JP2018537807A - 電気化学素子用電極及びそれを含む電気化学素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、製造が容易であり、且つ、保管時の損傷発生が少ない電極及びその製造方法に関する。本発明による電極は、金属集電体及び電極合剤を含み、前記集電体は幅を有する周縁部を除いた残り部分が陥没して形成されたリセスを有し、前記電極合剤は前記リセスに埋め込まれていることを特徴とする。

Description

本発明は、電気化学素子用電極及びそれを含む電気化学素子に関し、より詳しくは、製造が容易であり、且つ、保管時の損傷発生が少ない電極及びその製造方法に関する。

本出願は、２０１５年１２月１５日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−０１７９３６３号及び２０１６年７月７日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−００８６３６９号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加と共に、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に伸びている。かかる二次電池のうち、高いエネルギー密度と電圧を有し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池が商用化され、幅広く使用されている。

また、近年、環境問題に対する関心が増大するにつれて、大気汚染の主な原因の１つであるガソリン車両、ディーゼル車両など化石燃料を使用する車両に代替可能な電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの研究が多大に行われている。電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの動力源としては主にニッケル水素金属（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池が使用されているが、高いエネルギー密度、高い放電電圧及び出力安定性を有するリチウム二次電池に対する研究も活発に行われており、一部は商用化されている。

このようなリチウム二次電池の電極は、一般に金属材質の電極集電体の上面に電極活物質を含む電極スラリーを塗布し、圧着／乾燥して製造する。図１は従来使用される電極１０の断面を示した図であるが、平面状の集電体１１の上面に電極合剤がコーティングされた電極活物質層１２が備えられている。通常電極は、他の電極や分離膜と積層したとき、積層面が扁平になって離隔しないように、平面状に製造する必要がある。しかし、電極活物質は半固形であるスラリー状態で集電体の上面に塗布されるため、平坦且つ均一な塗布が容易ではなく、前記スラリーを加熱圧着して電極を製造するとき、スラリーに含まれた電極活物質が脱離する問題がある。また、乾燥が完了した後にも、保管時の不注意により、電極が砕けて活物質が脱離するなどの損傷が生じ得、このような損傷は電極の側面や周縁部分でさらに悪くなる恐れがある。

そこで、製造が容易であり、且つ、保管時の損傷発生が少ない電極及びその製造方法が求められている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、製造が容易であり、且つ、保管時の損傷発生が少ない電極及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、厚さ調節が容易な電極の製造方法を提供することを目的とする。本発明の他の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現できることを分かるであろう。

本発明は、上記の技術的課題を解決するための電気化学素子用電極を提供する。

本発明の第１態様によれば、前記電極は金属集電体及び電極合剤を含み、前記集電体は幅を有する周縁部を除いた残り部分が陥没して形成されたリセス（ｒｅｃｅｓｓ）を有し、前記電極合剤は前記リセスに埋め込まれ、前記電極合剤の表面にはパターンが形成されている。

本発明の第２態様によれば、前記第１態様において、前記電極が正極または負極である。

本発明の第３態様によれば、前記第１態様または第２態様において、前記リセスの集電体平面に対する垂直断面が四角形、三角形または半円形である。

本発明の第４態様によれば、前記第１態様〜第３態様のうちいずれか１つにおいて、前記電極合剤は下面と側面が集電体で囲まれ、上面が開放されている。

本発明の第５態様によれば、前記第１態様〜第４態様のうちいずれか１つにおいて、前記リセスは集電体平面に対する垂直断面が四角形であり、前記リセスの深さと電極合剤の高さとが同一である。

本発明の第６態様によれば、前記第１態様〜第５態様のうちいずれか１つにおいて、前記パターンは電極合剤の表面に１つまたは２つ以上の溝が形成されているものである。

本発明の第７態様によれば、前記第６態様において、前記溝は連続または不連続線形の凹状溝及び／または表面から深さｈを有するように形成された凹状ピンホールである。

本発明の第８態様によれば、前記第５態様において、前記リセスはその内側に４つの側面及び前記側面が連結された下面を含み、前記４つの側面及び下面のうち少なくとも１つには内側に突出した凸部が形成されている。

本発明の第９態様によれば、前記第８態様において、前記凸部はドットパターンまたはストライプパターンで構成される。

また、本発明は、前記第１態様〜第９態様のうちいずれか１つによる電極組立体を提供する。前記電極組立体は、正極、負極及び前記正極と負極との間に介在される分離膜を含み、前記正極及び／または負極は上述した第１態様〜第９態様のうちいずれか１つによるものである。

本発明の第１１態様によれば、前記第１０態様において、前記負極及び／または正極は電極の開放面が分離膜と対面する。

また、本発明は、電気化学素子を提供する。本発明の第１２態様によれば、前記電気化学素子は１つ以上の電極を含む電池モジュール及び多数の電池モジュールを含む電池パックからなる群より選択されるいずれか１つであり、前記１つ以上の電極のうち少なくとも１つは第１態様〜第９態様のうちいずれか１つによるものである。

また、本発明は、電気化学素子用電極を製造する方法を提供する。本発明の第１３側面によれば、前記方法は、（Ｓ１０）集電体用金属板を用意する段階；（Ｓ２０）前記集電体用金属板を金型処理してリセスを形成する段階；及び（Ｓ３０）前記（Ｓ２０）で形成されたリセスに電極合剤を埋め込む段階を含む。

本発明の第１４態様によれば、前記第１３態様において、前記金型処理は前記金属板を圧着機で圧着することで行われる。

本発明の第１５態様によれば、前記第１４態様において、前記圧着機の圧着深さ調節を通じて電極の厚さが調節される。

本発明の第１６態様によれば、前記第１３態様において、前記（Ｓ３０）は、（Ｓ３１）電極合剤用スラリーを用意する段階；（Ｓ３２）（Ｓ３１）で用意したスラリーをリセスに埋め込む段階；（Ｓ３３）一側面にパターンが形成された金型を埋め込まれたスラリーの表面に配置する段階；（Ｓ３４）金型が配置された状態のスラリーを乾燥する段階；及び（Ｓ３５）乾燥した電極合剤から前記金型を除去する段階を含み、前記（Ｓ３３）段階でパターンが形成された金型の一側面はスラリーの表面と接するように配置される。

本発明による電極は、電極活物質層の側面部が集電体によって囲まれているため、電極の側面や周縁部分における電極の損傷が減少する効果がある。

また、本発明による電極の製造方法は、電極の形状や厚さの調節が容易である。特に、電極表面に凹凸など所定のパターンを形成する場合、電極スラリーを乾燥する前、対応するパターンが刻まれた金型（モールド）を用いて容易にパターンを形成することができる。このように電極表面にパターンを形成するために乾燥した電極に無理に熱や圧力を加えなくても良いため、電極の劣化が防止される。さらに、本発明による電極は、集電体と電極活物質層とが対面するイオン面積が増加するため、伝導度が増加する効果がある。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

従来使用される電極の断面を示した概略図である。 本発明の具体的な一実施態様による電極を示した概略図である。 従来使用される電極における電子の移動を示した図である。 本発明による電極における電子の移動を示した図である。 本発明の具体的な一実施態様による電極において、表面にパターンが形成されている様子を示した図である。 本発明の具体的な一実施態様による電極において、表面にパターンが形成されている様子を示した図である。 本発明の具体的な一実施態様による表面にパターンが形成されている電極において、リチウムイオンの移動が平板型電極に比べて円滑に行われている様子を示した図である。 本発明による電極を用いて製作された電極組立体を示した図である。 図７のＡ−Ａ’矢視図である。 本発明による電極を製造する方法を示した概略図である。 本発明による電極を製造する方法を示した概略図である。 本発明による電極を製造する方法を示した概略図である。 本発明による電極を製造する方法を示した概略図である。 本発明による電極を製造する方法を示した概略図である。 本発明の具体的な一実施態様による表面パターンを有する電極を製造する方法を示した概略図である。 本発明の具体的な一実施態様による電極集電体の下面の形態を示した概略図である。 本発明の具体的な一実施態様による電極集電体の下面の形態を示した概略図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の構成及び作用を詳しく説明する。本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

本発明において、電極組立体は負極／分離膜／正極が順次積層されてなる積層構造体である。前記電極組立体は負極、分離膜及び正極がそれぞれ１つ以上含まれたものである。

また、本発明において、単位セルまたは単位電池は上述した電極組立体及び電解質を含むものであって、充放電など電気化学反応が可能な最小単位である。

また、本発明において、電池、電池モジュール及び／または電池パックは前記単位セルまたは単位電池を１つ以上含む電気化学素子を意味する。

また、本発明において、電気化学素子は上述した電極、電極組立体、単位セル及び電池、電池モジュール及び電池パックを全て包括的に含むものである。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明は、二次電池など電気化学素子用電極、前記電極を含む電極組立体、前記電極及び／または電極組立体を含む電気化学素子に関する。また、本発明は、前記電極を製造する方法に関する。本発明の具体的な一実施態様において、前記電極は電気自動車（ＥＶ）用二次電池及び／または電力貯蔵システム（ＥＳＳ）用二次電池（ＥＳＳ）に適用され得る。または、前記電極は２，４００ｍＡｈ以上の容量を有する高容量電極であり得る。

本発明において、前記電極は集電体及び電極合剤を含む。ここで、前記電極は負極または／及び正極を指称する。

前記集電体は、所定幅を有する周縁部分と、前記周縁部分を除いた残り部分が陥没して形成されたリセスとが一体に形成されたものであり、前記電極合剤は前記リセスに埋め込まれている。本発明の具体的な一実施態様において、前記集電体は被埋込物を収納できるように空いている空間が形成された器形状であり、前記器の入口の周りに所定幅を有する周縁が形成されているものである。

図２は、本発明の具体的な一実施態様による電極１００の形状を例示的に示した図である。以下、図２を参照して本発明の電極について具体的に説明する。

図２を参照すれば、本発明による集電体１１０には所定の深さを有するように陥没したリセスが形成されている。前記リセスは多様な形状で形成することができる。本発明の具体的な一実施態様において、前記リセスは、例えば集電体平面に対する垂直断面が四角形、三角形または半円形であり得るが、これに限定されることはない。図２にはリセスの形状として一面、特に上面が開放された六面体を例示したが、これは本発明の具体的な一実施態様の１つであって発明の理解を助けるためのものに過ぎず、これに限定されることはない。

一方、前記集電体は、前記リセスから延長して所定の幅を有する周縁部分を含む。前記周縁部分は、電池を製造するとき、適切に打ち抜かれて電極タブとして提供されるか、または、別途の電極タブが連結される部分として提供され得る。

本発明による電極は、電極合剤１２０がリセスに埋め込まれているため、電極保管の際、電極活物質の脱離が防止され、特に電極の周縁部分で電極合剤が砕けて損傷されることの発生頻度が著しく低減する効果がある。本明細書の全体において、用語「電極合剤」は「電極活物質層」と混用され得、同じ対象を指称する。

また、本発明による電極は、電極活物質層の下面部と側面部とが集電体で囲まれ、上面部が開放されている。本発明の具体的な一実施態様において、前記電極合剤の高さは前記リセスの深さと同一であることが望ましい。それにより、図１のような通常的な形状の電極に比べて集電体と電極活物質との接触面積が増加する効果がある。

参考までに、本願の実施例に関する説明のうち、方向や位置に関連する用語（上面部、下面部、側面部など）は図面に示されている各構成の配置状態を基準に設定したものである。例えば、図１の場合は、上側が上面部、下側が下面部、上面部と下面部との間の連結された部分が側面部などになり得る。ただし、本願の実施例の多様な実際適用においては、上下左右側面が反対になるなど多様な方向に配置され得ることは言うまでもない。

図３は従来使用される通常の形態の電極における電子の移動を図式化したものであり、図４は本発明による電極における電子の移動を図式化したものである。図３の電極では電極活物質層が下面部のみ集電体と対面している一方、図４の電極では電極活物質層の側面部まで集電体と対面している。したがって、電極活物質層の下面部の面積が同一であれば、本発明の電極は側面部の面積ほど電子伝導が向上する効果がある。

また、本発明は、負極、正極及び前記負極と正極との間に介在された分離膜を含む電極組立体を提供する。前記電極組立体において、前記正極及び負極のうち少なくとも１つ以上は本発明による特徴を有する電極であり得る。本発明の具体的な一実施態様において、前記電極組立体は負極及び正極が共に本発明による電極であり得る。

一方、本発明の具体的な一実施態様において、前記電極は表面に所定のパターンを有し得る。

前記パターンは、電極の表面積を広げて反応性を高めることができ、Ｌｉイオンが電極表面から電極内部に移動する距離が短くなってイオン伝導度が改善される効果がある。また、前記パターンは、電極と分離膜との間に電解液が流動可能な流動路を提供できるため、前記パターンによって電解液の含浸性を増加させることができる。

図５ａ及び図５ｂは、本発明の具体的な一実施態様によるパターン１４０が形成された電極を示した図である。これらを参照すれば、前記パターンは電極の表面から所定の深さｈを有するように凹んだ溝の形態に形成することができる。前記溝は連続または不連続線形の溝状に形成され、このような溝は１つまたは２つ以上形成され得る。また、前記溝は相互平行に形成され得、相互交差するように形成されても良い。前記パターンの断面は、図５に示されたように、三角形または逆三角形であり、外にも四角形、半円形、Ｕ字形、逆台形などであり得るが、特にこれらに限定されることはない。

また、他の具体的な実施態様によれば、前記パターンは所定の深さｈを有するように形成された凹状ピンホールの形態であり、前記ピンホールは電極面積に応じて適切な個数を形成し得る。

図６は、パターン形成によってＬｉイオンの電極内部への移動距離が短縮することを示した概略図である。

図７は、本発明による電極組立体２００を示した図であり、正極１１ａ及び負極１１０ｂ共に本発明による電極である。図８は図７のＡ−Ａ’矢視図であり、負極及び正極の電極活物質が露出した開放部がそれぞれ分離膜と対面している。

一方、本発明の具体的な一実施態様によれば、前記リセスは側面部及び／または下面部のうち少なくとも１つの表面にリセスの内側に突出した凸部１１１を形成することができる。前記凸部は、例えばドットパターンまたは／及びストライプパターンであり得るが、特にこれらに限定されることはない。このようにリセスの表面に凸部をさらに形成することで、集電体の表面積がさらに増大する効果がある。図１１ａ及び図１１ｂは、本発明の具体的な一実施態様で集電体１１０ｄのうちリセスの下面の一部が突出するように凸部１１１が形成された例を示した概略図である。

また、本発明は本発明による電極を製造する方法を提供する。

本発明において、前記電極を製造する方法は、（Ｓ１０）集電体用金属板を用意する段階、（Ｓ２０）前記集電体用金属板を金型処理してリセスを形成する段階、及び（Ｓ３０）前記（Ｓ２０）で形成されたリセスに電極合剤を埋め込む段階を含む。

本発明の具体的な一実施態様において、前記金型処理は、例えば前記金属板を所定の形状を有する圧着機で圧着することで行われる。このとき、前記圧着機の形状は所望の電極の形状に対応するように形成され得る。

図９ａ〜図９ｅは、本発明による電極の製造方法を示した概略図である。これを参照すれば、まず、集電体用金属板１１０ｃを用意し、それを圧着機３００の下部に配置する（図９ａ）。このとき、前記金属板は支持台（図示せず）によって支持され、前記支持台は集電体の圧着機の形状に対応する形状であり得る。

次に、前記金属板を圧着機で圧着してリセスを形成する（図９ｂ）。このとき、前記金属板及び／または圧着機は適切な温度に加熱され得る。前記圧着時の圧着深さによって電極の高さが決定される。したがって、前記圧着深さを調節する方式で電極の高さを調節することができる。電極の高さを集電体のリセスの高さで調節する方式を用いることで、通常の電極製造方式に比べて電極の高さ調節が容易であり、従来電極製造においてスラリーを圧着するときに発生した電極活物質の脱離のような問題を防止することができる。上述した方法によって集電体にリセスが形成されれば、圧着機を除去し（図９ｃ及び図９ｄ）、前記リセスに電極合剤を埋め込んで電極を製造する（図９ｅ）。

前記電極合剤を埋め込んだ後、電極合剤の上面を適切な圧着機を使用して圧着することができ、このとき合剤を所定の温度に加熱することで、合剤に含まれたバインダーを電極活物質と堅固に結着することができる。

一方、前記電極合剤を圧着する場合、リセスの側面部が合剤を支持する役割を果たせるため、電極合剤を圧着するとき電極活物質が脱離せず、電極容量が低下する問題を防止することができる。

また、本発明の具体的な一実施態様によれば、前記（Ｓ３０）段階の実行中に電極表面にパターンを形成することができる。図１０は、本発明の具体的な一実施態様によって表面にパターンが形成された電極を製造する方法を概略的に示した図である。これを参照して電極の表面にパターンを形成する方法を説明する。

まず、電極合剤用スラリー１２０ｓを用意し（Ｓ３１）、前記スラリーを集電体に形成されたリセスに投入する（Ｓ３２）。投入されたスラリーの表面を扁平にした後、前記電極スラリーの表面に所定のパターンが形成された金型１７０を配置する（Ｓ３３）。本発明の具体的な一実施態様によれば、前記金型は電極に形成しようとするパターンに対応する凸パターンが備えられた板状のフレームを使用することができる。前記金型の凸パターンが未乾燥スラリー上に置かれるため、常圧条件でもスラリーに対応する凹パターンが形成される。次いで、金型を配置した状態でスラリーを乾燥した後（Ｓ３４）、前記金型を除去する（Ｓ３５）。一方、未乾燥スラリー１２０ｓは流動性があるため、金型を除去する場合、パターンが形成されないことがある。したがって、金型を除去しても形成されたパターンが維持できる程度にスラリーが固化して電極合剤１２０になるまでは金型を除去しないことが望ましい。

通常、電極表面にパターンを形成するため、乾燥した電極表面を加熱条件でパターンが形成された加圧部材で加圧する。この場合、乾燥した電極活物質層が加圧によって砕けて形態が変形することがあり、加えられた温度によって電極活物質が劣化する問題がある。一方、本発明のパターン形成方法では、乾燥前のスラリーに金型を配置して乾燥させる方法を適用するため、上述したような形態の損傷や電極活物質の劣化のような短所が解消される。また、平板型電極集電体を使用する場合、流動性のある電極スラリーに金型でパターンを形成すれば、電極スラリーの形態が固定されない問題がある。しかし、本発明では電極集電体に形成されたリセスが未乾燥スラリーが流動しないように形態を固定しているため、金型フレームを用いたパターン形成が容易である。

本発明の具体的な一実施態様において、前記集電体は正極集電体または負極集電体であり得る。前記集電体は当該電池に電気化学的変化を誘発せず、安定的なものであれば特に限定されない。集電体が腐食すれば、電池サイクルが繰り返されることで集電能力を十分発揮できないため、電池の寿命を短縮することになる。前記集電体としては、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅またはステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀で表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金、導電材で表面処理した非伝導性高分子、または伝導性高分子を使用して製造されたものが望ましい。

前記電極合剤層は、電極活物質とバインダー高分子とを含む混合物であり、前記混合物には追加的に導電材など電極の性能に役立つ成分をさらに含み得る。前記電極活物質は負極活物質または正極活物質であり、製造目的に応じた電極の極性に従う。

前記電極が正極である場合、前記電極活物質は正極活物質であり、例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）またはリチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物、１またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ここで、ｘは０〜０．３３）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ、ｘ＝０．０１〜０．３）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ、ｘ＝０．０１〜０．１）またはＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉ一部がアルカリ土金属イオンで置換されたＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３、ＬｉＮｉ_ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（０．０１≦ｘ≦０．６）などを使用することができる。

また、本発明の具体的な一実施態様において、前記負極活物質は、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、炭素繊維、難黒鉛化性炭素、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭などの炭素及び黒鉛材料；リチウムと合金可能なＡｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｉなどの金属及びこのような元素を含む化合物；金属及びその化合物と炭素及び黒鉛材料との複合物；リチウム含有窒化物などが挙げられる。そのうち、炭素系物質が望ましく、その非制限的な例として、前記炭素系物質は黒鉛系炭素、コークス系炭素及びハードカーボンからなる群より選択された１つ以上であり得る。

前記電極が正極または負極の場合、前記導電材は、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、ＶＧＣＦなどの炭素系物質；銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維などの金属系物質；ポリフェニレン誘導体などの導電性ポリマー；またはこれらの混合物を含む。

前記電極が正極または負極の場合、前記バインダー高分子は、正極活物質粒子同士または負極活物質粒子同士を互いに十分結着させ、また負極活物質を電流集電体に十分付着させる役割をする。前記バインダー高分子は、具体的にポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリビニルクロライド、カルボキシル化されたポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、エチレンオキサイドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリル化されたスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどが挙げられるが、これらに限定されない。

前記分離膜は、通常電気化学素子用分離膜の素材として使用可能なものであれば特に制限なく使用可能である。このような分離膜としては、例えば、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーチレンナフタレートのような高分子樹脂のうち少なくともどの１つで形成された多孔性高分子フィルムまたは不織布を使用することができる。また、本発明の具体的な一実施態様において、分離膜は２種以上の相異なる基材が順次積層された積層分離膜であり得る。

また、本発明は、前記電極組立体を含む電気化学素子を提供する。前記電気化学素子は電極組立体に電解液を注液して製造することができる。

前記電解液は、非水溶媒及びリチウム塩を含む。本発明において、前記非水溶媒は、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、及び非プロトン性溶媒から選択された１種以上を追加的に含むことができる。前記カーボネート溶媒としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）などを使用でき、前記エステル系溶媒としては、メチルアセテート、エチルアセテート、ｎ−プロピルアセテート、ジメチルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、デカノライド（ｄｅｃａｎｏｌｉｄｅ）、バレロラクトン、メバロノラクトン（ｍｅｖａｌｏｎｏｌａｃｔｏｎｅ）、カプロラクトン（ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）などを使用することができる。前記エーテル系溶媒としては、ジブチルエーテル、テトラグリム、ジグリム、ジメトキシエタン、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどを使用でき、前記ケトン系溶媒としては、シクロヘキサノンなどを使用することができる。また、前記アルコール系溶媒としては、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどを使用でき、前記非プロトン性溶媒としては、Ｒ−ＣＮ（Ｒは炭素数２〜２０の直鎖状、分岐状、または環状構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含み得る）などのニトリル類、ジメチルホルムアミドなどのアミド類、１，３−ジオキソランなどのジオキソラン類、スルホラン（ｓｕｌｆｏｌａｎｅ）類などを使用することができる。

前記リチウム塩は、有機溶媒に溶解され、電池内でリチウムイオンの供給源として作用して基本的なリチウム二次電池の作動を可能にし、正極と負極との間のリチウムイオンの移動を促進する役割をする物質である。本発明において、前記リチウム塩は電解液中に０．１モル／リットル〜２モル／リットルの濃度で含まれる。前記リチウム塩は、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＮ（ＳＯ_３Ｃ_２Ｆ_５）_２、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＮ（Ｃ_ｘＦ_２ｘ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｙＦ_２ｙ＋１ＳＯ_２）（ここで、ｘ及びｙは自然数）、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ及びＬｉＢ（Ｃ_２Ｏ_４）_２（リチウムビスオキサレートボレート（ｌｉｔｈｉｕｍ ｂｉｓ（ｏｘａｌａｔｏ）ｂｏｒａｔｅ；ＬｉＢＯＢ）からなる群より選択される１つまたは２つ以上をさらに含むことができる。

本明細書に説明されていないその他の電池素子については、電気化学素子分野、特にリチウム二次電池分野で通常使用される素子が使用され得る。

また、本発明において、前記電気化学素子は電気化学反応をするすべての素子を含み、具体的な例として、あらゆる種類の一次電池、二次電池、燃料電池、太陽電池またはスーパーキャパシタ素子のようなキャパシタなどが挙げられる。具体的に、前記二次電池はリチウム金属二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池などを含むリチウム二次電池である。

以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

１００ 電極
１１０ 集電体
１２０ 電極合剤

Claims (16)

1. 金属集電体及び電極合剤を含み、
   前記集電体は幅を有する周縁部を除いた残り部分が陥没して形成されたリセスを有し、前記電極合剤は前記リセスに埋め込まれ、前記電極合剤の表面にはパターンが形成されていることを特徴とする電気化学素子用電極。
2. 前記電極は、正極または負極である請求項１に記載の電気化学素子用電極。
3. 前記リセスは、集電体平面に対する垂直断面が四角形、三角形または半円形である請求項１に記載の電気化学素子用電極。
4. 前記電極合剤は、下面と側面が集電体で囲まれ、上面が開放されている請求項１に記載の電気化学素子用電極。
5. 前記リセスは、集電体平面に対する垂直断面が四角形であり、前記リセスの深さと電極合剤の高さとが同一である請求項１に記載の電気化学素子用電極。
6. 前記パターンは、電極合剤の表面に１つまたは２つ以上の溝が形成されている請求項１に記載の電気化学素子用電極。
7. 前記溝は、連続または不連続線形の凹状溝及び／または表面から深さｈを有するように形成された凹状ピンホールである請求項６に記載の電気化学素子用電極。
8. 前記リセスは、その内側に４つの側面及び前記側面が連結された下面を含み、前記４つの側面及び下面のうち少なくとも１つには内側に突出した凸部が形成されている請求項５に記載の電気化学素子用電極。
9. 前記凸部は、ドットパターンまたはストライプパターンで構成される請求項８に記載の電気化学素子用電極。
10. 正極、負極及び前記正極と負極との間に介在される分離膜を含み、
    前記正極及び／または負極は、請求項１〜請求項９のうちいずれか１項に記載のものである電極組立体。
11. 前記負極及び／または正極は、電極の開放面が分離膜と対面する請求項１０に記載の電極組立体。
12. １つ以上の電極を含む電池モジュール及び多数の電池モジュールを含む電池パックからなる群より選択されるいずれか１つであり、前記１つ以上の電極のうち少なくとも１つは請求項１〜請求項９のうちいずれか１項に記載のものである電気化学素子。
13. （Ｓ１０）集電体用金属板を用意する段階；
    （Ｓ２０）前記集電体用金属板を金型処理してリセスを形成する段階；及び
    （Ｓ３０）前記（Ｓ２０）で形成されたリセスに電極合剤を埋め込む段階を含む電気化学素子用電極を製造する方法。
14. 前記金型処理は、前記金属板を圧着機で圧着することで行われる請求項１３に記載の電気化学素子用電極を製造する方法。
15. 前記圧着機の圧着深さ調節を通じて電極の厚さが調節される請求項１４に記載の電気化学素子用電極を製造する方法。
16. 前記（Ｓ３０）は下記段階を含み、下記（Ｓ３３）段階でパターンが形成された金型の一側面はスラリーの表面と接するように配置される請求項１３に記載の電気化学素子用電極を製造する方法。
    （Ｓ３１）電極合剤用スラリーを用意する段階；
    （Ｓ３２）（Ｓ３１）で用意したスラリーをリセスに埋め込む段階；
    （Ｓ３３）一側面にパターンが形成された金型を埋め込まれたスラリーの表面に配置する段階；
    （Ｓ３４）金型が配置された状態のスラリーを乾燥する段階；及び
    （Ｓ３５）乾燥した電極合剤から前記金型を除去する段階。

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