KR100591453B1 - 이차 전지용 전극판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지에 사용되는 전극판에 관한 것으로 특히, 전극활물질, 도전재 및 결합제가 유기 용매와 혼합된 슬러리가 전극집전체에 코팅되어 형성되는 전극활물질층의 전극집전체에 대한 접착력이 증가되도록 전극집전체의 표면을 에칭 처리하여 전극집전체의 표면적을 증가시킨 이차전지용 전극판에 관한 것이다.
이차 전지, 전극판, 접착력, 에칭

Description

이차 전지용 전극판{Electrode Plate of Secondary Battery}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 구비하는 전극조립체의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극판의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극판의 평면도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100 - 전극조립체 110, 120, 200 - 전극판
115, 125 - 전극 탭 130, 140 - 세퍼레이터
210 - 전극집전체 214 - 에칭영역
218 - 전극무지부 220 - 전극활물질층
본 발명은 이차전지에 사용되는 전극판에 관한 것으로 특히, 전극활물질, 도전재 및 결합제가 유기 용매와 혼합된 슬러리가 전극집전체에 코팅되어 형성되는 전극활물질층의 전극집전체에 대한 접착력이 증가되도록 전극집전체의 표면을 에칭 처리하여 전극집전체의 표면적을 증가시킨 이차전지용 전극판에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극활물질로 리튬계 산화물, 음극활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 리튬 이차 전지는 양극활물질층이 적어도 일면의 소정영역에 코팅된 양극판, 음극활물질층이 적어도 일면의 소정영역에 코팅된 음극판 및 상 기 양극판과 음극판 사이에 위치되어 양극판과 음극판의 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스 내부에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액을 포함하여 형성된다.
상기 양극판 및 음극판은 전극집전체와 전극활물질층을 포함하여 형성되며, 상기 전극활물질층은 도전재 및 결합제가 유기 용매와 혼합된 슬러리 상태로 제조되어 전극집전체 상에 코팅되어 형성하게 된다. 따라서, 상기 양극활물질과 음극활물질은 자체 내에 포함되는 결합제에 의하여 전극집전체에 부착되어 전극활물질층을 형성하게 된다.
그러나, 상기한 바와 같은 전극판은 전극집전체의 표면의 표면조도가 높고 균일한 상태에서 상기 슬러리가 도포되어 전극활물질층을 형성하게 되므로, 상기 전극집전체와 상기 전극활물질층 사이의 접착력이 낮은 문제점이 있다.
또한, 이차 전지의 충ㆍ방전 과정에서 전극활물질층은 미세하게 수축과 팽창을 반복하게 되는데, 이러한 과정 중에 전극집전체와 접착력이 낮은 부분의 활물질층이 떨어지게 되어 이차 전지의 신뢰성이 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 특히, 전극활물질, 도전재 및 결합제가 유기 용매와 혼합된 슬러리가 전극집전체에 코팅되어 형성되는 전극활물질층의 전극집전체에 대한 접착력이 증가되도록 전극집전체의 표면을 에칭 처리하여 전극집전체의 표면적을 증가시킨 이차전지용 전극판을 제공하는 데에 그 목적 이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명의 이차전지용 전극판은 적어도 일면에 에칭영역이 형성되는 전극집전체와 상기 전극집전체의 에칭영역을 포함하는 부분에 코팅되는 전극활물질층을 포함하며, 상기 전극집전체는 양단부에 소정 폭으로 에칭되지 않은 전극무지부가 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 전극집전체의 에칭영역 깊이는 상기 전극집전체 두께의 1/3 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
삭제
또한, 본 발명에서 상기 전극집전체는 알루미늄 금속으로 이루어 질 수 있으며, 이때 상기 전극집전체의 에칭영역은 화학 에칭방법 또는 전기화학적 에칭방법에 의하여 형성될 수 있다. 또한 상기 화학적 또는 전기화학적 에칭방법은 산성용액 또는 알카리용액을 사용할 수 있으며 이때, 산성용액은 염산, 황산, 염화제2철 중 어느 하나를 포함하여 사용될 수 있으며, 알카리 용액은 수산화나트륨을 포함하여 사용될 수 있다. 또한 상기 전극집전체의 전기화학적 에칭은 교류전류 또는 직류전류에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 전극집전체는 구리 금속으로 이루어질 수 있으며 이때, 상기 전극집전체의 에칭영역은 화학에칭방법에 의하여 형성될 수 있으며, 질산, 염소산, 황산, 염화철 또는 염화동을 사용하여 의하여 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극판 에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 구비하는 전극조립체의 사시도를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극판의 단면도를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극판의 평면도를 나타낸다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극판이 적용되는 전극조립체(100)는 양극집전체의 소정영역에 양극활물질층이 형성된 양극전극판(110), 음극집전체의 소정영역에 음극활물질층이 형성된 음극전극판(120), 상기 양극전극판(110) 및 음극전극판(120) 사이에 위치하여 상기 양극전극판(110)과 음극전극판(120)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(130, 140)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 이때, 상기 양극전극판(110) 및 음극전극판(120)은 상기 양극집전체 및 음극집전체의 적어도 일면에 에칭영역이 형성되며, 코팅되는 상기 양극활물질층 및 음극활물질층과 전극집전체 사이의 접착력을 증가시키게 된다.
또한, 상기 양극활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬 산화물이 사용되고 있다. 또한 음극활물질로는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다.
상기 양극판(110)의 양극집전체는 알루미늄(Al) 재질, 음극판(120)의 음극집전체는 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(130)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것 은 아니다. 또한, 상기 양극전극판(110)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 양극 탭(115)이 접합되어 있다. 상기 음극전극판(120)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(125)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판의 단면도이며, 도 3은 도의 본 발명의 실시예에 따른 전극집전체의 평면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 전극판(200)은, 도 2를 참조하면, 전극집전체(210)와 전극활물질층(220)을 포함하여 형성된다.
상기 전극집전체(210)는, 도 3을 참조하면, 금속재질의 박막으로 형성되며, 적어도 일면에 소정영역으로 형성되는 에칭영역(214)과 상기 전극집전체(210)의 양단과 상기 에칭영역(214) 사이에 소정영역으로 형성되는 전극무지부(218)를 포함하여 형성된다.
상기 에칭영역(214)은 표면에 에칭에 의하여 요철이 형성되면서 표면적이 증가하게 된다. 상기 에칭영역(214)은 바람직하게는 전극집전체(210)에서 전극활물질층이 형성되는 소정영역에 형성된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 양극집전체는 알루미늄(Al) 재질, 음극집전체는 구리(Cu) 재질로 형성된다.
상기 에칭영역(214)은 그 두께가 상기 전극집전체(210) 두께의 1/3 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 양극판 또는 음극판용 전극집전체(210)는 일반적으로 15㎛ 내외의 두께를 갖는다. 상기 에칭영역(214)의 깊이가 1/3보다 크게 되면, 상기 에칭영역(214)에 형성된 요철이 취 약부가 되면서 상기 전극집전체(210)의 강도가 약해져 권취시 끊어지는 문제가 발생된다.
상기 에칭영역(214)은 화학에칭 또는 전기화학적 에칭방법에 의하여 형성된다. 다만, 상기 전극집전체(210)는 상기에서 설명한 바와 같이 양극판용으로 알루미늄 재질의 박막으로 형성되며, 음극판용으로 구리 재질의 박막이 사용되므로 상기 전극집전체(210)에 에칭영역을 형성하는 과정은 사용되는 금속 재질에 따라 다르게 적용될 수 있다.
상기 전극집전체(210) 중 알루미늄 재질로 형성되는 양극집전체의 에칭영역 형성방법에 대하여 설명한다.
상기 양극집전체에 에칭영역(214)을 형성하는 화학에칭방법에서는 산성용액 또는 알카리용액이 사용된다. 화학에칭방법에 사용되는 산성용액으로는 염산, 황산, 염화제2철 등이 사용될 수 있다. 또한 화학에칭방법에 사용되는 알카리용액은 수산화나트륨을 포함하는 용액이 사용될 수 있다. 다만, 화학에칭에 사용되는 용액으로는 상기에 언급한 내용에 한정하는 것은 아니며, 알루미늄을 부식시킬 수 있는 다양한 용액이 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 알루미늄의 화학에칭방법은 전처리과정과 에칭과정을 포함하여 형성된다. 상기 전처리과정은 알루미늄 박막을 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 알카리 용액을 사용하여 알카리 처리하여 상기 양극집전체의 표면에 잔존하는 기름 성분 및 산화피막을 제거하는 과정이다.
상기 에칭과정은 알루미늄 박막을 산성용액 또는 알카리용액에 침적하여 상 기 알루미늄 박막의 표면에 요철을 형성하는 과정이다. 상기에서 언급한 바와 같이 이때 사용되는 산성용액으로는 염산, 황산, 염화 제2철 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 산성용액은 적정한 농도와 상온보다 높은 온도를 유지하여 에칭 과정이 효율적으로 진행될 수 있도록 한다. 예를 들면, 산성용액으로 염산을 사용하는 경우에는 염산의 농도를 0.8 - 2.0M으로 조정하며, 온도는 35 - 45℃를 유지하여 에칭공정을 진행할 수 있다.
상기 양극집전체에 에칭영역을 형성하는 방법으로 상기 화학에칭 외에 전기화학적 에칭방법이 사용된다. 전기화학적 에칭방법은 화학 에칭방법에서 보다 에칭을 빠르게 진행하기 위해서 알루미늄 금속에 전류를 공급한다. 즉, 알루미늄 금속을 산성 용액 또는 알카리 용액에 침적한 상태에서 알루미늄 금속에 직류 전류 또는 교류전류를 가하게 된다. 이때, 가해지는 전류는 필요한 에칭영역과 깊이에 따라 적정한 값을 공급하게 된다. 예를 들면, 전기화학적 에칭방법에서는 전류밀도가 수 mA/㎠에서 수백㎠의 전류를 사용하게 된다. 또한 교류전류를 사용하는 경우에는 적정한 교류 주파수 범위를 갖는 전류를 공급하게 된다.
다음은 상기 전극집전체(210) 중 구리 재질로 형성되는 음극집전체의 에칭영역 형성방법에 대하여 설명한다.
상기 음극집전체의 에칭영역을 형성하는 화학에칭방법에서는 산성용액이 사용된다. 구리 금속의 화학에칭방법에 사용되는 산성용액으로는 질산, 염소산, 황산, 염화철 또는 염화동 등이 사용될 수 있다. 다만, 화학에칭방법에 사용되는 용액으로는 상기에 언급한 내용에 한정하는 것은 아니며, 구리를 부식시킬 수 있는 다양한 용액이 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 음극집전체인 구리 박막의 화학에칭 방법 역시 전처리과정과 에칭과정을 포함하여 형성된다. 상기 전처리과정은 구리 박막을 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 알카리 용액을 사용하여 알카리 처리하여 상기 구리 박막의 표면에 잔존하는 기름 성분 및 산화피막을 제거하는 과정이다.
상기 에칭과정은 구리 박막을 산성용액에 침적하여 상기 구리 박막의 표면에 요철을 형성하는 과정이다. 상기에서 언급한 바와 같이 이때 사용되는 산성용액으로는 질산, 염소산, 황산, 염화철 또는 염화동 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 산성용액은 적정한 농도와 상온보다 높은 온도를 유지하여 에칭 과정이 효율적으로 진행될 수 있도록 한다.
상기 음극집전체에 에칭영역을 형성하는 방법으로, 상기 양극집전체의 경우와 마찬가지로 상기 화학에칭 외에 전기화학적 에칭방법이 사용될 수 있다. 음극집전체의 전기화학적 에칭방법은 상기 양극집전체의 경우와 유사하므로 여기서 설명은 생략한다.
상기 전극무지부(218)는 상기 전극집전체(210)의 양단에서 상기 에칭영역(214)사이에 형성되며, 일단의 전극무지부(218)에는 상기 양극탭 또는 음극탭이 결합된다. 상기 전극무지부(218)는 상기 전극집전체(210)의 에칭과정에서 상기 전극무지부(218)가 형성되어야 하는 영역에 레지스트 필름을 미리 형성하여 에칭이 진행되지 않도록 함으로써 형성된다.
상기 전극활물질층(220)은 상기에서 설명한 바와 같이 양극활물질 또는 음극 활물질, 도전재 및 결합제를 유기 용매와 혼합하여 양극 슬러리 또는 음극 슬러리를 제조한 후, 상기 전극집전체(210) 상에 도포하고, 건조하여 형성된다.
상기 전극활물질층(220)은 상기 전극집전체(210)의 에칭영역(214)을 포함하는 영역에 소정두께로 코팅되어 형성된다. 이때, 상기 전극활물질층(220)과 상기 전극집전체(210)의 결합력은 상기 전극활물질층(220)에 포함되어 있는 결합제의 기능과 상기 전극집전체(210)의 표면적에 비례하게 된다. 따라서, 상기 전극집전체(210)의 에칭영역(214)에 상기 전극활물질층(220)이 형성되므로 전극활물질층(220)과 전극집전체(210)의 접촉면적이 증가하게되어 결합력도 증가하게 된다.
상기 전극판(200)은 젤리-롤 형태로 권취되어 전극조립체(100)를 형성할 때 전극조립체(100)의 위치에 따라 외곽 또는 내곽에서 권취되는 전극판(200)의 부분에는 일면에만 전극활물질층(200)이 형성될 수 있다. 따라서 이러한 경우에는, 전극집전체(210)의 일면에만 에칭영역(214)이 형성될 수 있음은 물론이다.
상기에서 전극집전체에 에칭영역을 형성하는 에칭방법은 일반적으로 알루미늄 또는 구리금속을 에칭하는 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전극집전체의 표면에 에칭영역을 형성하여 전극집전체의 표면적을 증가시키고 상기 에칭영역에 전극활물질층을 형성함으로써 전극활물질층의 전극집전체에 대한 접착력을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 적어도 일면에 에칭영역이 형성되는 전극집전체와;
    상기 전극집전체의 에칭영역을 포함하는 부분에 코팅되는 전극활물질층을 포함하며,
    상기 전극집전체는 양단부에 소정 폭으로 에칭되지 않은 전극무지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭영역 깊이는 상기 전극집전체 두께의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극집전체는 알루미늄 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭영역은 화학에칭방법에 의하여 형성되는 것을 특징으 로 하는 이차전지용 전극판.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭영역은 전기화학적 에칭방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭은 산성용액에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 산성용액은 염산, 황산, 염화제2철 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  9. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭은 수산화나트륨을 포함하는 알카리용액에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 전극집전체의 전기화학적 에칭방법은 교류전류 또는 직류전류에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전극집전체는 구리 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭은 화학에칭방법에 의한 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭은 질산 또는 염소산 또는 황산에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 전극집전체의 에칭은 염화철 또는 염화동에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극판.
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