KR20160047001A - 단일 쉬트형 전지 및 그에 사용되는 전극 어셈블리 - Google Patents

단일 쉬트형 전지 및 그에 사용되는 전극 어셈블리 Download PDF

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Abstract

제조 공정을 단순화하고 설계 유연성을 갖는 전지 구조가 개시된다. 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기재 쉬트와 상기 기재 쉬트의 일면에 형성되는 복수의 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 음극이 상기 기재 쉬트 상에서 교번하여 배치되는 전극 어셈블리; 및 상기 양극 및 음극 사이의 이온 전도를 매개하기 위한 전해질을 포함하는 전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 단일의 쉬트 상에 전지를 구현함으로써 적은 수의 전지 콤포넌트로 간단한 제조 공정을 거쳐 전지의 제조가 가능해진다.

Description

단일 쉬트형 전지 및 그에 사용되는 전극 어셈블리 {Batteries Implemented on Single Sheet And Electrodes Assembly Used Therein}
본 발명은 일차 전지, 이차 전지 또는 캐패시터 등에 적용 가능한 전극 구조 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극과 음극용으로 두 개의 기재를 사용하지 않고서 단일 기재에 구현 가능한 전극 구조에 관한 것이다.
이차전지는 전압이 상대적으로 높은 양극과 전압이 상대적으로 낮은 음극을 기반으로 대향하는 양극판과 음극판의 사이에 전기화학 반응을 하는 이온 종을 포함하는 전해질을 사용하여 전기화학적 충전 및 방전 반응에 의해 전하를 충전하거나 방전하는 장치이다.
이차 전지에서 충전과 방전의 전기화학 반응에 수반하는 전자의 이동은 외부 전선을 통하여 양극판과 음극판으로 제공하거나 혹은 제공받게 된다. 충전시에는 전자 이동 과정의 전압의 차이보다 높은 전압을 인가하며, 방전시에는 보다 낮은 전압의 장치를 연결하여 방전하는 방식으로 작동한다. 이 때, 양극과 음극의 전기적 연결에 의한 전자의 직접적인 흐름을 방지하고 외부 도선으로의 전자 흐름을 유도하기 위하여 전자 부도체이나 이온의 도체인 분리막(분리판, 격막)을 이용한다. 이에 따라, 기본적인 이차 전지는 양극판, 음극판, 전해질, 분리막을 주요 콤포넌트로 구성된다.
한편, 전고체 전지의 경우, 이온 전도성을 갖는 고체 전해질을 이용하는데 고체 전해질은 전자의 전도를 차단하는 분리막의 역할을 동시에 구현할 수 있으므로, 이 때에는 양극, 음극 및 고체전해질이 전지의 콤포넌트가 된다.
종래 이차 전지의 경우, 음극 및 양극이 상이한 기재나 판 상에 형성되어 있다. 이로 인해 양극판과 음극판을 포함하는 전지의 조립공정이 복잡하며 문제점이 있으며, 이것은 전지 설계의 유연성을 제약하여 오고 있다. 특히, 액체 전해질 전지의 경우에는 분리막이 필연적으로 요구되므로 이러한 문제점은 더욱 증폭된다.
KR 10-2014-0106372 A JP 1999-154495 A JP 2013-200975 A
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 단일 쉬트에 양극과 음극을 구성하는 신규한 전지의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제조 공정을 단순화할 수 있는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 분리막의 사용하지 않고서도 사용 가능하며, 향상된 설계 유연성(design flexibility)을 갖는 전지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 전극-고체전해질 계면에서 낮은 접촉 저항을 갖는 전고체 전지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 전지에 사용하기에 적합한 전극 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기재 쉬트와 상기 기재 쉬트의 일면에 형성되는 복수의 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 음극이 상기 기재 쉬트 상에서 교번하여 배치되는 전극 어셈블리; 및 상기 양극 및 음극 사이의 이온 전도를 매개하기 위한 전해질을 포함하는 전지를 제공한다.
본 발명에서 상기 양극 및 음극은 스트립 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 전해질은 고상 전해질, 액상 전해질 또는 액상 및 고상의 복합 전해질 및 고분자를 포함하는 전해질 중에서 선택된 최소한 1종일 수 있다.
본 발명에서 상기 각각의 양극 및 음극은 집전체와 전극층의 적층 구조를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 집전체 및 전극층은 각각 소정의 폭을 가지며, 상기 집전체 및 전극층의 폭은 동일하거나 상이하도록 설계될 수 있다. 또한, 상기 전극층은 소정의 두께를 가지며, 상기 양극과 음극의 두께는 상이하도록 설계될 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 전극층은 활물질, 도전재 및 결합재를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전극층은 고체 전해질 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 기재는 전자 비전도성 절연 기재이거나 이온 전도성 기재일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기재 쉬트와 상기 기재 쉬트의 일면에 형성되며 평행하게 배열되는 양극 및 음극을 포함하는 전극 어셈블리; 및 상기 양극 및 음극 사이의 이온 전도를 매개하기 위한 전해질을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
또한 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 전자 비전도성 절연 기재 쉬트; 및 상기 기재 쉬트의 일면에서 서로 평행하게 형성되는 스트립 형태의 복수의 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극은 상기 기재 쉬트 상의 일면에 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면 본 발명은 이온 전도성 기재 쉬트; 상기 이온 전도성 기재 쉬트의 일면에서 서로 평행하게 형성되는 스트립 형태의 복수의 양극; 상기 이온 전도성 기재 쉬트의 타면에서 서로 평행하게 형성되는 스트립 형태의 복수의 음극; 및 상기 복수의 양극 및 음극은 상기 이온 전도성 기재 쉬트를 개재하여 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 이온 전도성 기재 쉬트; 상기 이온 전도성 기재 쉬트의 일면에서 서로 평행하게 교번 형성되는 양극 및 음극; 상기 이온 전도성 기재 쉬트의 타면에서 서로 평행하게 교번 형성되는 스트립 형태의 양극 및 음극을 포함하고, 상기 이온 전도성 기재 쉬트를 개재하여 동일 극성의 전극이 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명은 이온 전도성 기재 쉬트; 상기 이온 전도성 기재 쉬트의 일면에 형성되는 양극; 상기 이온 전도성 기재 쉬트의 타면에 형성되는 음극을 포함하고, 상기 이온 전도성 기재 쉬트를 개재하여 양극과 음극이 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 단일의 쉬트 상에 전지를 구현함으로써 적은 수의 전지 콤포넌트로 간단한 제조 공정을 거쳐 전지의 제조가 가능해진다.
또한, 본 발명에 따르면 액체 전해질 전지에서 분리막의 사용을 배제할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 디자인 유연성 및 설계 자유도가 높은 전지를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 전극-전해질 계면에서 낮은 접촉 저항을 갖는 전고체 전지의 제조가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전극 어셈블리 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 어셈블리 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 전극 어셈블리(200) 구조를 A-A' 방향으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전지의 제조 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 전지 구조를 B-B' 방향으로 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 전극 어셈블리의 일례를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 액체 전해질을 포함하는 전지의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 전지의 충방전 시간에 따른 전압특성을 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전극 어셈블리 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전극 어셈블리(100)는 기재 쉬트(110)와 상기 기재 쉬트(110) 상에 제1 전극 예컨대 양극(120) 및 제2 전극 예컨대 음극(130)을 포함하고 있다.
도시된 바와 같이, 상기 양극(120)은 양극층(124) 및 양극 집전체(122)를 포함하여 구성되며, 상기 음극(130)은 상기 음극층(134) 및 음극 집전체(132)를 포함하여 구성될 수 있다.
종래의 이차 전지에서 양극 및 음극은 서로 대향하는 판이나 쉬트 상에 배치되며, 일반적으로는 각 전극이 별도의 기재 상에 구현된다. 그러나, 본 발명에서는 상기 양극(120) 및 음극(130)이 상기 기재 쉬트(110)의 동일면 상에 형성된다.
본 발명에서 상기 기재 쉬트(110)는 절연성 물질 구체적으로는 전자 비전도성 물질로 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 기재 쉬트(110)는 PET나 PP 등의 고분자 쉬트나 유리 기판에 의해 구현될 수 있다. 물론, 본 발명은 상기 기재 쉬트(110)는 상기 양극 및 음극을 전기적으로 분리하는 절연 물질인 한 그 재질에 구애되지 않는다. 또한, 본 발명에서 전극의 기재가 쉬트 형상인 것을 예시하였지만, 본 발명의 기재는 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 어셈블리 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전극 어셈블리(200)는 기재 쉬트(210)와 상기 기재 쉬트(210) 상의 양극(220) 및 음극(230)을 포함하고 있다.
도 1에서 설명한 것과 마찬가지로, 상기 양극 및 음극(220, 230)은 상기 기재 쉬트(210)의 동일면에 형성되어 있다.
상기 양극(220)은 양극 집전체(222) 및 상기 집전체 상의 양극층(224)을 포함하여 구성된다. 마찬가지로, 상기 음극(220)은 음극 집전체(232) 및 상기 집전체 상의 음극층(234)을 포함하여 구성되어 있다. 본 발명에서 상기 기재 쉬트(210) 상에서 양극 및 음극은 상호 간에 전기적으로 분리되어 있다.
본 발명에서 상기 양극 및 음극 집전체(222, 232)는 집전체 몸체(222A, 232A)와 상기 몸체(222A, 232A)로부터 분기되는 복수의 스트립(222B, 232B)을 포함하고 있다. 예시적으로, 분기된 집전체 스트립들(222B, 232B)은 서로 평행하게 배열되어 있다.
또한, 상기 집전체 스트립들(222B, 232B)에 대응하여 상기 집전체 스트립 상에는 양극층 및 음극층(224, 234)이 배치되어 있다.
도 3은 도 2의 전극 어셈블리(200) 구조를 A-A' 방향으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 기재 쉬트(210) 상에 복수의 양극(220) 및 음극(230)이 교번하여 배열되어 있다.
본 발명에서 상기 양극(220) 및 음극(230)은 각각 소정의 폭을 갖는다. 본 명세서에서는, 경우에 따라 상기 양극 및 음극의 폭(wc, wa)이 양극층(224) 및 음극층(234)의 폭의 의미하도록 사용될 수도 있다.
도면에서, 상기 양극(220)의 폭은 wc로 제2 전극 구조체의 폭은 wa로 도시되어 있다. 본 발명에서 상기 양극(220)의 폭(wc)과 음극의 폭(wa)은 동일하거나 상이할 수 있다. 예컨대, 상기 양극의 폭(wc)이 상기 음극의 폭(wa)보다 크거나 그 반대도 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 전극 및 전극 구조체의 폭은 요구되는 전지의 용량, 요구되는 활물질의 양 및/또는 전극의 상대적 성능 등을 고려하여 설계될 수 있다. 예컨대, 보다 많은 양의 활물질의 요구되는 경우 해당 전극은 보다 큰 폭을 갖도록 설계될 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 기재 쉬트(210)의 가장자리(edge)에 배치되는 전극 구조체의 폭(예컨대 wa')과 기재 쉬트의 나머지 부분의 대응 전극 구조체의 폭(예컨대 wa)과 달라질 수 있다. 즉, 기재 쉬트(210) 중앙부의 전극 스트립의 좌우에는 대응하는 상대 전극이 배치되어 있지만, 가장자리의 전극 스트립은 일측에는 대응하는 상대 전극이 존재하지 않게 된다. 따라서, 예컨대 모서리 부분의 음극 스트립의 폭(wa')은 중앙부 음극 스트립의 폭(wa)가 상이한 폭을 가지도록 설계될 수 있다. 예를 들어 가장자리 스트립은 전극 스트립은 중앙부의 전극 스트립 보다 작은 폭을 갖도록 설계될 수 있다.
또, 본 발명에서 상기 양극(220)과 음극(230) 사이의 간격(d)는 적절히 설계될 수 있으며 전극간의 단락이 발생하지 않도록 한 작은 값을 갖도록 설계되는 것이 바람직하다.
상세히 설명하지는 않았지만, 상기 양극 및 음극의 두께 또한 전지 효율, 전극의 상대적 성능 및/또는 요구되는 활물질의 양 등을 고려하여 적절히 설계될 수 있음은 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.
또한 본 발명에서, 상기 기재 쉬트 상에서 제1 전극 집전체와 제2 전극 집전체의 간격은 단락(short)이 일어나지 않는 범위에서 가능한 좁게 하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전지의 제조 과정을 개략적으로 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하면 기재 쉬트(210) 상에 양극 집전체(222) 및 음극 집전체(232)가 형성된다.
전술한 바와 같이, 상기 기재 쉬트(210)는 전자 비전도성인 재질로 구현될 수 있다. 또한, 상기 쉬트는 바람직하게는 유연성을 갖는 쉬트일 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 상기 집전체는 집전체 몸체(222A, 232A) 및 상기 몸체로부터 분기되는 복수의 집전체 스트립(222B, 232B)을 포함하여 구성되어 있다.
본 발명에서 상기 집전체(222, 232)는 이차 전지의 양극과 음극에 적합한 소재로 구성될 수 있으며, 금속 소재, 분말 페이스트, 탄소 페이스트, 나노분말 페이스트, 나노탄소 페이스트를 이용하여 형성할 수 있다. 상기 집전체(222, 232)는 전자 전도 특성을 나타내고 해당 전지의 전기화학반응에 대하여 부식되지 않는 소재로 구성되며, 전지 집전체로서의 기본적인 요건을 만족한다. 또한, 본 발명에서 상기 집전체는 공지의 방법을 사용하여 기재 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 스크린 프린팅, 리버스-롤 도포법, 증착법, 스프레이분사법, 정전기적스프레이분사법 등 다양한 방법이 집전체의 형성에 사용될 수 있다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 양극 집전체(222) 상에는 양극층(224)이 형성된다. 상기 양극(224)은 양극 활물질, 결합재 및 활물질 입자간의 전자 전도성을 향상하기 위한 도전재를 포함할 수 있다. 또한, 부가적으로 양극은 고체 전해질을 함유할 수도 있다.
상기 양극층(224)은 집전체의 폭과 동일한 폭으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 인접하는 음극 집전체(232) 또는 전극 스트립(232B)과 단락되지 않는 한 상기 집전체의 폭보다 소폭 크거나 작아도 무방하다.
도 5는 양극층(224)이 양극 집전체 스트립(222B) 상에 형성되는 경우를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 상기 양극층(224)은 집전체 몸체(222A)로까지 연장될 수도 있다.
이와 같이, 양극층을 집전체 영역으로 확장함에 따라 활물질의 사용량(loading quantity)을 증대시킬 수 있다. 본 발명에서, 양극층의 두께는 주어진 체적이나 중량 범위에서 전극활물질의 사용량과 전지의 에너지밀도를 고려하여 적절히 설계할 수 있다. 다만, 상기 양극층의 두께가 너무 두꺼우면 집전체로부터의 전자전도 저항이 증가하여 출력밀도가 낮아지고, 이로 인하여 충전시간이 길어지고 고속방전(고율방전) 특성이 낮아질 수도 있다.
본 발명에서 양극층은 공지의 방법으로 형성될 수 있다. 예컨대, 스크린프린팅, 리버스-롤 도포법, 증착법, 스프레이분사법, 정전기적 스프레이분사법 등 다양한 방법이 전극의 형성에 사용될 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 음극 집전체(232) 상에 음극층(234)이 형성된다. 본 발명에서 음극층(234)은 음극 활물질, 결합재 및 활물질 입자 간의 전자 전도성을 향상하기 위한 도전재를 포함할 수 있고, 부가적으로 고체 전해질을 함유할 수도 있다.
또한, 음극의 폭, 두께는 양극과 관련하여 설명한 것과 동일한 고려 사항 하에서 적절히 설계될 수 있다. 또한, 상기 음극은 전술한 스크린 프린팅, 리버스-롤 도포법, 증착법, 스프레이분사법, 정전기적 스프레이분사법 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
이상 양극 및 음극을 순차 형성하는 방법을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 적절한 도포 방법을 사용하여 양극 및 음극을 하나의 공정 내에서 형성할 수도 있음은 물론이다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이 양극 및 음극이 형성된 기재 쉬트 상에 전해질(400)이 제공된다. 본 발명에서 상기 전해질로는 이온 전도성을 갖는 여하한 물질이 사용될 수 있다. 예컨대 통상의 액체 전해질, 고체 전해질 또는 양자를 모두 포함하는 복합 전해질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 전해질은 다공성 지지체와 상기 다공성 지지체에 함침된 전해액을 포함하는 구조로 구성될 수도 있다.
본 발명에서 상기 전해질은 다양한 방식으로 제공될 수 있다. 예컨대, 고체 전해질의 경우, 스크린 프린팅, 리버스-롤 도포법, 증착법, 스프레이분사법, 정전기적 스프레이분사법 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 액체 전해질의 경우 전해액의 함침 및 주입 등의 방법이 사용될 수 있으며, 용기 등을 사용하여 전극 어셈블리를 삽입한 후 전해액을 주입, 밀봉하여 제조할 수 있다.
도 8은 도 7의 전지 구조를 B-B' 방향으로 절단하여 나타낸 단면도이다. 도면을 참조하면, 기재 쉬트(210) 상에 집전체 및 전극(양극, 음극)이 적층된 구조를 갖고 있다. 상기 전극(224, 234) 상에는 액상 또는 고상의 전해질(400)이 접촉하고 있다. 본 발명에 따르면, 고체 전해질의 경우에도 도포 등의 방법으로 상기 전극 스트립(224. 234) 상에 직접 형성되므로 전극과의 계면 접촉 특성이 향상되고 접촉 저항이 감소할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 전극 어셈블리는 하나의 쉬트 상에 구현 가능하다. 이에 따라, 다른 전극판과의 합착이나 조립에 구애받지 않으므로, 전지의 제조 공정이 단순해지며, 전지의 설계 유연성이 향상될 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 전극 어셈블리의 일례를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 기재 쉬트(340) 상의 양 면에 각각 양극(320) 및 음극(330)이 형성되어 있다. 따로 도시하지는 않았지만, 각 면에 형성된 전극(320 또는 330)은 도 2를 참조하여 설명한 것과 같은 스트립 구조로 구현될 수 있다.
도시된 바와 같이, 양극(320)은 상기 기재 쉬트의 일면에 형성되며 양극 집전체(322) 및 양극층(324)으로 이루어진 적층 구조를 가지며, 음극(330)은 상기 기재 쉬트의 타면에 형성되며 음극 집전체(332) 및 음극층(334)의 적층 구조를 가진다.
도 2와 관련하여 설명한 것과 달리, 본 실시예에서 상기 기재 쉬트(340)는 이온 전도성 물질을 포함하여 구성된다. 상기 기재 쉬트(340)는 바람직하게는 다공성 이온 전도성 물질인 것이 좋다. 이와 같이, 기재 쉬트(340)가 이온 전도성의 고체 전해질을 포함하여 구성되는 경우 기재 쉬트를 중심으로 양 면에 각각 양극과 음극을 구현하는 바이폴라 형태의 전극 구성이 가능해지게 된다
또한, 이와 달리 기재 쉬트(340)의 양면에 각각 양극 및 음극을 교번 형성하되, 동일 극성의 전극이 서로 대향하도록 구성될 수도 있다.
이상 설명한 본 발명의 실시예에 따른 전지는 전지의 용량조화 특성이 우수하여 전지의 열화에 대하여 보다 더 안정한 특징을 가진다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 액체 전해질을 포함하는 전지의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)는 종래의 전지 배치 구조를 나타낸다. 도 11의 (a)를 참조하면, 종래의 전지에서는 파우치와 같은 용기(50) 내에 전해액(40)이 주입된 상태에서 복수의 양극(12)과 음극(13)이 분리막(20)으로 분리 배치되어 평행하게 배열되어 있다. 이 때, 양극(12)과 음극(13)은 서로 대향하도록 배치되며, 양 전극의 단락을 방지하기 위하여 분리막(20)이 개재된다.
도 10의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 전지의 배치 구조를 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 도 2와 관련하여 설명한 것과 같은 복수의 전극 어셈블리(200가 용기(500)의 전해액 내에 평행하게 배열된다. 그러나, 본 발명에서 개별 전극 어셈블리(200)는 기재 쉬트의 일면에만 전극이 형성되어 있으며, 따라서 인접하는 개별 전극 어셈블리와의 단락을 방지하기 위한 분리막이 사용될 필요가 없음을 알 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 전지의 제조예를 설명한다.
<실시예 1>
유리 기판 상의 일면에 양극집전체 위에 도포한 양극층이 적층된 스트립 전극과 음극집전체 위에 도포한 음극층이 적층된 스트립 형태의 전극을 교번 배치하였다. 각각의 전극은 다음과 같이 제조하였다.
먼저, 양극 활물질로 LiNi0 .6Co0 .2Mn0 .2O2를 사용하였으며, 수퍼 P 블랙(super pure carbon black)의 도전재료와 폴리비닐리덴플루오르(PVDF, polyvinylidene fluoride)의 결착제를 각각 95:2.5:2.5의 중량 비율로 사용하여 알루미늄 집전체 상에 도포하여 전극(양극)을 제조하였다. 개별 스트립의 폭은 2 mm, 길이는 50 mm로 하였고, 단위 스트립의 면적은 100 mm2(1 cm2)이었다. 단위 면적당 전극 합제의 중량은 대략 16.566 mg/cm2 이었다. 한편, 알루미늄 집전체의 두께는 15 마이크로미터로 하였고, 활물질을 포함하는 양극층을 30 마이크로미터로 도포하여 전극의 총 두께는 45 마이크로미터로 하였다. 4 매의 스트립 형태의 전극을 양극으로 사용하였는데, 전극의 총 면적은 400 mm2(4 cm2)이었고, 전극 합제의 총 중량은 65.484 mg이고, 전극에 포함된 활물질의 함량은 95%로서 대략 62.2098 mg이었다.
한편, 음극으로는 상용 흑연을 수퍼P블랙(super pure carbon black)의 도전재료와 CMC(carboxy methyl cellulose)와 SBR(styrene butadiene rubber)의 복합 결착제를 각각 95:1:4의 중량 비율로 사용하여 구리 집전체 상에 제조하였다.
양극과 마찬가지로, 각 스트립은 폭 2 mm와 길이 50 mm를 사용하여 단위 스트립의 면적은 100 mm2(1 cm2)로 하였다. 단위 면적당 전극 합제의 중량은 10.27 mg/cm2 이었다. 구리 집전체가 8 마이크로미터, 구리 집전체 상에 도포한 활물질층은 31.5 마이크로미터가 되도록 도포하여, 스트립의 총 두께는 49.5 마이크로미터로 하였다. 4장의 스트립 형태의 전극을 음극으로 사용하여 총 음극 면적은 400 mm2(4 cm2)이었고, 합제의 총중량은 41.08 mg, 그 중 활물질의 함량은 95%로서 39.026 mg이었다.
제조한 전극 어셈블리를 파우치에 삽입하고 1M LiPF6/EC:DEC:DMC의 전해액을 약 2 mL 정도로 충분하게 주액한 후 밀봉 조립하였다.
도 11은 본 실시예에 따라 제조한 전지의 충방전 시간에 따른 전압을 나타낸 그래프이다. 이 때, 전류는 0.02C 율의 0.1808 mA 전류로 2.5~4.3 V의 전압까지 충방전하였다. 표 1은 전지의 충전 용량과 방전 용량 및 Ah 효율 값을 나타낸 표이다.
Cycle (mAh) (mAh) Ah (%)
1 9.391 8.003 83.01321
2 8.21 7.902 93.2562
3 8.039 7.84 94.44363
상술한 본 발명은 이차 전지에 한정되지 않고 일차 전지 및 캐패시터에도 적용 가능함은 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명은 리튬이온전지, 소듐이온전지, 고분자전해질전지, 고체전해질전지, 레독스플로우전지, 연축전지, 니켈금속수소화물전지, 니카드전지, 수퍼커패시터, 이중층커패시터, 리튬공기전지, 용융염전해질전지, 이온액체전해질전지, 공기금속전지 등에 적용 가능하다.
20 분리막
40, 400 전해액
50, 500 용기
100, 200, 300 전극 어셈블리
10, 110, 210 기재 쉬트
12, 120, 220, 320, 양극
122, 222, 322 양극 집전체
222A 집전체 몸체
222B 집전체 스트립
124, 224, 324 양극층
13, 130, 230, 330 음극
132, 232, 332 음극 집전체
232A 집전체 몸체
232B 집전체 스트립
134, 234, 334 음극층
340 전해질 쉬트

Claims (16)

  1. 기재 쉬트와 상기 기재 쉬트의 일면에 형성되는 복수의 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 음극이 상기 기재 쉬트 상에서 교번하여 배치되는 전극 어셈블리; 및
    상기 양극 및 음극 사이의 이온 전도를 매개하기 위한 전해질을 포함하는 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극 및 음극은 스트립 형상인 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 고상 전해질, 액상 전해질, 액상 및 고상의 복합 전해질 및 고분자 전해질로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 최소한 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 양극 및 음극은 집전체와 전극층의 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집전체 및 전극층은 각각 소정의 폭을 가지며, 상기 집전체 및 전극층의 폭은 동일한 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 집전체 및 전극층은 각각 소정의 폭을 가지며, 상기 집전체 및 전극층의 폭은 상이한 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전극층은 활물질, 도전재 및 결합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극층은 고체전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 전극층은 소정의 두께를 가지며, 상기 양극과 음극의 두께는 상이한 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 전자 비전도성 절연 기재인 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 이온 전도성 기재인 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 기재 쉬트와 상기 기재 쉬트의 일면에 형성되며 평행하게 배열되는 양극 및 음극을 포함하는 전극 어셈블리; 및
    상기 양극 및 음극 사이의 이온 전도를 매개하기 위한 전해질을 포함하는 이차 전지.
  13. 절연성 기재 쉬트; 및
    상기 기재 쉬트의 일면에서 서로 평행하게 형성되는 스트립 형태의 복수의 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 양극 및 음극은 상기 기재 쉬트 상의 일면에 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  14. 이온 전도성 기재 쉬트;
    상기 이온 전도성 기재 쉬트의 일면에서 서로 평행하게 형성되는 스트립 형태의 복수의 양극;
    상기 이온 전도성 기재 쉬트의 타면에서 서로 평행하게 형성되는 스트립 형태의 복수의 음극; 및
    상기 복수의 양극 및 음극은 상기 이온 전도성 기재 쉬트를 개재하여 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 이온 전도성 기재 쉬트;
    상기 이온 전도성 기재 쉬트의 일면에서 서로 평행하게 교번 형성되는 양극 및 음극;
    상기 이온 전도성 기재 쉬트의 타면에서 서로 평행하게 교번 형성되는 스트립 형태의 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 이온 전도성 기재 쉬트를 개재하여 동일 극성의 전극이 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  16. 이온 전도성 기재 쉬트;
    상기 이온 전도성 기재 쉬트의 일면에 형성되는 양극;
    상기 이온 전도성 기재 쉬트의 타면에 형성되는 음극을 포함하고,
    상기 이온 전도성 기재 쉬트를 개재하여 양극과 음극이 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
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