KR102299366B1 - 탄성부재를 가진 3차원 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

탄성부재를 가진 3차원 이차전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄성부재를 가진 3차원 이차전지 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 3차원 이차전지는 양극활물질층에 형성된 제1 트렌치 위에 적층된 전해질층 및 음극활물질층을 포함한다. 상기 음극활물질층에는 상기 제1 트렌치와 유사한 형상의 제2 트렌치가 형성되며, 상기 제2 트렌치에는 탄성부재가 배치된다. 상기 탄성부재는 상기 이차전지의 충전시 상기 음극활물질층의 팽창을 흡수하며, 이에 따라 이차전지의 열화를 방지한다.

Description

탄성부재를 가진 3차원 이차전지 및 그 제조방법{3-dimensional secondary battery having elastic member and method of fabricating the same}
충전시 음극활물질층의 팽창을 흡수할 수 있는 탄성부재를 포함하는 3차원 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 스마트 폰, 노트북 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 전기 자동차(EV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차의 발전과 함께 급속도로 수요가 확대되고 있다.
리튬 이차전지에 사용되는 음극은 집전체의 일 표면에 형성된 활물질층을 포함한다. 음극 활물질로서는 캐리어가 된 이온(이하 캐리어 이온이라고 함)의 흡장(insertion) 및 방출(desertion)이 가능한 재료인 그래파이트가 사용되어 왔다.
한편, 음극 활물질에 실리콘 또는 인이 도핑된 실리콘, 리튬을 사용한 경우, 탄소에 비하여 캐리어 이온의 흡장량이 증가하며, 탄소(흑연) 음극 사용시 보다 충전 용량이 증가한다. 그러나, 충방전 사이클에서의 캐리어 이온의 흡장 및 방출에 따른 체적 변화가 크고, 이에 따라 이차전지 특성이 열화될 수 있다.
3차원 이차전지는 양극 활물질층 및 음극 활물질층을 높이 방향으로 형성하여 양극 활물질층 및 음극 활물질층 사이의 대면 면적을 증가시킴으로써 단위면적당 충전 용량을 증가시킬 수 있다.
그러나, 종래의 이차원 이차전지와 비교하여 3차원 이차전지에서 음극의 팽창에 의한 변형으로 3차원 이차전지가 더욱 열화되기 쉽다.
음극활물질층의 팽창을 완화하는 탄성부재를 가진 3차원 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.
실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지는:
양극 집전체;
상기 양극 집전체 상에서 상면에 형성된 복수의 제1 트렌치를 포함하는 양극활물질층;
상기 양극활물질층에서 상기 복수의 제1 트렌치로 노출된 표면을 덮는 전해질층;
상기 전해질층 상에 형성되며, 상기 제1 트렌치에 대응되는 복수의 제2 트렌치를 포함하는 음극활물질층;
상기 복수의 제2 트렌치를 채운 복수의 탄성부재; 및
상기 음극활물질층 및 상기 복수의 탄성부재를 덮는 음극 집전체;를 포함한다.
상기 복수의 탄성부재는 styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), EPDM rubber, silicone rubber, alkyl acrylate copolymer (ACM), styrene-butadiene copolymer (SBS), styrene-ethylene-butadiene-styrene copolymer (SEBS), polymethylsilane rubber, butyl acrylate copolymer를 포함할 수 있다.
상기 복수의 탄성부재는 도전제(conducting agent)를 포함할 수 있다.
상기 도전제는 카본 블랙 또는 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 음극활물질층은 리튬 메탈, 실리콘, 주석, 알루미늄, 게르마늄을 포함할 수 있다.
상기 양극활물질층은:
상기 양극집전체와 마주보는 면에 형성된 복수의 제3 트렌치; 및
상기 복수의 제3 트렌치를 채운 복수의 제2 탄성부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 트렌치와 상기 복수의 제3 트렌치는 평면도상으로 볼 때 서로 교번적으로 평행하게 배치될 수 있다.
실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지는:
양극 집전체;
상기 양극 집전체에 실질적으로 수직으로 배치된 복수의 양극활물질 플레이트;
상기 양극 집전체 상에서 상기 복수의 양극활물질 플레이트를 덮는 전해질층;
인접한 상기 양극활물질 플레이트 사이에서 상기 전해질층을 덮으며, 복수의 제1 트렌치를 형성하는 복수의 음극활물질층;
상기 복수의 제1 트렌치를 채운 복수의 탄성부재; 및
상기 복수의 음극활물질층 및 상기 복수의 탄성부재를 덮는 음극 집전체;를 포함한다
상기 양극활물질 플레이트는:
상기 양극집전체와 마주보는 면에 형성된 복수의 제2 트렌치; 및
상기 복수의 제2 트렌치를 채운 복수의 제2 탄성부재;를 더 포함할 수 있다.
탄성부재를 가진 3차원 이차전지의 제조방법은:
양극 집전체를 준비하는 단계;
상기 양극 집전체 상에 양극활물질층을 형성하는 단계;
상기 양극활물질층에 복수의 제1 트렌치를 형성하는 단계;
상기 양극활물질층 상으로 상기 제1 트렌치를 순차적으로 도포하는 전해질층 및 음극활물질층을 형성하며, 상기 음극활물질층에는 상기 복수의 제1 트렌치에 대응되는 복수의 제2 트렌치를 형성하는 단계;
상기 복수의 제2 트렌치에 탄성부재를 채우는 단계; 및
상기 음극활물질층 상으로 상기 탄성부재를 덮는 음극 집전체를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 탄성부재를 채우는 단계는:
상기 복수의 제1 트렌치에 단량체를 채우는 단계; 및
상기 단량체를 폴리머화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단량체를 채우는 단계는 상기 단량체에 개시제, 촉매, 래디컬 중 적어도 하나를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단량체에 도전제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지는 충전시 음극활성물질층의 팽창을 완화하는 탄성부재를 가지므로, 3차원 이차전지의 변형 및 열화를 방지할 수 있으며, 이차전지의 수명을 증가시킨다.
도 1은 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지의 양극활물질층의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다.
도 3은 도 1의 양극활물질층의 변형예를 보여주는 평면도다.
도 4는 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 5는 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지의 양극활물질층의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지의 구조를 개략적으로 설명하는 단면도다.
도 7a 내지 도 7d는 실시예에 따른 탄성부재를 가진 이차전지의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 도 2는 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지(100)의 양극활물질층의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다. 도 1은 도 2의 I-I 선단면도다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 양극 집전체(cathode collector)(110) 위에 양극활물질층(cathode active material layer)(120)이 형성되어 있다. 양극활물질층(120)의 폭은 대략 2~50㎛, 높이는 대략 40~500㎛일 수 있다. 양극활물질층(120)에는 복수의 제1 트렌치(T1)가 형성된다. 제1 트렌치(T1)는 대략 10~50㎛ 크기의 제1폭(W1)을 가질 수 있다. 제1 트렌치들(T1)은 평면도상으로 볼 때 서로 평행하게 배치될 수 있다.
양극활물질층(120) 위로 제1 트렌치(T1)를 덮는 전해질층(140)이 형성되어 있다. 전해질층(140)에는 제1 트렌치(T1)와 유사한 형상의 제2 트렌치(T2)가 형성될 수 있다. 전해질층(140)은 제1 트렌치(T1)에 노출된 양극활물질층(120)의 표면과 상면을 덮을 수 있다. 전해질층(140)은 고체로 형성될 수 있다. 전해질층(140)은 대략 1~5㎛ 두께로 형성될 수 있다.
전해질층(140) 상으로 음극활물질층(anode active material layer)(150)이 형성될 수 있다. 음극활물질층(150)에는 제2 트렌치(T2)와 유사한 형상을 가지는 제3 트렌치(T3)가 형성된다.
도 2에서 보면, 제1 트렌치(T1)가 닫혀진 상태이지만, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 트렌치(T1)의 양단이 오픈된 상태일 수도 있다. 제1 트렌치(T1)의 양단이 오픈된 경우, 제2 트렌치(T2) 및 제3 트렌치(T3)도 오픈된 트렌치일 수 있다.
전해질층(140)의 제3 트렌치(T3)에는 음극활물질층(150)의 팽창을 흡수할 수 있는 탄성부재(160)가 채워질 수 있다. 탄성부재(160)는 탄성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 탄성부재(160)는 탄력성을 가지는 폴리머 또는 고무 등으로 형성될 수 있다. 탄성부재(160)에는 도전제(conduction agent), 예컨대, 카본 블랙, VGCFTM, 탄소나노튜브 등이 함침되어 형성될 수 있다. 도전제는 탄성부재(160)의 도전성을 증가시킬 수 있다.
음극활물질층(150) 상으로 탄성부재(160)를 덮는 음극 집전체(anode collector)(170)가 형성될 수 있다.
양극 집전체(110)는 도전성이 높은 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 양극 집전체(110)는 스테인리스, 금, 백금, 은, 아연, 철, 구리, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 팔라듐 등의 금속, 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 양극 집전체(110)는 실리콘, 티타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브데넘 등 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
양극활물질층(120)은 양극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다. 리튬 이차전지에서 양극 활물질층은 리튬 이온을 가역적으로 흡장(insertion) 및 방출(desertion)할 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
양극 활물질은 예를 들면, 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 니켈 코발트산 리튬, 니켈 코발트 알루미늄산 리튬, 니켈 코발트 망간산 리튬, 망간산 리튬 및 인산철 리튬과 같은 리튬 전이금속 산화물, 황화 니켈, 황화 구리, 황, 산화철 및 산화 바나듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
도전제는 예를 들면, 카본블랙, 탄소섬유 및 흑연과 같은 탄소계 도전제, 금속섬유와 같은 도전성 섬유, 불화카본 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말과 같은 금속 분말, 산화아연 및 티탄산칼륨과 같은 도전성 휘스커, 산화티탄과 같은 도전성 금속 산화물 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
전해질층(140)은 물리기상증착법 또는 화학기상증착법으로 형성될 수 있다. 전해질층(140)은 고체로 형성될 수 있다. 예컨대, Lithium phosphorous oxynitride (LiPON)로 형성될 수 있다. 또한, 전해질층(140)은 sulfide계 및 garnet 계의 고체전해질로 이루어질 수도 있다.
음극활물질층(150)은 음극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다. 리튬 이차전지에서 음극 활물질층은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 물질로 형성될 수 있다.
음극 활물질은 예를 들면, 실리콘, 게르마늄, 금속, 탄소계 재료, 금속산화물 및 리튬금속질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 금속은 리튬, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 주석, 납, 비소, 안티몬, 비스무트, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은, 구리, 철, 니켈, 코발트 및 인듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
탄소계 재료는 흑연, 흑연 탄소섬유, 코크스, 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 폴리아센, 피치계 탄소섬유 및 난흑연화성 탄소hard carbon)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
금속산화물은 리튬티탄산화물, 산화티탄, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화철, 산화텅스텐, 산화주석, 비정질 주석복합산화물, 실리콘 모노옥사이드, 산화코발트 및 산화니켈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 음극 활물질층에 포함되는 바인더 및 도전제는 각각 양극 활물질층에 포함된 바인더 및 도전제와 동일한 것을 사용할 수 있다.
음극활물질층(150)의 두께는 대략 50nm~15 ㎛ 일 수 있다. 음극활물질층(150)의 두께가 50nm 미만인 경우 음극과 전해질의 안정적인 계면이 형성되지 않아, 충방전이 고르게 일어나지 않게 되어 수명 특성이 떨어질수 있다. 음극 활물질층(150)의 두께가 15㎛ 이상인 경우, 전지의 용량이 감소할 수 있다.
음극 집전체(170)는 포일 형상일 수 있다. 음극 집전체(170)는 예를 들면, 구리, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 및 티탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 음극 활물질층은 음극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다. 리튬 이차전지에서 음극 활물질층은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 물질로 형성될 수 있다.
3차원 이차전지(100)는 트렌치를 이용하여 전극들과 전해질층(140) 사이의 접촉 면적을 증가시키므로, 이차전지(100)의 전류밀도와 충전밀도가 증가된다.
3차원 이차전지(100)는 충전과정에서 음극활물질층(150)이 부피팽창을 한다. 이 때, 탄성부재(160)는 팽창된 음극활물질층(150)에 의해 응축되면서 이차전지(100)의 붕괴를 방지할 수 있다.
도 3은 도 1의 양극활물질층의 변형예를 보여주는 평면도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 양극활물질층(110')에는 복수의 제1 트렌치(T1')가 2차원적으로 형성되어 있다. 도 3에서는 제1 트렌치(T1')들이 대략 사각형상을 가지나 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 트렌치(T1')들은 원형 등으로 형성될 수도 있다.
도 3에서는 복수의 제1 트렌치(T1')가 매트릭스 형태로 배치되어 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 지그재그 형태로 배열될 수도 있다.
도 3의 A-A 선단면도는 도 1과 같을 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지(300)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 도 5는 다른 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지(300)의 양극활물질층의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다. 도 4은 도 5의 Ⅳ-Ⅳ 선단면도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다. 이하에서는 도 1의 구조와 구별되는 구성에 대해서 주로 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 양극 집전체(cathode collector)(310) 위에 양극활물질층(cathode active material layer)(320)이 형성되어 있다. 양극활물질층(320)에는 복수의 제1 트렌치(T1)가 형성된다. 제1 트렌치(T1)는 대략 10~50㎛ 크기의 제1폭(W1)을 가질 수 있다. 제1 트렌치들(T1)은 평면도상으로 볼 때 서로 평행하게 배치될 수 있다.
양극활물질층(320)에는 복수의 제4 트렌치(T4)가 더 배치될 수 있다. 제4 트렌치(T4)는 평면도 상으로 볼 때 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 트렌치(T1)와 제4 트렌치(T4)는 평면도상으로 볼 때 교번적으로 배치될 수 있다. 제4 트렌치(T4)의 가로 폭은 제1 트렌치(T1)의 제1폭(W1) 보다 작을 수 있다.
양극활물질층(320) 위로 제1 트렌치(T1)를 덮는 전해질층(340)이 형성되어 있다. 전해질층(340)에는 제1 트렌치(T1)와 유사한 형상의 제2 트렌치(T2)가 형성될 수 있다. 전해질층(340)은 제1 트렌치(T1)에 노출된 양극활물질층(320)의 표면과 상면을 덮을 수 있다. 전해질층(340)은 고체로 형성될 수 있다. 전해질층(340)은 대략 1~5㎛ 두께로 형성될 수 있다.
전해질층(340) 상으로 음극활물질층(anode active material layer)(350)이 형성될 수 있다. 음극활물질층(350)은 대략 50nm~15㎛ 두께로 형성될 수 있다. 음극활물질층(350)에는 제2 트렌치(T2)와 유사한 형상을 가지는 제3 트렌치(T3)가 형성된다.
음극활물질층(350)의 제3 트렌치(T3)에는 음극활물질층(350)의 팽창을 흡수할 수 있는 제1 탄성부재(360)가 채워질 수 있다. 제1 탄성부재(360)는 탄성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 탄성부재(360)는 탄력성을 가지는 폴리머 또는 고무 등으로 형성될 수 있다. 제2 탄성부재(360)에는 도전제(conduction agent), 예컨대, 카본 블랙, VGCFTM, 탄소나노튜브 등이 함침되어 형성될 수 있다. 도전제는 제1 탄성부재(360)의 도전성을 증가시킬 수 있다.
제4 트렌치(T4)에는 제2 탄성부재(380)가 형성될 수 있다. 제2 탄성부재(380)는 음극활물질층(350)의 팽창을 흡수할 수 있다. 제2 탄성부재(380)는 제1 탄성부재(360)와 동일한 물질로 형성될 수 있으며 상세한 설명은 생략한다.
도 5에서 보면, 제1 트렌치(T1) 및 제4 트렌치(T2)가 닫혀진 상태이지만, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 트렌치(T1) 및 제4 트렌치(T4)의 양단이 오픈된 상태일 수도 있다. 제1 트렌치(T1)의 양단이 오픈된 경우, 제2 트렌치(T2) 및 제3 트렌치(T3)도 오픈된 트렌치일 수 있다.
음극활물질층(350)상으로 탄성부재(360)를 덮는 음극 집전체(anode collector)(370)가 형성될 수 있다.
3차원 이차전지(300)의 충전 과정에서 음극활물질층(350)의 팽창에 의한 변형은 제1 탄성부재(360) 뿐만 아니라 제2 탄성부재(380)에 의해 더 효과적으로 완화될 수 있다.
3차원 이차전지(300)의 다른 작용은 이차전지(300)의 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
3차원 이차전지(300)의 제1 트렌치(T1)는 도 2의 이차전지(100)의 제1 트렌치(T1)와 같은 형태로 형성될 수 있다. 또한, 제4 트렌치(T4)도 도 2의 제1 트렌치(T1)와 유사하게 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 탄성부재를 가진 3차원 이차전지(400)의 구조를 개략적으로 설명하는 단면도다.
도 6을 참조하면, 양극 집전체(cathode collector)(410) 위에 복수의 양극활물질 플레이트(420)가 형성되어 있다. 양극활물질 플레이트(420)는 양극 집전체(410)에 대해서 실질적으로 수직으로 형성될 수 있다. 인접한 양극활물질 플레이트(420)는 서로 대략 10~50㎛ 크기의 제2폭(W2)을 두고 배치되어 제1공간을 한정할 수 있다. 각 양극활물질 플레이트(420)에는 제4 트렌치(T4)가 형성될 수 있다. 제4 트렌치(T4)는 양극 집전체(410)를 노출되도록 형성될 수 있다. 제4 트렌치(T4)는 양단이 오픈된 트렌치이다. 제4 트렌치(T4)에는 제2 탄성부재(480)에 의해 채워질 수 있다. 제2 탄성부재(480)는 양극 집전체(410)와 접촉되게 형성될 수 있다. 제4 트렌치(T4) 및 제2 탄성부재(480)는 생략될 수도 있다.
양극 집전체(410) 상에서 양극활물질 플레이트(420)를 덮도록 전해질층(440)이 형성되어 있다. 전해질층(440)은 고체로 형성될 수 있다. 전해질층(440)은 대략 1~5㎛ 두께로 형성될 수 있다. 전해질층(440)은 인접한 양극활물질 플레이트(420) 사이에서 오픈된 제2 트렌치(T2)를 형성한다.
전해질층(440) 상으로 음극활물질층(450)이 형성될 수 있다. 음극활물질층(450)은 대략 50nm~15㎛ 두께로 형성될 수 있다. 음극활물질층(450)에는 제3 트렌치(T3)가 형성될 수 있다.
음극활물질층(450)의 제3 트렌치(T3)에는 음극활물질층(450)의 팽창을 흡수할 수 있는 제1 탄성부재(460)가 채워질 수 있다. 제1 탄성부재(460)는 탄성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
제1 탄성부재(460) 및 제2 탄성부재(480)는 도 1의 탄성부재(160)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 음극활물질층(450)은 두 개의 플레이트로 형성되고, 상기 두 개의 플레이트 사이에 탄성부재(460)가 배치될 수 있다.
또한, 음극활물질층(450)은 증착공정 또는 열증발법으로 형성되어서 양극활물질 플레이트(420)의 상면 위의 전해질층(440)을 덮도록 형성될 수도 있다(도 1 참조).
음극활물질층(450) 상으로 탄성부재(460)를 덮는 음극 집전체(470)가 형성될 수 있다. 도 7a 내지 도 7d는 실시예에 따른 탄성부재를 가진 이차전지의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도다.
도 7a를 참조하면, 양극 집전체(510)를 준비한다. 양극 집전체(510)는 박막 금속으로 이루어질 수 있다. 양극 집전체(510)는 미도시된 기판 상으로 박막 금속을 증착하여 형성할 수도 있다.
양극 집전체(510) 상으로 양극활물질층(520)을 형성한다. 양극활물질층(520)은 예컨대 LiCoO2로 증착한 후, 대략 550℃에서 열처리하여 형성될 수 있다.
양극활물질층(520)에 제1 트렌치(T1)를 형성한다. 제1 트렌치(T1)는 도면에 수직방향으로 길게 형성될 수 있다. 제1 트렌치(T1)는 복수의 트렌치로 이루어질 수도 있다 (도 3 참조). 제1 트렌치(T1)는 통상의 리소그래피 공정으로 형성될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 양극활물질층(520) 상으로 전해질층(540)을 증착한다. 전해질층(540)은 예컨대 Lithium phosphorous oxynitride (LiPON)로 이루어질 수 있다. 전해질층(540)은 물리적 증착법 또는 화학적 증착법으로 형성할 수 있다. 전해질층(540)은 대략 1~5㎛ 두께로 형성될 수 있다. 전해질층(540)에는 제1 트렌치(T1)와 유사한 제2 트렌치(T2)가 형성된다.
이어서, 전해질층(540) 상으로 음극활물질층(550)을 형성한다. 음극활물질층(550)은 예컨대 Li metal로 이루어질 수 있다. 음극활물질층(550)은 열 증발법(thermal evaporation)으로 형성할 수 있다. 음극활물질층(550)은 대략 50nm~15㎛ 두께로 형성될 수 있다. 음극활물질층(550)에는 제2 트렌치(T2)와 유사한 제3 트렌치(T3)가 형성된다.
도 7c를 참조하면, 제3 트렌치(T3)에 액체, 에멀젼, 개스 상태로 단량체를 주입한 후, 가열, 개시제 첨가, 플라즈마 처리, 촉매 첨가, 래디칼 첨가 등으로 폴리머를 형성한다. 예컨대, 디메틸실란디올(dimethylsilanediol) 단량체로 제3 트렌치(T3)를 채운 후, 대략 80℃에서 열처리하여 폴리메틸실란 고무(polymethysilane rubber)를 형성할 수 있다.
또한, 제3 트렌치(T3)를 butyl acrylate로 채운후, 개시제로 Azobisisobutyronitrile (AIBN)을 넣고 80℃에서 열처리하여 bytyl acrylate copolymer를 형성할 수도 있다.
또한, 액체 상태의 실리콘 러버로 제3 트렌치(T3)를 채운 후, Pt 촉매를 첨가하고 80℃에서 열처리하여 엘라스토머를 형성할 수도 있다.
탄성부재(560)를 만드는 과정에서 도전제(conduction agent), 예컨대, 카본 블랙, VGCFTM, 탄소나노튜브를 함침시켜서 탄성부재(560)의 도전성을 증가시킬 수도 있다.
한편, 제1 트렌치(T1) 내지 제3 트렌치(T3)가 양단이 개방된 트렌치인 경우, 미도시된 지그로 제3 트렌치(T3)의 양단을 막고 상기 단량체를 주입한다.
도 7d를 참조하면, 음극활성층 상으로 탄성부재(560)를 덮도록 음극 집전체(570)를 형성한다. 음극 집전체(570)는 기상 증착법으로 형성될 수 있다. 음극 집전체(570)는 금속 박막을 사용하여 형성할 수도 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 3차원 이차전지 110: 양극집전체
120: 양극활물질층 140: 전해질층
150: 음극활물질층 160: 탄성부재
170: 음극집전체 T1~T3: 트렌치

Claims (20)

  1. 양극 집전체;
    상기 양극 집전체 상에서 상면에 형성된 복수의 제1 트렌치를 포함하는 양극활물질층;
    상기 양극활물질층에서 상기 복수의 제1 트렌치로 노출된 표면을 덮고 제2 트렌치를 포함하는 전해질층;
    상기 전해질층 상에 형성되며, 상기 제1 트렌치에 대응되는 상기 복수의 제2 트렌치를 채우며 복수의 제3 트렌치를 포함하는 음극활물질층;
    상기 복수의 제3 트렌치를 채우며, 적어도 하나의 폴리머 또는 고무를 포함하는 복수의 탄성부재; 및
    상기 음극활물질층 및 상기 복수의 탄성부재를 덮는 음극 집전체;를 구비한 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 탄성부재는 styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), EPDM rubber, silicone rubber, alkyl acrylate copolymer (ACM), styrene-butadiene copolymer (SBS), styrene-ethylene-butadiene-styrene copolymer (SEBS), polymethylsilane rubber, butyl acrylate copolymer를 구비하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 탄성부재는 도전제(conductiong agent)를 구비하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도전제는 카본 블랙 또는 탄소나노튜브인 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극활물질층은 리튬 메탈, 실리콘, 주석, 알루미늄, 게르마늄을 구비하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 양극활물질층은:
    상기 양극집전체와 마주보는 면에 형성된 복수의 제4 트렌치; 및
    상기 복수의 제4 트렌치를 채운 복수의 제2 탄성부재;를 더 구비하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 트렌치와 상기 복수의 제4 트렌치는 평면도상으로 볼 때 서로 교번적으로 평행하게 형성되는 구비하는 이차전지.
  8. 양극 집전체;
    상기 양극 집전체에 실질적으로 수직으로 배치된 복수의 양극활물질 플레이트;
    상기 양극 집전체 상에서 상기 복수의 양극활물질 플레이트를 덮는 전해질층;
    인접한 상기 양극활물질 플레이트 사이에서 상기 전해질층을 덮으며, 복수의 제1 트렌치를 형성하는 복수의 음극활물질층;
    상기 복수의 제1 트렌치를 채우며, 적어도 하나의 폴리머 또는 고무를 포함하는 복수의 탄성부재; 및
    상기 복수의 음극활물질층 및 상기 복수의 탄성부재를 덮는 음극 집전체;를 구비하며,
    상기 양극활물질 플레이트는,
    상기 양극집전체와 마주보는 면에 형성된 복수의 제2 트렌치 및 상기 복수의 제2 트렌치를 채운 복수의 제2 탄성부재를 구비하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 탄성부재는 styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), EPDM rubber, silicone rubber, alkyl acrylate copolymer (ACM), styrene-butadiene copolymer (SBS), styrene-ethylene-butadiene-styrene copolymer (SEBS), polymethylsilane rubber, butyl acrylate copolymer를 구비하는 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 탄성부재는 도전제(conductiong agent)를 구비하는 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도전제는 카본 블랙 또는 탄소나노튜브인 이차전지.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 음극활물질층은 리튬 메탈, 실리콘, 주석, 알루미늄, 게르마늄을 구비하는 이차전지.
  13. 삭제
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 트렌치와 상기 복수의 제2 트렌치는 평면도상으로 볼 때 서로 교번적으로 평행하게 형성되는 구비하는 이차전지.
  15. 양극 집전체를 준비하는 단계;
    상기 양극 집전체 상에 양극활물질층을 형성하는 단계;
    상기 양극활물질층에 복수의 제1 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 양극활물질층 상으로 상기 제1 트렌치를 순차적으로 도포하는 전해질층 및 음극활물질층을 형성하며, 상기 전해질층은 상기 복수의 제1 트렌치에 대응되는 복수의 제2 트렌치를 형성하며, 상기 음극활물질층에는 상기 복수의 제2 트렌치에 대응되는 복수의 제3 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 복수의 제3 트렌치에 적어도 하나의 폴리머 또는 고무를 포함하는 탄성부재를 채우는 단계; 및
    상기 음극활물질층 상으로 상기 탄성부재를 덮는 음극 집전체를 형성하는 단계;를 구비하는 이차전지 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 탄성부재를 채우는 단계는:
    상기 복수의 제3 트렌치에 단량체를 채우는 단계; 및
    상기 단량체를 폴리머화하는 단계를 구비하는 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 단량체를 채우는 단계는 상기 단량체에 개시제, 촉매, 래디컬 중 적어도 하나를 첨가하는 단계를 더 구비하는 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 단량체를 채우는 단계는 상기 단량체에 도전제를 첨가하는 단계를 더 구비하는 제조방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 탄성부재는 styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), EPDM rubber, silicone rubber, alkyl acrylate copolymer (ACM), styrene-butadiene copolymer (SBS), styrene-ethylene-butadiene-styrene copolymer (SEBS), polymethylsilane rubber, butyl acrylate copolymer를 구비하는 제조방법
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 음극활물질층은 리튬 메탈, 실리콘, 주석, 알루미늄, 게르마늄을 구비하는 제조방법.
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