WO2011093659A2 - 케이블형 이차전지 - Google Patents

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권요한
김제영
오병훈
김기태
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Definitions

  • the present invention relates to a cable type secondary battery free of deformation.
  • a secondary battery is a device that converts external electrical energy into chemical energy and stores it and generates electricity when needed.
  • the term "rechargeable battery” is also used to mean that it can be charged multiple times.
  • Commonly used secondary batteries include lead storage batteries, nickel cadmium batteries (NiCd), nickel hydrogen storage batteries (NiMH), lithium ion batteries (Li-ion), and lithium ion polymer batteries (Li-ion polymer). Secondary batteries offer both economic and environmental advantages over primary batteries that are used once and discarded.
  • Secondary batteries are currently used where low power is used. Examples are devices, handhelds, tools, and uninterruptible power supplies that help start up the car. Recently, the development of wireless communication technology has led to the popularization of portable devices, and there is also a tendency to wirelessize many kinds of conventional devices, and the demand for secondary batteries is exploding. In addition, hybrid vehicles and electric vehicles have been put to practical use in terms of preventing environmental pollution. These next-generation vehicles employ technologies that use secondary batteries to reduce value, weight, and increase lifespan.
  • secondary batteries are cylindrical, rectangular or pouch type batteries. This is because the secondary battery is manufactured by mounting an electrode assembly composed of a negative electrode, a positive electrode, and a separator inside a pouch-shaped case of a cylindrical or rectangular metal can or an aluminum laminate sheet, and injecting an electrolyte into the electrode assembly. Therefore, since a certain space for mounting the secondary battery is essentially required, the cylindrical, square or pouch type of the secondary battery has a problem in that it acts as a limitation for the development of various types of portable devices. Accordingly, there is a need for a new type of secondary battery that is easily deformed.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-0099903 discloses a thread-type variable battery composed of an internal electrode, an electrolyte, and an external electrode, but has one negative electrode and a positive electrode and a poor capacity balance.
  • Korean Patent No. 0444911 discloses a linear battery composed of a plurality of negative electrodes and a positive electrode having a separator interposed between a negative electrode and a positive electrode. It discloses, but does not have a configuration of the external electrode and the internal electrode.
  • an object of the present invention is to provide a secondary battery having a novel linear structure that is easily deformed and can maintain stability and excellent performance of the secondary battery.
  • a cable type secondary battery includes an internal electrode having a horizontal cross-section having a predetermined shape and having two or more negative electrodes arranged in parallel on an outer surface of an electrolyte layer extending in a longitudinal direction and serving as a passage of ions; An external electrode serving as an anode including a cathode active material layer filled around the inner electrode; And a protective coating disposed around the external electrode.
  • the cable type secondary battery may include: an internal electrode having a horizontal cross-section having a predetermined shape and having two or more anodes arranged in parallel on an outer surface of an electrolyte layer extending in a longitudinal direction and serving as a passage of ions; An external electrode that is a negative electrode including a negative electrode active material layer filled to surround the internal electrode; And a protective coating disposed around the external electrode.
  • the cross section of the cathode or anode is circular or polygonal, circular is a geometrically perfectly symmetrical circular and asymmetrical oval structure, and polygons may be triangular, square, pentagonal or hexagonal.
  • the negative electrode or the positive electrode has an active material layer on the current collector and the outer surface of the current collector.
  • the current collector is a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel, vision treated with aluminum-cadmium alloy, conductive material
  • a conductive polymer or a conductive polymer may be polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polysulfuride, ITO (Indum Thin Oxide), silver, palladium, nickel and copper
  • the conductive polymer may be polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, Polythiophene, polysulfurite, and the like can be used.
  • the active material layer is a carbonaceous material as the negative electrode active material layer; Lithium-containing titanium composite oxide (LTO); Metals (Me) which are Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe; Alloys composed of the metals (Me); Oxides of the metals (Me) (MeOx); And a composite of the metals (Me) and carbon, and a positive electrode active material layer include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiNiMnCoO 2, and LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2 ( M 1 and M 2 are each independently selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo, and x, y and z are oxide compositions independently of each other. As the atomic fraction of the elements, 0 ⁇ x ⁇
  • the electrolyte layer may be a gel polymer electrolyte using PEO, PVdF, PMMA, PAN or PVAC, or a solid polymer electrolyte using PEO, PPO (polypropylene oxide), PEI (polyethylene imine), PES (polyethyle sulphide) or PVAc (polyvinyl acetate).
  • PEO polymer electrolyte
  • PMMA polymethyl methyle sulphide
  • PVAc polyvinyl acetate
  • the electrolyte layer may further include a lithium salt.
  • Lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lower aliphatic lithium carbonate, lithium tetraphenylborate, and the like can be used.
  • the cable type secondary battery of the present invention is characterized in that one electrode includes a plurality of electrodes therein, and has a linear structure and flexibility at the same time, so that deformation can be applied to various types of portable devices. Do.
  • the contact area is increased by providing a plurality of internal electrodes and pipe type external electrodes, the battery cell has a high battery rate, and the number of internal electrodes is controlled to easily adjust the capacity balance between the internal electrodes and the external electrodes.
  • a plurality of internal electrodes may be provided to prevent a disconnection problem due to repeated use.
  • by forming an electrolyte layer on the inner electrode to prevent direct contact with the outer electrode it is possible to achieve a high rate characteristic by preventing a short and increasing the relative surface area.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a circular cable type secondary battery according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an elliptical cable type secondary battery according to an embodiment.
  • the cable type secondary battery of the present invention has a horizontal cross section of a predetermined shape and has two or more negative electrodes 10 formed on an outer surface of the electrolyte layer 30 extending in the longitudinal direction and serving as a passage of ions. 11) internal electrodes arranged in parallel; An external electrode which is a positive electrode (20, 21) including a positive electrode active material layer (21) filled surrounding the inner electrode; And a protective coating 40 disposed around the external electrode.
  • the cable type secondary battery according to the present invention has a horizontal cross section of a predetermined shape and has two or more anodes 10 and 11 arranged in parallel on an outer surface of the electrolyte layer 30 extending in the longitudinal direction and serving as an ion passage. electrode; An external electrode which is a cathode including an anode active material layer 21 filled around the inner electrode; And a protective coating 40 disposed around the external electrode.
  • the predetermined shape means that the shape is not particularly limited, and any shape that does not impair the essence of the present invention is possible.
  • the cable-type secondary battery of the present invention has a horizontal cross section of a predetermined shape, has a linear structure elongated in the longitudinal direction with respect to the horizontal cross section, and has flexibility so that deformation is free.
  • the cable type secondary battery of FIG. 1 has a circular structure of perfect symmetry, and the cable type secondary battery of FIG.
  • the present invention includes a plurality of cathodes 10 and 11 or electrolytes 10 and 11 having an electrolyte layer 30 and an external electrode 20 and 21 serving as a pipe or a cathode.
  • the positive electrode has a structure in which the active materials 11 and 21 are coated on the current collectors 10 and 20, but the current collector is not essential when the active material itself serves as the current collector.
  • the cross section of the cathode and anode may be circular or polygonal, which is a geometrically perfectly symmetrical circular and asymmetrical oval structure.
  • the polygon is not particularly limited as long as it is not a two-dimensional sheet-like structure, and a non-limiting example of the polygonal structure may be a triangle, a square, a pentagon, or a hexagon.
  • the internal electrode has two or more parallelly arranged cathodes 10, 11 or anodes 10, 11, in which not only a plurality of cathodes or anodes are arranged side by side in a straight line, but also a plurality of cathodes or anodes are twisted together. It also includes the case.
  • the cable type secondary battery of FIG. 1 has internal electrodes of four negative electrodes or positive electrodes, and the cable type secondary battery of FIG. 2 has three internal electrodes of three negative electrodes or positive electrodes.
  • the surface area in contact with the counter electrode is increased to have a high battery rate and to secure excellent battery performance.
  • the electrode may be disconnected due to repeated use. When a plurality of electrodes are used, the operation of the battery becomes possible even if the electrode is disconnected.
  • a negative electrode active material having a smaller capacity per volume than the positive electrode active material more negative electrode active materials must be used than the positive electrode active material used to maintain battery capacity balance. The capacity balance between the external electrode and the external electrode can be easily adjusted.
  • the negative electrode and the positive electrode of the present invention include the current collectors 10 and 20 and the active material layers 11 and 21 on the outer surface of the current collector.
  • the active materials 11 and 21 are applied to the surfaces of the current collectors 10 and 20, and serve to move ions through the current collectors, and the movement of these ions occludes the ions from the electrolyte layer 30 and the electrolyte layer.
  • the current collectors 10 and 20 are surface treated with carbon, nickel, titanium or silver on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel, surface treated with aluminum-cadmium alloy and conductive material. It is preferable to use a non-conductive polymer, or a conductive polymer.
  • the current collector collects electrons generated by the electrochemical reaction of the active material or serves to supply electrons required for the electrochemical reaction.
  • a metal such as copper or aluminum is used.
  • the cable-type secondary battery of the present invention can be provided with a plurality of electrodes, and a plurality of current collectors are used, the minute difference in flexibility of each current collector also greatly affects the flexible performance of the entire secondary battery.
  • the polymer current collector is used in place of the metal current collector, light weight of the battery can be achieved.
  • Such conductive materials may be polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polysulfuride, ITO (Indum Thin Oxide), silver, palladium, nickel and copper, and the conductive polymer may be polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, Polythiophene, polysulfurite, and the like can be used.
  • the non-conductive polymer used for the current collector is not particularly limited in kind.
  • Non-limiting examples of the negative electrode active material layer a carbonaceous material; Lithium-containing titanium composite oxide (LTO); Metals (Me) which are Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe; Alloys composed of the metals (Me); Oxides of the metals (Me) (MeOx); And a complex of the metals (Me) and carbon; Etc. can be used.
  • Lithium-containing titanium composite oxide LTO
  • Metals (Me) which are Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe
  • Etc. can be used.
  • Non-limiting examples of the positive electrode active material layer LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiNiMnCoO 2 and LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2
  • M1 and M2 are independently of each other Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo, any one selected from the group, x, y and z independently of each other as the atomic fraction of the elements of the oxide composition 0 ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ 0.5, 0 ⁇ z ⁇ 0.5, and x + y + z ⁇ 1) or the like.
  • the electrolyte layer 30 is formed on the cathodes 10 and 11 or the anodes 10 and 11 of the internal electrode to prevent direct contact with the external electrodes 20 and 21. Therefore, the short circuit can be prevented, the surface area of the internal electrode is relatively increased, and the contact area between the internal electrode and the external electrode is increased, thereby achieving high battery rate characteristics.
  • the electrolyte layer serving as a passage for these ions may be a gel polymer electrolyte using PEO, PVdF, PMMA, PAN, or PVAC or PEO, polypropylene oxide (PPO), polyethylene imine (PEI), polyethyle sulphide (PES), or polyvinyl acetate (PVAc).
  • the matrix of the solid electrolyte is preferably made of polymer or ceramic glass as a basic skeleton.
  • ions may move very slowly in terms of reaction rate, and thus, it is preferable to use an electrolyte of a gel polymer having easier movement of ions than a solid.
  • the gel polymer electrolyte is not excellent in mechanical properties, it may include a pore structure support or a crosslinked polymer to compensate for this. Since the electrolyte layer of the present invention may serve as a separator, a separate separator may not be used.
  • the electrolyte layer 30 of the present invention may further include a lithium salt.
  • Lithium salts can improve ionic conductivity and reaction rate, non-limiting examples of which are LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloro may borane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, and lithium tetraphenyl borate available .
  • Protective coating 40 of the present invention is formed on the outer surface of the external electrodes 20, 21 as an insulator to protect the electrode against moisture and external impact in the air.
  • a conventional polymer resin may be used, and for example, PVC, HDPE, or epoxy resin may be used.
  • the active materials 11 and 21 may be coated on the current collectors 10 and 20.
  • a general coating method may be used as the coating method, and specifically, electroplating or positive electrode.
  • An oxidation oxidation process can be used, and it is preferable to manufacture an electrode slurry containing an active material by extrusion coating through an extruder.
  • the prepared cathodes 10 and 11 or anodes 10 and 11 are used as internal electrodes and the outer surface of the internal electrodes is coated with an electrolyte layer 30.
  • the outside of the internal electrode coated with the electrolyte layer may be manufactured by coating the active material 21 or inserting the internal electrode into the active material layer 21.
  • the internal electrode and the active material may be formed, and the current collector 20 and the protective coating 40 of the external electrode may be formed on the outer surface thereof.
  • the internal electrode is inserted into the active material of the external electrode, or the current collector 21 and the protective coating 40 of the external electrode are prepared. After forming the), it is also possible to insert the internal electrode and fill the active material to manufacture.

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Abstract

본 발명은 케이블형 이차전지에 관한 것으로, 더 자세하게는 본 발명의 케이블형 이차전지는, 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층이 외면에 형성된 2 이상의 음극이 평행하게 배치된 내부전극; 상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 양극 활물질층을 포함하는 양극인 외부전극; 및 상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복을 포함하는 케이블형 이차전지에 대한 것이다. 이러한 케이블형 이차전지는 선형의 구조를 가지면서 동시에 가요성을 갖고 있어 변형이 자유롭다. 파이프형의 외부전극 내부에 복수개의 내부전극을 구비하여 접촉면적이 증가하므로 높은 전지 레이트를 갖는다. 또한, 내부전극의 개수를 조절하여 내부전극과 외부전극과의 용량 밸런스의 조절이 용이하고, 내부전극에 전해질층이 형성되어 있어 단락(short)을 방지할 수 있다.

Description

케이블형 이차전지
본 발명은 변형이 자유로운 케이블형 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2010년 2월 1일에 출원된 한국특허출원 제10-2010-0009049호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
이차전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다. 이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
이차 전지는 현재 낮은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 최근 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 대중화를 주도하고 있으며, 종래의 많은 종류의 장치들을 무선화하는 경향도 있어, 이차전지에 대한 수요가 폭발하고 있다. 또한, 환경오염 등의 방지 측면에서 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 실용화되고 있는데, 이들 차세대 자동차들은 이차전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.
일반적으로 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치형의 전지가 대부분이다. 이는 이차전지는 음극, 양극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 원통형 또는 각형의 금속캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극 조립체에 전해질을 주입시켜 제조하기 때문이다. 따라서, 이차전지 장착을 위한 일정한 공간이 필수적으로 요구되므로, 이러한 이차전지의 원통형, 각형 또는 파우치형의 형태는 다양한 형태의 휴대용 장치의 개발에 대한 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있다. 이에, 형태의 변형이 용이한 신규한 형태의 이차전지가 요구되고 있다.
이러한 요구에 대하여, 단면적 직경에 대하여 길이의 비가 매우 큰 전지인 선형전지가 제안되었다. 대한민국 공개특허 제2005-0099903호는 내부전극, 전해질, 외부전극으로 구성된 실형태의 가변형 전지가 개시되어 있으나 하나의 음극과 양극을 구비하고 용량 밸런스가 좋지 않다. 대한민국 등록특허 제0804411호는 음극과 양극 사이에 분리막이 개재된 다수의 음극과 양극으로 구성되어 있는 선형 전지가 개시되어 있고, 대한민국 등록특허 제0742739호는 실형태의 양극실과 음극실로 구성되는 가변형 전지를 개시하고 있으나, 외부전극과 내부전극의 구성을 갖지 않는다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 변형이 용이하며, 이차전지의 안정성과 우수한 성능을 유지할 수 있는 신규한 선형 구조의 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 케이블형 이차전지는, 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층이 외면에 형성된 2 이상의 음극이 평행하게 배치된 내부전극; 상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 양극 활물질층을 포함하는 양극인 외부전극; 및 상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복을 포함한다.
또는 케이블형 이차전지는, 소정 형상의 수평단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층이 외면에 형성된 2 이상의 양극이 평행하게 배치된 내부전극; 상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 음극 활물질층을 포함하는 음극인 외부전극; 및 상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복을 포함한다.
음극 또는 양극의 단면은 원형 또는 다각형이고, 원형은 기하학적으로 완전한 대칭형의 원형과 비대칭형의 타원형 구조이고, 다각형은 삼각형, 사각형, 오각형 또는 육각형일 수 있다.
음극 또는 양극은 집전체 및 상기 집전체의 외면에 활물질층을 구비한 것이 바람직하다.
이때, 집전체로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴합금, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다. 이러한 도전재로는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐, 니켈 및 구리 등이 가능하며, 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 등이 사용가능하다.
활물질층은, 음극 활물질층으로는 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO); Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체, 양극 활물질층으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임) 등이 사용 가능하다.
전해질층은 PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethyle sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 고분자 전해질 등이 사용 가능하다.
본 발명의 케이블형 이차전지에 있어서, 전해질층은 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 4페닐붕산리튬 등을 사용할 수 있다.
하나의 전극이 또 다른 복수의 전극을 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 케이블형 이차전지는 선형의 구조를 가지면서 동시에 가요성을 갖고 있어 변형이 자유로워 다양한 형태의 휴대용 장치에 적용 가능하다. 또한, 복수개의 내부전극 및 파이프형의 외부전극을 구비하여 접촉면적이 증가하므로 높은 전지 레이트를 갖고, 내부전극의 개수를 조절하여 내부전극과 외부전극과의 용량 밸런스의 조정이 용이하다. 복수개의 내부전극을 구비하여 반복적인 사용에 따른 단선 문제도 방지할 수 있다. 그리고, 내부전극에 전해질층을 형성하여 외부전극과의 직접적인 접촉을 방지하여 단락(short)의 예방 및 상대적인 표면적의 증가로 높은 레이트 특성의 달성이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 원형의 케이블형 이차전지의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 타원형의 케이블형 이차전지의 단면도이다.
[부호의 설명]
10 : 내부전극의 집전체 11 : 내부전극의 활물질층
20 : 외부전극의 집전체 21 : 외부전극의 활물질층
30 : 전해질층 40 : 보호피복
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 기재된 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 이차전지의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 각 도면 중에서 동일 부호는 동일 또는 동등한 구성요소를 나타내고 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 케이블형 이차전지는 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층(30)이 외면에 형성된 2 이상의 음극(10, 11)이 평행하게 배치된 내부전극; 상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 양극 활물질층(21)을 포함하는 양극(20, 21)인 외부전극; 및 상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복(40)을 포함한다.
또는 본 발명의 케이블형 이차전지는 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층(30)이 외면에 형성된 2 이상의 양극(10, 11)이 평행하게 배치된 내부전극; 상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 음극 활물질층(21)을 포함하는 음극인 외부전극; 및 상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복(40)을 포함한다. 여기서 소정의 형상이라 함은 특별히 형상을 제한하지 않는다는 것으로, 본 발명의 본질을 훼손하지 않는 어떠한 형상도 가능하다는 의미이다.
본 발명의 케이블형 이차전지는 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 수평 단면에 대한 길이방향으로 길게 늘어진 선형구조를 갖고, 가요성을 가지므로 변형이 자유롭다. 도 1의 케이블형 이차전지는 완전한 대칭형의 원형 구조를 갖고, 도 2의 케이블형 이차전지는 비대칭의 타원형 구조를 갖는 경우로 다양한 형태가 가능하다.
본 발명은 전해질층(30)을 갖는 복수개의 음극(10, 11) 또는 양극(10, 11)인 내부전극과 파이프 형태의 양극 또는 음극인 외부전극(20, 21)을 구비하고 있는데, 음극 및 양극은 집전체(10, 20)에 활물질(11, 21)이 도포된 구조가 일반적이지만, 활물질 자체가 집전체의 역할을 수행하는 경우에는 집전체가 필수적이지는 않다. 음극과 양극의 단면은 원형 또는 다각형일 수 있는데, 원형은 기하학적으로 완전한 대칭형의 원형과 비대칭형의 타원형 구조이다. 다각형은 2차원의 시트형이 아닌 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 이러한 다각형 구조의 비제한적인 예로는 삼각형, 사각형, 오각형 또는 육각형일 수 있다.
내부전극은 2 이상의 평행하게 배치된 음극(10, 11) 또는 양극(10, 11)을 갖는데, 복수의 음극 또는 양극이 직선으로 나란하게 배치된 경우뿐만 아니라, 복수의 음극 또는 양극이 서로 꼬여서 있는 경우도 포함한다. 도 1의 케이블형 이차전지는 4개의 음극 또는 양극인 내부전극을 갖고, 도 2의 케이블형 이차전지는 3개의 음극 또는 양극인 내부전극을 갖는 경우이다.
다수의 전극을 사용하는 경우에는 반대전극과 접하는 표면적이 증가하여 높은 전지 레이트를 갖고, 우수한 전지성능의 확보가 가능하다. 또한, 변형이 가능한 케이블형 이차전지의 특성상 반복적인 사용에 의하여 전극에 단선이 발생할 수 있는 데, 복수의 전극을 사용하는 경우에는 한 개의 전극에 단선이 발생하여도 전지의 작동이 가능하게 된다. 그리고, 양극활물질에 비하여 부피당 용량이 작은 음극활물질을 사용하는 경우에는, 전지 용량 밸런스 유지를 위해서는 사용되는 양극 활물질 보다 더 많은 음극 활물질을 사용해야 하는데, 본 발명에서는 내부전극의 개수가 조정 가능하므로 내부전극과 외부전극과의 용량 밸런스의 조절이 용이하다.
본 발명의 음극 및 양극은 집전체(10, 20) 및 집전체의 외면에 활물질층(11, 21)을 구비한 것이 바람직하다. 활물질(11, 21)은 집전체(10, 20)의 표면에 도포되고, 집전체를 통해서 이온을 이동시키는 작용을 하며, 이들 이온의 이동은 전해질층(30)으로부터의 이온의 흡장 및 전해질층으로의 이온의 방출을 통한 상호작용에 의한다.
집전체(10, 20)로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴합금, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다.
집전체는 활물질의 전기화학 반응에 의해 생성된 전자를 모으거나 전기화학 반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 하는 것으로, 일반적으로 구리나 알루미늄 등의 금속을 사용한다. 특히, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자 또는 전도성 고분자로 이루어진 고분자 전도체를 사용하는 경우에는 구리나 알루미늄과 같은 금속을 사용한 경우보다 상대적으로 가요성이 우수하다. 본 발명의 케이블형 이차전지는 다수 개의 전극을 구비할 수 있어 다수 개의 집전체가 사용되므로 각 집전체의 가요성의 미세한 차이도 전체 이차전지의 가요성 성능에 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 금속 집전체를 대체하여 고분자 집전체를 사용하므로 전지의 경량성을 달성할 수 있다.
이러한 도전재로는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐, 니켈 및 구리 등이 가능하며, 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 등이 사용가능하다. 다만, 집전체에 사용되는 비전도성 고분자는 특별히 종류를 한정하지는 않는다.
음극 활물질층의 비제한적인 예로는, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO); Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체; 등으로 이루어진 것이 사용 가능하다.
양극 활물질층의 비제한적인 예로는, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임) 등으로 이루어진 것이 사용 가능하다.
또한, 본 발명의 케이블형 이차전지에 있어서, 내부전극의 음극(10, 11) 또는 양극(10, 11)에 전해질층(30)을 형성하여 외부전극(20, 21)과의 직접적인 접촉을 방지하여 단락(short)의 예방이 가능하며, 내부전극의 표면적이 상대적으로 증가되며 내부전극과 외부전극과의 접촉면적이 증가하게 되어 높은 전지 레이트 특성의 달성이 가능하다. 이러한 이온의 통로가 되는 전해질층은 PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethyle sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질 등을 사용한다. 고체 전해질의 매트릭스(matrix)는 고분자 또는 세라믹 글라스를 기본골격으로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 고분자 전해질의 경우에는 이온전도도가 충족되더라도 반응속도적 측면에서 이온이 매우 느리게 이동할 수 있으므로, 고체인 경우보다 이온의 이동이 용이한 겔형 고분자의 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 겔형 고분자 전해질은 기계적 특성이 우수하지 않으므로 이를 보완하기 위해서 기공구조 지지체 또는 가교 고분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 전해질층은 분리막의 역할이 가능하므로 별도의 분리막을 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 전해질층(30)은, 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염은 이온 전도도 및 반응속도를 향상시킬 수 있는데, 이들의 비제한적인 예로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 4페닐붕산리튬을 사용할 수 있다.
본 발명의 보호피복(40)은 절연체로서 공기 중의 수분 및 외부충격에 대하여 전극을 보호하기 위해 외부전극(20, 21)의 외면에 형성한다. 보호피복(40)으로는 통상의 고분자 수지를 사용할 수 있으며, 일례로 PVC, HDPE 또는 에폭시 수지가 사용 가능하다.
이하에서는 상술한 구조의 케이블형 이차전지의 제조 방법을 간략하게 살펴본다.
음극 또는 양극은 집전체(10, 20)에 활물질(11, 21)이 도포된 것을 사용할 수 있는 데, 이러한 도포방법으로는 일반적인 코팅방법이 적용될 수 있으며, 구체적으로는 전기도금(electroplating) 또는 양극산화처리(anodic oxidation process) 방법이 사용가능하고, 활물질을 포함하는 전극슬러리를 압출기를 통하여 압출코팅하는 방법을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다.
제조된 음극(10, 11) 또는 양극(10, 11)을 내부전극으로 하고 내부전극의 외면을 전해질층(30)으로 코팅한다. 전해질층이 코팅된 내부전극의 외부를 활물질(21)로 코팅하거나 활물질층(21)에 내부전극을 삽입하는 공정을 통하여 제조할 수 있다. 이와 같이 내부전극과 활물질을 형성하고 그 외면에 외부전극의 집전체(20) 및 보호피복(40)을 형성하는 방법으로 제조할 수 있다. 또한, 내면에 활물질을 채운 외부전극(20, 21) 및 보호피복(40)을 형성한 후에 외부전극의 활물질에 내부전극을 삽입하여 제조하거나, 외부전극의 집전체(21) 및 보호피복(40)을 형성한 후에 내부전극을 삽입하고 활물질을 채워 넣어 제조하는 방법도 가능하다.

Claims (17)

  1. 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층이 외면에 형성된 2 이상의 음극이 평행하게 배치된 내부전극;
    상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 양극 활물질층을 포함하는 양극인 외부전극; 및
    상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복을 포함하는 케이블형 이차전지.
  2. 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 길이 방향으로 연장되고 이온의 통로가 되는 전해질층이 외면에 형성된 2 이상의 양극이 평행하게 배치된 내부전극;
    상기 내부전극을 둘러싸며 충진된 음극 활물질층을 포함하는 음극인 외부전극; 및
    상기 외부전극의 둘레에 배치되는 보호피복을 포함하는 케이블형 이차전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 음극의 단면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극의 단면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 음극은 집전체 및 상기 집전체의 외면에 음극 활물질층을 구비한 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 집전체는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면처리한 것; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자;로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 도전재는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐, 니켈 및 구리 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 고분자인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO); Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체;로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 활물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  10. 제 1항에 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극은 집전체 및 상기 집전체의 내면에 양극 활물질층을 구비한 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 집전체는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면처리한 것; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자;로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 도전재는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐, 니켈 및 구리 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 고분자인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 양극 활물질층은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 활물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전해질층은 PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethyle sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  16. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전해질층은 리튬염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 4페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
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