JP2020518958A - リチウム金属負極構造体の製造方法およびリチウム金属負極構造体 - Google Patents

Abstract

本発明はリチウム金属負極構造体を製造する方法であって、（ａ）集電体の一面または両面にタブが形成される無地部を集電体の一側に含むようにリチウム金属層のコーティング部を形成して積層体を製造する工程；（ｂ）前記無地部とリチウム金属層のコーティング部の段差部に、光硬化性物質を塗布して硬化させるか、絶縁テープを付着する工程；および（ｃ）リチウム金属負極構造体を製造するために前記積層体を単位電極に打ち抜く工程；を含むリチウム金属負極構造体の製造方法およびリチウム金属負極構造体を提供する。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１７年１０月２７日付韓国特許出願第１０−２０１７−０１４１５０２号及び２０１８年９月５日付韓国特許出願第１０−２０１８−０１０５７４０号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれている。

本発明は、リチウム金属負極構造体の製造方法およびリチウム金属負極構造体に関する。

最近、エネルギー貯藏技術に対する関心が増々高まっている。携帯電話、ビデオカメラおよびノートブックＰＣ、さらには電気自動車のエネルギーまで適用分野の拡大に伴い、電気化学素子の研究および開発に対する努力が増々具体化されている。

電気化学素子は、このような側面から最も注目をあびている分野であり、その中でも充放電が可能な二次電池の開発は関心の焦点となっており、最近ではこのような電池を開発することにおいて容量密度および比エネルギーを向上させるために新たな電極と電池の設計に対する研究開発が進んでいる。

現在適用されている二次電池の中で１９９０年代の初めに開発されたリチウム二次電池は水性電解質を使用するＮｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｃｄ、硫酸−鉛電池などの従来型電池に比べて動作電圧が高く、かつエネルギー密度がはるかに大きい長所を有するため脚光を浴びている。

一般に、リチウム二次電池は、正極、負極および前記正極と前記負極との間に介在した分離膜を含む電極組立体が積層または巻き取りされた構造で電池ケースに内蔵され、その内部に非水電解液が注入されることによって構成される。

この時、前記負極として使われるリチウム金属は、密度（０．５４ｇ／ｃｍ^３）が低く、また、標準還元電位（−３．０４５Ｖ ＳＨＥ）が非常に低いため、高エネルギー密度電池用負極材料として最も脚光を浴びる材料である。また、化学的に活性が非常に高いため発生する問題にもかかわらず、最近移動通信および携帯用電子機器使用の持続的な増加および急速な発展に伴い高エネルギー密度の二次電池の開発に対する要求が引き続き増大しているので、リチウム金属負極使用に対する必要性が継続して台頭している。

この時、前記負極としてリチウム金属電極を用いる場合、一般に平面上の集電体上にリチウム箔を付着させることによって形成されたリチウム金属負極構造体が用いられてきた。

図１は従来の平面上の集電体上にリチウム箔を付着させて製造した負極構造体の平面図と垂直断面図を示す図面であり、図２はこのような負極構造体を製造する方法を模式的に示した図である。

図１および図２を参照すると、集電体の金属箔１１にリチウム金属１３が圧延または蒸着されたリチウム金属負極シート１０は、電極製造のための単位電極に打ち抜きされると同時に、集電体である金属箔１１もタブ１２を形成するために同時に切断される。

この時、リチウム金属１３は、軟らかい特性を有して打ち抜き金型にリチウム金属１３が残留物として残ったり、打ち抜き時に形成されるバリ（ｂｕｒｒ）形態の残留リチウム金属１４がリチウム金属負極に存在して安全性と工程性の阻害要因の問題になっている。

また、単位電極への打ち抜き時に集電体金属箔も切断されるべきであるため、集電体金属箔のみ切断されるタブ形成部と、リチウム金属と集電体金属箔が同時に切断される単位電極部との間の切断強度が異なり、打ち抜き金型の切断刀（ｋｎｉｆｅ）強度を考慮しなければならず、軟らかい特性のリチウム金属が金型の雄雌に挟まる問題も発生する。

このような問題を解決するために、従来にはこのようなリチウム金属電極シートの打ち抜き工程において、レーザー（ｌａｓｅｒ）打ち抜きを行うか、打ち抜き後にバリ形態の残留リチウム金属を扁平にするためのローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）等を行わなければならないので、コストおよび工程上非効率的な問題がある。

したがって、このような現工程を改善しながらも、前記問題を解決できるリチウム金属負極構造体に対する必要性が高い実情である。

本発明は、前記のような従来技術の問題と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

本出願の発明者らは、深い研究と多様な実験を重ねた結果、リチウム金属負極構造体の製造方法において、集電体の無地部とリチウム金属層のコーティング部の段差部に、光硬化性物質を塗布して硬化させるか、絶縁テープを付着させた後、電極打ち抜き工程を経る場合、従来の前記問題を解決できるだけでなく、このように製造されたリチウム金属負極構造体は、タブとリチウム金属層のコーティング部の段差部に光硬化性物質からなる絶縁層または絶縁テープを含むため、以後二次電池においてリチウム金属層がタブ上に露出することによる正極物質との短絡を防止できる追加的な効果も得ることができることを確認して本発明を完成するに至った。

このような目的を達成するための本発明のリチウム金属負極構造体の製造方法は、
（ａ）集電体の一面または両面にタブが形成される無地部を集電体の一側に含むようにリチウム金属層のコーティング部を形成して積層体を製造する工程；
（ｂ）前記無地部とリチウム金属層のコーティング部の段差部に、光硬化性物質を塗布して硬化させるか、絶縁テープを付着する工程；および
（ｃ）リチウム金属負極構造体を製造するために、前記積層体を単位電極に打ち抜く工程；
を含むことを特徴とする。

また、本発明による製造方法は、工程（ｃ）と同時に無地部を打ち抜いてタブを形成する工程を含むか、工程（ｃ）以後に（ｄ）無地部を打ち抜いてタブを形成する工程を含み得る。

すなわち、本出願の発明者らは、従来のリチウム金属の軟らかい性質のために集電体上にリチウム金属を圧延または蒸着してリチウム電極を製造する場合に発生し得る前記指摘した問題を解決するために深い研究を重ねた結果、打ち抜き前に集電体の無地部とリチウム金属層のコーティング部の段差部に光硬化性物質を形成したり絶縁テープを付着する場合、タブを形成するための打ち抜き工程で発生する従来の問題を解決できることを確認した。

この時、前記段差部は、集電体の無地部とリチウム金属層が形成されたコーティング部の境界線を基準として上下に垂直方向の幅が２ｍｍ〜５ｍｍである部位を意味する。すなわち、境界線を含みこれを基準として上下方向に２ｍｍ〜５ｍｍの幅を有する部分、詳細には２ｍｍ〜４ｍｍの幅を有する部分を意味する。

ここで、前記段差部に塗布、硬化する光硬化性物質は、限定されないが、詳細には紫外線によって架橋結合が行われる、すなわち、紫外線を照射して硬化させる紫外線硬化性物質であり得る。

前記紫外線硬化性物質は、前記物質で重合される１０ｃｐｓ〜１００ｃｐｓの粘度を有するオリゴマーまたは低分子量の重合体の形態で付加された後、紫外線を照射して硬化することもできる。

詳細には、前記オリゴマーまたは低分子量の重合体の粘度は、３０ｃｐｓ〜１００ｃｐｓ、さらに詳細には、５０ｃｐｓ〜１００ｃｐｓであり得る。

前記粘度は、ブルックフィールド粘度計により測定された粘度を意味し、ＨＡＡＫＥ社のｖｉｓｃｏ ｔｅｓｔｅｒ ５５０を用いた。

一般的な紫外線硬化性物質は、単量体（ｍｏｎｏｍｅｒ）またはオリゴマー（ｏｌｉｇｏｍｅｒ）からなっている粘度が低い液体状態の物質であるが、前記物質は前記範囲の粘度を有するオリゴマー、または低分子量の重合体形態で該当部位に注入されるので、塗布が容易でかつ塗布後にも流動が殆どなく最適な密封性向上の効果を得ることができる。

前記オリゴマーは、例えば、エポキシ系、ウレタン系、アクリレート系、シリコン系、ヒドロキシル系およびアクリル酸誘導体からなる群より選ばれる一つ以上であり得、前記低分子量の重合体は、不飽和ポリエステル系物質、およびポリアクリレート系物質からなる群より選ばれる一つ以上であり得、例えば、ポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレートまたはポリウレタンであり得るが、これに限定されるものではない。

詳細には、トリメチロールプロパントリアクリレート（ＴＭＰＴＡ：Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｌｐｒｏｐａｎｅ Ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ）、またはエトキシレーテッドトリメチロールプロパントリアクリレート（ＥＴＰＴＡ：ｅｔｈｏｘｙｌａｔｅｄ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｐｒｏｐａｎｅ ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ）のようなアクリレート系物質が挙げられる。

このような紫外線硬化性物質は、重合のために前記オリゴマーまたは低分子量の重合体が架橋剤、および光開始剤と混合された形態の混合物で塗布され得る。

前記架橋剤は、従来の公知された架橋剤を使用してもよく、限定されず、例えば、イソシアネート系化合物、エポキシ系化合物、アジリジン系化合物、３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート（ＴＭＳＰＡ：３−（ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌ）ｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｔｅ）のようなアクリレート系化合物および金属キレート系化合物からなる群より選ばれた１種以上であり得る。

前記光開始剤は、従来の公知された光開始剤を使用してもよく、限定されず、例えば、ベンゾフェノン、アセトフェノン、クロロアセトフェノン、ジエトキシアセトフェノン（Ｄｉｅｔｈｏｘｙ Ａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎｅ）（ＤＥＡＰ）、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾイン安息香酸、ベンゾイン安息香酸メチル、ベンゾインジメチルケタール、２，４−ジエチルチオキサントン、ベンジルジフェニルスルフィド、テトラメチルウラムモノスルフィド、アゾビスイソブチロニトリル、ベンジル、ジベンジ、ジアセチル、βクロロアントラキノン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタン−１｛２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１｝、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）−フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−１−プロパン−１−オン、フェニルビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキシド、１−フェニル−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパノン（１−ｐｈｅｎｙｌ−２−ｈｙｄｒｏｘｙ−２−ｍｅｔｈｙｌ ｐｒｏｐａｎｏｎｅ）（ＨＭＰＰ）、α−アミノアセトフェノン（α−Ａｍｉｎｏ Ａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎｅ）、チオキサントン（Ｔｈｉｏｘａｎｔｈｏｎｅ）および２−エチルアントラキノン（２−ｅｔｈｙｌ Ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ）（２−ＥＴＡＱ）からなる群より選ばれた１種以上であり得る。

場合によっては、前記紫外線硬化性物質が単量体として所定の増粘剤が添加された状態で該当部位に付加されることもできる。

このような物質の粘度を増加させる増粘剤は、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヒドロキシエチルセルロース（Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ポリビニルアルコール（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ）、ポリビニルアセテート（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌａｃｅｔａｔｅ）等であり得る。

このような前記粘度を有する紫外線硬化性物質は、段差部に付加された後３〜２０秒の範囲で紫外線（ＵＶ）が照射されて硬化することができる。

一方、前記段差部には光硬化性物質を塗布して硬化させる代わりに、より簡単な方法として、絶縁テープを付着させることもでき、この時、前記絶縁テープはポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、またはポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）素材であり得る。

このような前記光硬化性物質の塗布の厚さまたは絶縁性テープの厚さは、１０ｎｍ〜１μｍ、詳細には１００ｎｍ〜５００ｎｍであり得る。

前記範囲を逸脱して厚さが過度に厚い場合には、電極の打ち抜き工程およびタブ形成のための打ち抜き工程時に刀の強度を強くするなどによって打ち抜き工程が非効率的であり、過度に薄い場合には、本願発明が所望する十分な程度の効果を発揮できないため好ましくない。

一方、前記リチウム金属層が形成される集電体は、３〜２００μｍの厚さからなる。このような集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せず、かつ導電性を有する者であれば特に制限されるものではなく、例えば、銅、銅合金、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、銅やアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で表面処理したもの、アルミニウム−カドミニウム合金などが使用され得、詳細には、銅、銅合金、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケルが、さらに詳細には銅が使用され得る。集電体はそれの表面に微細な凹凸を形成して電極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。

また、前記リチウム金属層は、２０〜１５０μｍの厚さを有し得、さらに詳細には２０〜１００μｍであり得る。

前記範囲を逸脱して、リチウム金属層の厚さが過度に小さい場合には集電体に比べて活物質として作用するリチウム金属の量が小さいため、十分な容量を発揮できなく、過度に厚い場合には出力特性が劣るか、リチウム金属の軟らかい特性による問題を防止することが難しいため好ましくない。

一方、前記工程（ａ）において、集電体にリチウム金属層を形成する方法は限定されないが、リチウム金属を蒸着または圧延することによって行うことができ、詳細には、リチウム金属の軟らかい特性によって形態が変形されるなどの問題があるため、圧延によって形成されることができる。

ここで、前記圧延の大きさは、リチウム金属層の厚さなどを考慮して適切に選択することができる。

本発明はまた、このように製造されたリチウム金属負極構造体を提供し、前記リチウム金属負極構造体は、
集電体；
前記集電体から垂直に延びたタブ；および
前記タブを除いた集電体の一面または両面に形成されたリチウム金属層；
を含み、
前記タブとリチウム金属層の段差部に、光硬化性物質からなる絶縁層が形成されているか、または絶縁テープが付着していてもよい。

上記のようにリチウム金属負極構造体は、前記のような効果を達成するために単位電極への打ち抜き前にタブとリチウム金属層の段差部に絶縁層を形成するか、または絶縁テープを付着するため、電極の製造工程後に別途の追加工程なしに以後二次電池においてリチウム金属層がタブ上に露出することによる正極物質との短絡を防止できる追加的な効果を得ることができる。

したがって、本発明によるリチウム金属負極構造体は、バリ（ｂｕｒｒ）の発生を最小化するため、負極構造体に存在するバリ形態の残留リチウムによって発生し得る安全性の問題を解決できるだけでなく、リチウム金属層がタブ上に存在することによって以後正極物質と接触して発生し得る短絡、これによる局部的な熱発生および爆発なども防止できるため、電池の安全性の向上に非常に効果的である。

この時、前記タブは、集電体と一体に形成されていてもよい。すなわち、前記タブは前記で説明したようにリチウム金属層がコートされていない無地部を打ち抜いて形成され得る。

前記絶縁層または絶縁テープが形成されるタブとリチウム金属層の段差部は、前記製造方法で説明した内容と同様であり、前記絶縁層または絶縁テープは製造方法で形成されたものと同様であるため、その幅はリチウム金属層とタブの境界線を基準として垂直方向に２ｍｍ〜５ｍｍ、詳細には２ｍｍ〜４ｍｍであり得、その厚さは１０ｎｍ〜１μｍ、詳細には１００ｎｍ〜５００ｎｍであり得る。

ここで、厚さは、集電体とリチウム金属層の積層方向の長さを意味する。

また、前記絶縁層または絶縁テープは、単位電極への打ち抜き工程で共に切断されるので、その幅がタブの幅と同一であり得、または単位電極の外側方向に少し延びてタブの幅より１ｍｍ〜５ｍｍ範囲で所定の長さが長くてもよい。

一方、前記負極構造体は二次電池に用いられ、二次電池の具体的な構造は下記で説明する。

前記二次電池はそれの種類が特に限定されるものではないが、具体的な例として、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）二次電池、リチウムポリマー（Ｌｉ−ｐｏｌｙｍｅｒ）二次電池、またはリチウムイオンポリマー（Ｌｉ−ｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）二次電池などのようなリチウム二次電池であり得る。

一般に、リチウム二次電池は正極、負極、分離膜、およびリチウム塩含有非水電解液で構成されている。

前記正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材およびバインダーの混合物を塗布した後乾燥して製造され、必要に応じて前記混合物に充填剤をさらに添加する場合もある。

前記正極集電体および／または延長集電部は一般的に３〜５００マイクロメートルの厚さで作る。このような正極集電体および延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発せず、かつ高い導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、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、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で表面処理したもの等が使用され得る。正極集電体および延長集電部は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。

前記正極活物質はリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）等の層状化合物であるか１またはそれ以上の遷移金属に置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２等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等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であり、ｘ＝０．０１〜０．３である）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であり、ｘ＝０．０１〜０．１である）またはＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ，Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土金属イオンに置換されたＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などが挙げられるが、これらだけに限定されるものではない。

前記導電材は通常正極活物質を含む混合物全体の重量を基準として１〜３０重量％で添加される。このような導電材は当該電池に化学的変化を誘発せず、かつ導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；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、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウイスキー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが使用され得る。

前記バインダーは活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合に助力する成分として、通常正極活物質を含む混合物の全体重量を基準として１〜３０重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンテルポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。

前記充填剤は正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せず、かつ繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。

前記負極は以上で説明したように、集電体にリチウム金属層が形成されたリチウム金属負極からなる。

前記分離膜は、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が用いられる。分離膜の気孔直径は一般的に０．０１〜１０マイクロメートルであり、厚さは一般的に５〜３００マイクロメートルである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性および疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー；ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが用いられる。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。

前記電解液は、リチウム塩含有非水電解液であり得、非水電解液とリチウム塩からなっている。非水電解液としては非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用されるが、これらだけに限定されるものではない。

前記非水系有機溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ホルム酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒が使用され得る。

前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリアジテーションリジン（ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などが使用され得る。

前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２等のＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などが使用され得る。

前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解しやすい物質として、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、テトラフェニルほう酸リチウム、イミドなどが使用され得る。

また、非水電解液には充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、トリメチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グライム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されることもできる。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含み得、高温保存特性を向上させるために二酸化炭酸ガスをさらに含み得、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ：Ｆｌｕｏｒｏ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、プロペンスルトン（ＰＲＳ：Ｐｒｏｐｅｎｅ ｓｕｌｔｏｎｅ）等をさらに含み得る。

一つの具体的な例において、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２等のリチウム塩を、高誘電性溶媒であるＥＣまたはＰＣの環状カーボネートと低粘度溶媒であるＤＥＣ、ＤＭＣまたはＥＭＣの線状カーボネートの混合溶媒に添加してリチウム塩含有非水系電解質を製造することができる。

従来技術による負極構造体の模式図である。 図１の負極構造体を製造する工程に対する模式図である。 本発明の一つの実施例による負極構造体を製造する工程に対する模式図である。 従来の負極構造体を製造するための打ち抜き後の金型の写真である。 従来の負極構造体を製造するための打ち抜き後の負極構造体の写真である。 本発明の実施例１による負極構造体を製造するための打ち抜き後の負極構造体の写真である。 本発明のまた他の実施例２による負極構造体を製造するための打ち抜き後の負極構造体の写真である。

以下では本発明の実施例による図面を参照して説明するが、これは本発明の理解をより容易にするためであり、本発明の範疇はこれによって限定されるものではない。

本記載を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一又は類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付する。また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜上任意に示したため本記載は必ずしも示したところに限定されない。

図３には本発明の一つの実施例による負極構造体を製造する工程に対する模式図が示されている。

図３を参照すると、先に、集電体の一面または両面にリチウム金属層が形成されたコーティング部１３０と、リチウム金属層が形成されず、以後の打ち抜き工程によってタブが形成される無地部１１０を含むようにリチウム金属を塗布または圧延する。

以後、無地部１１０とリチウム金属層のコーティング部１３０の段差部に、光硬化性物質１４０を塗布して硬化するかまたは絶縁テープ１４０を付着して単位電極に打ち抜く工程を行って製造される。この時、リチウム金属負極構造体１００は電極製造のための単位電極に打ち抜かれると同時に、無地部１１０もタブ１２０を形成するために同時に打ち抜かれて製造される。

このようにリチウム金属負極構造体１００を製造する場合には、従来の問題であった打ち抜き工程に現れるリチウムバリ（ｂｕｒｒ）発生の問題を解決することができる。

さらにこのように製造されたリチウム金属負極構造体１００は、前記製造工程によって集電体から延びたタブ１２０とリチウム金属層のコーティング部１３０の段差部との間に光硬化性物質からなる絶縁層１４０が形成されているか、または絶縁テープ１４０が付着している構造を有する。

したがって、以後二次電池においてリチウム金属層のタブ上への露出による正極物質との短絡を防止することができる。

以下では、本発明による実施例を参照して説明するが、これは本発明の理解をより容易にするためであり、本発明の範疇はこれによって限定されるものではない。

＜比較例１＞
銅からなる集電体（厚さ：３０μｍ）上にタブの形成のための無地部が残るように一側を除いてリチウム金属を蒸着（厚さ：４０μｍ）して負極シートを製造した。

以後、単位電極で製造しながらタブを形成するための打ち抜き工程を実施した。打ち抜き工程後の金型写真と、前記単位電極の前面および後面の光学写真を図４および図５に示した。

図４を参照すると、金型にはリチウム金属のバリ発生によるリチウム金属の残余物が挟まっており、図５を参照すると、単位電極は後面写真からわかるように電極の外郭部分が押し出されて表面不良が発生していることを確認することができる。

＜実施例１＞
銅からなる集電体（厚さ：３０μｍ）上にタブの形成のための無地部が残るように一側を除いてリチウム金属を蒸着（厚さ：４０μｍ）して負極シートを製造し、リチウム金属が形成されたコーティング部と無地部の段差部に絶縁テープ（厚さ：５００ｎｍ）をテーピング（コーティング部と無地部の境界線を含んで幅：３ｍｍ、長さは後に形成されるタブの長さと同一にテーピング）した。

以後、単位電極で製造しながらタブを形成するための打ち抜き工程を実施した。打ち抜き工程後の単位電極の前面および後面の光学写真を図６に示した。

図６を参照すると、単位電極は後面写真からわかるように電極の外郭部分が押し出されることなく滑らかに打ち抜かれたこと確認することができる。

＜実施例２＞
銅からなる集電体（厚さ：３０μｍ）上にタブの形成のための無地部が残るように一側を除いてリチウム金属を蒸着（厚さ：４０μｍ）して負極シートを製造し、リチウム金属が形成されたコーティング部と無地部の段差部に、光硬化性物質としてエトキシレーテッドトリメチロールプロパントリアクリレート（ＥＴＰＴＡ：ｅｔｈｏｘｙｌａｔｅｄ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｐｒｏｐａｎｅ ｔｒｉａｃｒｙｌａｔｅ、粘度：６０ｃｐｓ）と架橋剤として３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート（ＴＭＳＰＡ：３−（ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌ）ｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｔｅ）、および光開始剤として２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン（２−ｈｙｄｒｏｘｙ−２−ｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐｉｏｐｈｅｎｏｎｅ）を重量比１０：０．５：０．５で混ぜた混合物を塗布（厚さ：５００ｎｍ、コーティング部と無地部の境界線を含んで幅：３ｍｍ、長さは後に形成されるタブの長さと同一に塗布）し、ＵＶ硬化方式で硬化させた。

以後、単位電極で製造しながらタブを形成するための打ち抜き工程を実施した。打ち抜き工程後の単位電極の前面および後面の光学写真を図７に示した。

図７を参照すると、単位電極は後面写真からわかるように電極の外郭部分が押し出されることなく滑らかに打ち抜かれたこと確認することができる。

＜実験例１＞
正極活物質として正極活物質（ＬｉＣｏＯ_２）９０重量％、Ｓｕｐｅｒ−Ｐ（導電材）５重量％、およびＰＶＤＦ（結着剤）５重量％組成の正極合剤を溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ：Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）に添加して正極スラリーを製造した後、アルミニウム集電体上にコートして正極を製造した。

前記比較例１および実施例１で製造された単位電極を負極として、前記正極、分離膜としてポリエチレン膜（Ｃｅｌｇａｒｄ、厚さ：２０μｍ）、およびエチレンカーボネート、ジメチレンカーボネート、ジエチルカーボネートが１：２：１で混合された溶媒にＬｉＰＦ_６が１Ｍで溶けている液体電解質を使用して二次電池を１０個ずつ製造した。

前記二次電池を２．５Ｖ〜４．３５Ｖ区間で１．０Ｃで１０サイクルの間充放電を行い短絡、発火が発生した電池の個数を測定して下記表１に示した。

前記表１からわかるように、本発明による負極を用いた二次電池の安全性がより高いことを確認することができる。

以上本発明による図面および実施例を参照して説明したが、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。

以上、説明したように、本発明によるリチウム金属負極構造体は、集電体の無地部とリチウム金属層のコーティング部の段差部に、光硬化性物質を塗布して硬化させるか、絶縁テープを付着して打ち抜く工程を行うことによって製造されるので、従来の問題である打ち抜き工程に現れるリチウムバリ（ｂｕｒｒ）発生の問題を解決することができるため、レーザー（ｌａｓｅｒ）打ち抜きを行うか、打ち抜き後にバリ形態の残留リチウム金属を扁平にするためのローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）等のような別途の工程を追加する必要もなく、コストおよび工程の側面から効率的である。

また、このように製造されたリチウム金属負極構造体は、タブとリチウム金属層のコーティング部の段差部に、前記工程による光硬化性物質からなる絶縁層または絶縁テープを含むため、以後二次電池においてリチウム金属層がタブ上に露出することによる正極物質との短絡を防止できるさらなる効果も得ることができる。

Claims (18)

1. リチウム金属負極構造体を製造する方法であって、
   （ａ）集電体の一面または両面に、タブが形成される無地部を集電体の一側に含むようにリチウム金属層のコーティング部を形成して積層体を製造する工程；
   （ｂ）前記無地部とリチウム金属層のコーティング部の段差部に、光硬化性物質を塗布して硬化させるか、絶縁テープを付着する工程；および
   （ｃ）リチウム金属負極構造体を製造するために前記積層体を単位電極に打ち抜く工程；
   を含む、リチウム金属負極構造体の製造方法。
2. 前記工程（ｃ）と同時に無地部を打ち抜いてタブを形成する工程を含む、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
3. 前記工程（ｃ）以後に、
   （ｄ）無地部を打ち抜いてタブを形成する工程を含む、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
4. 前記段差部は、集電体の無地部とリチウム金属層が形成されたコーティング部の境界線を基準として上下に垂直方向の幅が２ｍｍ〜５ｍｍの部位である、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
5. 前記光硬化性物質は、紫外線硬化性物質であり、紫外線を照射して硬化させる、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
6. 前記紫外線硬化性物質は、１０ｃｐｓ〜１００ｃｐｓの粘度を有するオリゴマーまたは低分子量の重合体の形態で付加された後、紫外線を照射して硬化する、請求項５に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
7. 前記オリゴマーは、エポキシ系、ウレタン系、アクリレート系、シリコン系、ヒドロキシル系、およびアクリル酸誘導体からなる群より選ばれる一つ以上であり、低分子量の重合体は、不飽和ポリエステル系物質、およびポリアクリレート系物質からなる群より選ばれる一つ以上である、請求項５に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
8. 前記光硬化性物質の塗布の厚さまたは絶縁性テープの厚さは、１０ｎｍ〜１μｍである、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
9. 前記集電体は、銅、銅合金、ステンレススチール、アルミニウム、またはニッケルである、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
10. 前記リチウム金属層は、
    ２０〜１００μｍの厚さを有する、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
11. 前記工程（ａ）は、集電体にリチウム金属を蒸着または圧延して行われる、請求項１に記載のリチウム金属負極構造体の製造方法。
12. 集電体；
    前記集電体から垂直に延びたタブ；および
    前記タブを除いた集電体の一面または両面に形成されたリチウム金属層；
    を含み、
    前記タブとリチウム金属層の段差部に、光硬化性物質からなる絶縁層が形成されているか、または絶縁テープが付着している、リチウム金属負極構造体。
13. 前記タブは、集電体と一体に形成されている、請求項１２に記載のリチウム金属負極構造体。
14. 前記絶縁層または絶縁テープは、リチウム金属層の端部とタブの端部を覆う形態で形成されている、請求項１２に記載のリチウム金属負極構造体。
15. 前記絶縁層または絶縁テープの幅は、リチウム金属層とタブの境界線を基準として垂直方向に２ｍｍ〜５ｍｍである、請求項１２に記載のリチウム金属負極構造体。
16. 前記絶縁層または絶縁テープの幅は、タブの幅と同じである、請求項１２に記載のリチウム金属負極構造体。
17. 前記絶縁層または絶縁テープの厚さは、１０ｎｍ〜１μｍである、請求項１２に記載のリチウム金属負極構造体。
18. 請求項１２によるリチウム金属負極構造体を含む、二次電池。