KR20200059057A - 전극 구조체 및 그 제조방법과, 전극 구조체를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 구조체 및 그 제조방법과, 전극 구조체를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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KR20200059057A
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손정국
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Abstract

전극 구조체 및 그 제조방법과, 전극 구조체를 포함하는 이차전지가 개시된다. 개시된 전극 구조체는 제1 활물질을 포함하는 베이스층; 및 상기 베이스층의 일면에 서로 이격되게 마련되는 것으로, 제2 활물질을 포함하는 복수의 활물질 플레이트를 포함한다. 여기서, 상기 베이스층의 활물질 밀도는 상기 활물질 플레이트의 활물질 밀도 보다 작다.

Description

전극 구조체 및 그 제조방법과, 전극 구조체를 포함하는 이차 전지{Electrode structure and method of manufacturing electrode structure, and secondary battery including electrode structure}
전극 구조체 및 그 제조방법과, 전극 구조체를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로, 특히 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있다. 최근에는 3차원 구조의 전극을 이용한 고용량의 이차 전지에 대한 연구도 진행되고 있다.
예시적인 실시예들은 전극 구조체 및 그 제조방법과, 전극 구조체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
일 측면에 있어서,
제1 활물질을 포함하는 베이스층; 및
상기 베이스층의 일면에 서로 이격되게 마련되는 것으로, 제2 활물질을 포함하는 복수의 활물질 플레이트를 포함하고,
상기 베이스층의 활물질 밀도는 상기 활물질 플레이트의 활물질 밀도 보다 작은 전극 구조체가 제공된다.
상기 전극 구조체는 상기 베이스층의 타면에 마련되는 전극 집전체층을 더 포함할 수 있다. 상기 전극 집전체층은 도전성 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 활물질은 양극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 물질이거나 또는 서로 다른 물질일 수 있다.
상기 베이스층에 대한 상기 제1 활물질의 체적분율(volume fraction)은 대략50% 이상 90% 이하가 될 수 있다. 그리고, 상기 활물질 플레이트에 대한 상기 제2 활물질의 체적분율은 대략 80% 이상 100% 이하가 될 수 있다.
상기 베이스층의 높이는 대략 5㎛ 이상 200㎛ 이하가 될 수 있다.
상기 베이스층은 도전성 금속과 상기 제1 활물질의 복합체를 포함할 수 있다. 상기 도전성 금속은 예를 들면, Al, Cu, Ni, Co, Cr, W, Mo, Ag, Au, Pt 및 Pd로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 복합체에 대한 상기 도전성 금속의 체적분율은 30% 이하가 될 수 있다.
상기 활물질 플레이트 각각은 상기 베이스층으로부터 순차적으로 적층된 복수의 활물질층을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 복수의 활물질층은 상기 베이스층으로부터 멀어질수록 큰 활물질 밀도를 가질 수 있다.
상기 복수의 활물질 플레이트는 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향을 정의하며,
상기 복수의 활물질 플레이트는 상기 폭 방향으로 이격되게 마련될 수 있다. 여기서, 상기 복수의 활물질 플레이트 사이의 간격은 0보다 크고 50㎛ 이하가 될 수 있다. 상기 복수의 활물질 플레이트는 상기 길이 방향으로도 이격되게 마련될 수 있다.
상기 복수의 활물질 플레이트 중 적어도 일부는 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 활물질 플레이트의 폭은 10㎛ 이상이 될 수 있다. 상기 활물질 플레이트의 높이는 상기 활물질 플레이트의 폭보다 클 수 있다. 상기 활물질 플레이트의 높이는 20㎛ 이상 1000㎛ 이하가 될 수 있다.
상기 복수의 활물질 플레이트 사이에는 채널이 형성될 수 있다. 상기 채널은 상기 베이스층의 표면과 접촉하도록 형성되거나 또는 상기 베이스층에 소정 깊이로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 채널과 접촉하는 상기 활물질 플레이트의 표면에 수직인 방향과 상기 활물질 플레이트 내에서 결정립들이 배향되는 방향(orientated direction) 사이의 각도는 45도 이하가 될 수 있다. 상기 결정립들의 결정 방향(crystal direction)은 <100>, <010>, <110>, <101>, <012>, <104>, <113> 및 <021> 중에서 적어도 하나의 방향을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
제1 활물질을 포함하는 저밀도용 활물질 필름과 상기 저밀도용 활물질 필름의 일면에 마련되며 제2 활물질을 포함하는 고밀도용 활물질 필름을 제작하는 단계;
상기 고밀도용 활물질 필름에 복수의 채널을 소정 깊이로 형성하는 단계; 및
상기 저밀도용 활물질 필름 및 상기 채널들이 형성된 상기 고밀도용 활물질 필름을 소결(sintering)하여 베이스층과 상기 베이스층의 일면에 마련된 복수의 활물질 플레이트를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 베이스층의 활물질 밀도는 상기 활물질 플레이트의 활물질 밀도 보다 작은 전극 구조체의 제조방법이 제공된다.
상기 전극 구조체의 제조방법은 상기 베이스층의 타면에 전극 집전체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 채널들은 블레이드 스탬핑(blade stamping) 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 블레이드 스탬핑 공정에 의해 형성되는 채널들은 상기 저밀도용 활물질 필름과 접촉하도록 형성되거나 또는 상기 저밀도용 활물질 필름에 소정 깊이로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 저밀도용 활물질 필름 및 상기 고밀도용 활물질 필름은 바인더를 포함하고, 상기 저밀도용 활물질 필름 및 상기 고밀도용 활물질 필름의 소결에 의해 상기 바인더가 제거될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극 구조체;
상기 제1 및 제2 전극 구조체 사이에 마련되는 분리막;을 포함하고,
상기 제1 전극 구조체는,
제1 활물질을 포함하는 베이스층; 및
상기 베이스층의 일면에 서로 이격되게 마련되는 것으로, 제2 활물질을 포함하는 복수의 활물질 플레이트를 포함하고,
상기 베이스층의 활물질 밀도는 상기 활물질 플레이트의 활물질 밀도 보다 작은 이차 전지가 제공된다.
상기 제1 및 제2 전극 구조체는 각각 양극 구조체 및 음극 구조체가 될 수 있다.
상기 제1 전극 구조체는 상기 베이스층의 타면에 마련되는 전극 집전체층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 활물질 플레이트 사이에는 전해액이 채워지는 채널이 형성될 수있다. 상기 채널은 상기 베이스층의 표면과 접촉하도록 형성되거나 또는 상기 베이스층에 소정 깊이로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 베이스층은 도전성 금속과 상기 제1 활물질의 복합체를 포함할 수 있다.
상기 활물질 플레이트 각각은 상기 베이스층으로부터 순차적으로 적층된 복수의 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 활물질층은 상기 베이스층으로부터 멀어질수록 큰 활물질 밀도를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 전극을 구성하는 베이스층과 활물질 플레이트들을 소결 공정을 통해 형성하므로, 베이스층 및 활물질 플레이트들은 활물질을 결합시키는 바인더 및 바인더로 인해 낮아지는 전기전도도의 향상을 위해 필요한 도전재를 포함할 필요가 없다. 또한, 베이스층 상에 활물질 플레이트들을 서로 이격되게 마련하여 3차원 구조를 형성함으로써 높은 이온전도도를 가지는 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 유도할 수 있으므로, 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 이온전도도가 향상되면 활물질 플레이트들의 높이를 증대시킬 수 있으므로 전류 밀도를 향상시킬 수 있다.
베이스층 내의 활물질 밀도를 활물질 플레이트 내의 활물질 밀도 보다 낮게 함으로써 베이스층 내부에서 전해액을 통해 전극 집전체층 쪽으로 리튬 이온의 이동을 효과적으로 유도함으로써 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 활물질 플레이트 내부에서 리튬 이온이 채널 내부의 전해액 쪽으로 잘 이동할 수 있는 방향으로 결정립들이 배향됨으로써 이온전도도를 보다 향상시킬 수 있다. 이상과 같은 3차원 구조의 전극 구조체를 적용하면 높은 에너지 밀도를 가지는 이차 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 활물질 플레이트의 내부를 확대하여 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4g는 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 도 4a 내지 도 4g에 도시된 제조 공정을 통해 형성된 베이스층 및 복수의 활물질 플레이트를 찍은 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 A 부분 및 B 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 7은 기존 전극 구조체와 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체에서 전극(양극)의 두께에 따른 면적당 용량(Areal Capacity)을 비교하여 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 기존의 이차 전지와 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 적용한 이차 전지에서 에너지 밀도(energy density)를 비교하여 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 기존 전극 구조체를 적용한 이차 전지의 반쪽 셀(half cell)와 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 적용한 이차 전지의 반쪽 셀의 비용량(Specific Capacity)을 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 도시한 사시도이다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 이차 전지의 단면을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 도시한 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극 구조체(100)는 전극 집전체층(110)과, 전극 집전체층(110)에 마련되는 베이스층(120)과, 베이스층(120)에 마련되는 복수의 활물질 플레이트(130)를 포함한다. 이 전극 구조체(100)는 예를 들면, 리튬 이차 전지의 양극 구조체(cathode structure)가 될 수 있다. 본 실시예에 따른 전극 구조체(100)는 3차원 구조를 가질 수 있다. 전극 구조체(100)(구체적으로, 베이스층(120)및 복수의 활물질 플레이트(130))는 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향을 정의할 수 있으며, 도 1에 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향이 각각 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향으로 표시되어 있다.
전극 집전체층(110)은 예를 들면, 양극 집전체층이 될 수 있다. 이러한 전극 집전체층(110)은 도전성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 집전체층(110)은 예를 들면, Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
전극 집전체층(110)의 상면에는 베이스층(120)이 마련될 수 있다. 베이스층(120)은 제1 활물질을 포함할 수 있다. 그리고, 베이스층(120)의 상면에는 복수의 활물질 플레이트(130)가 소정 간격(P)으로 이격되게 마련될 수 있다. 활물질 플레이트(130)는 제2 활물질을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 활물질은 예를 들면, 양극 활물질을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 물질이거나 또는 서로 다른 물질이 될 수 있다. 제1 및 제2 활물질은 예를 들면, LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
베이스층(120)은 활물질 플레이트(130)에 비해 상대적은 낮은 활물질 밀도를 가질 수 있다. 예를 들면, 베이스층(120)에서 제1 활물질이 차지하는 비율인 제1 활물질의 체적 분율(volume fraction)은 대략 50% 이상 90% 이하가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 베이스층(120)은 예를 들면 대략 5㎛ 이상 200㎛ 이하의 높이를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 베이스층(120)은 후술하는 바와 같이 소결 공정을 통해 제작될 수 있으므로 바인더 및 도전재를 포함하지 않을 수 있다. 이와 같이, 베이스층(120)이 낮은 활물질 밀도를 가지는 다공성 물질로 이루어지는 경우에 베이스층(120) 내부의 기공들은 후술하는 바와 같이 이차 전지의 전해액으로 채워질 수 있다.
베이스층(120)은 제1 활물질과 도전성 금속의 복합체(complex)를 포함할 수도 있다. 여기서, 도전성 금속은 예를 들면, Al, Cu, Ni, Co, Cr, W, Mo, Ag, Au, Pt 및 Pd로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 활물질과 도전성 금속의 복합체에서 제1 활물질이 차지하는 비율인 제1 활물질의 체적분율은 대략 30% 이하가 될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
활물질 플레이트(130)는 베이스층(120)에 비해 상대적으로 높은 활물질 밀도는 가질 수 있다. 예를 들면, 활물질 플레이트(130)에서 제2 활물질이 차지하는 비율인 제2 활물질의 체적 분율은 대략 80% 이상 100% 이하가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 활물질 플레이트는 후술하는 바와 같이 소결 공정을 통해 제작될 수 있으므로 바인더 및 도전재를 포함하지 않을 수 있다.
복수의 활물질 플레이트(130)는 베이스층(120)의 상면에 이격되게 마련됨으로써 전극 구조체(100)를 3차원 구조로 형성할 수 있다. 복수의 활물질 플레이트(130)는 베이스층(120)의 상면에 폭 방향(x축 방향)을 따라 서로 소정 간격(P)으로 이격되게 마련될 수 있다. 예를 들면, 복수의 활물질 플레이트(120)는 폭 방향으로 대략 0보다 크고 50㎛ 이하의 간격(P)으로 이격되게 마련될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것이다. 복수의 활물질 플레이트(130)는 베이스층(120)의 상면에 대해 실질적으로 수직으로 배치되도록 마련될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 활물질 플레이트(130) 각각은 1보다 큰 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 즉, 활물질 플레이트(130)는 폭(W)보다 큰 높이(H)를 가질 수 있다. 예를 들면, 활물질 플레이트(130)의 폭(W)은 대략 10㎛ 이상이 될 수 있으며, 활물질 플레이트(130)의 높이(H)는 대략 20㎛ 이상 1000㎛ 이하가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 활물질 플레이트(130)의 폭(W) 및 높이(H)는 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 활물질 플레이트(130)는 동일한 길이를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 활물질 플레이트(130) 중 적어도 일부는 다른 길이를 가질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 베이스층(120)의 상면에 복수의 활물질 플레이트(130)가 소정 간격(P)으로 이격되게 마련됨으로써 활물질 플레이트들(130) 사이에는 채널(150)이 형성될 수 있다. 여기서, 채널(150)은 활물질 플레이트들(130) 사이의 간격(P)에 해당하는 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 이러한 채널(150)은 복수의 활물질 플레이트(130) 사이의 베이스층(120)에 소정 깊이(d)로 연장되어 형성될 수 있다. 베이스층(120)에 형성되는 채널(150)의 깊이(d)는 다양하게 변형될 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, 채널(150)은 베이스층(120)의 상면에 접촉하도록 형성될 수도 있다.
복수의 활물질 플레이트(130) 사이에 형성되는 채널은 이차 전지의 전해액으로 채워질 수 있다. 따라서, 채널(150) 및 이 채널(150)과 연결되는 베이스층(120) 내부의 기공들은 전해액으로 채워질 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 활물질 플레이트의 내부를 확대하여 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 활물질 플레이트(130)의 내부에는 제2 활물질의 결정립들(crystal grains, 131)이 소정 방향으로 배향(orientation)될 수 있다. 여기서, 이온전도도의 향상을 위해 결정립들(131)은 활물질 플레이트(130)의 내부에 있는 리튬 이온이 채널(150) 내부에 채워지는 전해액(미도시) 쪽으로 잘 이동할 수 있는 방향으로 배향될 수 있다. 이를 위해, 활물질 플레이트(140) 내에서 결정립들(131)이 배향되는 방향(orientated direction, L1)과 채널(150)에 접촉하는 활물질 플레이트(130)의 표면에 수직인 방향(L2) 사이의 각도(θ)는 대략 45도 이하가 될 수 있다. 이 경우, 상기 결정립들(131)의 결정 방향(crystal direction)은 <100>, <010>, <110>, <101>, <012>, <104>, <113> 및 <021> 중에서 적어도 하나의 방향을 포함할 수 있다. 여기서, <100>, <010>, <110>, <101>, <012>, <104>, <113> 및 <021>은 결정학에서 사용되는 밀러 지수(Miller Indices)로서 결정 격자(crystal lattice)의 방향을 나타내는 지수를 의미한다
본 실시예에 따른 전극 구조체(100)에서는 전극을 구성하는 베이스층(120)과 활물질 플레이트들(130)을 후술하는 바와 같이 소결 공정을 통해 형성하므로, 베이스층(120) 및 활물질 플레이트들(130)은 활물질을 결합시키는 바인더 및 바인더로 인해 낮아지는 전기전도도의 향상을 위해 필요한 도전재를 포함할 필요가 없다. 또한, 베이스층(120) 상에 활물질 플레이트들(130)을 서로 이격되게 마련하여 3차원 구조를 형성함으로써 높은 이온전도도를 가지는 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 유도할 수 있으므로, 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 이온전도도가 향상되면 활물질 플레이트들(130)의 높이를 증대시킬 수 있으므로 전류 밀도를 향상시킬 수 있다.
베이스층(120) 내의 활물질 밀도를 활물질 플레이트들(130) 내의 활물질 밀도 보다 낮게 함으로써 베이스층(120) 내부에서 전해액을 통해 전극 집전체층(110) 쪽으로 리튬 이온의 이동을 효과적으로 유도함으로써 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 활물질 플레이트(130) 내부에서 리튬 이온이 채널(150) 내부에 채워지는 전해액 쪽으로 잘 이동할 수 있는 방향으로 결정립들(131)이 배향됨으로써 이온전도도를 보다 향상시킬 수 있다. 이상과 같은 3차원 구조의 전극 구조체(100)를 적용하면 높은 에너지 밀도를 가지는 이차 전지를 구현할 수 있다.
도 4a 내지 도 4g는 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(205) 상에 저밀도용 활물질 필름(220') 및 고밀도용 활물질 필름(230')을 순차적으로 형성한다. 기판(205)으로는 예를 들면, PET(Polyethylene Terephthalate) 기판 등과 같은 유연한(flexible) 기판이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 저밀도용 활물질 필름(220') 및 고밀도용 활물질 필름(230')은 테이프 캐스팅(tape casting) 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 4b는 테이프 캐스팅 방법에 의해 저밀도용 활물질 필름(220')을 형성하는 방법을 예시적으로 도시한 것이다.
도 4b를 참조하면, 먼저 저밀도용 활물질 분말, 분산제(dispersing agent), 바인더(binder), 가소제(plasticizer), 용매 등을 혼합하여 저밀도용 활물질 슬러리(220")를 준비한다. 이어서, 이동하는 이송 벨트(50)에 저밀도용 활물질 슬러리(220")를 도포한다. 여기서, 예를 들면 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 이용하여 저밀도용 활물질 슬러리(220")를 균일한 두께로 도포할 수 있다. 다음으로, 가열에 의해 저밀도용 활물질 슬러리(220")를 건조함으로써 저밀도용 활물질 필름(220')을 형성한다. 이 저밀도용 활물질 필름(220') 내에는 저밀도용 활물질 분말들이 바인더에 의해 결합되어 있다. 저밀도용 활물질 분말은 후술하는 베이스층(도 4g의 220)을 형성하기 위한 것으로, 양극 활물질인 제1 활물질을 포함할 수 있다.
한편, 고밀도용 활물질 필름(230')도 전술한 저밀도용 활물질 필름(220')과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 고밀도용 활물질 필름(230') 내에는 고밀도용 활물질 분말들이 바인더에 의해 결합되어 있다. 고밀도용 활물질 분말은 후술하는 복수의 활물질 플레이트(도 2g의 230)를 형성하기 위한 것으로, 양극 활물질인 제2 활물질을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 물질이거나 또는 서로 다른 물질이 될 수 있다. 제1 및 제2 활물질은 예를 들면, LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li [Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 또는 LFP(LiFePO4) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4a에 도시된 저밀도용 활물질 필름(220')과 고밀도용 활물질 필름(230')은 기판(205)의 상면에 저밀도용 활물질 필름(220')을 형성한 다음, 저밀도용 활물질 필름(220')의 상면에 저밀도용 활물질 필름(230')을 형성함으로써 제작될 수 있다. 또한, 저밀도용 활물질 필름(220')과 고밀도용 활물질 필름(230')을 각각 별도로 형성한 다음, 기판(205)에 저밀도용 활물질 필름(220')과 고밀도용 활물질 필름(230')을 순차적으로 라미네이션(lamination) 할 수도 있다. 여기서, 저밀도용 활물질 필름(220')과 고밀도용 활물질 필름(230')의 두께 비율은 예를 들면 대략 1:4 정도가 될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 4c 내지 도 4e를 참조하면, 블레이드 스탬핑(blade stamping) 공정을 통해 고밀도용 활물질 필름(230')에 복수의 채널을 형성한다. 이를 구체적으로 설명하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 소정 폭(D1)을 가지는 블레이드(270)에 압력을 가하여 블레이드(270)를 고밀도용 활물질 필름(230')의 내부에 삽입한다. 여기서, 블레이드(270)는 저밀도용 활물질 필름(220')에 소정 깊이만큼 연장되어 삽입될 수 있다. 한편, 블레이드(270)는 저밀도용 활물질 필름(220')의 상면에 접촉하도록 삽입될 수도 있다.
이어서, 고밀도용 활물질 필름(230') 내에 삽입된 블레이드(270)를 뽑아내게 되면 고밀도용 활물질 필름(230')에는 채널(250')이 형성될 수 있다. 이 경우, 채널(250')은 고밀도용 활물질 필름(230')이 가지고 있는 탄성 복원력(elastic restoring force)에 의해 블레이드(270)의 폭(D1)보다 작은 폭(D2)으로 형성될 수 있다.
이상과 같은 블레이드 스탬핑 공정을 고밀도용 활물질 필름(230')에 일정한 간격으로 반복적으로 수행하게 되면 도 4e에 도시된 바와 같이, 고밀도용 활물질 필름(230')에는 소정 폭(D2)을 가지는 채널들(250')이 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 여기서, 채널들(250')은 저밀도용 활물질 필름(220')에 소정 깊이로 연장되어 형성될 수 있다. 한편, 채널들(250')은 저밀도용 활물질 필름(220')과 접촉하도록 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 4f를 참조하면, 블레이드 스탬핑 공정이 완료된 후, 저밀도용 활물질 필름(220') 및 고밀도용 활물질 필름(230')에 소결(sintering) 공정을 수행함으로써 베이스층(220)과 복수의 활물질 플레이트(230)를 형성한다. 소결 공정은 저밀도용 활물질 필름(220') 및 고밀도용 활물질 필름(230')을 소정 온도 및 시간에서 열처리함으로써 수행될 수 있다. 이러한 소결 공정을 통해 저밀도용 활물질 필름(220') 및 고밀도용 활물질 필름(230')의 내부에 있던 바인더가 제거될 수 있다. 이에 따라, 저밀도용 활물질 필름(220')으로부터 바인더가 제거됨으로써 저밀도 활물질인 제1 활물질을 포함하는 베이스층(220)이 형성될 수 있으며, 고밀도용 활물질 필름(230')으로부터 바인더가 제거됨으로써 고밀도 활물질인 제2 활물질을 포함하는 복수의 활물질 플레이트(230)가 베이스층(220)의 상면에서 서로 이격되게 형성될 수 있다.
이상과 같은 소결 공정에 의해 저밀도용 활물질 필름(220') 및 고밀도용 활물질 필름(230')은 수축될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 활물질 플레이트(230) 사이에 형성되는 채널(250)의 폭(D3)은 전술한 블레이드 스탬핑 공정을 통해 형성되는 채널(250')의 폭(D2)보다 작을 수 있다. 여기서, 복수의 활물질 플레이트(230) 사이의 채널들(250)은 베이스층(220)에 소정 깊이로 연장되어 형성될 수 있다. 한편, 이 채널들(250)은 베이스층(220)의 상면에 접촉하도록 형성될 수도 있다. 이상과 같은 소결 공정을 통해 낮은 활물질 밀도를 가지는 베이스층(220) 및 높은 활물질 밀도를 가지는 복수의 활물질 플레이트(230)를 형성함으로써 전극의 원하는 평균 활물질 밀도를 얻을 수 있다.
마지막으로 도 4g를 참조하면, 베이스층(220)의 하면에 전극 집전체층(210)을 형성한다. 이 전극 집전체층(210)은 베이스층(220)의 하면에 부착된 기판(210)을 제거한 다음, 베이스층(220)의 하면에 예를 들면 스퍼터링(sputtering) 등을 이용하여 Al, Ni 등과 같은 집전 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 5는 도 4a 내지 도 4g에 도시된 제조 공정을 통해 형성된 베이스층 및 복수의 활물질 플레이트를 찍은 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다. 도 5의 A 부분은 활물질 플레이트의 일부를 나타낸 것이며, 도 5의 B 부분은 베이스층의 일부를 나타낸 것이다. 여기서, 베이스층 및 복수의 활물질 플레이트는 모두 LCO를 활물질로 사용하였다. 도 5를 참조하면, 양극의 두께(즉, 베이스층과 활물질 플레이트의 높이의 합)는 대략 125㎛ 로 측정되었다. 여기서, 베이스층의 높이와 활물질 플레이트의 높이 비율을 대략 1:4 정도이었다. 그리고, 활물질 플레이트들 사이의 간격(즉, 채널의 폭)은 대략 1㎛ 정도로 측정되었다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 A 부분 및 B 부분을 확대하여 도시한 것이다. 도 6a에는 고밀도의 LCO로 이루어진 활물질 플레이트가 도시되어 있다. 여기서, 활물질 플레이트에서 LCO 가 차지하는 체적 분율은 대략 92.3%로 측정되었다. 그리고, 도 6b에는 저밀도의 LCO로 이루어진 베이스층이 도시되어 있다. 여기서, 베이스층에서 LCO 가 차지하는 체적 분율은 대략 85%로 측정되었다.
도 7은 기존 전극 구조체와 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체에서 전극(양극)의 두께에 따른 면적당 용량(Areal Capacity)을 비교하여 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 7에서 A1은 기존 전극 구조체를 나타낸 것이며, A2는 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 나타낸 것이다.
기존 전극 구조체는 2차원 전극 구조체로서 양극으로는 LCO로 이루어진 활물질층을 사용하였다. 그리고, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체는 3차원 전극 구조체로서 양극으로 저밀도의 LCO로 이루어진 베이스층 및 이 베이스층에 이격되게 마련되는 고밀도의 LCO로 이루어진 복수의 활물질 플레이트를 사용하였다. 여기서, 베이스층에서 LCO 가 차지하는 체적 분율은 대략 85% 이며, 활물질 플레이트에서 LCO 가 차지하는 체적 분율은 대략 92.3% 이다.
도 7를 참조하면, 기존 전극 구조체에서는 양극을 최대 50㎛ 두께까지만 사용할 수 있었다. 이는 기존 전극 구조체에서는 양극의 두께를 일정 수준 이상으로 증가시키게 되면 양극 내의 이온전도도가 낮아지기 때문이다. 기존 전극 구조체에서 양극의 최대 두께가 대략 50㎛ 인 경우에 면적당 용량은 대략 3.8 mAh/cm2 이었다. 그리고, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체에서는 양극의 두께를 증가시킴에 따라 면적당 용량도 향상됨을 알 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체에서 양극의 두께가 대략 124㎛ 인 경우에 면적당 용량은 대략 9.3mAh/cm2 이었다. 이와 같이, 예시적인 실시예에 따라 전극 구조체를 3차원 구조로 제작하게 되면 면적당 용량을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 기존의 이차 전지와 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 적용한 이차 전지에서 에너지 밀도(energy density)를 비교하여 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 8에서 B1은 기존의 이차 전지를 나타낸 것이며, B2는 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 적용한 이차 전지를 나타낸 것이다. 여기서, 이차 전지는 14.1mm의 직경과 두께가 5.4mm의 두께를 가지는 원판 형상을 가지고 있다.
기존의 이차전지로는 현재 사용되고 있는 리튬 이온 전지를 이용하였다. 그리고, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 적용한 이차 전지에서는 양극으로는 저밀도의 LCO로 이루어진 베이스층(LCO의 체적 분율이 대략 85%) 및 이 베이스층에 이격되게 마련되는 고밀도의 LCO()(LCO의 체적 분율이 대략 92.3%)로 이루어진 복수의 활물질 플레이트를 사용하였으며, 음극으로는 Si-C 복합체를 사용하였다.
도 8을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 포함하는 이차 전지가 기존의 이차전지에 비해 에너지 밀도가 대략 2배 정도 증가할 수 있음을 알 수 있다.
도 9a는 기존 전극 구조체를 적용한 이차 전지의 반쪽 셀(half cell) 비용량(Specific Capacity)을 도시한 것이며, 도 9b는 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 적용한 이차 전지의 반쪽 셀 비용량을 도시한 것이다. 여기서, 이차 전지의 음극으로는 리튬 금속을 사용하였다.
기존 전극 구조체는 2차원 전극 구조체로서 양극으로는 소결 공정을 통해 제작된 대략 120㎛ 두께의 LCO로 이루어진 활물질층을 사용하였다. 여기서, 활물질층 내에서는 바이더가 포함되어 있지 않았다. 그리고, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체는 3차원 전극 구조체로서 양극으로는 저밀도의 LCO로 이루어진 베이스층(LCO의 체적 분율이 대략 85%) 및 이 베이스층에 이격되게 마련되는 고밀도의 LCO()(LCO의 체적 분율이 대략 92.3%)로 이루어진 복수의 활물질 플레이트를 사용하였다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 기존 전극 구조체에서는 반쪽 셀 비용량이 대략 91mAh/g 로 측정되었으며, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체에서는 반쪽셀 비용량이 대략 151mAh/g 로 측정되었다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체에서 반쪽 셀 비용량이 기존 전극 구조체에 비해 대략 1.6배 이상 향상되었음을 알 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다. 도 10에 도시된 전극 구조체(300)는 채널(350)의 깊이를 제외하면 도 1에 도시된 전극 구조체(100)와 동일하다.
도 10을 참조하면, 전극 접전체층(110)의 상면에 베이스층(120)이 마련되어 있으며, 베이스층(120)의 상면에는 복수의 활물질 플레이트(130)가 이격되게 마련되어 있다. 이에 따라, 복수의 활물질 플레이트(130) 사이에는 전해액으로 채워지는 채널들(350)이 형성될 수 있다. 여기서, 채널(350)은 활물질 플레이트들(130) 사이의 간격에 해당하는 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 이러한 채널(350)은 베이스층(120)의 상면에 접촉하도록 형성될 수 있다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다. 도 11에 도시된 전극 구조체(400)는 채널(450)의 형상을 제외하면 도 1에 도시된 전극 구조체(100)와 동일하다.
도 11을 참조하면, 전극 접전체층(110)의 상면에 베이스층(120)이 마련되어 있으며, 베이스층(120)의 상면에는 복수의 활물질 플레이트(130)가 이격되게 마련되어 있다. 이에 따라, 복수의 활물질 플레이트(130) 사이에는 전해액으로 채워지는 채널들(450)이 형성될 수 있다. 여기서, 채널(450)은 베이스층(120) 쪽으로 갈수록 폭이 점점 좁아지는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 채널(450)은 베이스층(120)에 소정 깊이(d)로 연장되어 형성될 수 있다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다. 도 12에 도시된 전극 구조체(500)는 채널(550)의 형상을 제외하면 도 1에 도시된 전극 구조체(100)와 동일하다.
도 12를 참조하면, 전극 접전체층(110)의 상면에 베이스층(120)이 마련되어 있으며, 베이스층(120)의 상면에는 복수의 활물질 플레이트(130)가 이격되게 마련되어 있다. 이에 따라, 복수의 활물질 플레이트(130) 사이에는 전해액으로 채워지는 채널들(550)이 형성될 수 있다. 여기서, 채널(550)의 상부는 일정한 폭으로 형성되며, 채널(550)의 하부는 베이스층(120) 쪽으로 갈수록 폭이 점점 좁아지는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 채널(550)은 베이스층(120)에 소정 깊이(d)로 연장되어 형성될 수 있다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체를 도시한 사시도이다. 도 13에 도시된 전극 구조체(600)는 복수의 활물질 플레이트(630)가 길이 방향(y축 방향)으로도 이격되어 있다는 점을 제외하면 도 1에 도시된 전극 구조체(100)와 동일하다.
도 13을 참조하면, 전극 접전체층(110)의 상면에 베이스층(120)이 마련되어 있으며, 베이스층(120)의 상면에는 복수의 활물질 플레이트(630)가 이격되게 마련되어 있다. 여기서, 복수의 활물질 플레이트(630)는 폭 방향(x축 방향)으로 제1 간격(P1)으로 이격되게 마련되어 있으며, 길이 방향(y축 방향)으로 제2 간격(P2)으로 이격되게 마련되어 있다.
폭 방향으로 이격된 활물질 플레이트들(630) 사이에는 제1 채널(651)이 형성될 수 있으며, 길이 방향으로 이격된는 활물질 플레이트들(630) 사이에는 제2 채널(652)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 채널(651,652)의 폭은 0보다 크고 50㎛ 이하가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 제1 및 제2 채널(651,652)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 활물질 플레이트(630)는 동일한 길이를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 활물질 플레이트(630) 중 적어도 일부는 다른 길이를 가질 수도 있다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 14를 참조하면, 전극 구조체(700)는 베이스층(720)과, 이 베이스층(720)의 상면에 마련되는 복수의 활물질 플레이트(730)를 포함한다. 여기서, 베이스층(720)은 제1 활물질과 도전성 금속의 복합체(complex)를 포함할 수 있다. 도전성 금속은 예를 들면, Al, Cu, Ni, Co, Cr, W, Mo, Ag, Au, Pt 및 Pd로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 활물질과 도전성 금속의 복합체에서 제1 활물질이 차지하는 비율인 제1 활물질의 체적분율은 대략 30% 이하가 될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 베이스층(720)은 복수의 활물질 플레이트(730)에 비해 상대적으로 낮은 활물질 밀도는 가질 수 있다. 베이스층(720) 내부에는 전해액(미도시)이 채워질 수 있는 기공들이 형성될 수 있다. 이와 같이, 베이스층(720)은 제1 활물질 이외에 도전성 금속도 추가적으로 포함함으로써 전극 집전체층의 역할도 수행할 수 있다.
복수의 활물질 플레이트(730)는 베이스층(720)의 상면에 서로 이격되게 마련되어 있다. 복수의 활물질 플레이트(730)는 제2 활물질을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 활물질 플레이트(730)는 베이스층(720)에 비해 상대적으로 높은 활물질 밀도는 가질 수 있다. 예를 들면, 활물질 플레이트(730)에서 제2 활물질이 차지하는 비율인 제2 활물질의 체적 분율은 대략 80% 이상 100% 이하가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 활물질 플레이트(730)가 서로 이격되게 마련됨으로써 활물질 플레이트들(730) 사이에는 채널(750)이 형성될 수 있다. 여기서, 채널(750)은 활물질 플레이트들(730) 사이의 간격에 해당하는 폭으로 형성될 수 있다. 이러한 채널(750)은 복수의 활물질 플레이트(730) 사이의 베이스층(720)에 소정 깊이로 연장되어 형성되거나 또는 베이스층(720)의 상면에 접촉하도록 형성될 수도 있다. 이러한 채널(750)은 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 15를 참조하면, 전극 구조체(800)는 전극 집전체층(810)과, 전극 집전체층(810)에 순차적으로 마련되는 베이스층(820) 및 복수의 활물질 플레이트(830)를 포함한다.
전극 집전체층(810)은 양극 집전체층으로서 도전성 금속을 포함할 수 있다. 전극 집전체층(810)의 상면에 마련되는 베이스층(220)은 활물질 플레이트(830)에 비해 상대적으로 낮은 활물질 밀도를 가지는 제1 활물질을 포함할 수 있다. 한편, 베이스층(820)은 제1 활물질과 도전성 금속의 복합체를 포함할 수도 있으며, 이 경우 베이스층(820)은 전극 집전체층의 역할도 수행할 수 있으므로 도 15에 도시된 전극 집전체층(810)은 마련되지 않을 수 있다.
베이스층(820)의 상면에는 복수의 활물질 플레이트(830)가 서로 이격되게 마련되어 있다. 복수의 활물질 플레이트(830)가 서로 이격되게 마련됨으로써 활물질 플레이트들(830) 사이에는 채널(850)이 형성될 수 있다. 이러한 채널(850)은 복수의 활물질 플레이트(830) 사이의 베이스층(820)에 소정 깊이로 연장되어 형성되거나 또는 베이스층(820)의 상면에 접촉하도록 형성될 수도 있다. 이 채널(850)은 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
복수의 활물질 플레이트(830)는 베이스층(820)에 비해 상대적으로 높은 활물질 밀도를 가지는 제2 활물질을 포함할 수 있다. 복수의 활물질 플레이트(830) 각각은 베이스층(820)에 순차적으로 마련되는 제1 활물질층(831)과 제2 활물질층(832)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 활물질층(831,832)은 베이스층(820)으로부터 멀어질수록 큰 활물질 밀도를 가질 수 있다. 즉, 제2 활물질층(832)은 제1 활물질층(831) 보다 높은 활물질 밀도를 가질 수 있다.
이상에서는 활물질 플레이트(830)가 2개의 제1 및 제2 활물질층(831,832)으로 구성된 경우가 예시적으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 활물질 플레이트(830)는 3개 이상의 활물질층으로 구성되는 것도 가능하다. 이 경우, 3개 이상의 활물질층은 베이스층(820)으로부터 멀어질수록 큰 활물질 밀도를 가지도록 배치될 수 있다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 이차 전지의 단면을 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 이차 전지(1000)는 복수의 단위 구조체(1510,1520)가 적층된 구조를 가질 수 있다. 도 16에는 이차 전지(1000)가 2개의 제1 및 제2 단위 구조체(1510,1520)가 적층된 구조를 포함하는 경우가 도시되어 있다.
제1 단위 구조체(1510)는 제1 전극 구조체(1110)와, 제1 전극 구조체(1110)의 상면에 마련되는 분리막(1210)과, 분리막(1210)의 상면에 마련되는 제2 전극 구조체(1310)를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 전극 구조체(1110,1310)는 각각 양극 구조체 및 음극 구조체가 될 수 있다.
양극 구조체인 제1 전극 구조체(1110)는 3차원 구조를 가지는 것으로 전술한 실시예들에 기재된 전극 구조체들(100,200,300,400,500,600,700,800) 중 어는 하나가 될 수 있다. 제1 전극 구조체(1110)에 대해서는 전술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1 전극 구조체(1110)의 상면에는 분리막(1310)이 마련되어 있으며, 분리막(1310)의 상면에는 제2 전극 구조체(1210)가 마련되어 있다. 음극 구조체인 제2 전극 구조체(1210)는 음극 집전체층(미도시) 및 음극 활물질층(미도시)을 포함할 수 있다.
음극 집전체층은 도전성 금속을 포함할 수 있다. 음극 활물질층은 음극 활물질 및 바인더를 포함할 수 있으며, 이 음극 활물질층 내부에 있는 기공들은 전해액으로 채워질 수 있다. 음극 활물질은 예를 들면, 리튬(Li) 금속과 같이 전기 전도도가 매우 우수한 음극 활물질을 포함허거나 또는 실리콘, 탄소 혹은 산화물 음극을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 단위 구조체(1510)의 상면에는 제2 단위 구조체(1520)가 적층되어 있다. 제2 단위 구조체(1520)는 제2 전극 구조체(1220)와, 제2 전극 구조체(1220)의 상면에 마련되는 분리막(1320)과, 분리막(1320)의 상면에 마련되는 제1 전극 구조체(1120)를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 전극 구조체(1120,1220)는 전술한 제1 단위 구조체(1510)의 제1 및 제2 전극 구조체(1110,1210)와 동일하다. 따라서, 제1 및 제2 전극 구조체(1120,1220)는 각각 양극 구조체 및 음극 구조체가 될 수 있다. 한편, 제1 단위 구조체(1510)의 음극 집전체층과 제2 단위 구조체(1520)의 음극 집전체층은 일체로 형성될 수 있다.
이상에서는 이차 전지(1000)가 2개의 단위 구조체(1510,1520)가 적층된 구조를 포함하는 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 이차 전지는 3개 이상의 단위 구조체가 적층된 구조를 가질 수도 있다.
이상의 예시적인 실시예들에 의하면, 전극을 구성하는 베이스층과 활물질 플레이트들을 소결 공정을 통해 형성하므로, 베이스층 및 활물질 플레이트들은 활물질을 결합시키는 바인더 및 바인더로 인해 낮아지는 전기전도도의 향상을 위해 필요한 도전재를 포함할 필요가 없다. 또한, 베이스층 상에 활물질 플레이트들을 서로 이격되게 마련하여 3차원 구조를 형성함으로써 높은 이온전도도를 가지는 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 유도할 수 있으므로, 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 이온전도도가 향상되면 활물질 플레이트들의 높이를 증대시킬 수 있으므로 전류 밀도를 향상시킬 수 있다.
베이스층 내의 활물질 밀도를 활물질 플레이트 내의 활물질 밀도 보다 낮게 함으로써 베이스층 내부에서 전해액을 통해 전극 집전체층 쪽으로 리튬 이온의 이동을 효과적으로 유도함으로써 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 활물질 플레이트 내부에서 리튬 이온이 채널 내부의 전해액 쪽으로 잘 이동할 수 있는 방향으로 결정립들이 배향됨으로써 이온전도도를 보다 향상시킬 수 있다. 이상과 같은 3차원 구조의 전극 구조체(100)를 적용하면 높은 에너지 밀도를 가지는 이차 전지를 구현할 수 있다.
100,200,300,400,500,600,700,800.. 전극 구조체
110,210,810.. 전극 집전체층
120,220,820.. 베이스층
130,230,630,730,830.. 활물질 플레이트
131.. 활물질의 결정립
150,250,550,750,850.. 채널
220'.. 저밀도용 활물질 필름
220".. 저밀도용 활물질 슬러리
230'.. 고밀도용 활물질 필름
651.. 제1 채널
652.. 제2 채널
831.. 제1 활물질층
832.. 제2 활물질층
1000.. 이차 전지
1100.. 제1 전극 구조체
1200.. 제2 전극 구조체
1300.. 분리막

Claims (37)

  1. 제1 활물질을 포함하는 베이스층; 및
    상기 베이스층의 일면에 서로 이격되게 마련되는 것으로, 제2 활물질을 포함하는 복수의 활물질 플레이트를 포함하고,
    상기 베이스층의 활물질 밀도는 상기 활물질 플레이트의 활물질 밀도 보다 작은 전극 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구조체는 상기 베이스층의 타면에 마련되는 전극 집전체층을 더 포함하는 전극 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 집전체층은 도전성 금속을 포함하는 전극 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 활물질은 양극 활물질을 포함하는 전극 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 활물질은 서로 동일한 물질이거나 또는 서로 다른 물질인 전극 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스층에 대한 상기 제1 활물질의 체적분율(volume fraction)은 50% 이상 90% 이하인 전극 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 활물질 플레이트에 대한 상기 제2 활물질의 체적분율은 80% 이상 100% 이하인 전극 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스층의 높이는 5㎛ 이상 200㎛ 이하인 전극 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스층은 도전성 금속과 상기 제1 활물질의 복합체를 포함하는 전극 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 도전성 금속은 Al, Cu, Ni, Co, Cr, W, Mo, Ag, Au, Pt 및 Pd로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전극 구조체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 복합체에 대한 상기 도전성 금속의 체적분율은 30% 이하인 전극 구조체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 활물질 플레이트 각각은 상기 베이스층으로부터 순차적으로 적층된 복수의 활물질층을 포함하는 전극 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질층은 상기 베이스층으로부터 멀어질수록 큰 활물질 밀도를 가지는 전극 구조체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질 플레이트는 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향을 정의하며,
    상기 복수의 활물질 플레이트는 상기 폭 방향으로 이격되게 마련되는 전극 구조체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질 플레이트 사이의 간격은 0보다 크고 50㎛ 이하인 전극 구조체.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질 플레이트는 상기 길이 방향으로도 이격되게 마련되는 전극 구조체.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질 플레이트 중 적어도 일부는 다른 길이를 가지는 전극 구조체.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 활물질 플레이트의 폭은 10㎛ 이상인 전극 구조체.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 활물질 플레이트의 높이는 상기 활물질 플레이트의 폭보다 큰 전극 구조체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 활물질 플레이트의 높이는 20㎛ 이상 1000㎛ 이하인 전극 구조체.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질 플레이트 사이에는 채널이 형성되는 전극 구조체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 베이스층의 표면과 접촉하도록 형성되거나 또는 상기 베이스층에 소정 깊이로 연장되어 형성되는 전극 구조체.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 채널과 접촉하는 상기 활물질 플레이트의 표면에 수직인 방향과 상기 활물질 플레이트 내에서 결정립들이 배향되는 방향(orientated direction) 사이의 각도는 45도 이하인 전극 구조체.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 결정립들의 결정 방향(crystal direction)은 <100>, <010>, <110>, <101>, <012>, <104>, <113> 및 <021> 중에서 적어도 하나의 방향을 포함하는 전극 구조체.
  25. 제1 활물질을 포함하는 저밀도용 활물질 필름과 상기 저밀도용 활물질 필름의 일면에 마련되며 제2 활물질을 포함하는 고밀도용 활물질 필름을 제작하는 단계;
    상기 고밀도용 활물질 필름에 복수의 채널을 소정 깊이로 형성하는 단계; 및
    상기 저밀도용 활물질 필름 및 상기 채널들이 형성된 상기 고밀도용 활물질 필름을 소결(sintering)하여 베이스층과 상기 베이스층의 일면에 마련되는 복수의 활물질 플레이트를 형성하는 단계;를 포함하는 전극 구조체의 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 베이스층의 타면에 전극 집전체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 전극 구조체의 제조방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 채널들은 블레이드 스탬핑(blade stamping) 공정을 통해 형성되는 전극 구조체의 제조방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 블레이드 스탬핑 공정에 의해 형성되는 채널들은 상기 저밀도용 활물질 필름과 접촉하도록 형성되거나 또는 상기 상기 저밀도용 활물질 필름에 소정 깊이로 연장되어 형성되는 전극 구조체의 제조방법
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 저밀도용 활물질 필름 및 상기 고밀도용 활물질 필름은 바인더를 포함하고, 상기 저밀도용 활물질 필름 및 상기 고밀도용 활물질 필름의 소결에 의해 상기 바인더가 제거되는 전극 구조체의 제조방법.
  30. 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극 구조체;
    상기 제1 및 제2 전극 구조체 사이에 마련되는 분리막;을 포함하고,
    상기 제1 전극 구조체는,
    제1 활물질을 포함하는 베이스층; 및
    상기 베이스층의 일면에 서로 이격되게 마련되는 것으로, 제2 활물질을 포함하는 복수의 활물질 플레이트를 포함하고,
    상기 베이스층의 활물질 밀도는 상기 활물질 플레이트의 활물질 밀도 보다 작은 이차 전지.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 구조체는 각각 양극 구조체 및 음극 구조체인 이차 전지.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 제1 전극 구조체는 상기 베이스층의 타면에 마련되는 전극 집전체층을 더 포함하는 이차 전지.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질 플레이트 사이에는 전해액이 채워지는 채널이 형성되는 이차 전지.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 베이스층의 표면과 접촉하도록 형성되거나 또는 상기 베이스층에 소정 깊이로 연장되어 형성되는 이차 전지.
  35. 제 30 항에 있어서,
    상기 베이스층은 도전성 금속과 상기 제1 활물질의 복합체를 포함하는 이차전지.
  36. 제 30 항에 있어서,
    상기 활물질 플레이트 각각은 상기 베이스층으로부터 순차적으로 적층된 복수의 활물질층을 포함하는 이차 전지.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질층은 상기 베이스층으로부터 멀어질수록 큰 활물질 밀도를 가지는 이차 전지.
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