KR20220117430A - Anode electrode structure for secondary battery, an anode including the same and the manufacturing method - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a novel negative electrode structure for a secondary battery. Specifically, the negative electrode structure is designed to have an inner space that is a space between two conductive metal thin plates used as current collectors and during battery charging, a position of electrodeposition of the metal is induced to be limited inside the space. According to the structure of the present invention, dendrite growth is suppressed during electrodeposition of a negative electrode of the metal and volume change of the electrode is prevented during electrodeposition and desorption of the metal. By using the novel negative electrode structure having such functions, performance like energy density, rapid charging, stability, and lifespan of a secondary battery can be improved. The present invention relates to a novel concept of a negative electrode, the structure thereof, and a secondary battery using the same.

Description

이차전지용 음극 구조체, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 제조방법{Anode electrode structure for secondary battery, an anode including the same and the manufacturing method}Anode structure for secondary battery, negative electrode including same, secondary battery including same, and manufacturing method {Anode electrode structure for secondary battery, an anode including the same and the manufacturing method}

이차전지는 모바일 기기용 에너지 저장 매체로서뿐만 아니라, 최근에는 전기자동차, 전력저장 등의 중대형 분야에도 활발히 응용되고 있다. 이차전지의 주 구성 요소는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구분할 수 있으며, 상용화되어 사용되고 있는 리튬이차전지의 경우 산화물 양극재, 흑연 음극재, 고분자 분리막 및 액체 성분의 전해질이 통상적으로 사용된다. 양극 및 음극은 각각의 활물질을 알루미늄 및 구리 박을 집전체로 사용하여 그 위에 도포함으로써 제작된다. Secondary batteries are being actively applied not only as an energy storage medium for mobile devices, but also in medium and large-sized fields such as electric vehicles and power storage. The main components of a secondary battery can be divided into a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, and in the case of a commercially available lithium secondary battery, an oxide positive electrode material, a graphite negative electrode material, a polymer separator, and a liquid electrolyte are commonly used. The positive and negative electrodes are fabricated by applying the respective active materials thereon using aluminum and copper foils as current collectors.

본 발명은 이차전지의 음극 및 이를 포함하는 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 이차전지의 여러 음극 형태 중, 예를 들어 리튬 또는 나트륨 등과 같은 금속 이온이, 예를 들어 기존의 이차전지에 사용되는 흑연 또는 실리콘과 같은 별도의 활물질을 사용하지 않고, 금속 상태로 전착되는 형태의 금속 음극을 활용하고, 이에 있어서, 그 전착 위치를 특수한 구조를 갖는 집전체의 사이 공간으로 유도함으로써, 금속 음극의 안전성 및 내구성 문제를 해결하는 것을 주 내용으로 한다. 이로부터 금속 음극의 장점인 고용량, 급속 충전 성능을 활용하면서도, 이를 안전하게 장수명으로 사용할 수 있도록 하고, 따라서 이차전지의 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode of a secondary battery, a secondary battery including the same, and a method for manufacturing the same. More specifically, among the various negative electrode types of secondary batteries, for example, metal ions such as lithium or sodium do not use a separate active material such as graphite or silicon used in conventional secondary batteries, for example, a metal state The main content is to solve the problem of safety and durability of the metal anode by utilizing a metal anode in the form of electrodeposition and by guiding the electrodeposition position to the space between the current collectors having a special structure. From this, it relates to a technology that utilizes the high capacity and fast charging performance, which are the advantages of a metal negative electrode, while allowing it to be used safely for a long lifespan, and thus improving the performance of a secondary battery.

현재 상용화되어 널리 사용되고 있는 이차전지인 리튬이온전지는, 충전 시 양극의 리튬 이온이 전해질을 통하여 음극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통하여 음극으로 이동한다. 음극에서 리튬이온이 환원되고, 환원된 리튬은 음극 활물질에 저장되며, 이 과정에서 전지에 에너지가 저장된다. 방전 시에는 다시 음극으로부터 양극으로 리튬 이온 및 전자의 이동이 이루어지며, 충전 시 저장되었던 에너지를 이 때 사용하게 된다. 음극에 리튬을 충전하는 방식으로는, 리튬 금속 자체로 전착되는 형태가 가장 단순하고 에너지 밀도 측면에서 유리하다. 그러나 이러한 리튬금속음극은 리튬이 전착되었다가 양극으로 이동하는 과정, 즉 전지로 보면 충방전 과정에서, 리튬 전착 및 탈착 상태의 차이에 해당되는 부피만큼의 전극의 부피 변화가 반복적으로 발생하게 된다. 이는 전지 형상의 왜곡 및 내구성 문제를 유발할 수 있다. 또한, 전류의 불균일한 분포로 인하여 리튬이 점차 수지상의 형태로 전착되는 양상이 통상적으로 관찰되며, 이러한 수지상의 침상 리튬의 성장이 지속 확장되어 분리막을 뚫고 양음극간 단락이 유발되는데, 이는 전지의 발열 및 발화 등 안전성에 관련된 문제를 야기하게 된다.In lithium ion batteries, which are currently commercialized and widely used secondary batteries, lithium ions of a positive electrode move to a negative electrode through an electrolyte during charging, and electrons move to a negative electrode through an external circuit. Lithium ions are reduced in the negative electrode, and the reduced lithium is stored in the negative electrode active material, and energy is stored in the battery in this process. During discharging, lithium ions and electrons move from the negative electrode to the positive electrode again, and the energy stored during charging is used at this time. As a method of charging lithium in the negative electrode, the electrode-deposited form with lithium metal itself is the simplest and advantageous in terms of energy density. However, in this lithium metal anode, the volume change of the electrode by the volume corresponding to the difference between the lithium electrodeposition and the desorption state occurs repeatedly during the process of lithium electrodeposition and movement to the positive electrode, that is, in the charging/discharging process of a battery. This may cause distortion of the battery shape and durability problems. In addition, due to the non-uniform distribution of electric current, it is usually observed that lithium is gradually electrodeposited in the form of a dendritic form, and the growth of such dendritic acicular lithium continues to expand, which pierces the separator and causes a short circuit between the positive and negative electrodes, which is the heat generation of the battery. and safety-related problems such as ignition.

이러한 문제에 대응하기 위하여 흑연 음극재가 도입되어 널리 상용화되었다(한국 공개특허 10-2019-0073777). 이는 흑연을 활물질로 사용하여 리튬을 원자 단위로 흑연의 그라핀 층간에 저장하는 방식인데, 흑연 활물질 입자가 음극 전체의 부피를 일정하게 유지시키고, 또한 리튬이 외부에 노출되지 않고 흑연의 결정 구조 내부에 저장됨으로써 수지상 성장 문제를 억제할 수 있다. 이러한 효과로 인해 흑연이 상용 전지의 음극 활물질로 사용되고 있다. 그러나, 흑연 자체의 부피 및 무게로 인해서, 음극에서의 부피 및 무게가 증가하게 되고, 이로부터 전지의 부피당 및 무게당 에너지 저장 밀도 측면에서의 손실이 발생하고, 이로 인해 리튬이온전지의 에너지밀도에 있어서도 한계가 발생하게 된다. 또한 리튬이 흑연 결정 구조의 층간에 삽입 탈리되는 반응 속도의 한계로 인해, 이를 음극 활물질로 활용하는 전지의 구동 속도, 즉 충전 속도 및 출력에 있어서 제약이 가해진다. 통상적으로 음극 활물질은 분말 형태로 제조되어 바인더 물질과 함께 슬러리 형태로 집전체에 도포된다. 음극용 집전체는 수 마이크로미터 두께의 구리 박이 널리 사용되고 있다. 집전체는 음극의 형태를 유지하고 음극재를 지지하는 역할을 하지만, 그 자체로는 전지의 용량에 기여하지 않으므로, 집전체의 기계적 성능을 유지하면서도 두께 및 무게를 최소한으로 줄이기 위한 노력 또한 계속되고 있다.In order to cope with this problem, graphite anode materials have been introduced and widely commercialized (Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2019-0073777). This is a method of using graphite as an active material to store lithium between graphene layers of graphite in atomic units. The graphite active material particles keep the overall volume of the anode constant, and lithium is not exposed to the outside and inside the crystal structure of graphite. By being stored in the dendritic growth problem can be suppressed. Due to these effects, graphite is used as a negative active material for commercial batteries. However, due to the volume and weight of graphite itself, the volume and weight of the negative electrode are increased, resulting in a loss in terms of energy storage density per volume and per weight of the battery, which causes the energy density of the lithium ion battery to increase. There will also be limitations. In addition, due to the limitation of the reaction rate at which lithium is intercalated and desorbed between the layers of the graphite crystal structure, the driving speed of the battery using the lithium as an anode active material, that is, the charging speed and output, is limited. Typically, the negative electrode active material is prepared in the form of a powder and is applied to the current collector in the form of a slurry together with the binder material. As the current collector for the negative electrode, a copper foil having a thickness of several micrometers is widely used. The current collector maintains the shape of the negative electrode and serves to support the negative electrode material, but by itself does not contribute to the capacity of the battery. have.

이상의 현행 상용 리튬이온전지용 음극 기술을 요약하면 다음과 같다: 리튬을 안정하게 저장하기 위한 저장 용기의 역할 및 음극의 부피를 일정하게 유지하는 프레임 역할을 해 줄 흑연을 음극 활물질로 사용하며, 음극 활물질 분말은 구리 박 집전체에 도포 및 고착되어 사용된다. 이러한 기술적 특징은 리튬이온전지의 구동 시 리튬을 안정적으로 저장하는 반면, 흑연 음극 활물질의 부피 및 무게로 인해 에너지 밀도측면에서는 손실이 발생하고, 리튬의 삽입 탈리 속도의 한계로 인해 급속 충방전 성능에 있어서도 제약이 따른다. 흑연과 같은 음극재를 사용하지 않고 금속 자체 상태로 전착 및 탈착되는 형태인 금속음극은 에너지밀도나 급속충전 측면에서 이상적이지만, 이를 상용화하기 위해서는 금속의 전착 및 탈착 시의 큰 부피 변화, 수지상 성장에 의한 안전성 및 싸이클 수명의 문제가 해결되어야 한다.The current anode technology for commercial lithium-ion batteries can be summarized as follows: Graphite, which serves as a storage container for stably storing lithium and a frame for maintaining a constant volume of the anode, is used as the anode active material, and the anode active material The powder is applied and fixed to the copper foil current collector and used. These technical features stably store lithium when driving a lithium ion battery, while a loss in energy density occurs due to the volume and weight of the graphite anode active material, and the rapid charge/discharge performance is affected due to the limitation of the lithium insertion/desorption rate. There are also restrictions on Metal cathodes, which are electrodeposited and desorbed in their own state without using anode materials such as graphite, are ideal in terms of energy density or rapid charging. The problems of safety and cycle life must be solved.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0073777호 (2019.06.27)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0073777 (June 27, 2019)

본 발명의 일 측면에서의 목적은 이차전지의 충 방전 과정에서 금속 이온의 전착 및 탈착 위치가 음극 구조체의 내부의 공간으로 특정되어, 결과적으로 음극 부피가 일정하게 유지되고, 전착 금속의 수지상 성장을 억제할 수 있는 이차전지용 음극 구조체를 제공하는 것이다.An object of one aspect of the present invention is that the electrodeposition and desorption positions of metal ions during the charging and discharging process of the secondary battery are specified as the space inside the negative electrode structure, as a result, the negative electrode volume is kept constant, and dendritic growth of the electrodeposited metal is prevented. It is to provide an anode structure for a secondary battery that can be suppressed.

본 발명의 다른 일 측면에서의 목적은 상기 이차전지용 음극 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the negative electrode structure for a secondary battery.

본 발명의 또 다른 일 측면에서의 목적은 상기 이차전지용 음극 구조체를 음극으로 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a secondary battery including the negative electrode structure for a secondary battery as a negative electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명의 일 측면에서는 In one aspect of the present invention

전착방지층이 각각의 일면에 결합되고, 상기 전착방지층이 결합된 면의 반대편 금속 면이 서로 대향하도록 배치되는 두 장의 전도성 금속 박판; 및Two sheets of conductive metal thin plate having an anti-electrodeposition layer coupled to each side, and disposed so that the opposite metal surface of the surface to which the anti-electrodeposition layer is coupled faces each other; and

상기 두 장의 금속 박판 사이의 공간;을 포함하는 이차전지용 음극 구조체에 있어서, In the anode structure for a secondary battery comprising a; space between the two thin metal plates,

상기 금속 박판 및 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성되는 것인, 이차전지용 음극 구조체를 제공한다.It provides a negative electrode structure for a secondary battery, which is formed in the metal thin plate and the electrodeposition prevention layer is a hole through which the electrolyte and metal ions can move.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서는In addition, in another aspect of the present invention

두 장의 전도성 금속 박판을 준비하는 단계;Preparing two sheets of conductive metal thin plates;

상기 두 장의 전도성 금속 박판의 각각의 일면에 전착방지층을 도포한 후 구멍을 형성하는 단계;forming a hole after applying an electrodeposition prevention layer to each side of the two thin conductive metal plates;

상기 두 장의 전도성 금속 박판의 상기 전착방지층이 도포된 면의 반대편 금속 면이 서로 대향하도록 배치하되 그 사이의 공간이 확보되도록 조립하는 단계 단계;를 포함하는, 제1항의 이차전지용 음극 구조체의 제조방법을 제공한다.The method of manufacturing the negative electrode structure for a secondary battery of claim 1, including; disposing the metal surfaces opposite to the surface on which the electrodeposition prevention layer is applied of the two thin conductive metal plates to face each other and assembling to secure a space therebetween provides

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면에서는In addition, in another aspect of the present invention

본 발명의 일 측면에서 제공하는 이차전지용 음극 구조체를 음극으로 포함하는 이차전지를 제공한다.A secondary battery comprising the anode structure for a secondary battery provided in one aspect of the present invention as an anode is provided.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 음극 구조체는, 리튬이차전지의 경우, 리튬 금속의 전착 위치가 두 장의 전도성 금속 박판 사이 공간으로 한정되므로, 리튬이 수지상 성장하여 분리막을 뚫고 전지의 단락을 유발하거나, 수지상 성장을 통해 전해질 계면이 증가함으로써 전해질의 지속적 분해를 유발하는 등의 기존의 금속 음극의 문제를 극복할 수 있는 효과가 있다. In the anode structure provided in one aspect of the present invention, in the case of a lithium secondary battery, since the electrodeposition position of lithium metal is limited to the space between two conductive metal thin plates, lithium dendritic growth penetrates the separator and causes a short circuit of the battery, By increasing the electrolyte interface through dendrite growth, there is an effect that can overcome the problems of the conventional metal anode, such as causing continuous decomposition of the electrolyte.

또한, 리튬 금속의 전착 및 탈착이 음극 구조체를 구성하는 두 장의 금속 박판 사이 공간에서 이루어짐으로써, 전체 전극의 부피가 일정하게 유지되어 내구성이 우수한 효과가 있다. In addition, since the electrodeposition and desorption of lithium metal is performed in the space between the two thin metal plates constituting the anode structure, the volume of the entire electrode is kept constant, thereby providing excellent durability.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 음극은 고용량의 급속충전 가능한 특성을 갖는 동시에 수명 및 안정성이 개선되는 우수한 효과를 갖는다.Accordingly, the negative electrode for a secondary battery according to the present invention has an excellent effect of improving lifespan and stability while having characteristics of high capacity and rapid charging.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 구조체의 구조 도면을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 구조체를 기존의 음극 기술의 비교한 도면으로, [1] 금속 이온이 집전체에 전착 및 탈착되는 형태의 기존의 금속 음극, [2] 흑연을 음극 활물질로 사용하는 상용 음극, 및 [3] 본 발명에서 제안하는 두 장의 금속 박판(집전체) 사이 공간을 활용하는 음극의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 구조체를 코인셀 규격으로 제작한 것으로, [1] 전착방지층이 결합되고 전해질이 이동할 수 있는 구멍을 가공한 금속 박판, [2] 전착유도층이 표면에 형성된 메쉬 형태의 구조물과 산화아연 나노막대로 이루어진 전착유도층을 확대한 사진, [3] 조립된 음극 구조체를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 구조체를 이용하여 제작한 코인셀을 100 싸이클 구동 한 후, 리튬이 충전된 상태에서의 음극 구조체를 해체하여 부위별로 전자현미경으로 관찰한 사진이다: [1] 두 장의 금속 박판의 전착방지층이 결합된 면, [2] 두 장의 금속 박판의 서로 대향하는 금속 면, [3] 메쉬 형태의 구조물 표면을 전자현미경으로 관찰한 것이며, 삽도는 각 면에서의 리튬 전착 여부를 확인하기 위한 확대 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 음극 구조체의 싸이클 성능을 비교예 2의 기존 리튬 금속음극과 비교한 도면으로, [1] 본 발명에서 제안하는 음극 구조체를 사용한 음극 및 [2] 기존 리튬 금속음극의 싸이클 구동 충방전 그래프(시간-전압 그래프)를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 음극구조체의 전착방지층 및 전착유도층 형성에 따른 기능을 확인하기 위하여, 실시예 1, 내지 3에 따른 음극 구조체를 이용한 코인셀을 100 싸이클 구동 한 후, 음극 구조체를 대극 방향에서 현미경으로 관찰한 사진으로, [1] 실시예 1 [2] 실시예 3 [3] 실시예 2를 현미경으로 관찰한 것이다.
1 shows a structural diagram of an anode structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a view comparing the negative electrode structure according to an embodiment of the present invention to the conventional negative electrode technology, [1] a conventional metal negative electrode in a form in which metal ions are electrodeposited and desorbed on the current collector, [2] graphite negative electrode A cross section of a commercial negative electrode used as an active material, and a negative electrode utilizing the space between two thin metal plates (current collector) proposed in the present invention [3] is shown.
Figure 3 is a negative electrode structure according to an embodiment of the present invention manufactured in coin cell standards, [1] a thin metal plate with an electrodeposition prevention layer is combined and a hole through which the electrolyte can move, [2] an electrodeposition inducing layer is the surface An enlarged photograph of the electrodeposition-inducing layer composed of the mesh-type structure and zinc oxide nanorods formed in [3] shows the assembled anode structure.
4 is a photograph of a coin cell manufactured using the negative electrode structure according to an embodiment of the present invention, after 100 cycles of driving, disassembling the negative electrode structure in a state of being charged with lithium and observing each part with an electron microscope: [ 1] The surface where the electrodeposition prevention layer of the two thin metal plates are bonded, [2] the opposite metal surfaces of the two thin metal plates, and [3] the surface of the mesh-shaped structure were observed with an electron microscope, and the inset shows the This is an enlarged photo to check whether lithium is electrodeposited.
5 is a view comparing the cycle performance of the negative electrode structure according to Example 1 of the present invention with the conventional lithium metal negative electrode of Comparative Example 2, [1] a negative electrode using the negative electrode structure proposed in the present invention and [2] conventional lithium It shows the cycle driving charge/discharge graph (time-voltage graph) of the metal cathode.
6 is a view of the negative electrode structure after 100 cycles of driving the coin cell using the negative electrode structures according to Examples 1 and 3 in order to confirm the function according to the formation of the electrodeposition prevention layer and the electrodeposition inducing layer of the negative electrode structure of the present invention. As a photograph observed under a microscope in [1] Example 1 [2] Example 3 [3] Example 2 was observed under a microscope.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

한편, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.On the other hand, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Furthermore, "including" a certain element throughout the specification means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

본 발명은 이차전지용 금속 음극이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 음극 구조를 제안한다. 구체적으로는, 집전체인 두 장의 전도성 금속 박판이 사이 공간을 가질 수 있도록 구조를 설계하고, 금속 전착 위치를 그 사이 공간으로 유도하는 것을 핵심 기술로 제안한다. 이러한 기술의 적용으로부터, 금속, 예를 들어 리튬이차전지의 경우 리튬금속의 전착 위치가 상기 사이 공간에 한정되므로, 리튬이 수지상 성장하여 분리막을 뚫고 전지의 단락을 유발하거나, 수지상 성장을 통해 전해질과의 계면이 증가함으로써 전해질의 지속적 분해를 유발하는 등의 기존의 금속음극의 문제를 해결할 수 있다. 이러한 기술을 이차전지에 적용하여, 고용량 및 급속 구동이 가능한 금속음극 기술의 장점을 살리면서, 전극의 부피변화, 수지상 성장에 의한 안정성 문제 및 싸이클 수명 문제를 해결함으로써, 궁극적으로 금속 음극을 활용한 고성능의 이차전지를 구현하는 것을 목적으로 한다.The present invention proposes a new anode structure that can solve the problems of the metal anode for secondary batteries. Specifically, it is proposed as a core technology to design a structure so that two sheets of conductive metal thin plates, which are current collectors, have a space between them, and to guide the metal electrodeposition to the space between them. From the application of this technology, in the case of a metal, for example, a lithium secondary battery, since the electrodeposition position of lithium metal is limited to the space in between, lithium grows dendrites to break through the separator and cause a short circuit of the battery, or through dendritic growth with the electrolyte and By increasing the interface of By applying this technology to secondary batteries, while taking advantage of the metal anode technology capable of high-capacity and rapid operation, the electrode volume change, stability problems caused by dendritic growth, and cycle life problems are resolved, ultimately using a metal anode. It aims to realize a high-performance secondary battery.

본 발명에서 제안하는 음극 구조체는, 두 장의 전도성 금속 박판 중 어느 일 이상의 각각의 일면에 전착방지층이 형성되고, 상기 두 장의 전도성 금속 박판의 금속 면이 서로 대향하도록 배치되는 두 장의 전도성 금속 박판; 및The negative electrode structure proposed by the present invention, an electrodeposition prevention layer is formed on each surface of at least one of the two sheets of conductive metal thin plates, the two sheets of conductive metal thin plates disposed so that the metal faces of the two thin conductive metal plates face each other; and

상기 두 장의 금속 박판 사이의 공간;을 포함하는 음극 구조체로서,As a negative electrode structure comprising a; space between the two thin metal plates,

이때, 상기 전착방지층이 형성된 전도성 금속 박판 및 그 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성되는 이차전지용 음극 구조체를 제공한다.In this case, there is provided an anode structure for a secondary battery in which the conductive metal thin plate on which the electrodeposition prevention layer is formed and the electrodeposition prevention layer have holes through which electrolytes and metal ions can move.

상기 음극 구조체는 두 장의 전도성 금속 박판 중 어느 하나의 일면에 전착방지층이 형성되고, 상기 전착방지층이 형성된 전도성 금속 박판 및 그 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성된 것일 수 있다.In the negative electrode structure, an electrodeposition prevention layer is formed on one surface of any one of the two thin conductive metal plates, and the conductive metal plate on which the electrodeposition prevention layer is formed and the electrodeposition prevention layer have holes through which electrolytes and metal ions can move.

또한, 상기 음극 구조체는 두 장의 전도성 금속 박판 모두의 각각의 일면에 전착방지층이 형성되고, 상기 전착방지층이 형성된 전도성 금속 박판 및 그 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성된 것일 수 있다.In addition, in the negative electrode structure, an electrodeposition prevention layer is formed on each side of each of the two thin conductive metal plates, and the conductive metal plate on which the electrodeposition prevention layer is formed and the electrodeposition prevention layer have holes through which electrolytes and metal ions can move. .

본 발명이 제안하는 음극 구조체 중, 두 장의 전도성 금속 박판 모두에 전착방지층 및 구멍이 형성된 음극 구조체를 도 1에 제시하였다. 또한, 본 발명과 기존 음극의 비교 도면을 도 2에 요약하였다. Among the anode structures proposed by the present invention, an anode structure in which an electrodeposition prevention layer and holes are formed on both thin conductive metal plates is shown in FIG. 1 . In addition, a comparative drawing of the present invention and a conventional anode is summarized in FIG. 2 .

도 2의 [1]은 집전체 위에 금속이 전착되는 금속 음극을 나타낸 것이다. 이 형태의 음극은 예를 들어 리튬이차전지의 경우 전지의 충전 시 리튬이 구리 집전체 위에 전착되고, 방전시에는 리튬이 탈착되어 양극으로 이동한다. 한 장의 집전체 외에 별도의 음극재를 사용하지 않으므로 에너지 밀도 측면에서 가장 유리하지만, 리튬의 전착 및 탈착시 집전체 위의 리튬 양이 변화함에 따라 상응하는 부피 변화가 발생하고, 이러한 부피 변화의 반복은 전극 및 전지 형상의 변형 및 안정성 문제를 유발할 수 있다. 또한, 전착 및 탈착을 반복함에 따라 리튬이 침상 및 수지상 성장을 하는 경향을 통상적으로 보이며, 이로 인해 리튬과 전해질 간 계면의 면적이 지속적으로 증가하게 된다. 계면의 면적이 증가하면서 계면에서의 부반응에 의한 전해질 분해 작용이 지속되어 전해질의 고갈을 유발한다. 또한 수지상으로 성장한 리튬이 결국에는 분리막을 손상시키고 양극 표면에 도달하여 전지 내부의 단락을 유발하며, 이로 인해 전지의 싸이클 수명 저하 및 발열 발화 등 안전성 문제를 유발하는 것으로 알려져 있다.[1] of FIG. 2 shows a metal negative electrode on which a metal is electrodeposited on a current collector. In this type of negative electrode, for example, in the case of a lithium secondary battery, lithium is electrodeposited on a copper current collector when the battery is charged, and lithium is desorbed and moved to the positive electrode during discharge. Since it does not use a separate anode material other than a single current collector, it is most advantageous in terms of energy density, but a corresponding volume change occurs as the amount of lithium on the current collector changes during electrodeposition and desorption of lithium, and this volume change is repeated Silver may cause deformation of the electrode and cell shape and stability problems. In addition, as the electrodeposition and desorption are repeated, lithium usually exhibits needle-like and dendrite growth, which results in a continuous increase in the area of the interface between lithium and the electrolyte. As the area of the interface increases, electrolyte decomposition by side reactions at the interface continues, leading to depletion of the electrolyte. In addition, it is known that lithium grown as a dendrite eventually damages the separator and reaches the surface of the positive electrode, causing a short circuit inside the battery, which causes safety problems such as reduced battery cycle life and exothermic ignition.

도 2의 [2]는 현재 상용화되고 있는 흑연 분말을 음극 활물질로 사용하는 음극을 나타낸 것으로, 구리 집전체 위에 음극 활물질인 흑연 분말이 도포되어 사용된다. 전지의 충전 시 리튬은 흑연 활물질의 결정 구조 내부에 원자단위로 저장된다. 리튬이 흑연의 결정 구조 내에 수용되므로 수지상 성장이 방지되고, 흑연이 전극의 부피를 유지하므로 전지의 충방전 시 음극의 부피 변화도 비교적 억제된다. 그러나 흑연 자체의 무게 및 부피로 인해 전극에서의 리튬이온의 수용 밀도가 낮아지므로 전지의 에너지 저장 밀도가 낮아진다. 또한 흑연의 결정 구조 내부로 리튬 이온이 삽입/탈리를 위해 확산하는 과정에서의 속도의 한계로 인해 전지의 구동 율속에 제한이 생기고 이로 인하여 급속 충방전에 한계가 있다.[2] of FIG. 2 shows a negative electrode using currently commercialized graphite powder as a negative electrode active material, and graphite powder, which is a negative electrode active material, is coated on a copper current collector and used. When the battery is charged, lithium is stored in the atomic unit within the crystal structure of the graphite active material. Since lithium is contained in the crystal structure of graphite, dendritic growth is prevented, and since graphite maintains the volume of the electrode, the volume change of the negative electrode during charging and discharging of the battery is also relatively suppressed. However, due to the weight and volume of graphite itself, the accommodating density of lithium ions in the electrode is lowered, so the energy storage density of the battery is lowered. In addition, due to the limitation of the rate in the process of diffusion of lithium ions for insertion/desorption into the crystal structure of graphite, the driving rate of the battery is limited, which limits rapid charge/discharge.

도 2의 [3]은 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 음극 구조체를 나타낸 것이다. 이는 두 장의 전도성 금속 박판 (집전체) 사이에 구조물이 사이 공간, 즉, 내부 공간을 확보하는 형태이다. 양 금속 박판 각각의 일면에 전착방지층을 결합함으로써, 금속 이온의 전착을 억제하고, 반면, 전착방지층이 결합된 면의 반대편 면, 즉 금속 박판의 서로 대향하는 면 또는 사이 공간을 확보하기 위한 구조물 표면에는 금속 이온의 전착을 유도하는 전착유도층을 형성하였다. 또한, 금속 박판 및 전착방지층에는 전해질의 통로 역할을 할 수 있는 미세한 구멍들을 가공한다. 이러한 전극 구조를 통해, 전지의 충전시 금속의 전착이 두 장의 금속 박판의 사이 공간에 한정되도록 한다. 예를 들어, 리튬이온전지에 적용할 경우, 리튬의 전착이 집전체 사이 공간 즉 내부 공간에 한정된다. 내부 공간을 확보하고 유지하는 형태의 구조물이므로 충방전시 전극의 부피 변화가 없고, 리튬의 수지상 성장이 이 공간 내에 제한되므로 지속적인 리튬-전해질 계면 면적의 증가 및 수지상 성장의 지속에 의한 양음극의 단락과 같은 문제를 방지할 수 있다. 요컨대, 본 발명에서 제안하는 구조는 금속음극의 문제점인 전극부피변화, 수지상 성장의 문제를 효과적으로 대응하면서도, 금속 음극의 강점인 고용량 및 급속 충전 특성을 활용한다. 이로부터 고 에너지 밀도, 고출력, 급속 충전, 안정성, 싸이클 수명 등에 있어 우수한 성능을 갖는 이차전지용 음극 및 이를 활용한 이차전지 기술을 제공한다.[3] of FIG. 2 shows an anode structure proposed in an embodiment of the present invention. This is a form in which the structure secures an interspace, ie, an internal space, between two thin conductive metal plates (current collectors). By bonding the electrodeposition prevention layer to one side of each of the thin metal plates, the electrodeposition of metal ions is suppressed, on the other hand, the surface opposite to the surface to which the electrodeposition prevention layer is bonded, that is, the surface of the metal thin plate opposite to each other or the surface of the structure for securing the space between them. An electrodeposition-inducing layer was formed to induce the electrodeposition of metal ions. In addition, the thin metal plate and the electrodeposition prevention layer are machined with fine holes that can serve as a passage for the electrolyte. Through this electrode structure, the electrodeposition of the metal is limited to the space between the two thin metal plates when the battery is charged. For example, when applied to a lithium ion battery, the electrodeposition of lithium is limited to the space between the current collectors, that is, the internal space. Since it is a structure that secures and maintains an internal space, there is no change in the volume of the electrode during charging and discharging, and since the dendritic growth of lithium is limited in this space, a continuous increase in the lithium-electrolyte interface area and short circuit of the anode due to the continuation of dendritic growth problems such as this can be avoided. In short, the structure proposed in the present invention effectively responds to the problems of electrode volume change and dendrite growth, which are problems of the metal anode, and utilizes the high capacity and fast charging characteristics, which are the strengths of the metal anode. From this, an anode for a secondary battery having excellent performance in high energy density, high output, fast charging, stability, cycle life, and the like, and a secondary battery technology using the same are provided.

본 발명의 일 측면은,One aspect of the present invention is

전착방지층이 각각의 일면에 결합되고, 상기 전착방지층이 결합된 면의 반대편 금속 면이 서로 대향하도록 배치되는 두 장의 전도성 금속 박판; 및Two sheets of conductive metal thin plate having an anti-electrodeposition layer coupled to each side, and disposed so that the opposite metal surface of the surface to which the anti-electrodeposition layer is coupled faces each other; and

상기 두 장의 금속 박판 사이의 공간;을 포함하는 이차전지용 음극 구조체에 있어서, In the anode structure for a secondary battery comprising a; space between the two thin metal plates,

상기 금속 박판 및 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성되는 것인, 이차전지용 음극 구조체를 제공한다.It provides a negative electrode structure for a secondary battery, which is formed in the metal thin plate and the electrodeposition prevention layer is a hole through which the electrolyte and metal ions can move.

상기 두 장의 전도성 금속 박판은 음극의 형태를 유지하고 음극재를 지지하는 집전체일 수 있다. The two sheets of conductive metal thin plate may be a current collector that maintains the shape of the negative electrode and supports the negative electrode material.

이때, 상기 두 장의 전도성 금속 박판의 서로 대향하도록 배치되는 금속 면은 상기 음극 구조체의 내부 면, 상기 전착방지층이 결합된 면은 상기 음극 구조체의 대극 방향 면이라 할 수 있고, 상기 두 장의 금속 박판 사이의 공간은 상기 음극 구조체의 내부 공간이라 할 수 있다.At this time, the metal surface disposed to face each other of the two sheets of conductive metal thin plates is the inner surface of the negative electrode structure, and the surface to which the electrodeposition prevention layer is coupled is the opposite electrode direction surface of the negative electrode structure, and between the two sheets of thin metal plates The space of can be referred to as the internal space of the negative electrode structure.

이차전지의 충, 방전 과정에서 금속 이온이 상기 음극 구조체의 금속 박판 사이 공간에 서로 대향하도록 배치되는 금속 면 상에 금속 상태로 전착 및 탈착 되는 것을 특징으로 한다. In the charging and discharging process of the secondary battery, it is characterized in that the metal ions are electrodeposited and desorbed in a metallic state on the metal surface disposed to face each other in the space between the thin metal plates of the negative electrode structure.

이때, 상기 전착방지층이 상기 사이 공간의 반대편인 대극 방향 면에 형성됨으로써, 상기 금속 이온이 상기 음극 구조체의 대극 방향 면에 전착 및 탈착 되는 것이 방지되고,At this time, since the electrodeposition prevention layer is formed on the opposite electrode direction surface opposite to the interspace, electrodeposition and desorption of the metal ions on the opposite electrode direction surface of the negative electrode structure is prevented,

상기 금속 박판 및 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성되어, 전해질 및 금속 이온이 음극 구조체의 두 장의 금속 박판의 사이 공간, 즉 내부 공간으로 이동할 수 있다. Holes are formed in the thin metal plate and the electrodeposition prevention layer through which electrolytes and metal ions can move, so that the electrolyte and metal ions can move into the space between the two thin metal plates of the negative electrode structure, that is, the internal space.

상기 구조체는 두 장의 전도성 금속 박판 모두에 절연방지층 및 구멍이 형성된 형태로 제작되어, 양 방향으로 사용 가능하며, 상용 이차전지에서와 같이 양쪽 방향의 양극으로부터 금속 이온을 수용할 수 있다. The structure is manufactured in a form in which an insulation prevention layer and a hole are formed on both thin conductive metal plates, can be used in both directions, and can receive metal ions from anodes in both directions as in a commercial secondary battery.

금속-황 금속 공기 전지와 같이 작동 원리상 전착 대상 금속이 음극에 포함되어 제작되어야 하는 이차전지이거나 비가역 용량, 즉 전지 구동 중 금속 이온의 보상이 필요한 경우, 상기 구조체 내부에 전착 대상 금속을 함유시킬 수 있고, 예를 들어 리튬이온전지의 경우 리튬금속을 소량 함유시킬 수 있다. In the case of a secondary battery in which the metal to be electrodeposited is included in the negative electrode in principle of operation, such as a metal-sulfur metal-air battery, or when compensation for irreversible capacity, that is, metal ions during battery operation, is required, the structure can contain the metal to be electrodeposited. and, for example, in the case of a lithium ion battery, a small amount of lithium metal may be contained.

상기 구멍의 평균 직경은 전해질 및 금속 이온이 용이하게 통과할 수 있는 크기라면 제한 없이 적용 가능하나, 일 구체예로 1 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있고, 1 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있고, 1 ㎛ 내지 250 ㎛일 수 있고, 1 ㎛ 내지 220 ㎛일 수 있고, 10 ㎛ 내지 1000 ㎛일 수 있고, 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있고, 10 ㎛ 내지 250 ㎛ 일 수 있고, 10 ㎛ 내지 220 ㎛ 일 수 있고, 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있고, 80 ㎛ 내지 250 ㎛ 일 수 있고, 90 ㎛ 내지 220 ㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 200 ㎛일 수 있다. The average diameter of the pores can be applied without limitation as long as it has a size that allows electrolytes and metal ions to pass easily, but in one embodiment may be 1 μm to 1000 μm, 1 μm to 500 μm, and 1 μm to 300 μm, 1 μm to 250 μm, 1 μm to 220 μm, 10 μm to 1000 μm, 10 μm to 500 μm, 10 μm to 250 μm, , may be 10 μm to 220 μm, may be 50 μm to 300 μm, may be 80 μm to 250 μm, may be 90 μm to 220 μm, and preferably may be 200 μm.

또한, 상기 두 장의 금속 박판의 평균 두께는 각각 독립적으로 1 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 14 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 13 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 12 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 11 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있고, 1 ㎛ 내지 9 ㎛일 수 있고, 2 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있고, 3 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있고, 4 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 2 ㎛ 내지 14 ㎛일 수 있고, 2 ㎛ 내지 12 ㎛일 수 있고, 2 ㎛ 내지 11 ㎛ 일 수 있고, 2 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있고, 4 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있고, 4 ㎛ 내지 9 ㎛일 수 있고, 가장 바람직하게는 6 ㎛일 수 있다. In addition, the average thickness of the two thin metal plates may be each independently 1 μm to 15 μm, 1 μm to 14 μm, 1 μm to 13 μm, 1 μm to 12 μm, 1 μm to 11 μm, 1 μm to 10 μm, 1 μm to 9 μm, 2 μm to 15 μm, 3 μm to 15 μm, 4 μm to 15 μm may be 2 μm to 14 μm, may be 2 μm to 12 μm, may be 2 μm to 11 μm, may be 2 μm to 10 μm, may be 3 μm to 10 μm, 4 It may be from ㎛ to 10 ㎛, 4 ㎛ to 9 ㎛, most preferably 6 ㎛.

상기 전착방지층의 평균 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 1 내지 100 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 100 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 12 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 12 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 11 ㎛일 수 있고, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 일 수 있다. The average thickness of the electrodeposition prevention layer may be 0.1 μm to 100 μm, may be 0.1 μm to 50 μm, may be 0.1 μm to 20 μm, may be 0.1 μm to 15 μm, and may be 1 to 100 μm, and , 1 μm to 50 μm, 1 μm to 20 μm, 1 μm to 15 μm, 3 μm to 100 μm, 3 μm to 50 μm, 3 μm to 20 It can be from 3 μm to 15 μm, it can be from 3 μm to 12 μm, it can be from 5 μm to 20 μm, it can be from 5 μm to 15 μm, it can be from 5 μm to 12 μm, It may be 5 μm to 11 μm, and most preferably 10 μm.

또한, 상기 사이 공간에는, 전지의 충, 방전시 음극 구조체의 부피를 일정하게 유지시키고, 사이 공간을 안정적으로 형성시키기 위하여, 상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이에 구조물을 구비할 수 있다.In addition, in the interspace, in order to maintain a constant volume of the negative electrode structure during charging and discharging of the battery and stably forming the interspace, a structure may be provided between the two sheets of conductive metal thin plates.

이때, 상기 구조물은 3차원 형상을 가지고, 사이 공간을 안정적으로 형성시킬 수 있는 형상이라면 제한없이 적용 가능하며, 입자상, 섬유상 또는 메쉬 형태를 갖는 것일 수 있다.In this case, the structure can be applied without limitation as long as it has a three-dimensional shape and a shape capable of stably forming an interspace, and may have a particulate, fibrous or mesh shape.

일 구체예로 금속, 세라믹 또는 플라스틱 재질의 메쉬를 사용할 수도 있고, 금속, 세라믹, 플라스틱 재질의 비드를 분산하여 사용할 수도 있다. 또한, 무게를 줄이기 위하여 여러 재질의 코어-쉘(core-shell) 구조를 사용할 수 있는데, 예를 들어 플라스틱 또는 유기 섬유 재질의 메쉬 표면에 금속 또는 세라믹을 코팅하여 사용할 수도 있다. In one embodiment, a mesh made of a metal, ceramic, or plastic material may be used, or beads made of a metal, ceramic, or plastic material may be dispersed and used. In addition, in order to reduce the weight, a core-shell structure of various materials may be used. For example, a metal or ceramic may be coated on the surface of a mesh made of plastic or organic fiber.

만약, 상기 구조물로 메쉬 형태를 채택할 경우, 상기 두 장의 금속 박판 사이의 간격을 형성하는 메쉬의 평균 두께는 두 장의 전도성 금속 박판의 사이 공간을 형성할 수 있다면 제한 없이 적용 가능하나, 일 구체예로 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 30 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 50 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 100 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 150 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 170 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 190 ㎛ 내지 1000 ㎛ 일 수 있고, 10 ㎛ 내지 1000 ㎛일 수 있고, 10 ㎛ 내지 750 ㎛ 일 수 있고, 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있고, 10 ㎛ 내지 250 ㎛ 일 수 있고, 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있고, 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있고, 150 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있고, 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있고, 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있고, 150 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있고, 170 ㎛ 내지 250 ㎛ 일 수 있고, 170 ㎛ 내지 220 ㎛ 일 수 있고, 190 ㎛ 내지 220 ㎛ 일 수 있고, 가장 바람직하게는 200 ㎛ 일 수 있다. If a mesh shape is adopted as the structure, the average thickness of the mesh forming the gap between the two thin metal plates can be applied without limitation as long as it can form a space between the two thin conductive metal plates, but in one embodiment 10 μm to 1000 μm, 30 μm to 1000 μm, 50 μm to 1000 μm, 100 μm to 1000 μm, 150 μm to 1000 μm, 170 μm to 1000 It can be from 190 μm to 1000 μm, from 10 μm to 1000 μm, from 10 μm to 750 μm, from 10 μm to 500 μm, from 10 μm to 250 μm, 50 μm to 500 μm, 100 μm to 500 μm, 150 μm to 500 μm, 50 μm to 300 μm, 100 μm to 300 μm, 150 μm to 300 μm may be, may be 170 µm to 250 µm, may be 170 µm to 220 µm, may be 190 µm to 220 µm, and most preferably may be 200 µm.

상기 두 장의 전도성 금속 박판의 서로 대향하는 금속 면들 중 최소한 일부에 또는 상기 구조물의 표면에 금속 이온의 전착을 활성화하기 위한 전착유도층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온전지의 경우, 리튬 이온의 전착을 활성화하기 위하여 친리튬(lithiophilic) 성질을 갖는 것으로 알려진 산화아연, 실리콘, 황 등이 사용될 수 있으며, 리튬의 전착을 도울 수 있는 다른 물질의 사용도 가능하다.An electrodeposition-inducing layer for activating electrodeposition of metal ions may be formed on at least a portion of the opposite metal surfaces of the two thin conductive metal plates or on the surface of the structure. For example, in the case of a lithium ion battery, zinc oxide, silicon, sulfur, etc., which are known to have lithiophilic properties, may be used to activate the electrodeposition of lithium ions, and other materials that can help the electrodeposition of lithium may be used. It is also possible to use

또한, 상기 전착유도층의 전착유도 기능을 극대화하기 위하여 나노 또는 마이크로미터 스케일의 돌기 형태로 제작하여 표면적을 최대화시킬 수 있다. In addition, in order to maximize the electrodeposition-inducing function of the electrodeposition-inducing layer, the surface area can be maximized by manufacturing in the form of nano- or micrometer-scale projections.

한편, 상기 두 장의 전도성 금속 박판의 사이 공간에 전착 대상 금속을 복합하여 제작하는 형태로 변형할 수도 있다. 예를 들어, 리튬이온 전지의 경우, 리튬 박을 사이 공간에 삽입하거나 공간 확보를 위해 삽입되는 구조물을 리튬 금속으로 코팅 또는 복합하는 방식으로 구현할 수 있다.On the other hand, it may be deformed in a form in which the electrodeposition target metal is composited in the space between the two thin conductive metal plates. For example, in the case of a lithium ion battery, a lithium foil may be inserted into the space or a structure inserted to secure a space may be implemented by coating or compounding the structure with lithium metal.

금속-황 또는 금속-공기 전지와 같이 이차전지의 구동 원리 상 전착 대상 금속을 음극에 포함된 형태로 제작되어야 하는 전지에 응용하는 경우, 이러한 방식을 통하여 음극에 전착 대상 금속을 복합된 형태로 구현할 수 있으며, 금속 이온의 비가역적 손실을 음극으로부터 보상하고자 하는 경우에 있어서 방안으로 보완될 수 있다.In the case of applying the metal-sulfur or metal-air battery to a battery in which the metal to be electrodeposited must be manufactured in a form that is included in the negative electrode due to the driving principle of the secondary battery, the metal to be electrodeposited in the negative electrode can be implemented in a complex form through this method. In the case of compensating for the irreversible loss of metal ions from the cathode, it can be supplemented by a method.

상기 음극 구조체는 금속 이온을 매개로 하는 이차전지, 예를 들어 리튬이온전지, 나트륨이온전지, 알루미늄이온전지, 마그네슘이온전지, 칼슘이온전지, 칼륨이온전지 등에 적용이 가능하다.The negative electrode structure can be applied to a secondary battery mediated by metal ions, for example, a lithium ion battery, a sodium ion battery, an aluminum ion battery, a magnesium ion battery, a calcium ion battery, a potassium ion battery, and the like.

상기 전도성 금속 박판은 집전체로서, 상용의 리튬이온전지의 경우 구리 박이 바람직하나, 그 외에 전도성을 갖는 금속, 예를 들어 알루미늄, 철, 스테인리스, 니켈, 은, 금, 마그네슘, 티타늄 및 이들의 금속을 기반으로 하는 합금 등을 사용할 수도 있다.The conductive metal thin plate is a current collector, and in the case of a commercial lithium ion battery, copper foil is preferable, but other conductive metals such as aluminum, iron, stainless steel, nickel, silver, gold, magnesium, titanium, and metals thereof It is also possible to use an alloy based on the.

상기 전착방지층은, 금속 이온이 전도성 금속 박판으로부터 이동해오는 전자에 의해 환원되고 전착되는 것을 억제할 수 있도록, 전자의 이동을 차단함으로써 금속 이온의 환원 및 전착을 방지하기 위하여 절연성을 가질 수 있다.The electrodeposition prevention layer may have insulating properties to prevent reduction and electrodeposition of metal ions by blocking the movement of electrons so as to inhibit metal ions from being reduced and electrodeposited by electrons moving from the conductive metal thin plate.

상기 전착방지층은 절연성을 가진 재료이면 금속, 세라믹, 폴리머 등을 사용할 수 있으며, 리튬이온전지의 경우, 소리튬(Lithophobic) 표면 특성을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 전극의 무게를 줄이기 위하여 폴리머 재료, 일 구체예에서 PVA 또는 PVC가 사용될 수 있고, 세라믹 계통의 고체 전해질 절연층의 사용도 가능하다. If the electrodeposition prevention layer is an insulating material, a metal, a ceramic, a polymer, etc. may be used, and in the case of a lithium ion battery, it is more preferable to have a lithium (Lithophobic) surface characteristic. In addition, in order to reduce the weight of the electrode, a polymer material, PVA or PVC in one embodiment, may be used, and it is also possible to use a ceramic-based solid electrolyte insulating layer.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 이차전지용 음극 구조체는, 리튬이차전지의 경우, 리튬 금속의 전착 위치가 두 장의 전도성 금속 박판 사이 공간으로 한정되므로, 리튬이 수지상 성장하여 분리막을 뚫고 전지의 단락을 유발하거나, 수지상 성장을 통해 전해질 계면이 증가함으로써 전해질의 지속적 분해를 유발하는 등의 기존의 금속 음극의 문제를 극복할 수 있는 효과가 있다.In the negative electrode structure for a secondary battery provided in one aspect of the present invention, in the case of a lithium secondary battery, since the electrodeposition position of lithium metal is limited to the space between two conductive metal thin plates, lithium dendritic growth penetrates the separator and causes a short circuit of the battery Alternatively, there is an effect that can overcome the problems of the conventional metal anode, such as causing continuous decomposition of the electrolyte by increasing the electrolyte interface through dendrite growth.

또한, 리튬 금속의 전착 및 탈착이 음극 구조체를 구성하는 두 장의 금속 박판 사이 공간에서 이루어짐으로써, 전체 전극의 부피가 일정하게 유지되어 내구성이 우수한 효과가 있다.In addition, since the electrodeposition and desorption of lithium metal is performed in the space between the two thin metal plates constituting the anode structure, the volume of the entire electrode is kept constant, thereby providing excellent durability.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 음극은 고용량의 급속충전 가능한 특성을 갖는 동시에 수명 및 안정성이 개선되는 우수한 효과를 갖는다.Accordingly, the negative electrode for a secondary battery according to the present invention has an excellent effect of improving lifespan and stability while having characteristics of high capacity and rapid charging.

본 발명의 다른 일 측면에서는,In another aspect of the present invention,

두 장의 전도성 금속 박판을 준비하는 단계;Preparing two sheets of conductive metal thin plates;

상기 두 장의 전도성 금속 박판의 각각의 일면에 전착방지층을 도포한 후 구멍을 형성하는 단계;forming a hole after applying an electrodeposition prevention layer to each side of the two thin conductive metal plates;

상기 두 장의 전도성 금속 박판의 상기 전착방지층이 도포된 면의 반대편 금속 면이 서로 대향하도록 배치하되 그 사이의 공간이 확보되도록 조립하는 단계;를 포함하는, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지용 음극 구조체의 제조방법을 제공한다.A negative electrode for a secondary battery provided in one aspect of the present invention, including; assembling so that the metal surfaces opposite to the surface on which the electrodeposition prevention layer is applied of the two thin conductive metal plates are disposed to face each other and a space therebetween is secured A method for manufacturing a structure is provided.

이때, 상기 두 장의 전도성 금속 박판 조립 과정에서, 전착방지층은 상기 두 장의 금속 박판의 사이 공간의 반대편인 대극 방향 면에 형성되어야 하며, 이로써 금속 이온이 상기 음극 구조체의 대극 방향 면에 전착 및 탈착 되는 것이 방지될 수 있게 된다. At this time, in the process of assembling the two thin conductive metal plates, the electrodeposition prevention layer should be formed on the opposite electrode direction surface opposite to the space between the two thin metal plates, whereby metal ions are electrodeposited and desorbed on the opposite electrode direction surface of the negative electrode structure can be prevented.

또한, 상기 구멍을 형성하기 이전에, 상기 두 장의 전도성 금속 박판의 각각의 일면에 도포한 전착방지층을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전착방지층은 건조 후 평균 두께가 전술한 바와 동일하게 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 1 내지 100 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 1 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 100 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 3 ㎛ 내지 12 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 12 ㎛ 일 수 있고, 5 ㎛ 내지 11 ㎛일 수 있고, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 일 수 있다.In addition, prior to forming the hole, it may further include the step of drying the electrodeposition prevention layer applied to each side of the two thin conductive metal plates. The electrodeposition prevention layer may have an average thickness after drying of 0.1 μm to 100 μm, 0.1 μm to 50 μm, 0.1 μm to 20 μm, 0.1 μm to 15 μm, and the same as described above. 1 to 100 μm, 1 μm to 50 μm, 1 μm to 20 μm, 1 μm to 15 μm, 3 μm to 100 μm, 3 μm to 50 μm can be 3 μm to 20 μm, 3 μm to 15 μm, 3 μm to 12 μm, 5 μm to 20 μm, 5 μm to 15 μm, 5 μm It may be 12 μm to 12 μm, 5 μm to 11 μm, and most preferably 10 μm.

상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이에 공간을 확보하는 단계는 상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이에 구조물을 구비시키는 단계를 포함할 수 있다.The securing of a space between the two thin conductive metal plates may include providing a structure between the two thin conductive metal plates.

상기 구조물은 사이 공간을 안정적으로 형성시킬 수 있는 형상이라면 제한없이 적용 가능하며, 입자상, 섬유상 또는 메쉬 형태를 갖는 것일 수 있다.The structure can be applied without limitation as long as it has a shape capable of stably forming an interspace, and may have a particulate, fibrous or mesh form.

상기 메쉬 형태의 구조물을 채택한 경우, 메쉬의 각 빈 공간과 상기 전도성 금속 박판 및 전착방지층에 형성된 각 구멍의 위치가 일치하도록 위치를 조절하는(alignment) 단계를 더 포함할 수 있다. When the mesh-type structure is adopted, the method may further include a step of aligning the positions so that each empty space of the mesh matches the positions of the holes formed in the conductive metal thin plate and the electrodeposition prevention layer.

본 발명의 또 다른 일 측면에서는,In another aspect of the present invention,

본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지용 음극 구조체를 음극으로 포함하는 이차전지를 제공한다.A secondary battery comprising the anode structure for a secondary battery provided in one aspect of the present invention as an anode is provided.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 음극 구조체는, 리튬이차전지의 경우, 리튬 금속의 전착 위치가 두 장의 전도성 금속 박판 사이 공간으로 한정되므로, 리튬이 수지상 성장하여 분리막을 뚫고 전지의 단락을 유발하거나, 수지상 성장을 통해 전해질 계면이 증가함으로써 전해질의 지속적 분해를 유발하는 등의 기존의 금속 음극의 문제를 극복할 수 있는 효과가 있다. In the anode structure provided in one aspect of the present invention, in the case of a lithium secondary battery, since the electrodeposition position of lithium metal is limited to the space between two conductive metal thin plates, lithium dendritic growth penetrates the separator and causes a short circuit of the battery, By increasing the electrolyte interface through dendrite growth, there is an effect that can overcome the problems of the conventional metal anode, such as causing continuous decomposition of the electrolyte.

또한, 리튬 금속의 전착 및 탈착이 음극 구조체를 구성하는 두 장의 금속 박판 사이 공간에서 이루어짐으로써, 전체 전극의 부피가 일정하게 유지되어 내구성이 우수한 효과가 있다. In addition, since the electrodeposition and desorption of lithium metal is performed in the space between the two thin metal plates constituting the anode structure, the volume of the entire electrode is kept constant, thereby providing excellent durability.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 음극은 고용량의 급속충전 가능한 특성을 갖는 동시에 수명 및 안정성이 개선되는 우수한 효과를 갖는다.Accordingly, the negative electrode for a secondary battery according to the present invention has an excellent effect of improving lifespan and stability while having characteristics of high capacity and rapid charging.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples.

단, 후술하는 실시예 및 실험예는 본 발명을 일 측면에서 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.However, the Examples and Experimental Examples described below are merely illustrative of the present invention in detail in one aspect, and the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> 본 발명의 음극 구조체, 및 이를 포함하는 전지 제작<Example 1> Preparation of the negative electrode structure of the present invention, and a battery comprising the same

두 장의 구리 박판을 준비하여, 두 장의 금속 박판 모두 한쪽 면에 전착방지 물질인 폴리비닐알코올(PVA) 수용액을 도포하여 건조시킨 후 직경이 약 200 ㎛인 미세한 구멍들을 가공하였다.Two thin copper plates were prepared, and an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA), an electrodeposition preventing material, was applied to one side of both thin metal plates and dried, and then fine holes having a diameter of about 200 μm were processed.

니켈 도금된 나일론 메쉬를 구리 박판 사이 공간 확보를 위한 구조물로 준비하였다. 메쉬의 표면을 전착유도물질인 산화아연으로 코팅하였는데, 표면적의 증가를 위해 산화아연층은 나노막대 입자들의 돌기 형태로 구성되도록 하였다. 상기 메쉬에 70 ㎛ 두께의 리튬 박을 겹쳐 압착함으로써, 소량의 리튬 금속과 메쉬가 복합되도록 하였다.A nickel-plated nylon mesh was prepared as a structure for securing space between thin copper plates. The surface of the mesh was coated with zinc oxide, an electrodeposition inducing material. To increase the surface area, the zinc oxide layer was configured in the form of projections of nanorod particles. A small amount of lithium metal and the mesh were combined by overlapping and pressing a lithium foil having a thickness of 70 μm on the mesh.

상기 리튬-메쉬 복합체를 상기 두 장의 구리 박판의 PVA 층이 형성되지 않은 금속 면 사이에 삽입하여, 최종적으로 도 1에 도시한 바와 같이, 전착방지층이 일면에 코팅되고 구멍을 형성한 두 장의 구리 박판 사이에 전착유도층이 표면에 형성된 메쉬와 리튬 금속의 복합체가 삽입된 형태의 구조체를 제작하였다. The lithium-mesh composite is inserted between the metal surfaces on which the PVA layer is not formed of the two thin copper plates, and finally, as shown in FIG. A structure in which a composite of a mesh and lithium metal formed on the surface of an electrodeposition inducing layer was inserted was fabricated.

구조체 제작에 사용된 구리 박의 두께는 6 ㎛이고, PVA 코팅층의 건조 후 두께는 10 ㎛가 되도록 도포량을 조절하였다. 사용된 니켈 메쉬는 #30 규격으로 메쉬의 두께는 약 200 ㎛이고, 리튬 박의 두께는 70 ㎛이었다.The thickness of the copper foil used to fabricate the structure was 6 μm, and the coating amount was adjusted so that the thickness after drying of the PVA coating layer was 10 μm. The nickel mesh used was #30 standard, and the thickness of the mesh was about 200 μm, and the thickness of the lithium foil was 70 μm.

두 장의 구리 박판, 리튬 박 및 니켈 메쉬는 모두 코인셀 제작 규격에 맞춰 14 mm 직경의 원형으로 펀칭하였으며, 따라서 이들을 조합한 구조체 또한 Φ14 mm로 제작되었다. 이 구조체를 전극으로 사용하고 0.5 mm 두께의 리튬 칩을 대극으로 사용하여 2032형 코인 전지를 제작하였다.Two sheets of copper thin plate, lithium foil and nickel mesh were all punched out in a 14 mm diameter circle in accordance with the coin cell manufacturing standard, and thus, a structure combining them was also manufactured in Φ14 mm. A 2032-type coin battery was manufactured using this structure as an electrode and a 0.5 mm thick lithium chip as a counter electrode.

<실시예 2> 본 발명의 음극 구조체 및 이를 포함하는 전지 제작<Example 2> Preparation of the negative electrode structure of the present invention and a battery comprising the same

상기 실시예 1에 있어서, 구조물인 니켈 도금된 나일론 메쉬 표면에 전착유도 물질인 산화아연을 코팅하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 구조체를 제작하였다. In Example 1, an anode structure was manufactured in the same manner as in Example 1, except that zinc oxide, an electrodeposition inducing material, was not coated on the surface of the nickel-plated nylon mesh as a structure.

<실시예 3> 본 발명의 음극 구조체 및 이를 포함하는 전지 제작<Example 3> Preparation of the negative electrode structure of the present invention and a battery comprising the same

상기 실시예 1에서, 집전체인 두 장의 구리 박판의 표면에 전착방지 물질인 PVA를 코팅하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 구조체를 제작하였다. In Example 1, an anode structure was manufactured in the same manner as in Example 1, except that PVA, an electrodeposition preventing material, was not coated on the surfaces of the two copper thin plates as the current collector.

<비교예 1> 흑연 음극재를 포함하는 전지 제작 <Comparative Example 1> Preparation of a battery including a graphite negative electrode material

상용의 흑연 음극을 비교 대상으로 평가하였다. 상용 천연 흑연 음극재, 바인더, 도전재가 8:1:1 중량비로 구성되는 슬러리를 6 μm 두께의 구리 박판 집전체에 도포 후 건조하였다. 이를 압연 및 Φ14 mm 크기로 펀칭하고, 80℃에서 24시간 진공 건조 후 이를 전극으로 사용하여 2032형 코인셀을 제작하였다. 단위 집전체 면적당 음극재의 도포량은 20±5 mg/cm2 범위에서 제어하였다. 흑연을 음극활물질로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 코인셀을 제작하였다.A commercial graphite anode was evaluated as a comparative object. A slurry composed of a commercial natural graphite negative electrode material, a binder, and a conductive material in a weight ratio of 8:1:1 was applied to a 6 μm-thick copper thin plate current collector and dried. This was rolled and punched to a size of Φ14 mm, vacuum dried at 80° C. for 24 hours, and then used as an electrode to fabricate a 2032-type coin cell. The application amount of the negative electrode material per unit area of the current collector was controlled in the range of 20±5 mg/cm2. A coin cell was manufactured under the same conditions as in Example 1, except that graphite was used as an anode active material.

<비교예 2> 단일의 금속 집전체를 사용한 음극을 포함하는 전지 제작<Comparative Example 2> Preparation of a battery including a negative electrode using a single metal current collector

음극 구조체 대신, 단일의 구리 박판 집전체만을 사용하여, 구리 박판 표면에서 리튬이 노출된 형태로 전착되는 방식의 전극을 사용하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 코인셀을 제작하였다.Instead of a negative electrode structure, only a single copper thin plate current collector was used, and an electrode of a method in which lithium was exposed on the copper thin plate surface was used as an electrode. Other than that, a coin cell was manufactured under the same conditions as in Example 1.

<실험예 1> 리튬의 전착 위치 확인<Experimental Example 1> Confirmation of the electrodeposition position of lithium

본 발명의 실시예를 통하여 리튬 전착 시 수지상 성장이 확장되는 것을 억제하고 전극의 부피 변화를 방지할 수 있는 새로운 음극 구조체를 제안하였다. 이러한 전극 구조를 통하여 리튬이 전극의 전면이 아니라 배후의 내부 공간에 전착되도록 유도하고, 이로부터 수지상 성장물이 양극 방향으로 돌출하는 문제 및 수지상 성장에 의해 지속적 전해질 분해 반응을 일으키는 것을 억제하는 것을 의도하였다. 즉, 리튬금속음극을 안전하게 장수명으로 사용함으로써 기존의 상용 흑연 음극 대비 고용량, 고출력, 장수명, 안전성이 우수한 이차전지용 음극을 구현하고자 하였으며, 이러한 발명의 의도가 구현되었는지 여부를 실시예 및 비교예를 통한 샘플 제작과 평가를 통해 점검하였다.Through the embodiment of the present invention, a new negative electrode structure capable of suppressing the expansion of dendritic growth during lithium electrodeposition and preventing the volume change of the electrode was proposed. Through this electrode structure, lithium is induced to be electrodeposited in the inner space behind the electrode rather than on the front surface, and it is intended to suppress the problem of dendritic growth protruding in the anode direction and the continuous electrolyte decomposition reaction caused by dendrite growth. did. In other words, by safely using a lithium metal anode for a long lifespan, it was intended to realize a secondary battery negative electrode with high capacity, high output, long lifespan, and safety compared to the existing commercial graphite negative electrode, and whether the intention of this invention was realized through Examples and Comparative Examples It was checked through sample preparation and evaluation.

보다 구체적으로, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제작한 코인셀을 -0.05~0.50 V의 전압 범위에서 1.5 mA(단위면적당 환산 시 1.0 mA/cm2) 및 15 mA(면적당 환산 시 10 mA/cm2)의 전류로 충방전을 실시하여 용량을 측정하였다. 실시예 1의 경우, 구조체 내부에서만 전착이 일어나는 것을 본 발명에서 의도하므로, 외면에 리튬이 전착되지 않는 범위에서 구조체가 수용할 수 있는 리튬의 전착량을 평가하고, 이로부터 용량을 환산하였다. 이후 15 mA의 전류(단위면적당 환산 시 10 mA/cm2의 전류)로 30분간 충전 30분간 방전의 조건으로 ±0.50 V 전압 제한 범위에서 충방전을 반복하였다. 이는 7.5 mAh(단위면적당 환산 시 5.0 mAh/cm2)의 용량을 2 C의 율속으로 반복 구동한 것에 해당된다. 이와 같은 조건으로 총 1000회의 싸이클 구동 테스트하였다.More specifically, the coin cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to 1.5 mA (1.0 mA/cm 2 in conversion per unit area) and 15 mA (10 mA/ in conversion per area) in a voltage range of -0.05 to 0.50 V. cm 2 ) The capacity was measured by charging and discharging with an electric current. In the case of Example 1, since it is intended in the present invention that electrodeposition occurs only inside the structure, the amount of lithium electrodeposition that the structure can accommodate in a range in which lithium is not electrodeposited on the outer surface was evaluated, and the capacity was converted therefrom. Thereafter, charging and discharging were repeated in the ±0.50 V voltage limit range under the condition of charging and discharging for 30 minutes at a current of 15 mA (current of 10 mA/cm 2 in terms of unit area). This corresponds to repeatedly driving a capacity of 7.5 mAh (5.0 mAh/cm 2 in terms of unit area) at a rate of 2 C. A total of 1000 cycle driving tests were performed under these conditions.

본 발명의 핵심 개념인, 구조체 내부 공간으로의 리튬 전착 및 구조체 외면에서의 리튬 전착억제의 기능이 구현되었는지 여부를 확인하기 위하여, 실시예 1의 코인셀을 100번의 충방전 싸이클 후 리튬이 전착된 상태에서 해체하였다. 이로부터 추출한 전극 샘플을 분해하여, 구리 박판의 전착방지층이 형성된 외면, 그 반대편의 내면, 구조물인 메쉬의 표면을 각각 관찰하여 리튬의 전착 상태를 파악하였다. 이로부터, 리튬의 전착이 본 발명에서 의도한 바와 같이 음극 구조체의 내부로 유도 및 한정되는지 여부를 판별하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to confirm whether the function of inhibiting lithium electrodeposition in the structure internal space and lithium electrodeposition on the outer surface of the structure, which is the core concept of the present invention, was implemented, the coin cell of Example 1 was subjected to 100 charge/discharge cycles after lithium electrodeposition was performed. disassembled in condition. The electrode sample extracted from this was disassembled, and the electrodeposition state of lithium was identified by observing the outer surface of the thin copper plate on which the electrodeposition prevention layer was formed, the opposite inner surface, and the surface of the mesh as a structure. From this, it was determined whether the electrodeposition of lithium was induced and limited to the inside of the negative electrode structure as intended in the present invention. The results are shown in FIG. 4 .

관찰 결과, 도 4에 제시한 바와 같이, 구조체의 외면, 즉 PVA가 코팅된 양전극 방향 면에서는 리튬의 전착이 나타나지 않았다(도 4의 [1]). 반면, 그 반대편의 구리 박판이 서로 대향하는 면 및 공간 확보를 위해 삽입된 메쉬 표면에는 다량의 리튬이 전착되어 있는 것을 볼 수 있다 (도 4의 [2], [3]). 이로부터, 본 발명에서 의도한 바와 같이 리튬의 전착이 구조체 내부로만 제한되고, 음극 구조체의 외부로는 리튬의 성장이 이루어지지 않으며, 따라서 전착 리튬이 내부 공간에 갇힘으로써 수지상 성장이 외부로 확장되는 것을 억제할 수 있는 효과를 확인하였다.As a result of the observation, as shown in FIG. 4, lithium electrodeposition did not appear on the outer surface of the structure, that is, the PVA-coated positive electrode direction ([1] in FIG. 4). On the other hand, it can be seen that a large amount of lithium is electrodeposited on the surface of the opposite side of the thin copper plates facing each other and on the surface of the mesh inserted to secure space ([2], [3] in FIG. 4). From this, as intended in the present invention, the electrodeposition of lithium is limited only to the inside of the structure, and the growth of lithium is not made to the outside of the anode structure, so that the dendritic growth is extended to the outside as the electrodeposition lithium is trapped in the inner space. It was confirmed that the effect to suppress the

<실험예 2> 리튬이온전지 음극으로서의 성능 평가 (1)<Experimental Example 2> Performance evaluation as a lithium ion battery negative electrode (1)

실시예 1 및 비교예 1에 대하여, 리튬이온전지 음극으로서 성능 평가 결과를 아래의 표에 요약하였다.For Example 1 and Comparative Example 1, the performance evaluation results as a lithium ion battery negative electrode are summarized in the table below.

일반적으로 음극의 용량은 음극 활물질의 무게당 용량으로 환산하지만, 본 발명에서 제안하는 음극 구조체는 집전체를 포함하여 구성되므로, 본 실험예에서는, 음전극 전체의 무게를 기준으로 전극의 무게당 용량을 환산하였다. 즉 전하의 저장 용량을 실시예 1의 경우는 음극 구조체 무게(집전체 + 메쉬 무게)로, 비교예 1 또한 용량을 전체 음극의 무게(집전체 + 흑연 활물질 무게)로 나누어 무게당 용량을 계산하였다. 싸이클 수명의 경우, 총 1000회의 싸이클을 평가하였으며, 마지막 싸이클에서 여전히 정상 구동되는 경우는 1000회 이상 (>1000)으로 표기하였고, 내부 단락 등이 발생하여 정상 동작하지 않는 경우는 그 지점까지의 총 구동 횟수를 수명으로 표기하였다. 이상의 기준으로부터의 실시예 1 및 비교예 1에 대한 성능 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In general, the capacity of the negative electrode is converted into the capacity per weight of the negative electrode active material, but since the negative electrode structure proposed in the present invention includes a current collector, in this experimental example, the capacity per weight of the electrode is calculated based on the total weight of the negative electrode. converted. That is, the capacity per weight was calculated by dividing the charge storage capacity by the weight of the negative electrode structure (current collector + mesh weight) in Example 1 and the capacity in Comparative Example 1 by the weight of the total negative electrode (current collector + graphite active material weight). . In the case of cycle life, a total of 1000 cycles were evaluated, and in the case of still operating normally in the last cycle, more than 1000 times (>1000) were indicated. The number of driving was expressed as the lifespan. The performance evaluation results for Example 1 and Comparative Example 1 from the above criteria are shown in Table 1 below.

용량 (mAh/g*)Capacity (mAh/g*) 싸이클 수명 (회)
15 mA (2 C) 구동
Cycle life (times)
15 mA (2 C) drive
1.5 mA 구동1.5 mA drive 15 mA 구동15 mA drive 실시예 1
: 본 발명의 구조체
Example 1
: Structure of the present invention
#1#One 735735 701701 >1000>1000
#2#2 750750 715715 >1000>1000 #3#3 721721 698698 >1000>1000 #4#4 788788 751751 >1000>1000 #5#5 767767 735735 >1000>1000 비교예 1
: 상용 흑연 음극
Comparative Example 1
: Commercial graphite anode
#1#One 244244 191191 520520
#2#2 252252 208208 424424 #3#3 262262 207207 605605 #4#4 239239 186186 >1000>1000 #5#5 237237 179179 788788

*무게 당 용량 계산 시 집전체를 포함하는 음극 전체의 무게를 기준으로 함.*Calculation of capacity per weight is based on the total weight of the negative electrode including the current collector.

각 5개 샘플의 실시예 1과 비교예 1의 평가 결과의 비교로부터, 본 발명에서 제안하는 음극은 기존의 상용 흑연 음극에 비해 1.5 mA의 저전류 구동에서는 약 3 배, 15 mA의 급속 구동에서는 약 3.7배 이상의 무게당 용량을 제공하여 높은 에너지 밀도의 구현이 가능하였다. 특히, 본 발명의 음극은 구동 율속의 증가 시 용량의 손실이 약 5%로 비교예의 약 22%에 비해 훨씬 작으므로 급속 충방전 조건에서 더욱 우세한 성능을 나타내는 것으로 평가되었다. 15 mA의 전류로 싸이클 테스트 결과, 실시예 1의 샘플은 5개 모두 1000회의 싸이클까지 구동 가능하였으나, 비교예의 경우는 1개 샘플을 제외하고는 모두 그 이전에 정상적인 작동이 중지되었다. 이는 본 발명의 음극이 기존의 흑연 음극 대비 싸이클 수명이 우수함을 나타낸다.From the comparison of the evaluation results of Example 1 and Comparative Example 1 of each of the five samples, the negative electrode proposed in the present invention is about 3 times that of the conventional commercial graphite negative electrode in low current driving of 1.5 mA, and in rapid driving of 15 mA. It was possible to realize high energy density by providing capacity per weight of about 3.7 times or more. In particular, it was evaluated that the negative electrode of the present invention exhibits more superior performance under rapid charge/discharge conditions because the loss of capacity when the driving rate is increased is about 5%, which is much smaller than about 22% of the comparative example. As a result of the cycle test with a current of 15 mA, all five samples of Example 1 were capable of driving up to 1000 cycles, but in the case of Comparative Example, normal operation was stopped before all but one sample. This indicates that the negative electrode of the present invention has excellent cycle life compared to the conventional graphite negative electrode.

이상, 본 발명에서 제안한 실시예 1과 상용 흑연 음극인 비교예 1의 평가 결과를 종합하여, 본 발명의 제안은 기존의 상용 음극 대비 높은 에너지 밀도, 우수한 급속 충방전 성능, 향상된 내구성 및 싸이클 수명을 제공하며, 이러한 기술의 적용을 통하여 성능이 향상된 이차전지를 구현할 수 있을 것임을 확인하였다.By combining the evaluation results of Example 1 and Comparative Example 1, which is a commercial graphite negative electrode, the proposal of the present invention provides a higher energy density, excellent rapid charge/discharge performance, improved durability and cycle life compared to the conventional commercial negative electrode. It was confirmed that a secondary battery with improved performance could be realized through the application of this technology.

<실험예 3> 리튬이온전지 음극으로서의 성능 평가 (2)<Experimental Example 3> Performance evaluation as a lithium ion battery negative electrode (2)

실시예 1 및 비교예 2에 대하여, 전지의 싸이클 성능을 평가하고 그 결과를 도 5에 도시하였다. For Example 1 and Comparative Example 2, the cycle performance of the battery was evaluated, and the results are shown in FIG. 5 .

실시예 1 및 비교예 2의 샘플을 준비하여, 15 mA의 전류(단위면적당 환산 시 10 mA/cm2의 전류)로 30분간 충전 30분간 방전의 조건으로 ±0.50 V 전압 제한 범위에서 충방전을 반복하였다. 이는 7.5 mAh(단위면적당 환산 시 5.0 mAh/cm2)의 용량을 2 C의 율속으로 반복 구동한 것에 해당된다.Prepare the samples of Example 1 and Comparative Example 2, charge and discharge for 30 minutes with a current of 15 mA (current of 10 mA / cm 2 converted per unit area) ± 0.50 V voltage limit range under the condition of discharging for 30 minutes repeated. This corresponds to repeatedly driving a capacity of 7.5 mAh (5.0 mAh/cm 2 in terms of unit area) at a rate of 2 C.

비교예 2는 리튬금속의 전착 및 탈착을 이용하는 리튬 금속음극의 일반적인 형태로, 특별한 구조체를 사용하지 않고, 대극 방향의 집전체 표면에서 리튬의 전착 및 탈착이 일어나는 방식으로 구동된다.Comparative Example 2 is a general form of a lithium metal negative electrode using electrodeposition and desorption of lithium metal, and is driven in such a way that electrodeposition and desorption of lithium occurs on the surface of the current collector in the counter electrode direction without using a special structure.

반면, 실시예 1의 본 발명에서 제안하는 음극 구조체는 집전체로 사용되는 두 장의 금속 박판 사이에 공간을 형성하고, 그 공간 내에서 리튬의 전착 및 탈착이 일어나는 특징을 갖는다. 따라서, 일반적인 리튬 금속음극의 경우 전착 리튬의 수지상 성장이 대극 방향으로 진행하여 단락을 유발하는 반면, 본 발명에서 제안한 구조는 리튬의 수지상 성징이 음극 구조체 내부 공간에 가둬지므로 단락을 예방하는 효과를 기대할 수 있다.On the other hand, the negative electrode structure proposed in the present invention of Example 1 forms a space between two thin metal plates used as a current collector, and has a feature in which electrodeposition and desorption of lithium occurs in the space. Therefore, in the case of a general lithium metal anode, the dendrite growth of electrodeposited lithium proceeds in the opposite direction to cause a short circuit, whereas in the structure proposed in the present invention, the effect of preventing short circuit is expected because the dendrite properties of lithium are confined in the inner space of the anode structure. can

도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 비교예 2의 싸이클 평가 결과, 실시예 1의 경우 안정한 충방전 구동을 지속하는 한편, 비교예 2의 경우 구동 중 전지 내부 단락이 발생하여 이상 거등을 나타냈다. 이로부터, 본 발명에서 제안한 음극 구조가 전지의 구동 내구성이 개선되는 우수한 효과가 있음을 확인하였다.As shown in FIG. 5, as a result of the cycle evaluation of Example 1 and Comparative Example 2, in the case of Example 1, a stable charge/discharge operation was continued, while in Comparative Example 2, an internal short circuit occurred during operation to prevent abnormality. showed From this, it was confirmed that the negative electrode structure proposed in the present invention has an excellent effect of improving the driving durability of the battery.

<실험예 4> 음극 부피 변화 평가<Experimental Example 4> Evaluation of anode volume change

실시예 1 및 비교예 2에 대하여, 금속 이온의 전착 및 탈착에 따른 음극 부피변화를 아래와 같이 평가하였다. For Example 1 and Comparative Example 2, the volume change of the cathode according to the electrodeposition and desorption of metal ions was evaluated as follows.

실시예 및 비교예에 대한 각각 5개의 코인셀을 15 mAh 용량만큼 충전 및 방전 상태, 즉 리튬의 전착 및 탈착 상태에서 해체하여 전극의 두께를 측정하고 그 결과를 표 2에 제시하였다. Each of the five coin cells for Examples and Comparative Examples were disassembled in charging and discharging states of 15 mAh capacity, that is, in electrodeposition and desorption states of lithium to measure the thickness of the electrodes, and the results are presented in Table 2.

두께 (μm)Thickness (μm) 전극 두께 변화율(%)
(전착 → 탈착 시)
Electrode thickness change rate (%)
(Electrodeposition → Desorption)
전착electrodeposition 탈착Desorption 실시예 1
: 본 발명의 구조체
Example 1
: Structure of the present invention
#1#One 255255 245245 3.93.9
#2#2 234234 230230 1.71.7 #3#3 241241 235235 2.52.5 #4#4 228228 220220 3.53.5 #5#5 247247 235235 4.94.9 비교예 2
: 일반적 형태의 리튬금속음극
Comparative Example 2
: Lithium metal anode in general form
#1#One 152152 77 95.495.4
#2#2 120120 88 93.393.3 #3#3 112112 88 92.992.9 #4#4 170170 1010 94.194.1 #5#5 9595 88 91.691.6

상기 표 2에 따르면, 비교예 2의 경우 리튬의 전착 후 탈착 시 전극 두께의 평균 93.5%가 감소하는 반면, 실시예 1의 경우는 3.3%만이 감소하여 전극의 두께 변화가 매우 작은 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안한 음극 구조가 음극 구조체 내부에서의 금속 이온의 전착 및 탈착을 유도하여 음극 부피 변화를 억제할 수 있는 효과를 알 수 있었다. According to Table 2, in the case of Comparative Example 2, an average of 93.5% of the electrode thickness during lithium electrodeposition and desorption after electrodeposition decreased, whereas in Example 1, only 3.3% was reduced, indicating that the thickness change of the electrode was very small. can be checked Therefore, it was found that the negative electrode structure proposed in the present invention induces electrodeposition and desorption of metal ions inside the negative electrode structure, thereby suppressing a change in the negative electrode volume.

<실험예 5> 전착방지층 및 전착유도층의 유효성 평가<Experimental Example 5> Evaluation of effectiveness of electrodeposition prevention layer and electrodeposition inducing layer

실시예 1 내지 3을 대상으로, 전착방지층 및 전착유도층 형성에 따른 효과를 평가하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. For Examples 1 to 3, the effects of the formation of an electrodeposition prevention layer and an electrodeposition inducing layer were evaluated, and the results are shown in FIG. 6 .

15 mA의 전류(단위면적당 환산 시 10 mA/cm2의 전류)로 30분간 충전 30분간 방전의 조건으로 ±0.50 V 전압 제한 범위에서 충방전을 반복하였다. 이와 같은 조건으로 총 100회의 싸이클 구동한 후, 음극 구조체의 집전체 외면을 관찰하였다.Charging and discharging for 30 minutes with a current of 15 mA (current of 10 mA/cm 2 converted per unit area) was repeated within the ±0.50 V voltage limit range under the condition of 30 minutes of charging and discharging. After driving a total of 100 cycles under these conditions, the outer surface of the current collector of the negative electrode structure was observed.

도 6에 각 경우에 대하여 100 싸이클 구동 후 음극 구조체의 집전체 외면에 대하여 관찰한 사진을 도시하였다. 도 6의 [1]에 도시한 실시예 1의 경우는 본 발명에서 의도한 바와 같이 전착방지층이 형성된 집전체 외면에 리튬의 전착이 전혀 없는 반면, 도 6의 [2]의 전착방지층이 형성되지 않은 실시예 3의 경우는 집전체 외면에 다량의 리튬이 전착되어 있음이 관찰되었다. 이로부터 구조체 외면에 형성하는 전착방지층이 리튬의 전착 위치를 제어함에 있어 주요한 작용을 함을 확인할 수 있다. 6 shows a photograph observed with respect to the outer surface of the current collector of the negative electrode structure after 100 cycles of driving for each case. In the case of Example 1 shown in [1] of FIG. 6, there was no electrodeposition of lithium on the outer surface of the current collector on which the electrodeposition prevention layer was formed as intended in the present invention, whereas the electrodeposition prevention layer of [2] of FIG. 6 was not formed. In the case of Example 3, it was observed that a large amount of lithium was electrodeposited on the outer surface of the current collector. From this, it can be confirmed that the electrodeposition prevention layer formed on the outer surface of the structure plays a major role in controlling the electrodeposition position of lithium.

도 6의 [3]의 실시예 2의 경우에는 집전체인 구리 박판의 외면에서 일부 전착된 리튬이 관찰되었다. 이로부터 구조체 내부에 형성하는 전착유도층 또한 리튬의 전착 위치 제어에 효과가 있음을 확인할 수 있다. In the case of Example 2 of [3] of FIG. 6, partially electrodeposited lithium was observed on the outer surface of the copper thin plate as the current collector. From this, it can be confirmed that the electrodeposition-inducing layer formed inside the structure is also effective in controlling the electrodeposition position of lithium.

따라서, 본 발명에서 제안하는 음극 구조체에서 집전체인 두 장의 금속 박판의 외면에 전착방치층 및 구조체 내부 공간에 전착유도층을 형성하는 것이 리튬의 전착 위치를 구조체 내부로의 제어에 하는데 주요한 효과가 있으며, 두 경우를 함께 적용 시 그 효과가 극대화될 수 있음을 확인할 수 있었다.Therefore, in the negative electrode structure proposed in the present invention, the formation of an electrodeposition-preserving layer on the outer surface of two thin metal plates as a current collector and an electrodeposition-inducing layer in the internal space of the structure has a major effect in controlling the electrodeposition position of lithium into the structure. And it was confirmed that the effect can be maximized when both cases are applied together.

Claims (13)

전착방지층이 각각의 일면에 결합되고, 상기 전착방지층이 결합된 면의 반대편 금속 면이 서로 대향하도록 배치되는 두 장의 전도성 금속 박판; 및
상기 두 장의 금속 박판 사이의 공간;을 포함하는 이차전지용 음극 구조체에 있어서,
상기 금속 박판 및 전착방지층에는 전해질 및 금속 이온이 이동할 수 있는 구멍이 형성되는 것인, 이차전지용 음극 구조체.
Two sheets of conductive metal thin plate having an anti-electrodeposition layer coupled to each side, and disposed so that the opposite metal surface of the surface to which the anti-electrodeposition layer is coupled faces each other; and
In the anode structure for a secondary battery comprising a; space between the two thin metal plates,
The metal thin plate and the electrodeposition prevention layer, the electrolyte and the hole through which metal ions can move is formed, the negative electrode structure for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 두 장의 금속 박판의 평균 두께는 각각 독립적으로 1 ㎛ 내지 15 ㎛인 것인, 이차전지용 음극 구조체.
According to claim 1,
The average thickness of the two thin metal plates is each independently 1 μm to 15 μm, a negative electrode structure for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 전착방지층의 평균 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것인, 이차전지용 음극 구조체.
According to claim 1,
The average thickness of the electrodeposition prevention layer is 0.1 μm to 100 μm, the negative electrode structure for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 구멍의 평균 직경은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛ 인 것인, 이차전지용 음극 구조체.
According to claim 1,
The average diameter of the hole will be 1 ㎛ to 1000 ㎛, a negative electrode structure for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 사이 공간을 일정하게 확보하기 위하여, 상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이에 구조물을 구비하는 것인, 이차전지용 음극 구조체.
According to claim 1,
In order to constantly secure the space between the two sheets of conductive metal thin plates, a structure is provided between the two sheets of thin conductive metal plate, a negative electrode structure for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이 간격은 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 인 것인, 이차전지용 음극 구조체.
According to claim 1,
The gap between the two sheets of conductive metal thin plates is 10 μm to 1000 μm, a negative electrode structure for a secondary battery.
제5항에 있어서,
상기 구조물은 입자상, 섬유상 또는 메쉬 형태를 갖는 것인, 이차전지용 음극 구조체.
6. The method of claim 5,
The structure has a particulate, fibrous or mesh shape, a secondary battery negative electrode structure.
제5항에 있어서,
상기 구조물 표면에 전착유도층이 형성되는 것인, 이차전지용 음극 구조체.
6. The method of claim 5,
An electrodeposition inducing layer is formed on the surface of the structure, the negative electrode structure for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 두 장의 전도성 금속 박판의 서로 대향하는 금속 면들 중 최소한 일부에 전착유도층이 형성되는 것인, 이차전지용 음극 구조체.
According to claim 1,
An electrodeposition inducing layer is formed on at least some of the metal surfaces facing each other of the two sheets of conductive metal thin plate, the negative electrode structure for a secondary battery.
두 장의 전도성 금속 박판을 준비하는 단계;
상기 두 장의 전도성 금속 박판의 각각의 일면에 전착방지층을 도포한 후 구멍을 형성하는 단계;
상기 두 장의 전도성 금속 박판의 상기 전착방지층이 도포된 면의 반대편 금속 면이 서로 대향하도록 배치하되 그 사이의 공간이 확보되도록 조립하는 단계;를 포함하는, 제1항의 이차전지용 음극 구조체의 제조방법.
Preparing two sheets of conductive metal thin plates;
forming a hole after applying an electrodeposition prevention layer to each side of the two thin conductive metal plates;
The method for manufacturing the negative electrode structure for a secondary battery of claim 1, comprising: disposing the opposite metal surfaces of the two thin conductive metal plates to face each other and securing a space therebetween.
제10항에 있어서,
상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이에 공간을 확보하는 단계는 상기 두 장의 전도성 금속 박판 사이에 구조물을 구비시키는 단계를 포함하는 것인, 제1항의 이차전지용 음극 구조체의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The method of claim 1, wherein the step of securing a space between the two sheets of conductive metal thin plates includes providing a structure between the two sheets of conductive metal thin plates.
제10항에 있어서,
상기 구멍을 형성하기 이전에, 상기 두 장의 전도성 금속 박판의 각각의 일면에 도포한 전착방지층을 건조시키는 단계를 더 포함하는 것인, 제1항의 이차전지용 음극 구조체의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Prior to forming the hole, the method of claim 1, further comprising the step of drying the electrodeposition prevention layer applied to each side of the two thin conductive metal plates.
제1항의 이차전지용 음극 구조체를 음극으로 포함하는 이차전지.
A secondary battery comprising the anode structure for a secondary battery of claim 1 as an anode.
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