KR20230147291A - 전고체 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전고체 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 집전체; 높이방향에서 상기 제1 집전체에 마주보도록 배치된 제2 집전체; 상기 제1 집전체에 배치되어, 상기 제2 집전체 측으로 돌출된 복수의 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질 구조체; 상기 제2 집전체에 배치되어, 상기 제1 집전체 측으로 돌출된 복수의 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질 구조체; 및 상기 제1 활물질 구조체 및 상기 제2 활물질 구조체를 에워싸는 고체 전해질을 포함하고, 상기 높이방향과 수직한 너비방향에서, 상기 복수의 제1 돌출부와 상기 복수의 제2 돌출부는 교대로 배치되는 전고체 전지 및 이의 제조 방법을 개시한다.

Description

전고체 전지 및 이의 제조 방법{SOLID STATE SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 전고체 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지는 분리막에 의해 음극과 양극이 구획되는 구조여서 변형이나 외부 충격으로 분리막이 훼손되면 단락이 발생할 수 있으며 이로 인해 과열 또는 폭발 등의 위험으로 이어질 수 있다. 따라서 리튬 이온 이차 전지 분야에서 안전성을 확보할 수 있는 고분자 전해질의 개발은 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.
고분자 전해질을 이용한 리튬 이차 전지는 전지의 안전성이 증대되며, 전해액의 누출을 방지할 수 있어 전지의 신뢰성이 향상되며, 박형의 전지 제작이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 음극으로 리튬 금속을 사용할 수 있어 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며 이에 따라 소형 이차 전지와 더불어 전기 자동차용의 고용량 이차 전지 등에 응용이 기대되어 차세대 전지로 각광받고 있다.
그러나 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이차 전지는 액상 전해질에 비해 이온 전도도가 낮고 특히 저온에서 출력 특성이 저하된다. 또한, 액상 전해질에 비해 전극과 고체 전해질막의 균일한 접촉 계면을 형성하기 어려우며 전극 활물질과의 접촉이 나빠 저항이 증가되는 문제가 있다. 이러한 이유로 고체 전해질이 적용된 경우 액체 전해액 하에서 전극의 용량만큼 충분히 발현되지 못하여 설계 혹은 이론 용량 대비 낮은 수준이다.
이에 전고체 전지의 우수한 전기화학 특성 발현을 위해 신규한 구성의 전고체 전지의 개발이 요구되고 있다.
한편, 고체 전해질을 사용하여 활물질 표면을 코팅할 경우 활물질 입자들이 연결되지 못하고 절연체인 고체 전해질로 인한 고립으로 전극 내에서 전기적인 연결이 불가능하다. 집전체 표면에 활물질 입자들의 단일 층을 구성하고 그 위에 고체 전해질을 적용하면 활물질 입자 간의 전기적인 연결은 가능하나 에너지 밀도가 매우 작다. 에너지 밀도가 높으면서 고체 전해질을 활용할 수 있는 전지 설계가 필요하다.
본 발명은 전지의 에너지밀도 및 사용 시간을 크게 향상시킬 수 있고, 전지의 안전성을 획기적으로 개선하는 것이 가능한 전고체 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전고체 전지는 제1 집전체; 높이방향에서 상기 제1 집전체에 마주보도록 배치된 제2 집전체; 상기 제1 집전체에 배치되어, 상기 제2 집전체 측으로 돌출된 복수의 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질 구조체; 상기 제2 집전체에 배치되어, 상기 제1 집전체 측으로 돌출된 복수의 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질 구조체; 및 상기 제1 활물질 구조체 및 상기 제2 활물질 구조체를 에워싸는 고체 전해질을 포함하고, 상기 높이방향과 수직한 너비방향에서, 상기 복수의 제1 돌출부와 상기 복수의 제2 돌출부는 교대로 배치될 수 있다.
상기 제1 활물질 구조체는 제1 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제조되고, 상기 제2 활물질 구조체는 제2 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제조될 수 있다.
상기 제1 활물질 구조체는 상기 제1 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제1 돌출부에 연결되는 제1 플레이트를 더 포함하고, 상기 제2 활물질 구조체는 상기 제2 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제2 돌출부에 연결되는 제2 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 튜브 형상을 갖고, 상기 너비방향에서, 특정 제1 돌출부의 내주측 또는 외주측 중 적어도 하나에 상기 제1 돌출부가 배치될 수 있다.
상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각의 두께는 10um 내지 100um일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법은 제1 집전체 상에 제1 활물질용 잉크를 3D프린팅하여, 상부로 돌출된 복수의 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질 구조체를 배치하는 단계; 제2 집전체 상에 제2 활물질용 잉크를 3D프린팅하여, 상부로 돌출된 복수의 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질 구조체를 배치하는 단계; 상기 제1 활물질 구조체를 덮도록 상기 제1 집전체 상에 고체 전해질을 배치하는 단계; 및 상기 제2 집전체 및 상기 제2 활물질 구조체를 높이방향에서 상하 반전시키고, 상기 고체 전해질에 반전된 상기 제2 활물질 구조체를 삽입하는 단계; 를 포함하고, 상기 제2 활물질 구조체를 삽입하는 단계에서, 상기 높이방향과 수직한 너비방향에서, 상기 복수의 제1 돌출부와 상기 복수의 제2 돌출부는 교대로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 활물질 구조체는 상기 제1 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제1 돌출부에 연결되는 제1 플레이트를 더 포함하고, 상기 제2 활물질 구조체는 상기 제2 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제2 돌출부에 연결되는 제2 플레이트를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 기둥 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 튜브 형상을 갖고, 상기 너비방향에서, 특정 제1 돌출부의 내주측 또는 외주측 중 적어도 하나에 상기 제1 돌출부가 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각의 두께는 10um 내지 100um일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전지의 에너지밀도 및 사용 시간을 크게 향상시킬 수 있고, 전지의 안전성을 획기적으로 개선하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지를 도 1의 A-A'선을 따라 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법을 나타낸 흐름도이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이고,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전고체 전지를 도 7의 B-B'선을 따라 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지를 도 1의 A-A'선을 따라 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는 제1 집전체(10), 제2 집전체(20), 제1 활물질 구조체(110), 고체 전해질(120) 및 제2 활물질 구조체(130)를 포함할 수 있다.
제1 집전체(10)와 제2 집전체(20)는 서로 대향하며, 사이에 제1 활물질 구조체(110), 고체 전해질(120) 및 제2 활물질 구조체(130)가 개재될 수 있다.
여기서, 제1 구성은 양극으로 정의될 수 있고, 제2 구성은 음극으로 정의될 수 있다.
또한, 도시하지 않았지만, 제1 집전체(10)는 양극단자(미도시)가 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 집전체(20)는 음극단자(미도시)가 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 집전체(10) 및 제2 집전체(20) 각각은 화학 변화를 일으키지 않는 전자 전도체가 바람직하다. 제1 집전체(10)는, 알루미늄, 스테인리스강, 니켈, 타이타늄 등 외에 알루미늄이나 스테인리스강의 표면에 카본, 니켈, 타이타늄 혹은 은을 처리시킨 것이 바람직하고, 그 중에서도 알루미늄, 알루미늄 합금이 보다 바람직하다. 제2 집전체(20)는, 알루미늄, 구리, 스테인리스강, 니켈, 타이타늄이 바람직하고, 알루미늄, 구리, 구리 합금이 보다 바람직하다.
집전체(10, 20)의 형상으로서는, 통상 필름 시트 형상의 것이 사용되지만, 네트, 펀칭된 것, 라스체, 다공질체, 발포체, 섬유군의 성형체 등도 이용할 수 있다.
집전체(10, 20)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 1μm~500μm가 바람직하다. 또, 집전체(10, 20) 표면은 표면 처리에 의하여 요철을 형성하는 것도 바람직하다.
제1 활물질 구조체(110)는 제1 집전체(10) 상에 적층되어 배치될 수 있다. 여기서, 제1 활물질 구조체(110)는 solid freeform fabrication, 3D printing, etching 등을 이용한 프린팅 공정으로 배치될 수 있다.
일 예로, 제1 활물질이 첨가된 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제1 집전체(10) 상에 제1 활물질 구조체(110)를 제조할 수 있다.
여기서, 3D프린팅으로 제조 가능한 제1 활물질은 분말형태의 전극 물질로 고분자바인더 또는 용매를 사용하여 슬러리를 형성한 후 3D 프린팅 또는 잉크젯 방식으로 모양을 형성한 후 가열 또는 건조 공정을 거친 후 전극을 만들 수 있다.
양극의 경우 LiCoO2, LiNi1-xMxO2 (M= Co, Mn, Al, Mg 등), LiFePO4, LiMn2O4, LiMn2-xMxO4 (M= metal) 등을 포함할 수 있다.
또한, 제1 활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 제1 활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하일 수 있다. 제1 활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다.
제1 활물질 구조체(110)는 제1 플레이트(111) 및 제1 돌출부(112)를 포함할 수 있다.
제1 플레이트(111)는 제1 집전체(10)의 표면에 직접 배치되며 판상으로 구성될 수 있고, 제1 플레이트(111) 상면 중 일부는 후술할 제2 돌출부(132)의 하면에 대향할 수 있다.
제1 돌출부(112)는 제1 플레이트(111)에서 제2 집전체(20) 측으로 돌출된 기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 높이방향(Z축 방향)에 수직한 너비방향에서 복수개로 상호 이격되어 배치될 수 있다. 한편, 도 2에서 복수의 제1 돌출부(112)는 원형 기둥으로 도시되어 있으나 사각 기둥 또는 팔각 기둥 형상으로 형성될 수 있음은 물론이며, 본 발명에 이를 한정하는 것은 아니다.
고체 전해질(120)은 제1 집전체(10)와 제2 집전체(20) 사이에 개재되며, 제1 활물질 구조체(110)와 제2 활물질 구조체(130) 사이에 개재되어 배치될 수 있다.
이러한 고체 전해질(120)은 제1 활물질과 제2 활물질에 따라 다양한 조성으로 구성될 수 있는 바, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
제2 활물질 구조체(130)는 제2 집전체(20) 상에 적층되어 배치될 수 있다. 여기서, 제2 활물질 구조체(130)는 solid freeform fabrication, 3D printing, etching 등을 이용한 프린팅 공정으로 배치될 수 있다.
일 예로, 제2 활물질이 첨가된 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제2 집전체(20) 상에 제2 활물질 구조체(130)를 제조할 수 있다.
여기서, 3D프린팅으로 제조 가능한 제2 활물질은 분말형태의 전극 물질로 고분자바인더 또는 용매를 사용하여 슬러리를 형성한 후 3D 프린팅 또는 잉크젯 방식으로 모양을 형성한 후 가열 또는 건조 공정을 거친 후 전극을 만들 수 있다.
음극의 경우 천연흑연, 인조흑연, hard carbon, soft carbon, Si, Si/흑연 복합계, Li1+xV1-xO2, Li3VO4 등을 포함할 수 있다.
또한, 제2 활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 제2 활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하일 수 있다. 제2 활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다.
제2 활물질 구조체(130)는 제2 플레이트(131) 및 제2 돌출부(132)를 포함할 수 있다.
제2 플레이트(131)는 제2 집전체(20)의 표면에 직접 배치되며 판상으로 구성될 수 있고, 제2 플레이트(131) 하면 중 일부는 제1 돌출부(112)의 상면에 대향할 수 있다.
제2 돌출부(132)는 제2 플레이트(131)에서 제1 집전체(10) 측으로 돌출된 기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 높이방향(Z축 방향)에 수직한 너비방향에서 복수개로 상호 이격되어 배치될 수 있다. 한편, 도 2에서 복수의 제2 돌출부(132)는 원형 기둥으로 도시되어 있으나 사각 기둥 또는 팔각 기둥 형상으로 형성될 수 있음은 물론이며, 본 발명에 이를 한정하는 것은 아니다.
또한, 너비방향에서 복수의 제1 돌출부(112)와 복수의 제2 돌출부(132)는 상호 교차되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 너비방향에서 제1방향(X축 방향)으로 제1 돌출부(112)와 제2 돌출부(132)가 상호 교차되어 배치되며, 너비방향에서 제1방향에 수직한 제2방향(Y축 방향)으로 제1 돌출부(112)와 제2 돌출부(132)가 상호 교차되어 배치될 수 있다.
이를 통해 너비방향에서 이웃한 제1 돌출부(112)와 제2 돌출부(132) 사이에 고체 전해질(120)이 개재되어, 제1 돌출부(112)와 제2 돌출부(132) 사이에서 이온교환이 이루어질 수 있다.
한편, 복수의 제1 돌출부(112), 제2 돌출부(132) 각각의 두께는 10um 내지 100um인 것이 바람직하다.
여기서, 복수의 제1 돌출부(112) 및 제2 돌출부(132) 각각의 두께가 10um 미만인 경우 전극 제조 공정이 매우 어려우며, 충방전 시 형성되는 덴드라이트가 단락을 일으키는 한 문제가 있을 수 있고, 복수의 제1 돌출부(112) 및 제2 돌출부(132) 각각의 두께가 100um 초과인 경우 리튬이온의 확산 거리가 증가하여 충방전 속도가 저하되는 한 문제가 있을 수 있다.
또한, 이웃하는 제1 돌출부(112)와 제2 돌출부(132) 사이의 최단 거리는 0.1 um 내지 10 um인 것이 바람직하다. 또한, 제1 플레이트(111)와 제2 돌출부(132)의 최단 거리 및 제2 플레이트(131)와 제1 돌출부(112)의 최단 거리도 0.1 um 내지 10 um인 것이 바람직하다. 여기서, 이웃하는 제1 활물질 구조체(110)와 제2 활물질 구조체(130) 간의 최단 거리가 0.1 um 미만인 경우 전극 가공 상의 어려운 문제가 있을 수 있고, 이웃하는 제1 활물질 구조체(110)와 제2 활물질 구조체(130) 간의 최단 거리가 10 um 초과인 경우 전지의 임피던스 (저항)이 커지는 문제가 있을 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이다.
우선, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 전고체 전지의 제조 방법은 제1 활물질 구조체 배치 단계(S10), 제2 활물질 구조체 배치 단계(S20), 고체 전해질 배치 단계(S30) 및 전고체 전지 제조 단계(S40)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 활물질 구조체 배치 단계(S10)에서는 제1 집전체(10) 상에 3D 프린팅을 이용해, 제1 플레이트(111) 및 제1 돌출부(112)를 포함하는 제1 활물질 구조체(110)를 배치한다.
우선, 제1 집전체(10)의 표면에 제1 플레이트(111)를 적층하고, 제1 플레이트(111)에서 상부로 돌출되도록 복수의 제1 돌출부(112)를 형성한다. 한편, 도 2를 함께 참조하면 복수의 제1 돌출부(112)는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 상호 이격되어 배치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 활물질 구조체 배치 단계(S20)에서는 제2 집전체(20) 상에 3D 프린팅을 이용해, 제2 플레이트(131) 및 제2 돌출부(132)를 포함하는 제2 활물질 구조체(130)를 배치한다.
우선, 제2 집전체(20)의 표면에 제2 플레이트(131)를 적층하고, 제2 플레이트(131)에서 상부로 돌출되도록 복수의 제2 돌출부(132)를 형성한다. 한편, 도 2를 함께 참조하면 복수의 제2 돌출부(132)는 제2 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 상호 이격되어 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 고체 전해질 배치 단계(S30)에서는 제1 활물질 구조체(110) 상에 고체 전해질(120)을 배치할 수 있다.
여기서, 고체 전해질(120)은 반경화 상태로 제1 활물질 구조체(110) 상에 배치될 수 있고, 제1 활물질 구조체(110) 및 제2 활물질 구조체(130)의 형상에 맞도록 음각 및 양각이 형성된 구조체일 수 있다.
도 6을 참조하면, 전고체 전지 제조 단계(S40)에서는 제2 활물질 구조체(130)가 배치된 제2 집전체(20)를 반전시켜, 제1 활물질 구조체(110)와 고체 전해질(120) 상에 배치하여, 전고체 전지를 제조할 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 전고체 전지에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전고체 전지를 도 7의 B-B'선을 따라 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전고체 전지는 도 1 내지 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 전고체 전지에 비해 제1 활물질 구조체(140) 및 제2 활물질 구조체(150)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 제1 활물질 구조체(140) 및 제2 활물질 구조체(150)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
제1 활물질 구조체(140)는 제1 집전체(10) 상에 적층되어 배치될 수 있다. 여기서, 제1 활물질 구조체(140)는 solid freeform fabrication, 3D printing, etching 등을 이용한 프린팅 공정으로 배치될 수 있다.
일 예로, 제1 활물질이 첨가된 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제1 집전체(10) 상에 제1 활물질 구조체(140)를 제조할 수 있다.
또한, 제1 활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 제1 활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하일 수 있다. 제1 활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다.
제1 활물질 구조체(140)는 제1 플레이트(141) 및 제1 돌출부(142)를 포함할 수 있다.
제1 플레이트(141)는 제1 집전체(10)의 표면에 직접 배치되며 판상으로 구성될 수 있고, 제1 플레이트(141) 상면 중 일부는 후술할 제2 돌출부(152)의 하면에 대향할 수 있다.
제1 돌출부(142)는 제1 플레이트(141)에서 제2 집전체(20) 측으로 돌출되어 튜브 형상으로 형성될 수 있으며, 하나의 제1 돌출부(142) 내측에 더욱 지름이 작은 제1 돌출부(142)가 배치될 수 있다. 한편, 도 8에서 복수의 제1 돌출부(142)는 원형 튜브로 도시되어 있으나 사각 튜브 또는 팔각 튜브 형상으로 형성될 수 있음은 물론이며, 본 발명에 이를 한정하는 것은 아니다.
제2 활물질 구조체(150)는 제2 집전체(10) 상에 적층되어 배치될 수 있다. 여기서, 제2 활물질 구조체(150)는 solid freeform fabrication, 3D printing, etching 등을 이용한 프린팅 공정으로 배치될 수 있다.
일 예로, 제2 활물질이 첨가된 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제2 집전체(20) 상에 제2 활물질 구조체(150)를 제조할 수 있다.
또한, 제2 활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 제2 활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하일 수 있다. 제2 활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다.
제2 활물질 구조체(150)는 제2 플레이트(151) 및 제2 돌출부(152)를 포함할 수 있다.
제2 플레이트(151)는 제2 집전체(10)의 표면에 직접 배치되며 판상으로 구성될 수 있고, 제2 플레이트(151) 하면 중 일부는 제1 돌출부(142)의 상면에 대향할 수 있다.
제2 돌출부(152)는 제2 플레이트(151)에서 제1 집전체(10) 측으로 돌출되어 튜브 형상으로 형성될 수 있으며, 하나의 제2 돌출부(152) 내측에 더욱 지름이 작은 제2 돌출부(152)가 배치될 수 있다. 한편, 도 8에서 복수의 제2 돌출부(152)는 원형 튜브로 도시되어 있으나 사각 튜브 또는 팔각 튜브 형상으로 형성될 수 있음은 물론이며, 본 발명에 이를 한정하는 것은 아니다.
또한, 너비방향에서 하나의 제1 돌출부(142) 내측에 하나의 제2 돌출부(152)가 배치되고, 하나의 제2 돌출부(152) 내측에 하나의 제1 돌출부(142)가 배치될 수 있다. 즉, 제1 돌출부(142)와 제2 돌출부(152)는 상호 교차되어 배치될 수 있다.
이를 통해 너비방향에서 이웃한 제1 돌출부(142)와 제2 돌출부(152) 사이에 고체 전해질(120)이 개재되어, 제1 돌출부(142)와 제2 돌출부(152) 사이에서 이온교환이 이루어질 수 있다.
한편, 복수의 제1 돌출부(142), 제2 돌출부(152) 각각의 두께는 10um 내지 100um인 것이 바람직하다.
여기서, 복수의 제1 돌출부(112) 및 제2 돌출부(132) 각각의 두께가 10um 미만인 경우 전극 제조 공정이 매우 어려우며, 충방전 시 형성되는 덴드라이트가 단락을 일으키는 한 문제가 있을 수 있고, 복수의 제1 돌출부(112) 및 제2 돌출부(132) 각각의 두께가 100um 초과인 경우 리튬이온의 확산 거리가 증가하여 충방전 속도가 저하되는 한 문제가 있을 수 있다.
또한, 이웃하는 제1 돌출부(142)와 제2 돌출부(152) 사이의 최단 거리는 0.1 um 내지 10 um인 것이 바람직하다. 또한, 제1 플레이트(141)와 제2 돌출부(152)의 최단 거리 및 제2 플레이트(151)와 제1 돌출부(142)의 최단 거리도 0.1 um 내지 10 um인 것이 바람직하다. 여기서, 이웃하는 제1 활물질 구조체(140)와 제2 활물질 구조체(150) 간의 최단 거리가 0.1 um 미만인 경우 전극 가공 상의 어려운 문제가 있을 수 있고, 이웃하는 제1 활물질 구조체(140)와 제2 활물질 구조체(150) 간의 최단 거리가 10 um 초과인 경우 전지의 임피던스(저항)이 커지는 문제가 있을 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제1 집전체
20: 제2 집전체
110, 140: 제1 활물질 구조체
120: 고체 전해질
130, 150: 제2 활물질 구조체

Claims (11)

  1. 제1 집전체;
    높이방향에서 상기 제1 집전체에 마주보도록 배치된 제2 집전체;
    상기 제1 집전체에 배치되어, 상기 제2 집전체 측으로 돌출된 복수의 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질 구조체;
    상기 제2 집전체에 배치되어, 상기 제1 집전체 측으로 돌출된 복수의 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질 구조체; 및
    상기 제1 활물질 구조체 및 상기 제2 활물질 구조체를 에워싸는 고체 전해질을 포함하고,
    상기 높이방향과 수직한 너비방향에서, 상기 복수의 제1 돌출부와 상기 복수의 제2 돌출부는 교대로 배치되는 전고체 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 활물질 구조체는 제1 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제조되고,
    상기 제2 활물질 구조체는 제2 활물질용 잉크를 3D프린팅하여 제조되는 전고체 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 활물질 구조체는 상기 제1 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제1 돌출부에 연결되는 제1 플레이트를 더 포함하고,
    상기 제2 활물질 구조체는 상기 제2 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제2 돌출부에 연결되는 제2 플레이트를 더 포함하는 전고체 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 기둥 형상을 갖는 전고체 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 튜브 형상을 갖고,
    상기 너비방향에서, 특정 제1 돌출부의 내주측 또는 외주측 중 적어도 하나에 상기 제1 돌출부가 배치되는 전고체 전지.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각의 두께는 10um 내지 100um인 전고체 전지.
  7. 제1 집전체 상에 제1 활물질용 잉크를 3D프린팅하여, 상부로 돌출된 복수의 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질 구조체를 배치하는 단계;
    제2 집전체 상에 제2 활물질용 잉크를 3D프린팅하여, 상부로 돌출된 복수의 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질 구조체를 배치하는 단계;
    상기 제1 활물질 구조체를 덮도록 상기 제1 집전체 상에 고체 전해질을 배치하는 단계; 및
    상기 제2 집전체 및 상기 제2 활물질 구조체를 높이방향에서 상하 반전시키고, 상기 고체 전해질에 반전된 상기 제2 활물질 구조체를 삽입하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제2 활물질 구조체를 삽입하는 단계에서,
    상기 높이방향과 수직한 너비방향에서, 상기 복수의 제1 돌출부와 상기 복수의 제2 돌출부는 교대로 배치되는 전고체 전지의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 활물질 구조체는 상기 제1 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제1 돌출부에 연결되는 제1 플레이트를 더 포함하고,
    상기 제2 활물질 구조체는 상기 제2 집전체의 표면에 배치되어, 상기 제2 돌출부에 연결되는 제2 플레이트를 더 포함하는 전고체 전지의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 기둥 형상을 갖는 전고체 전지의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각은 튜브 형상을 갖고,
    상기 너비방향에서, 특정 제1 돌출부의 내주측 또는 외주측 중 적어도 하나에 상기 제1 돌출부가 배치되는 전고체 전지의 제조 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 제1 돌출부 및 상기 복수의 제2 돌출부 각각의 두께는 10um 내지 100um인 전고체 전지의 제조 방법.
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