KR100614403B1 - 이차 전지용 전극판 - Google Patents

이차 전지용 전극판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활물질(active material), 도전재 및 결합제(binder)를 유기 용매와 혼합하여 형성되는 활물질층과 전극 집전체를 더욱 긴밀하게 결착시킬 수 있는 활물질 결착 수단을 구비하는 형성한 이차 전지용 전극판에 관한 것으로, 전극 집전체와; 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성되어 있는 활물질 결착 수단과; 상기 전극 집전체 상에 형성되며, 상기 활물질 결착 수단을 통하여 상기 전극 집전체와의 접합력이 향상된 활물질층을 구비하는 이차 전지용 전극판을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이차 전지, 전극판, 활물질 결착 수단, 매쉬

Description

이차 전지용 전극판{Electrode Plate of Secondary Battery}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 구비하는 전극 조립체를 설명하기 위한 사시도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 설명하기 위한 단면도.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 설명하기 위한 평면도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 전극 집전체 110, 120, 200; 전극판
115, 125; 전극 탭 130, 140; 세퍼레이터
210; 전극 집전체 220; 활물질층
230; 활물질 결착 수단
본 발명은 이차 전지용 전극판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활물질(active material), 도전재 및 결합제(binder)를 유기 용매와 혼합하여 형성되는 활물질층과 전극 집전체를 더욱 긴밀하게 결착시킬 수 있는 활물질 결착 수단을 구비하는 형성한 이차 전지용 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 이온 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 이온 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 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 이온 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 리튬 이온 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이온 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이온 이차 전지용 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이온 이차 전지용 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이온 이차 전지를 완성한다.
한편, 상기한 바와 같은 리튬 이온 이차 전지의 양극 전극판 및 음극 전극판은 도전재 및 결합제를 유기 용매와 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 전극 집전체 상에 도포하여, 활물질층을 형성하는 공정을 통하여 형성된다.
그러나, 상기한 바와 같은 리튬 이온 이차 전지용 전극판은 전극 집전체의 표면이 균일한 상태에서 상기 슬러리를 도포하여, 활물질층을 형성하므로, 상기 전극 집전체와 상기 활물질층 간의 접착력이 낮은 문제점이 있다.
또한, 리튬 이온 이차 전지의 충ㆍ방전 중에 상기 전극 집전체와 접착력이 낮은 부분의 활물질층이 떨어져 이차 전지의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 활물질(active material), 도전재 및 결합제(binder)를 유기 용매와 혼합하여 형성되는 활물질층과 전극 집전체를 더욱 긴밀하게 결착시킬 수 있는 활물질 결착 수단을 구비하는 형성한 이차 전지용 전극판을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극 집전체와; 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성되어 있는 활물질 결착 수단과; 상기 전극 집전체 상에 형성되며, 상기 활물질 결착 수단을 통하여 상기 전극 집전체와의 접합력이 향상된 활물질층을 구비하는 이차 전지용 전극판을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 활물질 결착 수단은 격자 구조의 매쉬로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 매쉬 중 어느 하나의 격자의 크기는 5㎛ 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 매쉬 중 어느 하나의 격자의 크기는 30㎛ 이상인 것이 바람직하다.
상기 활물질 결착 수단의 두께는 상기 전극 집전체의 두께 이하인 것이 바람직하며, 상기 전극 집전체와 활물질 결착 수단의 두께의 합은 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 전극 집전체가 양극 집전체인 경우, 상기 활물질 결착 수단은 니켈(Ni) 또는 백금(Pt)으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 전극 집전체가 음극 집전체 인 경우, 상기 활물질 결착 수단은 구리(Cu)로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판은 전극 집전체의 적어도 일면에 격자 구조의 매쉬로 이루어지는 활물질 결착 수단을 더 구비함으로써, 활물질층과 전극 집전체 사이의 접합력이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 구비하는 전극 조립체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 전극 조립체(100)는 양극 집전체 상에 양극 활물질층이 형성된 양극 전극판(110), 음극 집전체 상에 음극 활물질층이 형성된 음극 전극판(120), 상기 양극 전극판(110) 및 음극 전극판(120) 사이에 위치하여 상기 양극 전극판(110)과 음극 전극판(120)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 두 장의 세퍼레이터(130, 140)로 이루어진다. 이때, 상기 양극 전극판(110) 및 음극 전극판(120)은 상기 양극 집전체 및 음극 집전체와 양극 활물질층 및 음극 활물질층 간의 접합력을 강화시키기 위하여 상기 양극 집전체 및 음극 집전체 상에 활물질 결착 수단을 더 구비하는 구조로 이루어진다. 또한, 상기 양극 활물질층 물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질층 물질로는 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. 또한, 일반적으로 상기 양극 전극판(110)의 양극 집전체는 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판(120)의 물질로는 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(130)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극 전극판(110)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 양극 탭(115)이 접합되어 있다. 상기 음극 전극판(120)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(125)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
한편, 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 설명하기 위한 평면도이로써, 전극 집전체 및 활물질 결착 수단에 한정하여 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전극판(200)은 양극 전극판 또는 음극 전극판용 전극 집전체(210)와, 양극 활물질 또는 음극 활물질로 이루어지며 상기 전극 집전체(210) 상에 형성되는 활물질층(220)과, 상기 전극 집전체(210)와 상기 활물질층(220)의 접합력을 향상시켜 주기 위한 활물질 결착 수단(230)으로 이루어진다.
상기 전극 집전체(210)는 상기 전극 집전체(210)가 양극 집전체인 경우에는 일반적으로 알루미늄(Al)을, 음극 집전체인 경우에는 구리(Cu)가 사용되며, 상기 전극 집전체(210)의 두께는 일반적으로 15㎛ 내외이다.
상기 활물질층(220)은 양극 활물질 또는 음극 활물질, 도전재 및 결합제를 유기 용매와 혼합하여 양극 슬러리 또는 음극 슬러리를 제조한 후, 상기 전극 집전체(210) 상에 도포하고, 건조하여 형성된다. 상기 도전재는 양극 도전재인 경우, 상기 양극 활물질에서 발생되는 전자를 양극 집전체로 이동시키는 역할을 수행한다. 또한, 음극 도전재인 경우, 음극 집전체에서 유입되는 전자를 음극 활물질로 이동시키는 역할을 수행한다. 또한, 상기 결합제는 상기 활물질과 도전재를 결합하여, 상기 활물질, 도전재를 전극 집전체에 결착시키는 역할을 수행하며, 상기 전극판의 기계적 강도를 유지하는 역할을 수행한다.
상기 활물질 결착 수단(230)은 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성되어, 상기 전극 집전체와 활물질층 간의 접합력을 향상시켜 주는 역할을 수행한다. 상기 활물질 결착 수단(230)은 격자 구조의 매쉬(mesh)로 이루어질 수 있으며, 전극 집전체의 장변과 평행한 복수의 선형 돌기 및 수직을 이루는 선형 돌기들로 매쉬의 형태는 방형을 이루고 있다. 또한, 상기 활물질 결착 수단(230)이 격자 구조의 매쉬인 경우, 상기 매쉬 중 어느 하나의 격자의 크기는 5㎛ 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 어느 하나의 격자의 크기는 30㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이는 상기 격자의 크기가 상기 활물질층을 이루는 활물질, 도전재 및 결합재 입자의 크기보다 커야 하기 때문이다.
또한, 상기 활물질 결착 수단은 상기 전극 집전체가 음극 집전체인 경우에는 구리(Cu)로 이루어지며, 양극 집전체인 경우에는 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 이들의 등가물로 이루어지는 것이 일반적이나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 활물질 결착 수단의 두께는 상기 전극 집전체의 두께 이하인 것 이 바람직하며, 상기 전극 집전체와 활물질 결착 수단의 두께의 합은 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 활물질 결착 수단(230)은 상기 전극 집전체와 활물질층의 접합력을 향상시키는 역할뿐만 아니라, 리튬 이온 이차 전지의 충ㆍ방전 시에 발생할 수 있는 상기 활물질층의 팽창을 억제하는 기능도 있다. 이는 상기 활물질 결착 수단(230)이 상기 활물질을 전극 집전체 상에 강하게 고정시킴으로써, 활물질층의 팽창을 억제하기 때문이다.
상기한 바와 같이, 상기 활물질 결착 수단(230)을 구비하는 전지용 전극판은 상기 활물질 결착 수단을 통하여 상기 전극 집전체와 활물질층 간의 접합력이 향상된다. 또한, 상기 활물질 결착 수단(230)을 통하여 이차 전지의 충ㆍ방전 시의 활물질의 팽창을 억제할 수 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 이차 전지용 전극판을 구비하는 리튬 이온 이차 전지의 신뢰성이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 활물질(active material), 도전재 및 결합제(binder)를 유기 용매와 혼합하여 형성되는 활물질층과 전극 집전체를 더욱 긴밀하게 결착시킬 수 있는 활물질 결착 수단을 구비하는 형성한 이차 전지용 전극판을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역 으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 전극 집전체와;
    상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 상기 전극 집천체의 장변과 평행한 복수의 선형 돌기와 수직을 이루는 복수의 선형 돌기로 이루어져 전체적으로 격자 구조의 매쉬 형태를 이루는 활물질 결착 수단과;
    상기 전극 집전체 상에 형성되며, 상기 활물질 결착 수단을 통하여 상기 전극 집전체와 접합력이 향상된, 슬러리 도포 방식으로 형성된 활물질층을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 매쉬 중 어느 하나의 격자의 크기는 상기 활물질층을 이루는 활물질, 도전재 및 결합재 입자의 크기보다 크게 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 집전체가 양극 집전체인 경우,
    상기 활물질 결착 수단은 니켈(Ni) 또는 백금(Pt)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 집전체가 음극 집전체인 경우,
    상기 활물질 결착 수단은 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
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