WO2024076049A1 - 고성능 배터리용 이중층 전극 및 이의 제조방법 - Google Patents

고성능 배터리용 이중층 전극 및 이의 제조방법 Download PDF

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김명호
현승민
오민섭
소혜미
이진영
심형철
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한국기계연구원
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a double-layer electrode and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a double-layer electrode and a method of manufacturing the same. More specifically, the electrode used in a high-performance battery such as a lithium-ion battery is patterned and manufactured using two active materials with different characteristics, so that the battery can be used during discharge. It relates to a double-layer electrode for a high-performance battery that can be implemented with high energy density and long lifespan and a method of manufacturing the same.
  • next-generation electronic devices such as electric vehicles and wearable devices
  • demand for energy storage devices that are lightweight and require high energy density is increasing.
  • research is being actively conducted to improve the materials and structures of electrodes to maintain high energy density even at high output.
  • the negative electrode active materials for commercial lithium-ion batteries developed to date have the advantage of stably reacting with lithium ions at low voltages when a single material is used, but the problem is that electrical capacity decreases due to bottlenecks when rapid charging and discharging is performed. There was.
  • the negative electrode active material is applied in combination as in Korea Patent No. 10-1287435, Japan Patent No. 7123251, Japanese Patent No. 7033118, and U.S. Patent No. 9017882. Technologies using three-dimensional electrode structures are being developed.
  • the technical problem of the present invention was conceived from this point, and the purpose of the present invention is to fabricate electrodes used in high-performance batteries such as lithium-ion batteries by patterning them using two active materials with different characteristics, The goal is to provide double-layer electrodes for high-performance batteries that can be implemented to have high energy density and long lifespan during discharge.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the double layer electrode.
  • a double-layer electrode includes a first layer and a second layer.
  • the first layer is formed on a base substrate and is formed by mixing crystalline graphite and carbon.
  • the second layer is formed on the first layer and is formed of crystalline graphite.
  • the crystalline graphite and the carbon may be mixed with each other in a ratio of 7:3 to 3:7.
  • a double-layer electrode according to another embodiment for realizing the object of the present invention described above includes a first layer and a second layer.
  • the first layer includes an electrode active material formed on the base substrate.
  • the second layer includes an electrode active material formed on the first layer.
  • a first pattern portion is formed at the interface between the first layer and the second layer.
  • the electrode active material may include graphite, carbon, a transition metal oxide-based negative electrode material, or a positive electrode material.
  • the electrode active material of the first layer includes spherical crystalline graphite (SCG) and soft carbon (SC), and the electrode active material of the second layer has a spherical shape. It may contain crystalline graphite.
  • the first pattern part may include a protrusion and a recess.
  • a second pattern portion may be formed on the base substrate and the lower surface of the first layer.
  • the second pattern part may include a protrusion and a recess.
  • the protrusion may protrude in a circular, oval, or polygonal shape.
  • a first layer containing an electrode active material is formed on a base substrate.
  • the upper surface of the first layer is pressed using a first roller.
  • a second layer containing an electrode active material is formed on the upper surface of the first layer.
  • a first pattern portion may be formed on the upper surface of the first layer by a first pattern forming portion formed along the outer peripheral surface of the first roller.
  • the first pattern forming part may include a protruding pattern, and the first pattern forming part may include a protruding part and a recessed part.
  • the first layer and the second layer are subjected to a wet coating process, a dry coating process, and heating and thermally induced phase separation. It can be formed by one of the coating processes using induced phase separation (TIPS).
  • TIPS induced phase separation
  • the step of pressing the lower surface of the base substrate using a second roller may be further included.
  • a second pattern forming part is formed on the lower surface of the base substrate and the first layer by a second pattern forming part formed along the outer peripheral surface of the second roller. It can be.
  • the second pattern forming portion may include a protruding pattern, and the second pattern portion may include a protruding portion and a recessed portion.
  • pressing the lower surface of the base substrate using a second roller may be performed simultaneously with pressing the upper surface of the first layer using the first roller.
  • an electrode active material by forming a double-layer electrode of a first layer mixed with crystalline graphite and carbon and a second layer containing crystalline graphite, the high level of crystalline graphite is achieved.
  • the interface between the first layer and the second layer is formed by forming protrusions and depressions as the first pattern portion between the first layer and the second layer.
  • the adhesion of the interface between the first layer and the base substrate is improved, maintaining a stable double-layer electrode structure, and maintaining the battery. Long lifespan can be secured.
  • a process of pressing is applied using a roller with a protruding pattern formed along the outer peripheral surface, thereby forming a gap between the first layer, the second layer, and the base substrate through pressing. It improves the adhesion of the interface, maintains a stable structure between the particles inside the first layer and the second layer, and can form the first or second pattern portion at the same time, improving the efficiency of the process. there is.
  • Figure 1 is a cross-sectional view showing a double-layer electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are images showing the crystalline state and characteristics of crystalline graphite and carbon of the double layer electrode of FIG. 1.
  • FIGS. 3A to 3D are graphs for explaining the characteristics of the double layer electrode of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a process diagram showing a method of manufacturing the double layer electrode of FIG. 1.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a double-layer electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a process diagram showing a method of manufacturing the double layer electrode of FIG. 5.
  • Figure 7 is a cross-sectional view showing a double-layer electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a process diagram showing a method of manufacturing the double layer electrode of FIG. 7.
  • FIGS. 9A to 9E are graphs for explaining the characteristics of the double layer electrode of FIG. 7.
  • first pattern forming part 420 second roller
  • second pattern forming part 500 first pattern forming part
  • first protrusion 520 first recessed portion
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a double-layer electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are images showing the crystalline state and characteristics of crystalline graphite and carbon of the double layer electrode of FIG. 1.
  • FIGS. 3A to 3D are graphs for explaining the characteristics of the double layer electrode of FIG. 1.
  • the double-layer electrode 10 includes a first layer 100 and a second layer 200 formed on a base substrate 300, and the first layer ( It is configured to have a double-layer structure of the second layer 100) and the second layer 200 and is called the double-layer electrode 10.
  • first layer 100 and the second layer 200 are formed on the first layer 100, as shown, and the second layer (200) is formed on the first layer 100.
  • the formation process of 200) may be formed through a process such as coating.
  • the forming process of the second layer 200 is not limited.
  • the first layer 100 is also formed on the base substrate 300, and the process of forming the first layer 100 on the base substrate 300 may also be performed using a process such as coating. However, the process is not limited.
  • a wet coating process a dry coating process, as well as heating and thermally induced phase separation , TIPS can also be performed as a coating process.
  • TIPS heating and thermally induced phase separation
  • the second layer 200 is formed on the first layer 100 and then pressed, as explained through a manufacturing method described later.
  • the second layer 200 is formed in more stable and close contact with the first layer 100, thereby maintaining structural stability as well as excellent diffusivity and low internal resistance.
  • the material of the base substrate 300 is not limited. Any material that can stably form the first layer 100 is sufficient, and may have certain flexibility properties as needed.
  • the structure of the base substrate 300 is also not limited and may be, for example, a three-dimensional structure substrate including a mesh structure, foam structure, textile structure, etc.
  • Both the first layer 100 and the second layer 200 contain an electrode active material, and the double-layer electrode 10 can actually be used as an electrode for an energy storage device such as a secondary battery.
  • the electrode active material included in the first layer 100 and the second layer 200 may be a negative electrode material based on graphite, carbon, or transition metal oxide, or a positive electrode material.
  • the transition metal oxide-based cathode material may be silicon or lithium titanate oxide (LTO)
  • the anode material may be LCO (lithium cobalt), LMO (lithium manganese oxide), or LFP (lithium titanate oxide). It may be a material such as iron), NMC (nickel manganese cobalt), etc.
  • first layer 100 and the second layer 200 include graphite and carbon, which are negative electrode active materials, will be described as a representative electrode active material.
  • the first layer 100 is an electrode active material made of crystalline graphite 101, especially spherical crystalline graphite (SCG), and carbon 102, especially soft carbon (SC). may include.
  • SCG spherical crystalline graphite
  • SC soft carbon
  • the first layer 100 can form a structure in which relatively large crystalline graphite is uniformly mixed between carbon particles.
  • the second layer 200 may include only crystalline graphite 101, particularly spherical crystalline graphite (SCG), as an electrode active material.
  • SCG spherical crystalline graphite
  • the second layer 200 may have a structurally stable structure.
  • the energy density has high advantages.
  • the number of entrances and exits for ions is small, so there is a disadvantage in that the energy density decreases sharply during rapid charging and discharging.
  • the soft carbon 102 in the case of the soft carbon 102, it has a porous structure and the number of entrances and exits for ions is greater than that of the crystalline graphite 101, and accordingly, even when performing rapid charging and discharging, it has a relatively high Capacity can be maintained.
  • crystallinity because crystallinity is weak, it has the disadvantage of low overall energy density.
  • the first layer 100 is composed of a mixture of crystalline graphite 101 and carbon 102
  • the second layer ( 200) is composed of crystalline graphite 101 and is formed to be stacked on top of each other, thereby utilizing both the advantages of the crystalline graphite 101 and the advantages of the carbon 102, while having high energy density. It can maintain relatively high capacity during charging and discharging.
  • the electrolyte when charging and discharging a battery, the electrolyte is decomposed depending on the type or structure of the electrode and a solid electrolyte interphase (SEI) layer is formed on the surface of the electrode particle.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the electrolyte is relatively Overproduction of the SEI layer due to high side reactions causes the problem of reduced reversible capacity and increased internal resistance of the battery.
  • the electrode in contrast to the case where the electrode is constructed using a single layer of crystalline graphite and carbon (Blended SC & SCG), the electrode has a double-layer structure as in this embodiment.
  • the SEI components F, O
  • the SEI component is configured to be low and fewer SEI layers are formed overall, thereby minimizing the problem of a decrease in the reversible capacity of the battery and an increase in internal resistance.
  • Figures 3b and 3c compare the distribution amount of the SEI component according to the depth of the electrode, and compared to the electrode using one layer (Blended SC & SCG), the electrode with a double layer structure as in this embodiment (Blended SC & SCG) Bi-layered SC & SCG), it can be seen that a more uniform SEI layer is formed in the depth direction.
  • a more uniform SEI layer can be formed in the depth direction, leading to smoother transport of lithium ions to the inside of the electrode and reaction with the active material, thereby enabling battery
  • the problem of reducing internal resistance and securing capacity during rapid charging and discharging can be minimized.
  • the crystalline graphite 101 and the carbon 102 may be mixed at a mixing ratio of, for example, 3:7 to 7:3.
  • the mixing ratio as shown in FIG. 3D that is, when crystalline graphite (101) and carbon (102) have a mixing ratio of 3:7, 4:6, 5:5, 6:4, or 7:3, respectively, the same mixing ratio of 5:5 during rapid charging and discharging A relatively high capacity can be maintained.
  • FIG. 4 is a process diagram showing a method of manufacturing the double layer electrode of FIG. 1.
  • the first layer 100 is formed on the base substrate 300 (step S10).
  • the first layer 100 may be formed on the base substrate 300 through a process such as coating, but various other processes may also be applied.
  • the first layer 100 includes crystalline graphite 101 and carbon 102, and the crystalline graphite 101 and carbon 102 are mixed with each other in a uniform mixing ratio.
  • the first layer 100 can be formed by coating the solution on the base substrate 300 and drying it.
  • step S20 the base substrate 300 and the first layer 100 laminated thereon are pressed using the pressing unit 400.
  • the pressing unit 400 includes a pair of first and second rollers 410 and 420, as shown, and the first roller 410 is the first roller 410 of the first layer 100.
  • the upper surface of the first layer 100 may be pressed from the top, and the second roller 420 may press the lower surface of the base substrate 300 from the lower part of the base substrate 300 .
  • first layer 100 and the base substrate 300 may be continuously transferred and pressed by the first and second rollers 410 and 420.
  • the outer peripheral surfaces of the first and second rollers 410 and 420 form a hard surface, through which the first layer 100 and the base substrate 300 are compressed and pressed as a whole.
  • the adhesion of the first layer 100 and the base substrate 300 is improved at the interface, and the entire surface is pressed, so that the crystalline graphite 101 and the carbon 102 constituting the first layer 100 ) forms a more dense and stable internal organization.
  • the second layer 200 is formed on the upper surface of the first layer 100 (step S30).
  • the second layer 200 may be formed on the first layer 100 through a process such as coating, but various other processes may also be applied.
  • the second layer 200 includes crystalline graphite 101, and a solution containing the crystalline graphite 101 is coated on the first layer 100 and dried.
  • the second layer 200 may be formed.
  • the upper part of the second layer 200 is pressed by the first roller 410 of the pressing unit 400, and the base substrate 300 is pressed.
  • the lower part is additionally pressed by the second roller 420 of the pressing unit 400 (step S40).
  • the adhesion of the second layer 200 at the interface with the first layer 100 is improved, and since the entire layer is pressed, the crystalline graphite 101 constituting the second layer 200 is more stable. A dense and stable internal organization is formed.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a double-layer electrode according to another embodiment of the present invention.
  • the double layer electrode 20 according to this embodiment is the double layer described with reference to FIG. 1, except that the first pattern portion 500 is formed at the boundary between the first layer 110 and the second layer 210. Since it is substantially the same as the electrode 10, the same reference numbers are used for the same components, and overlapping descriptions are omitted.
  • the double-layer electrode 20 includes a first layer 110 formed on the base substrate 300, and a second layer formed on the first layer 110. Includes (210).
  • the first layer 110 is an electrode active material and may include an anode material as well as a cathode material as described above, but may include crystalline graphite 101, particularly spherical crystalline graphite (SCG). It is described as containing carbon 102, especially soft carbon (SC), and the second layer 210 may also include a positive electrode material as well as a negative electrode material as an electrode active material, but may include crystalline graphite ( 101), in particular, the explanation as including only spherical crystalline graphite (SCG) is the same as in the double-layer electrode 10 of FIG. 1.
  • SCG spherical crystalline graphite
  • the material properties and advantages of the double-layer electrode 20 are also the same, so further explanation is omitted.
  • the interface between the first layer 110 and the second layer 210 that is, the upper surface of the first layer 110, and the second layer
  • the first pattern portion 500 is formed on the lower surface of 210.
  • the first layer 110 and the second layer 210 are formed to be in close contact with each other, and a pattern opposite to the pattern of the upper surface of the first layer 110 is formed on the second layer 210. It is formed on the lower surface of , and this pattern is called the first pattern portion 500 for convenience of explanation.
  • the first pattern portion 500 includes a first protrusion 510 that protrudes upward and a first recessed portion 520 that is recessed in the bottom, based on the first layer 110. By doing so, the first protrusion 510 and the first recessed portion 520 are continuously formed at the interface.
  • the first recessed portion 520 is compressed by pressure from a pattern forming portion having a predetermined protruding shape.
  • the first recessed portion 520 The area extending from the portion 520 to the first protrusion 510 may be formed in a smoothly curved shape.
  • the boundary between the first recessed portion 520 and the first protruding portion 510 is formed as a vertical surface, and may be formed in a natural curved shape as shown.
  • the first layer 110 and the second layer By improving the adhesion of the interface between the layers 210 and maintaining excellent diffusivity and low internal resistance, the rate characteristic and capacity maintenance of the electrode can be improved, and high energy density can be secured by securing a high reaction voltage. You can.
  • FIG. 6 is a process diagram showing a method of manufacturing the double layer electrode of FIG. 5.
  • the first layer 100 is formed on the base substrate 300 (step S10).
  • the formation of the first layer 100 is substantially the same as the forming step of the first layer (step S10) in FIG. 4.
  • step S21 the base substrate 300 and the first layer 100 laminated thereon are pressed using the pressing unit 401.
  • the pressing unit 401 includes a pair of first and second rollers 410 and 420, and the first roller 410 is positioned at the top of the first layer 100.
  • the upper surface of the first layer 100 may be pressed, and the second roller 420 may press the lower surface of the base substrate 300 from the lower portion of the base substrate 300 .
  • a first pattern forming portion 411 is formed along the outer peripheral surface of the first roller 410.
  • the first pattern forming portion 411 is formed as a protrusion that protrudes to a predetermined height along the outer peripheral surface of the first roller 410, and the protrusion can be formed uniformly on the outer peripheral surface. there is.
  • the protrusion may be formed in various shapes, such as circular, polygonal, oval, etc.
  • a first pattern portion 500 is formed on the upper surface of the first layer 100.
  • the first layer 100 is formed of the first layer 110 including the first pattern portion 500.
  • the first pattern portion 500 reflects the shape of the protrusion formed along the outer peripheral surface of the first roller 410, and as shown, the first indentation is formed by pressing by the protrusion. It includes a portion 520 and a first protrusion 510 that remains without being pressed by the protrusion.
  • the first pattern portion 500 is also uniformly arranged and has a circular first recessed portion ( 520) is included.
  • the circular shaped recessed portion 520 may be formed by pressing, and the remaining first protrusion 510 may remain circular, which is the first pattern forming portion ( 411) can be selected according to the shape of the protruding protrusion.
  • the crystalline graphite 101 and the carbon 102 constituting the first layer 110 are A more dense and stable internal organization is formed.
  • the second layer 210 is formed on the upper surface of the first layer 110 (step S31) .
  • the second layer 210 may be formed on the first layer 100 through a process such as coating, but various other processes may also be applied.
  • the second layer 210 includes crystalline graphite 101 and can be formed by drying after the coating process.
  • the second layer 210 is formed on the first pattern portion 500, and the first protrusion 510 as described above is formed between the first layer 110 and the first pattern portion 500. And a boundary surface is formed where the first recessed portion 520 is formed.
  • the protrusions of the first layer 110 are formed as recesses in the second layer 210, and the recesses of the first layer 110 are formed as protrusions in the second layer 210.
  • the top of the second layer 210 is pressed by the first roller 410 of the pressing unit 400, and the base substrate 300 is pressed.
  • the lower part is additionally pressed by the second roller 420 of the pressing unit 400 (step S41).
  • a separate first pattern forming portion 411 should not be formed on the outer peripheral surface of the first roller 410.
  • the adhesion of the second layer 210 at the interface with the first layer 110 is improved, and since the entire layer is pressed, the crystalline graphite 101 constituting the second layer 210 is also improved. A dense and stable internal organization is formed.
  • the double-layer electrode 20 of FIG. 5 is manufactured.
  • Figure 7 is a cross-sectional view showing a double-layer electrode according to another embodiment of the present invention.
  • the double-layer electrode 30 is except that a second pattern portion 600 is additionally formed on the lower surface of the first layer 120 and the lower surface of the base substrate 310. Since it is substantially the same as the double-layer electrode 20 described above, the same reference numbers are used for the same components, and overlapping descriptions are omitted.
  • the double-layer electrode 30 includes a first layer 120 formed on the base substrate 310, and a second layer formed on the first layer 120. Includes (220).
  • first layer 120 and the second layer 220 are the same as the first layer 100 and the second layer 200 of FIG. 1.
  • the lower surface of the first layer 120 that is, the interface between the first layer 120 and the base substrate 310, and the base substrate 310 )
  • the second pattern portion 600 is formed on the lower surface.
  • the first layer 120 and the base substrate 310 are formed to be in close contact with each other, and as a predetermined pattern is formed on the lower surface of the base substrate 310, the lower surface of the first layer 120 This pattern is also reflected, and is referred to as the second pattern portion 600 for convenience of explanation.
  • the second pattern portion 600 includes a second protrusion 610 that protrudes downward and a second recessed portion 620 that is recessed in the upper portion with respect to the first layer 120.
  • the second protrusion 610 and the second recessed part 620 are continuously formed at the interface. That is, since the base substrate 310 is formed to be relatively thin, the pattern formed on the base substrate 310 is directly reflected on the lower surface of the first layer 120.
  • the same pattern as the first pattern portion 500 of the double-layer electrode 20 described in FIG. 5 is formed at the boundary between the first layer 120 and the second layer 220.
  • the second pattern portion 600 is formed on the base substrate 300 and the first layer 120, and the first layer 120 and The first pattern portion 500 is formed on the boundary surface of the second layer 220.
  • first pattern portion 500 and the second pattern are formed so that the first layer 120 is formed to have an overall uniform thickness by uniformly protruding and recessing the upper and lower surfaces of the first layer 120.
  • Part 600 may be formed.
  • the first pattern portion 500 and the second pattern portion 600 cannot necessarily be formed so that the upper and lower surfaces of the first layer 120 protrude and recess uniformly as a whole, and the actual manufacturing process When producing the double-layer electrode 30, the thickness of the first layer 120 may be varied.
  • the double-layer electrode 20 additionally includes the second pattern portion 600 in addition to the first pattern portion 500, the space between the first layer 120 and the base substrate 310 The adhesion of the interface can also be improved.
  • FIG. 8 is a process diagram showing a method of manufacturing the double layer electrode of FIG. 7.
  • the first layer 100 is formed on the base substrate 300 (step S10).
  • the formation of the first layer 100 is substantially the same as the first layer formation step (step S10) of FIG. 4.
  • step S21 the base substrate 300 and the first layer 100 laminated thereon are pressed using the pressing unit 401 (step S21).
  • This step of pressing the first layer 100 is substantially the same as the step of pressing the first layer 100 (step S21) described with reference to FIG. 6.
  • the first layer 100 is formed as a first layer 110 including the first pattern portion 500, and the first pattern portion 500 It includes the first recessed portion 520 and the first protruding portion 510.
  • the second layer 210 is formed on the upper surface of the first layer 110 on which the first pattern portion 500 is formed (step S31).
  • the forming step of the second layer 210 is also substantially the same as the forming step (step S31) of the second layer 210 described with reference to FIG. 6.
  • the second layer 210 is formed on the first pattern portion 500, protrusions and depressions are formed on the lower surface, but the upper surface is formed flat.
  • step S42 the upper surface of the second layer 210 and the lower surface of the base substrate 300 are additionally pressed using the pressing unit 402 (step S42).
  • the pressing portion 402 includes a pair of first and second rollers 410 and 420, and a second pattern forming portion 421 is formed along the outer peripheral surface of the second roller 420. do.
  • the first roller 410 presses the smooth outer peripheral surface of the upper surface of the second layer 210, but the second roller 420 presses the base substrate to the outer peripheral surface where the second pattern forming portion 421 is formed.
  • the lower surface of (300) is pressed.
  • the second pattern forming part 421 may be formed so that a predetermined pattern protrudes from the outer peripheral surface of the second roller 420, in the same way as the first pattern forming part 411, and thus the protruding part 421 A predetermined pattern is transferred to the lower surface of the base substrate 300.
  • the second pattern forming part 421 like the first pattern forming part 411, may be formed in various shapes, such as circular, polygonal, oval, etc. However, for overall shape uniformity of the double-layer electrode 30, the second pattern forming portion 421 may be formed to have the same shape as the first pattern forming portion 411.
  • the upper surface of the second layer 210 is pressed flat to form the second layer 220, and the base substrate 300 is formed into the second pattern forming part ( It is pressed by 421 to form a base substrate 310 including the second pattern portion 600.
  • the second pattern portion 600 is formed on the base substrate 310, the bottom surface of the first layer 110 also becomes the first layer 120 on which the second pattern portion 600 is formed. is formed Thus, the double-layer electrode 30 is manufactured.
  • the lower surface of the first layer 120 and the base substrate 310 are pressed by the second pattern forming part 421 and have a second recessed part 620 that is compressed by pressure, and the second pattern. It is formed to include a second protrusion 610 that is not pressed by the forming portion 421 and thus relatively protrudes.
  • the arrangement of the indentation and protrusion patterns of the second pattern portion 600 is, as described above, in order to maintain the overall thickness of the first layer 120 constant, the first pattern portion 500 It may be arranged entirely the same as the arrangement of the indentation and protrusion patterns.
  • the alignment of the second roller 420 can be controlled in the pressing step (step S42) by the pressing unit 402.
  • the base substrate 310 By applying pressure to additionally form a predetermined pattern, adhesion between the first layer 120 and the base substrate 310 can be further improved, thereby improving structural stability.
  • FIGS. 9A to 9E are graphs for explaining the characteristics of the double layer electrode of FIG. 7.
  • 9A to 9E are graphs to explain the characteristics of the double-layer electrode 30 of FIG. 7, but the double-layer electrode 20 of FIG. 5 has substantially the same characteristics.
  • the capacity of the electrode is more stable when charging and discharging through repetitive cycles is performed in the double-layer structure with the pattern portion (Pattern size). It can be confirmed that it can be maintained.
  • the pattern portion has a circular shape and the diameter of the pattern portion is approximately 250 ⁇ m (pattern size, 250 ⁇ m), a relatively high capacitance of the electrode is maintained, and further, the pattern portion has a circular shape. It can be confirmed that a higher capacity of the electrode is maintained when the first and second additional layers are formed simultaneously between and on the base substrate (pattern size, 250 ⁇ m + 250 ⁇ m).
  • Figure 9b is a linear graph that collects only the pick current for each voltage scan rate in cyclic voltammetry, meaning that the greater the slope of the linear graph, the greater the diffusivity of the electrode.
  • FIG. 9b in contrast to the case of forming an electrode using only one material (Single SC, Single SCG) or the case of forming an electrode by simple synthesis of two materials (Blended SC & SCG), FIG. As shown in Figures 5 and 7, in the case of electrodes formed with a patterned portion as a bi-layered electrode (Bi-layered & patterned SC & SCG), it shows a higher linear graph slope, showing a relatively fast charge as the diffusivity of the electrode increases. It can be seen that battery performance can be improved even when discharging.
  • Figure 9c is a Nyquist plot obtained through impedance measurement, which is a graph showing the total internal resistance of the battery, including the Ohmic (X-intercept), SEI (first semicircle), and Charge transfer (second semicircle) resistances on the graph. This means that the smaller the size of the Z'( ⁇ ) value closest to the X-axis on the right side of the second semicircle, the lower the internal resistance.
  • the size of the semicircle is relatively small. It can be confirmed that it is formed, and through this, it can be confirmed that it is possible to manufacture a battery with excellent performance and low internal resistance.
  • Figure 9d is a graph showing the capacity of the electrode according to the number of discharges.
  • Figure 9e is a graph showing energy density according to current density.
  • Electrodes formed as double-layer electrodes to include pattern portions (Bi-layered & patterned SC & SCG), even when performing fast charging and discharging, high It can be confirmed that capacity and high reaction voltage can be secured, and as a result, high energy density can be secured.
  • the double-layer electrodes 20 and 30 including the pattern portion have excellent battery performance and efficiency in various aspects when configured as a battery. You can check it.
  • this branch has high energy density even during rapid charging and discharging and can improve battery performance.
  • the interface between the first layer and the second layer is formed by forming protrusions and depressions as the first pattern portion between the first layer and the second layer.
  • the adhesion of the interface between the first layer and the base substrate is improved, maintaining a stable double-layer electrode structure, and maintaining the battery. Long lifespan can be secured.
  • a process of pressing is applied using a roller with a protruding pattern formed along the outer peripheral surface, thereby forming a gap between the first layer, the second layer, and the base substrate through pressing. It improves the adhesion of the interface, maintains a stable structure between the particles inside the first layer and the second layer, and can form the first or second pattern portion at the same time, improving the efficiency of the process. there is.

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Abstract

고성능 배터리용 이중층 전극 및 이의 제조방법에서, 상기 이중층 전극은 제1 층 및 제2 층을 포함한다. 상기 제1 층은 베이스 기판 상에 형성되고, 결정성 흑연과 탄소가 혼합되어 형성된다. 상기 제2 층은 상기 제1 층 상에 형성되고, 결정성 흑연으로 형성된다.

Description

고성능 배터리용 이중층 전극 및 이의 제조방법
본 발명은 이중층 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이온 배터리와 같은 고성능 배터리에 사용되는 전극을 서로 다른 특성을 가지는 두 활물질 재료를 활용하여 패턴화하여 제작함으로써, 배터리가 방전에서 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지도록 구현할 수 있는 고성능 배터리용 이중층 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기자동차, 웨어러블 디바이스와 같은 차세대 전자기기의 발달로 가벼우면서도 높은 에너지 밀도를 요구하는 에너지 저장장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 이러한 에너지 저장장치의 경우, 고출력에서도 높은 에너지 밀도를 유지하기 위해 전극의 재료나 구조를 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재까지 개발되는 상용 리튬 이온 배터리용 음극 활물질의 경우 하나의 재료를 사용하는 경우 리튬이온과 낮은 전압에서 안정적으로 반응하는 장점은 있으나, 빠른 충방전을 수행하는 경우 병목으로 인한 전기 용량이 감소하는 문제가 있었다.
이에, 이러한 문제를 극복하기 위해 대한민국 등록특허 제10-1287435호, 일본국 등록특허 제7123251호, 일본국 등록특허 제7033118호, 미국 등록특허 제9017882호 등에서와 같이 음극 활물질 재료를 복합화하여 적용하거나 3차원 전극 구조를 적용한 기술이 개발되고 있다.
그럼에도, 이러한 복합화 된 재료나 3차원 전극 구조를 적용하는 경우에도, 활물질들 사이의 계면에서 발생되는 기계적, 전기화학적 불안정성으로 지속적인 부반응으로 전체 셀의 내부 저항이 상승하거나, 배터리의 장시간 동안의 충방전 신뢰성을 보정하지 못하는 한계가 있다.
관련 선행기술문헌으로는, 대한민국 등록특허 제10-1287435호, 일본국 등록특허 제7123251호, 일본국 등록특허 제7033118호 및 미국 등록특허 제9017882호가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 리튬 이온 배터리와 같은 고성능 배터리에 사용되는 전극을 서로 다른 특성을 가지는 두 활물질 재료를 활용하여 패턴화하여 제작함으로써, 배터리가 방전에서 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지도록 구현할 수 있는 고성능 배터리용 이중층 전극을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 이중층 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 이중층 전극은 제1 층 및 제2 층을 포함한다. 상기 제1 층은 베이스 기판 상에 형성되고, 결정성 흑연과 탄소가 혼합되어 형성된다. 상기 제2 층은 상기 제1 층 상에 형성되고, 결정성 흑연으로 형성된다.
일 실시예에서, 상기 제1 층에서, 상기 결정성 흑연과 상기 탄소는 7:3 내지 3:7의 비율로 서로 혼합될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 다른 실시예에 의한 이중층 전극은 제1 층 및 제2 층을 포함한다. 상기 제1 층은 베이스 기판 상에 형성되는 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 층은 상기 제1 층 상에 형성되는 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 층과 상기 제2 층의 경계면에는 제1 패턴부가 형성된다.
일 실시예에서, 상기 전극 활물질은, 흑연, 탄소, 전이금속 산화물 기반 음극 재료, 또는 양극 재료를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 층의 전극 활물질은 구형 형상의 결정성 흑연(spherical crystalline graphite, SCG)을 및 연질 탄소(soft carbon, SC)를 포함하고, 상기 제2 층의 전극 활물질은 구형 형상의 결정성 흑연을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 패턴부는, 돌출부와 함입부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판 및 상기 제1 층의 하면에 제2 패턴부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 패턴부는, 돌출부와 함입부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌출부는 원형, 타원형 또는 다각형 형상으로 돌출될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 이중층 전극의 제조방법에서, 베이스 기판 상에 전극 활물질을 포함하는 제1 층을 형성한다. 상기 제1 층의 상면을 제1 롤러를 이용하여 가압한다. 상기 제1 층의 상면 상에 전극 활물질을 포함하는 제2 층을 형성한다.
일 실시예에서, 상기 제1 롤러를 이용하여 가압하는 단계에서, 상기 제1 롤러의 외주면을 따라 형성된 제1 패턴 형성부에 의해, 상기 제1 층의 상면에는 제1 패턴부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 패턴 형성부는 돌출 패턴을 포함하며, 상기 제1 패턴부는 돌출부와 함입부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 층을 형성하는 단계에서, 상기 제1 패턴부가 형성된 제1 층의 상면 상에 상기 제2 층을 형성하여, 상기 제1 층과 상기 제2 층의 경계면에는 상기 제1 패턴부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제2 층을 형성하는 단계에서, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 습식 코팅 공정, 건식 코팅 공정 및 가열 및 열 유도 상 분리(thermally induced phase separation, TIPS)를 이용한 코팅 공정 중의 하나로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판의 하면을 제2 롤러를 이용하여 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 롤러를 이용하여 가압하는 단계에서, 상기 제2 롤러의 외주면을 따라 형성된 제2 패턴 형성부에 의해, 상기 베이스 기판 및 상기 제1 층의 하면에는 제2 패턴부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 패턴 형성부는 돌출 패턴을 포함하며, 상기 제2 패턴부는 돌출부와 함입부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판의 하면을 제2 롤러를 이용하여 가압하는 단계는, 상기 제1 층의 상면을 제1 롤러를 이용하여 가압하는 단계와 동시에 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 특히, 전극 활물질로서, 결정성 흑연과 탄소가 혼합된 제1 층과, 결정성 흑연을 포함하는 제2 층의 이중층 전극을 형성함으로써, 결정성 흑연이 가지는 높은 에너지 밀도의 장점과 탄소가 가지는 다공성 구조로서 빠른 이온 수송 능력의 장점의 시너지 효과를 통해, 빠른 충방전에서도 높은 에너지 밀도를 가지며 배터리 성능을 높일 수 있다.
또한, 상기 전극 활물질로서 다양한 음극 재료 또는 양극 재료가 적용되는 경우에도, 제1 층 및 제2 층 사이에 제1 패턴부로서 돌출부와 함입부를 형성함으로써, 상기 제1 층 및 제2 층 사이의 경계면의 접착력을 향상시키는 것은 물론, 우수한 확산성과 낮은 내부 저항을 유지함으로써, 전극의 율속 특성 및 용량 유지율을 향상시킬 수 있으며, 높은 반응 전압 확보를 통해 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다.
또한, 제1 층과 베이스 기판 상이에 형성되는 제2 패턴부로서 돌출부와 함입부를 형성함으로써, 상기 제1 층과 베이스 기판 사이의 경계면의 접착력을 향상시켜, 안정적인 이중층 전극 구조를 유지하고, 배터리의 긴 수명을 확보할 수 있다.
또한, 상기 제1 패턴부 또는 상기 제2 패턴부를 형성함에 있어, 외주면을 따라 돌출 패턴이 형성된 롤러를 이용하여 가압하는 공정을 적용함으로써, 가압을 통한 제1 층, 제2 층 및 베이스 기판들 사이의 경계면의 밀착력을 향상시키고, 제1 층 및 제2 층의 내부의 입자들 사이의 안정적인 구조를 유지함과 동시에 제1 패턴부 또는 제2 패턴부를 동시에 형성할 수 있어, 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이중층 전극을 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 이중층 전극의 결정성 흑연 및 탄소의 결정상태 및 특성을 도시한 이미지들이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 이중층 전극의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 4는 도 1의 이중층 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이중층 전극을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 이중층 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이중층 전극을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7의 이중층 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 9a 내지 도 9e는 도 7의 이중층 전극의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
<부호의 설명>
10, 20, 30 : 이중층 전극 100, 110, 120 : 제1 층
101, 201 : 결정성 흑연 102 : 탄소
200, 210, 220 : 제2 층 300, 310 : 베이스 기판
400 : 가압부 410 : 제1 롤러
411 : 제1 패턴 형성부 420 : 제2 롤러
421 : 제2 패턴 형성부 500 : 제1 패턴부
510 : 제1 돌출부 520 : 제1 함입부
600 : 제2 패턴부 610 : 제2 돌출부
620 : 제2 함입부
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이중층 전극을 도시한 단면도이다. 도 2a 및 도 2b는 도 1의 이중층 전극의 결정성 흑연 및 탄소의 결정상태 및 특성을 도시한 이미지들이다. 도 3a 내지 도 3d는 도 1의 이중층 전극의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
우선, 도 1을 참조하면 본 실시예에 의한 이중층 전극(10)은 베이스 기판(300) 상에 형성되는 제1 층(100) 및 제2 층(200)을 포함하는 것으로, 상기 제1 층(100)과 제2 층(200)의 이중층 구조를 가지도록 구성되어 이중층 전극(10)으로 명명한다.
이 경우, 상기 제1 층(100) 및 상기 제2 층(200)은 도시된 바와 같이, 상기 제1 층(100) 상에 상기 제2 층(200)이 형성되는 것으로, 상기 제2 층(200)의 형성 공정은 코팅 등과 같은 공정을 통해 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 상기 제2 층(200)의 형성 공정이 제한되는 것은 아니다.
마찬가지로, 상기 제1 층(100) 역시 상기 베이스 기판(300) 상에 형성되는 것으로, 상기 제1 층(100)이 상기 베이스 기판(300) 상에 형성되는 공정 역시 코팅 등과 같은 공정이 적용될 수는 있으나, 그 공정이 제한되지는 않는다.
예를 들어, 상기 제1 층(100) 및 상기 제2 층(200)의 형성이 코팅 공정을 수행되는 경우, 습식 코팅 공정, 건식 코팅 공정은 물론, 가열 및 열 유도 상 분리(thermally induced phase separation, TIPS)를 이용한 코팅 공정으로 수행될 수도 있다.
이 때, 상기 제2 층(200)은 상기 제1 층(100) 상에 형성된 후, 후술되는 제조방법을 통해 설명되는 바와 같이, 가압된다. 그리하여, 상기 제2 층(200)은 상기 제1 층(100) 상에 보다 안정적으로 밀착되며 형성되고, 이를 통해 구조적 안정성을 유지하는 것은 물론, 우수한 확산성과 낮은 내부 저항을 유지하게 된다.
또한, 상기 베이스 기판(300)은 그 재료가 제한되지는 않으며, 상기 제1 층(100)이 안정적으로 형성될 수 있는 재료이면 충분하고, 필요에 따라 소정의 유연성 성질을 가질 수도 있다. 나아가, 상기 베이스 기판(300)의 구조 역시 제한되지 않으며, 예를 들어, 메쉬(mesh) 구조, 폼(foam) 구조, 직물(textile) 구조 등을 포함하는 3차원 구조체 기판일 수 있다.
상기 제1 층(100) 및 상기 제2 층(200)은 모두 전극 활물질을 포함하는 것으로, 상기 이중층 전극(10)은 실질적으로는 이차전지와 같은 에너지 저장장치의 전극으로 사용될 수 있다.
즉, 상기 제1 층(100) 및 상기 제2 층(200)이 포함하는 전극 활물질로는, 흑연, 탄소, 전이금속 산화물 기반의 음극 재료, 또는 양극 재료일 수 있다. 이 경우, 전이금속 산화물 기반의 음극 재료로는 실리콘이나 리튬 티타 네이트 산화물(lithium titanate oxide, LTO)일 수 있으며, 상기 양극 재료로는 LCO(리튬 코발트), LMO(리튬 망간 산화물), LFP(리튬 철), NMC(니켈 망간 코발트) 등과 같은 물질일 수 있다.
한편, 이하에서는 상기 제1 층(100) 및 상기 제2 층(200)이 포함하는 대표적인 전극 활물질로서, 음극 활물질인 흑연과 탄소를 포함하는 경우를 예를 들어 설명한다.
즉, 상기 제1 층(100)은 전극 활물질로서 결정성 흑연(101), 특히 구형 형상의 결정성 흑연(spherical crystalline graphite, SCG)과, 탄소(102), 특히 연질 탄소(soft carbon, SC)를 포함할 수 있다.
도 1에서와 같이 상기 제1 층(100)은, 탄소입자들 사이에 상대적으로 크기가 큰 결정성 흑연이 균일하게 혼합되는 구조를 형성할 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 층(200)은 전극 활물질로서 결정성 흑연(101), 특히 구형 형상의 결정성 흑연(spherical crystalline graphite, SCG)만을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 결정성 흑연이 가지는 구조의 특성으로 도 2에서와 같이, 상기 제2 층(200)은 구조적으로 안정적인 구조를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2a를 참조하면, 상기 구형 형상의 결정성 흑연(101)의 경우, 구형 형상의 결정 형태가 균일하게 혼합되는 결정성이 높은 구조를 가지며, 이에 따라 전극으로 구성되는 경우 에너지 밀도가 높은 장점을 가진다. 다만, 구조의 특성상 이온의 출입구 수가 적어 빠른 충방전의 수행시 에너지 밀도가 급격하게 감소하는 단점이 있다.
이와 달리, 도 2b를 참조하면, 상기 연질 탄소(102)의 경우, 다공성 구조를 가지는 것으로 이온의 출입구의 수가 상기 결정성 흑연(101)보다는 많고, 이에 따라 빠른 충방전의 수행시에도 상대적으로 높은 용량을 유지할 수 있다. 다만, 결정성이 약하므로 전체적으로 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
이에, 본 실시예에서와 같이, 상기 이중층 전극(10)을 구성함에 있어, 상기 제1 층(100)을 결정성 흑연(101)과 탄소(102)의 혼합으로 구성하고, 상기 제2 층(200)을 결정성 흑연(101)으로 구성하여, 서로 적층시키도록 형성함으로써, 상기 결정성 흑연(101)이 가지는 장점과 상기 탄소(102)가 가지는 장점을 모두 활용하여, 높은 에너지 밀도를 가지면서도 충방전시 상대적으로 높은 용량을 유지할 수 있다.
구체적으로, 일반적으로 배터리의 충방전을 수행하는 경우, 전극의 종류나 구조에 따라 전해질이 분해되어 전극 입자의 표면에 SEI(solid electrolyte interphase) 층이 형성되는데, 다공성 구조를 가지는 탄소의 경우 상대적으로 높은 부반응으로 인한 SEI층의 과생성으로 가역 용량이 감소하고배터리의 내부 저항이 증가하는 문제를 야기한다.
이와 관련하여, 도 3a를 참조하면, 결정성 흑연과 탄소를 혼합한 하나의 층을 이용하여 전극을 구성하는 경우(Blended SC & SCG)와 대비하여, 본 실시예에서와 같이 이중층 구조로 전극을 구성하는 경우(Bi-layered SC & SCG), SEI 층의 성분을 비교한 결과, 상대적으로 SEI 성분(F, O)이 낮게 구성되는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서의 이중층 전극(10)의 경우, 상기 SEI 성분이 낮게 구성되어 전체적으로 SEI 층이 적게 형성되므로, 배터리의 가역 용량이 감소하고 내부 저항이 증가하는 문제를 최소화할 수 있다.
또한, 도 3b 및 도 3c는, 전극의 깊이에 따른 SEI 성분의 분포량을 비교한 것으로, 하나의 층을 이용한 전극(Blended SC & SCG)과 대비하여, 본 실시예에서와 같은 이중층 구조의 전극(Bi-layered SC & SCG)에서, 깊이 방향으로 보다 더 균일한 SEI 층을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에서의 이중층 전극(10)의 경우, 깊이 방향으로 더 균일한 SEI 층을 형성하여 전극 내부까지 리튬 이온의 보다 원활한 수송 및 활물질과의 반응을 유도할 수 있으며, 이에 따라 배터리 내부 저항의 감소와 빠른 충방전시의 용량 확보 문제를 최소화할 수 있다.
한편, 도 3d를 참조하면, 상기 결정성 흑연(101)과 상기 탄소(102)는 예를 들어, 3:7 내지 7:3의 혼합비를 가지면서 혼합될 수 있다.
이와 같은 혼합비를 가지는 이중층 전극(10)에 대하여 충방전의 속도(0.1C 내지 5C)에 따른 전기용량을 시험한 결과를 통해 확인되는 바와 같이, 충방전 속도가 증가함에 따라 도 3d에서와 같은 혼합비, 즉 결정성 흑연(101)과 탄소(102)가 각각 3:7, 4:6, 5:5, 6:4 또는 7:3의 혼합비를 가지는 경우, 빠른 충방전시 5:5의 동일한 혼합비에서 상대적으로 높은 용량을 유지할 수 있다.
도 4는 도 1의 이중층 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 4를 참조하면, 상기 이중층 전극(10)의 제조방법에서는, 우선, 상기 베이스 기판(300) 상에 상기 제1 층(100)을 형성한다(단계 S10).
이 경우, 상기 제1 층(100)은 예를 들어, 코팅 등과 같은 공정을 통해 상기 베이스 기판(300) 상에 형성될 수 있으나, 그 외 다양한 공정이 적용될 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 층(100)은 결정성 흑연(101)과 탄소(102)를 포함하는 것으로, 상기 결정성 흑연(101)과 상기 탄소(102)가 균일한 배합비로 서로 혼합된 용액을 상기 베이스 기판(300) 상에 코팅하고, 이를 건조하는 것으로 상기 제1 층(100)을 형성할 수 있다.
이 후, 상기 베이스 기판(300) 및 이에 적층된 상기 제1 층(100)을 가압부(400)를 이용하여 가압한다(단계 S20).
이 경우, 상기 가압부(400)는 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1 및 제2 롤러들(410, 420)을 포함하며, 상기 제1 롤러(410)는 상기 제1 층(100)의 상부에서 상기 제1 층(100)의 상면을 가압하고, 상기 제2 롤러(420)는 상기 베이스 기판(300)의 하부에서 상기 베이스 기판(300)의 하면을 가압할 수 있다.
또한, 상기 제1 층(100) 및 상기 베이스 기판(300)은 연속적으로 이송되며 상기 제1 및 제2 롤러들(410, 420)에 의해 가압이 수행될 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 롤러들(410, 420)의 외주면은 단단한 표면을 형성하는 것으로, 이를 통해 상기 제1 층(100)과 상기 베이스 기판(300)은 전체적으로 압착되며 가압된다.
그리하여, 상기 제1 층(100) 및 상기 베이스 기판(300)은 계면에서의 밀착력이 향상되며, 전체적으로 가압되므로 상기 제1 층(100)을 구성하는 상기 결정성 흑연(101) 및 상기 탄소(102)는 보다 조밀하고 안정적인 내부 조직을 형성하게 된다.
이 후, 상기 제1 층(100)의 상면 상에 상기 제2 층(200)을 형성한다(단계 S30).
이 경우, 상기 제2 층(200)은 예를 들어, 코팅 등과 같은 공정을 통해 상기 제1 층(100) 상에 형성될 수 있으나, 그 외 다양한 공정이 적용될 수도 있다.
또한, 상기 제2 층(200)은 결정성 흑연(101)을 포함하는 것으로, 상기 결정성 흑연(101)을 포함하는 용액을 상기 제1 층(100) 상에 코팅하고, 이를 건조하는 것으로 상기 제2 층(200)을 형성할 수 있다.
이 후, 상기 제2 층(200)이 코팅된 후, 상기 제2 층(200)의 상부는 상기 가압부(400)의 제1 롤러(410)에 의해 가압되고, 상기 베이스 기판(300)의 하부는 상기 가압부(400)의 제2 롤러(420)에 의해 추가로 가압된다(단계 S40).
그리하여, 상기 제2 층(200) 역시, 상기 제1 층(100)과의 계면에서의 밀착력이 향상되며, 전체적으로 가압되므로 상기 제2 층(200)을 구성하는 상기 결정성 흑연(101)은 보다 조밀하고 안정적인 내부 조직을 형성하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이중층 전극을 도시한 단면도이다.
본 실시예에 의한 이중층 전극(20)은 제1 층(110)과 제2 층(210)의 경계면에 제1 패턴부(500)가 형성되는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 이중층 전극(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 이중층 전극(20)은 상기 베이스 기판(300) 상에 형성되는 제1 층(110), 및 상기 제1 층(110) 상에 형성되는 제2 층(210)을 포함한다.
또한, 상기 제1 층(110)은 전극 활물질로서 앞서 설명한 바와 같이 음극 재료는 물론 양극 재료를 포함할 수 있으나, 결정성 흑연(101), 특히 구형 형상의 결정성 흑연(spherical crystalline graphite, SCG)과, 탄소(102), 특히 연질 탄소(soft carbon, SC)를 포함하는 것으로 설명하며, 상기 제2 층(210)도 전극 활물질로서 음극 재료는 물론 양극 재료를 포함할 수 있으나, 결정성 흑연(101), 특히 구형 형상의 결정성 흑연(spherical crystalline graphite, SCG)만을 포함하는 것으로 설명함은 앞선 도 1의 이중층 전극(10)에서와 동일하다.
나아가, 상기 이중층 전극(20)이 가지는 재료적 특성 및 이에 의한 장점 역시 동일하여 추가적인 설명은 생략한다.
다만, 본 실시예에 의한 상기 이중층 전극(20)의 경우, 상기 제1 층(110)과 상기 제2 층(210)의 경계면, 즉 상기 제1 층(110)의 상면, 및 상기 제2 층(210)의 하면에는 상기 제1 패턴부(500)가 형성된다.
이 경우, 상기 제1 층(110) 및 상기 제2 층(210)은 서로 밀착되도록 형성되는 것으로, 상기 제1 층(110)의 상면이 가지는 패턴과 반대되는 패턴이 상기 제2 층(210)의 하면에 형성되는 것이며, 이러한 패턴에 대하여 설명의 편의를 위해 상기 제1 패턴부(500)라 명명한다.
상기 제1 패턴부(500)는, 도시된 바와 같이, 상기 제1 층(110)을 기준으로, 상부로 돌출되는 제1 돌출부(510)와 하부로 함입되는 제1 함입부(520)를 포함하는 것으로, 이러한 상기 제1 돌출부(510) 및 상기 제1 함입부(520)는 연속적으로 상기 계면에 형성된다.
또한, 상기 제1 함입부(520)는 후술되는 바와 같이, 소정의 돌출되는 형상을 가지는 패턴 형성부에 의한 가압으로 함입되는 것으로, 이러한 가압으로 인한 함입부의 형성의 특성에 따라, 상기 제1 함입부(520)에서 상기 제1 돌출부(510)로 연장되는 영역은 부드러운 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 함입부(520)와 상기 제1 돌출부(510)의 경계가 수직면으로 형성되기는 어려우며, 도시된 바와 같이 자연스러운 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
이상과 같이, 상기 이중층 전극(20)의 상기 제1 및 제2 층들(110, 210) 사이의 계면에 상기 제1 패턴부(500)가 형성됨에 따라, 상기 제1 층(110) 및 제2 층(210) 사이의 경계면의 접착력을 향상시키는 것은 물론, 우수한 확산성과 낮은 내부 저항을 유지함으로써, 전극의 율속 특성 및 용량 유지율을 향상시킬 수 있으며, 높은 반응 전압 확보를 통해 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다.
도 6은 도 5의 이중층 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 6을 참조하면, 상기 이중층 전극(20)의 제조방법에서는, 우선, 상기 베이스 기판(300) 상에 상기 제1 층(100)을 형성한다(단계 S10).
이 경우, 상기 제1 층(100)의 형성은 도 4의 상기 제1 층의 형성단계(단계 S10)와 실질적으로 동일하다.
이 후, 상기 베이스 기판(300) 및 이에 적층된 상기 제1 층(100)을 가압부(401)를 이용하여 가압한다(단계 S21).
본 실시예의 경우, 상기 가압부(401)는 한 쌍의 제1 및 제2 롤러들(410, 420)을 포함하며, 상기 제1 롤러(410)는 상기 제1 층(100)의 상부에서 상기 제1 층(100)의 상면을 가압하고, 상기 제2 롤러(420)는 상기 베이스 기판(300)의 하부에서 상기 베이스 기판(300)의 하면을 가압할 수 있다.
다만, 상기 제1 롤러(410)의 외주면을 따라서는 제1 패턴 형성부(411)가 형성된다. 상기 제1 패턴 형성부(411)는 도시된 바와 같이, 상기 제1 롤러(410)의 외주면을 따라 소정의 높이만큼 돌출되는 돌출부로 형성되는 것으로, 상기 돌출부는 상기 외주면 상에 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌출부는 예를 들어, 원형, 다각형, 타원형 등과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 상기 제1 층(100) 및 상기 베이스 기판(300)에 대한 가압을 통해, 상기 제1 층(100)의 상면 상에는 제1 패턴부(500)가 형성된다. 그리하여, 상기 제1 층(100)은 상기 제1 패턴부(500)를 포함하는 제1 층(110)으로 형성된다.
이 경우, 상기 제1 패턴부(500)는 상기 제1 롤러(410)의 외주면을 따라 형성되는 돌출부의 형상이 그대로 반영되는 것으로, 도시된 바와 같이, 상기 돌출부에 의해 가압되어 형성되는 제1 함입부(520), 및 상기 돌출부에 의해 가압되지 않고 잔류하는 제1 돌출부(510)를 포함하게 된다.
또한, 상기 제1 롤러(410)의 돌출부의 형상이, 예를 들어 원형 형상인 경우라면, 도시된 바와 같이, 상기 제1 패턴부(500)도 균일하게 배열되는 원형 형상의 제1 함입부(520)를 포함하게 된다. 이 때, 상기 원형 형상의 함입부(520)는 가압으로 함입되어 형성될 수도 있으며, 잔류하는 형상인 제1 돌출부(510)가 원형 형상으로 잔류할 수도 있는 것으로, 이는 상기 제1 패턴 형성부(411)의 돌출되는 돌출부의 형상에 따라 선택될 수 있다.
한편, 상기 제1 층(110)은 상기 제1 패턴부(500)가 형성됨과 동시에 전체적으로 가압되므로, 상기 제1 층(110)을 구성하는 상기 결정성 흑연(101) 및 상기 탄소(102)는 보다 조밀하고 안정적인 내부 조직을 형성하게 된다.
이상과 같이, 상기 제1 층(110)이 상기 제1 패턴부(500)를 포함하도록 형성된 후, 상기 제1 층(110)의 상면에 상기 제2 층(210)을 형성한다(단계 S31).
이 경우, 상기 제2 층(210)은 예를 들어, 코팅 등과 같은 공정을 통해 상기 제1 층(100) 상에 형성될 수 있으나, 그 외 다양한 공정이 적용될 수도 있다. 또한, 상기 제2 층(210)은 결정성 흑연(101)을 포함하는 것으로, 코팅 공정 후 건조되어 형성될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
다만, 본 실시예의 경우, 상기 제2 층(210)은 상기 제1 패턴부(500) 상에 형성되는 것으로, 상기 제1 층(110)과의 사이에서 앞서 설명한 바와 같은 제1 돌출부(510) 및 제1 함입부(520)가 형성되는 경계면을 형성하게 된다. 이 경우, 상기 제1 층(110)의 돌출부가 제2 층(210)에서는 함입부로 형성되고, 상기 제1 층(110)의 함입부가 제2 층(210)에서는 돌출부로 형성됨은 자명하다.
이 후, 상기 제2 층(210)이 코팅된 후, 상기 제2 층(210)의 상부는 상기 가압부(400)의 제1 롤러(410)에 의해 가압되고, 상기 베이스 기판(300)의 하부는 상기 가압부(400)의 제2 롤러(420)에 의해 추가로 가압된다(단계 S41).
이 경우, 상기 제1 롤러(410)의 외주면에는 별도의 제1 패턴 형성부(411)가 형성되지 않아야 한다.
그리하여, 상기 제2 층(210) 역시, 상기 제1 층(110)과의 계면에서의 밀착력이 향상되며, 전체적으로 가압되므로 상기 제2 층(210)을 구성하는 상기 결정성 흑연(101)도 보다 조밀하고 안정적인 내부 조직을 형성하게 된다.
그리하여, 도 5의 상기 이중층 전극(20)이 제조된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이중층 전극을 도시한 단면도이다.
본 실시예에 의한 이중층 전극(30)은 제1 층(120)의 하면 및 베이스 기판(310)의 하면에 제2 패턴부(600)가 추가로 형성되는 것을 제외하고는, 도 5를 참조하여 설명한 상기 이중층 전극(20)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 이중층 전극(30)은 상기 베이스 기판(310) 상에 형성되는 제1 층(120), 및 상기 제1 층(120) 상에 형성되는 제2 층(220)을 포함한다.
이 경우, 상기 제1 층(120) 및 상기 제2 층(220)의 재료적 특성이나 구조적 특성은 도 1의 제1 층(100) 및 제2 층(200)과 동일하다.
다만, 본 실시예에 의한 상기 이중층 전극(30)의 경우, 상기 제1 층(120)의 하면, 즉 상기 제1 층(120)과 상기 베이스 기판(310)의 경계면, 및 상기 베이스 기판(310)의 하면에는 상기 제2 패턴부(600)가 형성된다.
이 때, 상기 제1 층(120)과 상기 베이스 기판(310)은 서로 밀착되도록 형성되는 것으로, 상기 베이스 기판(310)의 하면에 소정의 패턴이 형성됨에 따라 상기 제1 층(120)의 하면에도 이러한 패턴이 반영되는 것으로, 설명의 편의를 위해 상기 제2 패턴부(600)라 명명한다.
상기 제2 패턴부(600)는, 도시된 바와 같이, 상기 제1 층(120)을 기준으로, 하부로 돌출되는 제2 돌출부(610)와 상부로 함입되는 제2 함입부(620)를 포함하는 것으로, 이러한 상기 제2 돌출부(610) 및 상기 제2 함입부(620)는 연속적으로 상기 계면에 형성된다. 즉, 상기 베이스 기판(310)의 두께가 상대적으로 얇게 형성되므로, 상기 베이스 기판(310)에 형성되는 상기 패턴이 그대로 상기 제1 층(120)의 하면에 반영되는 것이다.
또한, 본 실시예의 경우, 도 5에서 설명한 상기 이중층 전극(20)의 제1 패턴부(500)와 동일한 패턴이 상기 제1 층(120) 및 상기 제2 층(220)의 경계면에 형성된다.
그리하여, 본 실시예에서의 상기 이중층 전극(30)에서는, 상기 베이스 기판(300) 및 상기 제1 층(120)에는 상기 제2 패턴부(600)가 형성되고, 상기 제1 층(120) 및 상기 제2 층(220)의 경계면에는 상기 제1 패턴부(500)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 도 7을 통해서는 상기 제1 층(120)의 상면이 상부방향으로 돌출되는 경우(510, 제1 돌출부), 상기 제1 층(120)의 하면도 상부방향으로 돌출되도록(620, 제2 함입부) 형성되고, 마찬가지로 상기 제1 층(120)의 상면이 하부방향으로 돌출되는 경우(520, 제1 함입부), 상기 제1 층(120)의 하면도 하부방향으로 돌출되도록(610, 제2 돌출부) 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 층(120)의 상면 및 하면이 전체적으로 균일하게 돌출 및 함입됨으로써, 상기 제1 층(120)이 전체적으로 균일한 두께로 형성되도록 상기 제1 패턴부(500) 및 상기 제2 패턴부(600)가 형성될 수 있다.
다만, 상기 제1 패턴부(500) 및 상기 제2 패턴부(600)는 반드시 상기 제1 층(120)의 상면 및 하면이 전체적으로 균일하게 돌출 및 함입되도록 형성될 수는 없으며, 실제 제조공정을 통해 상기 이중층 전극(30)을 생산하는 경우, 상기 제1 층(120)의 두께가 가변될 수도 있다.
이상과 같이, 상기 이중층 전극(20)이 상기 제1 패턴부(500) 외에 상기 제2 패턴부(600)를 추가로 포함함에 따라, 상기 제1 층(120)과 상기 베이스 기판(310) 사이의 경계면의 접착력도 향상시킬 수 있다.
도 8은 도 7의 이중층 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 8을 참조하면, 상기 이중층 전극(30)의 제조방법에서는, 우선, 상기 베이스 기판(300) 상에 상기 제1 층(100)을 형성한다(단계 S10). 이러한, 상기 제1 층(100)의 형성은 도 4의 상기 제1 층의 형성단계(단계 S10)와 실질적으로 동일하다.
이 후, 상기 베이스 기판(300) 및 이에 적층된 상기 제1 층(100)을 가압부(401)를 이용하여 가압한다(단계 S21). 이러한, 상기 제1 층(100)에 대한 가압단계는, 도 6을 참조하여 설명한 상기 제1 층(100)에 대한 가압단계(단계 S21)와 실질적으로 동일하다.
그리하여, 이러한 가압단계(단계 S21)를 통해, 상기 제1 층(100)은 상기 제1 패턴부(500)를 포함하는 제1 층(110)으로 형성되며, 상기 제1 패턴부(500)가 상기 제1 함입부(520) 및 상기 제1 돌출부(510)를 포함하게 된다.
이 후, 상기 제1 패턴부(500)가 형성된 상기 제1 층(110)의 상면에, 상기 제2 층(210)을 형성한다(단계 S31). 또한, 이러한 상기 제2 층(210)의 형성단계 역시, 도 6을 참조하여 설명한 상기 제2 층(210)의 형성단계(단계 S31)와 실질적으로 동일하다.
그리하여, 상기 제2 층(210)은 상기 제1 패턴부(500) 상에 형성되므로 하면에는 돌출부 및 함입부가 형성되지만, 상면은 평평하게 형성된다.
이 후, 상기 제2 층(210)의 상면 및 상기 베이스 기판(300)의 하면을 가압부(402)를 이용하여 추가로 가압한다(단계 S42).
이 때, 상기 가압부(402)는 한 쌍의 제1 및 제2 롤러들(410, 420)을 포함하되, 상기 제2 롤러(420)에는 외주면을 따라 제2 패턴 형성부(421)가 형성된다.
그리하여, 상기 제1 롤러(410)는 매끈한 외주면을 상기 제2 층(210)의 상면을 가압하지만, 상기 제2 롤러(420)는 상기 제2 패턴 형성부(421)가 형성된 외주면으로 상기 베이스 기판(300)의 하면을 가압하게 된다. 이 경우, 상기 제2 패턴 형성부(421)는 상기 제1 패턴 형성부(411)와 동일하게 소정의 패턴이 상기 제2 롤러(420)의 외주면으로부터 돌출되도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 돌출부에 의해 상기 베이스 기판(300)의 하면에는 소정의 패턴이 전사된다.
또한, 상기 제2 패턴 형성부(421) 역시, 상기 제1 패턴 형성부(411)와 같이, 예를 들어, 원형, 다각형, 타원형 등과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 전체적은 상기 이중층 전극(30)의 형상적 균일성을 위해, 상기 제1 패턴 형성부(411)가 가지는 형상과 동일한 형상으로 상기 제2 패턴 형성부(421)가 형성될 수 있다.
이러한 상기 가압부(402)의 가압에 따라, 상기 제2 층(210)의 상면은 평평하게 가압되어 제2 층(220)으로 형성되고, 상기 베이스 기판(300)은 상기 제2 패턴 형성부(421)에 의해 가압되어 제2 패턴부(600)를 포함하는 베이스 기판(310)으로 형성된다. 이 경우, 상기 베이스 기판(310)에 상기 제2 패턴부(600)가 형성됨에 따라 상기 제1 층(110)의 하면 역시 상기 제2 패턴부(600)가 형성되는 제1 층(120)으로 형성된다. 그리하여, 상기 이중층 전극(30)이 제조된다.
즉, 상기 제1 층(120)의 하면과 상기 베이스 기판(310)은, 상기 제2 패턴 형성부(421)에 의해 가압되면서 가압으로 함입되는 제2 함입부(620)와, 상기 제2 패턴 형성부(421)에 의해 가압되지 않아 상대적으로 돌출되는 제2 돌출부(610)를 포함하도록 형성된다.
또한, 이러한 상기 제2 패턴부(600)의 함입 및 돌출 패턴의 배열은, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 층(120)의 전체적인 두께를 일정하게 유지하기 위해, 상기 제1 패턴부(500)의 함입 및 돌출 패턴의 배열과 전체적으로 동일하게 배열될 수는 있다. 이를 위해, 상기 가압부(402)에 의한 가압 단계(단계 S42)에서 상기 제2 롤러(420)의 정렬을 제어할 수 있다.
이상과 같이, 전술한 상기 이중층 전극(10, 20)의 제조 공정에서, 단순히 상기 제2 층(200, 210) 및 상기 베이스 기판(300)을 평평하게 가압하는 것과 달리, 상기 베이스 기판(310)에 소정의 패턴이 추가로 형성되도록 가압함으로써, 상기 제1 층(120)과 상기 베이스 기판(310) 사이의 밀착성도 보다 향상시켜, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 9a 내지 도 9e는 도 7의 이중층 전극의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 9a 내지 도 9e의 경우, 도 7의 이중층 전극(30)의 특성을 설명하기 위한 그래프이나, 실질적으로 도 5의 이중층 전극(20)도 동일한 특성을 가진다.
우선, 9a를 참조하면, 패턴부가 형성되지 않은 이중층 구조(No patt.)와 대비하여, 패턴부가 형성된 이중층 구조(Pattern size)가 반복적인 사이클을 통한 충방전을 수행하는 경우 보다 안정적으로 전극의 용량을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 패턴부의 크기의 경우, 상기 패턴부가 원형 형상을 가지는 경우, 상기 패턴부의 직경이 대략 250μm인 경우(pattern size, 250μm) 상대적으로 높은 전극의 용량을 유지하는 것을 확인할 수 있으며, 나아가 상기 패턴부가 상기 제1 및 제2 층들이 사이 및 상기 베이스 기판 상에 동시에 형성되는 경우(pattern size, 250μm+250μm) 보다 높은 전극의 용량을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9b는 cyclic voltammetry에서 전압 scan rate별 pick current만 모은 선형 그래프인 것으로, 선형 그래프의 기울기가 클수록 전극의 확산성(diffusivity)이 증가하는 것을 의미한다.
이에, 도 9b를 참조하면, 하나의 재료만 사용하여 전극을 형성하는 경우(Single SC, Single SCG) 또는 2가지 재료의 단순 합성으로 전극을 형성하는 경우(Blended SC & SCG)와 대비하여, 도 5 및 도 7에서와 같이 이중층 전극으로 패턴부를 포함하도록 형성한 전극의 경우(Bi-layered & patterned SC & SCG), 보다 높은 선형 그래프 기울기를 나타내는 것으로, 전극의 확산성의 증가에 따라 상대적으로 빠른 충방전시에도 배터리의 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 9c는 임피던스 측정을 통해 얻는 Nyquist plot으로, 배터리의 전체 내부 저항을 의미하는 그래프인데, 그래프 상의 Ohmic(X 절편), SEI(첫번째 반원), Charge transfer(두번째 반원) 저항을 포함하여 두 번째 반원의 오른쪽에서 X축과 가장 가까운 Z'(Ω) 값의 크기가 작아질수록 내부 저항이 낮아지는 것을 의미한다.
이에, 도 9c를 통해 확인되는 바와 같이, 마찬가지로 여타의 전극들과 대비하여, 이중층 전극으로 패턴부를 포함하도록 형성한 전극의 경우(Bi-layered & patterned SC & SCG), 반원의 크기가 상대적으로 작게 형성됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 낮은 내부저항을 가지는 우수한 성능의 배터리 제작이 가능함을 확인할 수 있다.
또한, 도 9d는 방전 횟수에 따른 전극의 용량을 나타낸 그래프이다.
도 9d를 통해 확인되는 바와 같이, 방전속도가 빨라질수록 배터리의 유효 용량이 감소함에도, 여타의 전극들과 대비하여, 이중층 전극으로 패턴부를 포함하도록 형성한 전극의 경우(Bi-layered & patterned SC & SCG), 전극의 율속 특성이 상대적으로 가장 높게 유지됨을 확인할 수 있다.
나아가, 도 9e는 전류 밀도에 따른 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9e를 통해서도 마찬가지로 확인되는 바와 같이, 여타의 전극들과 대비하여, 이중층 전극으로 패턴부를 포함하도록 형성한 전극의 경우(Bi-layered & patterned SC & SCG), 빠른 충방전을 수행하는 경우에도 높은 용량과 높은 반응 전압을 확보할 수 있어, 결과적으로 고에너지 밀도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 도 5 및 도 7을 참조하여 설명한 본 실시예에서와 같이, 패턴부가 포함되는 이중층 전극(20, 30)의 경우, 배터리로 구성되는 경우 다양한 측면에서 우수한 배터리 성능 및 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 특히, 전극 활물질로서, 결정성 흑연과 탄소가 혼합된 제1 층과, 결정성 흑연을 포함하는 제2 층의 이중층 전극을 형성함으로써, 결정성 흑연이 가지는 높은 에너지 밀도의 장점과 탄소가 가지는 다공성 구조로서 빠른 이온 수송 능력의 장점의 시너지 효과를 통해, 빠른 충방전에서도 높은 에너지 밀도를 가지며 배터리 성능을 높일 수 있다.
또한, 상기 전극 활물질로서 다양한 음극 재료 또는 양극 재료가 적용되는 경우에도, 제1 층 및 제2 층 사이에 제1 패턴부로서 돌출부와 함입부를 형성함으로써, 상기 제1 층 및 제2 층 사이의 경계면의 접착력을 향상시키는 것은 물론, 우수한 확산성과 낮은 내부 저항을 유지함으로써, 전극의 율속 특성 및 용량 유지율을 향상시킬 수 있으며, 높은 반응 전압 확보를 통해 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다.
또한, 제1 층과 베이스 기판 상이에 형성되는 제2 패턴부로서 돌출부와 함입부를 형성함으로써, 상기 제1 층과 베이스 기판 사이의 경계면의 접착력을 향상시켜, 안정적인 이중층 전극 구조를 유지하고, 배터리의 긴 수명을 확보할 수 있다.
또한, 상기 제1 패턴부 또는 상기 제2 패턴부를 형성함에 있어, 외주면을 따라 돌출 패턴이 형성된 롤러를 이용하여 가압하는 공정을 적용함으로써, 가압을 통한 제1 층, 제2 층 및 베이스 기판들 사이의 경계면의 밀착력을 향상시키고, 제1 층 및 제2 층의 내부의 입자들 사이의 안정적인 구조를 유지함과 동시에 제1 패턴부 또는 제2 패턴부를 동시에 형성할 수 있어, 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 베이스 기판 상에 형성되고, 결정성 흑연과 탄소가 혼합되어 형성되는 제1 층; 및
    상기 제1 층 상에 형성되고, 결정성 흑연으로 형성되는 제2 층을 포함하는 이중층 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 층에서,
    상기 결정성 흑연과 상기 탄소는 7:3 내지 3:7의 비율로 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  3. 베이스 기판 상에 형성되는 전극 활물질을 포함하는 제1 층; 및
    상기 제1 층 상에 형성되는 전극 활물질을 포함하는 제2 층을 포함하며,
    상기 제1 층과 상기 제2 층의 경계면에는 제1 패턴부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전극 활물질은,
    흑연, 탄소, 전이금속 산화물 기반 음극 재료, 또는 양극 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 층의 전극 활물질은 구형 형상의 결정성 흑연(spherical crystalline graphite, SCG)을 및 연질 탄소(soft carbon, SC)를 포함하고,
    상기 제2 층의 전극 활물질은 구형 형상의 결정성 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 패턴부는,
    돌출부와 함입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 베이스 기판 및 상기 제1 층의 하면에 제2 패턴부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 패턴부는,
    돌출부와 함입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  9. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 돌출부는 원형, 타원형 또는 다각형 형상으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극.
  10. 베이스 기판 상에 전극 활물질을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 층의 상면을 제1 롤러를 이용하여 가압하는 단계; 및
    상기 제1 층의 상면 상에 전극 활물질을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 이중층 전극의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 롤러를 이용하여 가압하는 단계에서,
    상기 제1 롤러의 외주면을 따라 형성된 제1 패턴 형성부에 의해, 상기 제1 층의 상면에는 제1 패턴부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 패턴 형성부는 돌출 패턴을 포함하며,
    상기 제1 패턴부는 돌출부와 함입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 층을 형성하는 단계에서,
    상기 제1 패턴부가 형성된 제1 층의 상면 상에 상기 제2 층을 형성하여, 상기 제1 층과 상기 제2 층의 경계면에는 상기 제1 패턴부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제2 층을 형성하는 단계에서,
    상기 제1 층 및 상기 제2 층은 습식 코팅 공정, 건식 코팅 공정 및 가열 및 열 유도 상 분리(thermally induced phase separation, TIPS)를 이용한 코팅 공정 중의 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 하면을 제2 롤러를 이용하여 가압하는 단계를 더 포함하는 이중층 전극의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 롤러를 이용하여 가압하는 단계에서,
    상기 제2 롤러의 외주면을 따라 형성된 제2 패턴 형성부에 의해, 상기 베이스 기판 및 상기 제1 층의 하면에는 제2 패턴부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 패턴 형성부는 돌출 패턴을 포함하며,
    상기 제2 패턴부는 돌출부와 함입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 하면을 제2 롤러를 이용하여 가압하는 단계는, 상기 제1 층의 상면을 제1 롤러를 이용하여 가압하는 단계와 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 이중층 전극의 제조방법.
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