KR20220111041A - 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
본 발명에 따른 전고체 전지용 음극은 금속 구조체와 리튬 금속층을 포함한다. 상기 금속 구조체는 내부가 관통된 다각형 형상의 셀로 이루어진다. 상기 리튬 금속층은 상기 셀의 내부에 수용된다.
본 발명에 의하면, 전고체 전지용 음극은 벌집형상의 니켈합금으로 형성된 금속 구조체의 셀 내부에 리튬 금속층이 수용된다. 이 경우, 전극 활물질로 작용하는 리튬 금속층과 집전체인 금속 구조체의 접촉면적이 향상된다. 또한, 리튬 금속이 가열되더라도 니켈합금으로 된 셀이 리튬 금속의 팽창을 구속시킨다. 그래서 전지의 팽창을 감소시킬 수 있다. 그래서 본 발명의 전고체 전지용 음극을 리튬 이차 전지에 적용하면 비용량 및 출력 밀도를 높여 전고체 전지의 성능을 향상시킬 수 있고, 전고체 전지의 안정성을 높일 수 있다.

Description

전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법{Anode for all solid state secondary battery and manufacturing thereof}
본 발명은 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
충방전이 가능한 이차 전지는 전기 자동차, 전력저장시스템 등에 사용되는 대용량 전력 저장 전지 또는 휴대폰, 노트북 등과 같은 휴대전자기기의 소형 고성능 에너지원으로 사용되고 있다. 대표적인 이차 전지인 리튬 이온 전지는 니켈-망간 전지나 니켈-카드뮴 전지에 비해 단위면적당 용량이 크고, 자기방전율이 낮으며, 메모리 효과가 없어 사용의 편리성에서 장점을 가진다.
리튬 이온 전지는 탄소계 음극, 유기 용매를 함유하는 전해질 및 리튬산화물 양극으로 구성되어, 양극 및 음극에서 발생하는 화학반응을 이용하여 충전시에는 양극에서 리튬이온이 빠져나와 전해질을 통해 탄소계 음극으로 이동하고, 방전시에는 충전 과정의 역으로 진행된다. 다만 리튬 이온 전지는 유기 용매를 함유하는 액체 전해질을 사용하기 때문에 휘발성이 높은 유기 용매의 사용에 따른 누출, 충격 등에 의한 전지의 안전성을 확보하기 어렵다. 리튬 이온 전지의 안정성을 확보하기 위해 액체 전해질 대신 고체 전해질을 이용한 전고체 전지에 대한 연구가 활발히 진해되고 있다.
다만, 전고체 전지는 에너지 밀도 및 출력 성능이 종래의 액체 전해질을 사용한 리튬 이온 전지에 미치지 못한다는 문제점이 있었다.
공개특허 제10-2013-0067139호 (공개일 2013.06.21) 공개특허 제10-2017-0092296호 (공개일 2017.08.11) 공개특허 제10-2018-0046693호 (공개일 2018.05.09) 등록특허 제 10-1758037호 (등록일 2017.07.07)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전고체 전지용 음극은 금속 구조체와 리튬 금속층을 포함한다. 상기 금속 구조체는 내부가 관통된 다각형 형상의 셀로 이루어진다. 상기 리튬 금속층은 상기 셀의 내부에 수용된다.
또한, 본 발명에 따른 전고체 전지용 음극에 있어서, 상기 금속 구조체는 벌집형상의 니켈합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전고체 전지용 음극 제조방법은 내부가 관통된 다각형 형상의 셀로 이루어진 금속 구조체를 프레스의 하판과 상판 사이에 위치시키는 제1단계와, 상기 금속 구조체의 상부에 리튬 판재를 위치시키는 제2단계와, 상기 프레스의 하판과 상판사이로 질소를 주입하는 제3단계와, 상기 셀의 내부에 리튬 금속층이 형성될 수 있게 상기 프레스로 상기 리튬 판재를 가열하여 가압하는 제4단계와, 상기 셀의 내부에 리튬 금속층이 형성되면 상기 프레스로 냉각하여 음극을 제조하는 제5단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 전고체 전지용 음극 제조방법에 있어서, 상기 제1단계는 벌집형상의 니켈합금으로 형성된 금속 구조체를 상기 프레스의 하판과 상판 사이에 위치시키는 것이 바람직하며, 상기 제4단계는 상판과 하판에 열선이 구비된 프레스로 상기 리튬 판재를 가열하여 가압하는 것이 바람직하며, 상기 제5단계는 상판과 하판에 냉각수가 유입되는 냉각유로가 형성된 프레스로 상기 냉각하여 음극을 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전고체 전지용 음극은 벌집형상의 니켈합금으로 형성된 금속 구조체의 셀 내부에 리튬 금속층이 수용된다. 이 경우, 전극 활물질로 작용하는 리튬 금속층과 집전체인 금속 구조체의 접촉면적이 향상된다. 또한, 리튬 금속이 가열되더라도 니켈합금으로 된 셀이 리튬 금속의 팽창을 구속시킨다. 그래서 전지의 팽창을 감소시킬 수 있다. 그래서 본 발명의 전고체 전지용 음극을 리튬 이차 전지에 적용하면 비용량 및 출력 밀도를 높여 전고체 전지의 성능을 향상시킬 수 있고, 전고체 전지의 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전고체 전지용 음극의 일 실시예의 개념도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전고체 전지용 음극 제조방법의 개념도이고,
도 3은 본 발명에 따른 전고체 전지용 음극 제조방법의 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 전고체 전지용 음극 및 이의 제조방법의 일 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 전고체 전지용 음극 제조방법은 5단계를 포함한다.
제1단계(S1)는 내부가 관통된 다각형 형상의 셀(11)로 이루어진 금속 구조체(10)를 프레스(100)의 상판(101)과 하판(105) 사이에 위치시킨다. 여기서 금속 구조체(10)는 도1에 도시된 바와 같이 육각형의 복수의 셀(11)이 수평방향으로 병렬배치되어 벌집형상으로 이루어진다. 이때, 금속 구조체(10)는 니켈합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
2단계(S2)는 금속 구조체(10)의 상부에 리튬 판재(200)를 위치시킨다.
3단계(S3)는 프레스(100)의 상판(101)과 하판(105) 사이로 질소(N)를 주입한다.
4단계(S4)는 프레스(100)로 리튬 판재(200)를 가열하여 가압한다. 그러면 리튬 판재(200)가 녹으면서 셀(11)의 내부에 수용되어 리튬 금속층(20)이 형성된다. 여기서 프레스(100)는 상판(101)과 하판(105)에 리튬 판재(200)를 가열하기 위한 열선(102,106)과 냉각하기 위한 냉각수가 유입되는 냉각유로(104,108)가 형성된다.
5단계(S5)는 프레스(100)로 셀(11)의 내부에 수용된 액체상태의 리튬 금속층(20)을 냉각하여 음극을 제조한다.
본 실시예의 경우, 상기의 방법으로 제조된 전고체 전지용 음극(1)은 벌집형상의 니켈합금으로 형성된 금속 구조체(10)의 셀(11) 내부에 리튬 금속층(20)이 수용된다. 이 경우, 전극 활물질로 작용하는 리튬 금속층(20)과 집전체인 금속 구조체(10)의 접촉면적을 향상된다. 또한, 리튬 금속이 가열되더라도 니켈합금으로 된 셀(11)이 리튬 금속의 팽창을 구속시킨다. 그래서 전지의 팽창을 감소시킬 수 있다. 그래서 본 발명의 전고체 전지용 음극(1)을 리튬 이차 전지에 적용하면 비용량 및 출력 밀도를 높여 전고체 전지의 성능을 향상시킬 수 있고, 전고체 전지의 안정성을 높일 수 있다.
종래의 전고체 전지는 에너지 밀도 및 출력 성능이 종래의 액체 전해질을 사용한 리튬 이온 전지에 미치지 못한다는 문제점이 있었다.
1 : 음극 10 : 금속 구조체
11 : 셀 20 : 리튬 금속층
100 : 프레스 101 : 상판
102 : 열선 104 : 냉각유로
105 : 하판 106 : 열선
108 : 냉각유로 200 : 리튬 판재

Claims (4)

  1. 내부가 관통된 다각형 형상의 셀로 이루어진 금속 구조체와,
    상기 셀의 내부에 수용되는 리튬 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 구조체는 벌집형상의 니켈합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
  3. 내부가 관통된 다각형 형상의 셀로 이루어진 금속 구조체를 프레스의 하판과 상판 사이에 위치시키는 제1단계와,
    상기 금속 구조체의 상부에 리튬 판재를 위치시키는 제2단계와,
    상기 프레스의 하판과 상판사이로 질소를 주입하는 제3단계와,
    상기 셀의 내부에 리튬 금속층이 형성될 수 있게 상기 프레스로 상기 리튬 판재를 가열하여 가압하는 제4단계와,
    상기 셀의 내부에 리튬 금속층이 형성되면 상기 프레스로 냉각하여 음극을 제조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1단계는 벌집형상의 니켈합금으로 형성된 금속 구조체를 상기 프레스의 하판과 상판 사이에 위치시키며,
    상기 제4단계는 상판과 하판에 열선이 구비된 프레스로 상기 리튬 판재를 가열하여 가압하며,
    상기 제5단계는 상판과 하판에 냉각수가 유입되는 냉각유로가 형성된 프레스로 냉각하여 음극을 제조하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극 제조방법.
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