JP7376686B2 - バインダー層が形成された電極及びその製造方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０２０年０６月２５日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００７７５５７号に基づく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全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。

本発明は、バインダー層が形成された電極およびその製造方法に関するものであって、詳細には、電極活物質層の両端部の下部にバインダー層が形成された電極およびその製造方法に関するものである。

最近、充放電が可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として、広く使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても注目を浴びている。したがって、二次電池を使用するアプリケーションの種類は、二次電池の長所により非常に多様化しており、今後には今よりも多くの分野と製品に二次電池が適用されると予想される。

このような二次電池は、電極と電解液の構成によって、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などに分類されることもあり、そのうち電解液の漏液の可能性が少なく、製造が容易なリチウムイオンポリマー電池の使用量が増えている。通常、二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池および角形電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。そして、電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極、負極、及び上記正極と上記負極との間に介在された分離膜の構造からなって充放電が可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったジェリーロール型と、所定のサイズの多数の正極と負極を分離膜に介在した状態で順次に積層したスタック型とに分類される。

このうち、電池の高容量化によりケースの大面積化及び薄い素材への加工が多くの関心を集めており、これにより、スタック型又はスタック／折り畳み型の電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費、小さな重量、容易な形態変形等を理由に、使用量が徐々に増加している。

図１は、従来の電極製造工程を示した模式図である。

図１を参照すると、従来の電極製造方法においては、集電体（１）上に電極活物質を含む電極スラリーを塗布して電極活物質層（２）を形成し、それを乾燥及び圧延した後にノッチングして電極が製造されていた。しかし、このように電極を製造する場合、電極スラリーが塗布された集電体をノッチングするときに、ノッチングされる部分に活物質が脱離する問題が発生することになる。特に、最近になって、エネルギー密度の向上のために電極活物質のローディング量が増加するにつれて相対的にバインダーの含有量が減少する傾向であり、これにより、ノッチング時に電極活物質が脱離する程度が増加し得る。併せて、乾燥時にバインダーが電極の表面に移動する現象は、電極活物質の脱離を促進させる。しかし、このような現象を防止するために電極スラリー中のバインダー含有量を増加させると、エネルギー密度が減少するという問題がある。

したがって、このような問題を解決するための技術開発が必要であるのが実情である。

本発明は、電極の製造工程及び電極の使用過程でバインダーの含有量を増加させることなく、電極活物質が集電体から脱離されることを防止し得る電極及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態において、本発明に係る電極は、一側端部に電極タブが形成された集電体上に電極活物質層が形成された構造であり、上記集電体と電極活物質層との間にバインダー層が形成され、且つ上記バインダー層は、電極活物質層の両端部に形成される。

本発明の一実施形態において、上記バインダー層は、バインダー層の重量を基準にして、バインダーを６０～９０重量％、導電材を１０～４０重量％を含む。

本発明の一実施形態において、上記バインダー層の厚さは電極活物質層の厚さの１～３０％である。

このとき、上記集電体の両端部で、電極活物質層とバインダー層の厚さの合計は、バインダー層が形成されない部分の電極活物質層の厚さと同じである。

本発明の一実施形態において、上記集電体の一端部に形成されたバインダー層の幅は、電極活物質層の幅の５～２０％である。

また、本発明は、上述したような電極を含む二次電池を提供する。

併せて、本発明は、上述したような電極の製造方法を提供する。本発明に係る電極の製造方法は、集電体上にバインダーを含むバインダー組成物を２列に塗布してバインダー層を形成するステップと、上記バインダー層を完全に覆い、且つバインダー層がコーティング幅方向を基準にして活物質層の両側端部に位置するように、上記バインダー層が形成された集電体上に電極活物質を含む電極スラリーを塗布して電極活物質層を形成するステップと、バインダー層および電極活物質層が形成された集電体を乾燥するステップと、乾燥された集電体をノッチングして一側端部に電極タブが形成された電極を形成するステップとを含む。

上記バインダー層を形成するステップにおいて、上記２列に形成されたバインダー層のうちのいずれか一つの幅は他の一つの幅よりも小さい。

上記バインダー層を形成するステップにおいて、集電体の幅方向を基準にして、上記２列に形成されたバインダー層の外側にそれぞれ、無地部が形成される。

上記電極を形成するステップにおいて、上記電極タブは上記無地部のうちのいずれか一つに形成される。

このとき、上記電極タブは、２列に形成されたバインダー層のうち、幅が小さいバインダー層に隣接するように形成され得る。

一方、上記電極を形成するステップにおいて、上記集電体は、上記２列に形成されたバインダー層のうち、幅が大きい一方のバインダー層の幅が他方のバインダー層の幅と同一になるようにノッチングされる。

本発明の一実施形態において、上記バインダー層を形成するステップおよび活物質層を形成するステップは、１つのスロットダイによって同時に行われる。

本発明の他の実施形態において、上記バインダー層を形成するステップおよび活物質層を形成するステップは、２つのスロットダイによって連続的に行われる。

また、本発明は、上述したような電極の製造方法を含む二次電池の製造方法を含む。

本発明に係る電極は、集電体の両端部に集電体と電極活物質層との間に形成されたバインダー層を設けることにより、電極活物質の脱離を防止することができ、これにより発生し得る低電圧という問題を予防し得る。

併せて、本発明に係る電極の製造方法は、電極活物質を含む電極スラリーを塗布する前に、塗布される電極スラリーの両端部に該当する位置に予めバインダー組成物を塗布することにより、集電体のノッチング過程中に活物質が集電体から脱離されることを防止し得る。

従来の電極製造工程を示した模式図である。 本発明の一実施形態に係る電極の構造を示した模式図である。 本発明に係る電極の製造方法の手順を示したフローチャートである。 本発明に係る電極の製造方法において、集電体上にバインダー組成物が塗布された形状を示した模式図である。 本発明に係る電極の製造方法において、バインダー組成物が塗布された集電体上に電極活物質を含む電極スラリーが塗布された形状を示した模式図である。 本発明に係る電極の製造方法において、バインダー組成物及び電極スラリーが塗布された集電体をノッチングする工程を示した模式図である。 本発明の一実施形態に係る電極の製造方法において、バインダー組成物及び電極スラリーを塗布する工程を示した模式図である。 本発明の一実施形態に係る電極の製造方法で用いられるスロットダイの構造を示した模式図である。 本発明に係る電極の製造方法に用いられるスロットダイに挿入されるシム部材の形状を示した模式図である。 本発明の他の実施形態に係る製造方法において、バインダー組成物および電極スラリーを塗布する工程を示した模式図である。 本発明の他の実施形態に係る電極の製造方法で使用されるスロットダイの構造を示した模式図である。

以下、本発明について詳細に説明する。その前に、本明細書および特許請求の範囲で使用された用語または単語は、通常的、あるいは辞書的な意味に限定して解釈されてはならならず、発明者が彼自身の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し得るという原則に基づいて、本発明の技術的思想に合致する意味と概念として解釈されるべきである。

本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、本明細書上に記載の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはそれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはそれらを組み合わせたモノの存在または付加可能性を予め排除しないこととして理解されるべきである。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上に」あるとする場合、これは他の部分の「真上」にある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。逆に、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「下に」あるとする場合、これは他の部分の「真下に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。また、本出願において「上に」配置されるとすることは、上部のみならず下部に配置される場合も含むことであり得る。

以下、本発明について詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る電極の構造を示した模式図である。

図２を参照すると、本発明による電極（１００）は、一側端部に電極タブ（１１１）が形成された集電体（１１０）上に電極活物質層（１２０）が形成された構造であり、上記集電体（１１０）と、電極活物質層（１２０）の間にはバインダー層（１３０）が形成され、且つ上記バインダー層（１３０）は電極活物質層（１２０）の両端部に形成される。

本発明の明細書において、電極活物質層とは、電極スラリーが集電体上に塗布されて形成された層を意味する。そして、バインダー層とは、バインダーを含むバインダー組成物が集電体上に塗布されて形成された層を意味する。

このとき、バインダー層（１３０）および電極活物質層（１２０）は、集電体（１１０）の一面または両面に形成され得る。図２を参照すると、図２の（ａ）は集電体（１１０）の一面にバインダー層（１３０）及び電極活物質層（１２０）が形成された電極を図示したものであり、図２の（ｂ）は集電体（１１０）の両面にバインダー層（１３０）および電極活物質層（１２０）が形成された電極を図示したものである。

上述したように、電極製造方法においては、集電体上に電極活物質を含む電極スラリーを塗布し、それを乾燥および圧延した後、ノッチングして電極が製造されるにつれて、ノッチング時に電極活物質が脱離されるという問題があった。また、電極の使用過程で電極の端部が軽く摩耗されながら、活物質が脱離され得るという問題があった。

これにより、電極活物質層（１２０）と集電体（１１０）との間にバインダー層（１３０）を形成することにより、電極の製造過程及び使用過程で活物質層の集電体に対する結着力を強化し、活物質が集電体から脱離されることを防ぐことができる。これにより、電池の製造および使用過程でサイクル特性のような電池性能が低下することを防止し得る。

また、本発明は、集電体の全面ではなく集電体の一部のみにバインダー層を形成するが、この場合、バインダー層が電気的な抵抗として作用して、電極活物質層と集電体の間の導電性が低下することを防止し得る。本発明に係る電極は、電極活物質層の両端部のみにバインダー層を形成することにより、電極活物質層と集電体の間の導電性を最大限に確保して、電池の性能を向上させることができる。

以下、本発明による電極について詳細に説明する。

本発明に係る電極において、集電体は、導電性の良好な金属からなる導電性部材が使用され得る。当該電池に化学的変化を誘発させずに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い。上記電極が正極である場合、正極集電体は、ステンレス鋼、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鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用され得る。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。正極集電体は一般的に３～５００μｍの厚さで作られ得る。

負極集電体の場合、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム－カドミウム合金などが使用され得る。負極集電体も一般的に３～５００μｍの厚さで作られ得る。

一方、電極活物質層は、電極活物質、導電材およびバインダーを含むことができる。上記電極活物質は、正極活物質および負極活物質であり得るが、正極活物質はリチウム含有酸化物であってもよく、同じであるか異なっていてもよい。上記リチウム含有酸化物としては、リチウム含有遷移金属酸化物をが使用され得る。

例えば、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、Ｌｉ_ｘＣｏＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘ（Ｎｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃ）Ｏ_２（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｌｉ_ｘＮｉ_１－ｙＣｏ_ｙＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｙ＜１）、Ｌｉ_ｘＣｏ_１－ｙＭｎ_ｙＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３、０≦ｙ＜１）、Ｌｉ_ｘＮｉ_１－ｙＭｎ_ｙＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３、Ｏ≦ｙ＜１）、Ｌｉ_ｘ（Ｎｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃ）Ｏ_４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ａ＜２、０＜ｂ＜２、０＜ｃ＜２、ａ＋ｂ＋ｃ＝２）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２－ｚＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｚ＜２）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２－ｚＣｏ_ｚＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｚ＜２）、Ｌｉ_ｘＣｏＰＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３）及びＬｉ_ｘＦｅＰＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３）からなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらのうち２種以上の混合物であり得る。そして、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、アルミニウム（Ａｌ）などの金属や金属酸化物でコーティングされることもあり得る。また、上記リチウム含有遷移金属酸化物の他に硫化物（ｓｕｌｆｉｄｅ）、セレン化物（ｓｅｌｅｎｉｄｅ）及びハロゲン化物（ｈａｌｉｄｅ）のうちの１種以上が使用され得る。

負極活物質としては、炭素材、リチウム金属、ケイ素またはスズなどを含み得る。負極活物質として炭素材が使用される場合、低結晶性炭素および高結晶性炭素などがすべて用いられる。低結晶性炭素としては、軟質炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）と硬質炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）が代表的であり、 高結晶性炭素としては、天然黒鉛、キッシュ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、液晶ピッチ系炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素微小球体（ｍｅｓｏｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、液晶ピッチ（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）、石油又は石炭系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｏｒｃｏａｌ ｔａｒｐｉｔｃｈ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）などの高温焼成炭素が代表的である。

上記導電材は、通常、正極活物質を含んだ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に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い。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ィスカー、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。

上記バインダーは、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であって、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。

上記バインダーは、有機溶剤に対して可溶性、水に対して非可溶性を帯びる非水溶性ポリマー、または有機溶剤に対して不溶性、水に対して可溶性を帯びる水溶性ポリマーを使用することができる。非水溶性ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリエチレンオキシド‐プロピレンオキシド共重合体（ＰＥＯ‐ＰＰＯ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリレートおよびその誘導体を含む群から選択される１種以上であり得る。

水溶性ポリマーとしては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）、酢酸フタル酸セルロース（ＣＡＰ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート（ＨＰＭＣＰ）など多様なセルロース誘導体を含む群から選択された１種以上であり得る。

一方、上記バインダー層は、バインダーおよび導電材を含むことができる。上記バインダー及び導電材は、上述したような活物質に用いられる導電材及びバインダーを用いることができ、互いに同様の種類を用いることもでき、互いに異なる種類を使用することも可能である。

上記バインダー層は、バインダー層の重量を基準として、バインダーを６０～９０重量％含むことができ、詳細にはバインダーを７０～８０重量％含むことができる。これにより、導電材は、バインダー層の重量を基準にして、１０～４０重量％含むことができ、詳細には２０～３０重量％を含むことができる。上記バインダー及び導電材の含有量が上記範囲であると、電極活物質層と集電体との間の結着力を高めながらも、電極内部抵抗の増加を最小化し得る。バインダーの含有量が６０重量％未満であり、導電材の含有量が４０重量％を超えると、バインダー含有量が少なくて電極活物質が脱離し得る。一方、バインダーの含有量が９０％を超え、導電材の含有量が１０％未満の場合、導電材の含有量が少なくて、バインダー層に起因する電極内部抵抗が増加し得る。

図２を参照すると、上記バインダー層（１３０）の厚さ（ｈ_２）は、電極活物質層（１２０）の厚さ（ｈ_１）の１～３０％であってもよく、詳細には１～２０％、より詳細には１～１０％であってもよい。ここで、電極活物質層（１２０）の厚さ（ｈ_１）とは、集電体（１１０）と直接接している電極活物質層（１２０）の厚さを意味する。これは、バインダー層（１３０）の体積を最小化し、電極活物質層（１２０）の体積を最大化して電極の容量を最大限に確保するためである。バインダー層（１３０）の厚さが電極活物質層（１２０）の厚さの１％未満である場合、バインダー層（１３０）の体積が過度に小さくなるので、活物質の脱離を防止することが難しくなりえる。そして、バインダー層（１３０）の厚さが電極活物質層（１２０）の厚さの３０％を超える場合、電極活物質層（１２０）の表面にバインダー層（１３０）の厚さ程度に形成される段差が大きくなるので、電極組立体の製造時の体積が大きくなって好ましくない。また、後述するように電極活物質層（１２０）の厚さを調節して電極活物質層（１２０）の上面を平坦にする場合、バインダー層（１３０）の厚さが厚すぎると、バインダー層（１３０）の体積程度に電極活物質層（１２０）の体積が減少するので、電極の容量が減少するという問題がある。

すなわち、本発明に係る電極において、上記集電体（１１０）の両端部で電極活物質層（１２０）とバインダー層（１３０）の厚さの合計は、バインダー層（１３０）が形成されない部分の電極活物質層（１２０）の厚さと同じである。上述したように、これは、電極活物質層（１２０）の厚さを調整して電極活物質層（１２０）の上面を平坦にすることにより、段差が形成されるのを防止するためである。バインダー層（１３０）に起因して電極活物質層（１２０）の上面に段差が形成される場合、電極組立体の製造時に段差によって分離膜と電極との間に空間が形成され得る。そして電極組立体の体積が増加し得る。

また、図２を参照すると、上記集電体の一端部に形成されたバインダー層（１３０）の幅（ｄ_２）は、電極活物質層（１２０）の幅（ｄ_１）の５～２０％であってもよく、詳細には５～１０％の範囲であってもよい。このとき幅方向とは、電極スラリー及びバインダー層のコーティング時にコーティングが進行する方向（集電体の移送方向、以下コーティング方向と記す）に垂直な方向を意味する。幅方向は、電極タブが引出される方向に該当する。

バインダー層（１３０）の幅が上記範囲の未満である場合、電極の製造および使用時に端部の活物質脱離の防止が困難であり得る。バインダー層（１３０）の幅が上記範囲を超えると、電極活物質層（１２０）が集電体（１１０）と直接に相接する面積が減少し得る。そして、バインダー層（１３０）の体積程度の電極活物質層（１２０）の体積が減少するので、電極の容量が減少し得るという問題がある。

本発明は、上述したような電極を含む二次電池を提供する。

上記二次電池は、電池ケースの内部に正極、分離膜および負極が交番して積層された構造の電極組立体が受容された構造である。このとき、正極または負極の少なくとも一つは、活物質層の両端部にバインダー層が形成された構造である。また、上記電極組立体は、正極、負極及び上記正極及び上記負極の間に介在されている分離膜を含む構造であれば特に制限されず、例えば、ジェリーロール型、スタック型又はスタック／折り畳み型等であってもよい。

上記電池ケースは、電池を包装するための外装材として使用されるものであれば特に制限されず、円筒形、角形またはパウチ型を用いることができる。詳細には、上記電池セルはパウチ型電池セルであってもよい。パウチ型電池セルの場合、電池ケースは、通常、アルミニウムラミネートシートからなっており、電極組立体を受容し得る空間を提供し、全体的にパウチ形状を有している。パウチ型二次電池は、電池ケースの受容部に電極組立体を内蔵し、電解液を注入した後、電池ケースの上部パウチと下部パウチとが接する外周面とを熱融着してシーリング部を形成する過程を通じて製造される。その他パウチ型電池に関する内容は、当業者に公知されたものであるので、詳細な説明を省略する。

また、本発明は、上述したような電極を製造するための方法を提供する。

図３は、本発明に係る電極の製造方法の手順を示したフローチャートである。

図３を参照すると、本発明に係る電極の製造方法は、集電体上にバインダーを含むバインダー組成物を２列に塗布してバインダー層を形成するステップ（Ｓ１０）と、上記バインダー組成物を完全に覆い、且つバインダー組成物がコーティング幅方向を基準として電極活物質層の両側端部に位置するように、上記集電体上に電極活物質を含む電極スラリーを塗布して電極活物質層を形成するステップ（Ｓ２０）と、バインダー層および電極活物質層が形成された集電体を乾燥するステップ（Ｓ３０）と、乾燥された集電体をノッチングして一側端部に電極タブが形成された電極を形成するステップ（Ｓ４０）とを含む。

すなわち、本発明に係る電極の製造方法は、電極活物質を含む電極スラリーを塗布する前に、塗布される電極スラリーの両端部に該当する位置に予めバインダー組成物を塗布することによって、集電体のノッチング過程中に活物質が集電体から脱離することを防止することができるのである。

図４は、本発明に係る電極の製造方法において、集電体上にバインダー組成物が塗布された形状を示した模式図であり、図５は、本発明に係る電極の製造方法において、バインダー組成物が塗布された集電体上に電極活物質を含む電極スラリーが塗布された形状を示した模式図である。図６は、本発明に係る電極の製造方法において、電極スラリーが塗布された集電体をノッチングする工程を示した模式図である。

図４～図６を参照すると、本発明に係る電極の製造方法において、まず、集電体（１１０）上にバインダー及び導電材を含むバインダー組成物が塗布されることにより、バインダー層（１３０）が形成される。バインダーおよび導電材に対しては、上述した通りである。上記バインダー組成物は、バインダー及び導電材をＮ‐メチルピロリドン（ＮＭＰ）のような溶剤に分散させてペースト状態に製造された後、それを塗布装置を介して塗布して形成する。バインダー層（１３０）は、所定の間隔をおいて離隔された形態であり、例えば、２列に塗布され得る。

一例において、上記２列に形成されたバインダー層（１３０）のうちの何れか一つの幅は、他の一つの幅よりも短くなるように形成され得る。このとき、幅が相対的に小さいバインダー層の幅は、最終的に製造される電極に形成されるバインダー層の幅と同じに形成することが好ましい。これは、後述するように幅が小さいバインダー組成物に隣接するように、電極タブが形成されなければならないためである。逆に、幅が相対的に大きくなるように形成されるバインダー層の幅は、最終的に製造される電極に形成されるバインダー層の幅よりも大きく形成される。幅が相対的に大きくなるように形成されるバインダー層は、ノッチング過程で最終的に製造される電極に形成しようとするバインダー層の幅となるようにカッティングされる。これは、ノッチング過程で、集電体上に形成されたバインダー層の部分を直接カッティングすることによって、バインダー組成物の上部にある電極スラリーから電極活物質が脱離されることを防止するためである。

このとき、集電体（１１０）の幅方向を基準として、上記２列に形成されたバインダー層（１３０）の外側にはそれぞれ、無地部（１４０）が形成され得るように、上記バインダー層（１３０）は幅方向を基準として集電体（１１０）の縁部から一定の部分が離隔されたどころに２列に形成される。これは、後述するように、後のノッチング過程で電極タブ（１１１）を形成するためである。

集電体（１１０）上にバインダー層（１３０）が形成されると、電極スラリー（１２１）が集電体上に塗布されることによって電極活物質層（１２０）が形成される。電極活物質層（１２０）は、バインダー層（１３０）と同様に、電極活物質、バインダー、導電材などを溶媒に分散させてペースト形態に製造された電極スラリーを塗布することによって形成される。このとき、電極活物質層（１２０）は上記バインダー層（１３０）を完全に覆うように塗布される。これにより、バインダー層（１３０）は電極活物質層（１２０）の両端部で、電極活物質層（１２０）と集電体との間に位置することになる。

電極活物質層（１２０）が形成されると、それを乾燥させて溶媒を除去した後に、圧延して適切な厚さになるようにすることができる。

電極を形成するステップにおいて、乾燥された集電体（１１０）は、ノッチング過程を通じて一側に電極タブ（１１１）が形成された単位電極（Ａ）として製造され得る。

このとき、上記電極タブ（１１１）は、幅方向を基準にして２列に形成されたバインダー層（１３０）の外側に形成された無地部（１４０）のうちのいずれか一つに形成され得る。

そのなかでも、上記電極タブ（１１１）は、例えば、２列に形成されたバインダー層（１３０）のうちの幅が小さいバインダー層に隣接するように形成され得る。

併せて、上記電極を形成するステップにおいて、上記集電体は、２列に形成されたバインダー層（１３０）のうち、幅が大きいバインダー層が他の一つの幅と同じになるようにノッチングされ得る。これにより、図２のように電極活物質層（１２０）の両端部にバインダー層（１３０）が同じ幅に形成された電極を得ることができる。

ノッチング過程で２列に形成されたバインダー層（１３０）は、幅が互いに等しくなるようにノッチングされてもよいが、具現しようとする電極の性能に応じてバインダー層（１３０）の幅を互いに異なるようにしてもよい。

一方、上記バインダー層を形成するステップおよび活物質層を形成するステップは、例えば、スロットダイコーティング法によって行い得る。

図７は、本発明の一実施形態に係る電極の製造方法において、バインダー組成物及び電極スラリーを塗布する工程を示した模式図であり、図８は、本発明の一実施形態に係る電極の製造方法で用いられるスロットダイの構造を示した模式図である。図９は、本発明に係る電極の製造方法に用いられるスロットダイに挿入されるシム部材の形状を示した模式図である。

図７～図８を参照すると、上記バインダー層を形成するステップ及び活物質層を形成するステップは、１つのスロットダイによって同時に行うことができる。

このとき、上記スロットダイ（２００）は、バインダー組成物（１３１）及び電極スラリー（１２１）を同時に吐出し得るように、２つの吐出口（２５０）が形成されている構造である。

スロットダイ（２００）に２つの吐出口（２５０）が形成されていると、そのスロットダイ（２００）の形状に特に制限はないが、例えば、上記スロットダイ（２００）は上部ダイ（２１０）、中間ダイ（２２０）および下部ダイ（２３０）が順次に締結された構造であり、上部ダイ（２１０）と中間ダイ（２２０）との間の界面には、上記電極スラリー（１２１）が吐出される第１吐出口（２５１）が形成され、上記中間ダイ（２２０）と上記下部ダイ（２３０）との間の界面には、上記バインダー組成物（１３１）が吐出される第２吐出口（２５２）が形成される構造であり得る。上記上部ダイ（２１０）、中間ダイ（２２０）および下部ダイ（２３０）は、例えば、ボルト締結を通じて結合することができる。

また、本発明では、集電体（１１０）上にバインダー組成物（１３１）が先に塗布され、その後すぐに電極スラリー（１２１）がコーティングされ得るように、バインダー組成物（１３１）が吐出される第２吐出口（２５２）が電極スラリー（１２１）の吐出される第１吐出口２５１よりも集電体の移送方向を基準として上流地点に位置する必要がある。

また、図７を参照すると、スロットダイ（２００）は集電体（１１０）の一面に位置して、吐出口（２５０）を通じてバインダー組成物（１３１）および電極スラリー（１２１）を吐出することになる。スロットダイ（２００）と隣接した集電体（１１０）の反対面には、コンベア（３００）が形成されており、上記コンベア（３００）は集電体（１１０）を移送し、集電体（１１０）に電極スラリー及びバインダー組成物がコーティングされるように集電体（１１０）を支持する役割を果たす。

上記電極スラリーおよびバインダー組成物は、それを構成する原料がそれぞれ、攪拌されて形成された後、シーブやフィルタなどを通じてフィルタリングされて分散度を高めた後、スロットダイ（２００）に移送される。スロットダイ（２００）に移送された電極スラリー及びバインダー組成物は、スラリー供給管（図示せず）及び供給されたスラリーが一時的に貯蔵されるマニホールド（図示せず）を経由して吐出口（２５０）に移送され、吐出口（２５０）から吐出されることによって、集電体（１１０）上に塗布される。このとき、バインダー組成物（１３１）は集電体（１１０）の上面に塗布されてバインダー層（１３０）を形成し、電極スラリー（１２１）はバインダー層（１３０）の上面に塗布されて電極活物質層（１３０）を形成する。

上記集電体（１１０）はコンベア（３００）によって連続的に移送される。バインダー層（１３０）および電極活物質層（１２０）が形成された集電体は、その後に乾燥機（図示せず）に移送され、その後に圧延ロール（図示せず）を経て圧着された後、ノッチング過程を経て電極に製造される。

一方、図８および図９を参照すると、上記第１吐出口（２５１）および第２吐出口（２５２）を形成するために、各ダイの間には、シム部材（２４０）を介在され得る。具体的に、上部ダイ（２１０）と中間ダイ（２２０）との間には第１シム部材（２４１）が介在され、中間ダイ（２２０）と下部ダイ（２３０）との間には第２シム部材（２４２）が介在され得る。

上記第１シム部材（２４１）は、上記上部ダイ（２１０）と中間ダイ（２２０）の内面と同じサイズのプレート上にマニホールドと連通する中空を含み、一側面は開放されて電極スラリーが吐出され得る開口を形成する。上記開口部分はスロットダイ組立時に吐出口として作用する。

上記第２シム部材（２４２）は、中間ダイ（２２０）と下部ダイ（２３０）の内面と同じサイズのプレート上にマニホールドと連通される中空を含み、一側面が開放されてバインダー組成物が吐出され得る開口を形成する。上記開口部分はスロットダイ組立時に吐出口として作用する。

一方、上記第１シム部材（２４１）及び第２シム部材（２４２）はダイの間に介在されて吐出口（２５０）を形成するので、第１シム部材（２４１）及び第２シム部材（２４２）の形状は塗布しようとするパターンに応じて、その形状が調整される必要がある。

具体的に、第１シム部材（２４１）に形成された中空は、集電体の中心部に電極スラリーを塗布するようにマニホールドと同じ形状からなっているが、第２シム部材（２４２）に形成された中空は電極スラリーの両側端部に該当する位置にバインダー組成物を塗布するように、中間に隔壁が形成されている。また、バインダー組成物は、集電体上に幅が互いに異なるように２列に塗布される。そのため、第２シム部材（２４２）において隔壁で分けられた中空のうちの何れか一つの幅は、他の一つの幅よりも小さくなるように形成され得る。

また、上記シム部材の厚さは、塗布される物質の厚さを決定するので、電極スラリーの吐出と関連される第１シム部材（２４１）の厚さは、バインダー組成物の吐出と関連された第２シム部材（２４２）の厚さよりも大きくてもよい。

また、上述したように、電極の表面に段差が形成されることを防止するために、集電体の両端部での電極活物質層とバインダー層との厚さの合計が、バインダー層が形成されない部分の電極活物質層の厚さと同じくなるように、電極活物質層の厚さをバインダー層の厚さほど小さくすることができる。この場合、吐出口の幅方向端部の厚さを中央部分の厚さより塗布されるバインダー組成物の厚さほど小さくすることによって、電極スラリー（１２１）の両端部の厚さを減少させることができる。

上述のように、上記バインダー組成物を塗布するステップおよび電極スラリーを形成するステップは、１つのスロットダイによって同時に行われてもよいが、２つのスロットダイによって連続的に行われてもよい。

図１０は、本発明の他の実施形態に係る製造方法において、バインダー組成物及び電極スラリーを塗布する工程を示した模式図であり、図１１は、本発明の他の実施形態に係る電極の製造方法で用いられるスロットダイの構造を示した模式図である。

図１０を参照すると、スロットダイ（４００）は、電極スラリー（１２１）を吐出する第１スロットダイ（４１０）およびバインダー組成物（１３１）を吐出する第２スロットダイ（４２０）で構成される。具体的に、第２スロットダイ（４２０）はコーティング進行方向の上流に位置し、集電体（１１０）の上面にバインダー組成物（１３１）を先に塗布する。続いて、第２スロットダイ（４２０）より下流方向に位置する第１スロットダイ（４１０）が、上記バインダー組成物（１３１）が塗布された集電体（１１０）に電極スラリー（１２１）を塗布して集電体（１１０）上にバインダー層（１３０）および電極活物質層（１２０）を形成する。

また、上記集電体（１１０）はコンベア（３００）によって支持及び移送されることができ、バインダー組成物（１３１）及び電極スラリー（１２１）が塗布された集電体は乾燥機（図示せず）及び圧延ロール（図示せず）を経て順次的に乾燥および圧着され、続いてノッチングされて電極に製造される。

図１１を参照すると、第１スロットダイ（４１０）および第２スロットダイ（４２０）はそれぞれ、電極スラリーおよびバインダー組成物を吐出し得る別途の吐出口を備える。第１スロットダイ（４１０）は、上部ダイ（４１１）と下部ダイ（４１２）とで構成され、上部ダイ（４１１）と下部ダイ（４１２）との間に第１シム部材（２４１）が介在されて電極スラリー（１２１）が吐出され得る吐出口を形成する。同様に、第２スロットダイ（４２０）は、上部ダイ（４２１）と下部ダイ（４２２）とで構成され、上部ダイ（４２１）と下部ダイ（４２２）との間に第２シム部材（２４２）が介在されてバインダー組成物（１３１）が吐出され得る吐出口を形成する。第１シム部材および第２シム部材に関する内容は、上述した通りである。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された図面は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものである。そして、このような図面によって本発明の技術思想の範囲が限定されることではない。本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。

なお、本明細書で、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語が用いられているが、このような用語は説明の便宜のためのものであって、対象となる物体の位置や観測者の位置などによって異なり得ることは自明である。

１００： 電極
１、１１０： 集電体
２、１２０： 電極活物質層
１１１： 電極タブ
１２１： 電極スラリー
１３０： バインダー層
１３１： バインダー組成物
１４０： 無地部
２００、４００： スロットダイ
２１０、４１１、４２１： 上部ダイ
２２０： 中間ダイ
２３０、４１２、４２２： 下部ダイ
２４０： シム部材
２４１： 第１シム部材
２４２： 第２シム部材
２５０： 吐出口
２５１： 第１吐出口
２５２： 第２吐出口
３００： コンベア
４１０： 第１スロットダイ
４２０： 第２スロットダイ

Claims (15)

1. 一側端部に電極タブが形成された集電体上に電極活物質層が形成され、
   前記集電体と前記電極活物質層との間にバインダー層が形成され、
   前記バインダー層は前記電極活物質層の両端部にのみ形成され、前記両端部の間にはバインダー層が形成されておらず、
   前記バインダー層は前記電極タブが引出される方向と垂直に設けられている、電極。
2. 前記バインダー層は、前記バインダー層の重量を基準にして、バインダーを６０～９０重量％、導電材を１０～４０重量％含む、請求項１に記載の電極。
3. 前記バインダー層の厚さは、前記電極活物質層の厚さの１～３０％である、請求項１に記載の電極。
4. 前記集電体の両端部において、前記電極活物質層の厚さと前記バインダー層の厚さの合計は、バインダー層が形成されない部分の電極活物質層の厚さと同じである、請求項３に記載の電極。
5. 前記集電体の一端部に形成された前記バインダー層の幅は、前記電極活物質層の幅の５～２０％である、請求項１に記載の電極。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電極を含む二次電池。
7. 集電体上にバインダーを含むバインダー組成物を２列に塗布してバインダー層を形成するステップと、
   前記バインダー層を完全に覆い、且つ前記バインダー層がコーティング幅方向を基準として、活物質層の両側端部に位置するように、前記バインダー層が形成された集電体上に電極活物質を含む電極スラリーを塗布して電極活物質層を形成するステップと、
   前記バインダー層および前記電極活物質層が形成された集電体を乾燥するステップと、
   乾燥された集電体をノッチングして、一側端部に電極タブが形成された電極を形成するステップとを含み、
   前記バインダー層は前記電極タブが引出される方向と垂直に設けられる、電極の製造方法。
8. 前記バインダー層を形成するステップにおいて、前記２列に形成されたバインダー層のうちのいずれか一つの幅が、他の一つの幅よりも小さい、請求項７に記載の電極の製造方法。
9. 前記バインダー層を形成するステップにおいて、前記集電体の幅方向を基準にして、前記２列に形成されたバインダー層の外側にそれぞれ無地部が形成される、請求項８に記載の電極の製造方法。
10. 前記電極を形成するステップにおいて、前記電極タブは、前記無地部のうちのいずれか一つに形成される、請求項９に記載の電極の製造方法。
11. 前記電極タブは、前記２列に形成されたバインダー層のうちの幅が小さいバインダー層に隣接するように形成される、請求項１０に記載の電極の製造方法。
12. 前記電極を形成するステップにおいて、前記集電体は、前記２列に形成されたバインダー層のうち、幅が大きい方のバインダー層の幅が他方のバインダー層の幅と同じになるようにノッチングされる、請求項８に記載の電極の製造方法。
13. 前記バインダー層を形成するステップおよび前記活物質層を形成するステップは、１つのコーティングダイによって同時に行われる、請求項７に記載の電極の製造方法。
14. 前記バインダー層を形成するステップおよび前記活物質層を形成するステップは、２つのコーティングダイによって連続的に行われる、請求項７に記載の電極の製造方法。
15. 請求項７から１４のいずれか一項に記載の電極の製造方法を含む二次電池の製造方法。

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