KR20210111610A - 리튬 이온 전지 및 그것을 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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송재희
이재연
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윤종문
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Abstract

전자 장치가 개시된다. 전자 장치는, 배터리를 포함하고, 배터리는 양극, 음극, 전해질, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 양극은, 도전성인 기재층, 기재층 및 분리막 사이에 배치되는 활물질층, 및 활물질층 및 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층을 포함하고, 안전 기능층은 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시 예가 가능하다.

Description

리튬 이온 전지 및 그것을 포함하는 전자 장치{A LITHIUM ION BATTERY AND AN ELECTRONIC DEVICE COMPRISING THE SAME}
다양한 실시예들은 리튬 이온 전지 및 그것을 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 모바일 장치, 전기 자동차 등 다양한 산업 분야에서 사용될 수 있다. 리튬 이온 전지의 광범위한 사용에 따라, 리튬 이온 전지의 안전성 및 수명에 대한 관심이 증가되고 있다.
리튬 이온 전지의 안전성 및 수명에 중대한 영향을 미치고 리튬 이온 전지의 발화 사고의 가장 흔한 원인이 되는 것으로, 전지의 내부 단락이 있다. 리튬 이온 전지의 내부 단락은 전지 사용 중 금속의 수지상 (dendrite)이 석출되거나, 음극에 포함되는 구리(Cu)가 산화되어 용출되거나, 분리막에 결함이 생기거나, 고체 전해질 계면막(SEI, solid electrolyte interphase)이 분해되거나, 또는 외부의 물리적 충격 등으로 인해 발생할 수 있다. 내부 단락으로 인해 리튬 이온 전지의 열폭주(thermal runaway)가 발생할 수 있고, 리튬 이온 전지가 발화되거나 폭발할 수 있다.
모바일 장치의 고성능화 및 소형화에 따라, 모바일 장치에 구비되는 리튬 이온 전지의 사용 환경은 안전성 관점에서 더욱 가혹해지고 있다. 상술한 전지의 내부 단락에 의한 안전성 문제는, 모바일 장치에 구비되는 전지가 고용량, 급속 충전, 및 고출력 특성이 요구된다는 점에서 더욱 심화될 수 있다.
리튬 이온 전지의 안전성을 향상시키기 위해, 양극 활물질로 LiCoO2(LCO)와 LiFePO4(LFP)를 혼합하여 사용할 수 있다.
도 1은 LiCoO2(LCO)에 LiFePO4(LFP)가 포함된 경우와 포함되지 않은 경우의 양극 반쪽 전지의 시차주사열량측정(differential scanning calorimetry, DSC) 그래프이다.
도 1을 참조하면, 양극 활물질로서 LCO를 단독으로 사용하는 경우보다, LCO와 LFP를 혼합하여 사용하는 경우가 열 흐름(heat flow)의 증가율 및 발열량이 낮을 수 있다. 이는 전지의 단락 상황에서 올리빈(olivine) 구조를 가진 LFP가 순간적으로 리튬(Li) 이온을 소모함으로써 발열량이 감소될 수 있기 때문이다. LFP의 안정한 구조적 특성으로 인해 전지의 단락 상황 뿐만 아니라 과열 또는 과충전 상황에서도 리튬 이온 전지의 안전성이 향상될 수 있다.
도 2는 양극 활물질로 LCO만 적용한 전지와 LCO 및 LFP를 적용한 전지의 율(C-rate) 별 방전 곡선을 비교한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 동일한 방전율(C-rate)에서, 양극 활물질로 LCO만 적용된 전지가 LCO 및 LFP가 적용된 전지보다 용량이 감소될 수 있다. 특히, 모바일 장치에서 주로 사용하는 3.4V 이상의 조건의 경우 그 차이는 더 커질 수 있다.
양극 활물질의 LFP의 함량이 높을수록 리튬 이온 전지의 안전성은 증가될 수 있으나, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 감소될 수 있다. 이는, LFP의 부피 당 용량(589 mAhcm-3) 및 평균 작동 전압(3.4V)이 LCO (1363 mAhcm-3, 3.8 V)보다 낮기 때문일 수 있다.
리튬 이온 전지의 안전성을 향상시키기 위해 LCO와 LFP가 혼합된 물질을 리튬 이온 전지의 양극 활물질로 사용하는 방안은, 모바일 장치에서 요구되는 전지의 용량 및 SOC(state of charge)가 높은 경우 그 안전성은 제한될 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 전자 장치는, 배터리를 포함하고, 상기 배터리는 양극, 음극, 전해질, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극은, 도전성인 기재층, 상기 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 활물질층, 및 상기 활물질층 및 상기 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층을 포함하고, 상기 안전 기능층은 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지는, 양극, 음극, 전해질, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극은, 도전성 기재층, 상기 도전성 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 양극 활물질층, 및 상기 양극 활물질층 및 상기 도전성 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층을 포함하고, 상기 안전 기능층은 14족 원소를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지는 내부 단락에 의한 발열을 줄일 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지는, 내부 단락에 의한 발열을 감소하여 안전성이 향상될 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지의 안전 기능층은 내부 단락 시 리튬 이온과 반응함으로써, 단락 전류를 억제할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지의 안전 기능층은 내부 단락 시 단락 전류를 억제함으로써, 내부 단락에 의한 발열 및 발화 위험을 줄일 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지의 안전 기능층은 전지의 에너지 밀도 감소를 최소화하면서 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 LiCoO2(LCO)에 LiFePO4(LFP)가 포함된 경우와 포함되지 않은 경우의 양극 반쪽 전지의 시차주사열량측정(differential scanning calorimetry, DSC) 그래프이다.
도 2는 양극 활물질로 LCO만 적용한 전지와 LCO 및 LFP를 적용한 전지의 율(C-rate) 별 방전 곡선을 비교한 그래프이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지를 도시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른, 정상 상태 및 내부 단락 상태의 리튬 이온 전지를 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른, 안전 기능층의 전류 변화, 용량(capacity) 변화, 및 부피 변화를 각각 나타내는 그래프이다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 리튬 이온 전지를 도시한다.
도 7은 일 실시 예에 따른 안전 기능층을 포함하는 리튬 이온 전지 및 안전 기능층을 포함하지 않는 리튬 이온 전지의 동작을 비교하기 위한 흐름도이다.
도 8은, 다양한 실시예들에 따른, 네트워크 환경 내의 전자 장치의 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)를 도시한다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)는 음극(negative electrode)(310), 분리막(330), 전해질(350), 및 양극(positive electrode)(320)을 포함할 수 있다. 음극(negative electrode)(310) 및 양극(positive electrode)(320)은 2차 전지의 방전 시를 기준으로 음극(anode) 및 양극(cathode)으로 각각 지칭될 수 있다.
일 실시 예에서, 음극(310)은 음극 활물질(312) 및 음극 기재(314)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 음극 활물질(312) 및 음극 기재(314)는 음극 활물질층(312) 및 음극 기재층(314)으로 각각 지칭될 수도 있다.
일 실시 예에서, 음극 활물질(312)은 전기 화학적 반응에 따라 전자를 생성하거나 소모할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 전지(300)의 충전 시 외부 회로(340)를 통해 공급된 전자는 음극 활물질(312)에서 리튬 이온과 결합되어 소모될 수 있고, 리튬 이온 전지(300)의 방전 시 음극 활물질(312)에서 리튬 이온과 전자가 분리되면서 전자가 생성될 수 있다. 일 실시 예에서, 음극 활물질의 재료로 흑연(graphite)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 리튬 이온 전지(300)의 음극 활물질로서 사용될 수 있는 물질들의 예시 및 그에 대한 특성은 아래의 표 1과 같다.
Material Lithiation potential(V) Delithiation potential (V)
Graphite 0.07, 0.10, 0.19 0.1, 0.14, 0.23
LTO 1.55 1.58
Si 0.05, 0.21 0.31, 0.47
Ge 0.2, 0.3, 0.5 0.5, 0.62
Sn 0.4, 0.57, 0.69 0.58, 0.7, 0.78
Li2O (amorphous) N/A N/A
일 실시 예에서, 음극 활물질(312)은 도전재 및 바인더와 혼합될 수 있다. 도전재는 음극(310) 내의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 바인더는 음극 활물질(312)이 음극 기재(314)에 용이하게 부착될 수 있도록 하는 물질로서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 SBR/CMC(Rubber/Carboxymethylcellulose) 등의 고분자 소재가 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 음극 기재(314)는 전기 화학적 반응에 따라 음극 활물질(312)에서 생성된 전자를 모으거나, 전기 화학적 반응에 필요한 전자를 음극 활물질(312)로 제공할 수 있다. 예를 들면, 음극 기재(314)는 외부 회로(340)와 전기적으로 연결되어, 방전 시 음극 활물질(312)에서 생성된 전자를 외부 회로(340)로 제공하거나, 충전 시 외부 회로(340)를 통해 공급된 전자를 음극 활물질(312)에 제공할 수 있다. 일 실시 예에서, 음극 기재(314)는 금속, 예를 들어 구리 박막(copper foil)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시 예에서, 분리막(330)은 리튬 이온이 지나갈 수 있는 통로를 제공할 수 있고, 양극(320)과 음극(310)이 물리적으로 접촉되지 않도록 하여 리튬 이온 전지(300)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 양극(320)은 양극 활물질(322), 양극 기재(324) 및 안전 기능층(326)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 양극 활물질(322), 양극 기재(324), 및 안전 기능층(326)은 양극 활물질층(322), 양극 기재층(324), 및 보호층(326)으로 각각 지칭될 수도 있다.
일 실시 예에서, 양극 활물질(322)은 리튬 이온 전지(300)의 전극 반응에 직접 관여하는 물질로서, 전기 화학적 반응에 따른 전자를 생성하거나 소모할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 전지(300)의 충전 시 양극 활물질(322)에서 리튬 화합물이 이온화되면서 전자가 생성될 수 있고, 리튬 이온 전지(300)의 방전 시 외부 회로(340)를 통해 공급된 전자는 양극 활물질(322)에서 리튬 이온과 결합되어 소모될 수 있다. 일 실시 예에서, 양극 활물질(322)은 층상 구조를 갖는 리튬 산화물, 예를 들어 LiCoO2(LCO)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 활물질(322)은 NMC(LiNiCoMnO2, Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide) 또는 NCA(Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide, LiNiCoAlO2)를 포함할 수 있다. 리튬 이온 전지(300)의 양극 활물질로 사용될 수 있는 물질들의 예시 및 그에 대한 특성은 아래의 표 2와 같다.
Crystal structure Compound Specific capacity
(mAhg-1)
(theoretical/experimental/typical in commercial cell)		 Volumetric capacity
(mAhcm-3)
(theoretical/typical in commercial cell)		 Average voltage
(V)
Layered LiTiS2 225/210 697 1.9
LiCoO2 274/148/145 1363/550 3.8
LiNiO2 275/150 1280 3.8
LiMnO2 285/140 1148 3.3
LiNi0.33Mn0.33Co0.15Al0.05O2 280/160/170 1333/600 3.7
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 279/199/200 1284/700 3.7
Li2MnO3 458/180 1708 3.8
Spinel LiMn2O4 148/120 596 4.1
LiCo2O4 142/84 704 4.0
Olivine LiFePO4 170/165 589 3.4
LiMnPO4 171/168 567 3.8
LiCoPO4 167/125 510 4.2
Tavorite LiFeSO4F 151/120 487 3.7
LiVPO4F 156/129 484 4.2
다른 실시 예에서, 양극 활물질(322)은 후술될 도 6과 같이 14족 원소들을 포함할 수도 있다.
일 실시 예에서, 양극 활물질(322)은 도전재 및 바인더와 혼합될 수 있다. 도전재는 양극(320) 내의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 바인더는 양극 활물질(322)이 양극 기재(324)에 용이하게 부착될 수 있도록 하는 물질로서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 등의 고분자 소재가 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 양극 기재(324)는 외부 회로(340)와 연결되어 충전 또는 방전 과정에서 발생하는 전자를 양극 활물질(322)의 외부 또는 내부로 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 양극 기재(324)는 외부 회로(340)와 전기적으로 연결되어, 충전 시 양극 활물질(322)에서 생성된 전자를 외부 회로(340)로 제공하거나, 방전 시 외부 회로(340)를 통해 공급된 전자를 양극 활물질(322)로 제공할 수 있다. 일 실시 예에서, 양극 기재(324)는 금속을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 양극 기재(324)는 알루미늄 박막(aluminum foil)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일 실시 예에서, 양극 기재(324)는 금속을 포함하고, 포일(foil)의 형태로 구현될 수 있다는 점에서, 기재층(324) 또는 도전성 기재층(324)으로 지칭될 수 있다.
일 실시 예에서, 안전 기능층(326)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 및 주석(Sn)과 같은 14족 원소(이하 G14)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)은 G14 중 적어도 하나의 종을 포함할 수 있다. 예를 들면, 안전 기능층(326)은 G14 중 어느 하나의 종인 실리콘(Si)만을 포함할 수 있고, 다른 예로, 안전 기능층(326)은 G14 중 어느 두개의 종인 실리콘(Si) 및 주석(Sn)을 포함할 수도 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)의 상기 G14는 전도성이 있는 물질, 예를 들면 탄소(carbon)와 함께 혼합되거나, 탄소가 코팅된 형태로 구현될 수도 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)은 양극 기재(324) 및 양극 활물질(322) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들면, 안전 기능층(326)은 양극 기재(324) 상에 0.1㎛ 내지 10㎛의 두께로 코팅될 수 있고, 코팅된 안전 기능층(326)에는 양극 활물질(322)이 배치될 수 있다. 안전 기능층(326)을 양극 기재(324) 상에 코팅하는 공정은 통상의 기술자가 적용할 수 있는 다양한 방법이 적용될 수 있다.
일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)는 전해질(electrolyte)(350)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 전해질(350)은 리튬 이온이 이동할 수 있는 경로를 제공할 수 있다. 상기 전해질(350)은 음극(310), 양극(320) 및 분리막(330)에 스며들도록 리튬 이온 전지(300) 내부로 주입될 수 있다. 전해질(350)은 액체 전해질(liquid electrolyte) 또는 고체 전해질(solid electrolyte)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 리튬 이온 전지(300)는 도 3에 도시된 하나의 셀 구조(음극(310), 양극(320) 및 분리막(330))와 동일한 복수 개의 셀을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 리튬 이온 전지(300)는 각각의 셀 구조에 포함된 양극 기재들과 음극 기재들은 서로 연결될 수 있다. 양극 기재들과 음극 기재들의 연결을 용이하게 하기 위하여, 양극 기재들 및 음극 기재들은 일 영역에서 돌출되어 형성된 탭(tap)을 각각 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)는, 충전 시 리튬 이온이 양극 활물질(322)에서 탈리(deintercalation)되어 전해질(350) 및 분리막(330)을 통해 음극 활물질(312)로 이동할 수 있다. 음극 활물질(312)로 이동한 리튬 이온은 환원 반응이 일어나면서 음극 활물질(312)에 삽입(intercalation)될 수 있다. 리튬 이온의 탈리 과정에서 생성된 전자는 외부 회로(340)를 통해 음극 활물질(312)로 이동할 수 있다. 리튬 이온 전지(300)의 충전 시 리튬 이온의 양극 활물질(322)에서의 거동은 비자발적 반응이므로, 외부에서 인위적인 전위 차를 주어야 발생할 수 있다.
일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)는, 방전 시 음극 활물질(312)에 삽입된 리튬 이온이 탈리되어 전해질(350)로 이온화하게 되고, 이온화된 리튬 이온은 전해질(350) 및 분리막(330)을 통해 양극 활물질(322)로 이동할 수 있다. 리튬 이온의 탈리로 음극 활물질(312)에서 생성된 전자는 외부 회로(340)를 통해 양극 활물질(322)로 이동할 수 있다. 리튬 이온은 전자와 만나 환원 반응을 일으키며 양극 활물질(322) 내부로 삽입될 수 있다. 리튬 이온 전지(300)의 방전 시 리튬 이온의 음극 활물질(312)에서의 거동은 자발적 반응이므로, 외부 회로(340)를 통과하는 전자는 일을 할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른, 정상 상태 및 내부 단락 상태의 리튬 이온 전지(300)를 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른, 안전 기능층(326)의 전류 변화, 용량(capacity) 변화, 및 부피 변화를 각각 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 그래프(501, 502, 503)는 2회(제1 사이클 및 제2 사이클)에 걸쳐 측정된 결과를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 정상 상태(401)는 리튬 이온 전지(300)의 내부 단락 없이 정상적으로 동작하는 상태이고, 단락 상태(402, 403)는 단락 물질(a short-circuit object)(410)에 의해 내부 단락이 발생한 상태를 도시한다.
정상 상태(401)에서, 리튬 이온 전지(300)의 음극(310)과 양극(320)의 전위차는 4.4V일 수 있다. 정상 상태(401)에서 전류는 양극 기재(314) 및 음극 기재(324)에 연결된 외부 회로(340)를 통해 양극(320) 및 음극(310) 사이에서 흐를 수 있다.
단락 상태(402, 403)에서, 리튬 이온 전지(300) 내부에서 단락 물체(410)에 의해 단락이 발생할 수 있다. 단락 물체(410)는 단락 시험에서 사용되는 못과 같은 인위적인 물체일 수 있고, 전지 제조 공정 중 도입된 금속 입자 또는 실제 전지의 사용 조건에서 과충전 등으로 인해 발생한 리튬 덴드라이트(dendrite)일 수 있다. 단락 상태(402, 403)는 단락 물체(410)와 같은 이물질에 의한 단락을 도시하였으나, 단락 물체(410)가 아닌 물리적인 외력에 의해 리튬 이온 전지(300)가 파손되어 발생할 수 있는 단락 상태 또한 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 단락 상태(402, 403)에서, 음극 활물질(312), 음극 기재(314), 양극 활물질(322), 및 양극 기재(324)는 단락 물체(410)와 접촉되거나, 단락 물체(410)에 의해 관통될 수 있고, 단락 물체(410)에 의해 리튬 이온 전지(300) 내부에 새로운 전류 경로(current path)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 단락 상태(402, 403)에서, 전자는 외부 회로(340)가 아닌, 음극 활물질(312)로부터 단락 물체(410)를 통해 양극 활물질(322)로 이동할 수 있다. 단락 물체(410)를 통과하는 급격한 전류 흐름에 의한 발열 및 음극 활물질(312)과 양극 활물질(322)이 접촉하여 발생하는 화학 반응에 의한 발열로 인해, 리튬 이온 전지(300)의 온도는 급격히 증가될 수 있고, 임계 온도 도달 시 양성 피드백 반응인 열 폭주(thermal runaway)가 유발될 수 있다.
일 실시 예에서, 단락 상태(402, 403)에서, 리튬 이온 전지(300)의 양극(320) 및 음극(310)의 전위 차는 감소될 수 있다. 단락 상태(402, 403)에서 단락 물체(410)에 의해 과도한 전류가 흐를 수 있다. 단락 상태(402, 403)에서 음극(310)에서 양극(320)으로의 직접적 전자 이동과 동시에 전해질(350) 및 음극(310)에서 양극(320)으로의 리튬 이온의 이동이 유발될 수 있고, 리튬 이온 전지(300)의 급속 방전이 발생될 수 있다. 리튬 이온 전지(300)의 급속 방전으로 인해 전압의 급강하가 발생될 수 있다. 상기 전압의 급강하는 단락 물체(410)에 의한 단락 부위 및 상기 단락 부위 근처에서 가장 크게 발생할 수 있다.
일 실시 예에서, 단락 상태(402, 403)에서 리튬 이온 전지(300) 내부의 단락 저항은 단락 물체(410)의 고유 저항, 단락 물체(410)와 리튬 이온 전지(300)의 접촉 저항 등 여러 변수를 고려해야하기 때문에 결정하기 어렵고, 실제로 측정하기 어려울 수 있다. 따라서, 리튬 이온 전지(300)의 단락 저항은 음극(310) 및 양극(320)의 전위 차에 기반한 시뮬레이션을 통해 추정될 수 있다. 예를 들면, 단락 상태(402)에서 단락 저항이 0.0 mΩ 또는 0.0 mΩ에 근접한 값을 가질 경우, 단락 위치에서의 전압은 양극(320)과 음극(310)이 유사한 0.2 V일 수 있고, 외부 단자로 측정된 전압은 0.42 V일 수 있다. 다른 예를 들면, 단락 상태(403)에서 단락 저항이 5.2 mΩ일 경우, 단락 위치에서의 전압은 양극(320)이 0.58 V, 음극(310)이 0.4 V일 수 있고, 외부 단자로 측정된 전압은 2.03 V일 수 있다. 외부 단자로 측정된 전압은 단락 전류량, 배터리 용량 및 단락 시간에 따라 달라질 수 있다.
일 실시 예에서, 리튬 이온 전지(300)의 단락 물체(410)의 저항(단락 저항)에 따라, 리튬 이온 전지(300)의 온도가 상승하는 정도 및 양상은 달라질 수 있다. 예를 들면, 단락 저항이 작아질수록 단락 전류는 증가하게 되고, 증가된 단락 전류는 더 큰 발열을 야기할 수 있다. 다른 예를 들면, 리튬 이온 전지(300)가, 도 3을 참조하여 설명하였듯이, 복수 개의 셀 구조를 포함하는 경우, 리튬 이온 전지(300)의 내부 저항보다 낮은 단락 저항은, 단락 물체(410)의 관통 영역 및 상기 복수 개의 셀 구조들이 연결되는 탭 부위의 온도의 급격한 상승을 야기할 수 있다. 그 이유는 상기 복수 개의 셀 구조 중 내부 단락이 발생하지 않은 셀의 양극으로부터 상기 탭 부위를 통과하여 내부 단락이 발생한 셀의 양극으로 전류가 집중되어 흐르고, 상기 양극으로 집중된 전류는 단락 물체(410)를 통해 내부 단락이 발생한 셀의 음극 및 내부 단락이 발생하지 않은 셀의 음극으로 흐르기 때문일 수 있다.
이하 안전 기능층(326)이 정상 상태(401) 및 단락 상태(402, 403)에서 리튬 이온 전지(300)의 발열 및 발화를 방지하기 위해 동작하는 원리를 설명한다.
정상 상태(401)에서 안전 기능층(326)은 다른 물질들과 반응하지 않고 안정된 상태를 유지할 수 있다. 예를 들면, 도 5를 참조하면, 안전 기능층(326)은 양극(320)의 전위가 약 1.0 V 이상인 경우, 전류, 부피, 및 용량(capacity)의 변화가 없을 수 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)은 양극(320)에 위치하고 있고, 정상 상태(401)의 리튬 이온 전지(300)의 양극(320)의 전위는 2.0 V 이상을 유지하기 때문에, 리튬 이온 전지(300)가 정상적으로 동작 중인 상태에서 안전 기능층(326)은 반응성 없이 안정적으로 유지될 수 있다.
단락 상태(402, 403)에서 리튬 이온 전지(300)의 양극(320)의 전위는 1.0 V이하로 떨어질 수 있고, 이러한 경우 안전 기능층(326)은 리튬 이온 전지(300) 내의 리튬 이온과 합금 반응(alloying reaction)할 수 있다. 도 5의 그래프(501) 및 그래프(503)를 참조하면, 전극의 전압이 약 1.0 V 이하에서의 전류 및 용량(capacity)의 변화는 안전 기능층(326)과 리튬 이온의 반응이 일어남을 의미할 수 있다.
일 실시 예에서, 안전 기능층(326)과 리튬 이온과 반응함으로써, 리튬 이온 전지(300) 내 전해질(350)에 있는 리튬 이온의 농도가 감소될 수 있다. 리튬 이온이 소진됨으로써, 리튬 이온 전지(300)의 내부 저항이 증가될 수 있다. 리튬 이온의 소진으로 내부 저항이 증가되는 이유는, 예를 들면, 리튬 이온 전지(300)의 전해질(350)에서 리튬 이온이 고갈됨에 따라 교환 전류 밀도(exchange current density, i0) 및 전해질 전도도(electrolyte conductivity, κeff)가 감소되기 때문일 수 있다. 증가된 내부 저항은 단락 전류를 급격히 감소시킬 수 있다. 안전 기능층(326)에 의해 억제된 단락 전류는 단락 상태(402, 403)에서도 리튬 이온 전지(300)의 발열을 줄일 수 있고, 리튬 이온 전지(300)가 안전하게 소진되도록 할 수 있다.
일 실시 예에서, 안전 기능층(326)은 리튬 이온과 반응함으로써 부피가 증가될 수 있다. 예를 들면, 도 5의 그래프(502)를 참조하면, 안전 기능층(326)의 부피는 전극의 전압이 약 1.0 V이하의 구간에서 초기 부피의 최대 4배까지 팽창할 수 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)의 부피 팽창으로 인해 양극 활물질(322) 및 양극 기재(324) 사이의 거리가 커질 수 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)과 리튬 이온의 반응으로 가스가 발생할 수 있다. 발생된 가스는 전해질(350)을 밀어내어 리튬 이온의 이동을 방해하고 양극(320)과 음극(310) 사이의 거리가 커질 수 있다. 양극 활물질(322) 및 양극 기재(324)가 서로 멀어짐으로써, 리튬 이온 전지(300)의 내부 저항이 급격히 증가될 수 있고, 증가된 내부 저항은 내부 단락으로 인한 단락 전류를 억제할 수 있다. 안전 기능층(326)에 의해 억제된 단락 전류는 단락 상태(402, 403)에서도 리튬 이온 전지(300)의 발열을 줄일 수 있고, 리튬 이온 전지(300)를 안전하게 소진하게 할 수 있다.
일 실시 예에서, 리튬 이온 전지(300)가 복수 개의 셀 구조를 포함하고, 상기 복수개의 셀 구조 중 적어도 하나의 셀 구조에서 내부 단락이 발생하더라도, 안전 기능층(326)에 의해 내부 단락이 발생한 셀 구조의 단락 전류가 억제될 수 있고, 리튬 이온 전지(300)의 안전성이 향상될 수 있다. 이러한 점에서, 일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)는 모바일 장치의 전지 뿐만 아니라, 모바일 장치의 전지에 비해 많은 수의 셀 구조를 포함하는 대형 전지(예: 전기 자동차용 전지)에도 적용될 수 있다.
일 실시 예에서, 안전 기능층(326)은 박막의 형태로 양극 기재(324) 상에 코팅되기 때문에, 리튬 이온 전지(300)의 에너지 밀도의 감소를 최소화하면서 안전성을 향상시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 안전 기능층(326)을 양극 기재(324) 상에 코팅하는 공정은, 안전 기능층(326)에 포함되는 G14의 가격이 상대적으로 저렴하고, 통상의 기술자가 적용가능한 코팅 기술을 이용할 수 있기 때문에, 공정 비용이 저렴하고 공정 난이도 또한 낮을 수 있다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)를 도시한다.
도 6에 도시된 리튬 이온 전지(300)에 대한 설명은, 도 3 내지 도 5의 리튬 이온 전지(300)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 도 3에 도시된 전해질(350)은 설명의 편의상 도 6에 도시하지 않았다.
도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(300)의 양극 활물질(322)은 G14(610)를 포함할 수 있다. G14(610)는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 및 주석(Sn)과 같은 14족 원소를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 양극 활물질(322)은 G14 중 적어도 하나의 종을 포함할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질(322)은 G14 중 어느 하나의 종인 실리콘(Si)만을 포함할 수 있고, 다른 예로, 양극 활물질(322)은 G14 중 어느 두개의 종인 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)을 포함할 수도 있다. 일 실시 예에서, 양극 활물질(322)에 포함되는 상기 G14는 전도성이 있는 물질, 예를 들면 탄소(carbon)와 함께 혼합되거나, 탄소가 코팅된 형태로 구현될 수도 있다. 일 실시 예에서, 상기 G14가 혼합된 양극 활물질(322)이 안전 기능층(326) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 G14가 혼합된 양극 활물질(322)은, 상기 G14 및 양극 활물질(322)을 바인더 및 용매와 혼합하여 슬러리(slurry)의 형태로 제조하고 상기 슬러리를 안전 기능층(326)에 코팅하는 방식으로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 양극 활물질(322)에 포함된 상기 G14의 종은 안전 기능층(326)에 포함된 G14의 종과 동일할 수 있다. 다른 실시 예에서, 일 실시 예에서, 양극 활물질(322)에 포함된 상기 G14의 종은 안전 기능층(326)에 포함된 G14의 종과 상이할 수도 있다.
일 실시 예에서, 양극 활물질(322)에 포함된 상기 G14가 리튬 이온 전지(300)의 안전성 향상을 위해 작용하는 원리는 안전 기능층(326)과 동일할 수 있다.
예를 들면, 양극 활물질(322)의 상기 G14는 내부 단락 시 리튬 이온을 소모할 수 있고, 리튬 이온이 고갈됨에 따라 단락 전류는 감소될 수 있다. 양극 활물질(322)의 상기 G14에 의해 단락 전류가 억제됨으로써 리튬 이온 전지(300)의 발열은 감소될 수 있고, 안전성은 향상될 수 있다.
다른 예를 들면, 양극 활물질(322)의 상기 G14는 내부 단락 시 리튬 이온과 반응함으로써 부피가 증가될 수 있고, 상기 G14와 리튬 이온의 반응으로 인해 가스가 발생될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 G14의 부피 팽창 및 가스의 발생으로 인해 양극 활물질(322)의 리튬 화합물(예: LCO) 입자 간 거리가 멀어질 수 있다. 양극 활물질(322)의 리튬 화합물(예: LCO) 입자 간 거리가 멀어짐으로써, 리튬 이온 전지(300)의 내부 저항이 급격히 증가될 수 있고, 증가된 내부 저항은 내부 단락으로 인한 단락 전류를 억제할 수 있다. 양극 활물질(322)의 상기 G14에 의해 단락 전류가 억제됨으로써, 내부 단락이 발생하더라도 리튬 이온 전지(300)의 발열은 감소될 수 있고, 리튬 이온 전지(300)는 안전하게 소진될 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 안전 기능층(326)을 포함하는 리튬 이온 전지(300) 및 안전 기능층(326)을 포함하지 않는 리튬 이온 전지의 동작을 비교하기 위한 흐름도이다.
도 7은 안전 기능층(326)을 포함하는 리튬 이온 전지(300)를 기준으로 하였으나, 도 6의 실시 예와 같이, G14가 혼합된 양극 활물질(322) 및 안전 기능층(326)을 포함하는 리튬 이온 전지(300)에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
이하에서, 안전 기능층(326)을 포함하는 리튬 이온 전지(300)를 제1 전지(300)로 지칭하고, 안전 기능층(326)을 포함하지 않는 리튬 이온 전지를 제2 전지(700)로 지칭한다. 이는 단순히 설명의 편의를 위한 것이다.
도 7을 참조하면, 동작 701에서 제1 전지(300) 및 제2 전지(700)는 정상적으로 동작될 수 있다. 예를 들면, 제1 전지(300) 및 제2 전지(700)는 도 4에 도시된 정상 상태(401)와 같이 동작될 수 있다.
동작 703에서, 제1 전지(300) 및 제2 전지(700)에 내부 단락이 발생될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 단락 상태(402, 403)와 같이, 제1 전지(300) 및 제2 전지(700)의 내부에 단락 물체(410)에 의한 내부 단락이 발생될 수 있다.
동작 705에서, 제1 전지(300) 및 제2 전지(700)의 양극의 전압이 1.0 V 이하로 떨어질 수 있다. 예를 들면, 제1 전지(300) 및 제2 전지(700)의 셀 전압(또는 양극과 음극의 전위 차)는 내부 단락에 의해 1.0 V 이하로 내려갈 수 있다.
동작 706에서, 제1 전지(300)의 안전 기능층(326)은 리튬 이온과 반응할 수 있다. 제1 전지(300)와 달리, 동작 707에서, 제2 전지(700)는 단락 전류에 의해 발열이 일어날 수 있다.
동작 708에서, 제1 전지(300)의 안전 기능층(326)과 리튬 이온의 반응으로 인해 리튬 이온이 소모되고, 안전 기능층(326)의 부피가 증가되고 가스가 발생될 수 있다. 제1 전지(300)와 달리, 동작 709에서, 제2 전지(700)는 동작 707의 발열로 인해 분리막이 수축되고 내부 단락의 정도는 더욱 심화되어 단락 전류가 증가될 수 있다.
동작 710에서, 제1 전지(300)는 동작 709로 인해 양극 활물질(322)과 양극 기재(324) 간 거리가 증가되어 제1 전지(300)의 내부 저항이 증가되고, 증가된 내부 저항에 의해 단락 전류가 감소될 수 있다. 제1 전지(300)와 달리, 동작 711에서, 제2 전지(700)는 동작 709의 단락 전류의 증가로 인해 발열량이 증가할 수 있다.
동작 712에서, 제1 전지(300)는 동작 711에서 감소된 단락 전류로 인해 안전하게 소진될 수 있다. 제1 전지(300)와 달리, 동작 713에서, 제2 전지(700)는 동작 709의 발열량의 증가로 인해 발화될 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 전자 장치(예: 도 8의 전자 장치(801))는, 배터리(예: 도 3의 리튬 이온 전지(300))를 포함하고, 상기 배터리는 양극(예: 도 3의 양극(320)), 음극(예: 도 3의 음극(310)), 전해질(예: 도 3의 전해질(350)), 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막(예: 도 3의 분리막(330))을 포함하고, 상기 양극은, 도전성인 기재층(예: 도 3의 양극 기재(324)), 상기 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 활물질층(예: 도 3의 양극 활물질(322)), 및 상기 활물질층 및 상기 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층(예: 도 3의 안전 기능층(326))을 포함하고, 상기 안전 기능층은 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층에 포함된 상기 14족 원소로 이루어진 입자는 탄소 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층은 탄소 및 상기 탄소를 제외한 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 활물질층은 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 활물질층에 포함된 상기 14족 원소 중 적어도 하나로 이루어진 입자는 탄소 코팅층을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 리튬 이온 전지(예: 도 3의 리튬 이온 전지(300))는, 양극(예: 도 3의 양극(320)), 음극(예: 도 3의 음극(310)), 전해질(예: 도 3의 전해질(350)), 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막(예: 도 3의 분리막(330))을 포함하고, 상기 양극은, 도전성 기재층(예: 도 3의 양극 기재(324)), 상기 도전성 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 양극 활물질층(예: 도 3의 양극 활물질(322)), 및 상기 양극 활물질층 및 상기 도전성 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층(예: 도 3의 안전 기능층(326))을 포함하고, 상기 안전 기능층은 14족 원소를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층은 상기 14족 원소 중 적어도 하나 이상의 종을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층에 포함된 상기 14족 원소로 이루어진 입자는 탄소 코팅될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층은 탄소 및 상기 탄소를 제외한 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층은 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 양극 활물질층은 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 양극 활물질층에 포함된 상기 14족 원소 중 상기 적어도 하나로 이루어진 입자는 탄소 코팅될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층에 포함된 상기 14족 원소 및 상기 양극 활물질층에 포함된 상기 14족 원소의 종은 서로 상이할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층은 상기 리튬 이온 전지가 내부 단락되는 경우, 상기 리튬 이온 전지의 리튬 이온과 반응할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 안전 기능층은 상기 리튬 이온과 반응하여 부피가 팽창할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 양극 활물질층은 LiCoO2, LiFePO4, LiNiMnCoO2, 또는 LiNiCoAlO2를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 도전성 기재층은 양극 기재층이고, 상기 음극은 도전성인 음극 기재층(예: 도 3의 음극 기재(314)), 및 상기 음극 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 음극 활물질층(예: 도 3의 음극 활물질(312))을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 양극 기재층은 알루미늄 박막을 포함하고, 상기 음극 기재층은 구리 박막을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 음극 활물질층은 흑연을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 양극은 상기 양극 활물질층에 혼합되는 도전재 및 바인더를 더 포함할 수 있다.
도 8은, 다양한 실시예들에 따른, 네트워크 환경(800) 내의 전자 장치(801)의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 네트워크 환경(800)에서 전자 장치(801)는 제 1 네트워크(898)(예: 근거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(802)와 통신하거나, 또는 제 2 네트워크(899)(예: 원거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(804) 또는 서버(808)와 통신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 전자 장치(801)는 서버(808)를 통하여 전자 장치(804)와 통신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 전자 장치(801)는 프로세서(820), 메모리(830), 입력 장치(850), 음향 출력 장치(855), 표시 장치(860), 오디오 모듈(870), 센서 모듈(876), 인터페이스(877), 햅틱 모듈(879), 카메라 모듈(880), 전력 관리 모듈(888), 배터리(889)(예: 리튬 이온 전지(300)), 통신 모듈(890), 가입자 식별 모듈(896), 또는 안테나 모듈(897)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 전자 장치(801)에는, 이 구성요소들 중 적어도 하나(예: 표시 장치(860) 또는 카메라 모듈(880))가 생략되거나, 하나 이상의 다른 구성 요소가 추가될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이 구성요소들 중 일부들은 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(876)(예: 지문 센서, 홍채 센서, 또는 조도 센서)은 표시 장치(860)(예: 디스플레이)에 임베디드된 채 구현될 수 있다
프로세서(820)는, 예를 들면, 소프트웨어(예: 프로그램(840))를 실행하여 프로세서(820)에 연결된 전자 장치(801)의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일실시예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 프로세서(820)는 다른 구성요소(예: 센서 모듈(876) 또는 통신 모듈(890))로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리(832)에 로드하고, 휘발성 메모리(832)에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(834)에 저장할 수 있다. 일실시예에 따르면, 프로세서(820)는 메인 프로세서(821)(예: 중앙 처리 장치 또는 어플리케이션 프로세서), 및 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(823)(예: 그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서)를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대체적으로, 보조 프로세서(823)는 메인 프로세서(821)보다 저전력을 사용하거나, 또는 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서(823)는 메인 프로세서(821)와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
보조 프로세서(823)는, 예를 들면, 메인 프로세서(821)가 인 액티브(예: 슬립) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(821)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(821)가 액티브(예: 어플리케이션 실행) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(821)와 함께, 전자 장치(801)의 구성요소들 중 적어도 하나의 구성요소(예: 표시 장치(860), 센서 모듈(876), 또는 통신 모듈(890))와 관련된 기능 또는 상태들의 적어도 일부를 제어할 수 있다. 일실시예에 따르면, 보조 프로세서(823)(예: 이미지 시그널 프로세서 또는 커뮤니케이션 프로세서)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(예: 카메라 모듈(880) 또는 통신 모듈(890))의 일부로서 구현될 수 있다.
메모리(830)는, 전자 장치(801)의 적어도 하나의 구성요소(예: 프로세서(820) 또는 센서 모듈(876))에 의해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(예: 프로그램(840)) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(830)는, 휘발성 메모리(832) 또는 비휘발성 메모리(834)를 포함할 수 있다.
프로그램(840)은 메모리(830)에 소프트웨어로서 저장될 수 있으며, 예를 들면, 운영 체제(842), 미들 웨어(844) 또는 어플리케이션(846)을 포함할 수 있다.
입력 장치(850)는, 전자 장치(801)의 구성요소(예: 프로세서(820))에 사용될 명령 또는 데이터를 전자 장치(801)의 외부(예: 사용자)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(850)는, 예를 들면, 마이크, 마우스, 키보드, 또는 디지털 펜(예: 스타일러스 펜)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(855)는 음향 신호를 전자 장치(801)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(855)는, 예를 들면, 스피커 또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 일실시예에 따르면, 리시버는 스피커와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
표시 장치(860)는 전자 장치(801)의 외부(예: 사용자)로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(860)는, 예를 들면, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 표시 장치(860)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(touch circuitry), 또는 상기 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(예: 압력 센서)를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(870)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 일실시예에 따르면, 오디오 모듈(870)은, 입력 장치(850)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(855), 또는 전자 장치(801)와 직접 또는 무선으로 연결된 외부 전자 장치(예: 전자 장치(802)) (예: 스피커 또는 헤드폰))를 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(876)은 전자 장치(801)의 작동 상태(예: 전력 또는 온도), 또는 외부의 환경 상태(예: 사용자 상태)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 일실시예에 따르면, 센서 모듈(876)은, 예를 들면, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(877)는 전자 장치(801)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(802))와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 일실시예에 따르면, 인터페이스(877)는, 예를 들면, HDMI(high definition multimedia interface), USB(universal serial bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(878)는, 그를 통해서 전자 장치(801)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(802))와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 연결 단자(878)는, 예를 들면, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 또는 오디오 커넥터(예: 헤드폰 커넥터)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(879)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(예: 진동 또는 움직임) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 일실시예에 따르면, 햅틱 모듈(879)은, 예를 들면, 모터, 압전 소자, 또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(880)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 일실시예에 따르면, 카메라 모듈(880)은 하나 이상의 렌즈들, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 또는 플래시들을 포함할 수 있다.
전력 관리 모듈(888)은 전자 장치(801)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 일실시예에 따르면, 전력 관리 모듈(388)은, 예를 들면, PMIC(power management integrated circuit)의 적어도 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(889)는 전자 장치(801)의 적어도 하나의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 일실시예에 따르면, 배터리(889)는, 예를 들면, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(890)은 전자 장치(801)와 외부 전자 장치(예: 전자 장치(802), 전자 장치(804), 또는 서버(808))간의 직접(예: 유선) 통신 채널 또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(890)은 프로세서(820)(예: 어플리케이션 프로세서)와 독립적으로 운영되고, 직접(예: 유선) 통신 또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 통신 모듈(890)은 무선 통신 모듈(892)(예: 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 또는 유선 통신 모듈(894)(예: LAN(local area network) 통신 모듈, 또는 전력선 통신 모듈)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제 1 네트워크(898)(예: 블루투스, Wi-Fi direct 또는 IrDA(infrared data association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제 2 네트워크(899)(예: 셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(예: LAN 또는 WAN)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 외부 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(예: 단일 칩)으로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(예: 복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(892)은 가입자 식별 모듈(896)에 저장된 가입자 정보(예: 국제 모바일 가입자 식별자(IMSI))를 이용하여 제 1 네트워크(898) 또는 제 2 네트워크(899)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(801)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(897)은 신호 또는 전력을 외부(예: 외부 전자 장치)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 안테나 모듈은 서브 스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함하는 하나의 안테나를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 안테나 모듈(897)은 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 제 1 네트워크(898) 또는 제 2 네트워크(899)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 적어도 하나의 안테나가, 예를 들면, 통신 모듈(890)에 의하여 상기 복수의 안테나들로부터 선택될 수 있다. 신호 또는 전력은 상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통하여 통신 모듈(890)과 외부 전자 장치 간에 송신되거나 수신될 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 방사체 이외에 다른 부품(예: RFIC)이 추가로 안테나 모듈(897)의 일부로 형성될 수 있다.
상기 구성요소들 중 적어도 일부는 주변 기기들간 통신 방식(예: 버스, GPIO(general purpose input and output), SPI(serial peripheral interface), 또는 MIPI(mobile industry processor interface))를 통해 서로 연결되고 신호(예: 명령 또는 데이터)를 상호간에 교환할 수 있다.
일실시예에 따르면, 명령 또는 데이터는 제 2 네트워크(899)에 연결된 서버(808)를 통해서 전자 장치(801)와 외부의 전자 장치(804)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 전자 장치(802, 804) 각각은 전자 장치(801)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 일실시예에 따르면, 전자 장치(801)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 외부 전자 장치들(802, 804, or 808) 중 하나 이상의 외부 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(801)가 어떤 기능이나 서비스를 자동으로, 또는 사용자 또는 다른 장치로부터의 요청에 반응하여 수행해야 할 경우에, 전자 장치(801)는 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 또는 추가적으로, 하나 이상의 외부 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 적어도 일부를 수행하라고 요청할 수 있다. 상기 요청을 수신한 하나 이상의 외부 전자 장치들은 요청된 기능 또는 서비스의 적어도 일부, 또는 상기 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(801)로 전달할 수 있다. 전자 장치(801)는 상기 결과를, 그대로 또는 추가적으로 처리하여, 상기 요청에 대한 응답의 적어도 일부로서 제공할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 전자 장치는, 예를 들면, 휴대용 통신 장치 (예: 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 또는 가전 장치를 포함할 수 있다. 본 문서의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나","A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine)(예: 전자 장치(801)) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리(836) 또는 외장 메모리(838))에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램(840))로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기(예: 전자 장치(801))의 프로세서(예: 프로세서(820))는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일실시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory (CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두개의 사용자 장치들(예: 스마트폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불 휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 콤팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위 뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 전자 장치에 있어서,
    배터리를 포함하고,
    상기 배터리는:
    양극;
    음극;
    전해질; 및
    상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고,
    상기 양극은:
    도전성인 기재층;
    상기 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 활물질층; 및
    상기 활물질층 및 상기 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층을 포함하고,
    상기 안전 기능층은 14족 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전 기능층에 포함된 상기 14족 원소로 이루어진 입자는 탄소 코팅층을 포함하는, 전자 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전 기능층은 탄소 및 상기 탄소를 제외한 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 활물질층은 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 활물질층에 포함된 상기 14족 원소 중 적어도 하나로 이루어진 입자는 탄소 코팅층을 포함하는, 전자 장치.
  6. 리튬 이온 전지에 있어서,
    양극;
    음극;
    전해질; 및
    상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고,
    상기 양극은:
    도전성 기재층;
    상기 도전성 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 양극 활물질층; 및
    상기 양극 활물질층 및 상기 도전성 기재층 사이에 개재되는 안전 기능층을 포함하고,
    상기 안전 기능층은 14족 원소를 포함하는, 리튬 이온 전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 안전 기능층은 상기 14족 원소 중 적어도 하나 이상의 종을 포함하는 리튬 이온 전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 안전 기능층에 포함된 상기 14족 원소로 이루어진 입자는 탄소 코팅된, 리튬 이온 전지.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 안전 기능층은 탄소 및 상기 탄소를 제외한 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 전지.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 안전 기능층은 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 두께를 갖는, 리튬 이온 전지.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 양극 활물질층은 상기 14족 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 양극 활물질층에 포함된 상기 14족 원소 중 상기 적어도 하나로 이루어진 입자는 탄소 코팅된, 리튬 이온 전지.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 안전 기능층에 포함된 상기 14족 원소 및 상기 양극 활물질층에 포함된 상기 14족 원소의 종은 서로 상이한, 리튬 이온 전지.
  14. 청구항 6에 있어서,
    상기 안전 기능층은 상기 리튬 이온 전지가 내부 단락되는 경우, 상기 리튬 이온 전지의 리튬 이온과 반응하는, 리튬 이온 전지.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 안전 기능층은 상기 리튬 이온과 반응하여 부피가 팽창하는, 리튬 이온 전지.
  16. 청구항 6에 있어서,
    상기 양극 활물질층은 LiCoO2, LiFePO4, LiNiMnCoO2, 또는 LiNiCoAlO2를 포함하는, 리튬 이온 전지.
  17. 청구항 6에 있어서,
    상기 도전성 기재층은 양극 기재층이고,
    상기 음극은:
    도전성인 음극 기재층; 및
    상기 음극 기재층 및 상기 분리막 사이에 배치되는 음극 활물질층;을 포함하는, 리튬 이온 전지.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 양극 기재층은 알루미늄 박막을 포함하고,
    상기 음극 기재층은 구리 박막을 포함하는, 리튬 이온 전지.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 흑연을 포함하는, 리튬 이온 전지.
  20. 청구항 6에 있어서,
    상기 양극은 상기 양극 활물질층에 혼합되는 도전재 및 바인더를 더 포함하는, 리튬 이온 전지.
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