KR20110100114A - 배터리와 전극 및 활물질미세입자 - Google Patents

배터리와 전극 및 활물질미세입자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리와 그 구성부품 및 소재에 관한 발명으로서, 구체적으로는 배터리의 수명을 연장해 주고, 전지용량을 증대시키며, 빠른 충전과 방전을 가능케 하며, 집전체의 부피점유율을 최소화하거나 생략할 수 있도록 하여 경박단소화가 가능하며, 박막형으로 제조가 가능하고, 배터리의 활물질 선택범위를 넓혀 주는 동시에 고저항 활물질들도 사용가능케하며, 안전성을 보장하며, 순간 출력을 최대화하여 고출력 배터리를 제공해 주는 발명이다.

Description

배터리와 전극 및 활물질미세입자{battery and electrode and active particle}
본 발명은 배터리 및 배터리의 구성요소인 배터리전극과 활물질미세입자에 관한 것이다. 특별히 이차전지, 그 중에서도 현존하는 기술에 의존하는 배터리의 문제점들을 확실하게 해결해 줄 수 있는 기술에 관한 것이다
지구온난화의 진행이 가속화되고 이에 따른 기온변화 등의 우려가 날로 심각해지고 있으며, 세계적으로 녹색 에너지 사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 기존에는 핸드폰이나 노트북 등의 모바일 제품에 제한적으로 사용되어 오던 이차전지의 사용이 자동차를 비롯하여 매우 다양한 분야의 전원공급장치로 사용되기 시작하며, 그 용도를 넓혀가고 있다. 현시점에서 가장 널리 사용되고 있으며 미래의 배터리의 주류로 떠오르고 있는 이차전지는 리튬이차전지이다. 출시되고 있는 리튬이차전지의 대부분은 현재 음극으로는 탄소재를 사용하고 양극으로는 리튬화합물을 사용하는 양태가 주류를 이루고 있다. 물론 그 외에도 이론적으로는 리튬이차전지는 매우 다양한 양태의 음극과 양극을 구성할 수 있으며, 이러한 제품들은 제한적인 용도로 출시되어 사용되고 있다. 그러나 이러한 이차전지들은 하기한 바와 같이 적지 않은 문제점들을 갖고 있기 때문에 기술적으로 많은 과제를 제시하고 있다.
현재 출시되어 있는 배터리들이 안고 있는 기술적 과제들은 몇가지로 요약될 수 있는데, 그 것은 배터리의 수명을 연장해 주거나, 전지용량을 증대시키거나, 빠른 충전과 방전을 가능케 하거나, 집전체의 부피점유율을 최소화하거나 생략할 수 있도록 하여 경박단소화가 가능하거나, 박막형으로 제조가 가능하거나, 배터리의 활물질 선택범위를 넓혀 주는 동시에 고저항 활물질들도 사용가능케하거나, 안전성을 보장하거나, 순간 출력을 최대화하여 고출력 배터리를 제공해 주거나 또는 상기 과제들 중에서 둘 이상의 과제를 해결해 주는 배터리와 배터리전극 및 배터리전극 구성요소인 활물질미세입자를 제공하는 것이다.
배터리전극으로는 음전극과 양극을 이루는 전극에 모두 사용될 수 있는 발명이다. 대표적인 해결책으로서 음극활물질의 수축 팽창에 의한 균열 및 이탈 현상에 완벽하게 대응하며, 양극활물질에 있어서는 활물질의 선택영역을 넓혀 주어 전기저항이 큰 물질까지도 문제 없이 사용할 수 있게 해 줄 뿐 아니라 미세한 공극 채널을 형성하며 순간 방출전력을 높여주고 집전효율을 향상시켜 주는 등의 장점들을 들 수 있지만 이 외에도 하기한 설명에서 다루어지는 매우 다양한 장점들을 제공해 준다.
이를 위해 본 발명의 첫 번째 양태와 같이 적어도 일 종 이상의 활물질재 및/또는 일 종 이상의 도전재를 구성재료로 포함하여 이루어지는 배터리전극에 있어서, 상기 도전재 및/또는 활물질재는 한 층 이상의 박막층을 포함하여 구성된 것이며, 상기 박막층은 박막형성용 기재를 준비하는 단계와 상기 기재에 한 층 이상의 박막을 형성하는 단계와 상기 박막층을 일회 이상 분쇄 또는 절단하는 단계를 포함하는 공정을 거쳐서 만들어진 것임을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다.
상기와 같이 구성되는 배터리전극은 부피팽창에 대응하는 보다 바람직한 양태로서 내부에 보다 적정한 수준의 미세공간을 구비하는 전극으로 제조하기 위해 본 발명의 또 다른 양태를 따라서 상기 박막형성용 기재의 표면 일부분 이상은 지정된 형상의 미세요철부를 갖는 것이며 상기 박막층은 상기 미세요철부의 일부분 이상을 포함하는 영역에 형성되어 상기 미세요철부의 형상이 임프린트된 것임을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다.
리튬이차전지에 사용되는 음극재료로서 활물질을 탄소보다 용량이 훨씬 큰 실리콘이나 주석과 같은 물질로 사용할 경우에는 상기 물질들은 리튬과 반응하면서 부피가 심하게 팽창하게 되는데, 이러한 현상은 리튬이차전지의 활물질을 보다 큰 용량의 물질인 실리콘이나 주석으로 대치하여 중량당(또는 부피당) 대용량의 전력을 제공하는 배터리를 제공하는데에 어려운 걸림돌이 되고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 양극의 재료를 선택함에 있어서도 기존의 방식에 의해 제조되는 구조로는 그 선택폭이 매우 제한적이며, 보다 안전하고 경제적이며 사용이 편리하고 고출력인 배터리의 개발이 어려운 실정이다. 이러한 문제와 함께 본 발명의 목적을 모두 해결할 수 있도록 하기 위한 기초적인 양태로서 상기와 같이 박막형성용 기재의 표면 일부분 이상에 지정된 형상의 미세요철부를 형성하고, 상기 미세요철부를 포함하는 기재의 표면에 한 층 이상의 박막층을 형성한 후에 이를 배터리전극의 소재로 사용하여 배터리전극을 제조하면 매우 다양한 상기 과제들을 일거에 해결할 수 있는 것이다.
본 발명에 사용되는 박막형성용 기재는 매우 다양한 물질의 기재가 사용될 수 있으며, 본 발명의 배터리전극이나 활물질미세입자 또는 그 소재를 제공하는 공정에 문제를 야기하지 않는 물질이면 제한을 두지 않고 어떠한 양태의 물질도 사용할 수 있다. 더 나아가 가열방법에 의해 증발시킬 수 있는 물질, 가열방법에 의해 탄소화시킬 수 있는 물질, 가열방법에 의해 융해되는 물질, 용제에 의해 용해되는 물질, 에칭액에 의해 에칭되는 물질 등 상기 박막층과 기재를 분리시키기에 용이한 물질이거나, 또는 상기 박막층의 표면에 탄소화된 물질층을 남길 수 있는 물질층, 또는 리튬의 투과나 확산이 가능한 물질층을 남길 수 있는 물질이면 바람직하다.
상기 미세요철부는 음각 및/또는 양각일 수 있다. 이는 특별히 활물질이 팽창되는 물질일 경우에 활물질의 부피 팽창과 수축에 잘 대응하는 구조를 갖는 양태로 마련하는 것이 바람직하지만 이로서 제한되는 것은 아니다. 일 예로서 미크론 또는 나노메타 규모의 미세한 원통형상이거나 원뿔형상 또는 그루브(groove)형상 등 제한적이지는 않지만 미세공간의 적정한 형성과 활물질의 부피팽창수축에 잘 대응하는 구조로 마련하는 것이 좋다. 바람직하기로는 활물질을 내부에 두고 겉표면을 감싸는 양태로 도전재가 구비되는 구조의 활물질미세입자를 제공할 수 있도록 배려한 형상으로 구성될 수 있다.
상기 박막층을 기재와 함께 나노메타 또는 미크론 규모의 미세입자로 분쇄하기 위해서는 매우 복잡하고 까다로운 공정을 거쳐야만 한다. 그러나 상기 기재로부터 분리된 매우 얇은 박막 자체를 분쇄한다면 예를 들어 워터제트(water jet) 또는 에어제트(air jet)와 같은 매우 간단한 공정에 의해 나노메타 규모로 분쇄된 미세입자를 수득할 수 있게 된다. 이와 같은 미세입자를 이용하여 배터리전극을 제조하기 위해 본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 분쇄 또는 절단하는 공정은 상기 박막층을 상기 기재로부터 분리한 후에 실행되는 것임을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다.
상기 박막층을 상기 박막형성용 기재와 분리하지 않고 기재의 일부분 이상을 함께 구비하는 상기 박막층을 포함하여 제조되는 배터리전극도 실현될 수 있다. 단지 이러한 양태의 경우에는 몇가지 중요한 요건을 충족하여야 한다. 먼저 상기 기재의 크기는 적어도 미크론 규모 이하라야 한다. 이는 분쇄 공정을 생략하거나 최소화하기 위함이다. 다음으로는 기재 위에 형성된 박막층의 최외표면 중에 적어도 일부분은 도전층이고 비활성물질인 것이 바람직하다. 이를 위한 일 실시예로서 상기 비활성물질의 도전층은 최종적으로 코팅될 수 있다. 최종적으로 코팅될 경우 상기 기재의 외표면을 모두 피복하는 형태로 코팅될 가능성이 높다. 따라서 상기 최종 코팅 공정을 마친 후에는 일 회 이상 상기 박막층을 절단 또는 파괴하는 단계를 거쳐야 한다. 상기 절단 또는 파괴공정으로서 여러가지 다양한 방법이 선택될 수 있지만 상기 기재가 상기 박막층으로 코팅된 상태에서 상기 기재를 일 회 이상 절단 또는 분쇄하는 방법에 의해 제조되는 배터리전극이 제공될 수 있다.
이 경우에는 상기 기재자체가 활물질을 포함하는 것이거나, 또는 상기 기재와 상기 비활물질의 도전박막층 사이에 활물질박막층을 형성함으로써 본 발명의 배터리전극과 이를 위한 활물질미세입자를 제공할 수 있다. 이를 위해 본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 분쇄 또는 절단하는 공정은 상기 기재와 함께 절단하는 방법인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자와 상기 활물질미세입자를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라서 상기 박막층은 활물질재와 도전재를 함께 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 배터리용 활물질미세입자에 있어서, 상기 활물질미세입자는 적어도 박막형성용 기재를 준비하는 단계와, 상기 기재 위에 한 종류 이상의 활물질재 및/또는 한 종류 이상의 비활물질재로 구성된 한 층 이상의 박막층을 형성하는 단계와, 상기 박막층을 상기 기재로부터 분리하는 단계와, 지정된 크기로 일회 이상 분쇄하는 단계를 거쳐서 수득된 것이며, 상기 분쇄하는 단계는 적어도 상기 박막층을 상기 기재로부터 분리한 후에 실시되는 것이고, 상기 박막층은 적어도 한 층 이상의 도전층을 포함하며, 상기 도전층의 적어도 일부분은 상기 활물질미세입자 표면에 노출되는 구조임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 상기 도전층은 활물질미세입자 표면에 노출되지 않더라도 배터리 활물질로 사용이 가능하지만 충전시간을 단축하고 방출출력을 높이기 위해서는 상기 도전층이 노출되는 것과 같이 활물질재도 표면 중 일부분 이상에 노출되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 활물질미세입자는 활물질재와 비활물질재를 함께 포함하는 것이고, 상기 활물질재 중의 하나 이상과 상기 비활물질재 중의 하나 이상이 모두 박막형성법에 의해 성막된 박막층인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 상기 비활물질재는 도전재인 것이 바람직하지만 제한적인 사양은 아니다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 활물질미세입자는 일종 이상의 활물질재와 함께 일종 이상의 비활물질재를 포함하는 것이며, 상기 활물질이 상기 기재와 분리될 때에 상기 활물질의 적어도 일면에는 상기 비활물질재가 구비된 상태로 함께 분리된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 더욱 바람직하게는 두 종류의 물질이 모두 박막층인 것이 좋지만 제한적인 사항은 아니다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 비활물질의 적어도 일부분 또는 모두가 제거되어 활물질 포함비율이 높아진 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 상기 비활물질의 모두가 제공될 경우에는 활물질 자체가 도전성을 갖는 물질이거나 또는 배터리 전극을 제조할 때에 별도의 도전재를 결합재와 혼합하여 제조하게 된다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 활물질미세입자는 적어도 어느 일부분에 빈 공간을 구비한 구조로 형성된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 여기서 상기 빈 공간은 활물질재가 충전과 방전 시에 수축 팽창을 반복하게 되는데 이 때에 활물질의 깨짐현상과 이탈현상을 방지하기 위한 구조적인 배려이다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 활물질미세입자는 섬유형상 또는 플레이크(FLAKE)형상의 전구체로부터 일 회 이상 절단된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 이러한 양태의 활물질 미세입자를 제조할 때에는 기재(또는 분리층)으로부터 상기 박막층을 분리한 후에 분쇄 또는 절단하는 방법 외에도 상기 기재와 함께 절단하거나 분쇄하는 방법을 사용할 수도 있는 것이다. 이를 위해서 분쇄 또는 절단 공정을 용이하게 하기 위해 상기 기재는 인장강도가 상기 박막층의 그 것보다 약한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 도전박막층은 배터리전극 제조 시에 소결용 박막층으로 사용되는 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 이와 같이 상기 도전박막층을 소결용 박막층으로 사용하여 배터리전극을 제조하면 기존의 기술에서 필수적으로 사용하는 결착제를 생략할 수도 있다. 이 경우 각 활물질미세입자 표면에 형성된 금속박막층과 금속박막층이 직접 결합하는 상태가 되므로 기존기술의 결착제를 사용할 때의 배터리전극 보다 더 집전효율이 우수한 배터리전극을 제공할 수 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 박막층은 상기 미세입자활물질의 양쪽 표면에 구비되거나 또는 3차원적으로 둘러싸는 양태로 구비된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 바람직하게는 도1, 도3, 도4에 나타낸 바와 같이 상기 박막층은 3차원적으로 형성되는 것이 좋다. 특히 상기 박막층 중에서도 도전박막층은 미세입자 형태의 활물질을 3차원적으로 둘러 싼 양태로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태와 같이 상기 배터리전극의 표면 중 일부분 이상은 상기 활물질재 이외의 활물질을 추가로 구비하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다. 본 발명에 의해 마련된 활물질미세입자에 의하면 반복되는 충방전에 의해서 이탈되는 활물질재의 량을 최소화할 수 있지만 더욱 강화된 이탈방지를 위해 적어도 배터리전극에 포함되고 전해질과 접촉되는 활물질재의 표면에 추가의 피복층을 부여하는 방법이 제안된다. 일 예로 탄소를 포함하는 물질을 상기 활물질재의 표면에 도포한 후에 이를 탄화시킴으로써 탄소피복층을 제공하는 방법이 그 것이다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 추가로 구비된 활물질은 탄소를 포함하는 물질을 액상법 및/또는 액상법 후 가열법 등에 의해 상기 배터리전극의 활물질미세입자 표면에 한 층 이상의 피복층을 형성하여서 이루어진 것임을 특징으로 하는 배터리전극이 제공된다. 상기 배터리 전극은 매우 미세하고 많은 기공들을 포함하고 있기 때문에 건식박막 형성법으로도 가능하지만 액상 방법이 더욱 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 활물질은 실리콘과 주석, 리튬, 탄소, 코발트, 철, 인, 황, 망간, 산소, 불소, 질소로 이뤄지는 그룹 중에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 물질임을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다. 배터리의 활물질로서 사용이 가능한 것이면 어느 것이든 제한 없이 사용이 가능하지만 상기 물질들을 포함하는 것들 중에 원하는 배터리의 성능이나 특성에 맞추어 선택할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 활물질박막층 및/또는 도전재박막층의 두께는 0.1나노메타 이상 50미크론 이하인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라 적어도 일종 이상의 활물질과 일종 이상의 비활물질을 동시에 포함하여 이루어지는 활물질미세입자에 있어서, 상기 활물질과 비활물질 중 적어도 하나는 박막형성법에 의해 형성된 한층 이상의 도전박막층을 포함하고, 상기 도전박막층의 적어도 일부분은 활물질미세입자의 최외표면에 노출되는 양태로 구비된 것이고, 상기 최외표면에 노출된 도전박막층의 두께는 0.1나노메타 이상 50미크론 이하인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자가 제공된다.
상기 도전재는 두께가 0.1나노메타 이하로 너무 얇을 경우 집전효율이 지나치게 나빠지며 두께가 50미크론 이상으로 너무 두꺼우면 부피점유율이 너무 높아 공간을 허비하게 된다. 뿐만 아니라 박막자체의 강도가 두께증가 만큼 강해져서 활물질의 수축 팽창에 따라 대응하기에 불리한 상태가 된다. 상기 활물질층의 두께가 0.1나노메타 이하로 지나치게 얇게 형성되면 동일한 용량의 두꺼운 활물질을 포함하는 배터리전극에 비하여 전해질에 노출되는 비표면적이 지나치게 늘어나서 수명에 영향을 줄 뿐만 아니라 생산단가가 지나치게 상승하게 된다. 또한 활물질층의 두께가 50미크론 이상으로 지나치게 두꺼워지면 수축 팽창에 따른 균열현상과 이탈현상이 심해지기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명의 또 다른 양태를 따라 상기 배터리전극과 활물질 및 도전재 중에서 하나 이상을 포함하여 제조됨을 특징으로 하는 배터리가 제공된다.
상기 활물질미세입자는 입자 전체가 도전재일 수도 있으며, 상기 박막층을 일회 이상 분쇄 또는 절단하는 단계에서 미세입자크기에 따라 분류하는 단계 및/또는 추가의 공정을 실시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미세입자는 한층 이상의 도전박막층을 포함하는 것이 바람직하고 상기 도전박막층의 두께는 0.1나노메타 이상 50미크론 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 고유한 전극용 미세입자의 특성으로 말미암아 배터리의 수명을 연장해 주고, 전지용량을 증대시키며, 빠른 충전과 방전을 가능케 하며, 집전체의 부피점유율을 최소화하거나 생략할 수 있도록 하여 경박단소화가 가능하며, 박막형으로 제조가 가능하고, 배터리의 활물질 선택범위를 넓혀 주는 동시에 고저항 활물질들도 사용가능케하며, 안전성을 보장하며, 순간 출력을 최대화하여 고출력 배터리를 제공해 주는 효과가 있다.
도1; 본 발명에 따른 활물질미세입자 단면의 일 실시예
도2; 도1에 예시된 활물질미세입자들을 포함하여 이루어지는 배터리전극(도면에는 각 미세입자들의 배열축이 정열되어 있으나 실제로는 매우 불규칙하게 배열되고 미세한 틈을 형성하며 박막층끼리 서로 접촉하게 됨)
도3; (가)지정된 형상의 요철부가 형성된 박막형성용 기재의 평면도 (나); (가)의 단면도 (다); (나)의 미세요철이 다른 형상으로 구비된 기재의 단면도 (라); (다)의 기재 위에 두 층의 박막층이 형성된 그림 (마); (라)의 것에서 기재를 제거한 그림 (바); (마)의 것을 일회 이상 분쇄한 것
도4; (가); 박막형성법에 의해 형성된 활물질 5와 도전박막층3을 포함하여 이루어지는 활물질미세입자 (나);비박막형성법에 의해 형성된 활물질 7과 도전박막층3을 포함하여 이루어지는 활물질미세입자
본 발명의 활물질을 제조하기 위하여 박막형성용 기재를 준비하였다. 기재는 박막이 형성될 수 있는 물질이면 제한을 둘 필요가 없으나 본 실시예에서는 12미크론의 pet 필름 표면에 분리층으로서 열가소성 수지층이 형성된 필름을 준비하고 상기 분리층 위에 물리적증착방법에 의해 도전재층으로서 동(Cu)박막을 형성한 후에 상기 동박막층 위에 실리콘(Si)을 포함하는 활물질층을 추가로 형성하였다. 상기에서 박막형성 방법과 순서는 구지 제한할 필요는 없으며, 본 발명의 목적을 실현할 수 있는 방법이라면 선택적으로 사용할 수 있다. 상기 동박막층의 두께는 본 발명의 청구범위 내(즉 0.1나노메타 이상 50미크론 이하)에서 변화가 가능하지만 본 실시예에서는 평균 100나노메타 두께로 하였다. 물론 제공하고자 하는 배터리의 특성에 따라 상기 도전재층의 두께를 가감할 수 있다. 상기 실리콘계 활물질층은 두께 역시 본 발명의 청구범위 내에서 변화가 가능하지만 본 실시예에서는 평균 1미크론 두께로 하였다. 상기 분리층은 도3의 (나) 및/또는 (다)에서와 같이 미세 요철부가 임프린트되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 임프린트된 미세요철부를 형성하는 이유는 도 1에서와 같이 도전재층이 활물질층을 감싸고 있거나 활물질층이 도전재층을 감싸고 있는 구조로 제조함으로써 상기 두 물질층이 서로 간의 밀착력을 유지하도록 하는 동시에 도전재로부터 활물질층이 탈착되어 배터리의 성능이 저하되는 문제를 예방하기 위한 구조적인 배려이다. 어떤 층이 외부표면으로 드러나는 형태라도 가능하지만 집전효율을 향상시키기 위하여 도전재층이 외부표면으로 드러나는 형태가 더욱 바람직하다. 이와 같이 각 활물질층의 외부표면에 도전재층이 형성되어 있는 경우에는 기존의 배터리 전극 제조방법과 같이 집전체와 결합제를 사용하여 집전체의 표면에 부착된 활물질을 포함하는 양태의 전극을 제조할 수도 있지만 결합제를 전혀 사용하지 않고 각 활물질미세입자들을 소결방법 등에 의하여 전극을 제조하는 방법도 가능하다. 이와 같이 소결방법 등에 의해 전극을 제조할 경우에는 상기 도전재층의 두께를 조절하여 기존 기술에서 필수 요소로 사용되는 금속집전체(101)를 생략한 상태로 제조할 수도 있다. 이러한 금속집전체가 생략된 배터리전극은 금속집전체(101) 만큼의 부피를 줄일 수 있게됨으로써 단위 부피당 또는 단위 중량당 전력용량이 큰 배터리를 수득하는 방법이 될 수도 있는 것이다.
상기 미세요철부를 이용하는 이유는 상기 활물질미세입자들을 결합하여 배터리전극으로 제조했을 경우 배터리전극에 미세한 공극들이 형성되게 하기 위함이다. 상기 미세요철부를 지정된 형상으로 조절하여 제조할 경우 목적하는 공극율을 갖고 전해물질을 원하는 속도로 투과시킬 수 있도록 조절할 수도 있다.
또 다른 이유 중의 하나는 상기 미세한 공극들이 전극 물질의 충전과 방전 과정에서 일어나는 활물질의 수축 팽창에 대응하는 여유 공간으로 사용되도록 함으로써 활물질의 파괴나 탈착 현상을 방지하기 위함이다. 이는 곧 싸이클라이프(cycle life)를 연장해 배터리의 수명을 연장해 주는 효과를 제공한다.
상기 동박막층과 실리콘계열의 활물질박막층이 각각 한층씩 형성되면 도3의 (라)와 같이 도전재층과 활물질층이 형성된 복합체가 수득된다. 물론 상기 도전재층과 활물질층은 도면과 같이 단층으로 형성될 수도 있지만 반복되는 다층형태 또는 분리층이 다층으로 개입된 양태로 다양하게 변형된 복합층으로 형성될 수도 있다.
도3의 (라)와 같이 형성된 박막층을 도3의 (마)와 같이 기재 및/또는 분리층으로부터 분리하여 박막층(들) 단독의 형태로 수득한다. 물론 본 실시예에서 선택한 기재 위에 형성된 분리층 위에 박막층을 형성하는 방법 외에 도3에서와 같이 기재 자체가 분리층의 역할을 하도록 실시할 수도 있다. 상기 기재와 분리층은 열가소성 수지일 수도 있지만 용재 가용성 기재를 사용할 수도 있으며 본 발명의 박막형성 후에 분리 공정이 용이하게 실시될 수 있으면 구지 제한 할 필요는 없는 것이다. 상기 박막은 기재 또는 분리층으로부터 분리된 상태에서는 기계적 강도가 매우 약하고 박막층 자체에 존재하는 스트레스로 인하여 매우 불규칙적으로 깨진 상태로 수득될 수 있지만 이 것을 원하는 크기와 양태로 제공하기 위하여 일 회 이상 분쇄하는 단계를 거쳐서 도3의 (바) 또는 도4와 같이 미세한 입자로 수득되는 활물질미세입자를 실현한다.
상기에서는 활물질층이 박막형성법에 의해 형성되는 방법을 설명했지만 이 방법으로 제한할 필요는 없다. 즉 기재(또는 분리층) 위에 도전재층을 형성한 후에 비박막형성법에 의해 수득된 활물질 미세입자들을 기존의 기술에서와 같이 결합제를 사용하여 상기 도전재층 위에 얇게 도포한 후에 상기 기재로부터 상기 도전재층과 함께 분리하여 일회 이상 분쇄하는 방법으로 활물질미세입자를 수득할 수도 있다. 이러한 제법에 의해 제조된 활물질미세입자는 도4의 (나)에 도시되어 있는 양태로 수득된다. 이러한 양태 역시 각 활물질재의 표면 마다 일정하게 도전재층 3이 구비되어 있기 때문에 집전효율이 향상될 뿐 아니라 본 발명의 목적을 충족하는 배터리 활물질미세입자로 사용될 수 있는 실시예가 된다.
상기의 다양한 양태로 제조된 활물질미세입자를 이용하여 배터리전극을 제조하면 본 발명의 목적을 충족하는 결과가 얻어진다. 상기 활물질미세입자들 중의 바람직한 양태에 따르면 각 입자마다 외부표면에 도전재층이 일정하게 구비되어 있기 때문에 결합재를 생략한 상태로 각 입자들을 결합할 수 있다. 각 미세입자들을 결합하는 방법은 본 실시예에 의하여 제한되지 않는다. 단지 일 예로서 상기 미세입자들은 소결방법에 의해 서로 결합되어 쉬트형상의 배터리전극으로 제조될 수 있다. 물론 소결방법 외에도 결합재를 생략하고 각 미세입자들을 결합할 수 있으나 집전성능이 결합재를 사용할 경우보다 향상되는 방법으로 선택되어야 한다.
도면에서는 기재(또는 분리층) 위에 도전재와 활물질재가 동시에 박막형성법에 의해 형성된 경우를 보이고 있지만 도전재박막층 또는 활물질박막층을 단독으로 형성한 후에 기재로부터 분리하고 이를 분쇄하여 이를 일종 이상 포함하는 배터리전극의 소재로 사용하는 양태도 가능하다. 또 다른 양태로서 상기의 미세 요철부가 형성되지 않은 평면형상의 기재(또는 분리층) 위에 각 박막층을 형성한 후에 이를 분리 분쇄하여 사용하는 방법도 본 발명의 한 실시양태가 될 수 있다. 각 박막층은 물론 수축 팽창에 잘 대응하게 하기 위하여 각 박막층 내에 매우 미세한 기공을 포함하는 박막층으로 제조할 수도 있으며 이는 제조단가와 수득하고자 하는 각 배터리의 특성과 성능에 맞추어 선택적으로 사용할 수 있다. 도3과 도4에서는 상기 박막층들의 분쇄된 양태가 원뿔 형태를 보이고 있지만 도3의 (나)에서 보이는 미세요철부 혹은 원통형태의 미세요철부를 사용하면 박막층들의 분쇄된 양태가 원통형태나 와이어 형태가 될 수 있다. 여기서 도전박막층과 활물질박막층이 두 층 이상으로 형성될 때에는 당연히 동축형태를 갖는 원통 또는 와이어 형태의 활물질미세입자가 수득된다.
1;박막형성용 기재 2;빈공간(또는 탄소재, 다공성소재) 3;활물질박막층 5;도전재박막층 7;미세요철부(도전재박막층 및/또는 활물질박막층의 구조적 안정성을 고려한 형상이 바람직함) 9;또 다른 형상의 미세요철부(도전재박막층 및/또는 활물질박막층의 구조적 안정성을 고려한 형상이 바람직함) 101;추가로 선택하여 사용할 수도 있는 집전체(생략가능) 103;활물질미세입자

Claims (19)

  1. 적어도 일 종 이상의 활물질재 및/또는 일 종 이상의 도전재를 구성재료로 포함하여 이루어지는 배터리전극에 있어서, 상기 도전재 및/또는 활물질재는 한 층 이상의 박막층을 포함하여 구성된 것이며, 상기 박막층은 박막형성용 기재를 준비하는 단계와 상기 기재에 한 층 이상의 박막을 형성하는 단계와 상기 박막층을 일회 이상 분쇄 또는 절단하는 단계를 포함하는 공정을 거쳐서 만들어진 것임을 특징으로 하는 배터리전극
  2. 제1항에서 상기 박막형성용 기재의 표면 일부분 이상은 지정된 형상의 미세요철부를 갖는 것이며 상기 박막층은 상기 미세요철부의 일부분 이상을 포함하는 영역에 형성되어 상기 미세요철부의 형상이 임프린트된 것임을 특징으로 하는 배터리전극
  3. 제1항에서 상기 분쇄 또는 절단하는 공정은 상기 박막층을 상기 기재로부터 분리한 후에 실행되는 것임을 특징으로 하는 배터리전극
  4. 제1항에서 상기 분쇄 또는 절단하는 공정은 상기 기재와 함께 절단하는 방법인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자
  5. 적어도 일종 이상의 활물질과 일종 이상의 비활물질을 동시에 포함하여 이루어지는 활물질미세입자에 있어서, 상기 활물질과 비활물질 중 적어도 하나는 박막형성법에 의해 형성된 한층 이상의 도전박막층을 포함하고, 상기 도전박막층의 적어도 일부분은 활물질미세입자의 최외표면에 노출되는 양태로 구비된 것이고, 상기 최외표면에 노출된 도전박막층의 두께는 0.1나노메타 이상 50미크론 이하인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자
  6. 제 1항에서 상기 박막층은 활물질재와 도전재를 함께 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 배터리전극
  7. 전지용 활물질미세입자에 있어서, 상기 활물질미세입자는 적어도 박막형성용 기재를 준비하는 단계와, 상기 기재 위에 한 종류 이상의 활물질재 및/또는 한 종류 이상의 비활물질재로 구성된 한 층 이상의 박막층을 형성하는 단계와, 상기 박막층을 상기 기재로부터 분리하는 단계와, 지정된 크기로 일회 이상 분쇄하는 단계를 거쳐서 수득된 것이며, 상기 분쇄하는 단계는 적어도 상기 박막층을 상기 기재로부터 분리한 후에 실시되는 것이고, 상기 박막층은 적어도 한 층 이상의 도전층을 포함하며, 상기 도전층의 적어도 일부분은 상기 활물질미세입자 표면에 노출되는 구조임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  8. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 활물질미세입자는 활물질재와 비활물질재를 함께 포함하는 것이고, 상기 활물질재 중의 하나 이상과 상기 비활물질재 중의 하나 이상이 모두 박막형성법에 의해 성막된 박막층인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자
  9. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 활물질미세입자는 일종 이상의 활물질재와 함께 일종 이상의 비활물질재를 포함하는 것이며, 상기 활물질이 상기 기재와 분리될 때에 상기 활물질의 적어도 일면에는 상기 비활물질재가 구비된 상태로 함께 분리된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  10. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 비활물질의 적어도 일부분 또는 모두가 제거되어 활물질 포함비율이 높아진 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  11. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 활물질미세입자는 적어도 어느 일부분에 빈 공간을 구비한 구조로 형성된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  12. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 활물질미세입자는 섬유형상 또는 플레이크(FLAKE)형상의 전구체로부터 일 회 이상 절단된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  13. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 도전박막층은 배터리전극 제조 시에 소결용 박막층으로 사용되는 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  14. 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 박막층은 상기 미세입자활물질의 양쪽 표면에 구비되거나 또는 3차원적으로 둘러싸는 양태로 구비된 것임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  15. 제1항에서 상기 배터리전극의 표면 중 일부분 이상은 상기 활물질미세입자에 포함된 활물질재 이외의 활물질을 추가로 구비하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 배터리전극
  16. 제15항에서 상기 추가로 구비된 활물질은 탄소를 포함하는 물질을 액상법 및/또는 액상법 후 가열법 등에 의해 탄화시킴으로써 상기 배터리전극의 활물질미세입자 표면에 한 층 이상의 탄화된 피복층을 형성하여서 이루어진 것임을 특징으로 하는 배터리전극
  17. 제1항, 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 활물질은 실리콘과 주석, 리튬, 탄소, 코발트, 철, 인, 황, 망간, 산소, 불소, 질소로 이뤄지는 그룹 중에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 물질임을 특징으로 하는 활물질미세입자
  18. 제1항, 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 활물질박막층 및/또는 도전재박막층의 두께는 0.1나노메타 이상 50미크론 이하인 것을 특징으로 하는 활물질미세입자
  19. 제1항, 제4항, 제5항, 제7항에서 상기 배터리전극과 활물질 및 도전재 중에서 하나 이상을 포함하여 제조됨을 특징으로 하는 배터리
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