KR20220057166A - Bipolar all-solid-state battery comprising a porous supporting layer - Google Patents

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KR20220057166A
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solid
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이정필
성인혁
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

The present invention relates to a bipolar all-solid-state battery including a porous support layer and a method for manufacturing the same, and specifically, to a bipolar all-solid-state battery in which two or more unit cells including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are connected in series, a porous support layer is provided in the center of a part in which the unit cells are connected in series, a negative electrode of one unit cell is disposed on one side of the porous support layer, and a positive electrode of another unit cell is disposed on an opposite side.

Description

다공성 지지층을 포함하는 바이폴라 전고체전지{Bipolar all-solid-state battery comprising a porous supporting layer}Bipolar all-solid-state battery comprising a porous supporting layer

본원발명은 다공성 지지층을 포함하는 바이폴라 전고체전지에 관한 것이다. 구체적으로 양극, 고체전해질층, 음극을 포함하는 단위 셀이 2개 이상 직렬로 연결되어 있고, 상기 단위 셀이 직렬로 연결된 부분은 중앙에 다공성 지지층이 마련되고, 상기 다공성 지지층의 일면은 하나의 단위 셀의 음극이, 그 대향면에는 다른 단위 셀의 양극이 배치되는 바이폴라 전고체전지에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar all-solid-state battery including a porous support layer. Specifically, two or more unit cells including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are connected in series, and a portion where the unit cells are connected in series is provided with a porous support layer in the center, and one surface of the porous support layer is one unit It relates to a bipolar all-solid-state battery in which the negative electrode of the cell and the positive electrode of another unit cell are disposed on the opposite side thereof.

바이폴라 전지는 케이스의 체적을 최소화하여 전지의 에너지 밀도가 높고, 성능이 안정적이며 내부 저항이 낮은 장점을 가지고 있다. 이런 바이폴라 전지는 일반적으로 하나의 단위 셀과 이와 인접한 단위 셀들 사이를 직렬로 연결하기 위한 바이폴라 전극층과 바이 플레이트를 포함하는 바이폴라 전극을 가지고 있다. 상기 바이 플레이트는 상기 단위 셀 간의 전류를 전달하기에 충분한 도전성을 가지고 있으면서 전지 내에서 화학적으로 안정적이며, 전극과 접촉성이 우수한 소재를 사용할 수 있다. 이러한 바이 플레이트는 리튬 이차전지에 주로 사용되는 고유전성 전해액에 의해 쉽게 부식되고, 부식된 바이 플레이트는 단위 셀간의 전해액 밀봉성 및 절연성을 저하시키고, 내부 단락을 유발하여 결국 전지의 안전성을 저하시키는 문제점을 야기한다.The bipolar battery has the advantages of high energy density, stable performance, and low internal resistance by minimizing the volume of the case. Such a bipolar battery generally has a bipolar electrode including a bipolar electrode layer and a bi-plate for serially connecting one unit cell and the adjacent unit cells. The bi-plate may be made of a material having sufficient conductivity to transmit current between the unit cells, chemically stable in the battery, and excellent in contact with the electrode. These bi-plates are easily corroded by the high dielectric electrolyte mainly used in lithium secondary batteries, and the corroded bi-plates deteriorate the electrolyte sealability and insulation between unit cells, and cause internal short circuits, which ultimately lowers the safety of the battery. causes

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 전해액을 사용하지 않는 바이폴라 전고체전지가 대안으로 제시되고 있다. 바이폴라 전고체전지는 기존의 이차전지와 달리 고체전해질을 포함하는 고체전해질층을 가지고 있고, 상기 고체전해질층은 양극과 음극 사이에 배치되어 분리막의 역할을 수행한다.In order to solve the above problems, a bipolar all-solid-state battery that does not use an electrolyte has been proposed as an alternative. The bipolar all-solid-state battery has a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, unlike a conventional secondary battery, and the solid electrolyte layer is disposed between the positive electrode and the negative electrode to serve as a separator.

전고체전지는 종래 전지에 사용되던 액상의 전해액 대신 고체전해질을 사용하기 때문에 온도변화에 따른 전해액의 증발 또는 외부 충격에 의한 누액이 없어, 폭발 및 화재로부터 안전하다. 고체전해질과 양극 또는 음극이 접촉하는 부위가 한정되어 있어, 양극 및 음극과 고체전해질층 사이에 계면 형성이 용이하지 않은 단점이 있다. 상기와 같이 양극 및 음극과 고체전해질층 사이의 접촉면이 작은 경우, 고체전해질을 포함하는 단위 셀을 가압하는 방식으로 계면저항을 감소시키고 있다.Since the all-solid-state battery uses a solid electrolyte instead of the liquid electrolyte used in conventional batteries, there is no evaporation of the electrolyte due to temperature change or leakage due to an external shock, so it is safe from explosion and fire. Since the contact area between the solid electrolyte and the positive electrode or the negative electrode is limited, there is a disadvantage in that it is not easy to form an interface between the positive electrode and the negative electrode and the solid electrolyte layer. As described above, when the contact surface between the positive electrode and the negative electrode and the solid electrolyte layer is small, the interface resistance is reduced by pressing the unit cell including the solid electrolyte.

한편, 상기 바이폴라 전고체전지의 밀도 및 용량을 높이고 수명을 증대시키기 위해 리튬을 사용하여 상기 바이폴라 전고체전지를 제조할 수 있다. 리튬을 사용하는 경우, 충방전 과정시 리튬 덴드라이트가 형성되어 분리막(고체전해질층)이 손상되거나, 상기 리튬 덴드라이트가 양극과 만나게 되어 단위 셀 내에서 쇼트가 발생하게 된다. 특히 바이폴라 전고체전지를 가압하는 경우, 상기 리튬 덴드라이트의 성장으로 인해 상기 양극, 고체전해질층, 음극이 서로 가까워져, 고체전해질층의 손상 또는 리튬 덴드라이트와 양극간의 반응으로 인한 쇼트 문제가 발생한다.Meanwhile, in order to increase the density and capacity of the bipolar all-solid-state battery and increase the lifespan, the bipolar all-solid-state battery may be manufactured using lithium. When lithium is used, lithium dendrites are formed during the charging/discharging process to damage the separator (solid electrolyte layer), or the lithium dendrites come into contact with the positive electrode to cause a short circuit in the unit cell. In particular, when the bipolar all-solid-state battery is pressurized, the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode come close to each other due to the growth of the lithium dendrite, resulting in damage to the solid electrolyte layer or a short circuit due to the reaction between the lithium dendrite and the positive electrode. .

도 1은 종래기술에 따른 바이폴라 전고체전지의 충방전하기 전 사시도이고, 도 2는 종래기술에 따른 바이폴라 전고체전지의 충방전하기 후 사시도이다.1 is a perspective view of a bipolar all-solid-state battery according to the prior art before charging and discharging, and FIG. 2 is a perspective view after charging and discharging of a bipolar all-solid-state battery according to the prior art.

종래 기술에 따른 바이폴라 전고체전지(10)는 제1양극 활물질(111) 및 제1양극 집전체(112)를 포함하는 제1양극(110), 제1고체전해질층(120), 제1음극 활물질(131), 제1음극 집전체(132)를 포함하는 제1음극(130)을 포함하는 제1단위 셀(100)과 제2양극 활물질(211) 및 제2양극 집전체(212)를 포함하는 제2양극(210), 제2고체전해질층(220), 제2음극 활물질(231), 제2음극 집전체(232)을 포함하는 제2음극(230)을 포함하는 제2단위 셀(200) 및 상기 제1단위 셀(100)과 제2단위 셀(200)을 직렬로 연결하기 위한 바이폴라 전극(300)을 포함한다.The bipolar all-solid-state battery 10 according to the prior art includes a first positive electrode 110 including a first positive electrode active material 111 and a first positive electrode current collector 112 , a first solid electrolyte layer 120 , and a first negative electrode. The first unit cell 100 including the first negative electrode 130 including the active material 131 and the first negative electrode current collector 132, the second positive electrode active material 211, and the second positive electrode current collector 212 are formed. A second unit cell including a second anode 210 including a second anode 210 , a second solid electrolyte layer 220 , a second cathode active material 231 , and a second cathode 230 including a second cathode current collector 232 . 200 and a bipolar electrode 300 for connecting the first unit cell 100 and the second unit cell 200 in series.

이 때, 제1양극 활물질(111), 제1음극 활물질(131) 및 제2양극 활물질(211), 제2음극 활물질(231)은 상기 도 1 및 도 2와 달리 상기 제1양극 집전체(112), 제1음극집전체(132) 및 제2양극 집전체(212), 제2음극 집전체(132)의 일면에만 도포되어 있거나, 별도의 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 형태일 수 있다.At this time, the first positive electrode active material 111, the first negative electrode active material 131, the second positive electrode active material 211, and the second negative electrode active material 231 are different from FIGS. 1 and 2 in the first positive electrode current collector ( 112), the first negative electrode current collector 132, the second positive electrode current collector 212, and the second negative electrode current collector 132 may be coated on only one surface, or a separate electrode active material may not be applied.

상기 제1양극(110), 제1고체전해질층(120), 제1음극(130) 및 제2양극(210), 제2고체전해질층(220), 제2음극(230) 사이의 계면저항을 감소시키기 위해 종래기술에 따른 바이폴라 전고체전지(10)는 충방전시 지그로부터의 y축 방향의 가압력(F1)에 의해 가압된다.The interface resistance between the first anode 110 , the first solid electrolyte layer 120 , the first cathode 130 and the second anode 210 , the second solid electrolyte layer 220 , and the second cathode 230 . In order to reduce , the bipolar all-solid-state battery 10 according to the prior art is pressurized by the pressing force F1 in the y-axis direction from the jig during charging and discharging.

하지만 상기 바이폴라 전고체전지(10)는 상기 제1단위 셀(100) 및 제2단위 셀(200)을 충방전할 때 발생한 리튬층(400)이 상기 제1음극(130) 및/또는 제2음극(230)에 삽입되어 활물질을 팽창시키거나, 상기 제1음극(130) 및/또는 제2음극(230)에 리튬이 증착되어 상기 바이폴라 전고체전지(10)의 두께가 증가하게 된다.However, in the bipolar all-solid-state battery 10 , the lithium layer 400 generated when the first unit cell 100 and the second unit cell 200 are charged and discharged is the first cathode 130 and/or the second unit cell 200 . It is inserted into the negative electrode 230 to expand the active material, or lithium is deposited on the first negative electrode 130 and/or the second negative electrode 230 to increase the thickness of the bipolar all-solid-state battery 10 .

상기 바이폴라 전고체전지(10)의 두께가 증가할 경우, 상기 바이폴라 전고체전지(10)의 내부압력(F2)이 증가해 상기 제1단위 셀(100) 및 제2단위 셀(200)에 가해지는 가압력(F1) 또한 증가하게 된다. 통상적으로 가압력(F1)가 지그에 의해서 발생하고, 상기 지그가 일정한 위치를 차지하고 있는데, 내부 부피가 증가하기 때문이다.When the thickness of the bipolar all-solid-state battery 10 increases, the internal pressure F2 of the bipolar all-solid-state battery 10 increases and is applied to the first unit cell 100 and the second unit cell 200 . The lowering pressing force F1 also increases. Typically, the pressing force F1 is generated by the jig, and the jig occupies a certain position, because the internal volume increases.

초기 충방전으로 인해 형성되는 리튬층(400)이 증가할수록 제1고체전해질층(120) 및 제2고체전해질층(220)과 상기 리튬층(400)의 반응력이 커지게 되고, 상기 리튬층(400)의 리튬 금속이 제1고체전해질층(120) 및 제2고체전해질층(220)의 결함을 통해 내부로 유입되어 상기 바이폴라 전고체전지(10)의 단락을 발생시킬 가능성이 커진다.As the lithium layer 400 formed due to the initial charge and discharge increases, the reaction force between the first solid electrolyte layer 120 and the second solid electrolyte layer 220 and the lithium layer 400 increases, and the lithium layer ( The lithium metal of 400) flows into the interior through defects of the first solid electrolyte layer 120 and the second solid electrolyte layer 220, thereby increasing the possibility of causing a short circuit of the bipolar all-solid-state battery 10.

또한, 상기 가압력(F1)이 커질 경우, 상기 바이폴라 전고체전지(10) 내의 제1단위 셀(100) 및 제2단위 셀(200)의 위치 및 형태가 변형될 수 있다. 바이폴라 전고체전지(10)의 형태나 제1단위 셀(100) 및 제2단위 셀(200)의 위치가 달라지는 경우, 상기 가압력(F1)이 제1단위 셀(100) 및 제2단위 셀(200)에 고르게 가해지지 않아 일부는 가압 되지 않거나 일부는 지나치게 가압 될 수 있다.Also, when the pressing force F1 is increased, the positions and shapes of the first unit cell 100 and the second unit cell 200 in the bipolar all-solid-state battery 10 may be deformed. When the shape of the bipolar all-solid-state battery 10 or the positions of the first unit cell 100 and the second unit cell 200 is changed, the pressing force F1 is applied to the first unit cell 100 and the second unit cell ( 200) is not evenly applied, so some may not be pressurized or some may be overly pressurized.

특허문헌 1은 전고체 박막 적층전지에 관한 것으로서, 복수의 발전 요소를 직렬로 접속하는 경우에 대해 언급하고 있으나, 이는 본원발명의 바이폴라 전지와 달리 전극 단자를 통해 상기 발전 요소를 직렬로 연결하고 있어, 상기 박막 적층전지 내부의 응력은 완화시키지만, 전지의 밀도를 향상시키기 못하고 있다.Patent Document 1 relates to an all-solid thin film stack battery, and mentions a case where a plurality of power generating elements are connected in series, but unlike the bipolar battery of the present invention, the power generating elements are connected in series through an electrode terminal, , the internal stress of the thin film stacked battery is relieved, but the density of the battery is not improved.

이와 같이 밀도 대비 뛰어난 성능을 가진 바이폴라 전고체전지 내부의 응력을 감소시키면서 리튬 덴드라이트로 인한 고체전해질층의 손상을 방지할 필요가 있으나, 이에 대한 명확한 해결책이 제시되지 않고 있다.As described above, it is necessary to prevent damage to the solid electrolyte layer due to lithium dendrites while reducing the internal stress of the bipolar all-solid-state battery having excellent performance compared to the density, but a clear solution has not been proposed.

일본 공개특허공보 제2004-273436호(2004.09.30) ('특허문헌 1')Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2004-273436 (2004.09.30) ('Patent Document 1')

본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 리튬 덴드라이트 형성으로 인한 고체전해질층의 손상 및 상기 리튬 덴드라이트가 양극과 접촉하여 단위 셀의 쇼트가 발생하는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to prevent damage to the solid electrolyte layer due to the formation of lithium dendrites and short circuit of the unit cells due to the lithium dendrites coming into contact with the positive electrode.

또한 상기 바이폴라 전고체전지 내부의 응력을 감소시키고, 이온전도도를 향상시켜 수명을 향상시키는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to reduce the internal stress of the bipolar all-solid-state battery and improve the ionic conductivity to improve the lifespan.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지는 양극, 고체전해질층, 음극을 포함하는 단위 셀이 2개 이상 직렬로 연결된 전고체전지에 있어서, 상기 단위 셀이 직렬로 연결된 부분은 중앙에 다공성 지지층이 마련되고, 상기 다공성 지지층의 일면은 하나의 단위 셀의 음극이 배치되고, 그 대향면에 다른 단위 셀의 양극이 배치될 수 있다.In order to achieve the above object, the bipolar all-solid-state battery according to the present invention is an all-solid-state battery in which two or more unit cells including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are connected in series, wherein the unit cells are connected in series A porous support layer may be provided in the center, the negative electrode of one unit cell may be disposed on one surface of the porous support layer, and the positive electrode of another unit cell may be disposed on an opposite surface thereof.

이 때, 상기 음극은 리튬 금속 또는 활물질층이 없는 집전체일 수 있다.In this case, the negative electrode may be a current collector without a lithium metal or an active material layer.

또한 상기 다공성 지지층은, 올레핀계 다공성 기재 및 유리섬유 또는 폴리에틸렌을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 제조된 시트나 부직포를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.In addition, the porous support layer may include at least one sheet or nonwoven fabric made of one or more selected from the group consisting of an olefin-based porous substrate and glass fiber or polyethylene.

상기 다공성 지지층은, 상기 올레핀계 다공성 기재 또는 시트나 부직포를 1층 이상으로 적층한 것일 수 있다.The porous support layer may be one in which the olefin-based porous substrate or sheet or nonwoven fabric is laminated in one or more layers.

또한 상기 다공성 지지층이 두 층 이상일 경우, 상기 다공성 지지층의 각 층은 각각 서로 다른 소재로 이루어져 있거나, 상기 다공성 지지층의 각 층이 모두 동일한 소재로 이루어질 수 있다.In addition, when the porous support layer has two or more layers, each layer of the porous support layer may be made of a different material, or each layer of the porous support layer may be made of the same material.

상기 다공성 지지층은 압력이 가해질 때 두께가 감소하고, 상기 압력이 해소될 때 두께가 원복하여 상기 전고체전지 내부의 응력을 조절할 수 있다.The thickness of the porous support layer is reduced when pressure is applied, and the thickness is restored when the pressure is released, thereby controlling the stress inside the all-solid-state battery.

이 때, 상기 압력은 충전에 의해서 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하여 상기 음극과 상기 고체전해질층 사이에 증착됨으로서 발생하는 것일 수 있다.At this time, the pressure may be generated as lithium ions of the positive electrode move to the negative electrode by charging and are deposited between the negative electrode and the solid electrolyte layer.

상기 다공성 지지층은 리튬 증착으로 인한 두께 변화에 따른 응력을 조절하는 것일 수 있다.The porous support layer may control stress according to a thickness change due to lithium deposition.

상기 다공성 지지층은 상기 다공성 지지층의 두께 및 기공도에 비례하여 상기 응력을 조절할 수 있다.The porous support layer may control the stress in proportion to the thickness and porosity of the porous support layer.

상기 다공성 지지층은 20㎛ 내지 50㎛의 두께일 수 있다.The porous support layer may have a thickness of 20 μm to 50 μm.

상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 일면에 도포된 양극 활물질을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material applied to one surface of the positive electrode current collector.

상기 양극 활물질은 상기 고체전해질층에 대면하고, 상기 양극 집전체는 상기 다공성 지지층에 대면할 수 있다.The positive electrode active material may face the solid electrolyte layer, and the positive electrode current collector may face the porous support layer.

상기 다공성 지지층의 일면에 배치되는 하나의 단위 셀의 음극은 별도의 활물질층이 없는 리튬 금속이며, 상기 다공성 지지층의 대향면에 배치되는 다른 단위 셀의 양극은 양극 집전체일 수 있다.The negative electrode of one unit cell disposed on one surface of the porous support layer may be lithium metal without a separate active material layer, and the positive electrode of another unit cell disposed on the opposite surface of the porous support layer may be a positive electrode current collector.

상기 단위 셀은 파우치형 전지케이스 내에 수납될 수 있다.The unit cell may be accommodated in a pouch-type battery case.

상기 단위 셀은 사용시 지그에 의해 압력이 가해질 수 있다.The unit cell may be pressurized by a jig when in use.

본원발명은 상기에서 언급된 바이폴라 전고체전지를 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩일 수 있다. 또한 상기 바이폴라 전고체전지가 장착된 디바이스일 수 있다.The present invention may be a battery module or battery pack including the above-mentioned bipolar all-solid-state battery. It may also be a device equipped with the bipolar all-solid-state battery.

본원발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.In the present invention, one or two or more components that do not conflict among the above components may be selected and combined.

이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지는 리튬층의 형성에 따라 상기 바이폴라 전고체전지 내에 발생하는 응력을 감소시켜, 고체전해질층이 손상되거나 상기 양극과 상기 리튬층의 리튬 덴드라이트가 반응하는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 바이폴라 전고체전지 내부의 셀 쇼트를 감소시킨다.As described above, the bipolar all-solid-state battery according to the present invention reduces the stress generated in the bipolar all-solid-state battery according to the formation of the lithium layer, so that the solid electrolyte layer is damaged or the lithium dendrites of the positive electrode and the lithium layer are damaged. It can prevent the reaction, thereby reducing the cell short inside the bipolar all-solid-state battery.

또한 상기 바이폴라 전고체전지는 음극으로 음극 집전체만을 사용하고, 양극으로 양극 집전체 및 이의 일면에 도포된 양극 활물질만을 사용하며, 이들로 이루어진 단위 셀들을 다공성 지지층을 통해 직렬연결 함으로써 전지의 밀도 대비 용량 및 성능을 향상시킨다.In addition, the bipolar all-solid-state battery uses only a negative current collector as a negative electrode, uses only a positive electrode current collector and a positive active material coated on one side of the positive electrode as a positive electrode, and connects the unit cells made of these in series through a porous support layer. and improve performance.

게다가 상기 바이폴라 전고체전지 내부의 단위 셀에 가해지는 압력을 일정하게 유지하여 단위 셀의 손상 및 상기 단위 셀의 이온전도도를 향상시켜 전지의 수명을 향상시킨다.In addition, by maintaining a constant pressure applied to the unit cell inside the bipolar all-solid-state battery, damage to the unit cell and the ionic conductivity of the unit cell are improved, thereby improving the battery life.

도 1은 종래기술에 따른 바이폴라 전고체전지의 충방전하기 전 사시도이다.
도 2는 종래기술에 따른 바이폴라 전고체전지의 충방전하기 후 사시도이다.
도 3은 본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지의 충방전하기 전 사시도이다.
도 4는 본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지의 충방전하기 후 사시도이다.
도 5는 본원발명에 따른 실험예 2에서 사용된 전고체전지의 단면도이다.
1 is a perspective view before charging and discharging of a bipolar all-solid-state battery according to the prior art.
2 is a perspective view after charging and discharging of a bipolar all-solid-state battery according to the prior art.
3 is a perspective view before charging and discharging of the bipolar all-solid-state battery according to the present invention.
4 is a perspective view after charging and discharging of the bipolar all-solid-state battery according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of the all-solid-state battery used in Experimental Example 2 according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments in which those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily practice the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, when it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention in describing the operating principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions. Throughout the specification, when a part is said to be connected to another part, it includes not only a case in which it is directly connected, but also a case in which it is indirectly connected with another element interposed therebetween. In addition, the inclusion of any component does not exclude other components unless otherwise stated, but means that other components may be further included.

또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.In addition, descriptions that limit or add elements may be applied to all inventions unless there are special limitations, and are not limited to specific inventions.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.Also, throughout the description and claims of the present application, the singular includes the plural unless otherwise indicated.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.Also, throughout the description and claims herein, "or" is intended to include "and" unless stated otherwise. Therefore, "comprising A or B" means all three cases including A, including B, or including A and B.

또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간 값을 포함한다.Also, all numerical ranges include the values at both ends and all intermediate values therebetween, unless expressly stated otherwise.

본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지는 양극, 고체전해질층, 음극을 포함하는 단위 셀이 2개 이상 직렬로 연결되어 있고, 상기 단위 셀이 직렬로 연결된 부분은 중앙에 다공성 지지층이 마련되고, 상기 다공성 지지층의 일면은 하나의 단위 셀의 음극이 배치되고, 대향면에 다른 단위 셀의 양극이 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.In the bipolar all-solid-state battery according to the present invention, two or more unit cells including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are connected in series, and a portion where the unit cells are connected in series is provided with a porous support layer in the center, and the porous support layer One surface of is characterized in that the negative electrode of one unit cell is disposed, and the positive electrode of the other unit cell is disposed on the opposite surface.

본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지에 관하여, 도 3 및 도 4의 사시도를 통해 설명하고자 한다. 도 3은 본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지(1000)의 충방전하기 전 사시도이고, 도 4는 본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지(1000)의 충방전하기 후 사시도이다.The bipolar all-solid-state battery according to the present invention will be described with reference to the perspective views of FIGS. 3 and 4 . 3 is a perspective view before charging and discharging of the bipolar all-solid-state battery 1000 according to the present invention, and FIG. 4 is a perspective view after charging and discharging of the bipolar all-solid-state battery 1000 according to the present invention.

도 3 및 도 4에서는 설명의 편의를 위해 단위 셀을 제1단위 셀(1100)과 제2단위 셀(1200)로 도시하였으나, 상기 단위 셀은 상기 제1단위 셀(1100) 및 제2단위 셀(1200)을 다수 포함할 수 있다.3 and 4, the unit cell is illustrated as the first unit cell 1100 and the second unit cell 1200 for convenience of explanation, but the unit cell is the first unit cell 1100 and the second unit cell. (1200) may include a plurality of.

본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지(1000)는, 제1단위 셀(1100) 및 제2단위 셀(1200)을 포함한다. 상기 제1단위 셀(1100)은 제1양극 활물질(1111) 및 제1양극 집전체(1112)를 포함하는 제1양극(1110), 제1고체전해질층(1120), 및 제1음극 집전체(1132)를 포함하는 제1음극(1130)으로 이루어져 있고, 상기 제2단위 셀(1200)은 제2양극 활물질(1211) 및 제2양극 집전체(1212)를 포함하는 제2양극(1210), 제2고체전해질층(1220), 및 제2음극 집전체(1232)를 포함하는 제2음극(1230)으로 이루어져 있다. 상기 제1단위 셀(1100)과 제2단위 셀(1200) 사이에는 상기 단위 셀들을 직렬로 연결하기 위한 다공성 지지층(1300)이 배치되어 있다. 상기 다공성 지지층(1300)의 일면은 제1단위 셀(1100)의 제1음극(1130)이 배치되고, 상기 다공성 지지층(1300)의 타면, 즉 상기 제1음극(1130)의 대향면에는 제2단위 셀(1200)의 제2양극(1210)이 배치된다.The bipolar all-solid-state battery 1000 according to the present invention includes a first unit cell 1100 and a second unit cell 1200 . The first unit cell 1100 includes a first positive electrode 1110 including a first positive electrode active material 1111 and a first positive electrode current collector 1112 , a first solid electrolyte layer 1120 , and a first negative electrode current collector. Consists of a first negative electrode 1130 including 1132, and the second unit cell 1200 is a second positive electrode 1210 including a second positive electrode active material 1211 and a second positive electrode current collector 1212 , a second solid electrolyte layer 1220 , and a second cathode 1230 including a second cathode current collector 1232 . A porous support layer 1300 for connecting the unit cells in series is disposed between the first unit cell 1100 and the second unit cell 1200 . On one surface of the porous support layer 1300, the first cathode 1130 of the first unit cell 1100 is disposed, and on the other surface of the porous support layer 1300, that is, on the opposite surface of the first cathode 1130, a second A second anode 1210 of the unit cell 1200 is disposed.

상기 제1양극(1110)은, 예를 들어 제1양극 집전체(1112)에 양극 활물질 입자들로 구성된 양극 활물질과 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제1양극 활물질(1111)을 형성하는 방법으로 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.The first positive electrode 1110 is, for example, by applying a positive electrode mixture in which a positive electrode active material composed of positive electrode active material particles, a conductive material and a binder are mixed on a first positive electrode current collector 1112 to form a first positive electrode active material 1111 It may be manufactured by a method of forming, and if necessary, a filler may be further added to the positive electrode mixture.

상기 제1양극 집전체(1112)는 일반적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The first positive electrode current collector 1112 is generally manufactured to have a thickness of 3 μm to 500 μm, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, stainless steel , aluminum, nickel, titanium, and carbon, nickel, titanium or silver on the surface of aluminum or stainless steel may be used, and specifically aluminum may be used. The current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof, and various forms such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam body, and non-woven body are possible.

상기 제1양극 활물질(1111) 내에 포함되는 양극 활물질은, 예를 들어 상기 양극 활물질 입자 외에, 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 내지 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 내지 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 내지 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4;디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등으로 구성될 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material contained in the first positive electrode active material 1111, for example, in addition to the positive electrode active material particles, lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) A layered compound such as or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , and LiMnO 2 ; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiV 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-x M x O 2 (wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2-x M x O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn; LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; a disulfide compound; It may be composed of Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like, but is not limited thereto.

다만 본원발명에서 사용되는 양극 활물질은 제1음극(1130)에 리튬을 증착시키기 위해 리튬을 포함하는 금속 산화물을 사용하거나 이를 포함하는 것이 바람직하다.However, the positive active material used in the present invention preferably uses or includes a metal oxide containing lithium in order to deposit lithium on the first negative electrode 1130 .

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is typically added in an amount of 0.1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black, such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 제1양극(1110)에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder included in the first positive electrode 1110 is a component that assists in bonding between the active material and the conductive material and bonding to the current collector, and is typically 0.1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material. is added Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluororubber, and various copolymers.

상기 제1양극(1110)은 상기 제1양극 집전체(1112)의 적어도 일면에 제1양극 활물질(1111)이 형성되어 있는 형태일 수 있다. 이 때, 제1양극(1110)이 상기 바이폴라 전고체전지(1000)의 최외곽에 위치한 경우, 상기 제1양극(1110)은 제1양극 집전체(1112)의 양면에 상기 제1양극 활물질(1111)이 도포되어 있는 형태일 수 있다. 또한 상기 제1양극(1110)의 상기 바이폴라 전고체전지(1000)의 다른 단위 셀에 대면해 있는 경우, 상기 제1양극(1110)은 상기 제1양극 집전체(1112)의 일면에만 상기 제1양극 활물질(1111)이 도포되어 있을 수 있다.The first positive electrode 1110 may have a shape in which a first positive electrode active material 1111 is formed on at least one surface of the first positive electrode current collector 1112 . At this time, when the first positive electrode 1110 is located on the outermost side of the bipolar all-solid-state battery 1000, the first positive electrode 1110 is the first positive electrode active material ( 1111) may be applied. In addition, when the first positive electrode 1110 faces another unit cell of the bipolar all-solid-state battery 1000 , the first positive electrode 1110 is formed on only one surface of the first positive electrode current collector 1112 . A cathode active material 1111 may be coated.

상기 제2양극(1210)은 상기 제1양극(1110)과 동일하게 형성될 수 있다. 다만 상기 제2양극(1210)은 상기 바이폴라 전고체전지(1000)의 단위 셀과 대면하고, 상기 제2양극(1210)의 제2양극 집전체(1212)의 일면에만 상기 제2양극 활물질(1211)이 형성되어 있는 형태만을 가진다.The second anode 1210 may be formed in the same manner as the first anode 1110 . However, the second positive electrode 1210 faces the unit cell of the bipolar all-solid-state battery 1000 and the second positive electrode active material 1211 only on one surface of the second positive electrode current collector 1212 of the second positive electrode 1210 . ) has only the form in which it is formed.

상기 다공성 지지층(1300)의 타면에 배치된 제2양극(1210)의 제2양극 활물질(1211)은 상기 제2고체전해질층(1220)에 대면하고, 상기 제2양극 집전체(1212)는 상기 다공성 지지층(1300)에 대면하여 상기 다공성 지지층(1300)이 상기 바이폴라 전고체전지(1000)의 단위 셀을 직렬로 연결할 수 있도록 한다.The second positive electrode active material 1211 of the second positive electrode 1210 disposed on the other surface of the porous support layer 1300 faces the second solid electrolyte layer 1220, and the second positive electrode current collector 1212 is the The porous support layer 1300 faces the porous support layer 1300 so that the unit cells of the bipolar all-solid-state battery 1000 can be connected in series.

상기 제1고체전해질층(1120) 및 제2고체전해질층(1220)은 유기 고체전해질이나 무기 고체전해질 등이 사용될 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.For the first solid electrolyte layer 1120 and the second solid electrolyte layer 1220 , an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte may be used, but is not limited thereto.

상기 유기 고체전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, ions A polymer containing a sexually dissociating group or the like can be used.

상기 무기 고체전해질로는, 황화물계 고체전해질, 산화물계 고체전해질을 일례로 들 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include a sulfide-based solid electrolyte and an oxide-based solid electrolyte.

산화물계 고체전해질로서는, 예를 들면 Li6.25La3Zr2Al0.25O12, Li3PO4, Li3+xPO4-xNx(LiPON), Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, 등의 Li의 질화물, 할로겐화물 등이 사용될 수 있다.As the oxide-based solid electrolyte, for example, Li 6.25 La 3 Zr 2 A 10 . 25 O 12 , Li 3 PO 4 , Li 3 +xPO 4 -xN x (LiPON), Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, A nitride, a halide of Li, such as Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, or the like may be used.

상기 황화물계 입자는 본원발명에서 특별히 한정하지 않으며 리튬 전지 분야에서 사용하는 공지된 모든 황화물계 재질이 가능하다. 상기 황화물계 재질은 시판되는 것을 구입하여 사용하거나, 비정질 황화물계 재질을 결정화 공정을 거쳐 제조된 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 황화물계 고체전해질은 결정계 황화물계 고체전해질, 비정질계 황화물계 고체전해질, 및 이들 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 사용될 수 있는 복합 화합물의 예로는 황-할로겐 화합물, 황-저마늄 화합물, 황-실리콘 황화물이 있으며, 구체적으로 SiS2, GeS2, B2S3 등의 황화물을 포함할 수 있고, Li3PO4이나 할로겐, 할로겐 화합물 등이 첨가되어 있을 수 있다. 바람직하게는 10-4 S/cm 이상의 리튬 이온전도도를 구현할 수 있는 황화물계 전해질을 사용할 수 있다.The sulfide-based particles are not particularly limited in the present invention, and all known sulfide-based materials used in the field of lithium batteries may be used. As the sulfide-based material, a commercially available one may be purchased and used, or an amorphous sulfide-based material manufactured through a crystallization process may be used. For example, the sulfide-based solid electrolyte may include a crystalline sulfide-based solid electrolyte, an amorphous sulfide-based solid electrolyte, and any one or mixture thereof. Examples of the complex compound that can be used include a sulfur-halogen compound, a sulfur-germanium compound, and a sulfur-silicon sulfide, specifically SiS 2 , GeS 2 , B 2 S 3 It may include a sulfide such as Li 3 PO 4 or halogen, a halogen compound, etc. may be added. Preferably, a sulfide-based electrolyte capable of implementing lithium ion conductivity of 10 -4 S/cm or more may be used.

대표적으로, Li6PS5Cl (LPSCl), Thio-LISICON(Li3.25Ge0.25P0.75S4), Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-SiS2, LiI-Li2S-SiS2, LiI-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-P2O5, LiI-Li3PO4-P2S5, Li2S-P2S5, Li3PS4, Li7P3S11, LiI-Li2S-B2S3, Li3PO4-Li2S-Si2S, Li3PO4-Li2S-SiS2, LiPO4-Li2S-SiS, Li10GeP2S12, Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3, Li7P3S11 등을 포함한다Representatively, Li 6 PS 5 Cl (LPSCl), Thio-LISICON (Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 ), Li 2 SP 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 SP 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , LiI-Li 2 SB 2 S 3 , Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , LiPO 4 -Li 2 S-SiS, Li 10 GeP 2 S 12 , Li 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3 , Li 7 P 3 S 11 , etc.

상기 제1고체전해질층(1120) 및 제2고체전해질층(1220)의 상기 제1음극(1130) 및 제2음극(1230) 대면에는 리튬 덴드라이트 형성을 유도하기 위한 코팅층이 있을 수 있다.A coating layer for inducing formation of lithium dendrites may be formed on the first and second cathodes 1130 and 1230 of the first solid electrolyte layer 1120 and the second solid electrolyte layer 1220 .

상기 코팅층은 전기전도성 및 이온전도성 향상을 위해 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속은 상기 제1음극(1130) 또는 제2음극(1230)의 성능을 향상시키면서, 리튬 덴드라이트가 상기 코팅층과 상기 제1음극 집전체(1132) 또는 상기 코팅층과 상기 제2음극 집전체(1232) 사이에 형성될 수 있도록 하는 금속이면, 그 종류에 제한이 없다. 이 때, 상기 금속은 친리튬 특성을 가지고 있어, 리튬 덴드라이트가 상기 코팅층과 상기 제1음극 집전체(1132) 또는 상기 코팅층과 상기 제2음극 집전체(1232) 사이에 형성될 수 있도록 유도할 수 있다. The coating layer may include a metal to improve electrical conductivity and ionic conductivity. The metal improves the performance of the first negative electrode 1130 or the second negative electrode 1230, and the lithium dendrite forms the coating layer and the first negative electrode current collector 1132 or the coating layer and the second negative electrode current collector ( 1232), as long as it is a metal that can be formed between them, there is no limitation on the type. At this time, since the metal has lithium-friendly properties, lithium dendrites can be induced to be formed between the coating layer and the first negative current collector 1132 or the coating layer and the second negative current collector 1232 . can

이 때, 리튬 덴드라이트가 상기 제1고체전해질층(1120) 또는 제2고체전해질층(1220) 방향으로 성장하지 않도록 하기 위해 상기 친리튬 특성의 금속은 상기 코팅층 제1음극(1130) 또는 제2음극 대면(1230)에 배치될 수 있다.At this time, in order to prevent lithium dendrite from growing in the direction of the first solid electrolyte layer 1120 or the second solid electrolyte layer 1220 , the lithium-friendly metal is the coating layer first cathode 1130 or the second It may be disposed on the cathode-facing surface 1230 .

상기 코팅층에 친리튬 특성의 금속이 위치하는 경우, 상기 친리튬 특성의 금속 상에서 리튬 플레이팅이 일어나, 리튬 핵이 형성되고, 상기 리튬 핵에서 성장한 리튬 덴드라이트는 상기 코팅층에서만 성장이 이루어지게 된다.When a lithium-friendly metal is located in the coating layer, lithium plating occurs on the lithium-friendly metal to form lithium nuclei, and lithium dendrites grown in the lithium nuclei grow only in the coating layer.

상기 친리튬 특성의 금속은 금속 및 금속산화물 중 적어도 어느 하나 이상이 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 아연(Zn), 규소(Si) 및 마그네슘(Mg) 등이 해당되며, 상기 금속산화물은 비금속으로서 구리산화물, 아연산화물, 코발트 산화물 등이 해당될 수 있다.At least one of a metal and a metal oxide may be selected as the lithium-friendly metal. For example, the metal corresponds to gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), zinc (Zn), silicon (Si) and magnesium (Mg), and the metal oxide is copper oxide as a non-metal; Zinc oxide, cobalt oxide, etc. may be applicable.

본원발명에 따른 제1음극(1130)은 제1음극 집전체(1132)만으로 이루어져 있을 수 있다.The first negative electrode 1130 according to the present invention may consist of only the first negative electrode current collector 1132 .

상기 제1음극 집전체(1132)는 일반적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 제1음극 집전체(1132)는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 리튬 금속 또는 별도의 음극 활물질층이 없는 집전체일 수 있다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 제1양극 집전체(1112)와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The first negative current collector 1132 is generally made to have a thickness of 3 μm to 500 μm. The first anode current collector 1132 is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, and may be a current collector without lithium metal or a separate anode active material layer. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, a surface treatment of copper or stainless steel with carbon, nickel, titanium, silver, etc., an aluminum-cadmium alloy, etc. may be used. In addition, like the first positive electrode current collector 1112 , it is also possible to strengthen the bonding force of the negative electrode active material by forming fine irregularities on the surface, and to be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, nonwovens, etc. can

상기 제2음극(1230)은 상기 제1음극(1130)과 동일한 형태일 수 있다.The second cathode 1230 may have the same shape as the first cathode 1130 .

상기 제1단위 셀(1100)과 제2단위 셀(1200)이 상기와 같은 형태를 가지고, 이를 직렬로 연결하여, 고에너지 밀도를 가지는 바이폴라 전고체전지(1000)를 얻을 수 있다.The first unit cell 1100 and the second unit cell 1200 have the same shape as described above and are connected in series to obtain the bipolar all-solid-state battery 1000 having a high energy density.

상기 제1단위 셀(1100)과 제2단위 셀(1200) 사이에는 상기 단위 셀들을 직렬로 연결하기 위해 다공성 지지층(1300)이 배치되어 있을 수 있다.A porous support layer 1300 may be disposed between the first unit cell 1100 and the second unit cell 1200 to connect the unit cells in series.

상기 다공성 지지층(1300)은 상기 제1단위 셀(1100)과 제2단위 셀(1200)을 직렬로 연결하기 위해 전기전도성과 이온전도성이 있는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 일례로 상기 다공성 지지층(1300)은 올레핀계 다공성 기재 및 유리섬유 또는 폴리에틸렌을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 제조된 시트나 부직포를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 이 때, 상기 다공성 지지층(1300)은 올레핀계 다공성 기재 또는 유리섬유 또는 폴리에틸렌을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 제조된 시트인 것이 바람직하다. 부직포 형태의 경우, 공극률이 크지만, 상기 다공성 지지층(1300)이 일정한 강도를 갖게 하기 위해서는 상기 부직포를 여러 층으로 적층하여야 하기 때문에 동일한 두께를 가지는 경우, 다공성 기재 또는 시트 형태에 비해 두께변화율이 크지 않기 때문이다.For the porous support layer 1300 to connect the first unit cell 1100 and the second unit cell 1200 in series, any material having electrical conductivity and ion conductivity may be used. For example, the porous support layer 1300 may include at least one sheet or nonwoven fabric made of one or more selected from the group consisting of an olefin-based porous substrate and glass fiber or polyethylene. In this case, the porous support layer 1300 is preferably a sheet made of at least one selected from the group consisting of an olefin-based porous substrate or glass fiber or polyethylene. In the case of the nonwoven fabric form, the porosity is large, but in order for the porous support layer 1300 to have a certain strength, the nonwoven fabric must be laminated in several layers. because it doesn't

구체적으로 상기 다공성 지지층(1300)은 폴리올레핀계 (폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리염화비닐) 및 이들의 혼합물 혹은 공중합체 등의 수지를 포함하거나 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로올레핀, 폴리에테르술폰, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 폴리아라미드, 폴리시클로올레핀, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 수지를 포함할 수 있다. 이들 중에서도, 폴리올레핀계 수지는 두께를 얇게 하여 상기 바이폴라 전고체전지(1000) 내의 체적당 용량을 높일 수 있어 바람직하다.Specifically, the porous support layer 1300 includes a resin such as polyolefin (polyethylene, polypropylene, polybutene, polyvinyl chloride) and mixtures or copolymers thereof, or polyethylene terephthalate, polycycloolefin, polyethersulfone, poly and resins such as amide, polyimide, polyimideamide, polyaramid, polycycloolefin, nylon, polytetrafluoroethylene, and the like. Among them, the polyolefin-based resin is preferable because it can increase the capacity per volume in the bipolar all-solid-state battery 1000 by reducing the thickness.

상기 다공성 지지층(1300)은 탄성력이 있어, 바이폴라 전고체전지(1000) 내부에서 발생한 응력을 해소시켜줄 수 있는 소재로 이루어져 있거나, 상기 다공성 지지층(1300)의 기공을 통해 상기 바이폴라 전고체전지(1000) 내부에서 발생한 응력을 해소시킬 수 있다.The porous support layer 1300 has elasticity and is made of a material that can relieve the stress generated inside the bipolar all-solid-state battery 1000, or the bipolar all-solid-state battery 1000 through the pores of the porous support layer 1300. The internal stress can be relieved.

상기 다공성 지지층은 상기 올레핀계 다공성 기재 또는 시트나 부직포를 1층 이상으로 적층한 것일 수 있다.The porous support layer may be one in which the olefin-based porous substrate or sheet or nonwoven fabric is laminated in one or more layers.

상기 다공성 지지층을 다층으로 형성할 경우, 상기 다공성 지지층이 해소할 수 있는 응력의 범위를 늘려줄 수 있다.When the porous support layer is formed as a multilayer, the range of stress that the porous support layer can relieve may be increased.

상기 다공성 지지층이 두 층 이상인 경우, 상기 다공성 지지층의 각 층은 각각 서로 다른 소재로 이루어져 있거나, 상기 다공성 지지층의 각 층이 모두 동일한 소재로 이루어질 수 있다.When the porous support layer has two or more layers, each layer of the porous support layer may be made of a different material, or each layer of the porous support layer may be made of the same material.

상기 다공성 지지층(1300)의 기공 직경은 일반적으로 0.01㎛ 내지 10㎛이고, 두께는 일반적으로 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 이 때, 상기 다공성 지지층의 기공도(1300)는 30% 내지 90% 일 수 있다.The pore diameter of the porous support layer 1300 is generally 0.01 μm to 10 μm, and the thickness may be generally 20 μm to 50 μm. At this time, the porosity 1300 of the porous support layer may be 30% to 90%.

상기 다공성 지지층(1300)은 리튬 증착으로 인한 두께 변화에 따른 응력을 조절한다. 상기와 같이 다공성 지지층(1300)이 응력을 해소하기 위해서, 상기 다공성 지지층(1300)의 탄성 범위는 증착되는 리튬으로 인한 변형범위보다 커야 한다. 이러한 다공성 지지층(1300)의 탄성 범위는 다공성 지지층(1300)의 두께 및 기공도에 비례한다.The porous support layer 1300 controls stress according to a thickness change due to lithium deposition. In order to relieve the stress of the porous support layer 1300 as described above, the elastic range of the porous support layer 1300 should be greater than the deformation range due to the deposited lithium. The elastic range of the porous support layer 1300 is proportional to the thickness and porosity of the porous support layer 1300 .

즉 상기 다공성 지지층(1300)의 탄성 범위는 하기와 같이 나타낼 수 있다.That is, the elastic range of the porous support layer 1300 may be expressed as follows.

다공성 지지층의 탄성 범위 = 다공성 지지층의 두께 X 다공성 지지층의 기공도 Elastic range of porous support layer = thickness of porous support layer X porosity of porous support layer

이 때, 다공성 지지층(1300)으로 사용된 소재 자체의 탄성력은 지그의 구동압보다 커야 한다.At this time, the elastic force of the material itself used as the porous support layer 1300 should be greater than the driving pressure of the jig.

상기 다공성 지지층(1300)은 상기 제1단위 셀(1100)의 제1음극 집전체(1132) 및 상기 제2단위 셀(1200)의 제2양극 집전체(1212) 사이에 배치하여 상기 다공성 지지층(1300), 제1음극 집전체(1132), 제2양극 집전체(1212)를 상기 바이폴라 전고체전지(1000)의 바이폴라 전극으로 사용할 수 있다. 이와 같이 상기 제1단위 셀(1100), 제2단위 셀(1200)과 바이폴라 전극이 서로 일부분을 공유함으로서 바이폴라 전고체전지(1000)의 밀도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해 상기 다공성 지지층(1300)은 상기 제1단위 셀(1100) 및 제2단위 셀(1200)에 압착하여 형성된다.The porous support layer 1300 is disposed between the first negative electrode current collector 1132 of the first unit cell 1100 and the second positive electrode current collector 1212 of the second unit cell 1200, the porous support layer ( 1300 ), the first negative electrode current collector 1132 , and the second positive electrode current collector 1212 may be used as bipolar electrodes of the bipolar all-solid-state battery 1000 . As described above, since the first unit cell 1100, the second unit cell 1200, and the bipolar electrode share a portion with each other, the density of the bipolar all-solid-state battery 1000 can be improved. To this end, the porous support layer 1300 is formed by pressing the first unit cell 1100 and the second unit cell 1200 .

상기 제1단위 셀(1100), 제2단위 셀(1200) 및 상기 다공성 지지층(1300)은 지그에 의해 일정한 가압력(F1)으로 가압되고, 이는 상기 바이폴라 전고체전지(1000)를 사용하는 경우에도 지속된다.The first unit cell 1100 , the second unit cell 1200 , and the porous support layer 1300 are pressurized with a constant pressing force F1 by a jig, which is even when the bipolar all-solid-state battery 1000 is used. lasts

본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지(1000)는 도 4와 같이 충방전 후에 리튬층(1400)이 형성된다. 상기 리튬층(1400)은 충방전에 의해 상기 제1음극(1130) 또는 제2음극(1230)과 상기 제1고체전해질층(1120) 또는 제2고체전해질층(1220) 사이에 리튬이 증착되어 형성된다. 이는 상기 제1양극(1110) 또는 제2양극(1210)의 리튬 이온이 제1음극(1130) 또는 제2음극(1230)으로 이동하여, 상기 제1음극(1130)과 제1고체전해질층(1120) 또는 제2음극(1230)과 제2고체전해질층(1220) 사이에 증착되기 때문이다.In the bipolar all-solid-state battery 1000 according to the present invention, a lithium layer 1400 is formed after charging and discharging as shown in FIG. 4 . In the lithium layer 1400, lithium is deposited between the first cathode 1130 or the second cathode 1230 and the first solid electrolyte layer 1120 or the second solid electrolyte layer 1220 by charging and discharging. is formed This is because lithium ions of the first positive electrode 1110 or the second positive electrode 1210 move to the first negative electrode 1130 or the second negative electrode 1230, and the first negative electrode 1130 and the first solid electrolyte layer ( 1120) or between the second cathode 1230 and the second solid electrolyte layer 1220.

상기 리튬층(1400)은 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 충전되고, 이 때의 리튬 이차전지 전체에 가해지는 가압력(F1)은 전지 내에 형성되는 리튬의 양, 충방전 속도 및 시간 등에 따라 달라지게 된다. 이는 상기 리튬층(1400)이 형성되어 내부 압력(F2)이 발생하기 때문이다.The lithium layer 1400 is charged under constant current/constant voltage (CC/CV) conditions, and the pressing force F1 applied to the entire lithium secondary battery at this time depends on the amount of lithium formed in the battery, charge/discharge rate and time, etc. will be different This is because the lithium layer 1400 is formed to generate an internal pressure F2.

본원발명에 따른 바이폴라 전고체전지(1000)는 상기 리튬층(1400)에 의해 가해지는 내부 압력(F2)에 의해 발생하는 응력은 상기 다공성 지지층(1300)을 통해 해소한다. 상기 다공성 지지층(1300)은 상기 다공성 지지층(1300) 내의 기공이 감소하거나, 상기 다공성 지지층(1300)의 두께 감소를 포함하는 형태를 변형을 통해 상기 바이폴라 전고체전지(1000) 전체에 일정한 가압력(F1)이 가해지도록 한다.In the bipolar all-solid-state battery 1000 according to the present invention, the stress generated by the internal pressure F2 applied by the lithium layer 1400 is resolved through the porous support layer 1300 . The porous support layer 1300 has a constant pressing force F1 over the entire bipolar all-solid-state battery 1000 by reducing the pores in the porous support layer 1300 or changing a shape including a decrease in the thickness of the porous support layer 1300 . ) to be applied.

상기와 같은 다공성 지지층(1300)의 기공 감소 또는 형태 변형은 상기 리튬층(1400)의 형성 및/또는 소멸에 따라 조절된다. 예를 들어 상기 리튬층(1400)이 형성되어 내부 압력(F2)이 발생하는 경우, 상기 다공성 지지층(1300)의 기공은 감소하고 두께가 줄어들 수 있다. 또한 상기 리튬층(1400)이 사라지는 경우, 상기 다공성 지지층(1300)은 초기 상태로 원상복구되어 상기 바이폴라 전고체전지의 가압 전 두께(m)와 가압 후 두께(M)를 동일하게 유지하도록 한다.The pore reduction or shape deformation of the porous support layer 1300 as described above is controlled according to the formation and/or disappearance of the lithium layer 1400 . For example, when the lithium layer 1400 is formed and an internal pressure F2 is generated, pores of the porous support layer 1300 may decrease and the thickness may decrease. In addition, when the lithium layer 1400 disappears, the porous support layer 1300 is restored to its original state to maintain the same thickness (m) before pressurization and thickness (M) after pressurization of the bipolar all-solid-state battery.

상기 바이폴라 전고체전지(1000)는 상기 단위 셀을 사용 중에도 일정하게 가압하기 위해 상기 바이폴라 전고체전지(1000)의 단위 셀 전체를 가압할 수 있는 전지케이스에 상기 단위 셀들을 수납하여 형성하거나, 상기 단위 셀들을 파우치형 전지케이스에 수납 후 상기 바이폴라 전고체전지(1000)를 상기 파우치형 전지케이스 외부에서 가압할 수 있다.The bipolar all-solid-state battery 1000 is formed by accommodating the unit cells in a battery case capable of pressurizing the entire unit cell of the bipolar all-solid-state battery 1000 in order to constantly pressurize the unit cells even during use, or After accommodating the unit cells in the pouch-type battery case, the bipolar all-solid-state battery 1000 may be pressurized from the outside of the pouch-type battery case.

이하에서는 본원발명에 따른 실험예와 종래기술에 따른 비교예를 비교한 실험예를 통해 본원발명을 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described through an experimental example in which an experimental example according to the present invention and a comparative example according to the prior art are compared.

(실험예 1) 다공성 지지층 탄성력 실험(Experimental Example 1) Porous support layer elastic force test

전고체전지 구동시 지그 압력 및/또는 충전시 증착되는 리튬에 의한 압력 변화에 대한 다공성 지지층의 두께 변화를 측정하였다. 이 때, 상기 다공성 지지층은 기공도가 유사하고, 두께가 다른 다공성 지지층 #1과 다공성 지지층 #2 및 기공도와 두께가 다른 다공성 지지층 #3을 사용하였다.The thickness change of the porous support layer with respect to the jig pressure during driving of the all-solid-state battery and/or the pressure change due to lithium deposited during charging was measured. In this case, as the porous support layer, porous support layer #1 and porous support layer #2 having similar porosity and different thicknesses and porous support layer #3 having different porosity and thickness were used.

상기 다공성 지지층은 폴리에틸렌를 사용하였다.Polyethylene was used as the porous support layer.

상기 다공성 지지층은 2.5㎝ x 2.5㎝로 타발한 후, 순차적으로 지그를 사용하여 상기 전고체전지를 5㎫, 10㎫, 15㎫, 20㎫로 가압하고, 각 단계에서 두께 변화를 측정한 후 하기 표 1에 나타냈다.After the porous support layer was punched to 2.5 cm x 2.5 cm, the all-solid-state battery was sequentially pressurized to 5 MPa, 10 MPa, 15 MPa, and 20 MPa using a jig, and after measuring the thickness change in each step, the following Table 1 shows.

Figure pat00001
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각 다공성 지지층은 압력이 커질수록 두께가 감소하지만, 다공성 지지층 #1과 같이 두께가 얇은 초박막 다공성 지지층의 경우, 압력에 따른 두께 변화가 적었고, 다공성 지지층 #3과 같이 두께가 두껍고 기공도가 큰 다공성 지지층은 압력에 따른 두께 변화가 컸다. 상기 다공성 지지층 #1 내지 다공성 지지층 #3을 대상으로 전고체전지 평가시 체결되는 압력 및 충전시 생기는 리튬으로 인한 압력 변화에 따른 다공성 지지층의 변형을 모사하여 5㎫로 각 1회, 2회, 3회, 5회, 10회 가압 후 두께를 측정하여 표 2에 나타냈다.Each porous support layer decreases in thickness as the pressure increases. However, in the case of an ultra-thin porous support layer with a thin thickness, such as porous support layer #1, the thickness change according to pressure was small, and as in porous support layer #3, it was thick and porous with high porosity. The thickness change of the support layer was large according to the pressure. For the porous support layer #1 to porous support layer #3, the deformation of the porous support layer according to the pressure change due to the pressure applied during the evaluation of the all-solid-state battery and the lithium generated during charging was simulated, and the porous support layer was 5 MPa once, twice, 3 times. After pressing times, 5 times, and 10 times, the thickness was measured and shown in Table 2.

이 때, 상기 다공성 지지층 #1은 20㎫로 가압 된 것을 사용하였고, 다공성 지지층 #2는 10㎫로 가압된 것을 각 1장, 2장, 3장을 적층한 것을 각 사용하였고, 다공성 지지층 #3은 가압되지 않은 것과 10㎫로 가압된 것을 각 5㎫로 각 1회, 2회, 3회, 5회, 10회 가압하였다.At this time, the porous support layer #1 was pressurized to 20 MPa, and the porous support layer #2 was pressurized to 10 MPa, and laminated 1, 2, and 3 sheets, respectively, was used, and the porous support layer #3 The non-pressurized ones and those pressurized at 10 MPa were pressurized 1 time, 2 times, 3 times, 5 times, and 10 times, respectively, at 5 MPa each.

Figure pat00002
Figure pat00002

본원발명에서 목적하는 바와 같이 바이폴라 전고체전지 내에서 발생하는 응력을 감소시키기 위해서는 압력에 의한 변형범위가 다공성 지지층의 탄성 범위 내에 있어야 한다. 상기 표 2에서 볼 수 있듯, 본원발명에 따른 다공성 지지층은 두께가 얇은 박막형으로, 두께의 변화, 즉 변형범위의 절대 값이 낮은 수준이다. 특히 다공성 지지층 #1의 경우 초박막 다공성 지지층으로 이론적으로 가능한 변형범위가 4㎛ 수준이다. 따라서 두께가 얇은 다공성 지지층을 사용할 경우, 다공성 지지층이 바이폴라 전고체전지 내부의 응력을 흡수하면서도 그 두께가 크게 변화하지 않는 것을 알 수 있다.In order to reduce the stress generated in the bipolar all-solid-state battery as desired in the present invention, the deformation range due to pressure must be within the elastic range of the porous support layer. As can be seen in Table 2, the porous support layer according to the present invention has a thin film type, and the change in thickness, that is, the absolute value of the deformation range is low. In particular, in the case of the porous support layer #1, the theoretically possible deformation range of the ultra-thin porous support layer is 4 μm. Therefore, when a thin porous support layer is used, it can be seen that the thickness of the porous support layer does not change significantly while absorbing the stress inside the bipolar all-solid-state battery.

지그의 압력을 제외하더라도, 충전시 통상적으로 1mAh/㎠의 리튬이 증착될 경우, 상기 리튬은 음극에 4㎛ 두께의 층으로 증착된다. 본 발명은 소형 또는 자동차 등에 사용되는 대용량 전지에 사용하는 전지에 관한 것으로, 일반적으로 박막 전지에 비해 전극의 용량이 크고, 전극의 용량의 증가에 따라 음극에 증착되는 리튬의 두께도 두꺼워지게 된다. 따라서, 바이폴라 전고체전지 내부의 응력 해소를 위해, 본원발명과 같은 변형범위가 적은 다공성 지지층을 사용할 때, 증착되는 리튬의 두께에 따라 복수개의 다공성 지지층을 사용하여 바이폴라 전고체전지 내부의 응력을 완화시킬 수 있다. 상기 표 2와 같이, 다공성 지지층 #2를 2장 또는 3장을 적층한 경우에도 다공성 지지층 #2를 1장 적층한 경우와 동일하게 작동하는 것을 알 수 있다.Even excluding the pressure of the jig, when lithium of 1 mAh/cm 2 is typically deposited during charging, the lithium is deposited as a layer with a thickness of 4 μm on the anode. The present invention relates to a battery used in a small-sized or large-capacity battery used in automobiles, etc. In general, the capacity of an electrode is larger than that of a thin film battery, and the thickness of lithium deposited on the negative electrode increases as the capacity of the electrode increases. Therefore, when using a porous support layer with a small deformation range as in the present invention to relieve stress inside the bipolar all-solid-state battery, a plurality of porous support layers are used according to the thickness of the deposited lithium to relieve the stress inside the bipolar all-solid-state battery can do it As shown in Table 2, it can be seen that even when two or three porous support layer #2 are stacked, the same operation is performed as when one porous support layer #2 is stacked.

다공성 지지층 #3과 다공성 지지층 #3을 10㎫로 가압한 경우를 비교하여 보았을 때, 가압하지 않은 다공성 지지층 #3은 5㎫로 1회 가압하였을 경우, 두께가 41㎛에서 38㎛로 감소하고, 이 후 가압 횟수가 증가함에 따라 두께가 지속적으로 감소하여 소형 변형이 되지만, 이를 구동 압력 대비 높은 압력으로 1차 성형 후 사용한 경우, 즉 다공성 지지층 #3을 10㎫로 가압한 경우 이후 추가적인 가압이 지속되어도 두께 변화가 없는 것을 알 수 있다. 따라서 다공성 지지층 #2와 같이 얇은 다공성 지지층을 다층 적층하거나, 다공성 지지층 #3과 같이 두꺼운 다공성 지지층을 구동 압력 대비 높은 압력으로 성형한 후 사용할 경우, 바이폴라 전고체전지 내부의 응력을 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.When comparing the case where the porous support layer #3 and the porous support layer #3 were pressurized at 10 MPa, when the unpressurized porous support layer #3 was pressurized at 5 MPa once, the thickness decreased from 41 μm to 38 μm, After that, as the number of pressurization increases, the thickness continuously decreases to form a compact deformation, but when this is used after primary molding at a pressure higher than the driving pressure, that is, when the porous support layer #3 is pressurized to 10 MPa, additional pressurization is continued thereafter. It can be seen that there is no change in thickness. Therefore, when a thin porous support layer such as porous support layer #2 is laminated in multiple layers or a thick porous support layer such as porous support layer #3 is molded at a high pressure compared to the driving pressure, the stress inside the bipolar all-solid-state battery can be reduced. can

(실험예 2) 두께 증가율 측정 실험(Experimental Example 2) Thickness increase rate measurement experiment

실험예 2에서는 하기와 같은 구성으로 형성된 전지를 5회 충방전하여 두께 변화율을 계산하였다. 상기 전지의 초기 용량은 60℃ 조건에서 충방전을 하여 측정하였고, 충전 조건은 CC/CV (8.5V, 0.05C, 0.01C current cut off), 방전 조건은 CC 조건 (6V, 0.05C, 60℃)으로 수행하였다. 이 때, 두께 증가율은 충전 후 전지 두께 / 충전 전 전지 두께 X 100로 계산하여 하기 표 3에 나타냈다. 또한, 5회 충방전 한 후의 용량 유지율(retention)을 측정하여 하기 표 3에 나타냈다.In Experimental Example 2, the thickness change rate was calculated by charging and discharging the battery formed as follows 5 times. The initial capacity of the battery was measured by charging and discharging under 60°C conditions, charging conditions were CC/CV (8.5V, 0.05C, 0.01C current cut off), and discharging conditions were CC conditions (6V, 0.05C, 60°C). ) was performed. In this case, the thickness increase rate was calculated as the thickness of the battery after charging / the thickness of the battery before charging X 100, and is shown in Table 3 below. In addition, the capacity retention rate (retention) after charging and discharging 5 times was measured and shown in Table 3 below.

상기 용량 유지율(retention)은 다음과 같이 산출하였다. The capacity retention rate (retention) was calculated as follows.

용량 유지율(%) = (5회 사이클에서의 용량/ 초기 용량) X 100Capacity retention rate (%) = (capacity in 5 cycles / initial capacity) X 100

(실시예 1)(Example 1)

양극 활물질 NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), 고체전해질인 아기로다이트(Li6PS5Cl), 도전재인 카본, PTFE 바인더를 77.5 : 19.5 : 1.5 : 1.5의 중량비로 아니솔에 분산 및 교반하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 15㎛ 두께의 알루미늄 집전체에 닥터 블레이드를 이용하여 도포한 후, 100℃에서 12시간 동안 진공 건조하여 2mAh/㎠의 용량을 갖는 양극을 제조하였다.Dispersion of cathode active material NCM811 (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 ), solid electrolyte, aradite (Li 6 PS 5 Cl), conductive material, carbon, and PTFE binder in anisole in a weight ratio of 77.5 : 19.5 : 1.5 : 1.5 and stirring to prepare a positive electrode slurry. The positive electrode slurry was applied to an aluminum current collector having a thickness of 15 μm using a doctor blade, and then vacuum dried at 100° C. for 12 hours to prepare a positive electrode having a capacity of 2 mAh/cm 2 .

아기로다이트(Li6PS5Cl), PTFE 바인더를 95 :5의 중량비로 혼합하여 고체전해질층을 제조하였다.A solid electrolyte layer was prepared by mixing agarodite (Li 6 PS 5 Cl) and a PTFE binder in a weight ratio of 95:5.

음극 집전체로 11㎛ 두께의 니켈을 사용하였다.11 μm thick nickel was used as the negative electrode current collector.

도 5는 실험예 2에서 사용된 전고체전지(1000)의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of the all-solid-state battery 1000 used in Experimental Example 2.

실험예 2의 전고체전지는 제1양극 집전체(1112)의 일면에 형성된 제1양극 활물질(1111)을 가지고 있는 제1양극(1110), 제1고체전해질층(1120), 제1음극 집전체(1132)만으로 이루어진 음극을 적층한 제1단위 셀(1100)과 제2 음극 집전체(1232)만으로 이루어진 음극을 적층한 제2단위 셀(1200) 사이에 다공성 지지층(1300)을 적층하여 형성된다. 이 때, 제1양극 활물질(1111)은 제1고체전해질층(1120)에 대면하도록 적층되고, 이는 제2양극 활물질(1211)도 동일하다. 이 때, 제1양극 집전체(1112)는 지그(JIG)에 대면하고, 제2양극 집전체(1212)는 다공성 지지층(1300)에 대면하게 된다.The all-solid-state battery of Experimental Example 2 includes a first positive electrode 1110 having a first positive electrode active material 1111 formed on one surface of the first positive electrode current collector 1112 , a first solid electrolyte layer 1120 , and a first negative electrode current collector It is formed by laminating a porous support layer 1300 between a first unit cell 1100 in which a negative electrode made of only 1132 is stacked and a second unit cell 1200 in which a negative electrode made of only a second negative electrode collector 1232 is stacked. . At this time, the first positive electrode active material 1111 is stacked to face the first solid electrolyte layer 1120 , and the second positive electrode active material 1211 is also the same. At this time, the first positive electrode current collector 1112 faces the jig (JIG), and the second positive electrode current collector 1212 faces the porous support layer 1300 .

본원발명의 실시예 1에서 사용된 다공성 지지층(1300)은 상기 다공성 지지층 #2를 10㎫로 가압한 후의 것을 3장 적층한 것을 사용하였다.The porous support layer 1300 used in Example 1 of the present invention was obtained by pressing the porous support layer #2 at 10 MPa, followed by stacking three sheets.

(실시예 2)(Example 2)

상기 실시예 1에서 다공성 지지층(1300)으로 상기 다공성 지지층 #2를 10㎫로 가압한 후의 것을 1장 사용 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제작 및 평가하였다.In Example 1, the porous support layer 1300 was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1, except that one was used after pressing the porous support layer #2 at 10 MPa.

(실시예 3)(Example 3)

상기 실시예 1에서 용량이 3mAh/㎠인 양극을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제작 및 평가하였다.Example 1 was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1, except that a positive electrode having a capacity of 3 mAh/cm 2 was used.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

상기 실시예 1에서 다공성 지지체를 적용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 같이 제작 및 평가하였다.It was manufactured and evaluated as in Example 1 except that the porous support was not applied in Example 1.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

상기 실시예 1에서 다공성 지지층(1300)으로 상기 다공성 지지층 #1를 20㎫로 가압한 후의 것을 1장 사용 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제작 및 평가하였다.In Example 1, the porous support layer #1 was pressurized to 20 MPa as the porous support layer 1300, and was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1, except that one was used.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

상기 실시예 1에서 다공성 지지층(1300)으로 상기 다공성 지지층 #3을 1장 사용 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제작 및 평가하였다.It was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1, except that one porous support layer #3 was used as the porous support layer 1300 in Example 1.

Figure pat00003
Figure pat00003

표 3에서 볼 수 있듯, 본원발명의 실시예 1 내지 실시예 3과 같이 전지 구동 압력보다 다공성 지지층의 탄성력이 더 큰 경우, 충전시 생기는 리튬으로 인한 두께 변화를 다공성 지지층이 흡수하여, 전고체 전지 내의 응력을 상기 다공성 지지층이 해소하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 두께 변화 해소는 5회 충방전 이후에도 지속되는 것을 알 수 있다. 이론적으로 다공성 지지층의 변형량의 경우, 사용하고자 하는 다공성 지지층의 두께와 기공도로 계산을 할 수 있으며, 실시예 3과 같이 양극의 용량이 3mAh/㎠인 경우와 같이 양극의 용량이 커진 경우에도, 충방전시 두께 증가율이 거의 없음을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 3, when the elastic force of the porous support layer is greater than the battery driving pressure as in Examples 1 to 3 of the present invention, the porous support layer absorbs the thickness change due to lithium generated during charging, so that the all-solid-state battery It can be seen that the stress in the porous support layer is resolved. It can be seen that this thickness change resolution is continued even after 5 times of charging and discharging. Theoretically, in the case of the deformation amount of the porous support layer, the thickness and porosity of the porous support layer to be used can be calculated. It can be seen that there is almost no thickness increase rate during discharge.

이에 반해, 다공성 지지층이 적용되지 않은 비교예 1의 경우, 전고체전지의 두께가 증가하고, 이에 따라 전고체전지 내부에 저항이 커져 수명 또한 실시예 1 내지 실시예 3보다 열위한 것을 알 수 있다. 또한, 증가된 두께보다 변위양이 적은 다공성 지지층을 사용한 비교예 2 및 탄성력이 낮아 구동시 지속적으로 두께가 변화되는 비교예 3은 다공성 지지층을 사용하여도 그 효과가 미미한 것을 알 수 있다. 따라서 상기 다공성 지지층의 탄성 범위가 증착되는 리튬으로 인한 변형 범위보다 커야 하는 것을 알 수 있다.On the other hand, in the case of Comparative Example 1 to which the porous support layer was not applied, the thickness of the all-solid-state battery increased, and accordingly, the resistance inside the all-solid-state battery increased, so that the lifetime was also inferior to that of Examples 1 to 3. . In addition, it can be seen that Comparative Example 2 using a porous support layer having a smaller displacement than the increased thickness and Comparative Example 3, in which the thickness is continuously changed during operation due to low elastic force, have insignificant effects even when the porous support layer is used. Therefore, it can be seen that the elastic range of the porous support layer should be greater than the deformation range due to the deposited lithium.

즉, 상기 전고체전지의 용량 1mAh/㎠ 당 4㎛ 두께의 리튬이 증착되므로, 다공성 지지층의 두께와 기공도를 통해 변형범위를 계산하여 이를 한층 이상으로 적층하여 사용할 수 있다.That is, since lithium with a thickness of 4 μm is deposited per 1 mAh/cm 2 of the capacity of the all-solid-state battery, the deformation range can be calculated based on the thickness and porosity of the porous support layer, and it can be stacked in more than one layer.

본원발명은 또한, 상기 바이폴라 전고체전지를 포함하는 전지 모듈, 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기와 같은 전지모듈, 전지팩 및 디바이스는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.The present invention also provides a battery module, a battery pack, and a device including the battery pack including the bipolar all-solid-state battery, and the battery module, battery pack and device as described above are known in the art, so the present invention In the specification, a detailed description thereof will be omitted.

상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 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 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.The device is, for example, a notebook computer, a netbook, a tablet PC, a mobile phone, an MP3, a wearable electronic device, a power tool, an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV) , a Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), an electric bicycle (E-bike), an electric scooter (E-scooter), an electric golf cart, or a system for power storage. However, it is needless to say that the present invention is not limited thereto.

본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above content.

10, 1000 : 바이폴라 전고체전지
100, 1100 : 제1단위 셀
110, 1110 : 제1양극
111, 1111 : 제1양극 활물질
112, 1112 : 제1양극 집전체
120, 1120 : 제1고체전해질층
130, 1130 : 제1음극
131, 1131 : 제1음극 활물질
132, 1132 : 제1음극 집전체
200, 1200 : 제2단위 셀
210, 1210 : 제2양극
211, 1211 : 제2양극 활물질
212, 1212 : 제2양극 집전체
220, 1220 : 제2고체전해질층
230, 1230 : 제2음극
231, 1231 : 제2음극 활물질
232, 1232 : 제2음극 집전체
300 : 바이폴라 전극
1300 : 다공성 지지층
400, 1400 : 리튬층
F1 : 가압력
F2 : 내부 압력
m : 가압 전 두께
M : 가압 후 두께
JIG : 지그
10, 1000: bipolar all-solid-state battery
100, 1100: first unit cell
110, 1110: first anode
111, 1111: first positive electrode active material
112, 1112: first positive electrode current collector
120, 1120: first solid electrolyte layer
130, 1130: first cathode
131, 1131: first negative active material
132, 1132: first cathode current collector
200, 1200: second unit cell
210, 1210: second anode
211, 1211: second positive electrode active material
212, 1212: second positive electrode current collector
220, 1220: second solid electrolyte layer
230, 1230: second cathode
231, 1231: second anode active material
232, 1232: second cathode current collector
300: bipolar electrode
1300: porous support layer
400, 1400: lithium layer
F1 : Pressing force
F2 : internal pressure
m: thickness before pressing
M: thickness after pressing
JIG: Jig

Claims (15)

양극, 고체전해질층, 음극을 포함하는 단위 셀이 2개 이상 직렬로 연결된 전고체전지에 있어서,
상기 단위 셀이 직렬로 연결된 부분은 중앙에 다공성 지지층이 마련되고, 상기 다공성 지지층의 일면은 하나의 단위 셀의 음극이 배치되고, 그 대향면에 다른 단위 셀의 양극이 배치되는 바이폴라 전고체전지.
In an all-solid-state battery in which two or more unit cells including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are connected in series,
A portion where the unit cells are connected in series is provided with a porous support layer in the center, a negative electrode of one unit cell is disposed on one surface of the porous support layer, and a positive electrode of another unit cell is disposed on an opposite surface thereof.
제1항에 있어서,
상기 음극은 리튬 금속 또는 활물질층이 없는 집전체인 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The anode is a bipolar all-solid-state battery that is a current collector without a lithium metal or active material layer.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지층은
올레핀계 다공성 기재; 및
유리섬유 또는 폴리에틸렌을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 제조된 시트나 부직포;
를 적어도 하나 이상 포함하는 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The porous support layer is
olefinic porous substrate; and
Sheets or nonwoven fabrics made of at least one selected from the group consisting of glass fiber or polyethylene;
A bipolar all-solid-state battery comprising at least one.
제3항에 있어서,
상기 다공성 지지층은,
상기 올레핀계 다공성 기재 또는 시트나 부직포를 1층 이상으로 적층한 바이폴라 전고체전지.
4. The method of claim 3,
The porous support layer,
A bipolar all-solid-state battery in which the olefinic porous substrate or sheet or nonwoven fabric is laminated in one or more layers.
제4항에 있어서,
상기 다공성 지지층이 두 층 이상일 경우,
상기 다공성 지지층의 각 층은 각각 서로 다른 소재로 이루어져 있거나,
상기 다공성 지지층의 각 층이 모두 동일한 소재로 이루어진 전고체전지.
5. The method of claim 4,
When the porous support layer is two or more layers,
Each layer of the porous support layer is made of a different material, or
All-solid-state battery made of the same material for each layer of the porous support layer.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지층은 압력이 가해질 때 두께가 감소하고, 상기 압력이 해소될 때 두께가 원복하여 상기 전고체전지 내부의 응력을 조절하는 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The thickness of the porous support layer decreases when pressure is applied, and when the pressure is released, the thickness returns to the bipolar all-solid-state battery to control the internal stress of the all-solid-state battery.
제6항에 있어서,
상기 압력은 충전에 의해서 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하여 상기 음극과 상기 고체전해질층 사이에 증착됨으로서 발생하는 것인 바이폴라 전고체전지.
7. The method of claim 6,
The pressure is a bipolar all-solid-state battery that is generated as lithium ions of the positive electrode move to the negative electrode by charging and are deposited between the negative electrode and the solid electrolyte layer.
제7항에 있어서,
상기 다공성 지지층은 리튬 증착으로 인한 두께 변화에 따른 응력을 조절하는 바이폴라 전고체전지.
8. The method of claim 7,
The porous support layer is a bipolar all-solid-state battery to control the stress according to the thickness change due to lithium deposition.
제6항에 있어서,
상기 다공성 지지층은 상기 다공성 지지층의 두께 및 기공도에 비례하여 상기 응력을 조절하는 바이폴라 전고체전지.
7. The method of claim 6,
The porous support layer is a bipolar all-solid-state battery for controlling the stress in proportion to the thickness and porosity of the porous support layer.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지층은 20㎛ 내지 50㎛의 두께인 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The porous support layer is a bipolar all-solid-state battery having a thickness of 20㎛ to 50㎛.
제1항에 있어서,
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 일면에 도포된 양극 활물질을 포함하는 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The positive electrode is a bipolar all-solid-state battery comprising a positive electrode current collector and a positive electrode active material applied to one surface of the positive electrode current collector.
제11항에 있어서,
상기 양극 활물질은 상기 고체전해질층에 대면하고, 상기 양극 집전체는 상기 다공성 지지층에 대면하는 바이폴라 전고체전지.
12. The method of claim 11,
The positive electrode active material faces the solid electrolyte layer, and the positive electrode current collector faces the porous support layer.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지층의 일면에 배치되는 하나의 단위 셀의 음극은 별도의 활물질층이 없는 리튬 금속이며, 상기 다공성 지지층의 대향면에 배치되는 다른 단위 셀의 양극은 양극 집전체인 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The negative electrode of one unit cell disposed on one surface of the porous support layer is lithium metal without a separate active material layer, and the positive electrode of another unit cell disposed on the opposite surface of the porous support layer is a positive electrode current collector.
제1항에 있어서,
상기 단위 셀은 파우치형 전지케이스 내에 수납되는 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The unit cell is a bipolar all-solid-state battery accommodated in a pouch-type battery case.
제1항에 있어서,
상기 단위 셀은 사용시 지그에 의해 압력이 가해지는 바이폴라 전고체전지.
According to claim 1,
The unit cell is a bipolar all-solid-state battery to which pressure is applied by a jig when in use.
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JP2004273436A (en) 2003-02-18 2004-09-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd All solid thin film laminated battery

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