KR20220069617A - 이차전지 - Google Patents

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KR20220069617A
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positive electrode
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김경환
박휘열
박정원
손정국
이준형
정희수
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삼성전자주식회사
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Abstract

이차 전지에 관해 개시되어 있다. 개시된 이차 전지는 음극, 납작한 평판 형상을 구비하며, 일 방향을 따라 상호 이격하도록 배열되는 복수의 양극 플레이트, 상기 복수의 양극 플레이트 사이에 형성된 채널에 배치되는 전해질 물질, 상기 음극과 상기 복수의 양극 플레이트 사이에 구비된 분리막 및 상기 복수의 양극 플레이트와 마주보는 상기 분리막의 일면에 배치된 제1 금속층을 포함할 수 있다.

Description

이차전지{Secondary battery}
개시된 실시예들은 이차전지에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등 다양한 전자 기기에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서, 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.
이차전지가 적용되는 전자 기기의 종류가 다양해지고 관련 시장이 성장함에 따라, 이차전지의 에너지 밀도 향상, 율특성(rate capability) 개선, 안정성 및 내구성 향상, 유연성 확보 등 다양한 측면에서의 성능 향상에 대한 요구도 증가하고 있다. 에너지 밀도는 이차전지의 용량 증대와 관련되고, 율특성은 이차전지의 충전 속도 향상과 관련된다.
일 측면은 3차원 형상의 양극층을 구비하는 이차 전지에서 리튬 이온과 전자가 균일하게 이동할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.
또한 용량 증가와 함께 율특성이 개선된 이차전지를 제공하는 것이다.
또한 이차 전지의 열화를 방지하여 수명이 개선된 이차전지를 제공하는 것이다.
일 측면(aspect)에 따르면, 음극, 납작한 평판 형상을 구비하며, 일 방향을 따라 상호 이격하도록 배열되는 복수의 양극 플레이트, 상기 복수의 양극 플레이트 사이에 형성된 채널에 배치되는 전해질 물질, 상기 음극과 상기 복수의 양극 플레이트 사이에 구비된 분리막 및 상기 복수의 양극 플레이트와 마주보는 상기 분리막의 일면에 배치된 제1 금속층을 포함하는 이차 전지가 제공될 수 있다.
상기 제1 금속층은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene (Pth)) with carboxylate-containing polymers (PAA, CMC, CCTS, SA) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속층은 5nm 이상 500nm 이하의 두께를 구비할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트의 일 단부를 상호 연결하는 베이스층을 더 포함하며, 상기 베이스층의 상면에 상기 복수의 양극 플레이트가가 소정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 베이스층은 제1 활물질을 포함하고, 상기 복수의 양극 플레이트는 제2 활물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 양극 활물질이거나 또는 서로 다른 양극 활물질일 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트는 내부에 복수의 기공을 구비하는 다공성 구조를 포함할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트는 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 분리막과 상기 제1 금속층 사이에 배치되는 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 Al, Si, Ti, Zr, Sn, Mg, Ca 중 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트의 타 단부에 대향하여 배치되는 양극 집전체층; 및 상기 음극의 일면과 마주보도록 배치되며, 상기 양극 집전체층에 대향하여 배치되는 음극 집전체층;을 더 포함할 수 있다.
상기 음극과 상기 분리막 사이에 배치되는 제2 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 금속층은 박막 형상의 리튬 금속층일 수 있다.
상기 제2 금속층은 50 nm이상 10μm이하의 두께를 구비할 수 있다.
상기 제1 금속층은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene (Pth)) with carboxylate-containing polymers (PAA, CMC, CCTS, SA) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속층은 5nm 이상 500nm 이하의 두께를 구비할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트의 일 단부를 상호 연결하는 베이스층을 더 포함하며, 상기 베이스층의 상면에 상기 복수의 양극 플레이트가가 소정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 베이스층은 제1 활물질을 포함하고, 상기 복수의 양극 플레이트는 제2 활물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 양극 활물질이거나 또는 서로 다른 양극 활물질일 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트는 내부에 복수의 기공을 구비하는 다공성 구조를 포함할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트는 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트의 타 단부에 대향하여 배치되는 양극 집전체층; 및 상기 음극의 일면과 마주보도록 배치되며, 상기 양극 집전체층에 대향하여 배치되는 음극 집전체층;을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 음극, 납작한 평판 형상을 구비하며, 일 방향을 따라 상호 이격하도록 배열되는 복수의 양극 플레이트, 상기 복수의 양극 플레이트 사이에 배치되는 전해질 물질, 상기 음극과 양극 사이에 구비된 분리막 및 상기 음극과 상기 분리막 사이에 배치되는 제2 금속층을 포함하는 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기 제2 금속층은 박막 형상의 리튬 금속층일 수 있다.
상기 제2 금속층은 50 nm이상 10μm이하의 두께를 구비할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트의 일 단부를 상호 연결하는 베이스층을 더 포함하며, 상기 베이스층의 상면에 상기 복수의 양극 플레이트가가 소정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 베이스층은 제1 활물질을 포함하고, 상기 복수의 양극 플레이트는 제2 활물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 양극 활물질이거나 또는 서로 다른 양극 활물질일 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트는 내부에 복수의 기공을 구비하는 다공성 구조를 포함할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트는 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 복수의 양극 플레이트의 타 단부에 대향하여 배치되는 양극 집전체층; 및 상기 음극의 일면과 마주보도록 배치되며, 상기 양극 집전체층에 대향하여 배치되는 음극 집전체층;을 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면 3차원 형상의 양극층을 구비하는 이차 전지에서 리튬 이온과 전자가 균일하게 이동할 수 있는 이차 전지를 구현할 수 있다.
또한 용량 증가와 함께 율특성이 개선된 이차전지를 제공할 수 있다.
또한 이차 전지의 열화를 방지하여 수명이 개선된 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 양극 및 양극 집전체층의 사시도이다.
도 3a는 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다.
도 4a는 비교예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 방전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지의 초기 방전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차 전지의 용량 유지율 특성을 측정한 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차 전지의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 이차전지에서 방전 중 리튬 이온의 이동 경로를 도시한 이차전지의 단면도이다.
도 10은 실시예 2 및 비교예 2에 따른 이차 전지의 용량 유지율 특성을 측정한 그래프이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 12는 실시예 3 및 비교예 3에 따른 이차 전지의 용량 유지율 특성을 측정한 그래프이다.
이하, 실시예들에 따른 이차전지를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다. 도 2a는 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다. 도 2b는 일 실시예에 따른 양극 및 양극 집전체층의 사시도이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 양극(10), 음극(20), 전해질 물질(30), 양극(10)과 음극(20) 사이에 배치되는 분리막(40), 양극(10)과 분리막(40) 사이에 배치되는 제1 금속층(50), 양극 집전체층(60) 및 음극 집전체층(70)을 포함할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이 일 예시에 따른 양극(10)은 3차원 형상으로 마련되며, 복수의 양극 플레이트(100)와 베이스층(110)을 포함할 수 있다. 베이스층(110)은 후술하게 될 양극 집전체층(60)의 일면에 배치될 수 있다. 일 예로서, 양극(10)에 포함된 복수의 양극 플레이트(100) 및 베이스층(110)은 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향을 정의할 수 있으며, 도 1에 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향이 각각 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향으로 표시되어 있다.
베이스층(110)은 제1 활물질을 포함할 수 있다. 그리고, 베이스층(110)은 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부를 상호 연결할 수 있다. 예를 들어 베이스층(110)의 상면에는 복수의 양극 플레이트(100)가 소정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 일 예시에 따른 양극 플레이트(100)는 베이스층(110)과 동일한 제1 활물질을 포함하거나, 제1 활물질과 상이한 제2 활물질을 포함할 수도 있다. 제1 및 제2 활물질은 예를 들면, 양극 활물질을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 물질이거나 또는 서로 다른 물질이 될 수 있다. 제1 및 제2 활물질은 예를 들면, LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예시에 따른 베이스층(110)은 양극 플레이트(100)에 비해 상대적은 낮은 활물질 밀도를 가질 수 있다. 베이스층(110)은 소결 공정을 통해 제작될 수 있으므로 바인더 및 도전재를 포함하지 않을 수 있다. 베이스층(110)이 낮은 활물질 밀도를 가지는 다공성 물질로 이루어지는 경우에 베이스층(110) 내부의 기공들은 후술하게 될 전해질 물질(30)로 채워질 수 있다. 또한, 베이스층(110)은 예를 들면 대략 5㎛ 이상 200㎛ 이하의 높이를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
베이스층(110)은 제1 활물질과 도전성 금속의 복합체(complex)를 포함할 수도 있다. 여기서, 도전성 금속은 예를 들면, Al, Cu, Ni, Co, Cr, W, Mo, Ag, Au, Pt 및 Pd로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 양극 플레이트(100)는 베이스층(110)에 비해 상대적으로 높은 활물질 밀도는 가질 수 있다. 일 예시에 따른 복수의 양극 플레이트(100)는 소결 공정을 통해 제작될 수 있으므로 바인더 및 도전재를 포함하지 않을 수 있다. 복수의 양극 플레이트(100)는 베이스층(110)의 상면에 이격되게 마련됨으로써 양극(10)을 3차원 구조로 형성할 수 있다. 복수의 양극 플레이트(100)는 베이스층(110)의 상면에 폭 방향(x축 방향)을 따라 서로 소정 간격으로 이격되게 마련될 수 있다. 예를 들면, 복수의 양극 플레이트(100)는 폭 방향(x축 방향)으로 대략 0보다 크고 50㎛ 이하의 간격으로 이격되게 마련될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것이다. 복수의 양극 플레이트(100)는 베이스층(110)의 상면에 대해 실질적으로 수직으로 배치되도록 마련될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 양극 플레이트(100) 각각은 1보다 큰 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 즉, 양극 플레이트(100)는 폭(W)보다 큰 높이(H)를 가질 수 있다. 예를 들면, 양극 플레이트(100)의 폭(W)은 대략 10㎛ 이상이 될 수 있으며, 양극 플레이트(100)의 높이(H)는 대략 20㎛ 이상 1000㎛ 이하가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 양극 플레이트(100)의 폭(W) 및 높이(H)는 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 양극 플레이트(100)는 동일한 길이(L)를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 양극 플레이트(100) 중 적어도 일부는 다른 길이를 가질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 베이스층(110)의 상면에 복수의 양극 플레이트(100)가 소정 간격으로 이격되게 마련됨으로써 복수의 양극 플레이트(100) 사이에는 채널(C)이 형성될 수 있다. 여기서, 채널(C)은 복수의 양극 플레이트(100) 사이의 간격에 해당하는 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 이러한 채널(C)은 복수의 양극 플레이트(100) 사이의 베이스층(110)에 소정 깊이로 연장되어 형성될 수 있다. 베이스층(110)에 형성되는 채널(C)의 깊이는 다양하게 변형될 수 있다.
복수의 양극 플레이트(100) 사이에 형성되는 채널(C)은 이차 전지의 전해질 물질(30)로 채워질 수 있다. 일 예시에 따르면 전해질 물질(30)은 액체 전해액으로 마련될 수 있으며, 이에 따라, 채널(C) 및 상기 채널(C)과 연결되는 베이스층(110) 내부의 기공들은 전해액으로 채워질 수 있다. 일 예로서, 전해질 물질(30)은 예를 들어 리튬염과 유기 용매를 포함할 수 있다. 일 예시에 따른 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 또한, 유기 용매는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로푸란중 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 양극(10)에서는 복수의 양극 플레이트(100)와 베이스층(110)이 소결 공정을 통해 형성되므로, 복수의 양극 플레이트(100)와 베이스층(110)은 활물질을 결합시키는 바인더 및 바인더로 인해 낮아지는 전기전도도의 향상을 위해 필요한 도전재를 포함할 필요가 없다. 또한, 베이스층(110) 상에 복수의 양극 플레이트(100)가 서로 이격되도록 배치되는 3차원 구조를 형성하고, 채널(C) 영역에 높은 이온전도도를 가지는 전해질 물질(30)을 배치시킴으로써 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 이온전도도가 향상되면 복수의 양극 플레이트(100)의 높이를 증대시킬 수 있으므로 전류 밀도를 향상시킬 수 있다.
다시 도 1 내지 도 2a를 참조하면, 음극(20)은 평판 형상으로 마련된어 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 일 예시에 따른 음극 활물질은 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 전이 금속 산화물 등을 포함하는 조성물을 포함할 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 예를 들어 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 전이 금속 산화물 등을 포함하는 조성물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 예시에 따른 음극(20) 형성용 조성물에는 음극 활물질 외에 바인더, 도전재 및/또는 증점제 등을 더 포함할 수도 있다.
분리막(40)은 양극(10)과 음극(20)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들면, 유리 섬유, 폴리에스테르, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene,PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것일 수 있다. 분리막(40)는 부직포 또는 직포 형태일 수도 있다. 특히, 리튬 이온 전지에는 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 분리막이 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수도 있다.
제1 금속층(50)은 복수의 양극 플레이트(100)와 마주보는 분리막(40)의 일면에 배치될 수 있다. 일 예시에 따른 제1 금속층(50)은 증착 공정, 예를 들어 스퍼터링 방식을 이용하여 분리막(40)의 일면에 증착될 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 금속층(50)이 분리막(40)의 일면에 배치될 수 있는 임의의 공정이 사용될 수도 있다.
분리막(40)의 일면에 배치된 제1 금속층(50)은 복수의 양극 플레이트(100) 및 전해질 물질(30)과 마주보도록 배치될 수 있다. 일 예로서, 제1 금속층(50)의 일면 중 일부 영역은 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부와 접촉하도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 금속층(50)의 일면 중 나머지 영역은 채널층(C)에 배치되는 전해질 물질(30)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 양극(10)과 음극(20) 사이에서 이동하는 금속 이온, 예를 들어 리튬 이온(Li+)이 제1 금속층(50)의 일면을 따라 분산하여 이동할 수 있다. 이에 따라 전류의 균일한 분산이 이루어짐으로써 율 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 제1 금속층(50)을 이용하여 리튬 이온(Li+)이 분산하여 이동하는 기술적 특징은 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 후술한다.
일 예시에 따른 제1 금속층(50)은 금속 이온, 예를 들어 리튬 이온(Li+)이 이동할 수 있는 전도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로서, 제1 금속층(50)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만, 제1 금속층(50)에 포함되는 물질은 상술한 예시로 한정되지 않는다. 본 명세서 설명의 편의상 분리막(40)의 일면에 배치되는 리튬 이온(Li+)의 전도층을 제1 금속층(50)으로 명명하였으나, 제1 금속층(50)에는 금속을 제외한 높은 전도성을 구비하는 전도성 고분자 물질 예를 들어, poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene (Pth)) with carboxylate-containing polymers (PAA, CMC, CCTS, SA) 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 금속층(50)은 리튬 이온(Li+)의 전도성이 저하되지 않을 수 있는 소정의 두께를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제1 금속층(50)은 5nm 이상 500nm 이하의 두께를 구비할 수 있으나, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다.
양극 집전체층(60)은 평판(plate) 형상을 구비할 수 있으며, 이 경우, 집전체 평판(current collecting plate)이라고 할 수 있다. 일 예시에 따른 양극 집전체층(60)은 복수의 양극 플레이트(100)의 타 단부에 대향하도록 배치될 수 있다. 일 예로서, 복수의 양극 플레이트(100)를 연결하는 베이스층(110)이 배치되는 경우, 양극 집전체층(60)은 베이스층(110)의 일면과 대향하도록 배치될 수 있다. 양극 집전체층(60)은, 예를 들어, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등으로 구성된 도전성 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 양극 집전체층(60)은 금속층일 수 있지만, 금속이 아닌 다른 도전성 물질로 구성된 층일 수도 있다.
음극 집전체층(70)은 음극(20)의 일면과 마주보도록 배치되어 음극(20)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 음극 집전체층(70)은 양극 집전체층(60)에 대향하도록 배치될 수 있다. 일 예시에 따른 음극 집전체층(70)은 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 양극 집전체층(60) 상에 이와 수직한(혹은, 실질적으로 수직한) 복수의 양극 플레이트(100)를 구비시킨 3차원 구조의 양극(10)을 구비하는 이차전지(1)를 마련할 경우, 2차원적인(즉, 평면형 구조의) 양극(10)을 구비하는 이차전지와 비교하여, 이차전지(1)의 용량 및 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다. 3차원 양극(10)은 평면형(planar type) 양극과 비교하여 높은 활물질 부피분율 및 넓은 반응 면적을 확보할 수 있기 때문에, 전지(이차전지)의 에너지 밀도 및 율특성 향상에 유리할 수 있다.
다만, 이차전지(1)의 용량을 증가시키기 위해 복수의 양극 플레이트(100)에 포함된 양극 활물질을 고밀도로 소결시키는 경우, 복수의 양극 플레이트(100)의 이온전도도가 하강하여 이차전지(1)의 에너지 밀도 및 율특성을 저하시킬 수 있다. 이차전지(1)의 에너지 밀도 및 율특성 저하를 방지하기 위해 채널층(C)에 높은 이온전도도를 가지는 전해질 물질(30)을 배치시킬 수 있다. 그러나, 분리막(40)에 직접 접촉하는 대상이 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부와 전해질 물질(30)인 경우, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)가 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부에 집중될 수 있다. 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)가 집중되는 현상을 방지하기 위해 제1 금속층(50)을 배치할 수 있다. 이하에서는 제1 금속층(50)의 배치에 따른 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 분산 이동에 대해 설명한다.
도 3a는 비교예에 따라 제조된 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차전지의 초기 충전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다. 도 4a는 비교예에 따라 제조된 이차전지의 초기 방전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다. 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차전지의 초기 방전시, 리튬 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동을 나타내는 이차전지의 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 비교예에 따른 이차 전지에 일정 수준 이상의 전압을 인가하여 충전을 진행하는 경우, 양극(10)에 포함된 양극 활물질로부터 리튬 이온(Li+)이 탈리되고, 이는 분리막(40)을 통과하여 음극 집전체층(70)측으로 이동한다. 이때, 양극(10)으로부터 탈리된 리튬 이온(Li+)은 일정한 영역에 집중되어 음극 집전체층(70)측으로 이동한다.
반면, 도 3b를 참조하면, 일 실시예에 따른 이차 전지에 일정 수준 이상의 전압을 인가하여 충전을 진행하는 경우, 양극(10)에 포함된 양극 활물질로부터 리튬 이온(Li+)이 탈리되고, 이는 분리막(40) 및 제1 금속층(50)을 통과하여 음극 집전체층(70)측으로 이동한다. 이때, 제1 금속층(50)은 리튬 이온(Li+)의 시드(seed)와 같은 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라 양극(10)으로부터 탈리된 리튬 이온(Li+)은 분리막(40) 및 제1 금속층(50)을 통과할 때, 일정한 영역에 집중되지 않고 고르게 분산되어 음극 집전체층(70)측으로 이동할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 비교예에 따른 이차 전지에 일정 수준 이상의 전압으로 방전을 진행하는 경우, 음극(20)에 포함된 음극 활물질로부터 리튬 이온(Li+)이 탈리되고, 이는 분리막(40)을 통과하여 양극 집전체층(60)측으로 이동한다. 이때, 전자(e-)는 양극 집전체층(60)측으로부터 분리막(40)을 향하여 이동한다. 양극(10)이 3차원 구조를 가지는 경우, 전자(e-)가 이동하는 경로는 양극(10), 보다 구체적으로 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부와 분리막(40)이 직접 접촉하는 제1 영역 및 전해질 물질(30)과 분리막(40)이 직접 접촉하는 제2 영역으로 나눠질 수 있다. 이때, 전자(e-)는 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부와 분리막(40)이 직접 접촉하는 제1 영역에 집중될 수 있다. 이에 따라 리튬 이온(Li+) 또한 복수의 양극 플레이트(100)의 일 단부와 분리막(40)이 직접 접촉하는 제1 영역으로 집중될 수 있다.
리튬 이온(Li+)과 전자(e-)가 일부 영역에 집중됨에 따라 전류가 일정 부분에 집중될 수 있으며, 이로 인해 율 특성을 저하시킬 수 있다. 또한, 전류 집중으로 인해, 리튬 이온(Li+)이 국부적인 영역에 집중되는 경우, 덴드라이트가 형성될 수 있으며, 이로 인해 이차 전지의 수명이 저하될 수 있다.
반면, 도 4b를 참조하면, 일 실시예에 따른 이차 전지에 일정 수준 이상의 전압으로 방전을 진행하는 경우, 음극(20)에 포함된 음극 활물질로부터 리튬 이온(Li+)이 탈리되고, 이는 분리막(40)을 통과하여 양극 집전체층(60)측으로 이동한다. 이때, 전자(e-)는 양극 집전체층(60)측으로부터 분리막(40)을 향하여 이동한다. 이때, 분리막(40)의 일면에 제1 금속층(50)이 배치됨으로써, 전자(e-)는 제1 금속층(50)의 일면을 따라 상대적으로 균일하게 분포될 수 있다. 이에 따라 리튬 이온(Li+) 또한 제1 금속층(50)의 일면을 따라 균일하게 분포될 수 있다.
리튬 이온(Li+)과 전자(e-)가 제1 금속층(50)의 일면을 따라 균일하게 분포함에 따라 전류가 집중되는 현상을 완화할 수 있으며, 이로 인해 율 특성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 전류 집중으로 인해 형성될 수 있는 덴드라이트 및 이차 전지의 수명 저하를 방지할 수 있다.
양극(10)과 분리막(40) 사이에 제1 금속층(50)을 배치하는 경우, 제1 금속층(50)에 포함된 물질이 분리막(40)을 통과하여 음극(20)으로 전달될 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 양극(10)과 제1 금속층(50) 사이에 보호층(80)이 추가적으로 배치될 수도 있다.
보호층(80)은 양극(10)과 제1 금속층(50) 사이에 배치되어 제1 금속층(50)에 포함된 물질이 분리막(40)을 통과하여 음극(20)으로 전달되는 현상을 방지할 수 있다. 일 예로서, 보호층(80)은 제1 금속층(50)의 일면에 증착될 수 있다. 또한, 보호층(80)은 리튬 이온이 통과할 수 있는 물질, 예를 들어 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 중 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으나, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차 전지의 용량 유지율 특성을 측정한 그래프이다. 도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차 전지의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이다.
하기에서는 실시예 1과 비교예 1에 대해 서술한다.
실시예 1
실시예 1에 따른 양극(10)은 양극 활물질로서 LiCoO2(LCO)를 포함하는 활물질 필름에 블레이드 스탬핑(blade stamping) 공정을 통해 복수의 양극 플레이트층(100) 사이에 채널(C)을 형성한다. 블레이드 스탬핑(blade stamping) 공정 이후 소결(sintering) 공정을 수행함으로써 베이스층(110)과 복수의 양극 플레이트(100)를 형성한다. 소결 공정은 베이스층(110)과 복수의 양극 플레이트(100)을 1025oC도에서 2시간 동안 열처리함으로써 수행될 수 있다.
실시예 1에 따른 음극(20)과 관련하여, 가역 용량이 360mAh/g 인 흑연 음극과 카본 블랙(carbon black)과 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더가 혼합된 혼합물을 N-methyl-pyrrolidone (NMP) 용액에서 혼합함으로써, 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 음극 활물질 슬러리를 Cu 포일에 코팅하고 건조하여 음극을 제작한다.
전해질 물질(30)은, 플루오르데틸렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트:에틸메틸 카보네이트:디메틸 카보네이트가 7:7:46:40의 부피비로 혼합한 유기용매에 리튬염으로서 1.0 M 농도의 LiPF6 를 용해시킴으로써 형성된다. 이후, 전해질 물질(30)은 채널(C)에 주입된다
양극(10)과 음극(20) 사이에는 폴리에틸렌 분리막(40)이 개재된다. 분리막(40)은 양극 (10)과 음극 (20)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다. 예를 들면, 유리 섬유, 폴리에스테르, 폴리에틸렌(polyethylene, PE),폴리프로필렌(polypropylene,PP), 테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것일 수 있다. 분리막(40)은 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.
제1 금속층(50)은 금(Au)을 포함한 금속 박막으로서, 스프레이 코팅을 포함한 다양한 코팅 방법 또는 열증착방식 등의 다양한 기상 증착 방식에 의해 형성할 수 있다. 금속 박막 층은 분리막과 양극 활물질 층 사이에 형성하기 위해 예를 들면, 분리막 일면에 상기 코팅방식을 통해 5nm 이상 500nm 이하의 두께를 구비한다.
양극 집전체(60)는 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 저마늄(Ge), 인듀(In), 및 납(Pd) 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
음극 집전체(70)는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
비교예 1
양극(10)과 분리막(40) 사이에 제1 금속층(50)이 배치되지 않는 것을 제외한 나머지 사항은 실시예와 동일하다.
도 6을 참조하면, 실시예 1에 따른 이차전지와 비교예 1에 따른 이차전지의 0.1C대비 0.5C 용량을 비교했을 때, 제1 금속층(50)이 있는 경우, 96.0% 에서 96.3% 로 약 0.3% 용량 유지율이 향상 되었다. 또한, 실시예 1에 따른 이차전지와 비교예 1에 따른 이차전지의 0.1C대비 1.0C 용량을 비교했을 때, 제1 금속층(50)이 있는 경우, 81.9 % 에서 86.9% 로 약 5.0% 용량 유지율이 향상 되었다. 상술한 바와 같이 양극(10)과 분리막(40) 사이에 제1 금속층(50)이 배치되는 경우, 리튬 이온(Li+)과 전자(e-)가 제1 금속층(50)의 일면을 따라 균일하게 전달됨으로써 용량 유지율이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한, 방전율(C-rate)이 높아질수록 제1 금속층(50)을 배치하는 경우, 용량 유지율이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 나이퀴스트 선도에서 전하 이동(Charge transfer)을 의미하는 나이퀴스트 선도의 호(Arc)의 크기가, 비교예 1의 이차 전지 보다 제1 금속층(50)이 존재하는 실시예 1의 이차 전지에서 더 작게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 양극(10)과 분리막(40) 사이에 제1 금속층(50)이 배치되는 실시예에 따른 이차 전지의 전기 저항이 감소됨을 확인할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다. 도 9는 도 8에 도시된 이차전지에서 방전 중 리튬 이온의 이동 경로를 도시한 이차전지의 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 양극(10), 음극(20), 전해질 물질(30), 양극(10)과 음극(20) 사이에 배치되는 분리막(40), 양극 집전체층(60), 음극 집전체층(70) 및 제2 금속층(90)을 포함할 수 있다. 양극(10), 음극(20), 전해질 물질(30), 분리막(40), 양극 집전체층(60) 및 음극 집전체층(70)와 관련된 사항은 도 1 및 도 2a에 도시된 구성과 실질적으로 동일하므로 여기서는 서술을 생략한다.
제2 금속층(90)은 음극(20)과 마주보는 분리막(40)의 다른 일면에 배치될 수 있다. 일 예시에 따른 제2 금속층(90)은 증착 공정, 예를 들어 열증착 방식을 이용하여 분리막(40)의 다른 일면에 증착될 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제2 금속층(90)이 분리막(40)의 다른 일면에 배치될 수 있는 임의의 공정이 사용될 수도 있다.
또한, 제2 금속층(90)은 금속 이온, 예를 들어 리튬 이온을 제공할 수 있는 리튬을 포함할 수 있다. 일 예로서, 제2 금속층(90)은 박막 형상의 리튬 금속층으로 마련될 수 있다. 또한, 제2 금속층(90)은 금속 이온의 전도성이 저하되지 않을 수 있는 소정의 두께를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제2 금속층(90)은 50 nm이상 10μm이하의 두께를 구비할 수 있으나, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다.
분리막(40)의 다른 일면에 배치된 제2 금속층(90)은 음극(20)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 양극(10)과 음극(20) 사이에서 이동하는 금속 이온, 예를 들어 리튬 이온이 제2 금속층(90)을 따라 균일하게 분산하여 이동할 수 있다. 이에 따라 전류의 균일한 분산이 이루어짐으로써 율 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 일 예시에 따른 이차 전지(1)의 충전 과정에서 양극(10)으로부터 음극(20)으로 전달된 리튬 이온(Li+)이 비가역적으로 결합됨으로써 방전 과정에서 양극(10)으로 회수되지 않는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 제2 금속층(90)은 회수되지 않은 리튬 이온(Li+)을 보상하여 제공할 수 있는 리튬 이온(Li+)의 추가 공급원으로 사용될 수도 있다.
상술한 바와 같이 제2 금속층(90)의 일면을 따라 리튬 이온(Li+)이 균일하게 전달됨에 따라 전류가 집중되는 현상을 완화할 수 있으며, 전류 집중으로 인해 형성될 수 있는 덴드라이트 및 이차 전지의 수명 저하를 방지할 수 있다. 더불어, 제2 금속층(90)은 리튬 이온(Li+)을 보상하여 제공할 수 있는 리튬 이온(Li+)의 추가 공급원으로 사용될 수 있으며, 이로 인해 용량 효율 특성의 저하를 방지할 수 있다. 또한,
도 10은 실시예 2 및 비교예 2에 따른 이차 전지의 용량 유지율 특성을 측정한 그래프이다.
하기에서는 실시예 2와 비교예 2에 대해 서술한다.
실시예 2
음극(20) 및 제2 금속층(90)을 제외한 양극(10), 전해질 물질(30), 분리막(40), 양극 집전체층(60) 및 음극 집전체층(70)과 관련된 사항은 실시예 1과 동일하다. 실시예 2에 따른 음극(20)은 가역 용량이 1000mAh/g 인 실리콘-카본 복합체와 흑연과 폴리아크릴릭 엑시드 바인더가 혼합된 혼합물을 물에서 혼합함으로써, 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 음극 활물질 슬러리를 Cu 포일에 코팅하고 건조하여 음극(20)을 제작한다.
제2 금속층(90)은 리튬(Li) 금속 박막으로서, 스퍼터링 이나 열증착방식 등의 다양한 기상 증착 방식에 의해 형성할 수 있다. 제2 금속층(90)이 분리막(40)과 음극(20) 사이에 형성되도록, 분리막(40) 일면에 상기 증착 방식을 통해 50 nm이상 10μm이하의 두께를 구비하는 제2 금속층(90)을 형성한다.
비교예 2
음극(20)과 분리막(40) 사이에 제2 금속층(90)이 배치되지 않는 것을 제외한 나머지 사항은 실시예 2와 동일하다.
도 10을 참조하면, 실시예 2에 따른 이차전지와 비교예 2에 따른 이차전지의 0.1C대비 0.5C 용량을 비교했을 때, 제2 금속층(90)이 있는 경우, 73.0% 에서 85.0% 로 약 12% 용량 유지율이 향상 되었다. 또한, 실시예 2에 따른 이차전지와 비교예 2에 따른 이차전지의 0.1C대비 1.0C 용량을 비교했을 때, 제2 금속층(90)이 있는 경우, 32.0 % 에서 53.0% 로 약 21.0% 용량 유지율이 향상 되었다. 상술한 바와 같이 음극(20)과 분리막(40) 사이에 제2 금속층(90)이 배치되는 경우, 용량 유지율이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한, 방전율(C-rate)이 높아질수록 제2 금속층(90)을 배치하는 경우, 용량 유지율이 향상됨을 확인할 수 있다.
상술한 제2 금속층(90)과 제1 금속층(50)은 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에 개별적으로 배치될 수 있을 뿐만 아니라 동시에 배치될 수도 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다. 도 12는 실시예 3 및 비교예 3에 따른 이차 전지의 용량 유지율 특성을 측정한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 양극(10), 음극(20), 전해질 물질(30), 양극(10)과 음극(20) 사이에 배치되는 분리막(40), 제1 금속층(50) 및 양극 집전체층(60), 음극 집전체층(70) 및 제2 금속층(90)을 포함할 수 있다. 양극(10), 음극(20), 전해질 물질(30), 분리막(40), 제1 금속층(50), 양극 집전체층(60) 및 음극 집전체층(70)와 관련된 사항은 도 1 및 도 2a에 도시된 구성과 실질적으로 동일하며, 제2 금속층(90)과 관련된 사항은 도 8에 도시된 구성과 실질적으로 동일하므로 여기서는 서술을 생략한다.
상술한 바와 같이 제1 금속층(50)과 제2 금속층(90)의 일면을 따라 리튬 이온(Li+) 또는 전자(e-)가 균일하게 전달됨에 따라 전류가 집중되는 현상을 완화할 수 있으며, 전류 집중으로 인해 형성될 수 있는 덴드라이트 및 이차 전지의 수명 저하를 방지할 수 있다. 더불어, 제2 금속층(90)은 리튬 이온(Li+)을 보상하여 제공할 수 있는 리튬 이온(Li+)의 추가 공급원으로 사용될 수 있으며, 이로 인해 용량 효율 특성의 저하를 방지할 수 있다.
하기에서는 실시예 2와 비교예 2에 대해 서술한다.
실시예 3
제2 금속층(90)을 제외한 양극(10), 전해질 물질(30), 분리막(40), 제1 금속층(50), 양극 집전체층(60) 및 음극 집전체층(70)과 관련된 사항은 실시예 1과 동일하다. 실시예 2에 따른 음극(20)은 가역 용량이 1000mAh/g 인 실리콘-카본 복합체와 흑연과 폴리아크릴릭 엑시드 바인더가 혼합된 혼합물을 물에서 혼합함으로써, 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 음극 활물질 슬러리를 Cu 포일에 코팅하고 건조하여 음극(20)을 제작한다.
제2 금속층(90)은 리튬(Li) 금속 박막으로서, 스퍼터링 이나 열증착방식 등의 다양한 기상 증착 방식에 의해 형성할 수 있다. 제2 금속층(90)이 분리막(40)과 음극(20) 사이에 형성되도록, 분리막(40) 일면에 상기 증착 방식을 통해 50 nm이상 10μm이하 의 두께를 구비하는 제2 금속층(90)을 형성한다.
비교예 3
양극(10)과 분리막(40) 사이에 제1 금속층(50)이 배치되지 않는 것과 음극(20)과 분리막(40) 사이에 제2 금속층(90)이 배치되지 않는 것을 제외한 나머지 사항은 실시예 3과 동일하다.
실제 도 12를 참조하면, 실시예 3에 따른 이차전지와 비교예 3에 따른 이차전지의 0.1C대비 0.5C 용량을 비교했을 때, 제1 금속층(50)과 제2 금속층(90)이 있는 경우, 73.0% 에서 88.0% 로 약 15% 용량 유지율이 향상 되었다. 또한, 실시예 3에 따른 이차전지와 비교예 3에 따른 이차전지의 0.1C대비 1.0C 용량을 비교했을 때, 제1 금속층(50)과 제2 금속층(90)이 있는 경우, 32.0 % 에서 59.0% 로 약 27.0% 용량 유지율이 향상 되었다. 상술한 바와 같이 제1 금속층(50)과 제2 금속층(90)이 동시에 배치되는 경우, 제1 금속층(50)과 제2 금속층(90)이 개별적으로 배치되는 경우 보다 용량 유지율이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한, 방전율(C-rate)이 높아질수록 제1 금속층(50)과 제2 금속층(90)을 배치하는 경우, 용량 유지율이 향상됨을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
1: 이차 전지
10: 양극
20: 음극
30: 전해질 물질
40: 분리막
50: 제1 금속층
60: 양극 집전체층
70: 음극 집전체층
80: 보호층
90: 제2 금속층
100: 복수의 양극 플레이트
110: 베이스층

Claims (31)

  1. 음극;
    납작한 평판 형상을 구비하며, 일 방향을 따라 상호 이격하도록 배열되는 복수의 양극 플레이트;
    상기 복수의 양극 플레이트 사이에 형성된 채널에 배치되는 전해질 물질;
    상기 음극과 상기 복수의 양극 플레이트 사이에 구비된 분리막; 및
    상기 복수의 양극 플레이트와 마주보는 상기 분리막의 일면에 배치된 제1 금속층;을 포함하는,
    이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene (Pth)) with carboxylate-containing polymers (PAA, CMC, CCTS, SA) 중 하나 이상을 포함하는,
    이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 5nm 이상 500nm 이하의 두께를 구비하는,
    이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트의 일 단부를 상호 연결하는 베이스층을 더 포함하며,
    상기 베이스층의 상면에 상기 복수의 양극 플레이트가가 소정 간격으로 이격되도록 배치되는,
    이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 베이스층은 제1 활물질을 포함하고, 상기 복수의 양극 플레이트는 제2 활물질을 포함하는,
    이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 양극 활물질이거나 또는 서로 다른 양극 활물질인,
    이차 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트는 내부에 복수의 기공을 구비하는 다공성 구조를 포함하는,
    이차 전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트는 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 중 하나 이상을 포함하는,
    이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막과 상기 제1 금속층 사이에 배치되는 보호층을 더 포함하는,
    이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보호층은 Al, Si, Ti, Zr, Sn, Mg, Ca 중 하나 이상의 물질을 포함하는
    이차 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트의 타 단부에 대향하여 배치되는 양극 집전체층; 및
    상기 음극의 일면과 마주보도록 배치되며, 상기 양극 집전체층에 대향하여 배치되는 음극 집전체층;을 더 포함하는,
    이차 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극과 상기 분리막 사이에 배치되는 제2 금속층을 더 포함하는
    이차 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 금속층은 박막 형상의 리튬 금속층인,
    이차 전지.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 금속층은 50 nm이상 10μm이하의 두께를 구비하는
    이차 전지.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene (Pth)) with carboxylate-containing polymers (PAA, CMC, CCTS, SA) 중 하나 이상을 포함하는,
    이차 전지.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 5nm 이상 500nm 이하의 두께를 구비하는,
    이차 전지.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트의 일 단부를 상호 연결하는 베이스층을 더 포함하며,
    상기 베이스층의 상면에 상기 복수의 양극 플레이트가가 소정 간격으로 이격되도록 배치되는,
    이차 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 베이스층은 제1 활물질을 포함하고, 상기 복수의 양극 플레이트는 제2 활물질을 포함하는,
    이차 전지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 양극 활물질이거나 또는 서로 다른 양극 활물질인,
    이차 전지.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트는 내부에 복수의 기공을 구비하는 다공성 구조를 포함하는,
    이차 전지.
  21. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트는 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 중 하나 이상을 포함하는,
    이차 전지.
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트의 타 단부에 대향하여 배치되는 양극 집전체층; 및
    상기 음극의 일면과 마주보도록 배치되며, 상기 양극 집전체층에 대향하여 배치되는 음극 집전체층;을 더 포함하는,
    이차 전지.
  23. 음극;
    납작한 평판 형상을 구비하며, 일 방향을 따라 상호 이격하도록 배열되는 복수의 양극 플레이트;
    상기 복수의 양극 플레이트 사이에 배치되는 전해질 물질;
    상기 음극과 양극 사이에 구비된 분리막; 및
    상기 음극과 상기 분리막 사이에 배치되는 제2 금속층;을 포함하는,
    이차 전지.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2 금속층은 박막 형상의 리튬 금속층인,
    이차 전지.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2 금속층은 50 nm이상 10μm이하의 두께를 구비하는
    이차 전지.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트의 일 단부를 상호 연결하는 베이스층을 더 포함하며,
    상기 베이스층의 상면에 상기 복수의 양극 플레이트가가 소정 간격으로 이격되도록 배치되는,
    이차 전지.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 베이스층은 제1 활물질을 포함하고, 상기 복수의 양극 플레이트는 제2 활물질을 포함하는,
    이차 전지.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 양극 활물질이거나 또는 서로 다른 양극 활물질인,
    이차 전지.
  29. 제23 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트는 내부에 복수의 기공을 구비하는 다공성 구조를 포함하는,
    이차 전지.
  30. 제23 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트는 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 중 하나 이상을 포함하는,
    이차 전지.
  31. 제23 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 플레이트의 타 단부에 대향하여 배치되는 양극 집전체층; 및
    상기 음극의 일면과 마주보도록 배치되며, 상기 양극 집전체층에 대향하여 배치되는 음극 집전체층;을 더 포함하는,
    이차 전지.
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