KR100496275B1 - 이차전지의 전극 제조방법 - Google Patents

Abstract

목적 : 이차전지의 전극 제조방법에 관한 것으로, 특히 전지의 수명과 고율 충, 방전 특성을 향상시킬 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있다.

구성 : 이를 위하여 본 발명에서는 전극의 활물질 슬러리를 제조함에 있어 바인더와 유기 용매가 혼합된 용액에 폴리포스포릭 애시드를 소량 첨가하고 여기에 전극 활물질을 투입 및 교반하는 것이며, 이렇게 제조된 활물질 슬러리를 기재에 코팅하고, 100∼150℃의 온도 조건에서 열풍 건조하며 롤 프레스한 다음 소정의 크기로 절단하는 공정에 의해 극판을 제조한다.

효과 : 상기한 폴리포스포릭 애시드는 기재의 표면에 묻어있는 유분을 제거하므로 활물질과 기재의 접착력을 향상시키는 것이고, 건조에 의해 증발되므로 제조 공정이 용이하게 이루어지도록 하는 것이며, 이 과정에서 극소량으로 잔류되어 있는 인의 촉매 작용으로 극판의 리튬 이온과 활물질 내의 전하 이동을 원활하게 하여 전지의 고율 충, 방전 특성을 향상시키게 된다.

Description

이차전지의 전극 제조방법{Method of processing electrode used in secondary battery}

본 발명은 이차전지의 전극 제조방법에 관한 것으로서, 특히 부극 활물질과 기재의 접착력을 높이므로 수명을 향상시키고, 전극의 내부 저항을 줄이므로 고율 특성을 향상시킬 수 있도록 하는데 적합한 이차전지의 부극 제조방법에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 용이한 것으로, 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다.

여기서 리튬이온전지는 정극 활물질로 리튬-천이금속산화물이 사용되고, 부극활물질로 카본 혹은 카본복합체가 사용되며, 해리 가능한 리튬염() 등을 포함하는 한 개 이상의 유기 용매에 녹인 액체 전해질이 사용되어서, 정극과 부극간에 리튬 이온이 이동될 때 기전력을 발생시키거나 에너지를 축적시킴으로써 충·방전이 이루어지도록 한다.

이러한 리튬이온전지에서 부극과 같은 전극(電極)은 전지의 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 카본으로 된 활물질과, PVDF(polyvinylidene fluoride)로 된 바인더 및 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)로 된 유기 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한 다음, 이것을 코퍼(Cu) 호일로 된 기재에 코팅하고, 다시 건조 및 롤 프레스한 다음 소정의 크기로 절단하는 공정에 의해 제조되고 있다.

그러나 상기한 부극 제조에 사용하는 바인더는 접착력이 약하여 활물질의 탈락이 발생하므로 결국 전지의 수명을 저하시키게 된다.

이러한 문제점을 고려한 것으로서 미국 특허 US 5,380,606호에는 전극의 바인더로서, 폴리아믹 애시드(polyamic acid)와, 폴리아마이드 레진(polyamide resin), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 그리고 하이드록시알킬셀룰로오즈(hydroxyalkylcellulose)로 된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 폴리머를 포함하는 혼합 바인더를 제안하여, 전지의 수명과 신뢰성을 향상시키고 있다.

그러나 상기한 혼합 바인더는 극판의 건조 공정시 추가된 폴리아믹 애시드를 제거하기 위해 200∼400℃로 고온 열처리를 해야하기 때문에, 공정의 운영이 복잡하고 어렵게 되며 전극의 물성이 변화되는 문제점이 있다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 저온 열처리 조건에서 증발되는 것이며 기재에 묻어있는 유분을 제거하므로 접착력을 향상시키는 물질을 첨가하는 방안으로, 활물질의 탈락을 방지하고 수명을 향상시킬 수 있도록 한 이차전지의 전극 제조방법을 제공함에 그 목적을 두고 있다.

또한 극판의 내부에 인이 미량 잔류하여 리튬 이온과 활물질 간의 전하 이동을 원활하게 하여 고율 특성을 향상시킬 수 있도록 함에 또 다른 목적을 두고 있다.

이를 위하여 본 발명은 전극의 활물질 슬러리를 제조함에 있어 바인더와 유기 용매가 혼합된 용액에 폴리포스포릭 애시드(polyphosphoric acid)를 소량 첨가하고 여기에 전극 활물질을 투입 및 교반하는 것이며, 이렇게 제조된 활물질 슬러리를 기재에 코팅하고, 100∼150℃의 저온 조건에서 열풍 건조하며 롤 프레스한 다음 소정의 크기로 절단하는 공정에 의해 극판을 제조하는 것이다.

여기서 폴리포스포릭 애시드는 기재의 압연 공정에서 그 표면에 묻게되는 유분을 제거하므로, 활물질과 기재의 접착력을 향상시키는 것이고, 저온 건조에 의해 증발되므로 제조 공정이 용이하게 되는 것이며, 인이 극소량이 잔류되어 활물질과 리튬 이온간의 전하 이동을 원활하게 하여 전지의 고율 충, 방전 특성을 향상시키도록 작용하게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 이차전지의 일 예로서 리튬이온전지에 사용되는 전극에 대하여 설명하기로 한다.

리튬이온전지에 사용되는 정극 및 부극과 같은 전극은 활물질로 리튬-천이금속산화물 및 카본, 카본복합체를 사용하고, 바인더로 PVDF를 사용하는 것이며 유기 용매로 NMP를 사용하여서, 이들을 혼합하므로 슬러리를 제조하게 되는데, 특히 정극의 활물질은 도전성이 없기 때문에 도전제로 카본을 첨가하여 사용하고 있다.

여기서 본 발명은 부극의 활물질 슬러리를 제조함에 있어 그 접착력을 높임과 동시에 건조 공정을 용이하게 하기 위해, 슬러리의 교반 단계에서 폴리포스포릭 애시드를 소량 첨가하여 전극 활물질의 분산에 기여토록 하고 있다.

폴리포스포릭 애시드 즉, 폴리인산은 O-인산의 탈수축합에 의해 생성된 직쇄상 고분자 인산으로 일반식 (n=2, 3, 4, …)로 표시되는 것이며, 2개 이상의 사면체가 정점의 수소 원자를 공유하는 직쇄상으로 연결된 구조로 되어 있다.

폴리포스포릭 애시드는 도 1에 표시한 바와 같이, PVDF로 된 바인더와 NMP로 된 유기 용매가 혼합된 용액에 전극 활물질인 카본과 함께 첨가하는 것이며, 전체 슬러리 혼합물의 고형분 대비 0.05∼0.5중량％를 첨가함이 바람직하다. 이때 PVDF로 된 바인더는 슬러리 혼합물의 고형분 대비 6∼13중량%가 투입된다. 여기서 폴리포스포릭 애시드의 첨가량은 0.05중량％ 미만일 때 그 작용 효과가 미미하고, 0.5중량％를 초과할 경우에는 극판의 건조시 증발량이 적어 과도한 양이 잔류하게 되는 문제점이 있다.

이렇게 혼합된 부극 활물질 슬러리는 교반 공정을 거쳐 기재의 표면에 코팅되는 것이며, 이때 본 발명의 목적물인 폴리포스포릭 애시드는 기재의 압연 공정시 그 표면에 묻어있던 유분을 제거하므로, 활물질과 기재의 접착력을 향상시키는 것이다.

코팅이 완료된 극판은 100∼150℃의 저온 조건에서 열풍 건조되는 바, 이때 본 발명에 의한 폴리포스포릭 애시드는 90∼95％가 증발하는 것이며, 나머지의 극소량이 극판의 내부에 잔류된다. 잔류된 극소량의 폴리포스포릭 애시드는 전지의 충, 방전시 리튬 이온의 이동을 도와 내부의 저항을 감소시키도록 작용하고, 전지의 고율 충, 방전 특성을 향상시키게 된다.

이후 상기한 극판은 롤 프레스와 절단 공정을 거쳐 소정 크기의 전극으로 제조되어 진다.

이와 같이 제조된 본 발명의 부극은 세퍼레이터를 개재하여 안쪽에 정극을 배치한 상태에서 맨드릴을 이용하여 권취되는 것이며, 캔의 내부로 수납되고, 전해액을 주입한 후 상기 캔의 개구에 가스켓을 개재하여 캡 어셈블리를 밀봉함으로써 이차전지로 제조되어 진다.

이상에서 설명된 구성 및 작용을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 이차전지의 전극 제조방법은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 발명은 부극의 활물질 슬러리 제조시 폴리포스포릭 애시드을 첨가하므로, 기재의 압연 공정에서 그 표면에 묻어있던 유분을 제거할 수 있으며, 활물질과 기재의 접착력을 높여 활물질의 탈락을 방지하고, 전지의 수명을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 폴리포스포릭 애시드는 저온 건조 조건에서 용이하게 증발하므로 제조 공정이 용이한 이점을 갖게 된다.

아울러 본 발명에 의하면 부극의 내부에 잔류된 극소량의 폴리포스포릭 애시드의 촉매 작용에 의해, 내부 저항이 감소되고 전지의 고율 충, 방전 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 이차전지의 전극 제조방법을 설명한 블록도.

Claims (3)

1. 용기에 폴리비닐리덴 플로라이드로 된 바인더와 엔메틸 피롤리돈으로 된 유기 용매를 넣어 혼합하는 공정과, 여기에 폴리포스포릭 애시드를 소량 첨가하고 동시에 카본으로 된 활물질을 투입 및 교반하는 공정과, 이렇게 제조된 활물질 슬러리를 기재에 코팅하는 공정과, 이어서 100∼150℃의 저온 조건에서 열풍 건조하고 롤 프레스한 다음 소정의 크기로 절단하는 공정에 의해 극판을 제조하는 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전극 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 폴리포스포릭 애시드는 슬러리 혼합물의 고형분 대비 0.05∼0.5중량％로 첨가하는 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전극 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 바인더는 슬러리 혼합물의 고형분 대비 6∼13중량％인 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전극 제조방법.