KR20230093926A - 전고체 전지 - Google Patents

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KR20230093926A
KR20230093926A KR1020210182948A KR20210182948A KR20230093926A KR 20230093926 A KR20230093926 A KR 20230093926A KR 1020210182948 A KR1020210182948 A KR 1020210182948A KR 20210182948 A KR20210182948 A KR 20210182948A KR 20230093926 A KR20230093926 A KR 20230093926A
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solid
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KR1020210182948A
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민경복
김태훈
박승진
김민수
김남규
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 개시에 따른 전고체 전지는, 일 평면을 갖는 지지체, 상기 지지체의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 각각 상기 지지체의 일 평면에 수직한 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하는 복수의 단위 전지 셀, 및 상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 단위 전지 셀의 제1 전극부와 제2 전극부를 직렬 연결하는 전극 연결부를 포함한다.

Description

전고체 전지{ALL SOLID STATE BATERRY}
본 개시는 전고체 전지에 관한 것이다.
최근, 휴대 전자기기의 소형화 및 장시간 사용이 요구되면서 전지의 고용량화가 요구되고 있으며, 웨어러블 전자기기의 보급화로 전지의 안전성 확보가 요구된다. 따라서, 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지의 개발이 활발히 진행되고 있다.
전고체 전지는 가연성의 유기용매를 사용하지 않아, 안전을 위한 추가 회로를 간략화 할 수 있다. 따라서 단위 부피당 고용량의 안전한 전지를 제조할 수 있는 기술로 기대되고 있다.
실시예의 일 측면은 고전압 및 고용량의 전지 구현을 위하여 복수의 셀로 분할하여 구성된 세그먼트 타입의 적층형 전고체 전지를 제공하고자 한다.
그러나, 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 실시예들에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
한 실시예에 따른 전고체 전지는, 일 평면을 갖는 지지체, 상기 지지체의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 각각 상기 지지체의 일 평면에 수직한 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하는 복수의 단위 전지 셀, 및 상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 단위 전지 셀의 제1 전극부와 제2 전극부를 직렬 연결하는 전극 연결부를 포함한다.
상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 상기 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치될 수 있다.
상기 전극 연결부는 상기 제2 전극부의 일 단부 하면과 상기 제1 전극부의 일 단부 상면에 접속될 수 있다.
상기 전극 연결부는 상기 제1 전극부의 일 단부 측면을 덮으며 상기 지지체까지 연장될 수 있다.
상기 고체 전해질부는 상기 제1 전극부의 상면과 일 측면을 덮도록 형성될 수 있다.
서로 다른 상기 단위 전지 셀에 포함되는 상기 고체 전해질부는 상기 제1 방향으로 상기 전극 연결부에 의해 분할되어 있을 수 있다.
상기 제1 방향으로 이웃한 상기 제2 전극부들은 마진 전해질부에 의해 분할되어 있을 수 있다.
상기 마진 전해질부의 이온 전도도는 상기 고체 전해질부의 이온 전도도보다 더 낮을 수 있다.
상기 전극 연결부의 상단은 상기 제2 전극부와 상기 마진 전해질부의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치될 수 있다.
상기 전고체 전지는, 상기 복수의 단위 전지 셀의 일측 최외곽에 위치한 제1 전극부에 연결되는 제1 집전부, 및 상기 복수의 단위 전지 셀의 다른 일측 최외곽에 위치한 제2 전극부에 연결되는 제2 집전부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 집전부와 상기 제2 집전부의 상기 제2 방향에 따른 최대 두께는 상기 제1 전극부, 고체 전해질부, 및 제2 전극부가 상기 제2 방향으로 적층된 최대 두께의 합과 동일할 수 있다.
상기 지지체는 전해질 지지체를 포함할 수 있다.
상기 전고체 전지는 상기 제2 방향으로 적층되어 서로 병렬 연결된 제1 전고체 전지층과 제2 전고체 전지층을 포함하고, 상기 제1 전고체 전지층과 제2 전고체 전지층은 상기 지지체, 복수의 단위 전지 셀, 및 전극 연결부를 각각 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 전고체 전지는, 서로 반대 방향을 향하는 두 평면을 갖는 지지체, 상기 지지체의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 각각 상기 지지체의 일 평면에 수직한 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하는 복수의 상부 단위 전지 셀, 및 상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 상부 단위 전지 셀의 제1 전극부와 제2 전극부를 직렬 연결하는 상부 전극 연결부, 상기 지지체의 다른 일 평면 상에서 상기 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 상기 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제3 전극부와 제4 전극부를 포함하는 복수의 하부 단위 전지 셀, 및 상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 하부 단위 전지 셀의 제3 전극부와 제4 전극부를 직렬 연결하는 하부 전극 연결부를 포함한다.
상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 상기 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치되고, 상기 제3 전극부와 상기 제4 전극부는 상기 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 폭만큼 서로 어긋나게 배치될 수 있다.
상기 상부 전극 연결부는 상기 제2 전극부의 일 단부 하면과 상기 제1 전극부의 일 단부 상면에 접속되고, 상기 하부 전극 연결부는 상기 제4 전극부의 일 단부 상면과 상기 제3 전극부의 일 단부 하면에 접속될 수 있다.
상기 상부 전극 연결부는 상기 제1 전극부의 일 단부 측면을 덮으며 상기 지지체까지 연장되고, 상기 하부 전극 연결부는 상기 제3 전극부의 일 단부 측면을 덮으며 상기 지지체까지 연장될 수 있다.
상기 제1 방향으로 이웃한 상기 제2 전극부들은 상부 마진 전해질부에 의해 분할되어 있고, 상기 제1 방향으로 인접한 상기 제4 전극부들은 하부 마진 전해질부에 의해 분할되어 있을 수 있다.
상기 상부 전극 연결부의 상단은 상기 제2 전극부와 상기 상부 마진 전해질부의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치되고, 상기 하부 전극 연결부의 상단은 상기 제4 전극부와 상기 하부 마진 전해질부의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치될 수 있다.
상기 전고체 전지는, 상기 복수의 상부 단위 전지 셀의 양쪽 최외곽에 위치하여 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부에 각각 연결되는 제1 집전부와 제2 집전부, 및 상기 복수의 하부 단위 전지 셀의 양쪽 최외곽에 위치하여 상기 제3 전극부와 상기 제4 전극부에 각각 연결되는 제3 집전부와 제4 집전부를 더 포함하고, 상기 제1 집전부는 상기 제3 집전부와 연결되고, 상기 제2 집전부는 상기 제4 집전부와 연결될 수 있다.
실시예에 따른 전고체 전지에 의하면, 전지 셀을 복수의 셀로 분할하여 세그먼트 타입의 적층형 셀로 구성함으로써 고전압 및 고용량의 전지를 구현할 수 있다.
또한 실시예에 따른 전고체 전지에 의하면, 동일 용량을 구현하는 것을 기준할 때 수직 방향으로의 적층 수를 줄여 공정수를 최소화함으로써 공정 비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 실시예에 따른 전고체 전지를 복수 개의 전지층으로 적층한 고용량화 직병렬 구조의 전고체 전지를 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 고용량화 직병렬 구조의 전고체 전지를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전고체 전지(100)는 지지체(105) 상에 복수의 단위 전지 셀(110)이 전극 연결부(131)를 통해 직렬 연결된 구조를 포함한다. 도 1에서는 3개의 단위 전지 셀(110)이 연결되어 구성된 전고체 전지(100)를 예로 도시하였다.
지지체(105)는 일 평면을 갖는 시트상으로 이루어질 수 있다. 지지체(105)는 전해질 지지체로 구성될 수 있으며, 일례로 세라믹 전해질 지지체 또는 LSBO계 지지체로 이루어질 수 있다. 여기서 LSBO는 Li2O-SiO2-B2O3일 수 있으며, 구성 재료들을 각각 혼합 및 열처리하여 리튬보론실리케이트계 산화물 전해질로 만들어 질 수 있다.
복수의 단위 전지 셀(110)은 지지체(105)의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향(도면의 y축 방향)으로 인접하여 배열될 수 있다. 각각의 단위 전지 셀(110)은 고체 전해질부(115)를 개재하여 적층된 제1 전극부(111)와 제2 전극부(112)를 포함한다. 제1 전극부(111), 고체 전해질부(115), 및 제2 전극부(112)는 지지체(105)의 일 평면에 수직한 제2 방향(도면의 z축 방향)으로 지지체(105)의 표면으로부터 순차적으로 적층될 수 있다.
제1 전극부(111)와 제2 전극부(112)는 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치될 수 있다. 즉, 제2 전극부(112)의 가장자리는 제1 전극부(111)의 가장자리로부터 오프셋(offset) 되어 정렬될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극부(111)들끼리 제1 방향으로 이격된 거리만큼 제2 전극부(112)는 제1 전극부(111)와 어긋나게 배치될 수 있다. 제1 전극부(111)와 제2 전극부(112)는 각각 전극 활물질층이 양면에 도포된 전극 집전체를 포함할 수 있고, 제1 전극부(111)와 제2 전극부(112)는 서로 반대 극성의 전극을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극부(111)는 양극 활물질층이 양극 집전체의 양면에 도포되어 양극부를 이루고, 제2 전극부(112)는 음극 활물질층이 음극 집전체의 양면에 도포되어 음극부를 구성할 수 있다.
전극 연결부(131)는 서로 다른 단위 전지 셀(110)의 제1 전극부(111)와 제2 전극부(112)를 직렬 연결하도록 제2 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 한 단위 전지 셀(110)의 제2 전극부(112)는 이웃한 다른 단위 전지 셀(110)의 제1 전극부(111)와 전극 연결부(131)를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써 복수의 단위 전지 셀들(110)은 지지체(105) 상에서 직렬 연결될 수 있다. 전극 연결부(131)는 일례로 코발트(Co)와 같은 전이 금속으로 이루어지거나 세라믹 도전체로 이루어 질 수 있다. 코발트(Co)는 전이금속 중에서도 전자 전도성이 높기 때문에 세라믹 구조재료에 첨가하여 전자 전도성을 개선할 수 있으며, 따라서 세라믹 도전체의 전극 연결부는 양극과 음극의 전자의 이동 통로로 사용될 수 있다.
제2 전극부(112)가 제1 전극부(111)로부터 오프셋 되어 정렬되는 경우, 전극 연결부(131)는 한 단위 전지 셀(110)의 제2 전극부(112)의 일 단부 하면과 이웃한 다른 단위 전지 셀(110)의 제1 전극부(111)의 일 단부 상면에 접속될 수 있다. 또한 이러한 전극 연결부(131)는 제1 전극부(111)의 일 단부 측면을 덮으며 지지체(105)까지 연장될 수 있다.
고체 전해질부(115)는 제1 전극부(111)와 제2 전극부(112) 사이에 개재되며, 제1 전극부(111)의 상면과 일 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 따라서 서로 다른 단위 전지 셀(110)에 포함되는 고체 전해질부(115)는 제1 방향으로 전극 연결부(131)에 의해 분할될 수 있다. 그리고 서로 이웃한 제1 전극부들(111)의 사이에는 고체 전해질부(115)와 전극 연결부(131)가 함께 개재될 수 있다. 따라서 지지체(105) 상에 복수의 제1 전극부들(111) 패터닝된 구조에서는 별도의 절연재료를 채우는 공정이 필요하지 않을 수 있다.
일례로, 고체 전해질부(115)는 LATP 전해질(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≤x≤0.6))이 사용될 수 있다. 다른 예로, 나시콘계 (Li1+xAlxM2-x(PO4)3) 전해질 또는 비정질계(Glass) 전해질이 고체 전해질부(115)로 사용될 수도 있다.
제1 방향으로 이웃한 복수의 제2 전극부(112)들의 사이에는 마진 전해질부(134)가 개재될 수 있다. 즉, 복수의 제2 전극부(112)들은 마진 전해질부(134)에 의해 분할되어 이웃한 제2 전극부(112)들을 서로 절연시킬 수 있다. 이 때, 마진 전해질부(134)의 이온 전도도는 고체 전해질부(115)의 이온 전도도보다 더 낮을 수 있으며, 일례로 1.0x10-10S/cm 이하의 이온 전도도를 가질 수 있다.
이 때, 전극 연결부(131)의 상단은 제2 전극부(112)와 마진 전해질부(134)의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치될 수 있다. 전극 연결부(131)는 제2 전극부(112) 및 마진 전해질부(134)와 접하는 상단의 제1 방향으로 측정된 폭이 지지체(105)와 접하는 하단의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전고체 전지(100)의 일측에는 제1 집전부(141)가 마련되고 다른 일측에는 제2 집전부(142)가 마련될 수 있다. 이 때 제1 집전부(141)는 복수의 단위 전지 셀(110)의 일측 최외곽에 위치한 제1 전극부(111)에 연결되고, 제2 집전부(142)는 복수의 단위 전지 셀(110)의 다른 일측 최외곽에 위치한 제2 전극부(112)에 연결될 수 있다. 따라서 제1 전극부(111)가 양극을 구성할 때 제1 집전부(141)는 양극 집전부가 되고, 제2 전극부(112)가 음극을 구성할 때 제2 집전부(142)는 음극 집전부가 될 수 있다.
제1 집전부(141)와 제2 집전부(142)는 지지체(105) 상에 위치할 수 있다. 제1 집전부(141)와 제2 집전부(142)의 제2 방향에 따른 최대 두께는 제1 전극부(111), 고체 전해질부(115), 및 제2 전극부(112)가 제2 방향으로 적층된 최대 두께의 합과 동일하게 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 도시가 생략되었으나 전고체 전지(100)의 제2 전극부(112) 위로 절연성을 갖는 상부 커버가 배치될 수 있으며, 지지체(105)의 하부로 절연성을 갖는 하부 커버가 추가될 수 있다. 이하의 실시예들에서도 마찬가지로 상부 커버와 하부 커버가 추가될 수 있다.
또한 상기 도 1 및 도 2에서는 3개의 단위 전지 셀이 평면 방향으로 서로 연결되어 구성된 전고체 전지를 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 4개 이상의 단위 전지 셀이 평면 방향으로 배열되어 직렬 연결되어 전고체 전지를 구성할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
도 3은 도 1에 도시한 실시예에 따른 전고체 전지를 복수 개의 전지층으로 적층한 고용량화 직병렬 구조의 전고체 전지를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전고체 전지(200)는 제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202)을 포함한다. 제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202)은 제2 방향(도면의 z축 방향)으로 적층되어 서로 병렬 연결될 수 있다.
제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202)의 각 구성은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 전고체 전지의 구조를 가질 수 있다. 즉, 지지체(105) 상에 복수의 단위 전지 셀(110)이 전극 연결부(131)에 의해 직렬 연결되면서 제1 방향(도면의 y축 방향)으로 배열될 수 있다.
제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202) 각각은 일측에 제1 집전부(141)를 가지고 다른 일측에는 제2 집전부(142)를 구비할 수 있다. 그리고 제2 방향으로 적층된 제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202)은 일측에서 제1 집전부(141)끼리 전기적으로 연결하고 다른 일측에서 제2 집전부(142)끼리 전기적으로 연결함으로써 서로 병렬 연결될 수 있다.
따라서 제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202)의 각각의 내부에서는 복수의 단위 전지 셀(110)이 서로 직렬 연결되고, 제1 전고체 전지층(201)과 제2 전고체 전지층(202)은 서로 병렬 연결될 수 있다. 이로써 직렬과 병렬을 함께 포함하도록 전지를 구성하여 고전압 및 고용량의 전고체 전지를 구현할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 고용량화 직병렬 구조의 전고체 전지를 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전고체 전지(300)는 지지체(305)의 양면에 복수의 단위 전지 셀(310, 320)과 전극 연결부(331, 335)를 통해 각각 직렬 연결된 제1 단위 전지층(301)과 제2 단위 전지층(302)을 포함한다. 즉, 제1 단위 전지층(301)은 지지체(305)의 일 평면 상에 복수의 상부 단위 전지 셀(310)이 상부 전극 연결부(331)를 통해서 연결되어 구성되고, 제2 단위 전지층(302)은 지지체(305)의 다른 일 평면 상에 복수의 하부 단위 전지 셀(320)이 하부 전극 연결부(335)를 통해서 연결될 수 있다. 따라서 제1 단위 전지층(301)과 제2 단위 전지층(302)은 지지체(305)를 기준으로 상하 대칭인 구조로 이루어질 수 있다. 도 4에서는 상부와 하부 각각 3개씩의 단위 전지 셀(310, 320)이 연결되어 구성된 전고체 전지(300)를 예로 도시하였으나 4개 이상의 단위 전지 셀을 각각 포함할 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
지지체(305)는 서로 반대 방향을 향하는 두 평면을 갖는 시트상으로 이루어질 수 있다. 지지체(305)는 전해질 지지체로 구성될 수 있으며, 일례로 세라믹 전해질 지지체 또는 LSBO계 지지체로 이루어질 수 있다. 여기서 Li2O-SiO2-B2O3일 수 있으며, 구성 재료들을 각각 혼합 및 열처리하여 리튬보론실리케이트계 산화물 전해질로 만들어 질 수 있다.
복수의 상부 단위 전지 셀(310)은 지지체(305)의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향(도면의 y축 방향)으로 인접하여 배열될 수 있다. 각각의 상부 단위 전지 셀(310)은 고체 전해질부(315)를 개재하여 적층된 제1 전극부(311)와 제2 전극부(312)를 포함한다. 제1 전극부(311), 고체 전해질부(315), 및 제2 전극부(312)는 지지체(305)의 일 평면에 수직한 제2 방향(도면의 z축 방향)으로 지지체(305)의 표면으로부터 순차적으로 위로 적층될 수 있다.
제1 전극부(311)와 제2 전극부(312)는 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치될 수 있다. 즉, 제2 전극부(312)의 가장자리는 제1 전극부(311)의 가장자리로부터 오프셋(offset) 되어 정렬될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극부(311)들끼리 제1 방향으로 이격된 거리만큼 제2 전극부(312)는 제1 전극부(311)와 어긋나게 배치될 수 있다.
상부 전극 연결부(331)는 서로 다른 상부 단위 전지 셀(310)의 제1 전극부(311)와 제2 전극부(312)를 직렬 연결하도록 제2 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 하나의 상부 단위 전지 셀(310)의 제2 전극부(312)는 이웃한 다른 상부 단위 전지 셀(310)의 제1 전극부(311)와 상부 전극 연결부(331)를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써 복수의 상부 단위 전지 셀들(310)은 지지체(305) 상에서 직렬 연결될 수 있다.
제2 전극부(312)가 제1 전극부(311)로부터 오프셋 되어 정렬되는 경우, 상부 전극 연결부(331)는 하나의 상부 단위 전지 셀(310)의 제2 전극부(312)의 일 단부 하면과 이웃한 다른 상부 단위 전지 셀(310)의 제1 전극부(311)의 일 단부 상면에 접속될 수 있다. 또한 이러한 상부 전극 연결부(331)는 제1 전극부(311)의 일 단부 측면을 덮으며 지지체(305)까지 연장될 수 있다.
고체 전해질부(315)는 제1 전극부(311)와 제2 전극부(312) 사이에 개재되며, 제1 전극부(311)의 상면과 일 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 따라서 서로 다른 상부 단위 전지 셀(310)에 포함되는 고체 전해질부(315)는 제1 방향으로 상부 전극 연결부(331)에 의해 분할될 수 있다. 그리고 서로 이웃한 제1 전극부들(311)의 사이에는 고체 전해질부(315)와 상부 전극 연결부(331)가 함께 개재될 수 있다.
일례로, 고체 전해질부(315)는 LATP 전해질(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≤x≤0.6))이 사용될 수 있다. 다른 예로, 나시콘계 (Li1+xAlxM2-x(PO4)3) 전해질 또는 비정질계(Glass) 전해질이 고체 전해질부(315)로 사용될 수도 있다.
제1 방향으로 이웃한 복수의 제2 전극부(312)들의 사이에는 상부 마진 전해질부(334)가 개재될 수 있다. 즉, 복수의 제2 전극부(312)들은 상부 마진 전해질부(334)에 의해 분할되어 이웃한 제2 전극부(312)들을 서로 절연시킬 수 있다.
이 때, 상부 전극 연결부(331)의 상단은 제2 전극부(312)와 상부 마진 전해질부(334)의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치될 수 있다. 상부 전극 연결부(331)는 제2 전극부(312) 및 상부 마진 전해질부(334)와 접하는 상단의 제1 방향으로 측정된 폭이 지지체(305)와 접하는 하단의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 복수의 하부 단위 전지 셀(320)은 지지체(305)의 다른 일 평면 상에서 제1 방향으로 인접하여 배열될 수 있다. 각각의 하부 단위 전지 셀(320)은 고체 전해질부(325)를 개재하여 적층된 제3 전극부(321)와 제4 전극부(322)를 포함한다. 제3 전극부(321), 고체 전해질부(325), 및 제4 전극부(322)는 제2 방향으로 지지체(305)의 표면으로부터 순차적으로 적층될 수 있다.
제3 전극부(321)와 제4 전극부(322)는 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치될 수 있다. 즉, 제4 전극부(322)의 가장자리는 제3 전극부(321)의 가장자리로부터 오프셋(offset) 되어 정렬될 수 있다. 예를 들어, 제3 전극부(321)들끼리 제1 방향으로 이격된 거리만큼 제4 전극부(322)는 제1 전극부(311)와 어긋나게 배치될 수 있다.
하부 전극 연결부(335)는 서로 다른 하부 단위 전지 셀(320)의 제3 전극부(321)와 제4 전극부(322)를 직렬 연결하도록 제2 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 한 하부 단위 전지 셀(320)의 제4 전극부(322)는 이웃한 다른 하부 단위 전지 셀(320)의 제3 전극부(321)와 하부 전극 연결부(335)를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써 복수의 하부 단위 전지 셀들(320)은 지지체(305) 상에서 직렬 연결될 수 있다.
제4 전극부(322)가 제3 전극부(321)로부터 오프셋 되어 정렬되는 경우, 하부 전극 연결부(335)는 한 하부 단위 전지 셀(320)의 제4 전극부(322)의 일 단부 상면과 이웃한 다른 하부 단위 전지 셀(320)의 제3 전극부(321)의 일 단부 하면에 접속될 수 있다. 또한 이러한 하부 전극 연결부(335)는 제3 전극부(321)의 일 단부 측면을 덮으며 지지체(305)까지 연장될 수 있다.
고체 전해질부(325)는 제3 전극부(321)와 제4 전극부(322) 사이에 개재되며, 제3 전극부(321)의 하면과 일 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 따라서 서로 다른 하부 단위 전지 셀(320)에 포함되는 고체 전해질부(325)는 제1 방향으로 하부 전극 연결부(335)에 의해 분할될 수 있다. 그리고 서로 이웃한 제3 전극부들(321)의 사이에는 고체 전해질부(325)와 하부 전극 연결부(335)가 함께 개재될 수 있다.
제1 방향으로 이웃한 복수의 제4 전극부(322)들의 사이에는 하부 마진 전해질부(336)가 개재될 수 있다. 즉, 복수의 제4 전극부(322)들은 하부 마진 전해질부(336)에 의해 분할되어 이웃한 제4 전극부(322)들을 서로 절연시킬 수 있다.
이 때, 하부 전극 연결부(335)의 하단은 제4 전극부(322)와 하부 마진 전해질부(336)의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치될 수 있다. 하부 전극 연결부(335)는 제4 전극부(322) 및 하부 마진 전해질부(336)와 접하는 하단의 제1 방향으로 측정된 폭이 지지체(305)와 접하는 상단의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전고체 전지(300)의 일측에는 제1 집전부(341)와 제3 집전부(351)가 마련되고 다른 일측에는 제2 집전부(342)와 제4 집전부(352)가 마련될 수 있다. 이 때 제1 집전부(341)는 복수의 상부 단위 전지 셀(310)의 일측 최외곽에 위치한 제1 전극부(311)에 연결되고, 제2 집전부(342)는 복수의 상부 단위 전지 셀(310)의 다른 일측 최외곽에 위치한 제2 전극부(312)에 연결될 수 있다. 또한 제3 집전부(351)는 복수의 하부 단위 전지 셀(320)의 일측 최외곽에 위치한 제3 전극부(321)에 연결되고, 제4 집전부(352)는 복수의 하부 단위 전지 셀(320)의 다른 일측 최외곽에 위치한 제4 전극부(322)에 연결될 수 있다. 따라서 제1 전극부(311)와 제3 전극부(321)가 양극을 구성할 때 제1 집전부(341)와 제3 집전부(351)는 양극 집전부가 되고, 제2 전극부(312)와 제4 전극부(322)가 음극을 구성할 때 제2 집전부(342)와 제4 집전부(352)는 음극 집전부가 될 수 있다.
이상 도면을 참고하여 설명한 실시예들에 따른 전고체 전지는 마디 형태로 여러 개의 셀로 분리한 세그먼트 타입의 적층형 전고체 전지 구조이다. 이로써 박층화된 단위 셀들이 직/병렬 형태로 자유롭게 연결된 모듈 구성이 가능하여 고전압화, 고용량화로 고효율의 전고체 전지 시스템을 구현할 수 있다.
상기 실시예들에 따르면 동일 용량 구현의 목적 기준으로 수직 방향으로의 적층 수를 줄일 수 있어 공정수 단축 및 공정 비용 절감 효과가 있다. 또한 최종 전고체 전지 시스템에서의 모듈 부피 감소가 가능하여 고효율 발전이 가능하다.
상기 실시예들에 따르면 단일체로 된 지지체 상에 패터닝된 전지 구성요소들 사이에 절연막 재료 등으로 채울 필요가 없는 구조이기 때문에 공정 비용과 시간을 줄일 수 있다. 나아가 기계적으로 안정적이고 견고한 구조 구현이 가능하며 전기적으로는 전지 내부저항 감소로 성능 개선효과를 기대할 수 있는 구조이다.
상기 실시예들에 따르면 동시 소성시 다면에서의 균일한 응력 분산으로 구조 안정성을 확보할 수 있으며, 충방전시 전극층에서의 Li+ 이동에 따른 수축/팽창 현상에 대한 적층셀 구조의 내부 응력을 최소화할 수 있으므로 성능 안정성 및 신뢰성 개선 효과를 기대할 수 있다.
상기 실시예들에 따르면 전고체 전지 셀을 구성하는 모든 구성요소들을 저가의 습식 코팅법(인쇄, 스프레이 공정 등)으로 적용 가능하기 때문에 대량생산이 용이하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300: 전고체 전지
105, 305: 지지체
110, 310, 320: 단위 전지 셀
111, 311: 제1 전극부
112, 3112: 제2 전극부
115, 315, 325: 고체 전해질부
131, 331, 335: 전극 연결부
134, 334, 336: 마진 전해질부
141, 341: 제1 집전부
142, 342: 제2 집전부
201, 202: 제1, 제2 전고체 전지층
321: 제3 전극부
322: 제4 전극부
351: 제3 집전부
352: 제4 집전부

Claims (20)

  1. 일 평면을 갖는 지지체;
    상기 지지체의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 각각 상기 지지체의 일 평면에 수직한 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하는 복수의 단위 전지 셀; 및
    상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 단위 전지 셀의 제1 전극부와 제2 전극부를 직렬 연결하는 전극 연결부
    를 포함하는 전고체 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 상기 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치되는, 전고체 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 연결부는 상기 제2 전극부의 일 단부 하면과 상기 제1 전극부의 일 단부 상면에 접속되는, 전고체 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극 연결부는 상기 제1 전극부의 일 단부 측면을 덮으며 상기 지지체까지 연장되는, 전고체 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 전해질부는 상기 제1 전극부의 상면과 일 측면을 덮도록 형성되는, 전고체 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    서로 다른 상기 단위 전지 셀에 포함되는 상기 고체 전해질부는 상기 제1 방향으로 상기 전극 연결부에 의해 분할되어 있는, 전고체 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 이웃한 상기 제2 전극부들은 마진 전해질부에 의해 분할되어 있는, 전고체 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 마진 전해질부의 이온 전도도는 상기 고체 전해질부의 이온 전도도보다 더 낮은, 전고체 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전극 연결부의 상단은 상기 제2 전극부와 상기 마진 전해질부의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치된, 전고체 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 전지 셀의 일측 최외곽에 위치한 제1 전극부에 연결되는 제1 집전부; 및
    상기 복수의 단위 전지 셀의 다른 일측 최외곽에 위치한 제2 전극부에 연결되는 제2 집전부
    를 더 포함하는 전고체 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 집전부와 상기 제2 집전부의 상기 제2 방향에 따른 최대 두께는 상기 제1 전극부, 고체 전해질부, 및 제2 전극부가 상기 제2 방향으로 적층된 최대 두께의 합과 동일한, 전고체 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 전해질 지지체를 포함하는, 전고체 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전고체 전지는 상기 제2 방향으로 적층되어 서로 병렬 연결된 제1 전고체 전지층과 제2 전고체 전지층을 포함하고,
    상기 제1 전고체 전지층과 제2 전고체 전지층은 상기 지지체, 복수의 단위 전지 셀, 및 전극 연결부를 각각 포함하는, 전고체 전지.
  14. 서로 반대 방향을 향하는 두 평면을 갖는 지지체;
    상기 지지체의 일 평면 상에서 상기 평면에 평행한 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 각각 상기 지지체의 일 평면에 수직한 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하는 복수의 상부 단위 전지 셀; 및
    상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 상부 단위 전지 셀의 제1 전극부와 제2 전극부를 직렬 연결하는 상부 전극 연결부;
    상기 지지체의 다른 일 평면 상에서 상기 제1 방향으로 인접하여 배열되고, 상기 제2 방향으로 고체 전해질부를 개재하여 적층된 제3 전극부와 제4 전극부를 포함하는 복수의 하부 단위 전지 셀; 및
    상기 제2 방향으로 연장되며, 서로 다른 하부 단위 전지 셀의 제3 전극부와 제4 전극부를 직렬 연결하는 하부 전극 연결부
    를 포함하는 전고체 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 상기 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 거리만큼 서로 어긋나게 배치되고,
    상기 제3 전극부와 상기 제4 전극부는 상기 제1 방향으로 가장자리가 미리 설정된 폭만큼 서로 어긋나게 배치되는, 전고체 전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 전극 연결부는 상기 제2 전극부의 일 단부 하면과 상기 제1 전극부의 일 단부 상면에 접속되고,
    상기 하부 전극 연결부는 상기 제4 전극부의 일 단부 상면과 상기 제3 전극부의 일 단부 하면에 접속되는, 전고체 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 전극 연결부는 상기 제1 전극부의 일 단부 측면을 덮으며 상기 지지체까지 연장되고,
    상기 하부 전극 연결부는 상기 제3 전극부의 일 단부 측면을 덮으며 상기 지지체까지 연장되는, 전고체 전지.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 이웃한 상기 제2 전극부들은 상부 마진 전해질부에 의해 분할되어 있고,
    상기 제1 방향으로 인접한 상기 제4 전극부들은 하부 마진 전해질부에 의해 분할되어 있는, 전고체 전지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 상부 전극 연결부의 상단은 상기 제2 전극부와 상기 상부 마진 전해질부의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치되고,
    상기 하부 전극 연결부의 상단은 상기 제4 전극부와 상기 하부 마진 전해질부의 경계에 걸쳐서 접하도록 배치된, 전고체 전지.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 상부 단위 전지 셀의 양쪽 최외곽에 위치하여 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부에 각각 연결되는 제1 집전부와 제2 집전부; 및
    상기 복수의 하부 단위 전지 셀의 양쪽 최외곽에 위치하여 상기 제3 전극부와 상기 제4 전극부에 각각 연결되는 제3 집전부와 제4 집전부
    를 더 포함하고,
    상기 제1 집전부는 상기 제3 집전부와 연결되고,
    상기 제2 집전부는 상기 제4 집전부와 연결되는, 전고체 전지.
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