to the embodiment of the present invention described above, the thickness of the separation layer 130 is formed relatively thinly depending on the thickness of the coating layer. Like the conventional storage battery 1 composed of a thin separator, there may be a limitation in that the size of the pores in the separation layer 130 must be small. In addition, when the separation layer 130 is manufactured using the template, additional time and money are required for the separate manufacturing and removal of the template, and there is a limitation in that waste treatment costs may occur. As a way to improve these matters, in another embodiment of the present invention, it is proposed to directly perform the step of forming the three-dimensional curved structure 10 by 3D printing.

구체적으로, 상기 3차원 곡면 구조체(10)를 형성하는 단계를 3D 프린팅으로 직접 수행하는 경우, 템플릿을 이용해 3차원 곡면 구조체(10)를 형성하는 경우와 달리 다공질의 분리층(130)을 두껍게 형성할 수 있다. 예컨대 TPU (Thermoplastic PolyUrethane)를 3D 프린팅용 필라멘트 소재로 사용하여 가장 일반적인 3D 프린팅 방식 중 하나인 용융 적층 모델링(FDM; Fused Deposition Modeling) 방법으로 3차원 곡면 구조체의 계면을 두껍게 제조할 수 있고, 이 경우 용융 필라멘트의 압출량이 정상보다 감소되도록 제어시 프린트된 제품, 즉 계면 내부에 다수의 기공이 형성되도록 유도함으로써 다공성 분리층(130)을 프린트할 수 있다. 결과적으로 3D 프린팅 방식으로 제작된 3차원 곡면 구조체(10)의 경우 분리층(130)이 충분히 두껍기 때문에, 상기 템플릿을 이용해 제작된 얇은 분리층(130) 두께의 3차원 곡면 구조체(10)와는 달리 내부 기공의 크기를 아주 작게 만들 필요가 없다. Specifically, when the step of forming the three-dimensional curved structure 10 is directly performed by 3D printing, the porous separation layer 130 is thickly formed, unlike the case of forming the three-dimensional curved structure 10 using a template. can do. For example, by using TPU (Thermoplastic PolyUrethane) as a filament material for 3D printing, one of the most common 3D printing methods, Fused Deposition Modeling (FDM), the interface of the 3D curved structure can be thickly manufactured. The porous separation layer 130 may be printed by inducing the formation of a plurality of pores in the printed product, that is, the interface, when the extrusion amount of the molten filament is controlled to be reduced than normal. As a result, in the case of the three-dimensional curved structure 10 produced by the 3D printing method, since the separation layer 130 is sufficiently thick, unlike the three-dimensional curved structure 10 of the thin separation layer 130 produced using the template, the three-dimensional curved structure 10 There is no need to make the size of the internal pores very small.

또한 3D 프린팅된 3차원 곡면 구조체(10)의 표면에 대해 친수성 처리를 하여 내부 기공에 전해액(50)이 잘 흡수되도록 하면, 구조적으로 튼튼하며, 별도의 전해액(50) 저장공간을 확보할 필요도 없고, 또한 전해액(50)의 요동에 의한 누출사고도 효과적으로 방지할 수 있다. 기타, 3차원 곡면 구조체(10)를 형성하는 단계를 3D 프린팅으로 직접 수행하는 방법은 템플릿을 이용해 3차원 곡면 구조체(10)를 제조하는 경우에 수반되는 템플릿 형성, 분리층(130) 코팅, 분리층(130) 표면 일부 제거 및 템플릿 식각의 4단계 공정을 3D 프린팅 단일 공정으로 대체할 수 있기 때문에, 전체적인 공정 효율성도 우수하다.In addition, if the surface of the 3D-printed three-dimensional curved structure 10 is hydrophilic treated so that the electrolyte 50 is well absorbed in the internal pores, it is structurally strong, and there is no need to secure a separate electrolyte 50 storage space Also, it is possible to effectively prevent leakage accidents due to fluctuations of the electrolyte 50 . In addition, the method of directly performing the step of forming the three-dimensional curved structure 10 by 3D printing is a template formation involved in manufacturing the three-dimensional curved structure 10 using a template, the separation layer 130 coating, separation Since the four-step process of removing a portion of the surface of the layer 130 and etching the template can be replaced with a single 3D printing process, the overall process efficiency is also excellent.

도 12는 상술한 본 발명의 다른 실시예에 따라 3D 프린팅 방식에 의해 3차원 곡면 구조체(10)를 직접 제조한 후, 이를 이용해 축전지(1)를 제조하는 과정에 관한 사진 자료이다. 구체적으로, 도 12의 (a)는 직접 3D 프린팅된 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체(10)의 사진, 도 12의 (b)는 친수성을 높이기 위해 표면이 PDA (polydopamine)로 코팅 처리된 분리층(130)용 3차원 곡면 구조체(10)의 사진, 도 12의 (c)는 3차원 곡면 구조체(10)가 케이싱(20) 용기 내 삽입 수용된 상태에서 각 부공간(110, 120)에 대해 전극(30; 310, 320) 삽입 및 활물질(40) 주입, 건조에 의한 활물질(40) 경화, 동일 전극(30; 310, 320)간 납땜 등에 의한 연결, 및 전해액(50) 주입이 이루어진 상태에서의 사진, 도 12의 (d)는 전해액(50)이 흡수된 분리층(130)에 대한 확대 사진을 각각 나타낸다.12 is a photograph showing a process of manufacturing the storage battery 1 using the 3D curved structure 10 directly after manufacturing the 3D curved structure 10 by the 3D printing method according to another embodiment of the present invention described above. Specifically, (a) of FIG. 12 is a photo of the 3D curved structure 10 for the separation layer 130 directly 3D printed, and (b) of FIG. 12 is a surface coated with PDA (polydopamine) to increase hydrophilicity. A photograph of the three-dimensional curved structure 10 for the separated layer 130, (c) of FIG. 12 is each subspace 110, 120 in a state in which the three-dimensional curved structure 10 is inserted and accommodated in the casing 20 container. For the electrode (30; 310, 320) insertion and injection of the active material 40, curing of the active material 40 by drying, connection by soldering between the same electrodes 30; 310, 320, and injection of the electrolyte 50 are made A photograph of the state, (d) of FIG. 12 shows an enlarged photograph of the separation layer 130 in which the electrolyte 50 is absorbed, respectively.

이상과 같이 본 발명에 따르면, TPMS 형태의 3차원 곡면 구조체(10)의 부공간(110, 120)을 축전지(1)의 전극(30; 310, 320) 및 활물질(40)에 대한 수용 공간으로 활용하고 넓은 비표면적을 갖는 해당 구조체의 계면을 축전지(1)의 분리층(130)으로 활용함으로써 부피 기준 에너지 밀도가 매우 높고, 또한 분리층(130)이 전극(30; 310, 320) 및 활물질(40)을 감싸는 형태이기 때문에 축전지(1)의 무게 대비 구조적 강도와 안정성이 향상됨과 동시에 이 경우 전극(30; 310, 320)을 작은 직경의 와이어로 구성하더라도 활물질(40)이 전극(30; 310, 320)으로부터 이탈되지 않아 전극(30; 310, 320) 자체의 무게도 감소될 수 있다. 또한 본 발명에 따라 3D 프린터를 이용해 TPMS 형태의 3차원 곡면 구조체(10)를 두꺼운 다공성 계면을 갖도록 제작하여 축전지(1)에 적용하는 경우, 그 제조 공정이 단순화될 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 전해액(50) 저장 공간이 확보될 필요가 없고 전해액(50)의 요동에 의한 누출 사고가 방지될 수 있으며, 또한 분리층(130)이 두껍게 구성될 수 있기 때문에 종래 얇은 분리막과는 달리 전기합선 방지를 위해 분리층(130) 내 기공을 아주 작게 하지 않아도 된다. As described above, according to the present invention, the subspaces 110 and 120 of the three-dimensional curved structure 10 of the TPMS type are used as accommodation spaces for the electrodes 30 ; 310 , 320 and the active material 40 of the storage battery 1 . By utilizing and utilizing the interface of the structure having a large specific surface area as the separation layer 130 of the storage battery 1, the volume-based energy density is very high, and the separation layer 130 is formed of the electrodes 30; 310, 320 and the active material. Because the shape surrounding the 40, the structural strength and stability compared to the weight of the storage battery 1 are improved, and in this case, even if the electrodes 30; 310, 320 are composed of a small-diameter wire, the active material 40 is the electrode 30; Since it is not separated from the electrodes 310 and 320, the weight of the electrodes 30; 310, 320 itself may also be reduced. In addition, when the three-dimensional curved structure 10 in the form of TPMS is manufactured to have a thick porous interface using a 3D printer according to the present invention and applied to the storage battery 1, the manufacturing process can be simplified and a separate electrolyte solution (50) There is no need to secure a storage space, and leakage accidents due to fluctuations of the electrolyte 50 can be prevented, and also, since the separation layer 130 can be configured to be thick, it is possible to prevent electric short circuit unlike the conventional thin separator. For this purpose, it is not necessary to make the pores in the separation layer 130 very small.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.The above description relates to specific embodiments of the present invention. As described above, the embodiments according to the present invention are disclosed for the purpose of explanation and are not to be construed as limiting the scope of the present invention, and those of ordinary skill in the art will not depart from the essence of the present invention. It should be understood that various changes and modifications are possible. Accordingly, all such modifications and variations can be understood to correspond to the scope of the invention disclosed in the claims or equivalents thereof.

1: 축전지
10: 3차원 곡면 구조체
110: 제1 부공간
120: 제2 부공간
130: 분리층
20: 케이싱
30: 전극
310: 양극
320: 음극
40: 활물질
50: 전해액
610: 원안 템플릿
620: 역상 템플릿1: storage battery
10: 3D surface structure
110: first subspace
120: second subspace
130: separation layer
20: casing
30: electrode
310: positive electrode
320: cathode
40: active material
50: electrolyte
610: original template
620: reversed-phase template

Claims (10)

내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 축전지용 3차원 곡면 구조체로서, 상기 계면이 이온화된 유체에 대한 투과성을 가져 축전지의 분리층으로 제공되고, 상기 2개의 부공간 각각은 축전지의 전극 및 활물질이 수용되는 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 축전지용 3차원 곡면 구조체.A three-dimensional curved structure for a storage battery in which the interior is separated and partitioned into two subspaces of a twisted shape by an interface, wherein the interface has permeability to an ionized fluid and is provided as a separation layer of the storage battery, each of the two subspaces A three-dimensional curved structure for a storage battery, characterized in that it is provided as a space in which the electrode and the active material of the storage battery are accommodated. 제1항에 있어서, 상기 계면은 액상 전해액을 흡수하여 담지할 수 있는 다공성 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 축전지용 3차원 곡면 구조체.The three-dimensional curved structure for a storage battery according to claim 1, wherein the interface is formed of a porous layer capable of absorbing and supporting a liquid electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 계면은 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)인 것을 특징으로 하는 축전지용 3차원 곡면 구조체.The three-dimensional curved structure for a storage battery according to claim 1, wherein the interface is a Triple Periodic Minimal Surface (TPMS). 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 3차원 곡면 구조체; 상기 3차원 곡면 구조체를 수용하여 상기 2개의 부공간이 외부로부터 차폐되도록 수용하는 케이싱; 상기 2개의 부공간 각각에 수용되는 전극 및 활물질; 및 상기 케이싱 내부에 수용되는 전해액을 포함하는 축전지.A three-dimensional curved structure according to any one of claims 1 to 3; a casing accommodating the three-dimensional curved structure so that the two subspaces are shielded from the outside; an electrode and an active material accommodated in each of the two subspaces; and an electrolyte solution accommodated in the casing. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 3차원 곡면 구조체를 형성하는 단계;
상기 3차원 곡면 구조체를 케이싱 내부에 수용시키는 단계;
상기 2개의 부공간 각각에 활물질 페이스트를 주입하는 단계;
상기 2개의 부공간 각각에 전극을 삽입하는 단계;
상기 활물질 페이스트를 경화시키는 단계;
상기 케이싱 내부로 전해액을 주입하는 단계; 및
상기 케이싱을 밀봉하는 단계;를 포함하는 축전지 제조방법.Forming a three-dimensional curved structure according to any one of claims 1 to 3;
accommodating the three-dimensional curved structure inside the casing;
injecting an active material paste into each of the two subspaces;
inserting an electrode into each of the two subspaces;
curing the active material paste;
injecting an electrolyte into the casing; and
A method of manufacturing a storage battery comprising a; sealing the casing. 제5항에 있어서, 상기 3차원 곡면 구조체를 형성하는 단계는, 템플릿을 형성하는 단계; 상기 템플릿의 표면에 축전지의 분리층을 형성하는 단계; 상기 분리층의 일부를 제거하여 템플릿을 노출시키는 단계; 및 상기 템플릿을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 제조방법.The method of claim 5 , wherein the forming of the three-dimensional curved structure comprises: forming a template; forming a separation layer of the storage battery on the surface of the template; removing a portion of the separation layer to expose the template; and removing the template. 제6항에 있어서, 상기 템플릿을 형성하는 단계는 3D 프린팅으로 수행되는 것을 특징으로 하는 축전지 제조방법.The method of claim 6, wherein the forming of the template is performed by 3D printing. 제7항에 있어서, 상기 템플릿을 형성하는 단계는 2개의 부공간 중 어느 하나가 제1 고체로 채워진 원안 템플릿을 3D 프린팅으로 형성하는 단계; 상기 원안 템플릿의 2개의 부공간 중 제1 고체로 채워지지 않은 다른 부공간을 제2 고체로 충진하는 단계; 및 상기 1고체를 제거하여 역상 템플릿을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 역상 템플릿이 상기 분리층 형성을 위한 최종 템플릿으로 사용되는 것을 특징으로 하는 축전지 제조방법.The method of claim 7 , wherein the forming of the template comprises: forming a circular template in which one of two subspaces is filled with a first solid by 3D printing; filling another subspace not filled with the first solid among the two subspaces of the original template with a second solid; and forming a reverse-phase template by removing the first solid, wherein the reverse-phase template is used as a final template for forming the separation layer. 제5항에 있어서, 상기 3차원 곡면 구조체를 형성하는 단계는 3D 프린팅으로 직접 수행되는 것을 특징으로 하는 축전지 제조방법.The method of claim 5, wherein the forming of the three-dimensional curved structure is directly performed by 3D printing. 제9항에 있어서, 상기 3D 프린팅은 용융 적층 모델링 방법으로 수행되고, 이 과정에서 압출량을 제어하여 상기 분리층의 기공률이 제어되는 것을 특징으로 하는 축전지 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the 3D printing is performed by a melt lamination modeling method, and the porosity of the separation layer is controlled by controlling the extrusion amount during this process.
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