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KR102716399B1 - 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법과 장치, 그 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔, 그 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법, 그리고 그 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지 - Google Patents

싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법과 장치, 그 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔, 그 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법, 그리고 그 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지 Download PDF

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KR102716399B1
KR102716399B1 KR1020230132751A KR20230132751A KR102716399B1 KR 102716399 B1 KR102716399 B1 KR 102716399B1 KR 1020230132751 A KR1020230132751 A KR 1020230132751A KR 20230132751 A KR20230132751 A KR 20230132751A KR 102716399 B1 KR102716399 B1 KR 102716399B1
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KR
South Korea
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single beam
mode
single mode
housing
refractive index
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KR1020230132751A
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김진남
엄희재
정건희
김태우
신여경
김철안
김태수
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치를 제공한다. 이 장치는 싱글 모드의 싱글 빔을 입사하는 입사 파이버, 상기 입사 파이버에 연결되는 하우징에 내장되어 상기 하우징의 입구로 입사되는 상기 싱글 빔을 통과시키면서 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 전환하여 평행하게 진행시키는 조준 렌즈(collimating lens), 상기 하우징에 내장되어 상기 조준 렌즈를 경유한 상기 멀티 싱글 모드의 싱글 빔을 모아서 출구로 진행시키는 초점 렌즈, 및 상기 하우징의 출구에 연결되어 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 출사하는 출사 파이버를 포함한다.

Description

싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법과 장치, 그 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔, 그 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법, 그리고 그 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지 {method and device for converting multi single beam of multi single mode from single beam of single mode, multi single beam made by that method, method of measuring that multi single beam, and rechargeable battery welded with that multi single beam}
본 개시(disclosure)는 용접에 사용되는 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱들 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법과 장치, 그 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔, 그 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법, 그리고 그 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지에 관한 것이다.
최근 산업상의 요구에 의하여 에너지 밀도와 안전성이 높은 전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 리튬 이온 전지는 정보 관련 기기, 통신 기기 분야뿐만 아니라 자동차 분야에서도 실용화되고 있다. 자동차 분야에 있어서는 생명과 관계되기 때문에 특히 안전이 중요시된다.
현재 시판되고 있는 리튬 이온 전지는 가연성 유기 용매를 포함한 전해액이 이용되고 있기 때문에, 단락이 발생한 경우 과열 및 화재 가능성이 있다. 이에 대해 전해액 대신에 고체전해질을 이용한 전고체 이차 전지가 제안되고 있다.
전고체 이차 전지는 가연성 유기 용매를 사용하지 않음으로써, 단락이 발생해도 화재나 폭발이 발생할 가능성을 크게 줄일 수 있다. 따라서, 이러한 전고체 전지는 전해액을 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 크게 안전성을 높일 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 개시의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
전고체 이차 전지, 각형 이차 전지, 원통형 이차 전지, 및 모듈, 팩 공정에서 용접성을 확보하기 위하여, 박판, 중판, 후판 부품의 강도확보와 밀폐기술의 확보를 위하여, 고출력 에너지로 용접을 실시하고 있다.
그러나 불안한 용융풀(melting pool)로 인하여 용접부의 불연속 지시 구간이 증가하고, 용탕에서의 유동성 불안정으로 인하여 용접시 발생되는 사이드 이펙트(Side-effect)인 스페터(Spatter)성 금속 이물이 증가한다. 그러므로 생산성을 감안하여 용접속도의 증가가 요구된다.
또한, 알루미늄 금속 용접의 키홀(Keyhole) 메커니즘상 용접속도 증가시, 용융풀 내부로 이동되는 표면장력 유동력 감소부문을 레이저 용접의 안정된 열원(Heat Input)을 통해 극복하고자 한다. 따라서, 용접시 손실(Loss)되는 알루미늄 모재의 열전도도 및 잠열 최소화를 통해서, 안정적인 용접품질과 스페터(Spatter)성 금속 이물의 제어를 가능하게 한다.
일 실시예는 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법과 장치를 제공하는 것이다. 일실시예는 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 만드는 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔을 제공하는 것이다. 일 실시예는 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 만드는 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 일 실시예는 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 만드는 방법으로 만들어진 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치는, 싱글 모드의 싱글 빔을 입사하는 입사 파이버, 상기 입사 파이버에 연결되는 하우징에 내장되어 상기 하우징의 입구로 입사되는 상기 싱글 빔을 통과시키면서 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 전환하여 평행하게 진행시키는 조준 렌즈(collimating lens), 상기 하우징에 내장되어 상기 조준 렌즈를 경유한 상기 멀티 싱글 모드의 싱글 빔을 모아서 출구로 진행시키는 초점 렌즈, 및 상기 하우징의 출구에 연결되어 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 출사하는 출사 파이버를 포함한다.
상기 조준 렌즈 배율(fcoll)에 대한 상기 초점 렌즈 배율(ffoc)의 배율상수(magnification factor)는 M = ffoc/fcoll) 식으로 표시되고, 상기 배율상수(M)는 1.2 내지 1.8일 수 있다.
상기 조준 렌즈는 단수로 구비되고, 상기 초점 렌즈는 순차적으로 나란하게 복수로 구비될 수 있다.
일 실시예에 따른 싱글 빔으로 멀티 싱글 빔을 만드는 장치는, 상기 하우징의 출구와 상기 출사 파이버 사이에 구비되는 전파 파이버(propagation fiber)를 더 포함하여, 입사되는 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔에서 설정된 각으로 가이드 된 빔과 가이드 되지 않은 빔을 선별할 수 있다.
상기 입사 파이버는 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 전송하고, 상기 하우징은 상기 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전환된 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 전송할 수 있다.
일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법은, 입사 파이버를 통하여 싱글 모드의 싱글 빔을 하우징의 입구로 입사하는 제1단계, 상기 하우징에 내장된 조준 렌즈(collimating lens)를 통하여, 입사되는 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 전환하여 평행하게 진행시키는 제2단계, 상기 하우징에 내장된 초점 렌즈를 통하여 상기 조준 렌즈를 경유한 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 모아서 출구로 출사하는 제3단계, 및 출사 파이버를 통하여 상기 하우징의 출구에 연결되어 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 출사하는 제4단계를 포함한다.
상기 제3단계에서, 상기 조준 렌즈 배율(fcoll)에 대한 상기 초점 렌즈 배율(ffoc)의 배율상수(M)는 M = ffoc/fcoll) 식으로 표시하고, 상기 배율상수(M)는 1.2 내지 1.8로 설정할 수 있다.
상기 제1단계는 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 전송하고, 상기 제2단계는 상기 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전환된 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 전송할 수 있다.
일 실시예에 따른 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔은, 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 싱글 모드의 싱글 빔을 전송하고, 상기 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전송되면서 멀티 싱글 모드가 감소되면서 위상차가 감소되고 균질한 밀도를 가지는 싱글부, 및 상기 싱글부에 복수로 형성되는 멀티부를 포함한다.
측면에서 볼 때, 상기 멀티부는 복수의 피크(peak)와 골(valley)을 형성할 수 있다.
평면에서 볼 때, 상기 멀티부는 복수의 피크(peak)와 골(valley)에 의하여 스패클(Speckle) 모양을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법은, 3D 측정 실린더 내의 측정 팁을 통하여, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 스캔하는 제1단계, 편향 거울로 전송하여 광학 장치의 초점 범위에서 공간 출력 밀도 분포와 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔 형상을 측정하는 제2단계; 및 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 출력과 파장에 따라 구성된 검출기로 전송하는 제3단계를 포함한다.
상기 제1단계는 개구 포인트를 가지는 회전 측정 팁을 통할 수 있다.
일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지는, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 상기 케이스의 개구를 밀폐하고 용접되는 캡 플레이트를 포함하며, 상기 케이스와 상기 캡 플레이트는 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 빔으로 용접되어 용접부를 형성하며, 상기 용접부는 상기 캡 플레이트의 외 표면보다 돌출되는 보강부를 더 포함한다.
상기 용접부의 용접심도에서 상기 케이스의 외 표면에 이르는 제1거리(L1)와, 상기 용접심도에서 상기 캡 플레이트의 외 표면에 이르는 제2거리(L2)를 설정하며, 상기 제1거리는 제2거리보다 더 짧게(L1<L2) 형성될 수 있다.
상기 보강부를 포함하는 상기 용접부는 상기 캡 플레이트에 나란한 방향으로 설정되는 폭(W)과, 상기 케이스에 나란한 방향으로 설정되는 높이(H)를 설정하며, 상기 높이(H)에 대한 폭(W)의 비(W/H)는 0.5~2.0일 수 있다.
상기 용접부는 등축 눈물 형상 비드(Equiaxed Tear-shaped bead)를 포함할 수 있다.
상기 비드는 상기 용접부의 전체 폭에 대하여 폭 방향으로 상기 폭보다 작은 폭을 가진 비드를 복수로 형성할 수 있다.
상기 보강부는 상기 캡 플레이트의 외 표면보다 5㎛~200㎛ 더 돌출될 수 있다.
일 실시예는 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접하므로 이차 전지, 모듈, 팩 공정에서 박판, 중판, 후판 부품의 경우에도 용접성을 확보할 수 있다.
일 실시예의 멀티 싱글 빔은 용융풀(melting pool)의 안정화로 인하여 고속 용접시, 키홀(Keyhole)로부터 가스 및 불순물의 배출이 원활하고, 기공 발생이 적으며, 용접 비드의 품질을 향상시킬 수 있다.
일 실시예의 멀티 싱글 빔은 알루미늄 금속 용접의 키홀(Keyhole)에서 메커니즘상 용접속도 증가시, 용융풀 내부로 이동되는 표면장력 유동력 감소부문을 레이저 용접의 안정된 열원(Heat Input)을 제공하므로 용접시 손실(Loss)될 수 있는 알루미늄 모재의 열전도도 및 잠열 최소화를 실현할 수 있다.
이를 통해서, 일 실시예는 안정적인 용접 품질과 스페터(Spatter)성 금속 이물을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차 전지를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전고체 이차 전지의 리튬 금속층이 형성되는 것을 나타낸 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법 및 장치에 사용되는 싱글 모드의 싱글 빔의 입체 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법 및 장치에서 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 입체 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법 및 장치에서 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 평면 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치의 구성도이다.
도 7은 도 6의 장치에서 조준 렌즈(collimating lens)와 초점 렌즈(focusing lens) 사이에 싱글 모드의 싱글 빔이 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 변환되는 과정 중 빔을 분산하는 것을 도시한다.
도 8은 도 7의 초점 렌즈(focusing lens) 경유하면서, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔이 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 변환되는 과정 중 빔을 모으는 것을 도시한다.
도 9는 도 8의 초점 렌즈(focusing lens) 경유하면서 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔이 전파되는 상태를 도시한 전파 파이버의 사시도이다.
도 10은 도 9의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법의 순서도이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치 및 방법으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 사시도(a)와 평면도(b)다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치 및 방법으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 장치의 구성도이다.
도 17은 도 16의 장치를 이용하여, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법의 순서도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치 및 방법으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접하는 멀티 싱글 빔의 상태도이다.
도 19는 도 18의 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 캡 플레이트와 케이스를 용접한 상태의 이차 전지의 사시도이다.
도 20은 도 19에서 용접부의 측면 이미지이다.
도 21은 도 19에서 용접부의 평면 이미지이다.
도 22는 도 21의 A-A 선에 따른 용접부의 단면 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타냈으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
또한 여기서 "층"은 평면도로 관찰했을 때 전체 면에 형성되어 있는 형상뿐만 아니라 일부 면에 형성되어 있는 형상도 포함한다. 여기서 "또는"은 배제적인(exclusive) 의미로 해석되지 않으며, 예를 들어 "A 또는 B"는 A, B, A+B 등을 포함하는 것으로 해석된다.
전고체 이차 전지용 양극
일 구현예에서는 집전체, 및 상기 집전체 상에 위치하는 양극 활물질 층을 포함하는 전고체 이차 전지용 양극으로서, 상기 양극 활물질 층은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 바인더, 및 도전재 중 적어도 하나를 포함하는 전고체 이차 전지용 양극을 제공한다. 다만 이에 한정하지 않고, 상기 전고체 이차 전지용 양극은 상술한 구성요소 보다 많거나, 적은 구성요소를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전고체 이차 전지용 양극은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 바인더, 및 도전재 중 적어도 하나를 포함하는 양극 조성물을 집전체에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조된다.
양극 활물질
상기 양극 활물질은 전고체 이차 전지에 일반적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 적용 가능하다. 예를 들어 상기 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물일 수 있고, 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
LiaA1-bXbD2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5);
LiaA1-bXbO2-cDc (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05);
LiaE1-bXbO2-cDc (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05);
LiaE2-bXbO4-cDc (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05);
LiaNi1-b-cCobXcDα (0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 <α ≤ 2);
LiaNi1-b-cCobXcO2-αTα (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2);
LiaNi1-b-cCobXcO2-αT2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α <2);
LiaNi1-b-cMnbXcDα (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α ≤ 2);
LiaNi1-b-cMnbXcO2-αTα (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α < 2);
LiaNi1-b-cMnbXcO2-αT2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b　≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 <α < 2);
LiaNibEcGdO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1);
LiaNibCocMndGeO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1);
LiaNiGbO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1);
LiaCoGbO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1);
LiaMn1-bGbO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1);
LiaMn2GbO4 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1);
LiaMn1-gGgPO4 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ g ≤ 0.5);
QO2; QS2; LiQS2;
V2O5; LiV2O5;
LiZO2;
LiNiVO4;
Li(3-f)J2(PO4)3 (0 ≤ f ≤ 2);
Li(3-f)Fe2(PO4)3 (0 ≤ f ≤ 2);
LiaFePO4 (0.90 ≤ a ≤ 1.8).
상기 화학식들에서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고; Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 양극 활물질은 예를 들어 리튬코발트산화물(LCO), 리튬니켈산화물(LNO), 리튬니켈코발트산화물(NC), 리튬니켈코발트알루미늄산화물(NCA), 리튬니켈코발트망간산화물(NCM), 리튬니켈망간산화물(NM), 리튬망간산화물(LMO), 또는 리튬인산철산화물(LFP) 등일 수 있다.
상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 니켈계 산화물, 하기 화학식 2로 표시되는 리튬 코발트계 산화물, 하기 화학식 3으로 표시되는 리튬인산철계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Lia1Nix1M1 y1M2 1-x1-y1O2
상기 화학식 1에서, 0.9≤a1≤1.8, 0.3≤x1≤1, 0≤y1≤0.7이고, M1 및 M2는 각각 독립적으로 Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, 및 Zr로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소이다.
[화학식 2]
Lia2Cox2M3 1-x2O2
상기 화학식 2에서, 0.9≤a2≤1.8, 0.6≤x2≤1이고, M3은 Al, B, Ba, Ca, Ce, Cr, Cu, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, 및 Zr로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소이다.
[화학식 3]
Lia3Fex3M4 (1-x3)PO4
상기 화학식 3에서, 0.9≤a3≤1.8, 0.6≤x3≤1이고, M4는 Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, 및 Zr로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소이다.
상기 양극 활물질의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있고, 예를 들어 3 ㎛ 내지 25 ㎛, 5 ㎛ 내지 25 ㎛, 5 ㎛ 내지 20 ㎛, 8 ㎛ 내지 20 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 18 ㎛일 수 있다. 이러한 입경 범위를 가지는 양극 활물질은 양극 활물질 층 내에서 다른 성분들과 조화롭게 혼합될 수 있고 고용량 및 고에너지 밀도를 구현할 수 있다.
상기 양극 활물질은 복수의 1차 입자들이 응집되어 이루어지는 2차 입자 형태일 수 있고, 또는 단입자(single particle) 형태일 수 있다. 또한 상기 양극 활물질은 구형이거나 구형에 가까운 형상일 수 있으며, 혹은 다면체 또는 비정형일 수 있다.
황화물계 고체 전해질
황화물계 고체 전해질은 예를 들어 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiX(X는 할로겐 원소이고, 예를 들면 I, 또는 Cl임), Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn(m, n은 각각 정수이고, Z는 Ge, Zn 또는 Ga임), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipMOq(p, q는 정수이고, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga 또는 In임), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
이러한 황화물계 고체 전해질은 일 예로 Li2S와 P2S5를 50：50 내지 90：10의 몰비, 또는 50：50 내지 80：20의 몰비로 혼합하고 선택적으로 열처리하여 얻을 수 있다. 상기 혼합비 범위에서, 우수한 이온 전도도를 가지는 황화물계 고체 전해질을 제조할 수 있다. 여기에 다른 성분으로서 SiS2, GeS2, B2S3　등을 더 포함시켜 이온 전도도를 더욱 향상시킬 수도 있다.
황화물계 고체 전해질을 제조하기 위한 황 함유 원료의 혼합 방법으로는 기계적 밀링이나 용액법을 적용할 수 있다. 기계적 밀링은 반응기 내 출발 원료와 볼 밀 등을 넣어 강하게 교반하여 출발 원료를 미립자화하여 혼합시키는 방법이다. 용액법을 이용하는 경우 용매 내에서 출발 원료를 혼합시켜 석출물로서 고체 전해질을 얻을 수 있다. 또한 혼합 이후 열처리하는 경우 고체 전해질의 결정은 더욱 견고해질 수 있고 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. 일 예로, 황화물계 고체 전해질은 황 함유 원료를 혼합하고 2번 이상 열처리하여 제조될 수 있으며, 이 경우 이온 전도도가 높고 견고한 황화물계 고체 전해질을 제조할 수 있다.
일 예로, 상기 황화물계 고체 전해질 입자는 아지로다이트(argyrodite)형 황화물을 포함할 수 있다. 상기 아지로다이트형 황화물은 예를 들어 LiaMbPcSdAe(a, b, c, d 및 e는 모두 0 이상 12 이하, M은 Li을 제외한 금속 또는 Li을 제외한 복수의 금속들의 조합이고, A는 F, Cl, Br, 또는 I임)의 화학식으로 표현될 수 있고, 구체적인 예로 Li7-xPS6-xAx(x는 0.2 이상 1.8 이하이고, A는 F, Cl, Br, 또는 I임)의 화학식으로 표현될 수 있다. 상기 아지로다이트형 황화물은 구체적으로 Li3PS4, Li7P3S11, Li7PS6, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li5.8PS4.8Cl1.2, Li6.2PS5.2Br0.8 등일 수 있다.
이러한 아지로다이트형 황화물을 포함하는 황화물계 고체 전해질 입자는 상온에서 일반적인 액체 전해질의 이온 전도도인 10-4 내지 10-2　S/cm 범위에 근접한 높은 이온 전도도를 가지고 있고, 이온 전도도의 감소를 유발하지 않으면서 양극 활물질과 고체 전해질 간의 긴밀한 결합을 형성할 수 있고, 나아가 전극 층과 고체 전해질층 간에 긴밀한 계면을 형성할 수 있다. 이를 포함하는 전고체 전지는 율 특성, 쿨롱 효율, 및 수명 특성과 같은 전지 성능이 향상될 수 있다.
아지로다이트형 황화물계 고체 전해질은 예를 들어 황화리튬과 황화인, 선택적으로 할로겐화리튬을 혼합하여 제조할 수 있다. 이들을 혼합한 후 열처리를 진행할 수도 있다. 상기 열처리는 예를 들어 2차례 이상의 열처리 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 황화물계 고체 전해질 입자의 평균 입경(D50)은 5.0 ㎛ 이하일 수 있으며, 예를 들어, 0.1 ㎛ 내지 5.0 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 4.0 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 3.0 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛, 또는 0.1 ㎛ 내지 1.5 ㎛일 수 있다. 혹은, 상기 황화물계 고체 전해질 입자는 사용되는 위치나 목적에 따라 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지는 소입자일 수 있고, 또는 1.5 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 평균 입경(D50)을 가지는 대입자일 수도 있다. 이러한 입경 범위의 황화물계 고체 전해질 입자는 전지 내에서 고체 입자들 사이에 효과적으로 침투할 수 있으며, 전극 활물질과의 접촉성 및 고체 전해질 입자들 간의 연결성이 우수하다. 황화물계 고체 전해질 입자의 평균 입경은 현미경 이미지로 측정된 것일 수 있고, 예를 들어 주사 전자 현미경 이미지에서 약 20 여개의 입자의 크기를 측정하여 입도 분포를 얻고 여기서 D50을 계산한 것일 수 있다.
상기 전고체 전지용 양극 내에서 상기 고체 전해질의 함량은 0.5 중량% 내지 35 중량%일 수 있고, 예를 들어 1 중량% 내지 35 중량%, 5 중량% 내지 30 중량%, 8 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있다. 이는 양극 내 성분들의 총 중량에 대한 함량이며, 구체적으로 양극 활물질 층 총 중량에 대한 함량이라고 할 수 있다.
일 구현예에서 상기 양극 활물질 층은 상기 양극 활물질 층 100 중량%에 대하여, 50 중량% 내지 99.35 중량%의 양극 활물질, 0.5 중량% 내지 35 중량%의 황화물계 고체 전해질, 0.1 중량% 내지 10 중량%의 불소계 수지 바인더, 및 0.05 중량% 내지 5 중량%의 바나듐 산화물을 포함할 수 있다. 이와 같은 함량 범위를 만족하는 경우 전고체 이차 전지용 양극은 고용량 및 높은 이온 전도도를 구현하면서 높은 접착력을 유지하고 양극 조성물의 점도가 적정 수준으로 유지되어 공정성이 개선될 수 있다.
바인더
바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도전재
상기 양극 활물질 층은 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등을 함유하고 금속 분말 또는 금속 섬유 형태의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도전재는 상기 전고체 전지용 양극의 각 성분의 총 중량에 대하여, 또는 양극 활물질 층의 총 중량에 대하여, 0.1 중량% 내지 5 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 도전재는 전지 성능을 저하시키지 않으면서 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 양극 활물질 층이 도전재를 더 포함하는 경우, 상기 양극 활물질 층은 상기 양극 활물질 층 100 중량%에 대하여, 45 중량% 내지 99.25 중량%의 양극 활물질, 0.5 중량% 내지 35 중량%의 황화물계 고체 전해질, 0.1 중량% 내지 10 중량%의 불소계 수지 바인더, 0.05 중량% 내지 5 중량%의 바나듐 산화물, 및 0.1 중량% 내지 5 중량%의 도전재를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 리튬 이차 전지용 양극은 전술한 고체 전해질 이외에 산화물계 무기 고체 전해질을 더 포함할 수도 있다. 상기 산화물계 무기 고체 전해질은 예를 들어 Li1+xTi2-xAl(PO4)3(LTAP)(0≤x≤4), Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(0<x<2, 0≤y<3), BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)(0≤x<1, 0≤y<1), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(0≤x≤1, 0≤y≤1), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), Li2O, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2계 세라믹스, 가넷(Garnet)계 세라믹스 Li3+xLa3M2O12(M= Te, Nb, 또는 Zr; x는 1 내지 10의 정수임), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전고체 이차 전지
일 구현예에서는 전술한 양극과 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 고체 전해질층을 포함하는 전고체 이차 전지를 제공한다. 상기 전고체 이차 전지는 전고체 전지, 또는 전고체 리튬 이차 전지라고 표현할 수도 있다.
도 1은 일 실시예 따른 전고체 이차 전지의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 전고체 이차 전지(100)는 음극 집전체(401)와 음극 활물질층(403)을 포함하는 음극(400), 고체전해질층(300), 및 양극 활물질층(203)과 양극 집전체(201)를 포함하는 양극(200)이 적층된 전극 조립체가 파우치 등의 케이스에 수납된 구조일 수 있다. 상기 전고체 이차 전지(100)는 양극(200)과 음극(400) 중 적어도 하나의 외측에 탄성층(500)을 더 포함할 수 있다. 도 1에는 음극(400), 고체전해질층(300) 및 양극(200)을 포함하는 하나의 전극 조립체가 도시되어 있으나 2개 이상의 전극 조립체를 적층하여 전고체 전지를 제작할 수도 있다.
음극
전고체 전지용 음극은 일 예로 집전체 및 이 집전체 상에 위치하는 음극 활물질 층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질 층은 음극 활물질을 포함하고, 바인더, 도전재, 및/또는 고체 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소계 음극 활물질로, 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상형, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn에서 선택되는 하나 이상의 금속과의 합금이 사용될 수 있다.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질을 사용할 수 있으며, 상기 Si계 음극 활물질로는 실리콘, 실리콘-탄소 복합체, SiOx(0<x<2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), 상기 Sn계 음극 활물질로는 Sn, SnO2, Sn-R 합금(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Q 및 R로는 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, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 실리콘-탄소 복합체는 예를 들어 결정질 탄소 및 실리콘 입자를 포함하는 코어 및 이 코어 표면에 위치하는 비정질 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘-탄소 복합체일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 인조 흑연, 천연 흑연 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 비정질 탄소 전구체로는 석탄계 핏치, 메조페이스 핏치, 석유계 핏치, 석탄계 오일, 석유계 중질유 또는 페놀 수지, 퓨란 수지, 폴리이미드 수지 등의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 이때, 실리콘의 함량은 실리콘-탄소 복합체 전체 중량에 대하여 10 중량% 내지 50 중량%일 수 있다. 또한, 상기 결정질 탄소의 함량은 실리콘-탄소 복합체 전체 중량에 대하여 10 중량% 내지 70 중량%일 수 있고, 상기 비정질 탄소의 함량은 실리콘-탄소 복합체 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 40 중량%일 수 있다. 또한, 상기 비정질 탄소 코팅층의 두께는 5nm 내지 100nm일 수 있다.
상기 실리콘 입자의 평균 입경(D50)은 10nm 내지 20㎛일 수 있고, 예를 들어 10nm 내지 500nm일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 산화된 형태로 존재할 수 있고, 이때, 산화 정도를 나타내는 실리콘 입자내 Si:O의 원자 함량 비율은 99:1 내지 33:67일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 SiOx 입자일 수 있으며 이때 SiOx에서 x 범위는 0 초과, 2 미만일 수 있다. 여기서 평균 입경(D50)은 레이저 회절법을 이용한 입도 분석기로 측정된 것으로서 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%인 입자의 지름을 의미한다.
상기 Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질과 혼합하여 사용될 수 있다. Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질; 및 탄소계 음극 활물질의 혼합비는 중량비로 1:99 내지 90:10일 수 있다.
상기 음극 활물질 층에서 음극 활물질의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 95 중량% 내지 99 중량%일 수 있다.
일 구현예에서 상기 음극 활물질 층은 바인더를 더 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질 층에서 바인더의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. 또한 도전재를 더욱 포함하는 경우 상기 음극 활물질 층은 음극 활물질을 90 중량% 내지 98 중량%, 바인더를 1 중량% 내지 5 중량%, 도전재를 1 중량% 내지 5 중량% 포함할 수 있다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 비수용성 바인더는 예를 들어 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 에틸렌 프로필렌 공중합체, 폴리스티렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 수용성 바인더로는 고무계 바인더 또는 고분자 수지 바인더를 들 수 있다. 상기 고무계 바인더는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 및 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 고분자 수지 바인더는 폴리에틸렌옥시드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피크로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 폴리비닐알콜 및 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 증점제를 함께 사용할 수 있고, 상기 증점제는 예를 들어 셀룰로즈 계열 화합물을 포함할 수 있다. 상기 셀룰로즈 계열 화합물은 카르복시메틸 셀룰로즈, 하이드록시프로필메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 이들의 알칼리 금속염, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제 사용 함량은 음극 활물질 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 3 중량부일 수 있다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등을 포함하고 금속 분말 또는 금속 섬유 형태의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
다른 일 예로, 상기 전고체 전지용 음극은 석출형 음극일 수 있다. 상기 석출형 음극은 전지 조립 시에는 음극 활물질을 포함하지 않으나 전지의 충전 시 리튬 금속 등이 석출되어 이것이 음극 활물질의 역할을 하는 음극을 의미한다.
도 2는 일 실시예에 따른 석출형 음극을 포함하는 전고체 이차 전지의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참고하면, 상기 석출형 음극(400')은 집전체(401) 및 상기 집전체 상에 위치하는 음극 코팅층(405)을 포함할 수 있다. 이러한 석출형 음극(400')을 가지는 전고체 전지는 음극 활물질이 존재하지 않는 상태에서 초기 충전이 시작되고, 충전시 집전체(401)와 음극 코팅층(405) 사이에 고밀도의 리튬 금속 등이 석출되어 리튬 금속층(404)이 형성되며, 이것이 음극 활물질의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 1회 이상의 충전이 진행된 전고체 전지에서 상기 석출형 음극(400')은 집전체(401), 상기 집전체 상에 위치하는 리튬 금속층(404) 및 상기 금속층 상에 위치하는 음극 코팅층(405)을 포함할 수 있다. 상기 리튬 금속층(404)은 전지의 충전 과정에서 리튬 금속 등이 석출된 층을 의미하며 금속층 또는 음극 활물질층 등으로 칭할 수 있다.
상기 음극 코팅층(405)은 촉매 역할을 하는 금속, 탄소재, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속은 예를 들어 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석, 아연, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들 중 1종으로 구성되거나 또는 여러 종류의 합금으로 구성될 수도 있다. 상기 금속이 입자 형태로 존재하는 경우 그 평균 입경(D50)은 약 4 ㎛ 이하일 수 있고 예를 들어 10 nm 내지 4 ㎛일 수 있다.
상기 탄소재는 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연, 메조페이스카본 마이크로비드, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 비정질 탄소는 예를 들어 카본 블랙, 활성탄, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 음극 코팅층(405)이 상기 금속과 상기 탄소재를 모두 포함하는 경우, 금속과 탄소재의 혼합 비율은 예를 들어 1:10 내지 2:1의 중량비일 수 있다. 이 경우 효과적으로 리튬 금속의 석출을 촉진할 수 있고 전고체 전지의 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 음극 코팅층(405)은 예를 들어 촉매 금속이 담지된 탄소재를 포함할 수 있고, 또는 금속 입자 및 탄소재 입자의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 음극 코팅층(405)은 일 예로 상기 금속과 비정질 탄소를 포함할 수 있으며, 이 경우 리튬 금속의 석출을 효과적으로 촉진할 수 있다.
상기 음극 코팅층(405)은 바인더를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더는 전도성 바인더일 수 있다. 또한 상기 음극 코팅층(405)은 일반적인 첨가제인 필러, 분산제, 이온 도전재 등을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 코팅층(405)의 두께는 예를 들어 100 nm 내지 20 ㎛, 또는 500 nm 내지 10 ㎛, 또는 1 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다.
상기 석출형 음극(400')은 일 예로 상기 집전체의 표면에, 즉 집전체와 음극 코팅층 사이에 박막을 더 포함할 수 있다. 상기 박막은 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함할 수 있다. 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소는 예를 들어 금, 은, 아연, 주석, 인듐, 규소, 알루미늄, 비스무스 등일 수 있고 이들 중 1종으로 구성되거나 여러 종류의 합금으로 구성될 수도 있다. 상기 박막은 리튬 금속층(404)의 석출 형태를 더욱 평탄화할 수 있고 전고체 전지의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 박막은 예를 들어 진공 증착법, 스퍼터링 법, 도금법 등의 방법으로 형성될 수 있다. 상기 박막의 두께는 예를 들어 1 nm 내지 500 nm일 수 있다.
고체전해질층
고체전해질층(300)은 황화물계 고체 전해질, 산화물계 고체 전해질 등을 포함할 수 있다. 황화물계 고체 전해질과 산화물계 고체 전해질의 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
일 예에서 양극(200)에 포함되는 고체 전해질과 고체전해질층(300)에 포함되는 고체 전해질은 동일한 화합물을 포함할 수도 있고 상이한 화합물을 포함할 수도 있다. 일 예로, 양극(200)과 고체전해질층(300)이 모두 아지로다이트형 황화물계 고체 전해질을 포함하는 경우 전고체 이차 전지의 전반적인 성능이 향상될 수 있다. 또한 일 예로 양극(200)과 고체전해질층(300)이 모두 전술한 코팅된 고체 전해질을 포함하는 경우, 전고체 이차 전지는 고용량, 고에너지 밀도를 구현하면서 뛰어난 초기 효율과 수명 특성을 구현할 수 있다.
한편, 양극(200)에 포함되는 고체 전해질의 평균 입경(D50)은 고체전해질층(300)에 포함되는 고체 전해질의 평균 입경(D50)보다 작은 것일 수 있다. 이 경우 전고체 전지의 에너지 밀도를 극대화하면서 리튬 이온의 이동성을 높여 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 양극(200)에 포함되는 고체 전해질의 평균 입경(D50)은 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛, 또는 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛일 수 있고, 고체전해질층(300)에 포함되는 고체 전해질의 평균 입경(D50)은 1.5 ㎛ 내지 5.0 ㎛, 또는 2.0 ㎛ 내지 4.0 ㎛, 또는 2.5 ㎛ 내지 3.5 ㎛일 수 있다. 이 같은 입경 범위를 만족하는 경우 전고체 이차 전지의 에너지 밀도를 극대화하면서 리튬 이온의 전달이 용이하여 저항이 억제되고 이에 따라 전고체 이차 전지의 전반적인 성능이 향상될 수 있다. 여기서 고체 전해질의 평균 입경(D50)은 레이저 회절법을 이용한 입도 분석기를 통해 측정된 것일 수 있다. 또는 주사 전자 현미경 등의 현미경 사진에서 임의의 20여개의 입자를 선택하여 입자 크기를 측정하고 입자 크기 분포를 얻어 여기서 D50 값을 계산할 수도 있다.
상기 고체전해질층은 고체 전해질 이외에 바인더를 더욱 포함할 수도 있다. 이때 바인더로는 스티렌 부타디엔 러버, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 아크릴레이트계 고분자 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 바인더로 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 상기 아크릴레이트계 고분자는 예를 들어 부틸 아크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 고체전해질층은 고체 전해질을 바인더 용액에 첨가하고, 이를 기재 필름에 코팅하고, 건조하여 형성할 수 있다. 상기 바인더 용액의 용매로는 이소부티릴 이소부틸레이트, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 헥산 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 고체전해질층 형성 공정은 당해 분야에 널리 알려 져 있기에 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 고체전해질층의 두께는 예를 들어 10 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다.
상기 고체전해질층은 알칼리 금속염, 및/또는 이온성 액체, 및/또는 전도성 고분자를 더 포함할 수 있다.
상기 알칼리 금속염은 예를 들어 리튬염일 수 있다. 상기 고체전해질층에서 리튬염의 함량은 1M 이상일 수 있고, 예를 들어, 1M 내지 4M일 수 있다. 이 경우 상기 리튬염은 고체전해질층의 리튬 이온 이동도를 향상시킴으로써 이온 전도도를 개선할 수 있다.
상기 리튬염은 예를 들어 LiSCN, LiN(CN)2, Li(CF3SO2)3C, LiC4F9SO3, LiN(SO2CF2CF3)2, LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiB(C2O4)2, LiBF4, LiBF3(C2F5), 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(lithium bis(oxalato) borate, LiBOB), 리튬 옥살릴디플루오로보레이트(lithium oxalyldifluoroborate, LIODFB), 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트(lithium difluoro(oxalato)borate, LiDFOB), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(lithium bis(trifluoro methanesulfonyl)imide, LiTFSI, LiN(SO2CF3)2), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI, LiN(SO2F)2), LiCF3SO3, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4　또는 그 혼합물을 포함할 수 있다.
또한 상기 리튬염은 이미드계일 수 있고, 예를 들어 상기 이미드계 리튬염은 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(lithium bis(trifluoro methanesulfonyl)imide, LiTFSI, LiN(SO2CF3)2), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(lithium bis(fluorosulfonyl)imide, LiFSI, LiN(SO2F)2)를 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 이온성 액체와의 화학적 반응성을 적절히 유지함으로써 이온 전도도를 유지 또는 개선시킬 수 있다.
상기 이온성 액체는 상온 이하의 융점을 가지고 있어 상온에서 액체 상태이면서 이온만으로 구성되는 염 또는 상온 용융염을 말한다.
상기 이온성 액체는 a) 암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸륨계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, b) BF4-, PF6-, AsF6-, SbF6-, AlCl4-, HSO4-, ClO4-, CH3SO3-, CF3CO2-, Cl-, Br-, I-, BF4-, SO4-, CF3SO3-, (FSO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, 및 (CF3SO2)2N- 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 이온성 액체는 예를 들어 N-메틸-N-프로필피롤디니움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 N-부틸-N-메틸피롤리디움 비스(3-트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 고체전해질층에서 고체 전해질과 이온성 액체의 중량비는 0.1:99.9 내지 90:10일 수 있고 예를 들어, 10:90 내지 90:10, 20:80 내지 90:10, 30:70 내지 90:10, 40:60 내지 90:10, 또는 50:50 내지 90:10일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 고체전해질층은 전극과의 전기화학적 접촉 면적이 향상되어 이온 전도도를 유지 또는 개선할 수 있다. 이에 따라 전고체 전지의 에너지 밀도, 방전용량, 율 특성 등이 개선될 수 있다.
상기 전고체 전지는 양극/고체전해질층/음극의 구조를 갖는 단위 전지, 양극/고체전해질층/음극/고체전해질층/양극의 구조를 갖는 바이셀, 또는 단위 전지의 구조가 반복되는 적층 전지일 수 있다.
상기 전고체 전지의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형 등일 수 있다. 또한 상기 전고체 전지는 전기 자동차 등에 사용되는 대형 전지에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전고체 전지는 플러그인 하이브리드 차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에도 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있고, 예를 들어, 전기 자전거 또는 전동 공구 등에도 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법 및 장치에 사용되는 싱글 모드의 싱글 빔의 입체 이미지이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법 및 장치에서 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 입체 이미지이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법 및 장치에서 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 평면 이미지이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 싱글 모드의 싱글 빔(1)으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)은 싱글부(21)와 멀티부(22)를 포함한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치의 구성도이고, 도 7은 도 6의 장치에서 조준 렌즈(collimating lens)와 초점 렌즈(focusing lens) 사이에 싱글 모드의 싱글 빔이 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 변환되는 과정 중 빔을 분산하는 것을 도시하며, 도 8은 도 7의 초점 렌즈(focusing lens) 경유하면서, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔이 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 변환되는 과정 중 빔을 모으는 것을 도시한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 싱글 빔으로 멀티 싱글 빔을 만드는 장치는 입사 파이버(31), 하우징(41), 조준 렌즈(collimating lens)(42), 초점 렌즈(focusing lens)(43), 및 출사 파이버(51)를 포함한다.
입사 파이버(31)는 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 입사하도록 구성되어 하우징(41)의 입구(411)에 연결된다. 출사 파이버(51)는 하우징(41)의 출구(412)에 연결되어 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 출사하도록 구성된다.
일 실시예의 장치는 하우징(41) 내에 구비되는 조준 렌즈(collimating lens)(42)와 초점 렌즈(focusing lens)(43)를 주요 부분으로 포함한다. 조준 렌즈(42)는 오목 렌즈로 형성되고, 초점 렌즈(43)는 볼록 렌즈로 형성된다.
조준 렌즈(42)는 하우징(41)의 입구(411)로 입사되는 싱글 빔(1)을 통과시키면서 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)으로 분산 전환하여 평행하게 진행시킨다. 일례로써, 조준 렌즈(42)는 단수로 구비된다.
초점 렌즈(43)는 조준 렌즈(42)를 경유한 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 모아서 출구(412)로 진행시킨다. 즉 초점 렌즈(43)는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)의 밀도를 높이어 출구(412)로 진행시킨다. 일례로써, 초점 렌즈(43)는 순차적으로 나란하게 복수로 구비된다.
조준 렌즈(42) 배율(fcoll)에 대한 초점 렌즈(43) 배율(ffoc)의 배율상수(magnification factor)는 M = ffoc/fcoll 식으로 표시된다. 배율상수(M)는 1.2 내지 1.8이다. 일례로써, 배율상수(M)가 1.2 미만이면, 초점 렌즈(43) 배율(ffoc)이 너무 작아서 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)의 밀도가 너무 낮게 되고, 이로 인하여 멀티부(22)에서 피크와 골의 개수가 너무 적을 수 있다.
배율상수(M)가 1.8 초과이면, 초점 렌즈(43) 배율(ffoc)이 너무 커서 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)의 밀도가 너무 높게 되고, 이로 인하여 멀티부(22)에서 피크와 골의 개수가 너무 많을 수 있다.
배율상수(M)가 1.2 내지 1.8인 경우, 초점 렌즈(43) 배율(ffoc)이 적절해서 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)의 밀도가 적절하게 되고, 이로 인하여 멀티부(22)에서 피크와 골의 개수가 적절할 수 있다. 일례 들면, 피크의 개수가 5~6개로 적절한다.
즉 5~6개의 피크를 가지는 멀티 싱글 빔(2)은 용융풀(melting pool)을 안정화시키고, 이로 인하여 고속 용접시, 키홀(Keyhole, KH, 도 18 참조)로부터 가스 및 불순물의 배출을 원활하게 단다. 이로 인하여, 용접부에서 기공의 발생이 적으며, 용접 비드의 품질이 향상될 수 있다.
도 9는 도 8의 초점 렌즈(focusing lens) 경유하면서 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔이 전파되는 상태를 도시한 전파 파이버의 사시도이고, 도 10은 도 9의 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 일 실시예의 장치는 하우징(41)의 출구(412)와 출사 파이버(51) 사이에 구비되는 전파 파이버(propagation fiber)(52)를 더 포함할 수 있다. 전파 파이버(52)는 입사되는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)에서 억셉턴스 콘(acceptance cone)(511)에서 설정된 제1각(θ1)으로 가이드 된 빔(b1)과 가이드 되지 않은 빔(b2)을 선별한다. 선별된 가이드 된 빔(b1)만이 출사 파이버(51)로 전파되어 용접에 사용된다.
멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)은 억셉턴스 콘(511)에서 설정된 제1각(θ1)으로 출사되어, 전파 파이버(52)의 중심축에 대하여 제2각(θ2)으로 변환되고, 전파 파이버(52)의 내면에 직교선을 기준으로 제3각(θ3)으로 변환되면서 최종적으로 선별된다.
입사 파이버(31)는 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 전송하다. 하우징(41)은 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전환된 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 전송한다. 멀티 싱글 빔(2)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 전파 파이버(52)에서 선별된 가이드 된 빔(b1)으로 출사되어 용접에 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법의 순서도이다. 도 11을 참조하면, 일 실시예의 싱글 빔으로 멀티 싱글 빔을 만드는 방법은 제1단계(ST1), 제2단계(ST2), 제3단계(ST3), 및 제4단계(ST4)를 포함한다.
제1단계(ST1)는 입사 파이버(31)를 통하여 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 하우징(41)의 입구(411)로 입사한다. 제2단계(ST2)는 하우징(41)에 내장된 조준 렌즈(42)를 통하여, 입사되는 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 분산시켜 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)으로 전환하여 평행하게 진행시킨다.
즉 제1단계(ST1)는 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 전송한다. 제2단계(ST2)는 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전환된 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 전송한다.
제3단계(ST3)는 하우징(41)에 내장된 초점 렌즈(43)를 통하여 조준 렌즈(42)를 경유한 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 모아서 출구(412)로 출사한다. 제3단계(ST3)에서, 조준 렌즈(42) 배율(fcoll)에 대한 초점 렌즈(43) 배율(ffoc)의 배율상수(M)는 M = ffoc/fcoll 식으로 표시하고, 배율상수(M)는 1.2 내지 1.8로 설정한다.
제4단계(ST4)는 출사 파이버(51)를 통하여 하우징(41)의 출구(412)에 연결되어 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 출사한다. 또한 전파 파이버(52)를 구비하는 경우, 제4단계(ST4)는 멀티 싱글 빔(2)을 전파 파이버(52)로 더 경유하여 출사한다.
입사되는 싱글 모드의 싱글 빔(1)은 하우징(41) 내의 조준 렌즈(42)와 초점 렌즈(43)를 경유하면서 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)으로 변환된다. 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)은 전파 파이버(52) 및 출사 파이버(51)의 굴절률이 높은 물질을 통해서 전송된다. 이때 멀티 싱글 빔(2)의 많은 수의 멀티 모드 중 여러 개의 멀티 모드가 감소되면서, 위상차가 감소된 균질한 고밀도의 멀티 싱글 빔(2)이 발생된다. 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)은 출사 파이버(51)로 최종적으로 출사된다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치 및 방법으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 사시도(a)와 평면도(b)다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 출사 파이버(51)로 출사되는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)은 탑헷 폼팩터(Top-Hat Formfactor)에서 복수의 피크(peak)와 골(valley)이 존재하는 스패클(Speckle)과 혼(Horn) 형태의 모양을 가진다.
도 12 및 13을 참조하면, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(201, 202)은 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 전송하고, 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전송되면서 멀티 모드가 감소되면서 위상차가 감소되고 균질한 밀도를 가지는 싱글부(21), 및 싱글부(21)에 복수로 형성되는 멀티부(23, 24)를 포함한다.
멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(201, 202)을 측면에서 볼 때(a), 멀티부(23, 24)는 복수의 피크(peak)와 골(valley)을 형성하며, 5개의 혼을 구비한다. 평면에서 볼 때(b), 멀티부(23)는 복수의 피크(peak)와 골(valley)에 의하여 스패클(Speckle) 모양을 형성하며, 5개의 혼(horn)을 가진다.
도 14 및 15를 참조하면, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(203, 204)은 제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 싱글 모드의 싱글 빔(1)을 전송하고, 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전송되면서 멀티 모드가 감소되면서 위상차가 감소되고 균질한 밀도를 가지는 싱글부(21), 및 싱글부(21)에 복수로 형성되는 멀티부(25, 26)를 포함한다.
멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(203, 204)을 측면에서 볼 때(a), 멀티부(25, 26)는 복수의 피크(peak)와 골(valley)을 형성하며, 5개의 혼을 구비한다. 평면에서 볼 때(b), 멀티부(25, 26)는 복수의 피크(peak)와 골(valley)에 의하여 스패클(Speckle) 모양을 형성하며, 5~6개의 혼(horn)을 가진다
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치 및 방법으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 장치의 구성도이고, 도 17은 도 16의 장치를 이용하여, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법의 순서도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법은 제1단계(ST10), 제2단계(ST20) 및 제3단계(ST30)를 포함한다. 이 측정 방법은 탑헷 폼팩터(Top-Hat Formfactor)에서 복수의 피크(peak)와 골(valley)이 존재하는 스패클(Speckle)과 혼(Horn) 형태의 모양을 가지는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)의 형상을 측정한다.
제1단계(ST10)는 3D 측정 실린더 내의 회전 측정 팁(161)을 통하여, 싱글 모드의 싱글 빔(1)으로 만들어진 멀티 모드의 멀티 싱글 빔(2)을 스캔한다. 회전 측정 팁(161)은 개구 포인트를 가지며, 일례로써, 개구는 20㎛일 수 있다. 제1단계(ST10)는 개구 포인트를 가지는 회전 측정 팁(161)을 통하는 멀티 싱글 빔(2)을 스캔한다.
제2단계(ST20)는 편향 거울(162)로 전송하여 광학 장치의 초점 범위에서 공간 출력 밀도 분포와 멀티 모드의 멀티 싱글 빔(2) 형상을 측정한다. 제3단계(ST30)는 멀티 모드의 멀티 싱글 빔(2)의 출력과 파장에 따라 구성된 검출기(163)로 전송한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치 및 방법으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접하는 멀티 싱글 빔의 상태도이고, 도 19는 도 18의 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 캡 플레이트와 케이스를 용접한 상태의 이차 전지의 사시도이다.
도 18 내지 도 19를 참조하면, 이차 전지(18)는 케이스(181)와 캡 플레이트(182) 및 용접부(183)를 포함하며, 용접부(183)는 멀티 싱글 빔(2)으로 용접된다. 케이스(181)는 전극 조립체(미도시)를 내장하고, 캡 플레이트(182)는 케이스(181)의 개구를 밀폐하고 용접된다.
즉 5~6개의 피크를 가지는 멀티 싱글 빔(2)은 용융풀(melting pool)을 안정화시키고, 이로 인하여 고속 용접시, 키홀(Keyhole, KH)로부터 가스 및 불순물의 배출을 원활하게 한다. 이로 인하여, 용접부(183)는 캡 플레이트(182)의 외 표면보다 돌출되는 보강부(184)를 더 포함하고, 기공의 발생이 적으며, 용접 비드의 품질이 향상될 수 있다.
도 20은 도 19에서 용접부의 측면 이미지이고, 도 21은 도 19에서 용접부의 평면 이미지이며, 도 22는 도 21의 A-A 선에 따른 용접부의 단면 이미지이다.
도 18 내지 도 23을 참조하면, 용접부(184)의 용접심도(WD; welding depth)에서 케이스(181)의 외 표면에 이르는 제1거리(L1)와, 용접심도(WD)에서 캡 플레이트(182)의 외 표면에 이르는 제2거리(L2)를 설정하며, 제1거리(L1)는 제2거리(L2)보다 더 짧게(L1<L2) 형성된다. 이 길이 관계(L1<L2)는 캡 플레이트(182) 측에 보강부(184)의 용이한 형성을 가능하게 한다.
보강부(184)를 포함하는 용접부(183)는 캡 플레이트(182)에 나란한 방향으로 설정되는 폭(W)과, 케이스(181)에 나란한 방향으로 설정되는 높이(H)를 설정한다. 높이(H)에 대한 폭(W)의 비(W/H)는 0.5~2.0일 수 있다. 0.5 미만인 경우, 보강부(184)의 역할이 미미하고, 2.0초과인 경우, 용접 속도를 더 높일 수 있는데 속도를 낮춘 것이므로 생산성을 충분히 활용하지 못했다.
용접부(183)는 등축 눈물 형상 비드(Equiaxed Tear-shaped bead)를 포함한다. 비드는 용접부(183)의 전체 폭(W)에 대하여 폭 방향으로 폭(W)보다 작은 폭(W1)을 가진 비드(B3)를 복수로 형성한다. 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔(2)은 작은 폭(W1)을 가진 비드(B3)를 복수로 형성하게 된다.
보강부(184)는 캡 플레이트(182)의 외 표면보다 5㎛~200㎛ 더 돌출될 수 있다. 5㎛ 인 경우 보강부(184)의 역할이 미미하고, 200㎛ 초과인 경우, 용접 속도를 더 높일 수 있는데 속도를 낮춘 것이므로 생산성을 충분히 활용하지 못했다.
이상에서 설명한 것은 본 개시에 따른 전고체 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 개시는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 개시의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1: 싱글 모드의 싱글 빔 2: 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔
18: 이차 전지 21: 싱글부
22, 23, 24, 25, 26: 멀티부 31: 입사 파이버
41: 하우징 42: 조준 렌즈
43: 초점 렌즈 51: 출사 파이버
52: 전파 파이버 161: 회전 측정 팁
162: 편향 거울 163: 검출기
181: 케이스 182: 캡 플레이트
183: 용접부 184: 보강부
201, 202: 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔
203, 204: 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔
411: 입구 412: 출구
511: 억셉턴스 콘 b1: 가이드 된 빔
b2: 가이드 되지 않은 빔 B3: 비드
H: 높이 L1: 제1거리
L2: 제2거리 W: 폭
W1: 작은 폭 WD: 용접심도
θ1: 제1각 θ2: 제2각
θ3: 제3각

Claims (19)

  1. 싱글 모드의 싱글 빔을 입사하는 입사 파이버;
    상기 입사 파이버에 연결되는 하우징에 내장되어 상기 하우징의 입구로 입사되는 상기 싱글 빔을 통과시키면서 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 전환하여 평행하게 진행시키는 조준 렌즈(collimating lens);
    상기 하우징에 내장되어 상기 조준 렌즈를 경유한 상기 멀티 싱글 모드의 싱글 빔을 모아서 출구로 진행시키는 초점 렌즈(focusing lens); 및
    상기 하우징의 출구에 연결되어 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 출사하는 출사 파이버
    를 포함하며,
    상기 조준 렌즈 배율(fcoll)에 대한 상기 초점 렌즈 배율(ffoc)의 배율상수(magnification factor)는
    M = ffoc/fcoll 식으로 표시되고,
    상기 배율상수(M)는 1.2 내지 1.8인, 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조준 렌즈는 단수로 구비되고, 상기 초점 렌즈는 순차적으로 나란하게 복수로 구비되는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 출구와 상기 출사 파이버 사이에 구비되는 전파 파이버(propagation fiber)를 더 포함하여,
    입사되는 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔에서 설정된 각으로 가이드 된 빔과 가이드 되지 않은 빔을 선별하는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입사 파이버는
    제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 전송하고,
    상기 하우징은
    상기 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전환된 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 전송하는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 장치.
  6. 입사 파이버를 통하여 싱글 모드의 싱글 빔을 하우징의 입구로 입사하는 제1단계;
    상기 하우징에 내장된 조준 렌즈(collimating lens)를 통하여, 입사되는 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 전환하여 평행하게 진행시키는 제2단계;
    상기 하우징에 내장된 초점 렌즈를 통하여 상기 조준 렌즈를 경유한 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 모아서 출구로 출사하는 제3단계; 및
    출사 파이버를 통하여 상기 하우징의 출구에 연결되어 상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 출사하는 제4단계
    를 포함하며,
    상기 제3단계에서,
    상기 조준 렌즈 배율(fcoll)에 대한 상기 초점 렌즈 배율(ffoc)의 배율상수(M)는
    M = ffoc/fcoll) 식으로 표시하고,
    상기 배율상수(M)는 1.2 내지 1.8로 설정하는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1단계는
    제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 상기 싱글 모드의 싱글 빔을 전송하고,
    상기 제2단계는
    상기 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전환된 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 전송하는,
    싱글 모드의 싱글 빔으로 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 만드는 방법.
  9. 제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 만들어지며,
    제1굴절율을 가지는 물질을 통하여 싱글 모드의 싱글 빔을 전송하고, 상기 제1굴절율 보다 높은 제2굴절율을 가지는 물질을 통하여 전송되면서 멀티 싱글 모드가 감소되면서 위상차가 감소되고 균질한 밀도를 가지는 싱글부; 및
    상기 싱글부에 복수로 형성되는 멀티부
    를 포함하는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔.
  10. 제9항에 있어서,
    측면에서 볼 때, 상기 멀티부는
    복수의 피크(peak)와 골(valley)을 형성하는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔.
  11. 제10항에 있어서,
    평면에서 볼 때, 상기 멀티부는
    복수의 피크(peak)와 골(valley)에 의하여 스패클(Speckle) 모양을 형성하는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔.
  12. 3D 측정 실린더 내의 회전 측정 팁을 통하여, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만들어진 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 스캔하는 제1단계;
    편향 거울로 전송하여 광학 장치의 초점 범위에서 공간 출력 밀도 분포와 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔 형상을 측정하는 제2단계; 및
    멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔의 출력과 파장에 따라 구성된 검출기로 전송하는 제3단계
    를 포함하며,
    상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔은
    제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 만들어지는, 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1단계는
    개구 포인트를 가지는 회전 측정 팁을 통하는 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔을 측정하는 방법.
  14. 전극 조립체를 내장하는 케이스; 및
    상기 케이스의 개구를 밀폐하고 용접되는 캡 플레이트를 포함하며,
    상기 케이스와 상기 캡 플레이트는
    싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 빔으로 용접되어 용접부를 형성하며,
    상기 용접부는
    상기 캡 플레이트의 외 표면보다 돌출되는 보강부,
    를 더 포함하고,
    상기 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔은
    제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 만들어지는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 용접부의 용접심도에서 상기 케이스의 외 표면에 이르는 제1거리(L1)와,
    상기 용접심도에서 상기 캡 플레이트의 외 표면에 이르는 제2거리(L2)를 설정하며,
    상기 제1거리는 제2거리보다 더 짧게(L1<L2) 형성되는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보강부를 포함하는 상기 용접부는
    상기 캡 플레이트에 나란한 방향으로 설정되는 폭(W)과,
    상기 케이스에 나란한 방향으로 설정되는 높이(H)를 설정하며,
    상기 높이(H)에 대한 폭(W)의 비(W/H)는
    0.5~2.0인, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 용접부는
    등축 눈물 형상 비드(Equiaxed Tear-shaped bead)를 포함하는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 비드는
    상기 용접부의 전체 폭에 대하여 폭 방향으로 상기 폭보다 작은 폭을 가진 비드를 복수로 형성하는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 보강부는
    상기 캡 플레이트의 외 표면보다 5㎛~200㎛ 더 돌출되는, 싱글 모드의 싱글 빔으로 만든 멀티 싱글 모드의 멀티 싱글 빔으로 용접한 이차 전지.
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