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KR102727051B1 - Electrochemical device, and preparation method thereof - Google Patents

Electrochemical device, and preparation method thereof Download PDF

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KR102727051B1
KR102727051B1 KR1020170005229A KR20170005229A KR102727051B1 KR 102727051 B1 KR102727051 B1 KR 102727051B1 KR 1020170005229 A KR1020170005229 A KR 1020170005229A KR 20170005229 A KR20170005229 A KR 20170005229A KR 102727051 B1 KR102727051 B1 KR 102727051B1
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electrochemical device
current collector
positive electrode
cathode
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김경환
박휘열
허진석
임성진
정희수
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삼성전자주식회사
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Abstract

양극 집전체; 양극 집전체에 전기적으로 접촉하는 복수의 양극; 상기 양극으로 이루어진 제1 돌출부 및 양극 사이에 위치하는 제1 함몰부 상에 각각 배치되는 제2 돌출부 및 제2 함몰부를 포함하는 전해질층; 및 상기 전해질층의 제2 돌출부 및 제2 함몰부 상에 각각 배치되는 제3 돌출부 및 제3 함몰부를 포함하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스와 이의 제조방법이 제시된다.An electrochemical device comprising: a positive electrode current collector; a plurality of positive electrodes in electrical contact with the positive electrode current collector; an electrolyte layer including a second protrusion and a second depression, each positioned on a first protrusion formed by the positive electrode and a first depression positioned between the positive electrodes; and a negative electrode current collector layer including a third protrusion and a third depression, each positioned on the second protrusion and the second depression of the electrolyte layer; and a method for manufacturing the same are provided.

Description

전기화학 디바이스 및 이의 제조방법{Electrochemical device, and preparation method thereof}{Electrochemical device, and preparation method thereof}

전기화학 디바이스, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.It relates to an electrochemical device and a method for manufacturing the same.

전자 분야의 기술 발달로 휴대폰, 게임기, PMP(portable multimedia player), MP3(mpeg audio layer-3) 플레이어뿐만 아니라, 스마트폰, 스마트 패드, 전자책 단말기, 태블릿 컴퓨터, 신체에 부착하는 이동용 의료 기기와 같은 각종 이동용 전자 기기에 대한 시장이 크게 성장하고 있다. 이러한 이동용 전자 기기 관련 시장이 성장함에 따라, 이동용 전자 기기의 구동에 적합한 배터리에 대한 요구도 높아지고 있다.With the advancement of technology in the electronics field, the market for various mobile electronic devices such as mobile phones, game consoles, PMP (portable multimedia players), MP3 (mpeg audio layer-3) players, as well as smart phones, smart pads, e-book readers, tablet computers, and mobile medical devices attached to the body is growing rapidly. As the market for such mobile electronic devices grows, the demand for batteries suitable for operating mobile electronic devices is also increasing.

이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로, 특히 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있다. 최근에는 용량 증가를 위해 3차원(3D) 구조의 전극을 이용한 리튬 이차 전지에 대한 연구도 진행되고 있다.Secondary batteries are batteries that can be charged and discharged, unlike primary batteries that cannot be recharged. In particular, lithium secondary batteries have the advantage of higher voltage and higher energy density per unit weight than nickel-cadmium batteries or nickel-hydrogen batteries. Recently, research is also being conducted on lithium secondary batteries using electrodes with a three-dimensional (3D) structure to increase capacity.

한 측면은 충방전 시 전기화학 디바이스의 부피 변화를 효과적으로 수용할 수 있는 구조를 가지는 음극 집전체층과 리튬 음극의 두께 균일성을 향상시킬 수 있는 조성을 가지는 양극을 포함하는 전기화학 디바이스를 제공하는 것이다.One aspect is to provide an electrochemical device including a negative electrode current collector layer having a structure capable of effectively accommodating a change in the volume of the electrochemical device during charge and discharge and a positive electrode having a composition capable of improving the thickness uniformity of the lithium negative electrode.

한 측면에 따라,On one side,

양극 집전체;Bipolar collector;

양극 집전체에 전기적으로 접촉하는 복수의 양극;A plurality of anodes in electrical contact with the cathode collector;

상기 양극으로 이루어진 제1 돌출부 및 양극 사이에 위치하는 제1 함몰부 상에 각각 배치되는 제2 돌출부 및 제2 함몰부를 포함하는 전해질층; 및An electrolyte layer including a second protrusion and a second depression, each of which is positioned on a first protrusion formed by the anode and a first depression positioned between the anode; and

상기 전해질층의 제2 돌출부 및 제2 함몰부 상에 각각 배치되는 제3 돌출부 및 제3 함몰부를 포함하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스가 제공된다.An electrochemical device is provided, comprising: a negative electrode current collector layer including a third protrusion and a third recessed portion, each of which is disposed on a second protrusion and a second recessed portion of the electrolyte layer.

다른 한 측면에 따라,On the other hand,

양극 집전체;Bipolar collector;

상기 양극 집전체와 접촉하는 복수의 양극;A plurality of anodes in contact with the above cathode collector;

상기 복수의 양극과 접촉하는 전해질층; 및An electrolyte layer in contact with the plurality of anodes; and

상기 전해질층의 표면 윤곽을 따라 배치된 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스가 제공된다.An electrochemical device is provided, comprising a cathode current collector layer arranged along the surface contour of the electrolyte layer.

또 다른 한 측면에 따라,On another note,

양극 집전체;Bipolar collector;

상기 양극 집전체와 접촉하며, 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성금속 함유 화합물을 포함하는 양극:A cathode comprising a compound containing an active metal, which is in contact with the above cathode current collector and has a lower initial charge/discharge efficiency than the cathode active material:

상기 양극과 접촉하는 전해질층; 및An electrolyte layer in contact with the above anode; and

상기 전해질층과 접촉하는 음극 집전체층;을 포함하는 전기화학 디바이스가 제공된다.An electrochemical device is provided, comprising a cathode current collector layer in contact with the electrolyte layer.

한 측면에 따르면, 3차원 구조를 가지는 음극 집전체층이 충방전 시 전기화학 디바이스의 부피 변화에 따른 스트레스를 완화할 수 있으며, 초기 충방전 효율이 낮은 화합물을 포함하는 양극이 리튬 음극의 두께 균일성을 향상시킴에 의하여 전기화학 디바이스의 용량 감소 및 구조 붕괴를 억제할 수 있다.According to one aspect, a negative electrode current collector layer having a three-dimensional structure can alleviate stress caused by volume change of an electrochemical device during charge and discharge, and a positive electrode including a compound having low initial charge and discharge efficiency can improve the thickness uniformity of a lithium negative electrode, thereby suppressing capacity decrease and structural collapse of an electrochemical device.

도 1은 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전기화학 디바이스의 내부를 부분적으로 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 전기화학 디바이스의 단면의 일부만으로 도시한 단면도이다.
도 4a는 도 1의 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 4b는 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 4c는 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 5는 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 6은 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 7은 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 8은 다른 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 단면도이다.
도 9는 모듈을 보여주는 사시도이다.
도 10은 사이드 스텝 커버리지를 보여주는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11f는 전기화학 디바이스의 제조방법을 보여주는 사시도 및 단면도이다.
Figure 1 is a perspective view schematically illustrating the structure of an electrochemical device according to one embodiment.
Figure 2 is a perspective view partially showing the interior of the electrochemical device of Figure 1.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing only a portion of the cross-section of the electrochemical device of FIG. 1.
Figure 4a is a cross-sectional view of the electrochemical device of Figure 1.
Figure 4b is a cross-sectional view of an electrochemical device according to another embodiment.
Figure 4c is a cross-sectional view of an electrochemical device according to another embodiment.
Figure 5 is a cross-sectional view of an electrochemical device according to another embodiment.
Figure 6 is a cross-sectional view of an electrochemical device according to another embodiment.
Figure 7 is a cross-sectional view of an electrochemical device according to another embodiment.
Figure 8 is a cross-sectional view of an electrochemical device according to another embodiment.
Figure 9 is a perspective view showing the module.
Figure 10 is a cross-sectional view showing the side step coverage.
Figures 11a to 11f are perspective views and cross-sectional views showing a method for manufacturing an electrochemical device.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여, 예시적인 구현예들에 따른 전기화학 디바이스, 및 이의 제조방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, an electrochemical device according to exemplary embodiments and a method for manufacturing the same will be described in more detail.

이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한, 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부"나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.In the drawings below, the same reference numerals refer to the same components, and the sizes of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the embodiments described below are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. In addition, in the layer structure described below, the expressions "upper" or "upper" may include not only what is directly above in contact, but also what is above in a non-contact manner.

도 1은 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 전기화학 디바이스의 내부를 부분적으로 보여주는 단면도이다. 도 3은 설명을 위하여 도 1의 전기화학 디바이스에서 양극 집전체 및 양극만을 도시하고 나머지는 생략한 단면도이다. 도 4a는 도1의 전기화학 디바이스의 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of an electrochemical device according to one embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view partially showing the interior of the electrochemical device of FIG. 1. FIG. 3 is a cross-sectional view showing only the cathode current collector and the cathode in the electrochemical device of FIG. 1, omitting the rest for the sake of explanation. FIG. 4a is a cross-sectional view of the electrochemical device of FIG. 1.

도 1 내지 도 4a를 참조하면, 일 구현예에 따른 전기화학 디바이스(100)는 양극 집전체(101), 양극(102), 전해질층(120) 및 음극 집전체층(111)을 포함한다. 복수의 양극(102)은 양극 집전체(101)에 전기적으로 접촉하며, 양극 집전체(101)로부터 돌출되는 방향(예를 들어, 도 2에서 z방향)으로 배치될 수 있다. 전해질층(120)은 제2 돌출부(120a) 및 제2 함몰부(120b)를 포함하며, 제2 돌출부(120a) 및 제2 함몰부(120b)는 양극(102)으로 이루어진 제1 돌출부(102a) 및 양극(102) 사이에 위치하는 제1 함몰부(102b) 상에 각각 배치될 수 있다. 음극 집전체층(111)은 제3 돌출부(111a) 및 제3 함몰부(111b)를 포함하며, 제3 돌출부(111a) 및 제3 함몰부(111b)는 전해질층(120)이 포함하는 제2 돌출부(120a) 및 제2 함몰부(120b) 상에 각각 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 4A, an electrochemical device (100) according to one embodiment includes a positive electrode current collector (101), a positive electrode (102), an electrolyte layer (120), and a negative electrode current collector layer (111). A plurality of positive electrodes (102) are in electrical contact with the positive electrode current collector (101) and may be arranged in a direction protruding from the positive electrode current collector (101) (for example, the z direction in FIG. 2). The electrolyte layer (120) includes a second protrusion (120a) and a second recess (120b), and the second protrusion (120a) and the second recess (120b) may be arranged on a first protrusion (102a) formed of the positive electrode (102) and a first recess (102b) positioned between the positive electrode (102), respectively. The negative electrode current collector layer (111) includes a third protrusion (111a) and a third recessed portion (111b), and the third protrusion (111a) and the third recessed portion (111b) can be respectively disposed on the second protrusion (120a) and the second recessed portion (120b) included in the electrolyte layer (120).

도 4a를 참조하면, 복수의 제3 돌출부(111a)사이에 제3 함몰부(111b)에 의하여 형성되는 빈 공간이 배치된다. 이러한 빈 공간은 충방전 시에 수반되는 전기화학 디바이스(100)의 부피변화, 예를 들어 음극(112)(도 5 참조)의 부피 변화를 효과적으로 수용하여 균열 등의 열화를 방지할 수 있다. 결과적으로, 전기화학 디바이스(100)의 수명특성 향상 및 안정성 향상을 구현할 수 있다.Referring to Fig. 4a, an empty space formed by a third recessed portion (111b) is arranged between a plurality of third protrusions (111a). This empty space can effectively accommodate a change in volume of the electrochemical device (100) accompanying charge and discharge, for example, a change in volume of the negative electrode (112) (see Fig. 5), thereby preventing deterioration such as cracks. As a result, the life characteristics and stability of the electrochemical device (100) can be improved.

도 4b를 참조하면, 음극 집전체(111) 상에 시트(sheet) 형태의 음극 집전체(113)가 추가적으로 배치될 수 있다. 시트 형태의 음극 집전체(113)는 복수의 제3 돌출부(111a)사이에 제3 함몰부(111b)에 의하여 형성된 빈 공간을 둘러쌀 수 있다. 빈 공간은 질소, 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워질 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 전기화학 반응에 참여하지 않은 기체로서 전지를 열화시키지 않는 것이라면 모두 가능하다. 빈 공간의 압력은 상온에서 대기압(1 atm)이거나 대기압 보다 낮을 수 있다. 시트 형태의 음극 집전체(113)는 금속 호일 등일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 도전성 슬러리 또는 스퍼터링 등에 의하여 시트 형태로 형성되는 도전성 재료일 수 있다.Referring to FIG. 4b, a sheet-shaped negative electrode collector (113) may be additionally arranged on the negative electrode collector (111). The sheet-shaped negative electrode collector (113) may surround a hollow space formed by a third depression (111b) between a plurality of third protrusions (111a). The hollow space may be filled with an inert gas such as nitrogen or argon, but is not necessarily limited thereto, and any gas that does not participate in an electrochemical reaction and does not deteriorate the battery may be used. The pressure of the hollow space may be atmospheric pressure (1 atm) or lower than atmospheric pressure at room temperature. The sheet-shaped negative electrode collector (113) may be, but is not necessarily limited thereto, a metal foil, and may be a conductive material formed in a sheet shape by a conductive slurry or sputtering, etc.

도 4c를 참조하면, 복수의 제3 돌출부(111a)사이에 제3 함몰부(111b)에 의하여 형성되는 빈 공간에 버퍼층(114)이 추가적으로 배치되어 채울 수 있다. 버퍼층(114)은 전기화학 디바이스(100)의 충전 시에 음극(112)의 부피 증가를 효과적으로 수용하고 방전 시에 음극(112)의 부피 감소에 수반되는 음극 집전체층(111)의 충전 전 형태로의 복귀를 용이하게 하여 전기화학 디바이스(100)의 균열 등의 열화를 방지할 수 있다.Referring to FIG. 4c, a buffer layer (114) may be additionally arranged to fill the empty space formed by the third recessed portion (111b) between the plurality of third protrusions (111a). The buffer layer (114) effectively accommodates an increase in the volume of the negative electrode (112) when charging the electrochemical device (100) and facilitates the return of the negative electrode current collector layer (111) to its pre-charge form accompanying the decrease in the volume of the negative electrode (112) when discharging, thereby preventing deterioration such as cracking of the electrochemical device (100).

버퍼층(114)은 외력에 의하여 부피 변화가 용이한 탄성 재료를 포함할 수 있다. 탄성 재료는 예를 들어 천연 고무 및 합성 고무 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 합성 고무는 예를 들어 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 이소프렌 고무(IR), 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체(EPDM) 고무, 실리콘 고무, 알킬아크릴레이트 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸실란 고무, 부틸 아크릴레이트 공중합체 등일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 탄성 재료로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 탄성 재료는 도전재를 추가적으로 포함할 수 있다. 도전재는 탄소계 도전재 및 또는 금속계 도전재일 수 있다. 도전재는 카본 블랙, 흑연 미립자, 천연 흑연, 인조 흑연, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 카본파이버; 탄소나노튜브; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 또는 금속 튜브; 폴리페닐렌 유도체와 같은 전도성 고분자 등일 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 도전재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The buffer layer (114) may include an elastic material that is easy to change in volume due to an external force. The elastic material may be, for example, one or more selected from natural rubber and synthetic rubber. The synthetic rubber may be, for example, styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, silicone rubber, alkyl acrylate copolymer, styrene-ethylene-butadiene-styrene copolymer, polymethylsilane rubber, butyl acrylate copolymer, etc., but is not necessarily limited thereto, and any material that can be used as an elastic material in the relevant technical field may be used. The elastic material may additionally include a conductive material. The conductive material may be a carbon-based conductive material and/or a metal-based conductive material. The conductive material may be carbon black, graphite particles, natural graphite, artificial graphite, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber; carbon nanotube; It may be, but is not limited to, metal powders such as copper, nickel, aluminum, silver, or metal fibers or metal tubes; conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like; and any material that can be used as a conductive material in the relevant technical field may be used.

버퍼층(114)은 적어도 일부가 비어 있을 수 있다. 다시 말해, 버퍼층(114)의 일부에만 탄성 재료가 배치되고 나머지 부분은 비어있을 수 있는데, 탄성 재료가 차지하는 부피가 90부피% 이하, 70부피% 이하, 50부피% 이하, 30부피% 이하, 20부피% 이하, 또는 10부피% 이하이고 나머지는 빈 공간일 수 있다. 버퍼층(114)에 배치되는 탄성 재료는 다공성일 수 있다. 버퍼층(114)에 다공성 탄성 재료가 배치됨에 의하여 충방전 시에 수반되는 전기화학 디바이스(100)의 부피 변화를 더욱 효과적으로 수용할 수 있다.The buffer layer (114) may be at least partially empty. In other words, the elastic material may be disposed only in a portion of the buffer layer (114) and the remaining portion may be empty, and the volume occupied by the elastic material may be 90 vol% or less, 70 vol% or less, 50 vol% or less, 30 vol% or less, 20 vol% or less, or 10 vol% or less, and the remaining portion may be empty space. The elastic material disposed in the buffer layer (114) may be porous. By disposing the porous elastic material in the buffer layer (114), the volume change of the electrochemical device (100) accompanying the charging and discharging can be accommodated more effectively.

도 1 내지 도 4c를 참조하면, 음극 집전체층(111)의 제3 돌출부(111a)와 제3 함몰부(111b)가 평행하게, 교대로 규칙적으로(regularly), 또는 주기적으로(periodically) 배열될 수 있다. 복수의 제3 돌출부(111a)와 제3 함몰부(111b)의 규칙적 또는 주기적인 배열은 전기화학 디바이스(100)의 구조적 균일성을 향상시켜 전기화학 디바이스(100)의 열화를 방지할 수 있다. Referring to FIGS. 1 to 4c, the third protrusions (111a) and the third recesses (111b) of the negative electrode current collector layer (111) can be arranged in parallel, alternately, regularly, or periodically. The regular or periodic arrangement of a plurality of third protrusions (111a) and third recesses (111b) can improve the structural uniformity of the electrochemical device (100), thereby preventing deterioration of the electrochemical device (100).

도 2 및 도 4a 내지 4c를 참조하면, 음극 집전체층(111)의 제3 함몰부(111b)는 서로 이격되어 마주보는 측면들 및 바닥면을 포함한다. 제3 함몰부(111b)의 측면과 바닥면이 이루는 각도는 60도 이상, 65도 이상, 70도 이상, 75도 이상, 80도 이상, 85도 이상, 또는 80도 내지 100도일 수 있다. Referring to FIG. 2 and FIGS. 4a to 4c, the third recessed portion (111b) of the negative electrode current collector layer (111) includes side surfaces and a bottom surface that are spaced apart from each other and face each other. The angle formed by the side surface and the bottom surface of the third recessed portion (111b) may be 60 degrees or more, 65 degrees or more, 70 degrees or more, 75 degrees or more, 80 degrees or more, 85 degrees or more, or 80 to 100 degrees.

제3 함몰부(111b)의 마주보는 측면들이 이격되는 거리는 5㎛ 내지 30㎛, 6㎛ 내지 25㎛, 7㎛ 내지 20㎛, 또는 8㎛ 내지 18㎛ 일 수 있다. The distance between the opposing side surfaces of the third recessed portion (111b) may be 5 µm to 30 µm, 6 µm to 25 µm, 7 µm to 20 µm, or 8 µm to 18 µm.

제3 함몰부(111b)의 깊이, 다시 말해 전기화학 디바이스(100)의 표면으로부터 제3 함몰부(111b)의 바닥면까지의 거리는 60㎛ 내지 300㎛, 80㎛ 내지 250㎛, 100㎛ 내지 230㎛, 또는 120㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 제3 함몰부(111b)가 이러한 각도, 거리, 및 깊이를 가짐에 의하여 전기화학 디바이스(100)의 구조적 안정성 및 에너지 밀도가 증가되며, 동일한 공간에서 증가된 방전 용량을 구현할 수 있다.The depth of the third recessed portion (111b), that is, the distance from the surface of the electrochemical device (100) to the bottom surface of the third recessed portion (111b), may be 60 µm to 300 µm, 80 µm to 250 µm, 100 µm to 230 µm, or 120 µm to 200 µm. When the third recessed portion (111b) has such an angle, distance, and depth, the structural stability and energy density of the electrochemical device (100) are increased, and an increased discharge capacity can be implemented in the same space.

음극 집전체층(111)의 두께는 5㎛ 이하, 4.5㎛ 이하, 4.0㎛ 이하, 3.5㎛ 이하, 3.0㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 또는 0.1㎛ 이하이고, 0.01㎛ 이상, 또는 0.05㎛ 이상일 수 있다. 음극 집전체층(111)의 두께가 5㎛ 이하임에 의하여 집전체가 차지하는 중량 분율이 감소하여 전기화학 디바이스(100)의 단위 중량 당 에너지 밀도가 증가할 수 있다.The thickness of the negative electrode current collector layer (111) may be 5 ㎛ or less, 4.5 ㎛ or less, 4.0 ㎛ or less, 3.5 ㎛ or less, 3.0 ㎛ or less, 2 ㎛ or less, 1 ㎛ or less, 0.5 ㎛ or less, or 0.1 ㎛ or less, and may be 0.01 ㎛ or more, or 0.05 ㎛ or more. Since the thickness of the negative electrode current collector layer (111) is 5 ㎛ or less, the weight fraction occupied by the current collector is reduced, so that the energy density per unit weight of the electrochemical device (100) may increase.

음극 집전체층(111)의 복수의 제3 돌출부(111a) 및 제3 함몰부(111b)는 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 이러한 전기적 연결이 100 사이클 이상의 충방전 후에도 유지될 수 있다. 100 사이클 이상의 충방전 후에도 음극 집전체층(111)의 표면 저항은 충방전 전의 초기 표면 저항에 대하여 101% 이하, 104% 이하, 105% 이하, 110% 이하 또는 120% 이하일 수 있다. The plurality of third protrusions (111a) and third depressions (111b) of the negative electrode current collector layer (111) can be electrically connected to each other, and this electrical connection can be maintained even after 100 or more charge/discharge cycles. Even after 100 or more charge/discharge cycles, the surface resistance of the negative electrode current collector layer (111) can be 101% or less, 104% or less, 105% or less, 110% or less, or 120% or less of the initial surface resistance before charge/discharge.

도 1 내지 도 4c를 참조하면, 양극(102)은 초기 충방전 효율이 양극 활물질보다 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 양극(102) 전체에 균일하게 배치되거나 일부 영역에 편재되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 양극(102)이 전해질층(120)과 인접한 부분에 이러한 물질이 주로 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 4c, the positive electrode (102) may include an active metal-containing compound having an initial charge/discharge efficiency lower than that of the positive electrode active material. Such a material may be uniformly disposed throughout the positive electrode (102) or may be distributed in some areas. For example, such a material may be primarily disposed in a portion of the positive electrode (102) adjacent to the electrolyte layer (120).

초기 충전시에 양극(102)에서 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물이 산화되어 활성 금속 이온, 전자(electron) 및 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물로 분리되며, 활성 금속 이온은 양극(102)에서 전해질층(120)으로 이동하고 전자는 양극 집전체층(101)과 외부 회로를 거쳐 음극 집전체층(111)으로 이동하여, 음극 집전체층(111)과 전해질층(120)사이에서 전자에 의하여 환원된 활성 금속 이온이 전착(plating)되어 리튬 베드(bed)와 같은 활성 금속 베드(bed)가 형성된다. 이어지는, 초기 방전시에 활성 금속 베드(bed)에서 활성 금속이 산화되어 활성 금속 이온과 전자(electron)로 분리되며, 활성 금속 이온은 활성 금속 베드(bed)에서 전해질층(120)으로 이동하고 전자는 음극 집전체층(111)과 외부 회로를 거쳐 양극 집전체층(101)으로 이동하여, 양극(102)에서 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물이 활성 금속 이온과 전자에 의하여 환원되어 활성 금속 함유 화합물이 다시 형성된다. 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율이 낮으므로 초기 충전시에 활성 금속 베드 형성에 사용된 활성 금속 이온의 일부만이 방전시에 양극(102)으로 복귀하므로 활성 금속 베드의 일부는 잔존하여 음극이 되며 양극(102)에서도 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물의 일부가 잔존한다. 초기 양극(102)은 초기 충방전 효율이 양극 활물질보다 낮은 활성 금속 함유 화합물만을 포함하며, 초기 충방전 후의 양극(102)은 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물을 추가적으로 포함한다.During the initial charge, the active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material in the positive electrode (102) is oxidized and separated into active metal ions, electrons, and the oxidation reaction product of the active metal-containing compound. The active metal ions move from the positive electrode (102) to the electrolyte layer (120), and the electrons move to the negative electrode current collector layer (111) through the positive electrode current collector layer (101) and the external circuit, so that the active metal ions reduced by the electrons are plated between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120), thereby forming an active metal bed such as a lithium bed. Subsequently, during the initial discharge, the active metal in the active metal bed is oxidized and separated into active metal ions and electrons, and the active metal ions move from the active metal bed to the electrolyte layer (120), and the electrons move to the positive current collector layer (101) through the negative current collector layer (111) and the external circuit, so that the oxidation reaction product of the active metal-containing compound in the positive electrode (102) is reduced by the active metal ions and electrons, and the active metal-containing compound is formed again. Since the initial charge/discharge efficiency of the active metal-containing compound is low, only a part of the active metal ions used to form the active metal bed during the initial charge returns to the positive electrode (102) during discharge, so a part of the active metal bed remains to become the negative electrode, and a part of the oxidation reaction product of the active metal-containing compound also remains in the positive electrode (102). The initial positive electrode (102) contains only an active metal-containing compound having an initial charge/discharge efficiency lower than that of the positive electrode active material, and the positive electrode (102) after the initial charge/discharge additionally contains the oxidation reaction product of the active metal-containing compound.

결과적으로, 초기 충방전을 거치면 도 5와 같이 음극(112)이 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 형성된다. 이와 같은 음극(112)은 증착 등의 종래 방법으로 배치되는 음극과 달리, 균일한 두께로 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 음극(112)의 두께가 불균일한 이유로 충방전 과정에서 전기화학 디바이스(100)의 용량이 감소하고, 전극 구조가 붕괴되는 단점을 방지하여, 전기화학 디바이스(100)의 수명특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. As a result, after the initial charge and discharge, the negative electrode (112) is formed between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120), as shown in FIG. 5. Unlike a negative electrode disposed by a conventional method such as deposition, such a negative electrode (112) can be disposed between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120) with a uniform thickness. Accordingly, the capacity of the electrochemical device (100) is reduced and the electrode structure is collapsed during the charge and discharge process due to the non-uniform thickness of the negative electrode (112), thereby improving the life characteristics and stability of the electrochemical device (100).

양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율은 50% 이하일 수 있다. 이 경우 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 전착된 활성 금속의 50% 이하 만이 방전 시에 산화되고 나머지 활성 금속은 그대로 잔류하므로 음극(112)이 형성될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)에서 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율은 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 또는 10% 이하일 수 있다.The initial charge/discharge efficiency of the active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material may be 50% or less. In this case, only 50% or less of the active metal deposited between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120) is oxidized during discharge, and the remaining active metal remains as it is, so that the negative electrode (112) can be formed. The initial charge/discharge efficiency of the active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material in the electrochemical device (100) may be 45% or less, 40% or less, 35% or less, 30% or less, 25% or less, 20% or less, 15% or less, or 10% or less.

양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물은 Li3N, Li2NiO2, 및 Li2MnO 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 전기화학 디바이스에 사용되는 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮으면서 활성 금속을 함유하는 화합물로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the cathode active material may be at least one selected from Li 3 N, Li 2 NiO 2 , and Li 2 MnO, but is not necessarily limited thereto, and any compound containing an active metal that has lower initial charge/discharge efficiency than the cathode active material used in an electrochemical device in the relevant technical field may be used.

양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 함량은 양극(102) 총 중량의 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 또는 0.5% 이하일 수 있다. 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 함량이 지나치게 높으면 양극 활물질의 함량이 감소하여 전기화학 디바이스의 용량이 감소하며, 지나치게 낮으면 생성되는 활성 금속 베드의 양이 미미하여 균일한 음극이 얻어지기 어려울 수 있다.The content of the active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than that of the positive electrode active material may be 10% or less, 5% or less, 3% or less, or 0.5% or less of the total weight of the positive electrode (102). If the content of the active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than that of the positive electrode active material is too high, the content of the positive electrode active material decreases, which reduces the capacity of the electrochemical device, and if it is too low, the amount of the active metal bed formed may be insignificant, making it difficult to obtain a uniform negative electrode.

도 6을 참조하면, 양극(102)은 전해질층(120)에 접촉하는 비가역층(102c) 및 양극 집전체(101)에 접촉하는 가역층(102d)을 포함할 수 있다. 비가역층(102c)은 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함할 수 있다. 가역층(102d)은 비가역층(102c)과 양극 집전체(101) 사이에 배치되며 양극 활물질을 포함할 수 있다. 다시 말해, 양극(102)은 비가역층(102c)과 가역층(102d)을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 비가역층(102c)은 충방전에 의하여 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 일부 또는 전부가 산화되어 제거될 수 있어서 희생층이라고 지칭될 수 있다. 초기 충방전 이후에는 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물이 비가역층(102c) 영역에 남아 있을 수 있다. 비가역층(102c)이 감소하는 정도에 비례하여 전해질층(102)과 음극 집전체층(111) 사이에 음극(112)이 증가할 수 있다. Referring to FIG. 6, the positive electrode (102) may include an irreversible layer (102c) in contact with the electrolyte layer (120) and a reversible layer (102d) in contact with the positive electrode current collector (101). The irreversible layer (102c) may include an active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material. The reversible layer (102d) is disposed between the irreversible layer (102c) and the positive electrode current collector (101) and may include a positive electrode active material. In other words, the positive electrode (102) may have a multilayer structure including the irreversible layer (102c) and the reversible layer (102d). The irreversible layer (102c) may be referred to as a sacrificial layer because some or all of the active metal-containing compound having low initial charge/discharge efficiency may be oxidized and removed by charge/discharge. After the initial charge/discharge, the oxidation reaction product of the active metal-containing compound may remain in the irreversible layer (102c) region. The negative electrode (112) between the electrolyte layer (102) and the negative electrode current collector layer (111) may increase in proportion to the degree to which the irreversible layer (102c) decreases.

비가역층(102c)의 두께는 양극(102) 전체 두께의 30% 이하, 15% 이하, 9% 이하, 또는 4% 이하일 수 있다. 비가역층(102c)의 두께가 지나치게 두꺼우면 양극 활물질의 함량이 감소하여 전기화학 디바이스의 용량이 감소하며, 비가역층(102c)의 두께가 지나치게 얇으면 생성되는 활성 금속 베드의 양이 미미하여 일정한 두께의 음극이 얻어지기 어려울 수 있다. 비가역층(102c)의 두께는 200nm 이하, 150nm 이하, 100nm 이하, 또는 50nm 이하일 수 있다. 비가역층(102c)의 두께가 200nm 초과이면 양극 활물질의 함량이 감소하고 저항이 증가될 수 있다.The thickness of the irreversible layer (102c) may be 30% or less, 15% or less, 9% or less, or 4% or less of the total thickness of the positive electrode (102). If the thickness of the irreversible layer (102c) is too thick, the content of the positive electrode active material decreases, thereby decreasing the capacity of the electrochemical device. If the thickness of the irreversible layer (102c) is too thin, the amount of the active metal bed generated may be minimal, making it difficult to obtain a negative electrode with a constant thickness. The thickness of the irreversible layer (102c) may be 200 nm or less, 150 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less. If the thickness of the irreversible layer (102c) exceeds 200 nm, the content of the positive electrode active material may decrease and the resistance may increase.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 전기화학 디바이스(100)에서 양극(102)이 양극 집전체(101)에 대하여 수직인 방향으로 평판(flat panel) 형태로 양극 집전체(101) 상에 나란하게 이격되어 배치될 수 있다. 양극(102)이 양극 집전체(101)와 이루는 각도는 60도 내지 120도, 70도 내지 110도, 80도 내지 100도, 85도 내지 95도일 수 있다. 양극(102)의 단면의 높이(H)와 폭(W)의 종횡비(aspect ratio)는 5 이상, 10 이상, 20 이상, 30이상, 40 이상 또는 50 이상일 수 있다. 양극(102)이 평판 형태를 가짐에 의하여 양극(102)과 전해질층(120)의 접촉 면적이 증가하고 활성 금속 이온이 전해질층(120)까지 이동하는 거리가 감소되어 전기화학 디바이스(100)의 내부 저항이 감소하고 에너지 밀도가 증가하며 고율 특성이 향상될 수 있다.Referring to FIGS. 2 to 6, in the electrochemical device (100), the positive electrode (102) may be arranged in a flat panel shape on the positive electrode collector (101) in a direction perpendicular to the positive electrode collector (101) and spaced apart from each other. The angle formed between the positive electrode (102) and the positive electrode collector (101) may be 60 to 120 degrees, 70 to 110 degrees, 80 to 100 degrees, or 85 to 95 degrees. The aspect ratio of the height (H) and the width (W) of the cross-section of the positive electrode (102) may be 5 or more, 10 or more, 20 or more, 30 or more, 40 or more, or 50 or more. Since the anode (102) has a flat shape, the contact area between the anode (102) and the electrolyte layer (120) increases and the distance through which the active metal ions move to the electrolyte layer (120) decreases, so that the internal resistance of the electrochemical device (100) decreases, the energy density increases, and the high-rate characteristics can be improved.

양극(102)의 높이(도 3의 높이(H))는 10㎛ 이상일 수 있다. 양극(102)의 높이는 10㎛ 내지 5mm, 10㎛ 내지 1mm, 50㎛ 내지 1mm, 100㎛ 내지 500㎛, 100㎛ 내지 400㎛, 또는 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 양극(102)의 높이가 지나치게 낮으면 에너지 밀도가 저하되며, 지나치게 높으면 구조적 안정성이 저하될 수 있다. 양극(102)의 두께(도 3의, 폭(W))는 100㎛ 이하일 수 있다. 양극(102)의 두께는 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하, 또는 5㎛ 이하이고, 0.01㎛ 이상일 수 있다. 양극(102)의 두께가 감소할수록 이온이 전해질층(120)까지의 거리가 감소되어 전기화학 디바이스(100)의 내부 저항이 감소하고 고율 특성이 향상될 수 있다.The height of the anode (102) (height (H) of FIG. 3) may be 10 ㎛ or more. The height of the anode (102) may be 10 ㎛ to 5 mm, 10 ㎛ to 1 mm, 50 ㎛ to 1 mm, 100 ㎛ to 500 ㎛, 100 ㎛ to 400 ㎛, or 100 ㎛ to 300 ㎛. If the height of the anode (102) is too low, the energy density may decrease, and if it is too high, the structural stability may decrease. The thickness of the anode (102, width (W) of FIG. 3) may be 100 ㎛ or less. The thickness of the anode (102) may be 50 ㎛ or less, 40 ㎛ or less, 30 ㎛ or less, 20 ㎛ or less, 10 ㎛ or less, or 5 ㎛ or less, and may be 0.01 ㎛ or more. As the thickness of the anode (102) decreases, the distance between the ions and the electrolyte layer (120) decreases, which reduces the internal resistance of the electrochemical device (100) and improves the high-rate characteristics.

도면에 도시되지 않으나, 양극(102)과 양극 집전체(101) 사이에 전도성 접착층이 추가적으로 포함될 수 있다. 전도성 접착층은 양극(102)과 양극 집전체(101)을 접착시키면서 전기적으로 연결시키며 전도성 접착체 또는 전도성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있다.Although not shown in the drawing, a conductive adhesive layer may additionally be included between the positive electrode (102) and the positive electrode current collector (101). The conductive adhesive layer electrically connects the positive electrode (102) and the positive electrode current collector (101) while bonding them together, and may be formed using a conductive adhesive or conductive paste.

도 7을 참조하면, 전기화학 디바이스(100)는 양극 집전체(101)에 전기적으로 접촉하며, 양극(102) 내부에 삽입되는 양극 도전체층(105)을 추가적으로 포함할 수 있다. 양극 도전체층(105)과 양극 집전체(101)는 다른 재료를 사용하여 별도로 제작된 후 접합되거나, 동일한 도전성 재료를 사용하여 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 집전체(101)는 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 복수의 양극 도전체층(105)을 포함할 수 있다. 도 7에서 양극 도전체층(105)이 평판 형태로 도시되어 있으나, 반드시 이러한 형태로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 도전체층으로 사용될 수 있는 형태라면 모두 가능하다. 예를 들어, 양극 도전체층(105)은 피시본 형태, 메시 형태, 격자 형태 등일 수 있다.Referring to FIG. 7, the electrochemical device (100) may additionally include a positive electrode conductor layer (105) that is in electrical contact with the positive electrode collector (101) and is inserted into the inside of the positive electrode (102). The positive electrode conductor layer (105) and the positive electrode collector (101) may be manufactured separately using different materials and then bonded, or may be formed integrally using the same conductive material. For example, the positive electrode collector (101) may include a plurality of positive electrode conductor layers (105) that protrude vertically from the surface and extend. Although the positive electrode conductor layer (105) is illustrated in FIG. 7 as having a flat shape, it is not necessarily limited to this shape and may have any shape that can be used as a conductor layer in the relevant technical field. For example, the positive electrode conductor layer (105) may have a fishbone shape, a mesh shape, a lattice shape, etc.

양극 도전체층(105)은 양극 집전체(101)로부터 전해질층(120)과 접촉하도록 전해질층(120)까지 연장될 수 있다. 양극 도전체층(105)이 전해질층(120)까지 연장되므로, 양극(102)의 단부까지 전자가 용이하게 이동할 수 있다. 다르게는, 양극 도전체층(105)은 양극 집전체(101)으로부터 전해질층(120)에 가까이 연장되지만 전해질층(120)과 접촉하지 않을 수 있다. 양극 도전체층(105)은 모든 양극(102) 내에 각각 삽입되거나 일부에만 삽입될 수 있으며, 삽입되는 형태는 서로 다를 수 있다. 높은 전자 전도도를 가지는 양극(102)은 양극 도전체층(105)을 포함하지 않을 수 있다. 양극 도전체층(105)의 두께는 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 또는 0.3㎛ 이하이고, 0.1㎛ 이상일 수 있다. The positive electrode conductor layer (105) may extend from the positive electrode current collector (101) to the electrolyte layer (120) so as to be in contact with the electrolyte layer (120). Since the positive electrode conductor layer (105) extends to the electrolyte layer (120), electrons can easily move to the end of the positive electrode (102). Alternatively, the positive electrode conductor layer (105) may extend from the positive electrode current collector (101) close to the electrolyte layer (120) but may not be in contact with the electrolyte layer (120). The positive electrode conductor layer (105) may be inserted into all or only some of the positive electrodes (102), and the insertion form may be different from each other. A positive electrode (102) having high electronic conductivity may not include the positive electrode conductor layer (105). The thickness of the anode conductor layer (105) may be 3 ㎛ or less, 2 ㎛ or less, 1 ㎛ or less, 0.5 ㎛ or less, or 0.3 ㎛ or less, and may be 0.1 ㎛ or more.

도 3 및 도 8을 참조하면, 전기화학 디바이스(100)는 지지부(102e)를 추가적으로 포함할 수 있다. 지지부(102e)는 양극(102)으로 이루어진 제1 돌출부(102a) 사이에 위치하는 제1 함몰부(102b)에 배치되어 제1 돌출부(102a)과 접촉하며 제1 돌출부(102a)를 지지할 수 있다. 지지부(102e)는 양극 집전체(101)으로부터 돌출되는 방향으로 배치된 양극(102)의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며 양극(102)과 동일한 조성을 가질 수 있다. 지지부(102e)와 제1 돌출부(102a)는 일체로 형성될 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 8, the electrochemical device (100) may additionally include a support (102e). The support (102e) may be positioned in a first recessed portion (102b) located between the first protrusions (102a) formed of the positive electrode (102), may contact the first protrusions (102a), and may support the first protrusions (102a). The support (102e) may improve the structural stability of the positive electrode (102) positioned in a direction protruding from the positive electrode current collector (101) and may have the same composition as the positive electrode (102). The support (102e) and the first protrusion (102a) may be formed integrally.

도 9를 참조하면, 전기화학 디바이스(100)는 복수의 양극(102)을 포함하는 모듈(106)로 구성될 수 있다. 모듈(106)은 서로 이격되어 배치되는 복수의 양극(102)이 지지체에 의하여 지지되는 구조를 가지며, 지지체의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 지지체는 모듈(106)의 측면을 지지하는 격벽(103), 모듈(106)의 바닥면을 지지하는 양극 집전체(101) 등일 수 있다. 도 9에 도시되지 않으나, 모듈(106) 상에 전해질층, 음극 집전체층이 적층되어 전기화학 디바이스(100)가 구성된다. 전해질층과 음극 집전체층 사이에 음극이 추가로 배치될 수 있다.Referring to FIG. 9, the electrochemical device (100) may be composed of a module (106) including a plurality of anodes (102). The module (106) has a structure in which a plurality of anodes (102) spaced apart from each other are supported by a support, and the type of the support is not particularly limited. For example, the support may be a partition (103) supporting a side surface of the module (106), a cathode current collector (101) supporting a bottom surface of the module (106), etc. Although not shown in FIG. 9, an electrolyte layer and a cathode current collector layer are laminated on the module (106) to constitute the electrochemical device (100). A cathode may be additionally arranged between the electrolyte layer and the cathode current collector layer.

도 9를 참조하면, 모듈(106)의 높이(H)는 10㎛ 내지 5mm, 10㎛ 내지 1mm, 50㎛ 내지 1mm, 100㎛ 내지 500㎛, 100㎛ 내지 400㎛, 또는 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 모듈(106)은 양극(102)과 수직으로 접촉하는 하나 이상의 격벽(103)을 포함할 수 있다. 모듈(106)에서 격벽(103)은 y 방향으로 배치되는 양극(102)과 직교하는 x방향으로 배치될 수 있다. 격벽(103)은 양극(102)의 양측면을 지지하여 충방전 시에 양극(102)의 팽창 및/또는 수축에 의한 모듈(106)의 변형 및 열화를 억제할 수 있다. 모듈(106)의 길이(L)는 20㎛ 내지 100mm, 20㎛ 내지 50mm, 20㎛ 내지 10mm, 100㎛ 내지 10mm, 200㎛ 내지 5000㎛, 200㎛ 내지 4000㎛, 또는 200㎛ 내지 3000㎛일 수 있다. 격벽(103)은 양극(102)과 다른 조성을 가질 수 있고 동일한 조성을 가질 수도 있다. Referring to FIG. 9, the height (H) of the module (106) may be 10 µm to 5 mm, 10 µm to 1 mm, 50 µm to 1 mm, 100 µm to 500 µm, 100 µm to 400 µm, or 100 µm to 300 µm. The module (106) may include one or more baffles (103) that are in vertical contact with the positive electrode (102). In the module (106), the baffles (103) may be arranged in the x direction perpendicular to the positive electrode (102) that is arranged in the y direction. The baffles (103) may support both sides of the positive electrode (102) to suppress deformation and deterioration of the module (106) due to expansion and/or contraction of the positive electrode (102) during charge and discharge. The length (L) of the module (106) can be 20 µm to 100 mm, 20 µm to 50 mm, 20 µm to 10 mm, 100 µm to 10 mm, 200 µm to 5000 µm, 200 µm to 4000 µm, or 200 µm to 3000 µm. The partition wall (103) can have a different composition from the anode (102) or can have the same composition.

양극 집전체(101)는 평평한 시트 형태일 수 있다. 양극 집전체(101)의 두께는 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하, 5㎛ 이하, 3㎛ 이하, 또는 0.01㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 도 9와 같이 모듈(106)이 지지체로서 격벽(103)을 포함하지 않고, 양극 집전체층(101)만을 포함할 수도 있다.The positive electrode current collector (101) may be in the form of a flat sheet. The thickness of the positive electrode current collector (101) may be 30 ㎛ or less, 20 ㎛ or less, 10 ㎛ or less, 5 ㎛ or less, 3 ㎛ or less, or 0.01 ㎛ to 30 ㎛. As shown in FIG. 9, the module (106) may not include a partition wall (103) as a support, and may include only the positive electrode current collector layer (101).

도 5에서와 같이 음극(112)이 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 배치될 수 있다. 앞에서는 음극(112)이 전기화학 디바이스(100)의 충방전에 의하여 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 배치되는 방법을 설명하였으나, 반드시 이러한 방법으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 음극(112)은 물리기상증착(PVD) 등의 증착 방법으로 전해질층(120) 상에 배치될 수도 있다. 증착에 의하여 얇은 두께의 음극(112)이 배치된 후 충방전에 의하여 음극(112)의 두께가 추가적으로 증가될 수도 있다.As shown in FIG. 5, the negative electrode (112) may be placed between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120). In the foregoing, the method in which the negative electrode (112) is placed between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120) by charging and discharging the electrochemical device (100) has been described, but the present invention is not necessarily limited to this method. For example, the negative electrode (112) may be placed on the electrolyte layer (120) by a deposition method such as physical vapor deposition (PVD). After the negative electrode (112) having a thin thickness is placed by deposition, the thickness of the negative electrode (112) may be additionally increased by charging and discharging.

음극(112)은 전해질층(120)의 윤곽(contour)에 일치하는 컨포멀층(conformal layer), 다시 말해 전해질층(120)의 표면 윤곽(contour)을 따라 형성된 층을 가질 수 있다. 또한, 음극(112)은 높은 사이드 스텝 커버리지를 가질 수 있다. 도 10을 참조하면, 하기 수학식 1로 표시되는 음극(112)의 사이드 스텝 커버리지(side step coverage, SCs)는 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 99% 이상일 수 있다. 음극(112)은 음극 집전체층(111)과 전해질층(120) 사이에 초기 충방전에 의하여 배치되거나, 먼저 증착에 의하여 얇은 두께의 음극(112)이 배치된 후 충방전에 의하여 음극(112)의 두께가 증가되므로 높은 사이드 스텝 커버리지를 가질 수 있다.The negative electrode (112) may have a conformal layer that matches the contour of the electrolyte layer (120), that is, a layer formed along the surface contour of the electrolyte layer (120). In addition, the negative electrode (112) may have a high side step coverage. Referring to FIG. 10, the side step coverage (SCs) of the negative electrode (112) represented by the following mathematical expression 1 may be 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, 95% or more, or 99% or more. The negative electrode (112) may be disposed between the negative electrode current collector layer (111) and the electrolyte layer (120) by initial charge and discharge, or a thin negative electrode (112) is first disposed by deposition and then the thickness of the negative electrode (112) is increased by charge and discharge, so that the negative electrode (112) may have a high side step coverage.

<수학식 1><Mathematical formula 1>

SCs = Ts/Tt×100SCs = Ts/Tt×100

Ts는 스텝에서 가장 피복이 얇은 지점의 두께, Tt는 스텝에서 평탄 표면의 피복 두께, H는 스텝의 높이, W는 스텝의 폭이다.Ts is the thickness of the thinnest covering point in the step, Tt is the covering thickness of the flat surface in the step, H is the height of the step, and W is the width of the step.

음극(112)은 리튬, 리튬과 합금가능한 활성 금속, 나트륨, 나트륨과 합금 가능한 활성 금속으로 이루어진 층일 수 있고, 두께는 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 또는 1㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 음극(112)의 두께는 0.01 내지 3㎛, 0.05 내지 3㎛, 또는 0.1 내지 3㎛ 일 수 있다.The negative electrode (112) may be a layer made of lithium, an active metal alloyable with lithium, sodium, or an active metal alloyable with sodium, and may have a thickness of 3 μm or less, 2 μm or less, or 1 μm or less. For example, the thickness of the negative electrode (112) may be 0.01 to 3 μm, 0.05 to 3 μm, or 0.1 to 3 μm.

도 2 및 도 4a 내지 도 8을 참조하면, 양극(102)과 음극(112)은 서로 직접 접촉하지 않고 전해질층(120)을 통하여 리튬 이온, 나트륨 이온 등의 금속 이온을 교환할 수 있다. 양극 집전체(101)는 양극(102)에 전기적으로 연결되며, 음극 집전체층(111)은 음극(112)에 전기적으로 연결된다. 전해질층(120)의 두께는 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 10㎛ 이하, 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 또는 0.1㎛ 이하이고, 0.01㎛ 이상일 수 있다. 전해질층(120)의 두께가 감소할수록 양극(102)과 음극(112) 사이의 이온 전달 거리가 감소되어 내부 저항이 감소하고 고율 특성이 향상될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)에서 전해질층(120)으로 고체 전해질을 사용하면 전해액 누액, 발화 등의 문제가 없어 전기화학 디바이스(100)의 안정성이 향상될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)는 작은 크기로 제작되어 모바일 장치나 웨어러블 장치(wearable device)와 같은 소형 장치의 전지에 용이하게 적용될 수 있다. 전기화학 디바이스(100)는 예를 들어 휴대폰, 안경, 헬스 밴드, 손목 시계 등에 사용될 수 있다.Referring to FIG. 2 and FIG. 4a to FIG. 8, the positive electrode (102) and the negative electrode (112) do not directly contact each other and can exchange metal ions such as lithium ions and sodium ions through the electrolyte layer (120). The positive electrode current collector (101) is electrically connected to the positive electrode (102), and the negative electrode current collector layer (111) is electrically connected to the negative electrode (112). The thickness of the electrolyte layer (120) may be 20 ㎛ or less, 15 ㎛ or less, 10 ㎛ or less, 5 ㎛ or less, 4 ㎛ or less, 3 ㎛ or less, 2 ㎛ or less, 1 ㎛ or less, 0.5 ㎛ or less, or 0.1 ㎛ or less, and may be 0.01 ㎛ or more. As the thickness of the electrolyte layer (120) decreases, the ion transfer distance between the positive electrode (102) and the negative electrode (112) decreases, so that the internal resistance decreases and the high-rate characteristics can be improved. When a solid electrolyte is used as an electrolyte layer (120) in an electrochemical device (100), there are no problems such as electrolyte leakage or ignition, so that the stability of the electrochemical device (100) can be improved. The electrochemical device (100) can be manufactured in a small size and can be easily applied to a battery of a small device such as a mobile device or a wearable device. The electrochemical device (100) can be used in, for example, a mobile phone, glasses, a health band, a wristwatch, etc.

전기화학 디바이스(100)는 리튬 전지일 수 있으며, 양극 집전체(101) 및 음극 집전체층(111)은 Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd 등과 같은 도전성 금속으로 이루어질 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 양극 집전체(101)는 알루미늄 호일이고 음극 집전체층(111)은 구리(Cu) 호일일 수 있다.The electrochemical device (100) may be a lithium battery, and the positive electrode current collector (101) and the negative electrode current collector layer (111) may be made of conductive metals such as Cu, Au, Pt, Ag, Zn, Al, Mg, Ti, Fe, Co, Ni, Ge, In, Pd, etc., but are not necessarily limited thereto, and any material that can be used as a current collector in the relevant technical field may be used. For example, the positive electrode current collector (101) may be aluminum foil, and the negative electrode current collector layer (111) may be copper (Cu) foil.

리튬 전지의 양극 활물질은 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 전지 양극 활물질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 양극 활물질로서 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 양극 활물질로서 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 및 리튬망간산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 리튬전이금속산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 화학식 LiCoO2의 리튬 코발트 산화물; 화학식 LiNiO2의 리튬 니켈 산화물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, 또는LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 화학식 Li2CuO2의 리튬동 산화물; 화학식 LiFe3O4의 리튬 철 산화물; 화학식 LiV3O8의 리튬 바나듐 산화물; 화학식 Cu2V2O7의 구리 바나듐 산화물; 화학식 V2O5의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)의 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn 2-x MxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M= Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식 LiMn2O4의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 리튬 망간 산화물; 디설파이드 화합물; 화학식 Fe2(MoO4)3의 철 몰리브덴 산화물 중에서 하나 이상 선택하여 사용할 수 있다. 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, 또는 LiFePO4 일 수 있다.The cathode active material of the lithium battery is not particularly limited and any material that can be used as a cathode active material of a lithium battery in the relevant technical field can be used. A compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium (lithiated intercalation compound) can be used as the cathode active material. The cathode active material can include one or more lithium transition metal oxides selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, and lithium manganese oxide. Specifically, lithium cobalt oxide of the chemical formula LiCoO 2 ; lithium nickel oxide of the chemical formula LiNiO 2 ; lithium manganese oxide of the chemical formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (wherein, x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , or LiMnO 2 ; lithium copper oxide of the chemical formula Li 2 CuO 2 ; Lithium iron oxide having the chemical formula LiFe 3 O 4 ; lithium vanadium oxide having the chemical formula LiV 3 O 8 ; copper vanadium oxide having the chemical formula Cu 2 V 2 O 7 ; vanadium oxide having the chemical formula V 2 O 5 ; lithium nickel oxide having the chemical formula LiNi 1-x M x O 2 (wherein, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x = 0.01 to 0.3); lithium manganese composite oxide represented by the chemical formula LiMn 2-x M x O 2 (wherein, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (wherein, M = Fe, Co, Ni, Cu or Zn); lithium manganese oxide having the chemical formula LiMn 2 O 4 wherein a part of Li is replaced by an alkaline earth metal ion; disulfide compounds; One or more of iron molybdenum oxides having the chemical formula Fe 2 (MoO 4 ) 3 can be selected and used. The cathode active material can be LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiFePO 4 .

리튬 전지의 음극 활물질 또한 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 전지 음극 활물질로 사용될 수 있은 것이라면 모두 가능하다. 음극 활물질은 알칼리 금속(e.g., 리튬, 소듐, 포타슘), 알칼리토 금속(e.g., 칼슘, 마그네슘, 바륨) 및/또는 일부(certain) 전이금속(e.g., 아연) 또는 이들의 합금일 수 있다. 특히, 음극 활물질은 리튬 및 리튬 합금 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 음극 활물질로서 리튬 금속이 사용될 수 있다. 음극 활물질로서 리튬 금속이 사용될 경우 집전체가 생략될 수 있다. 따라서 집전체가 차지하는 부피 및 무게를 감소시킬 수 있으므로 리튬 전지의 단위 중량 당 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 음극 활물질로서 리튬 금속과 다른 음극활물질의 합금이 사용될 수 있다. 다른 음극활물질은 리튬과 합금 가능한 금속일 수 있다. 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 리튬 합금은 리튬 알루미늄 합금, 리튬 실리콘 합금, 리튬 주석 합금, 리튬 은 합금리튬 납 합금 일 수 있다.The negative active material of the lithium battery is also not particularly limited, and any material that can be used as a negative active material of a lithium battery in the relevant technical field may be used. The negative active material may be an alkali metal (e.g., lithium, sodium, potassium), an alkaline earth metal (e.g., calcium, magnesium, barium) and/or certain transition metals (e.g., zinc) or an alloy thereof. In particular, the negative active material may be at least one selected from lithium and a lithium alloy. Lithium metal may be used as the negative active material. When lithium metal is used as the negative active material, a current collector may be omitted. Accordingly, the volume and weight occupied by the current collector can be reduced, and thus the energy density per unit weight of the lithium battery can be improved. An alloy of lithium metal and another negative active material may be used as the negative active material. The other negative active material may be a metal that can be alloyed with lithium. Metals that can be alloyed with lithium may be Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y alloy (Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a transition metal, a rare earth element or a combination thereof, but not Si), Sn-Y alloy (Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a transition metal, a rare earth element or a combination thereof, but not Sn), etc. The element Y may be Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof. For example, the lithium alloy can be a lithium aluminum alloy, a lithium silicon alloy, a lithium tin alloy, a lithium silver alloy or a lithium lead alloy.

리튬 전지에서 전해질층(120)이 포함하는 고체 전해질은 특별히 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 고체 전해질로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 고체 전해질로서 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-y TiyO3(PLZT)(O≤x<1, O≤y<1),PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, SiC, 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3,0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(O≤x≤1, O≤y≤1), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마늄티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), 리튬포스페이트옥시나이트라이드(LiPON, LixPONy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz, 0<x<3,0<y<2, 0<z<4) 계열 글래스, P2S5(LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7) 계열 글래스, Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2계 세라믹스, 가넷(Garnet)계 세라믹스 Li3+xLa3M2O12(M = Te, Nb, Zr)중에서 선택된 하나 이상 또는 이들의 조합물일 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질은 LiPON일 수 있다.The solid electrolyte included in the electrolyte layer (120) in the lithium battery is not particularly limited, and any solid electrolyte that can be used in the relevant technical field may be used. As solid electrolytes, BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT)(O≤x<1, O≤y<1), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , Na 2 O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiC, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0<x<2, 0<y<3), lithium aluminum titanium phosphate (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li 1+x+y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (O≤x≤1, O≤y≤1), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0<x<2, 0<y<3), lithium germanium thiophosphate (Li x Ge y P z S w , 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), lithium nitride (Li x N y , 0<x<4, 0<y<2), lithium phosphate oxynitride (LiPON, Li x PON y , 0<x<4, 0<y<2), SiS 2 (Li x Si y S z , 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) series glass, P 2 S 5 (Li x P y S z , 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7) series glass, Li 2 O, LiF, LiOH, Li 2 CO 3 , LiAlO 2 , Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 -TiO 2 -GeO 2 series ceramics, garnet series ceramics Li 3+x La 3 M 2 O 12 (M = Te, Nb, Zr) can be one or more selected from or a combination thereof. For example, the solid electrolyte can be LiPON.

도 11a 내지 도 11g를 참조하면, 다른 일구현예에 따른 전기화학 디바이스 제조방법은 양극 집전체(101) 상에 수직하게 이격되어 배열된 복수의 양극(102)을 배치하는 단계를 포함한다. 양극(102)을 배치하는 단계는 복수의 양극 활물질(102d)을 배치하는 단계; 복수의 양극 활물질(102d) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계;를 포함한다. 전기화학 디바이스 제조방법은 복수의 양극 활물질(102d)을 배치하는 단계; 복수의 양극 활물질(102d) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계; 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c) 상에 전해질층(120)을 배치하는 단계; 및 전해질층(120) 상에 음극 집전체층(111)을 배치하는 단계;를 포함한다.Referring to FIGS. 11A to 11G, a method for manufacturing an electrochemical device according to another embodiment includes a step of arranging a plurality of positive electrodes (102) that are vertically spaced apart and arranged on a positive electrode current collector (101). The step of arranging the positive electrodes (102) includes a step of arranging a plurality of positive electrode active materials (102d); a step of arranging an active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active materials on the plurality of positive electrode active materials (102d); a step of arranging an active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active materials on the plurality of positive electrode active materials (102d); an electrolyte layer (120) on the active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active materials; and a step of arranging a negative electrode current collector layer (111) on an electrolyte layer (120).

전기화학 디바이스는 복수의 양극 활물질을 포함하는 모듈(106)을 사용하여 제조될 수 있다. 전기화학 디바이스(100) 제조방법은 복수의 양극 활물질을 포함하는 모듈(106)을 준비하는 단계; 양극 집전체(101) 상에 모듈(106)을 배치하는 단계; 모듈(106) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계; 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c) 상에 전해질층(120)을 배치하는 단계; 및 전해질층(120) 상에 음극 집전체층(111)을 배치하는 단계;를 포함할 수 있다. 모듈(106)이 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함하는 경우, 모듈(106) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 단계가 생략될 수 있다.An electrochemical device can be manufactured using a module (106) including a plurality of positive electrode active materials. A method for manufacturing an electrochemical device (100) may include the steps of: preparing a module (106) including a plurality of positive electrode active materials; arranging the module (106) on a positive electrode current collector (101); arranging an active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than a positive electrode active material on the module (106); arranging an electrolyte layer (120) on the active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than a positive electrode active material; and arranging an anode current collector layer (111) on the electrolyte layer (120). When the module (106) includes an active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than a positive electrode active material, the step of arranging an active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than a positive electrode active material on the module (106) may be omitted.

도 11a를 참조하면, 복수의 양극을 포함하는 모듈(106)을 준비한다.Referring to Fig. 11a, a module (106) including multiple anodes is prepared.

도 11b를 참조하면, 양극 집전체(101) 상에 모듈(106)을 배치한다. 모듈(106)은 도면에 도시되지 않으나 전도성 접착제 및/또는 전도성 페이스트를 사용하여 양극 집전체(101) 상에 부착할 수 있다. Referring to FIG. 11b, a module (106) is placed on a positive electrode collector (101). Although not shown in the drawing, the module (106) may be attached to the positive electrode collector (101) using a conductive adhesive and/or a conductive paste.

도 11c를 참조하면, 모듈(106) 상에 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치한다. 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물층(102c)을 배치하는 방법은 증착일 수 있으나 반드시 증착으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다. 증착 방법은 CVD(화학기상증착), PVD(물리기상증착) 등일 수 있다. 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물은 Li3N일 수 있으나 반드시 이것으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물로 사용할 수 있는 재료라면 모두 가능하다. 양극(102)은 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함하는 비가역층(102c)과 양극 활물질을 포함하는 가역층(102d)으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 11c, an active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material is disposed on the module (106). A method for disposing the active metal-containing compound layer (102c) having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material may be, but is not necessarily limited to, deposition, and any method that can be used in the relevant technical field may be used. The deposition method may be CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition), etc. The active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material may be, but is not necessarily limited to, Li 3 N, and any material that can be used as an active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material in the relevant technical field may be used. The positive electrode (102) may be composed of an irreversible layer (102c) including an active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material, and a reversible layer (102d) including a positive electrode active material.

도 11d를 참조하면, 양극(102) 상에 전해질층(120)을 배치한다. 전해질층(120)을 배치하는 방법은 증착일 수 있으나 반드시 증착으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 전해질층(120)의 증착 방법은 CVD, PVD 등일 수 있다.Referring to FIG. 11d, an electrolyte layer (120) is placed on the anode (102). The method of placing the electrolyte layer (120) may be deposition, but is not necessarily limited to deposition, and any method that can be used in the relevant technical field may be used. For example, the deposition method of the electrolyte layer (120) may be CVD, PVD, etc.

도 11e를 참조하면, 전해질층(120) 상에 음극 집전체층(111)을 배치하여 전기화학 디바이스(100)를 준비한다. 음극 집전체층(111)을 배치하는 방법은 증착일 수 있으나 반드시 증착으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 음극 집전체층(111)의 증착 방법은 열증발(thermal evaporation) 등일 수 있다.Referring to FIG. 11e, an electrochemical device (100) is prepared by arranging a negative electrode current collector layer (111) on an electrolyte layer (120). The method of arranging the negative electrode current collector layer (111) may be deposition, but is not necessarily limited to deposition, and any method that can be used in the relevant technical field may be used. For example, the deposition method of the negative electrode current collector layer (111) may be thermal evaporation, etc.

도 11f를 참조하면, 전해질층(120)과 음극 집전체층(111) 사이에 음극(112)이 형성될 수 있다. 음극(112)은 Li 금속일 수 있으나 반드시 이것으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 음극(112)으로 사용될 수 있는 음극 활물질이라면 모두 가능하다. 앞서 설명한 것과 같이 음극(112)은 초기 충방전에 의해 비가역층(102c)으로부터 형성될 수도 있고, 도 11d의 전해질층(120)이 형성된 이후 그리고 도 11e의 음극 집전체층(111)이 형성되기 이전에 증착으로 형성될 수도 있다.Referring to FIG. 11f, a negative electrode (112) may be formed between an electrolyte layer (120) and a negative electrode current collector layer (111). The negative electrode (112) may be Li metal, but is not necessarily limited thereto, and any negative electrode active material that can be used as the negative electrode (112) in the relevant technical field may be used. As described above, the negative electrode (112) may be formed from an irreversible layer (102c) by initial charge/discharge, or may be formed by deposition after the electrolyte layer (120) of FIG. 11d is formed and before the negative electrode current collector layer (111) of FIG. 11e is formed.

100 전기화학 디바이스 101 양극 집전체
102 양극 102a 제1 돌출부
102b 제1 함몰부 102c 비가역층
102d 가역층 102e 지지부
103 격벽 105 도전체층
106 모듈 107 희생층
111 음극 집전체층 111a 제3 돌출부
111b 제3 함몰부 112 음극
113 시트형 음극집전체 114 버퍼층
120 전해질층 120a 제2 돌출부
120b 제2 함몰부 160 제1 적층체
170 제2 적층체 180 절단면
100 Electrochemical Devices 101 Anode Current Collector
102 Anode 102a First protrusion
102b 1st depression 102c Irreversible layer
102d reversible layer 102e support
103 bulkhead 105 challenge layer
106 Module 107 Sacrificial Layer
111 Negative current collector layer 111a 3rd protrusion
111b 3rd depression 112 cathode
113 Sheet-type cathode collector 114 Buffer layer
120 Electrolyte layer 120a 2nd protrusion
120b 2nd depression 160 1st layer
170 2nd layer 180 cross section

Claims (31)

양극 집전체;
양극 집전체에 전기적으로 접촉하는 복수의 양극;
상기 양극으로 이루어진 제1 돌출부 및 양극 사이에 위치하는 제1 함몰부 상에 각각 배치되는 제2 돌출부 및 제2 함몰부를 포함하는 전해질층; 및
상기 전해질층의 제2 돌출부 및 제2 함몰부 상에 각각 배치되는 제3 돌출부 및 제3 함몰부를 포함하는 음극 집전체층;을 포함하며,
상기 제3 함몰부에 의하여 정의되는 빈 공간을 포함하는 전기화학 디바이스.
Bipolar collector;
A plurality of anodes in electrical contact with the cathode collector;
An electrolyte layer including a second protrusion and a second depression, each of which is positioned on a first protrusion formed by the anode and a first depression positioned between the anodes; and
A negative electrode current collector layer including a third protrusion and a third depression, each of which is arranged on the second protrusion and the second depression of the electrolyte layer;
An electrochemical device comprising a void space defined by the third depression.
제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부와 제3 함몰부가 평행하게 규칙적으로 배열된 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the third protrusion and the third depression of the negative electrode current collector layer are regularly arranged in parallel in the first paragraph. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부와 제3 함몰부가 평행하게 주기적으로 배열된 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the third protrusion and the third depression of the negative electrode current collector layer are periodically arranged in parallel in the first paragraph. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 함몰부가 서로 이격되어 마주보는 측면들 및 바닥면을 포함하며, 측면과 바닥면이 이루는 각도가 60도 이상인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 1, wherein the third recessed portion of the negative electrode current collector layer includes side surfaces and a bottom surface that are spaced apart from each other and face each other, and an angle formed by the side surface and the bottom surface is 60 degrees or more. 제4 항에 있어서, 상기 제3 함몰부의 마주보는 측면들 사이의 거리가 5㎛ 내지 30㎛ 이며, 제3 함몰부의 깊이(depth)가 60㎛ 내지 300㎛ 인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 4, wherein the distance between opposing side surfaces of the third recessed portion is 5 ㎛ to 30 ㎛, and the depth of the third recessed portion is 60 ㎛ to 300 ㎛. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 두께가 5㎛ 이하인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 1, wherein the thickness of the negative electrode current collector layer is 5 μm or less. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부 및 제3 함몰부가 전기적으로 연결된 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the third protrusion and the third recess of the negative electrode current collector layer are electrically connected in the first aspect. 제7 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 제3 돌출부와 제3 함몰부의 전기적 연결이 100 사이클 이상의 충방전 후에도 유지되는 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the electrical connection between the third protrusion and the third depression of the negative electrode current collector layer in the seventh aspect is maintained even after 100 or more charge/discharge cycles. 제1 항에 있어서, 상기 양극이 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물 및 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물 중 하나 이상을 포함하는 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 1, wherein the cathode comprises at least one of an active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than a cathode active material and an oxidation reaction product of the active metal-containing compound. 제9 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율이 50% 이하인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the initial charge/discharge efficiency of an active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than that of the positive electrode active material in clause 9 is 50% or less. 제9 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물이 Li3N, Li2NiO2, 및 Li2MnO3 중에서 선택된 하나 이상인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 9, wherein the active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material is at least one selected from Li 3 N, Li 2 NiO 2 , and Li 2 MnO 3 . 제1 항에 있어서, 상기 양극이 상기 전해질층에 접촉하는 비가역층; 및 상기 양극 집전체에 접촉하는 가역층을 포함하며,
상기 비가역층이 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물 및 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물 중 하나 이상을 포함하며,
상기 가역층이 양극 활물질을 포함하는 전기화학 디바이스.
In the first paragraph, the cathode comprises an irreversible layer in contact with the electrolyte layer; and a reversible layer in contact with the cathode current collector.
The above irreversible layer comprises at least one of an active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material and an oxidation reaction product of the active metal-containing compound,
An electrochemical device wherein the reversible layer comprises a cathode active material.
제12 항에 있어서, 상기 비가역층의 두께가 200nm 이하인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in claim 12, wherein the thickness of the irreversible layer is 200 nm or less. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 양극을 포함하는 모듈로 구성되는 전기화학 디바이스.An electrochemical device comprising a module including a plurality of anodes according to claim 1. 제14 항에 있어서, 상기 모듈이 복수의 양극과 접촉하는 격벽을 포함하는 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 14, wherein the module comprises a baffle in contact with a plurality of anodes. 제15 항에 있어서, 상기 격벽이 양극과 다른 조성을 가지는 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 15, wherein the baffle has a different composition from the anode. 제1 항에 있어서, 상기 음극 집전체층과 전해질층 사이에 배치되는 음극을 포함하는 전기화학 디바이스.An electrochemical device comprising a cathode disposed between the cathode current collector layer and the electrolyte layer in the first aspect. 제17 항에 있어서, 상기 음극이 상기 전해질층의 윤곽(contour)에 일치하는 컨포멀층(conformal layer)인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 17, wherein the cathode is a conformal layer that matches the contour of the electrolyte layer. 제17 항에 있어서, 상기 음극의 사이드 스텝 커버리지(side step coverage)가 50% 이상인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 17, wherein the side step coverage of the cathode is 50% or more. 제17 항에 있어서, 상기 음극이 활성 금속층인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the cathode is an active metal layer in the 17th paragraph. 양극 집전체;
상기 양극 집전체와 접촉하는 복수의 양극;
상기 복수의 양극과 접촉하는 전해질층; 및
상기 전해질층의 표면 윤곽을 따라 배치된 음극 집전체층;을 포함하며,
상기 음극집전체층이 상기 전해질층의 표면 윤곽에 따라 배치되며 상기 전해질층의 표면 윤곽 상에 배치되는 돌출부 및 함몰부를 포함하는 전기화학 디바이스.
Bipolar collector;
A plurality of anodes in contact with the above cathode collector;
An electrolyte layer in contact with the plurality of anodes; and
A negative electrode current collector layer is disposed along the surface contour of the above electrolyte layer;
An electrochemical device wherein the negative electrode current collector layer is arranged along the surface contour of the electrolyte layer and includes protrusions and depressions arranged on the surface contour of the electrolyte layer.
제21 항에 있어서, 상기 음극 집전체층이 전기적으로 연결된 돌출부 및 함몰부를 포함하는 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 21, wherein the negative electrode current collector layer comprises electrically connected protrusions and recesses. 제22 항에 있어서, 상기 음극 집전체층의 돌출부와 함몰부가 평행하게 규칙적 또는 주기적으로 배열된 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the protrusions and depressions of the negative electrode current collector layer are arranged in a regular or periodic manner in parallel in clause 22. 제21 항에 있어서, 상기 전해질층과 상기 음극집전체층 사이에 배치된 음극을 더 포함하며, 상기 음극은 상기 전해질층의 표면 윤곽을 따라 배치된 전기화학 디바이스.An electrochemical device further comprising a cathode disposed between the electrolyte layer and the cathode current collector layer in the 21st paragraph, wherein the cathode is disposed along the surface contour of the electrolyte layer. 제24 항에 있어서, 상기 양극은 양극활물질과 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물 및 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물 중 하나 이상을 포함하는 전기화학 디바이스.In the 24th paragraph, the positive electrode is an electrochemical device including at least one of a positive electrode active material, an active metal-containing compound having lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material, and an oxidation reaction product of the active metal-containing compound. 양극 집전체;
상기 양극 집전체와 접촉하며, 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성금속 함유 화합물을 포함하는 양극:
상기 양극과 접촉하는 전해질층; 및
상기 전해질층과 접촉하는 음극 집전체층;을 포함하며,
상기 음극집전체층이 상기 전해질층의 표면 윤곽에 따라 배치되며 상기 전해질층의 표면 윤곽 상에 배치되는 돌출부 및 함몰부를 포함하는 전기화학 디바이스.
Bipolar collector;
A cathode comprising a compound containing an active metal, which is in contact with the above cathode current collector and has a lower initial charge/discharge efficiency than the cathode active material:
An electrolyte layer in contact with the above anode; and
A negative electrode current collector layer in contact with the above electrolyte layer;
An electrochemical device wherein the negative electrode current collector layer is arranged along the surface contour of the electrolyte layer and includes protrusions and depressions arranged on the surface contour of the electrolyte layer.
제26 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물의 초기 충방전 효율이 50% 이하인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in which the initial charge/discharge efficiency of an active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than that of the positive electrode active material in clause 26 is 50% or less. 제26 항에 있어서, 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물이 Li3N, Li2NiO2, 및 Li2MnO3 중에서 선택된 하나 이상인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in claim 26, wherein the active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material is at least one selected from Li 3 N, Li 2 NiO 2 , and Li 2 MnO 3 . 제26 항에 있어서, 상기 양극이 상기 전해질층에 접촉하는 비가역층; 및 상기 양극 집전체에 접촉하는 가역층을 포함하며,
상기 비가역층이 상기 양극 활물질보다 초기 충방전 효율이 낮은 활성 금속 함유 화합물을 포함하며,
상기 가역층이 상기 양극 활물질을 포함하는 전기화학 디바이스.
In the 26th paragraph, the cathode comprises an irreversible layer in contact with the electrolyte layer; and a reversible layer in contact with the cathode current collector.
The above irreversible layer comprises an active metal-containing compound having a lower initial charge/discharge efficiency than the positive electrode active material,
An electrochemical device wherein the reversible layer comprises the positive electrode active material.
제29 항에 있어서, 상기 비가역층의 두께가 200nm 이하인 전기화학 디바이스.An electrochemical device in claim 29, wherein the thickness of the irreversible layer is 200 nm or less. 제29 항에 있어서, 상기 비가역층이 상기 활성 금속 함유 화합물의 산화 반응 결과물을 더 포함하는 전기화학 디바이스.An electrochemical device in accordance with claim 29, wherein the irreversible layer further comprises a resultant oxidation reaction of the active metal-containing compound.
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