WO2021177666A1 - 리튬 이온 전지 및 그것을 포함하는 전자 장치 - Google Patents

리튬 이온 전지 및 그것을 포함하는 전자 장치 Download PDF

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positive electrode
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송재희
이재연
오부근
윤종문
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Definitions

  • Various embodiments relate to lithium ion batteries and electronic devices including the same.
  • Lithium-ion batteries can be used in various industries, such as mobile devices and electric vehicles. With the widespread use of lithium ion batteries, there is an increasing interest in the safety and lifespan of lithium ion batteries.
  • the internal short circuit of the battery has a significant impact on the safety and lifespan of the lithium ion battery and is the most common cause of ignition accidents of the lithium ion battery.
  • the internal short circuit of a lithium ion battery can cause metal dendrite to precipitate during battery use, copper (Cu) contained in the negative electrode is oxidized and eluted, the separator is defective, or the solid electrolyte interfacial membrane (SEI). interphase) may be decomposed, or it may be caused by an external physical shock. Thermal runaway of the lithium ion battery may occur due to an internal short circuit, and the lithium ion battery may ignite or explode.
  • LiCoO 2 (LCO) and LiFePO 4 (LFP) may be used as a cathode active material.
  • FIG. 1 is a differential scanning calorimetry (DSC) graph of a positive half-cell when LiCoO 2 (LCO) contains LiFePO 4 (LFP) and when LiFePO 4 (LFP) is not included.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • an increase in heat flow and a lower calorific value may be lower in the case of using a mixture of LCO and LFP than when LCO is used alone as the cathode active material.
  • LFP having an olivine structure instantaneously consumes lithium (Li) ions in the case of a short circuit of the battery, so that the calorific value may be reduced. Due to the stable structural characteristics of the LFP, the safety of the lithium ion battery can be improved not only in the short-circuit condition of the battery but also in the overheating or overcharging condition.
  • FIG. 2 is a graph comparing discharge curves for each C-rate of a battery to which only LCO is applied as a positive electrode active material and a battery to which LCO and LFP are applied.
  • a battery to which only LCO is applied as a cathode active material may have a reduced capacity than a battery to which LCO and LFP are applied.
  • the difference may be larger.
  • the safety of the lithium ion battery may increase, but the energy density of the lithium ion battery may decrease. This may be because the capacity per volume (589 mAhcm -3 ) and average operating voltage (3.4V) of the LFP are lower than the LCO (1363 mAhcm -3 , 3.8 V).
  • the method of using a material mixed with LCO and LFP as a cathode active material of a lithium ion battery is a method of using a lithium ion battery as a positive electrode active material. may be limited.
  • An electronic device includes a battery, wherein the battery includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode includes a conductive substrate layer, the substrate layer and an active material layer disposed between the separation membranes, and a safety function layer interposed between the active material layer and the base layer, wherein the safety function layer may include at least one of a group 14 element.
  • a lithium ion battery includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode includes a conductive substrate layer, a conductive substrate layer and a positive electrode disposed between the conductive substrate layer and the separator An active material layer and a safety function layer interposed between the positive electrode active material layer and the conductive base layer, wherein the safety function layer may include a Group 14 element.
  • the lithium ion battery according to various embodiments may reduce heat generation due to an internal short circuit.
  • Lithium ion batteries according to various embodiments may have improved safety by reducing heat generation due to an internal short circuit.
  • the safety functional layer of the lithium ion battery may suppress a short circuit current by reacting with lithium ions during an internal short circuit.
  • the safety functional layer of the lithium ion battery suppresses a short-circuit current during an internal short circuit, thereby reducing the risk of heat generation and ignition due to an internal short circuit.
  • the safety functional layer of the lithium ion battery may improve safety while minimizing a decrease in energy density of the battery.
  • FIG. 1 is a differential scanning calorimetry (DSC) graph of a positive half-cell when LiCoO 2 (LCO) contains LiFePO 4 (LFP) and when LiFePO 4 (LFP) is not included.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • FIG. 2 is a graph comparing discharge curves for each C-rate of a battery to which only LCO is applied as a cathode active material and a battery to which LCO and LFP are applied.
  • FIG. 3 illustrates a lithium ion battery according to an embodiment.
  • FIG. 4 illustrates a lithium ion battery in a steady state and an internal short-circuit state, according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a change in current, change in capacity, and change in volume of a safety functional layer, respectively, according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 6 illustrates a lithium ion battery according to another embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart for comparing operations of a lithium ion battery including a safety functional layer and a lithium ion battery not including a safety functional layer according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram of an electronic device in a network environment, according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 3 illustrates a lithium ion battery 300 according to an embodiment.
  • a lithium ion battery 300 may include a negative electrode 310 , a separator 330 , an electrolyte 350 , and a positive electrode 320 . have.
  • the negative electrode 310 and the positive electrode 320 may be respectively referred to as an anode and a cathode when the secondary battery is discharged.
  • the negative electrode 310 may include a negative active material 312 and a negative electrode substrate 314 .
  • the anode active material 312 and the anode base 314 may be referred to as a cathode active material layer 312 and a cathode base layer 314 , respectively.
  • the negative active material 312 may generate or consume electrons according to an electrochemical reaction. For example, when the lithium ion battery 300 is charged, electrons supplied through the external circuit 340 may be consumed by being combined with lithium ions in the negative active material 312 , and when the lithium ion battery 300 is discharged, the negative electrode As lithium ions and electrons are separated from the active material 312 , electrons may be generated.
  • graphite may be used as a material of the negative active material, but is not limited thereto. Examples of materials that can be used as an anode active material of the lithium ion battery 300 and properties thereof are shown in Table 1 below.
  • 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 Li 2 O (amorphous) N/A N/A
  • the negative active material 312 may be mixed with a conductive material and a binder.
  • the conductive material may improve electrical conductivity in the negative electrode 310 .
  • the binder is a material that allows the anode active material 312 to be easily attached to the anode substrate 314, and a polymer material such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and rubber/carboxymethylcellulose (SBR/CMC) may be used.
  • the negative electrode substrate 314 may collect electrons generated in the negative active material 312 according to an electrochemical reaction or may provide electrons required for an electrochemical reaction to the negative active material 312 .
  • the negative electrode substrate 314 is electrically connected to the external circuit 340 to provide electrons generated from the negative active material 312 to the external circuit 340 during discharging or to the external circuit 340 during charging.
  • the supplied electrons may be provided to the negative active material 312 .
  • the negative electrode substrate 314 may include a metal, for example, a copper foil, but is not limited thereto.
  • the separator 330 may provide a passage through which lithium ions may pass, and may prevent the positive electrode 320 and the negative electrode 310 from being in physical contact to improve the stability of the lithium ion battery 300 .
  • the positive electrode 320 may include a positive active material 322 , a positive electrode substrate 324 , and a safety function layer 326 .
  • the positive electrode active material 322 , the positive electrode substrate 324 , and the safety function layer 326 may be respectively referred to as the positive electrode active material layer 322 , the positive electrode substrate layer 324 , and the protective layer 326 . have.
  • the positive active material 322 is a material directly involved in the electrode reaction of the lithium ion battery 300 , and may generate or consume electrons according to an electrochemical reaction. For example, when the lithium ion battery 300 is charged, electrons may be generated while the lithium compound is ionized in the positive electrode active material 322 , and electrons supplied through the external circuit 340 when the lithium ion battery 300 is discharged. may be consumed by being combined with lithium ions in the positive electrode active material 322 .
  • the positive active material 322 may include lithium oxide having a layered structure, for example, LiCoO 2 (LCO), but is not limited thereto.
  • the positive active material 322 may include NMC (LiNiCoMnO 2 , Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide) or NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide, LiNiCoAlO 2 ). Examples of materials that can be used as a cathode active material of the lithium ion battery 300 and properties thereof are shown in Table 2 below.
  • the positive electrode active material 322 may include Group 14 elements as shown in FIG. 6 to be described later.
  • the positive active material 322 may be mixed with a conductive material and a binder.
  • the conductive material may improve electrical conductivity in the anode 320 .
  • the binder is a material that allows the positive electrode active material 322 to be easily attached to the positive electrode substrate 324 , and a polymer material such as polyvinylidene fluoride (PVDF) may be used.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the positive electrode substrate 324 may be connected to the external circuit 340 to supply electrons generated during a charging or discharging process to the outside or the inside of the positive electrode active material 322 .
  • the positive electrode substrate 324 is electrically connected to the external circuit 340 to provide electrons generated from the positive electrode active material 322 to the external circuit 340 during charging, or the external circuit 340 during discharging.
  • the supplied electrons may be provided to the positive electrode active material 322 .
  • the anode substrate 324 may include a metal.
  • the anode substrate 324 may include an aluminum foil, but is not limited thereto.
  • the positive electrode substrate 324 may be referred to as a substrate layer 324 or a conductive substrate layer 324 in that it includes a metal and may be implemented in the form of a foil.
  • the safety functional layer 326 may include a Group 14 element (hereinafter, G14) such as silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn).
  • G14 Group 14 element
  • the safety functional layer 326 may include at least one species of G14.
  • the safety function layer 326 may include only silicon (Si), which is any one species of G14, and as another example, the safety function layer 326 may include silicon (Si) and tin (Si) which is any two species of G14. Sn) may be included.
  • the G14 of the safety function layer 326 may be mixed with a conductive material, for example, carbon, or implemented in a carbon-coated form.
  • the safety function layer 326 may be disposed between the positive electrode substrate 324 and the positive electrode active material 322 .
  • the safety function layer 326 may be coated on the positive electrode substrate 324 to a thickness of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the positive electrode active material 322 may be disposed on the coated safety function layer 326 .
  • various methods applicable to those skilled in the art may be applied.
  • the lithium ion battery 300 may include an electrolyte 350 .
  • the electrolyte 350 may provide a path through which lithium ions may move.
  • the electrolyte 350 may be injected into the lithium ion battery 300 to permeate the negative electrode 310 , the positive electrode 320 , and the separator 330 .
  • the electrolyte 350 may include a liquid electrolyte or a solid electrolyte.
  • the lithium ion battery 300 may include a plurality of cells identical to one cell structure (cathode 310 , positive electrode 320 , and separator 330 ) shown in FIG. 3 .
  • the positive electrode substrates and the negative electrode substrates included in each cell structure may be connected to each other.
  • the positive electrode substrates and the negative electrode substrates may each include a tab protruding from one region.
  • lithium ions are deintercalated from the positive active material 322 and may move to the negative active material 312 through the electrolyte 350 and the separator 330 .
  • Lithium ions that have migrated to the anode active material 312 may be intercalated into the anode active material 312 as a reduction reaction occurs. Electrons generated during the lithium ion desorption process may move to the negative active material 312 through the external circuit 340 .
  • the behavior of lithium ions in the positive electrode active material 322 is an involuntary reaction, and thus may occur when an artificial potential difference is applied from the outside.
  • lithium ions inserted into the anode active material 312 are desorbed and ionized into the electrolyte 350 during discharging, and the ionized lithium ions are the electrolyte 350 and the separator 330 . ) through the positive electrode active material 322 .
  • Electrons generated in the anode active material 312 due to desorption of lithium ions may move to the cathode active material 322 through the external circuit 340 .
  • Lithium ions meet with electrons to cause a reduction reaction and may be inserted into the positive electrode active material 322 . Since the behavior of lithium ions in the negative active material 312 during discharging of the lithium ion battery 300 is a spontaneous reaction, electrons passing through the external circuit 340 may do work.
  • FIG. 4 illustrates a lithium ion battery 300 in a normal state and an internal short circuit state, according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a change in current, a change in capacity, and a change in volume of the safety functional layer 326, respectively, according to an exemplary embodiment.
  • the graphs 501 , 502 , and 503 shown in FIG. 5 show results measured over two times (the first cycle and the second cycle).
  • the normal state 401 is a state in which the lithium ion battery 300 operates normally without an internal short circuit, and the short circuit states 402 and 403 are caused by a short-circuit object 410 .
  • the state in which an internal short circuit occurred is shown.
  • the potential difference between the negative electrode 310 and the positive electrode 320 of the lithium ion battery 300 may be 4.4V.
  • current may flow between the anode 320 and the cathode 310 through an external circuit 340 connected to the anode substrate 314 and the cathode substrate 324 .
  • a short circuit may occur by the short circuit object 410 inside the lithium ion battery 300 .
  • the short-circuiting object 410 may be an artificial object such as a nail used in a short-circuit test, and may be a metal particle introduced during a battery manufacturing process or a lithium dendrite generated due to overcharging under actual battery usage conditions.
  • the short circuit states 402 and 403 show a short circuit caused by a foreign substance such as the short circuit object 410, but a short circuit state that may occur because the lithium ion battery 300 is damaged by a physical external force rather than the short circuit object 410. may include
  • the negative electrode active material 312 , the negative electrode substrate 314 , the positive electrode active material 322 , and the positive electrode substrate 324 are in contact with the shorting object 410 , or the shorting object It may be penetrated by 410 , and a new current path may be formed inside the lithium ion battery 300 by the shorting object 410 .
  • electrons may move from the negative electrode active material 312 to the positive electrode active material 322 through the short circuit object 410 rather than the external circuit 340 .
  • the temperature of the lithium ion battery 300 rapidly increases due to heat generated by the rapid current flowing through the short-circuited object 410 and heat generated by a chemical reaction that occurs when the anode active material 312 and the cathode active material 322 come into contact with each other. and thermal runaway, a positive feedback reaction, may be induced upon reaching a critical temperature.
  • the potential difference between the positive electrode 320 and the negative electrode 310 of the lithium ion battery 300 may be reduced.
  • an excessive current may flow by the short-circuiting object 410 .
  • the movement of lithium ions from the electrolyte 350 and the negative electrode 310 to the positive electrode 320 may be induced at the same time as the direct electron movement from the negative electrode 310 to the positive electrode 320, Rapid discharge of the lithium ion battery 300 may occur.
  • a sudden drop in voltage may occur due to rapid discharging of the lithium ion battery 300 .
  • the sharp drop of the voltage may occur most at a short-circuited portion by the short-circuiting object 410 and near the short-circuited portion.
  • the short circuit resistance inside the lithium ion battery 300 in the short circuit states 402 and 403 is the specific resistance of the short circuit object 410, the contact resistance of the short circuit object 410 and the lithium ion battery 300, etc. It is difficult to determine because variables must be taken into account, and can be difficult to measure in practice. Accordingly, the short-circuit resistance of the lithium ion battery 300 may be estimated through a simulation based on the potential difference between the negative electrode 310 and the positive electrode 320 .
  • the voltage at the short-circuit position may be 0.2 V where the positive electrode 320 and the negative electrode 310 are similar, and the external terminal The measured voltage may be 0.42 V.
  • the voltage at the short-circuit position may be 0.58 V for the positive electrode 320 and 0.4 V for the negative electrode 310, and the voltage measured by the external terminal may be 2.03 V.
  • the voltage measured by the external terminal may vary depending on the amount of short-circuit current, battery capacity, and short-circuit time.
  • the degree and aspect of the increase in the temperature of the lithium ion battery 300 may vary depending on the resistance (short-circuit resistance) of the short-circuiting object 410 of the lithium ion battery 300. For example, as the short-circuit resistance decreases, the short-circuit current increases, and the increased short-circuit current may cause greater heat generation. As another example, as described with reference to FIG. 3 , when the lithium ion battery 300 includes a plurality of cell structures, the short circuit resistance lower than the internal resistance of the lithium ion battery 300 is the short circuit object 410 . The temperature of the penetrating region and the tab portion to which the plurality of cell structures are connected may be rapidly increased.
  • the reason is that current is concentrated and flows from the positive electrode of the cell in which the internal short circuit does not occur among the plurality of cell structures to the positive electrode of the cell in which the internal short circuit has occurred through the tab portion, and the current concentrated to the positive electrode is the short circuited object 410 This may be because it flows through the negative pole of the cell where the internal short circuit occurred and the negative electrode of the cell where the internal short circuit does not occur.
  • the safety function layer 326 operates to prevent heat generation and ignition of the lithium ion battery 300 in the normal state 401 and the short-circuit state 402 and 403 will be described.
  • the safety functional layer 326 may maintain a stable state without reacting with other materials.
  • the safety function layer 326 may have no change in current, volume, and capacity when the potential of the anode 320 is about 1.0 V or more.
  • the safety function layer 326 is located on the positive electrode 320, and since the potential of the positive electrode 320 of the lithium ion battery 300 in the steady state 401 is maintained at 2.0 V or more, lithium ion In a state in which the battery 300 is operating normally, the safety functional layer 326 may be stably maintained without reactivity.
  • the potential of the positive electrode 320 of the lithium ion battery 300 may drop to 1.0 V or less, and in this case, the safety function layer 326 is an alloy with lithium ions in the lithium ion battery 300 . It can react (alloying reaction).
  • the change in current and capacity when the voltage of the electrode is about 1.0 V or less means that the safety functional layer 326 and lithium ions react with each other. can do.
  • the concentration of lithium ions in the electrolyte 350 in the lithium ion battery 300 may be reduced.
  • the internal resistance of the lithium ion battery 300 may be increased.
  • the reason for the increase in internal resistance due to the exhaustion of lithium ions is, for example, as lithium ions are depleted in the electrolyte 350 of the lithium ion battery 300, the exchange current density (i 0 ) and the electrolyte conductivity ( It may be because the electrolyte conductivity, ⁇ eff ) is decreased.
  • the increased internal resistance can drastically reduce the short-circuit current.
  • the short-circuit current suppressed by the safety function layer 326 may reduce heat generation of the lithium ion battery 300 even in the short-circuit conditions 402 and 403 , and may allow the lithium ion battery 300 to be safely consumed.
  • the safety functional layer 326 may increase in volume by reacting with lithium ions.
  • the volume of the safety function layer 326 may expand up to four times the initial volume in a section where the voltage of the electrode is about 1.0 V or less.
  • the distance between the positive electrode active material 322 and the positive electrode substrate 324 may increase due to volume expansion of the safety functional layer 326 .
  • a gas may be generated by a reaction between the safety functional layer 326 and lithium ions. The generated gas pushes off the electrolyte 350 to prevent movement of lithium ions, and the distance between the positive electrode 320 and the negative electrode 310 may increase.
  • the internal resistance of the lithium ion battery 300 may be rapidly increased, and the increased internal resistance may suppress a short circuit current due to an internal short circuit.
  • the short-circuit current suppressed by the safety function layer 326 can reduce heat generation of the lithium ion battery 300 even in the short-circuit conditions 402 and 403 , and can safely exhaust the lithium ion battery 300 .
  • the lithium ion battery 300 includes a plurality of cell structures, and even if an internal short circuit occurs in at least one of the plurality of cell structures, the internal short circuit occurs by the safety function layer 326 .
  • the short circuit current of the cell structure may be suppressed, and the safety of the lithium ion battery 300 may be improved.
  • the lithium ion battery 300 according to an embodiment may be applied not only to a battery of a mobile device, but also to a large battery (eg, a battery for an electric vehicle) including a larger number of cell structures than a battery of a mobile device. have.
  • the safety functional layer 326 is coated on the positive electrode substrate 324 in the form of a thin film, it is possible to improve safety while minimizing a decrease in energy density of the lithium ion battery 300 .
  • the price of G14 included in the safety functional layer 326 is relatively low, and coating technology applicable to those skilled in the art. can be used, so the process cost may be low and the process difficulty may also be low.
  • FIG. 6 illustrates a lithium ion battery 300 according to another embodiment.
  • the description of the lithium ion battery 300 illustrated in FIG. 6 may be equally applied to the description of the lithium ion battery 300 of FIGS. 3 to 5 .
  • the electrolyte 350 shown in FIG. 3 is not shown in FIG. 6 for convenience of description.
  • the positive active material 322 of the lithium ion battery 300 may include G14 610 .
  • G14 610 may include a group 14 element such as silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn).
  • the positive active material 322 may include at least one species of G14.
  • the positive active material 322 may include only silicon (Si), which is any one species of G14, and as another example, the positive active material 322 may include silicon (Si) and germanium (Ge), which are any two species of G14.
  • the G14 included in the positive electrode active material 322 may be mixed with a conductive material, for example, carbon, or implemented in a carbon-coated form.
  • the positive active material 322 mixed with G14 may be disposed on the safety functional layer 326 .
  • the positive active material 322 in which G14 is mixed is prepared in the form of a slurry by mixing the G14 and the positive active material 322 with a binder and a solvent, and the slurry is applied to the safety functional layer 326. It may be formed by coating.
  • the species of G14 included in the positive active material 322 may be the same as the species of G14 included in the safety functional layer 326 .
  • the species of G14 included in the positive electrode active material 322 may be different from the species of G14 included in the safety functional layer 326 .
  • the principle that the G14 included in the positive active material 322 acts to improve the safety of the lithium ion battery 300 may be the same as that of the safety functional layer 326 .
  • the G14 of the positive electrode active material 322 may consume lithium ions during an internal short circuit, and as the lithium ions are depleted, a short circuit current may decrease. By suppressing the short-circuit current by the G14 of the positive active material 322 , heat generation of the lithium ion battery 300 may be reduced, and safety may be improved.
  • the volume of G14 of the positive electrode active material 322 may be increased by reacting with lithium ions during an internal short circuit, and gas may be generated due to the reaction between G14 and lithium ions.
  • the distance between the lithium compound (eg, LCO) particles of the positive active material 322 may increase due to the volume expansion of G14 and the generation of gas.
  • the internal resistance of the lithium ion battery 300 may rapidly increase, and the increased internal resistance may suppress a short circuit current due to an internal short circuit. can By suppressing the short-circuit current by the G14 of the positive active material 322 , heat generation of the lithium ion battery 300 may be reduced even if an internal short circuit occurs, and the lithium ion battery 300 may be safely consumed.
  • FIG. 7 is a flowchart for comparing the operations of the lithium ion battery 300 including the safety functional layer 326 and the lithium ion battery not including the safety functional layer 326 according to an embodiment.
  • the lithium ion battery 300 may be similarly applied.
  • the lithium ion battery 300 including the safety functional layer 326 will be referred to as a first battery 300
  • the lithium ion battery not including the safety functional layer 326 will be referred to as the second battery 700 . refers to This is simply for convenience of explanation.
  • the first battery 300 and the second battery 700 may operate normally.
  • the first battery 300 and the second battery 700 may operate as in the normal state 401 illustrated in FIG. 4 .
  • an internal short circuit may occur in the first battery 300 and the second battery 700 .
  • an internal short circuit by the short-circuiting object 410 may occur inside the first battery 300 and the second battery 700 .
  • the voltage of the positive electrodes of the first battery 300 and the second battery 700 may drop to 1.0 V or less.
  • the cell voltage (or the potential difference between the positive electrode and the negative electrode) of the first battery 300 and the second battery 700 may drop to 1.0 V or less due to an internal short circuit.
  • the safety function layer 326 of the first battery 300 may react with lithium ions.
  • the second battery 700 may generate heat due to a short-circuit current.
  • lithium ions may be consumed due to the reaction between the safety functional layer 326 of the first battery 300 and lithium ions, the volume of the safety functional layer 326 may be increased, and gas may be generated.
  • the separator shrinks due to heat generation in operation 707 , and the degree of internal short circuit further deepens, thereby increasing a short circuit current.
  • the distance between the positive active material 322 and the positive electrode substrate 324 is increased to increase the internal resistance of the first battery 300 , and by the increased internal resistance Short-circuit current can be reduced.
  • the amount of heat generated by the second battery 700 may increase due to an increase in short-circuit current.
  • the first battery 300 may be safely consumed due to the reduced short-circuit current in operation 711 .
  • the second battery 700 may be ignited due to an increase in calorific value in operation 709 .
  • An electronic device (eg, the electronic device 801 of FIG. 8 ) according to various embodiments includes a battery (eg, the lithium ion battery 300 of FIG. 3 ), and the battery includes a positive electrode (eg, the positive electrode of FIG. 3 ) 320), a negative electrode (eg, the negative electrode 310 of FIG. 3), an electrolyte (eg, the electrolyte 350 of FIG. 3), and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode (eg, the separator of FIG. 3) 330)), wherein the positive electrode includes a conductive substrate layer (eg, the positive electrode substrate 324 of FIG.
  • an active material layer disposed between the substrate layer and the separator eg, the positive electrode active material 322 of FIG. 3 )
  • a safety function layer eg, the safety function layer 326 of FIG. 3
  • the safety function layer may include at least one of a group 14 element.
  • the particles made of the group 14 element included in the safety functional layer may include a carbon coating layer.
  • the safety function layer may include at least one of carbon and the group 14 element other than carbon.
  • the active material layer may include at least one of the group 14 element.
  • the particles made of at least one of the group 14 elements included in the active material layer may include a carbon coating layer.
  • a lithium ion battery (eg, the lithium ion battery 300 of FIG. 3 ) according to various embodiments includes a positive electrode (eg, the positive electrode 320 of FIG. 3 ), a negative electrode (eg, the negative electrode 310 of FIG. 3 ), an electrolyte (eg, the electrolyte 350 of FIG. 3 ), and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode (eg, the separator 330 of FIG. 3 ), wherein the positive electrode includes a conductive substrate layer (eg, in FIG. 3 ) a positive electrode substrate 324), a positive electrode active material layer disposed between the conductive substrate layer and the separator (eg, the positive electrode active material 322 of FIG. 3), and a safety function interposed between the positive electrode active material layer and the conductive substrate layer layer (eg, the safety function layer 326 of FIG. 3 ), and the safety function layer may include a group 14 element.
  • the positive electrode includes a conductive substrate layer (eg, in FIG. 3
  • the safety functional layer may include at least one species of the group 14 element.
  • the particles made of the group 14 element included in the safety functional layer may be coated with carbon.
  • the safety function layer may include at least one of carbon and the group 14 element other than carbon.
  • the safety functional layer may have a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the positive active material layer may include at least one of the group 14 element.
  • the particles made of at least one of the Group 14 elements included in the positive electrode active material layer may be coated with carbon.
  • the species of the Group 14 element included in the safety functional layer and the Group 14 element included in the cathode active material layer may be different from each other.
  • the safety function layer may react with lithium ions of the lithium ion battery when the lithium ion battery is internally short-circuited.
  • the safety functional layer may expand in volume by reacting with the lithium ions.
  • the positive active material layer may include LiCoO 2 , LiFePO 4 , LiNiMnCoO 2 , or LiNiCoAlO 2 .
  • the conductive substrate layer is a positive electrode substrate layer
  • the negative electrode is a conductive negative electrode substrate layer (eg, the negative electrode substrate 314 of FIG. 3 )
  • a negative electrode active material disposed between the negative electrode substrate layer and the separator A layer eg, the negative active material 312 of FIG. 3 .
  • the anode base layer may include an aluminum thin film, and the anode base layer may include a copper thin film.
  • the anode active material layer may include graphite.
  • the positive electrode may further include a conductive material and a binder mixed into the positive electrode active material layer.
  • FIG. 8 is a block diagram of an electronic device 801 in a network environment 800 , according to various embodiments.
  • the electronic device 801 communicates with the electronic device 802 through a first network 898 (eg, a short-range wireless communication network) or a second network 899 . It may communicate with the electronic device 804 or the server 808 through (eg, a long-distance wireless communication network). According to an embodiment, the electronic device 801 may communicate with the electronic device 804 through the server 808 .
  • the electronic device 801 includes a processor 820 , a memory 830 , an input device 850 , a sound output device 855 , a display device 860 , an audio module 870 , and a sensor module ( 876 ), interface 877 , haptic module 879 , camera module 880 , power management module 888 , battery 889 (eg, lithium ion battery 300 ), communication module 890 , subscriber identification module 896 , or an antenna module 897 .
  • at least one of these components may be omitted or one or more other components may be added to the electronic device 801 .
  • the sensor module 876 eg, a fingerprint sensor, an iris sensor, or an illuminance sensor
  • the display device 860 eg, a display
  • the processor 820 for example, executes software (eg, a program 840) to execute at least one other component (eg, a hardware or software component) of the electronic device 801 connected to the processor 820 . It can control and perform various data processing or operations. According to one embodiment, as at least part of data processing or computation, the processor 820 converts commands or data received from other components (eg, the sensor module 876 or the communication module 890 ) to the volatile memory 832 . may load into the volatile memory 832 , process commands or data stored in the volatile memory 832 , and store the resulting data in the non-volatile memory 834 .
  • software eg, a program 840
  • the processor 820 converts commands or data received from other components (eg, the sensor module 876 or the communication module 890 ) to the volatile memory 832 .
  • the volatile memory 832 may load into the volatile memory 832 , process commands or data stored in the volatile memory 832 , and store the resulting data in the non-volatile memory 8
  • the processor 820 includes a main processor 821 (eg, a central processing unit or an application processor), and a coprocessor 823 (eg, a graphics processing unit, an image signal processor) that can operate independently or in conjunction with the main processor 821 . , a sensor hub processor, or a communication processor). Additionally or alternatively, the auxiliary processor 823 may be configured to use less power than the main processor 821 or to be specialized for a designated function. The coprocessor 823 may be implemented separately from or as part of the main processor 821 .
  • a main processor 821 eg, a central processing unit or an application processor
  • a coprocessor 823 eg, a graphics processing unit, an image signal processor
  • the auxiliary processor 823 may be configured to use less power than the main processor 821 or to be specialized for a designated function.
  • the coprocessor 823 may be implemented separately from or as part of the main processor 821 .
  • the coprocessor 823 may, for example, act on behalf of the main processor 821 while the main processor 821 is in an active (eg, sleep) state, or when the main processor 821 is active (eg, executing an application). ), together with the main processor 821, at least one of the components of the electronic device 801 (eg, the display device 860, the sensor module 876, or the communication module 890) It is possible to control at least some of the related functions or states.
  • the coprocessor 823 eg, image signal processor or communication processor
  • may be implemented as part of another functionally related component eg, camera module 880 or communication module 890 ). have.
  • the memory 830 may store various data used by at least one component of the electronic device 801 (eg, the processor 820 or the sensor module 876 ).
  • the data may include, for example, input data or output data for software (eg, the program 840 ) and commands related thereto.
  • the memory 830 may include a volatile memory 832 or a non-volatile memory 834 .
  • the program 840 may be stored as software in the memory 830 , and may include, for example, an operating system 842 , middleware 844 , or an application 846 .
  • the input device 850 may receive a command or data to be used by a component (eg, the processor 820 ) of the electronic device 801 from the outside (eg, a user) of the electronic device 801 .
  • the input device 850 may include, for example, a microphone, a mouse, a keyboard, or a digital pen (eg, a stylus pen).
  • the sound output device 855 may output a sound signal to the outside of the electronic device 801 .
  • the sound output device 855 may include, for example, a speaker or a receiver.
  • the speaker can be used for general purposes such as multimedia playback or recording playback, and the receiver can be used to receive incoming calls. According to one embodiment, the receiver may be implemented separately from or as part of the speaker.
  • the display device 860 may visually provide information to the outside (eg, a user) of the electronic device 801 .
  • the display device 860 may include, for example, a display, a hologram device, or a projector and a control circuit for controlling the corresponding device.
  • the display device 860 may include a touch circuitry configured to sense a touch or a sensor circuit (eg, a pressure sensor) configured to measure the intensity of a force generated by the touch. have.
  • the audio module 870 may convert a sound into an electric signal or, conversely, convert an electric signal into a sound. According to an embodiment, the audio module 870 acquires a sound through the input device 850 or an external electronic device (eg, a sound output device 855 ) directly or wirelessly connected to the electronic device 801 . The sound may be output through the electronic device 802 (eg, a speaker or headphones).
  • an external electronic device eg, a sound output device 855
  • the sound may be output through the electronic device 802 (eg, a speaker or headphones).
  • the sensor module 876 detects an operating state (eg, power or temperature) of the electronic device 801 or an external environmental state (eg, a user state), and generates an electrical signal or data value corresponding to the sensed state. can do.
  • the sensor module 876 may include, for example, a gesture sensor, a gyro sensor, a barometric pressure sensor, a magnetic sensor, an acceleration sensor, a grip sensor, a proximity sensor, a color sensor, an IR (infrared) sensor, a biometric sensor, It may include a temperature sensor, a humidity sensor, or an illuminance sensor.
  • the interface 877 may support one or more designated protocols that may be used for the electronic device 801 to directly or wirelessly connect with an external electronic device (eg, the electronic device 802 ).
  • the interface 877 may include, for example, a high definition multimedia interface (HDMI), a universal serial bus (USB) interface, an SD card interface, or an audio interface.
  • connection terminal 878 may include a connector through which the electronic device 801 can be physically connected to an external electronic device (eg, the electronic device 802 ).
  • the connection terminal 878 may include, for example, an HDMI connector, a USB connector, an SD card connector, or an audio connector (eg, a headphone connector).
  • the haptic module 879 may convert an electrical signal into a mechanical stimulus (eg, vibration or movement) or an electrical stimulus that the user can perceive through tactile or kinesthetic sense.
  • the haptic module 879 may include, for example, a motor, a piezoelectric element, or an electrical stimulation device.
  • the camera module 880 may capture still images and moving images. According to one embodiment, the camera module 880 may include one or more lenses, image sensors, image signal processors, or flashes.
  • the power management module 888 may manage power supplied to the electronic device 801 .
  • the power management module 388 may be implemented as, for example, at least a part of a power management integrated circuit (PMIC).
  • PMIC power management integrated circuit
  • the battery 889 may supply power to at least one component of the electronic device 801 .
  • battery 889 may include, for example, a non-rechargeable primary cell, a rechargeable secondary cell, or a fuel cell.
  • the communication module 890 is a direct (eg, wired) communication channel or a wireless communication channel between the electronic device 801 and an external electronic device (eg, the electronic device 802, the electronic device 804, or the server 808). It can support establishment and communication through the established communication channel.
  • the communication module 890 may include one or more communication processors that operate independently of the processor 820 (eg, an application processor) and support direct (eg, wired) communication or wireless communication.
  • the communication module 890 is a wireless communication module 892 (eg, a cellular communication module, a short-range communication module, or a global navigation satellite system (GNSS) communication module) or a wired communication module 894 (eg, : It may include a local area network (LAN) communication module, or a power line communication module).
  • a corresponding communication module among these communication modules is a first network 898 (eg, a short-range communication network such as Bluetooth, Wi-Fi direct, or infrared data association (IrDA)) or a second network 899 (eg, a cellular network, the Internet).
  • a first network 898 eg, a short-range communication network such as Bluetooth, Wi-Fi direct, or infrared data association (IrDA)
  • a second network 899 eg, a cellular network, the Internet.
  • the wireless communication module 892 uses subscriber information (eg, International Mobile Subscriber Identifier (IMSI)) stored in the subscriber identification module 896 within a communication network, such as the first network 898 or the second network 899 .
  • the electronic device 801 may be identified and authenticated.
  • the antenna module 897 may transmit or receive a signal or power to the outside (eg, an external electronic device).
  • the antenna module may include one antenna including a conductor formed on a substrate (eg, a PCB) or a radiator formed of a conductive pattern.
  • the antenna module 897 may include a plurality of antennas. In this case, at least one antenna suitable for a communication method used in a communication network such as the first network 898 or the second network 899 is connected from the plurality of antennas by, for example, the communication module 890 . can be selected. A signal or power may be transmitted or received between the communication module 890 and the external electronic device through the selected at least one antenna.
  • other components eg, RFIC
  • other than the radiator may be additionally formed as a part of the antenna module 897 .
  • peripheral devices eg, a bus, general purpose input and output (GPIO), serial peripheral interface (SPI), or mobile industry processor interface (MIPI)
  • GPIO general purpose input and output
  • SPI serial peripheral interface
  • MIPI mobile industry processor interface
  • the command or data may be transmitted or received between the electronic device 801 and the external electronic device 804 through the server 808 connected to the second network 899 .
  • Each of the electronic devices 802 and 804 may be the same or a different type of the electronic device 801 .
  • all or some of the operations performed by the electronic device 801 may be executed by one or more of the external electronic devices 802 , 804 , or 808 .
  • the electronic device 801 may perform the function or service itself instead of executing the function or service itself.
  • one or more external electronic devices may be requested to perform at least a part of the function or the service.
  • the one or more external electronic devices that have received the request may execute at least a part of the requested function or service, or an additional function or service related to the request, and transmit a result of the execution to the electronic device 801 .
  • the electronic device 801 may process the result as it is or additionally and provide it as at least a part of a response to the request.
  • cloud computing, distributed computing, or client-server computing technology may be used.
  • the electronic device may have various types of devices.
  • the electronic device may include, for example, a portable communication device (eg, a smart phone), a computer device, a portable multimedia device, a portable medical device, a camera, a wearable device, or a home appliance device.
  • a portable communication device eg, a smart phone
  • a computer device e.g., a smart phone
  • a portable multimedia device e.g., a portable medical device
  • a camera e.g., a portable medical device
  • a camera e.g., a portable medical device
  • a camera e.g., a portable medical device
  • a wearable device e.g., a smart bracelet
  • a home appliance device e.g., a home appliance
  • first”, “second”, or “first” or “second” may simply be used to distinguish the component from other components in question, and may refer to components in other aspects (e.g., importance or order) is not limited. It is said that one (eg, first) component is “coupled” or “connected” to another (eg, second) component, with or without the terms “functionally” or “communicatively”. When referenced, it means that one component can be connected to the other component directly (eg by wire), wirelessly, or through a third component.
  • module may include a unit implemented in hardware, software, or firmware, and may be used interchangeably with terms such as, for example, logic, logic block, component, or circuit.
  • a module may be an integrally formed part or a minimum unit or a part of the part that performs one or more functions.
  • the module may be implemented in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Various embodiments of the present document include one or more instructions stored in a storage medium (eg, internal memory 836 or external memory 838) readable by a machine (eg, electronic device 801). may be implemented as software (eg, a program 840) including
  • a processor eg, processor 820
  • a device eg, electronic device 801
  • the one or more instructions may include code generated by a compiler or code executable by an interpreter.
  • the device-readable storage medium may be provided in the form of a non-transitory storage medium.
  • 'non-transitory' only means that the storage medium is a tangible device and does not contain a signal (eg, electromagnetic wave), and this term is used in cases where data is semi-permanently stored in the storage medium and It does not distinguish between temporary storage cases.
  • a signal eg, electromagnetic wave
  • the method according to various embodiments disclosed in this document may be provided in a computer program product (computer program product).
  • Computer program products may be traded between sellers and buyers as commodities.
  • the computer program product is distributed in the form of a device-readable storage medium (eg compact disc read only memory (CD-ROM)), or through an application store (eg Play StoreTM) or on two user devices (eg, It can be distributed (eg downloaded or uploaded) directly, online between smartphones (eg: smartphones).
  • a part of the computer program product may be temporarily stored or temporarily created in a machine-readable storage medium such as a memory of a server of a manufacturer, a server of an application store, or a relay server.
  • each component eg, a module or a program of the above-described components may include a singular or a plurality of entities.
  • one or more components or operations among the above-described corresponding components may be omitted, or one or more other components or operations may be added.
  • a plurality of components eg, a module or a program
  • the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component among the plurality of components prior to the integration. .
  • operations performed by a module, program, or other component are executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or one or more of the operations are executed in a different order, or omitted. or one or more other operations may be added.
  • a computer-readable storage medium storing one or more programs (software modules) may be provided.
  • One or more programs stored in the computer-readable storage medium are configured to be executable by one or more processors in an electronic device (device).
  • One or more programs include instructions for causing an electronic device to execute methods according to embodiments described in a claim or specification of the present disclosure.
  • Such programs include random access memory, non-volatile memory including flash memory, read only memory, ROM, electrically erasable programmable ROM (electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), magnetic disc storage device, compact disc-ROM (CD-ROM), digital versatile discs (DVDs), or other It may be stored in an optical storage device or a magnetic cassette. Alternatively, it may be stored in a memory composed of a combination of some or all thereof. In addition, each configuration memory may be included in plurality.
  • the program is transmitted through a communication network consisting of a communication network such as the Internet, an intranet, a local area network (LAN), a wide area network (WAN), or a storage area network (SAN), or a combination thereof. It may be stored on an attachable storage device that can be accessed. Such a storage device may be connected to a device implementing an embodiment of the present disclosure through an external port. In addition, a separate storage device on the communication network may be connected to the device implementing the embodiment of the present disclosure.
  • a communication network such as the Internet, an intranet, a local area network (LAN), a wide area network (WAN), or a storage area network (SAN), or a combination thereof. It may be stored on an attachable storage device that can be accessed.
  • Such a storage device may be connected to a device implementing an embodiment of the present disclosure through an external port.
  • a separate storage device on the communication network may be connected to the device implementing the embodiment of the present disclosure.

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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
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 (15)

  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.
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