KR100445416B1 - 전지 집전체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

금속 분말, 결착제 및 도전제를 포함하는 전지 집전체는 성형이 용이하고 조립이 편리해지며, 활물질과 집전체 간에 높은 결합력을 유지하여 활물질의 탈리를 방지함으로써 전지 내부 저항의 상승을 방지하고 전지의 충·방전 특성과 수명 특성을 향상시킨다.

Description

전지 집전체 및 그의 제조 방법

[산업상 이용 분야]

본 발명은 전지 집전체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 집전체에 활물질(active material)을 도포(lamination)하여 접착하는 방식으로 활물질을 금속 집전체에 부착시키는 경우, 종래의 금속 집전체를 대체할 수 있는 전지 집전체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

[종래기술]

일반적으로 전지는 망간 전지, 알칼리 전지, 수은 전지 및 산화은 전지 등과 같이 1회로 사용이 제한되는 1차 전지와 납축전지, 니켈-메탈하이드라이드(Nickel-Metalhydride) 전지, 니켈-카드뮴(Nickel-Cadmium) 전지 및 리튬-금속(Lithium-Metal)·리튬-이온(Lithium-Ion)·리튬-폴리머(Lithium-Polymer) 전지와 같은 리튬군 전지 등과 같이 충전하여 재사용이 가능한 2차 전지로 대별할 수 있다.

상기한 2차 전지에 있어서, 전극은 전극 활물질, 결합제 및 도전제를 적절한 유기 용매 하에서 혼합하여 활물질 슬러리를 제조하고, 상기 활물질 슬러리를 엑스텐디드(extended) 또는 퍼포레이티드(perforated) 형태의 금속 집전체 상에 도포하여 접착시킴으로써 제조되는 것이 일반적이다.

상기 금속 집전체는 그 가격이 비교적 높은 편이고, 금속이 가지는 속성 상 굽힘 또는 탄력성에 한계를 가지고 있어 전지 조립의 연속 공정 중 금속 부분을 절취할 때 발생하는 꺽임 현상으로 단락을 유발하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기 집전체를 어떠한 물질로도 처리하지 않은 상태로 사용하는 경우, 사용되는 활물질의 종류에 따라 활물질의 금속과의 접착력에 상당한 차이가 존재하게 되고, 상기 집전체의 표면이 미끄러워 활물질과의 결합력이 저하됨으로써 전해액에 함침될 때 또는 충·방전 반응이 반복될 때 집전체와 활물질 간의 경계면에서 활물질의 탈리가 일어나게 된다. 상기 활물질의 탈리는 전지의 내부 저항을 증가시킴으로써 전지의 충·방전 특성을 저하시키고, 전지의 사이클 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 된다.

상기한 문제점을 보완하기 위해서는, PVDF(polyvinylidene fluoride)와 같은 결착제로 코팅한 집전체가 사용되고 있다. 또한, 미국 특허 제4363857호에서는 얇은 금속 박으로부터 천공된 앵커링 탭들(anchoring tabs)이 폴리머 그리드 워크(polymeric grid work)의 그리드 와이어(wire) 사이 구멍으로 돌출되고, 상기 폴리머 그리드 워크가 금속 박에 단단히 결합되도록 인접 그리드와 맞물리게 압연된 도포된 금속-플라스틱 그리드를 개시하고 있다.

그러나, 상기 PVDF로 코팅하는 방법을 사용하는 경우, 활물질과의 결착력은 증가되지만 PVDF가 절연체이기 때문에 전지의 내부 저항이 증가하는 문제점은 해결하지 못할 뿐 아니라, 상기한 방법들은 비교적 높은 가격의 금속 집전체를 사용하여야 하고, 굽힘 또는 탄력성에 한계를 가지는 금속의 속성을 극복하지 못하여 조립 공정 중 금속 부분을 절취할 때 발생하는 꺽임 현상으로 단락을 유발하게 되는 문제점을 여전히 가지게 된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지 집전체 및 그의 제조 방법을 제공함으로써 금속이 가지는 굽힘 또는 탄력성의 한계를 극복하여 조립의 연속 공정 중 금속 부분을 절취할 때 발생하는 꺽임 현상에 의한 단락을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 성형이 용이하고 조립이 편리해지며, 특히 금속 집전체와의 접착력이 낮은 물질을 활물질을 사용하는 경우에도, 활물질과 집전체 간에 높은 결합력을 유지하여 활물질의 탈리를 방지함으로써 전지 내부 저항의 상승을 방지하고 전지의 충·방전 특성과 수명 특성을 향상시키고자 함이다.

도 1은 금속 집전체에 활물질을 도포하여 접착함으로써 극판을 제조하는 전지로서, 바이셀(bicell) 구조를 가지는 전지의 단면도이고,

도 2은 금속 집전체에 활물질을 도포하여 접착함으로써 극판을 제조하는 일반 전지의 단면도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

1; 양극 활물질 도포층 2; 세퍼레이터 3;음극 활물질 도포층

4;양극 활물질 도포층 5;집전체

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 분말, 결착제 및 도전제를 포함하는 전지 집전체를 제공한다.

상기 금속 분말은 80∼90중량%, 상기 결착제는 6∼10중량%, 상기 도전제는 3∼8중량%로 존재하는 것이 바람직하다.

상기 금속 분말은 니켈, 알루미늄, 구리 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

상기 결착제는 PVDF(polyvinylidene fluoride), 테플론 파우더(teflon powder) 및 테플론 에멀젼(teflon emulsion)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

상기 도전제는 카본 블랙(carbon black)인 것이 바람직하다.

상기 전지 집전체는 퍼포레이티드(perforated) 형태를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 6∼8중량%의 결착제를 유기 용매에 녹이고, 상기 유기 용매에 80∼90중량%의 금속 분말과 3∼5중량%의 도전제를 혼합하고, 상기 혼합액을 필름 상으로 형성시키고, 상기 유기 용매를 건조시키고, 상기 필름을 분리하는 단계를 포함하는 전지 집전체의 제조 방법을 제공한다.

상기 금속 분말은 니켈, 알루미늄, 구리 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

상기 결착제는 PVDF(polyvinylidene fluoride), 테플론 파우더(teflon powder) 및 테플론 에멀젼(teflon emulsion)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

상기 도전제는 카본 블랙(carbon black)인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기 전지 집전체에 있어서, 상기 금속 분말은 될 수 있는 한 많은 양으로 존재하는 것이 바람직한 바, 80중량% 미만으로 존재하는 경우에는 전지의 저항이 증가될 우려가 있으며, 집전체의 형태를 유지하는 측면을 고려하면 90중량% 이하로 존재하는 것이 바람직하다.

상기 결착제는 접착력에 문제가 되지 않는 한, 적은 양으로 존재하는 것이 바람직한 바, 6중량% 미만으로 존재하는 경우에는 집전체의 형태를 유지하는데 문제점이 발생할 우려가 있고, 10중량%를 초과하여 존재하는 경우에는 접착력은 증대되나 전지의 저항이 증가될 우려가 있다.

상기 도전제는 3중량% 미만으로 존재하는 경우 금속 분말 사이에 전도성을 유지하는 것이 어려워질 우려가 있고, 8중량%를 초과하여 존재하는 경우 상대적인 금속 분말의 분포도가 저하되어 집전체 자체의 전도도가 저하되고 접착력의 약화로 더 많은 량의 결착제를 사용하여야만 하는 문제점이 발생한다.

상기 전지 집전체의 제조 방법에 있어서, 상기 유기 용매로는 아세톤을 사용한다.

상기 유기 용매에 금속 분말과 도전제를 혼합하기 위해서는 호모지나이저(homogenizer) 또는 믹서(mixer)를 사용하여 1∼2 시간 동안 혼합한다.

상기 혼합액을 필름으로 형성시키기 위해서는 300μm 이하의 적절한 갭(gap)으로 닥터 블래이드(doctor blade)를 사용한다.

[실시예]

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 구성 및 효과를 설명하기 위한 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

6중량%의 PVDF를 아세톤에 녹인 후, 니켈 분말 90중량%와 카본 블랙 4중량%를 첨가하여 호모지나이저를 사용하여 잘 혼합하였다. 300μm의 갭을 사용하여 닥터 블래이드로 필름을 만들고 용매가 건조한 후 상기 필름을 벗겨 내어 가로 82×세로 32mm²의 크기(휴대폰 팩 크기)로 절취하여 집전체를 제조하였다. 상기 집전체를 두 극판 사이에 끼우고 130℃에서 히트 라미네이션(heat lamination)하여 전극을 제조하였다. 도 1과 같이 양극, 음극, 세퍼레이터를 적층하여 130℃에서 히트 라미네이션하여 전지를 완성하였다.

본 발명에 의한 전지 집전체 및 그의 제조 방법을 사용하면, 금속이 가지는 굽힘 또는 탄력성의 한계를 극복하여 조립의 연속 공정 중 금속 부분을 절취할 때 발생하는 꺽임 현상에 의한 단락을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 성형이 용이하고 조립이 편리해지며, 특히 금속 극판과의 접착력이 낮은 물질을 활물질을 사용하는 경우에도, 활물질과 집전체 간에 높은 결합력을 유지하여 활물질의 탈리를 방지함으로써 전지 내부 저항의 상승을 방지하고 전지의 충·방전 특성과 수명 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 금속 분말;

   결착제; 및

   도전제:

   를 포함하는 전지 집전체.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 80∼90중량%, 상기 결착제는 6∼10중량%, 상기 도전제는 3∼8중량%로 존재하는 전지 집전체.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 니켈, 알루미늄, 구리 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 전지 집전체.
4. 제1항에 있어서, 상기 결착제는 PVDF(polyvinylidene fluoride), 테플론 파우더(teflon powder) 및 테플론 에멀젼(teflon emulsion)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전지 집전체.
5. 제1항에 있어서, 상기 도전제는 카본 블랙(carbon black)인 전지 집전체.
6. 제1항에 있어서, 상기 전지 집전체는 퍼포레이티드(perforated) 형태를 가지는 전지 집전체.
7. 6∼8중량%의 결착제를 유기 용매에 녹이고;

   상기 유기 용매에 80∼90중량%의 금속 분말과 3∼5중량%의 도전제를 혼합하고;

   상기 혼합액을 필름 상으로 형성시키고;

   상기 유기 용매를 건조시키고;

   상기 필름을 분리하는 단계:

   를 포함하는 전지 집전체의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 금속 분말은 니켈, 알루미늄, 구리 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 전지 집전체의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서 상기 결착제는 PVDF(polyvinylidene fluoride), 테플론 파우더(teflon powder) 및 테플론 에멀젼(teflon emulsion)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전지 집전체의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 도전제는 카본 블랙(carbon black)인 전지 집전체의 제조 방법.

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