KR102656439B1 - An all solid type battery and a method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 전고체 전지는 기존의 전지에 사용되는 전지캔을 활용할 수 있어 전지팩 제조시 다른 유형의 전지와 호환하여 사용이 가능하다. 또한, 전지캔을 전극 조립체 형성틀(mold)로 이용할 수 있어 간이한 방법으로 전지를 제조할 수 있으며, 액체 전해질을 사용하지 않으므로 전지 제조 및 사용시 전해액의 누액 문제가 발생되지 않아 안전성이 향상되는 효과가 있다. The all-solid-state battery according to the present invention can utilize battery cans used in existing batteries, so it can be used interchangeably with other types of batteries when manufacturing battery packs. In addition, since battery cans can be used as electrode assembly molds, batteries can be manufactured in a simple way. Since liquid electrolytes are not used, electrolyte leakage problems do not occur during battery manufacturing and use, which improves safety. There is.
Description
본 발명은 전고체 전지 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to an all-solid-state battery and a method of manufacturing the same.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.Depending on the shape of the battery case, secondary batteries are classified into cylindrical batteries and square batteries in which the electrode assembly is housed in a cylindrical or square metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is housed in a pouch-shaped case made of aluminum laminate sheet. .
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극(12a)과 음극(12c) 사이에 분리막(12b)을 개재하여 권취한 젤리-롤형 구조와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어 가장 널리 제작되고 있으며, 젤리-롤형 전극 조립체(12)는 전지 케이스(13)에 장입되고 케이스의 개방된 상단에 캡 조립체(14)가 설치되어 밀봉되어 원통형 전지(10)로 제작된다. 도 1을 이와 같은 원통형 전지의 단면을 개략적으로 도시하여 나타낸 것이다.In addition, the electrode assembly built into the battery case is a power generating element capable of charging and discharging composed of a laminated structure of anode/separator/cathode, and has a
그런데, 전지의 충방전시 젤리-롤형 전극 조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있다. 이러한 과정에서 응력이 중심부로 집중되어 전극이 분리막을 뚫고 금속 센터 핀(15)에 접촉됨으로써 내부 단락이 유발한다. 상기 내부 단락으로 인한 발열에 의해 유기 용매가 분해되어 가스가 발생하고, 전지 내의 가스압 상승에 의해 전지가 파열될 수 있다. 이러한 전지 내부의 가스압 상승은 외부 충격에 의해 내부 단락이 발생하였을 때에도 일어날 수 있다.However, when charging and discharging a battery, the jelly-roll type electrode assembly tends to deform as it undergoes repeated expansion and contraction. In this process, stress is concentrated in the center, causing the electrode to penetrate the separator and contact the
원통형 이차 전지는 단위 전지로 이들을 직렬이나 병렬로 연결하여 대형 전지화시킬 수 있으며 투입 개수 및/또는 연결 방식에 따라 필요한 용량, 형상, 크기의 전지팩으로 제조될 수 있어 산업상 유용하다. 그러나, 전지 팩 중 단 하나의 단위셀에서 전술한 바와 같은 문제가 발생하는 경우 전기 공급에 애로사항이 발생할 수 있다. 즉, 문제가 발생한 단위셀을 신속하게 검출하는 것이 어려우며, 전지팩 전체를 교체해야하는 상황이 발생할 수 있다. 이에 단위 전지의 안전성 개선 방안이 요구되는 실정이다. Cylindrical secondary batteries are unit cells that can be connected in series or parallel to form large batteries, and can be manufactured into battery packs of the required capacity, shape, and size depending on the number of inputs and/or connection methods, making them industrially useful. However, if the above-mentioned problem occurs in only one unit cell of the battery pack, difficulties in electricity supply may occur. In other words, it is difficult to quickly detect a problem unit cell, and a situation may arise where the entire battery pack must be replaced. Accordingly, measures to improve the safety of unit batteries are required.
본 발명은 액체 전해질이 필요없는 전고체 전지의 상용화를 위해 새로운 타입의 전고체 전지를 제안하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. The purpose of the present invention is to propose a new type of all-solid-state battery for commercialization of all-solid-state batteries that do not require a liquid electrolyte. Other objects and advantages of the present invention may be understood by the following description. In addition, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by means or methods and combinations thereof described in the claims.
본 발명은 전고체 전지 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명의 제1 측면은 상기 전고체 전지에 대한 것으로서, 상기 전지는 금속재질로 구성되며 상단이 개방된 전지캔; 및 상기 전지캔에 삽입된 전극 조립체;를 포함하며,The present invention relates to an all-solid-state battery and a method of manufacturing the same. The first aspect of the present invention relates to the all-solid-state battery, wherein the battery includes a battery can made of a metal material and having an open top; And an electrode assembly inserted into the battery can,
상기 전극 조립체는 상기 전지캔의 하단으로부터 음극층, 고체 전해질층 및 양극층이 순차적으로 적층되어 층상구조를 형성하고 있으며, 상기 음극층은 음극 집전체 및 상기 집전체의 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 양극층은 양극 집전체 및 상기 집전체의 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하며 상기 음극 활물질층 및 양극 활물질층은 상기 고체 전해질층을 개재하여 대면하는 것이다. The electrode assembly forms a layered structure by sequentially stacking a negative electrode layer, a solid electrolyte layer, and a positive electrode layer from the bottom of the battery can, and the negative electrode layer includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on one side of the current collector. The positive electrode layer includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on one surface of the current collector, and the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer face each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween.
본 발명의 제2 측면은, 상기 제1 측면에 있어서, 상기 전고체 전지는 상기 개방된 상단에 캡 조립체가 설치되어 밀봉된 것이다. In a second aspect of the present invention, in the first aspect, the all-solid-state battery is sealed by installing a cap assembly on the open top.
본 발명의 제3 측면은, 상기 제1 또는 제2 측면에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극층, 고체 전해질층 및 양극층이 전지캔에 매설되는 방식으로 삽입되어 전극 조립체와 전지캔 내벽이 서로 이격되지 않도록 구성된 것이다. A third aspect of the present invention is that, in the first or second aspect, the electrode assembly is inserted in such a way that the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, and the positive electrode layer are buried in the battery can, so that the electrode assembly and the inner wall of the battery can are spaced apart from each other. It is designed so that this does not happen.
본 발명의 제4 측면은, 상기 제3 측면에 있어서, 상기 전지캔 내측벽은 절연물질로 피복되어 있는 것이다. A fourth aspect of the present invention is that, in the third aspect, the inner wall of the battery can is covered with an insulating material.
본 발명의 제5 측면은, 상기 제1 내지 제4 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 고체 전해질은 무기 고체 전해질을 포함하는 것이다. A fifth aspect of the present invention is that, in any one of the first to fourth aspects, the solid electrolyte includes an inorganic solid electrolyte.
본 발명의 제6 측면은, 상기 제4 측면에 있어서, 상기 무기 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질을 포함하는 것이다. A sixth aspect of the present invention is that, in the fourth aspect, the inorganic solid electrolyte includes a sulfide-based solid electrolyte.
본 발명의 제7 측면은, 상기 제1 내지 제6 측면 중 어느 하나에 있어서, 음극 활물질층의 높이가 h1이고, 양극 활물질층의 높이가 h3인 경우, h1<h3인 것이다. A seventh aspect of the present invention is that, in any one of the first to sixth aspects, when the height of the negative electrode active material layer is h1 and the height of the positive electrode active material layer is h3, h1 < h3.
또한, 본 발명은 전고체 전지를 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명의 제8 측면은 상기 방법에 대한 것으로서, 하기 (S1) 내지 (S6)의 단계를 포함하며, 하기 방법에 있어서, 상기 전지캔의 내측벽은 절연물질로 피복되어 있는 것이다: Additionally, the present invention relates to a method of manufacturing an all-solid-state battery. The eighth aspect of the present invention relates to the above method, and includes the following steps (S1) to (S6), wherein the inner wall of the battery can is coated with an insulating material:
(S1) 금속재질로 구성되며 상단이 개방된 전지캔을 준비하는 단계;(S1) preparing a battery can made of metal and open at the top;
(S2) 상기 전지캔의 하단부에 음극 집전체를 전지캔 하단부와 밀착하도록 배치하는 단계;(S2) placing a negative electrode current collector at the bottom of the battery can so that it is in close contact with the bottom of the battery can;
(S3) 상기 음극 집전체의 상면에 소정의 높이 h1를 갖도록 음극 활물질층을 형성하는 단계;(S3) forming a negative electrode active material layer on the upper surface of the negative electrode current collector to have a predetermined height h1;
(S4) 상기 음극 활물질층의 상면에 소정의 높이 h2를 갖도록 고체 전해질층을 형성하는 단계;(S4) forming a solid electrolyte layer to have a predetermined height h2 on the upper surface of the negative electrode active material layer;
(S5) 상기 고체 전해질층의 상면에 소정의 높이 h3를 갖도록 양극 활물질층을 형성하는 단계; 및 (S5) forming a positive electrode active material layer to have a predetermined height h3 on the upper surface of the solid electrolyte layer; and
(S6) 상기 양극 활물질층의 상면에 양극 집전체를 배치하는 단계. (S6) Placing a positive electrode current collector on the upper surface of the positive electrode active material layer.
본 발명에 따른 전고체 전지는 기존의 원통형 전지나 각형 전지에 사용되는 전지캔을 활용할 수 있어 전지팩 제조시 다른 유형의 전지와 호환하여 사용이 가능하다. 또한, 전지캔을 전극 조립체 형성틀(mold)로 이용할 수 있어 간이한 방법으로 전지를 제조할 수 있으며, 액체 전해질을 사용하지 않으므로 전지 제조 및 사용시 전해액의 누액 문제가 발생되지 않아 안전성이 향상되는 효과가 있다. The all-solid-state battery according to the present invention can utilize battery cans used in existing cylindrical batteries or square batteries, so it can be used interchangeably with other types of batteries when manufacturing battery packs. In addition, since battery cans can be used as electrode assembly molds, batteries can be manufactured in a simple way. Since liquid electrolytes are not used, electrolyte leakage problems do not occur during battery manufacturing and use, which improves safety. There is.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 잘 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 제조된 전지의 내부 단면의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전고체 전지의 내부 단면의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 침형의 돌출부를 포함하는 집전체를 개략적으로 도시한 것이며, 도 3b는 상기 집전체를 포함하는 전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4a는 가지형의 돌출부를 포함하는 집전체를 개략적으로 도시한 것이며, 도 4b는 상기 집전체를 포함하는 전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 3차원의 망형 구조를 갖는 돌출부를 포함하는 집전체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 돌출부와 기저부가 분리되어 있는 집전체를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 전지캔의 내측벽의 표면이 절연 물질로 피복되어 있는 것을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.The drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to better understand the technical idea of the present invention together with the contents of the above-described invention, so the present invention is limited only to the matters described in such drawings. It is not interpreted as such. Meanwhile, the shape, size, scale, or ratio of elements in the drawings included in this specification may be exaggerated to emphasize a clearer description.
Figure 1 schematically shows the structure of the internal cross section of a battery manufactured according to the prior art.
Figure 2 schematically shows the structure of the internal cross section of the all-solid-state battery according to the present invention.
FIG. 3A schematically shows a current collector including needle-shaped protrusions, and FIG. 3B schematically shows a cross section of a battery including the current collector.
FIG. 4A schematically shows a current collector including branch-shaped protrusions, and FIG. 4B schematically shows a cross section of a battery including the current collector.
Figure 5 schematically shows a current collector including protrusions having a three-dimensional network structure.
Figure 6 shows a current collector in which the protruding portion and the base portion are separated.
Figure 7 schematically shows that, in a specific embodiment of the present invention, the surface of the inner wall of the battery can is covered with an insulating material.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, the terms or words used in this specification and patent claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent the entire technical idea of the present invention, so they can be replaced at the time of filing the present application. It should be understood that various equivalents and variations may exist.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 「포함한다」고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when it is said that a part “includes” a certain component, this means that it does not exclude other components but may further include other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 「약」, 「실질적으로」 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.In addition, the terms "about", "substantially", etc. used throughout the specification of the present application are used as meanings at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the mentioned meaning are presented, and to aid understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures in which precise or absolute figures are mentioned.
본원 명세서 전체에서, 「A 및/또는 B」의 기재는 「A 또는 B 또는 이들 모두」를 의미한다.Throughout this specification, the description of “A and/or B” means “A or B or both.”
이어지는 발명의 상세한 설명에서 사용된 특정한 용어는 편의를 위한 것이지 제한적인 것은 아니다. '우', '좌', '상면' 및 '하면'의 단어들은 참조가 이루어진 도면들에서의 방향을 나타낸다. '내측으로' 및 '외측으로' 의 단어들은 각각 지정된 장치, 시스템 및 그 부재들의 기하학적 중심을 향하거나 그로부터 멀어지는 방향을 나타낸다. '전방', '후방', '상방', '하방' 및 그 관련 단어들 및 어구들은 참조가 이루어진 도면에서의 위치들 및 방위들을 나타내며 제한적이어서는 안된다. 이러한 용어들은 위에서 열거된 단어들, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어들을 포함한다.Certain terms used in the detailed description of the invention that follow are for convenience and not limitation. The words 'right', 'left', 'top' and 'bottom' indicate directions in the drawings to which reference is made. The words 'inwardly' and 'outwardly' indicate directions toward or away from the geometric center of the specified device, system and its members, respectively. 'Front', 'rear', 'upward', 'downward' and related words and phrases indicate positions and orientations in the drawings to which reference is made and should not be limiting. These terms include the words listed above, their derivatives and words of similar meaning.
본 발명은 전고체 전지에 대한 것이다. 도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전지(100)의 단면을 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 참조하면, 상기 전지는, 금속재질로 구성되며 상단이 개방된 전지캔(130); 및 상기 전지캔에 삽입된 전극 조립체;를 포함하며, 상기 전극 조립체는 상기 전지캔의 바닥면으로부터 음극층(160), 고체 전해질층(110) 및 양극층(170)이 순차적으로 적층되어 층상구조를 형성하고 있다. 또한, 상기 음극층은 음극 집전체(130) 및 상기 집전체의 일면에 형성된 음극 활물질층(120)을 포함하고, 상기 양극층(170)은 양극 집전체(150) 및 상기 집전체의 일면에 형성된 양극 활물질층(140)을 포함한다. 상기 전지에서 상기 음극 활물질층 및 양극 활물질층은 상기 고체 전해질층을 개재하여 대면하도록 배치된다. The present invention relates to an all-solid-state battery. Figure 2 schematically shows a cross section of a
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전지캔은 상단부 및 하단부의 형상이 원형인 원통형 전지캔이거나 상단부 및 하단부의 형상이 사각형인 각형 전지캔일 수 있다. 상기 전지캔의 하단부는 바닥면이 형성되어 폐쇄되어 있으며, 바닥면의 외주로부터 상방으로 연장된 측면부가 구비되어 있으며, 이의 상단부는 다른 구성 요소들이 삽입 및/또는 취출될 수 있도록 개방되어 있는 것이다. In one embodiment of the present invention, the battery can may be a cylindrical battery can with circular top and bottom portions, or a square battery can with square top and bottom portions. The lower end of the battery can is closed by forming a bottom surface, and has side parts extending upward from the outer periphery of the bottom surface, and the upper end of the battery can is open so that other components can be inserted and/or extracted.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 집전체는 평판형일 수 있으며, 이의 크기 및 형상은 전지캔 바닥면의 크기 및 형상에 상응하도록 준비될 수 있다. 또한, 여기에서 음극 집전체는 음극 활물질층의 하면에 이와 밀착되도록 배치되며, 양극 집전체는 양극 활물질층의 상면에 이와 밀착되도록 배치될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the current collector may be flat, and its size and shape may be prepared to correspond to the size and shape of the bottom surface of the battery can. Additionally, here, the negative electrode current collector may be placed on the lower surface of the negative electrode active material layer so as to be in close contact with it, and the positive electrode current collector may be placed on the upper surface of the positive electrode active material layer so as to be in close contact with it.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 양극 집전체 및 음극 집전체 중 적어도 하나는 평판형의 기저부와 상기 기저부의 일측 표면에서 돌출된 하나 이상의 돌출부를 포함한다. 상기 집전체(250, 350, 450)는 평판형의 기저부(251, 351, 451)와 상기 기저부의 일측 표면에서 돌출된 하나 이상의 돌출부(252, 352, 452)을 포함할 수 있으며, 상기 돌출부는 전극 활물질층 내부로 삽입되어 있을 수 있다. 상기 돌출부의 높이는 활물질층 외부로 돌출되지 않도록 적절하게 조절될 수 있다. 상기 돌출부는 기저부에 하나 또는 둘 이상 형성되어 있을 수 있다. 상기 돌출부는 침형 또는 하나 이상의 가지가 돌출되어 있는 가지형 중 하나의 형태를 가질 수 있으며, 하나의 기저부에 대해 이들 형상의 돌출부들이 조합되어 배치될 수 있다. 상기 가지형 돌출부(252)는 가지들이 각각 수평 또는 사선 방향으로 돌출될 수 있다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, at least one of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector includes a flat base and one or more protrusions protruding from one surface of the base. The current collectors (250, 350, 450) may include a flat base (251, 351, 451) and one or more protrusions (252, 352, 452) protruding from one surface of the base, and the protrusions It may be inserted into the electrode active material layer. The height of the protrusion can be appropriately adjusted so that it does not protrude outside the active material layer. One or more protrusions may be formed on the base. The protrusion may have either a needle shape or a branch shape with one or more protruding branches, and protrusions of these shapes may be combined and arranged on one base. The branches of the branch-shaped
도 3a는 침형 돌출부(452)를 포함하는 집전체(450)를 개략적으로 도시한 것이며, 도 3b는 상기 집전체를 포함하는 전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 또한, 도 4는 가지형의 돌출부를 포함하는 집전체를 개략적으로 도시한 것이며, 도 4b는 상기 집전체를 포함하는 전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. FIG. 3A schematically shows a
또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 집전체는 기저부의 일측 표면에 3차원의 망형 구조를 갖는 메쉬형 돌출부(352)가 포함된 형태로 구비될 수 있다. 도 5는 이의 구체적인 일 실시양태를 도시한 것이다.Additionally, in one embodiment of the present invention, the current collector may be provided with a mesh-
또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 돌출부는 표면의 전부 또는 일부가 도전재와 같은 전기 전도성 물질을 포함하는 피복층으로 피복되어 있을 수 있다. 본 발명에 있어서, 돌출부의 표면을 피복하는 도전재 성분에 대해서는 후술하는 도전재 내용을 참조할 수 있다.Additionally, in a specific embodiment of the present invention, all or part of the surface of the protrusion may be covered with a coating layer containing an electrically conductive material such as a conductive material. In the present invention, for the conductive material component that covers the surface of the protrusion, reference may be made to the content of the conductive material described later.
이와 같이, 전극 활물질층 내로 삽입된 돌출부를 포함하는 집전체를 사용하는 경우에는 전극의 전기 전도도가 개선되는 효과가 있다. In this way, when a current collector including a protrusion inserted into the electrode active material layer is used, the electrical conductivity of the electrode is improved.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 전지캔의 재질은 금속이나 합금을 포함할 수 있으며, 통상적으로 전지용 전지캔으로 사용되는 것이면 어느 것이나 제한없이 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예로 SUS, 주석, 알루미늄 등을 들 수 있다. In one embodiment of the present invention, the material of the battery can may include metal or alloy, and any material commonly used in battery cans may be used without limitation. Non-limiting examples include SUS, tin, aluminum, etc.
또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전지캔의 개방 상단에는 캡 조립체(180)가 결합되어 전지가 밀봉된다. 또한, 상기 전지캔은 상단부에 상기 캡 조립체를 장착하기 위해 비딩부 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑 부위를 구비할 수 있다. Additionally, in one specific embodiment of the present invention, a
본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극층, 고체 전해질층 및 양극층이 전지캔 내부에 각 층이 소정의 높이를 갖도록 매립되는 방식으로 삽입되어 있는 것이다. 본 발명에 따른 전지 제조방법에 대해 후술하는 바와 같이, 전지캔이 전극 조립체 형성틀(mold)로 이용되고 각 층이 전지캔의 소정 높이까지 전지 캔에 충진되는 양식으로 설치되므로 제조가 완료된 최종 전지에서 전극 조립체와 전지캔 내벽이 서로 이격되지 않고 밀착된다. In the present invention, the electrode assembly is one in which the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, and the positive electrode layer are inserted into the battery can in such a way that each layer has a predetermined height. As will be described later regarding the battery manufacturing method according to the present invention, a battery can is used as a mold for forming an electrode assembly and each layer is installed in such a way that the battery can is filled to a predetermined height, so that the final battery that has been manufactured is completed. The electrode assembly and the inner wall of the battery can are in close contact with each other without separation.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전지캔은 내측벽의 전부 또는 일부의 표면이 절연 물질(500)로 피복되어 있을 수 있다. 여기에서 상기 내측벽은 전지캔의 바닥면을 제외한 것일 수 있다. 예를 들어 상기 전지 캔의 내측벽은 절연 물질을 포함하는 절연층으로 피복될 수 있다. 이에 따라, 전지캔의 내측벽이 양극 및 음극과 전기화학적인 반응이 일어나지 않도록 방지된다. 본 발명에 있어서 상기 절연 물질은 전기 전도성이 없거나 매우 낮은 성질의 금속 산화물 및/또는 절연성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 절연층은 약 1㎛ 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있으며 상기 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있다. 또한, 상기 절연층은 탄성력을 갖는 완충층을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 완충층은 충방전에 따른 전극의 부피 변화에 의해 전극이 전지캔으로부터 이격되어 전지캔 내부에서 유동하는 것을 방지할 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, the entire or partial surface of the inner wall of the battery can may be covered with an insulating
본 발명에 있어서, 상기 음극층은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 일측면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다. In the present invention, the negative electrode layer includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on one side of the negative electrode current collector.
상기 음극 집전체는, 예를 들어 구리 박막을 사용할 수 있으며, 이외에도 전기 화학 소자용 전극 집전체로 사용할 수 있는 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다. 이러한 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.The negative electrode current collector may be, for example, a copper thin film. In addition, any material that can be used as an electrode current collector for an electrochemical device may be used and is not particularly limited. These current collectors are not particularly limited as long as they have high conductivity without causing chemical changes in the battery, and include, for example, stainless steel, copper, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 음극 집전체는 전지캔의 하측면과 동일한 평면 형상을 갖는 평판형으로 준비될 수 있으며, 전지캔 최하단부에 전지캔의 하측면과 밀착되도록 배치된다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서 전지캔은 그 자체로 양극과 음극을 연결하는 도선의 역할을 한다. 따라서 집전체가 전지캔의 하측면과 밀착됨으로써 음극과 전지캔이 전기적으로 연결될 수 있다. In a specific embodiment of the present invention, the negative electrode current collector may be prepared in a flat shape having the same planar shape as the lower side of the battery can, and is placed at the bottom of the battery can so as to be in close contact with the lower side of the battery can. In one embodiment of the present invention, the battery can itself serves as a conductor connecting the anode and the cathode. Therefore, the negative electrode and the battery can can be electrically connected by the current collector being in close contact with the lower side of the battery can.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질, 고체 전해질 및 도전재를 포함할 수 있으며, 선택적으로 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질은 이차 전지 분야에서 음극 활물질로 사용될 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 이의 비 제한적인 예로 리튬 금속 산화물, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물 등을 들 수 있으며, 이 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 포함될 수 있다.The negative electrode active material layer may include a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive material, and may optionally further include a binder resin. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can be used as a negative electrode active material in the secondary battery field. Non-limiting examples thereof include carbon such as lithium metal oxide, non-graphitizable carbon, and graphitic carbon; Li x Fe 2 O 3 ( 0≤x≤1) , Li x WO 2 (0≤x≤1 ) , Sn : Al, B, P, Si, elements of groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogen; metal complex oxides such as 0<x≤1;1≤y≤3;1≤z≤8); lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloy; tin-based alloy; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni based materials; Titanium oxide, etc. may be included, and one or a mixture of two or more selected from these may be included.
본 발명에 있어서, 상기 고체 전해질층은 무기 고체전해질을 포함하며, 선택적으로 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 무기 고체 전해질은 통상적으로 전고체 전지용 고체 전해질 성분으로 사용되는 것이면 특별히 구체적인 성분으로 한정되는 것은 아니며, 결정성 고체 전해질, 비결정성 고체 전해질, 유리세라믹 고체 전해질과 같은 무기 고체 전해질 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질을 포함할 수 있으며, 이러한 황화물계 고체 전해질로는 황화 리튬, 황화 규소, 황화 게르마늄, 및 황화 붕소 등을 예로 들 수 있다. 이러한 무기 고체 전해질의 구체적인 예로는 Li3 . 833Sn0 . 833As0 . 166S4, Li4SnS4, Li3 . 25Ge0 .25P0. 75S4, Li2S-P2S5, B2S3-Li2S, xLi2S-(100-x)P2S5 (x는 70 내지 80임), Li2S-SiS2 -Li3N, Li2S-P2S5-LiI, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-B2S3-LiI, Li3N, LISICON, LIPON(Li3+yPO4-xNx), Thio-LISICON(Li3 . 25Ge0 .25P0. 75S4), Li2O-Al2O3-TiO2-P2O5(LATP) 등을 들 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 이러한 무기 고체 전해질 성분들은 본 발명의 음극 및 양극에도 적용될 수 있다. In the present invention, the solid electrolyte layer includes an inorganic solid electrolyte and may optionally further include a binder resin. The inorganic solid electrolyte is not limited to specific components as long as it is commonly used as a solid electrolyte component for all-solid-state batteries, and includes one or more of inorganic solid electrolytes such as crystalline solid electrolyte, amorphous solid electrolyte, and glass ceramic solid electrolyte. can do. In the present invention, the solid electrolyte may include a sulfide-based solid electrolyte, and examples of such sulfide-based solid electrolyte include lithium sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, and boron sulfide. A specific example of such an inorganic solid electrolyte is Li 3 . 833 Sn 0 . 833 As 0 . 166 S 4 , Li 4 SnS 4 , Li 3 . 25 Ge 0 .25 P 0. 75 S 4 , Li 2 SP 2 S 5 , B 2 S 3 -Li 2 S, xLi 2 S-(100-x)P 2 S 5 (x is 70 to 80), Li 2 S-SiS 2 -Li 3 N, Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 -LiI, Li 3 N, LISICON, LIPON(Li 3+y PO 4 - x N You can. In one embodiment of the present invention, these inorganic solid electrolyte components can also be applied to the cathode and positive electrode of the present invention.
또한, 상기 전해질층용 바인더 수지는 전지를 구성하는 재료들 사이의 결착력을 제공하는 것으로서 PVdF계 바인더 수지나 아크릴계 바인더 수지 등을 제한없이 사용할 수 있다. 한편 본 발명의 구체적인 일 실시 양태에 있어서, 고체 전해질로 황화물계 고체 전해질을 사용하는 경우, 이를 포함하는 전극 슬러리의 분산매로는 극성도(polarity index)가 3 이하인 비극성 용매를 사용하는 것이 바람직하며, 이때 바인더 수지로는 용해도를 고려하여 고무계 바인더 수지를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 통상적으로 전극 바인더로 사용되는 PVdF계 바인더 수지나 아크릴계 바인더 수지는 비극성 용매에 잘 용해되지 않아 전극 슬러리 제조가 어렵다. 따라서 본 발명에서는 바인더 수지로 고무계 수지를 사용한다. 상기 고무계 바인더 수지는 상기 고무계 바인더 수지는 천연고무, 부틸계 러버, 브로모-부틸계 러버, 염소화 부틸계 러버, 스티렌 이소프렌계 러버, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌계 러버, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌계 러버, 폴리부타디엔계 러버, 니트릴 부타디엔계 러버, 스티렌 부타디엔계 러버, 스티렌 부타디엔 스티렌계 러버(SBS), EPDM(ethylene propylene diene monomer)계 러버, BR(ploly butadiene rubber) 및 HNBR(hydrogenated nitrile butadiene rubber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 이러한 바인더 수지 성분들은 본 발명의 음극 및 양극에도 적용될 수 있다. In addition, the binder resin for the electrolyte layer provides binding force between the materials constituting the battery, and PVdF-based binder resin or acrylic-based binder resin can be used without limitation. Meanwhile, in a specific embodiment of the present invention, when using a sulfide-based solid electrolyte as a solid electrolyte, it is preferable to use a non-polar solvent with a polarity index of 3 or less as a dispersion medium for the electrode slurry containing it, At this time, the binder resin may include a rubber-based binder resin considering solubility. As mentioned above, PVdF-based binder resin or acrylic-based binder resin, which is commonly used as an electrode binder, does not dissolve well in non-polar solvents, making it difficult to manufacture electrode slurry. Therefore, in the present invention, a rubber-based resin is used as the binder resin. The rubber-based binder resin includes natural rubber, butyl-based rubber, bromo-butyl-based rubber, chlorinated butyl-based rubber, styrene-isoprene-based rubber, styrene-ethylene-butylene-styrene-based rubber, and acrylonitrile-butadiene. -Styrene rubber, polybutadiene rubber, nitrile butadiene rubber, styrene butadiene rubber, styrene butadiene styrene rubber (SBS), EPDM (ethylene propylene diene monomer) rubber, BR (ploly butadiene rubber) and HNBR (hydrogenated nitrile). It may include one or more species selected from the group consisting of butadiene rubber. In one embodiment of the present invention, these binder resin components can also be applied to the cathode and anode of the present invention.
본 발명에 있어서, 상기 양극층은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 일측면에 형성된 양극 활물질층을 포함한다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 양극 활물질층은 상기 고체 전해질층의 상면에 형성되도록 배치된다. In the present invention, the positive electrode layer includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on one side of the positive electrode current collector. In a specific embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer is disposed to be formed on the upper surface of the solid electrolyte layer.
상기 양극 집전체는, 예를 들어 알루미늄 박막을 사용할 수 있으며, 이외에도 전기 화학 소자용 전극 집전체로 사용할 수 있는 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다. 이러한 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.The positive electrode current collector may be, for example, an aluminum thin film. In addition, any material that can be used as an electrode current collector for an electrochemical device may be used and is not particularly limited. These current collectors are not particularly limited as long as they have high conductivity without causing chemical changes in the battery, and include, for example, stainless steel, copper, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 양극 집전체는 전지캔의 수평 단면과 동일한 평면 형상을 갖는 평판형으로 준비될 수 있으며, 양극 활물질층 상단에 배치되며 이로부터 연장되거나 연결된 양극탭을 매개로 하여 캡 조립체와 전기적으로 연결된다. In a specific embodiment of the present invention, the positive electrode current collector may be prepared in a flat shape having the same planar shape as the horizontal cross-section of the battery can, and is disposed on the top of the positive electrode active material layer through a positive electrode tab extended or connected thereto. Thus, it is electrically connected to the cap assembly.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 고체 전해질 및 도전재를 포함할 수 있으며, 선택적으로 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬 망간 복합 산화물(LiMn2O4, LiMnO2 등), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 사용할 수 있고, 함께 사용할 수도 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material layer may include a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive material, and may optionally further include a binder resin. In the present invention, the positive electrode active material is a layered compound such as lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , etc.), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or one or more transition metals. Compounds substituted with; Chemical formula Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; lithium manganese oxide; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1 - x M x O 2 where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga and x = 0.01 to 0.3; Chemical formula LiMn 2 - x M Lithium manganese complex oxide expressed as Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which part of Li in the chemical formula is replaced with an alkaline earth metal ion; disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like may be used, and may be used together, but are not limited to these alone.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 도전재는, 예를 들어, 흑연, 카본블랙, 탄소 섬유 또는 금속 섬유, 금속 분말, 도전성 위스커, 도전성 금속 산화물, 활성 카본(activated carbon) 및 폴리페닐렌 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 도전성 재료의 혼합물일 수 있다. 더욱 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연, 슈퍼 피(super-p), 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 덴카(denka) 블랙, 알루미늄 분말, 니켈 분말, 산화 아연, 티탄산 칼륨 및 산화 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 도전성 재료의 혼합물일 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, the conductive material is, for example, graphite, carbon black, carbon fiber or metal fiber, metal powder, conductive whisker, conductive metal oxide, activated carbon, and polyphenylene derivative. It may be any one selected from the group consisting of or a mixture of two or more types of conductive materials. More specifically, natural graphite, artificial graphite, super-p, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, denka black, aluminum powder, nickel powder, oxidation. It may be one type selected from the group consisting of zinc, potassium titanate, and titanium oxide, or a mixture of two or more types of conductive materials thereof.
한편, 본 발명에 있어서 음극 활물질층의 높이가 h1이고, 양극 활물질층의 높이가 h3인 경우, h1<h3인 것이 바람직하다. 또한 이 경우 상기 음극 활물질층은 음극 활물질로 천연흑연, 인조흑연 실리콘 등을 포함하고, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질로 리튬코발트 산화물, 리튬 니켈-망간-코발트 산화물 등을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 리튬 코발트 산화물은 예를 들어 LiCoO2를 포함할 수 있다. 또한, 상기 리튬 니켈-망간-코발트 산화물은 예를 들어 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2 및 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. Meanwhile, in the present invention, when the height of the negative electrode active material layer is h1 and the height of the positive electrode active material layer is h3, it is preferable that h1 < h3. Also, in this case, the negative electrode active material layer preferably includes natural graphite, artificial graphite, silicon, etc. as a negative electrode active material, and the positive electrode active material layer preferably includes lithium cobalt oxide, lithium nickel-manganese-cobalt oxide, etc. as a positive electrode active material. The lithium cobalt oxide may include, for example, LiCoO 2 . Additionally, the lithium nickel-manganese-cobalt oxide is, for example, LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . It may include one or more of 2 O 2 and LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 .
다음으로 본 발명에 따른 전고체 전지를 제조하는 방법을 제공한다. Next, a method for manufacturing an all-solid-state battery according to the present invention is provided.
통상적으로 전지는 별도의 공정을 통해 전극 조립체를 제조하고 완성된 상태의 전극 조립체를 전지캔에 삽입하는 방식을 사용한다. 그러나, 본원 발명은 이러한 방법을 채용하지 않고 전지 캔을 전극 조립체의 외형틀로하여 전지캔 내부에 하측면으로부터 음극층, 고체 전해질층 및 양극층의 순서로 각 층을 매립하는 방식으로 제조한다. 이에 따라 전극 조립체가 전지캔과 동일한 또는 거의 동일한 형상으로 제조될 수 있으며, 전지캔과 전극 조립체가 이격되지 않도록 밀착되고 그 결과 전극 조립체가 전지 캔 내에서 유동되지 않고 안정적인 형태를 유지할 수 있다. 또한, 양극, 고체 전해질층 및 음극의 면적이나 부피 등 치수나 규격을 맞추는 별로의 얼라인(align) 공정을 수행할 필요가 없어 공정 효율이 높다. Typically, batteries use a method of manufacturing an electrode assembly through a separate process and inserting the completed electrode assembly into a battery can. However, the present invention does not adopt this method, but manufactures the battery can by using the battery can as an external template for the electrode assembly and embedding each layer in the order of the cathode layer, solid electrolyte layer, and anode layer from the bottom inside the battery can. Accordingly, the electrode assembly can be manufactured in the same or almost the same shape as the battery can, and the battery can and the electrode assembly are in close contact so as not to separate, and as a result, the electrode assembly can maintain a stable shape without flowing within the battery can. In addition, there is no need to perform a separate align process to match the dimensions or specifications of the anode, solid electrolyte layer, and cathode, such as the area or volume, so the process efficiency is high.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 전고체 전지 제조 방법은 하기 (S1) 단계 내지 (S6) 단계를 포함한다: In a specific embodiment of the present invention, the all-solid-state battery manufacturing method according to the present invention includes the following steps (S1) to (S6):
우선, 금속재질로 구성되며 상단이 개방된 전지캔을 준비한다(S1).First, prepare a battery can made of metal and open at the top (S1).
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전지캔은 내측벽이 절연물질로 피복되어 준비될 수 있다. As described above, in one embodiment of the present invention, the battery can may be prepared with the inner wall covered with an insulating material.
다음으로 상기 전지캔의 하단부에 음극 집전체를 전지캔 하단부와 밀착하도록 배치한다(S2). 상기 음극 집전체는 전지캔의 수평 단면과 동일한 형상의 평판으로 준비될 수 있다. 예를 들어 상기 집전체는 소정의 두께를 갖는 원판형인 것으로서 이의 직경은 전지캔의 내경과 동일하게 할 수 있다. Next, the negative electrode current collector is placed at the bottom of the battery can so that it is in close contact with the bottom of the battery can (S2). The negative electrode current collector may be prepared as a flat plate with the same shape as the horizontal cross section of the battery can. For example, the current collector may be in the shape of a disk with a predetermined thickness, and its diameter may be the same as the inner diameter of the battery can.
이후, 상기 음극 집전체의 상면에 소정의 높이 h1를 갖도록 음극 활물질층을 형성한다(S3). 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 음극 활물질층은 다음과 같이 준비될 수 있다. 적절한 용매를 준비하고 여기에서 음극 활물질, 고체 전해질, 바인더 수지 및 도전재를 포함하는 전극 합제를 분산시켜 음극 활무질층 형성용 슬러리를 준비한다. 상기 슬러리를 전지캔의 내부에 주입하고 건조를 통해 용매를 제거하고 슬러리를 고화시켜 음극 활물질층을 형성한다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 건조는 진공 조건에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 건조시 전지캔을 소정 온도로 가열하여 용매의 제거를 촉진할 수 있다. 필요한 경우 상기 고화된 음극 활물질층의 표면을 가압하여 음극 활물질층에 적절한 탭밀도를 부여한다. 이때 상기 전지캔은 전극층의 외형틀의 역할을 하므로 가압시 전극 활물질층 외형의 변형이 없이 형상이 안정적으로 유지되며 활물질의 탈리 등의 문제가 발생되지 않는 장점이 있다. Thereafter, a negative electrode active material layer is formed on the upper surface of the negative electrode current collector to have a predetermined height h1 (S3). In one embodiment of the present invention, the negative electrode active material layer can be prepared as follows. An appropriate solvent is prepared and an electrode mixture containing a negative electrode active material, a solid electrolyte, a binder resin, and a conductive material is dispersed therein to prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer. The slurry is injected into the inside of the battery can, the solvent is removed through drying, and the slurry is solidified to form a negative electrode active material layer. In one embodiment of the present invention, the drying may be performed under vacuum conditions. Additionally, during drying, the battery can can be heated to a predetermined temperature to promote removal of the solvent. If necessary, the surface of the solidified negative electrode active material layer is pressed to provide an appropriate tap density to the negative electrode active material layer. At this time, the battery can serves as an external frame for the electrode layer, so its shape is maintained stably without deformation of the external shape of the electrode active material layer when pressed, and it has the advantage of preventing problems such as detachment of the active material.
다음으로 상기 음극 활물질층의 상면에 소정의 높이 h2를 갖도록 고체 전해질층을 형성한다(S4). 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 고체 전해질층은 다음과 같이 준비될 수 있다. 적절한 용매를 준비하고 여기에서 무기 고체 전해질 을 분산시켜 전해질층용 슬러리를 준비한다. 상기 전해질층용 슬러리는 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 슬러리를 전지캔의 내부에 투입하고 용매를 제거하여 슬러리를 고화시켜 전해질층을 형성한다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 건조는 진공 조건에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 건조시 전지캔을 소정 온도로 가열하여 용매의 제거를 촉진할 수 있다. 필요한 경우 상기 고화된 전해질층의 표면을 가압하여 전해질층에 적절한 탭밀도를 부여한다. 이때 상기 전지캔은 전해질층의 외형틀의 역할을 하므로 가압시 전해질층의 외형의 변형이 없이 형상이 안정적으로 유지된다. Next, a solid electrolyte layer is formed on the upper surface of the negative electrode active material layer to have a predetermined height h2 (S4). In one embodiment of the present invention, the solid electrolyte layer can be prepared as follows. Prepare an appropriate solvent and disperse the inorganic solid electrolyte in it to prepare a slurry for the electrolyte layer. The slurry for the electrolyte layer may further include a binder resin. The slurry is placed inside the battery can, the solvent is removed, and the slurry is solidified to form an electrolyte layer. In one embodiment of the present invention, the drying may be performed under vacuum conditions. Additionally, during drying, the battery can can be heated to a predetermined temperature to promote removal of the solvent. If necessary, the surface of the solidified electrolyte layer is pressed to provide an appropriate tap density to the electrolyte layer. At this time, the battery can serves as the outer shape of the electrolyte layer, so its shape is maintained stably without deformation of the outer shape of the electrolyte layer when pressurized.
이후 상기 고체 전해질층의 상면에 소정의 높이 h3를 갖도록 양극 활물질층을 형성한다(S5). 양극 활물질층의 형성 방법은 음극 활물질층의 형성 단계에서 서술한 내용을 참조할 수 있다. 이후 단계에서 상기 양극 활물질층의 상면에 양극 집전체를 배치한다(S6). Afterwards, a positive electrode active material layer is formed on the upper surface of the solid electrolyte layer to have a predetermined height h3 (S5). For the method of forming the positive electrode active material layer, refer to the information described in the step of forming the negative electrode active material layer. In the next step, a positive electrode current collector is placed on the upper surface of the positive electrode active material layer (S6).
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 양극 활물질층은 슬러리를 고화시킨 이후 표면에 양극 집전체를 배치한 후 가압할 수 있다. 이때 양극 집전체가 지그의 역할을 할 수 있으며, 가압에 의해 양극 활물질층에 적절한 탭밀도를 부여하는 동시에 집전체와 양극 활물질층 사이의 접착력을 높일 수 있다. In a specific embodiment of the present invention, the positive active material layer may be pressurized after solidifying the slurry and placing a positive current collector on the surface. At this time, the positive electrode current collector can serve as a jig, and by applying pressure, an appropriate tap density can be provided to the positive electrode active material layer and the adhesion between the current collector and the positive active material layer can be increased.
한편, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 집전체가 돌출부를 포함하는 구조인 경우에는 돌출부가 전극 활물질 내로 삽입되도록 하기 위해 상기 예시된 공정 순서를 적절하게 보완할 수 있다. Meanwhile, in a specific embodiment of the present invention, when the current collector has a structure including a protrusion, the above-exemplified process sequence can be appropriately supplemented to ensure that the protrusion is inserted into the electrode active material.
예를 들어, 집전체가 침형이나 가지형의 돌출부를 포함하는 경우, 집전체의 배치와 음극 활물질층의 형성은 상기 (S1) 단계 내지 (S4) 단계를 적용할 수 있다. 한편, (S5) 단계의 양극 활물질층 형성시에는 슬러리가 고화되기 전 상기 돌출부를 슬러리 내로 삽입시키고 이후 단계에서 상기 양극 활물질층의 상면에 기저부를 배치하고 이를 가압하는 방식으로 진행될 수 있다. 이를 위해 상기 집전체는 돌출부와 기저부가 분리되어 준비될 수 있으며(도 6), 전극 활물질층 형성시 돌출부를 활물질층 내부로 삽입시키고 가압시 돌출부의 끝단과 기저부가 맞닿게 하여 이들이 전기적으로 연결될 수 있도록 할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 돌출부의 끝단과 기저부가 전기적으로 잘 연결되도록 하기 위해 기저부의 표면에 돌출부의 끝단에 대응되는 형상의 홈(453)을 형성하여 돌출부의 끝단이 기저부 내로 소정 깊이 삽입되도록 할 수 있다.For example, when the current collector includes needle-shaped or branch-shaped protrusions, the steps (S1) to (S4) above can be applied to the arrangement of the current collector and the formation of the negative electrode active material layer. Meanwhile, when forming the positive electrode active material layer in step (S5), the protrusion may be inserted into the slurry before the slurry is solidified, and in the subsequent step, the base may be placed on the upper surface of the positive active material layer and pressed. For this purpose, the current collector can be prepared with the protrusions and the base separated (FIG. 6). When forming the electrode active material layer, the protrusions are inserted into the active material layer and when pressed, the ends of the protrusions and the base come into contact so that they can be electrically connected. It can be done. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, in order to ensure that the end of the protrusion and the base are well electrically connected, a
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above detailed description is illustrative of the present invention. Additionally, the foregoing is intended to illustrate preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications can be made within the scope of the inventive concept disclosed in this specification, a scope equivalent to the written disclosure, and/or within the scope of technology or knowledge in the art. The above-described embodiments illustrate the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required for specific application fields and uses of the present invention are also possible. Accordingly, the detailed description of the invention above is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Additionally, the appended claims should be construed to include other embodiments as well.
10 종래 원통형 이차 전지, 12 전극 조립체, 12a 양극, 12b 분리막, 12c 음극, 13 전지 케이스, 15 센터 핀, 14 캡 조립체10 Conventional cylindrical secondary battery, 12 electrode assembly, 12a anode, 12b separator, 12c cathode, 13 battery case, 15 center pin, 14 cap assembly
100 본 발명에 따른 전고체 전지, 180 캡 조립체, 130 음극 집전체, 120 음극 활물질층, 160 음극층, 110 고체 전해질층, 130 전지 케이스, 140 양극 활물질층, 150 양극 집전체, 170 양극층, 450 집전체, 451 기저부, 452 침형 돌출부, 251 기저부, 252 가지형 돌출부, 351 기저부, 352 메쉬형 돌출부, 350 집전체, 453 홈, 500 절연 물질100 All-solid-state battery according to the present invention, 180 cap assembly, 130 negative electrode current collector, 120 negative electrode active material layer, 160 negative electrode layer, 110 solid electrolyte layer, 130 battery case, 140 positive electrode active material layer, 150 positive electrode current collector, 170 positive electrode layer, 450 current collector, 451 base, 452 needle-shaped protrusion, 251 base, 252 branched protrusion, 351 base, 352 mesh-shaped protrusion, 350 current collector, 453 groove, 500 insulating material
Claims (9)
상기 전지캔에 삽입된 전극 조립체;를 포함하며,
상기 전극 조립체는 상기 전지캔의 하단으로부터 음극층, 고체 전해질층 및 양극층이 순차적으로 적층되어 층상구조를 형성하고 있으며,
상기 음극층은 음극 집전체 및 상기 집전체의 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하고,
상기 양극층은 양극 집전체 및 상기 집전체의 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하며 상기 음극 활물질층 및 양극 활물질층은 상기 고체 전해질층을 개재하여 대면하며,
음극 활물질층의 높이가 h1이고, 양극 활물질층의 높이가 h3인 경우에 h1는 h3보다 작고 상기 양극 집전체 및 음극 집전체 중 적어도 하나는 평판형의 기저부와 상기 기저부의 일측 표면에서 돌출된 하나 이상의 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부가 전극 활물질층 내부로 삽입되어 있으며, 상기 돌출부는 가지형이거나 망형 구조를 갖는 메쉬형이며,
상기 돌출부의 표면의 전부 또는 일부가 전기 전도성 물질을 포함하는 피복층으로 피복되어 있으며,
상기 전지캔의 내측벽은 절연 물질을 포함하는 절연층으로 피복되어 있고, 상기 절연층은 두께가 1㎛ 내지 10㎛이며, 상기 절연층은 탄성력을 갖는 완충층을 포함하는 것인 전고체 전지.
A battery can made of metal and open at the top; and
It includes an electrode assembly inserted into the battery can,
The electrode assembly has a layered structure in which a cathode layer, a solid electrolyte layer, and an anode layer are sequentially stacked from the bottom of the battery can,
The negative electrode layer includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on one surface of the current collector,
The positive electrode layer includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on one surface of the current collector, and the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer face each other through the solid electrolyte layer,
When the height of the negative electrode active material layer is h1 and the height of the positive electrode active material layer is h3, h1 is less than h3 and at least one of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is a flat base and one protruding from one surface of the base. It includes one or more protrusions, the protrusions are inserted into the electrode active material layer, and the protrusions are branch-shaped or mesh-shaped with a network-like structure,
All or part of the surface of the protrusion is covered with a coating layer containing an electrically conductive material,
An all-solid-state battery wherein the inner wall of the battery can is covered with an insulating layer containing an insulating material, the insulating layer has a thickness of 1㎛ to 10㎛, and the insulating layer includes a buffer layer having elastic force.
상기 전지는 상기 개방된 상단에 캡 조립체가 설치되어 밀봉된 것인, 전고체 전지.
According to paragraph 1,
The battery is an all-solid-state battery that is sealed by installing a cap assembly on the open top.
상기 전극 조립체는 음극층, 고체 전해질층 및 양극층이 전지캔에 순차적으로 매립되는 방식으로 제조되며, 전극 조립체와 전지캔의 내벽이 서로 이격되지 않도록 밀착된 것인, 전고체 전지.
According to paragraph 1,
The electrode assembly is manufactured by sequentially embedding a cathode layer, a solid electrolyte layer, and an anode layer in a battery can, and the electrode assembly and the inner wall of the battery can are in close contact with each other so as not to be spaced apart, an all-solid-state battery.
상기 고체 전해질은 무기 고체 전해질을 포함하는 것인, 전고체 전지.
According to paragraph 1,
An all-solid-state battery, wherein the solid electrolyte includes an inorganic solid electrolyte.
상기 무기 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질을 포함하는 것인, 전고체 전지.
According to clause 5,
An all-solid-state battery, wherein the inorganic solid electrolyte includes a sulfide-based solid electrolyte.
(S2) 상기 전지캔의 하단부에 음극 집전체를 전지캔 하단부와 밀착하도록 배치하는 단계;
(S3) 상기 음극 집전체의 상면에 소정의 높이 h1를 갖도록 음극 활물질층을 형성하는 단계;
(S4) 상기 음극 활물질층의 상면에 소정의 높이 h2를 갖도록 고체 전해질층을 형성하는 단계;
(S5) 상기 고체 전해질층의 상면에 소정의 높이 h3를 갖도록 양극 활물질층을 형성하는 단계; 및
(S6) 상기 양극 활물질층의 상면에 양극 집전체를 배치하는 단계;를 포함하며,
음극 활물질층의 높이가 h1이고, 양극 활물질층의 높이가 h3인 경우에 h1는 h3보다 작고 상기 양극 집전체 및 음극 집전체 중 적어도 하나는 평판형의 기저부와 상기 기저부의 일측 표면에서 돌출된 하나 이상의 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부가 전극 활물질층 내부로 삽입되어 있으며, 상기 돌출부는 가지형이거나 망형 구조를 갖는 메쉬형인 상기 돌출부의 표면의 전부 또는 일부가 전기 전도성 물질을 포함하는 피복층으로 피복되어 있으며,
상기 전지캔의 내측벽은 절연 물질을 포함하는 절연층으로 피복되어 있고, 상기 절연층은 두께가 1㎛ 내지 10㎛이며, 상기 절연층은 탄성력을 갖는 완충층을 포함하는 것인 전고체 전지의 제조 방법.
(S1) preparing a battery can made of metal and open at the top;
(S2) placing a negative electrode current collector at the bottom of the battery can so that it is in close contact with the bottom of the battery can;
(S3) forming a negative electrode active material layer on the upper surface of the negative electrode current collector to have a predetermined height h1;
(S4) forming a solid electrolyte layer to have a predetermined height h2 on the upper surface of the negative electrode active material layer;
(S5) forming a positive electrode active material layer on the upper surface of the solid electrolyte layer to have a predetermined height h3; and
(S6) placing a positive electrode current collector on the upper surface of the positive electrode active material layer,
When the height of the negative electrode active material layer is h1 and the height of the positive electrode active material layer is h3, h1 is less than h3 and at least one of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is a flat base and one protruding from one surface of the base. It includes the above protrusions, the protrusions are inserted into the electrode active material layer, and the protrusions are branch-shaped or mesh-shaped with a net-like structure, and all or part of the surface of the protrusions are covered with a coating layer containing an electrically conductive material, ,
The inner wall of the battery can is covered with an insulating layer containing an insulating material, the insulating layer has a thickness of 1㎛ to 10㎛, and the insulating layer includes a buffer layer having elastic force. Manufacture of an all-solid-state battery method.
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