KR100751633B1 - Ｐｔｃ특성을 갖는 이차전지용 전극재료 및 전극의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PTC 특성을 갖는 이차전지용 전극재료 및 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극재료 제조방법은, 이차전지용 전극재를 PTC 재료와 혼합하는 공정; 혼합물을 성형틀에 넣고 가열한 상태에서 프레싱하는 공정; 및 상기 성형틀을 제거한 후, 고형화된 상기 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 공정;을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 이차전지용 전극 제조방법은, 이차전지용 전극재를 PTC 재료와 혼합하는 공정; 혼합물을 성형틀에 넣고 가열한 상태에서 프레싱하는 공정; 상기 성형틀을 제거한 후, 고형화된 상기 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 공정; 상기 파우더 형태의 혼합물을 슬러리 가공하는 공정; 및 상기 슬러리를 금속전극 모재에 코팅하는 공정;을 포함한다.
본 발명에 의하면 PTC 특성을 갖는 이차전지용 전극의 파티클 간 결합저항과 초기저항 특성을 종래에 비해 향상시킬 수 있다.
이차전지용 양극재, 이차전지용 음극재, PTC, 슬러리, 결합저항, 초기저항

Description

ＰＴＣ특성을 갖는 이차전지용 전극재료 및 전극의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING ELECTRODE MATERIAL HAVING PTC-CHARACTERISTICS FOR SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR PRODUCING ELECTRODE THEREOF}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 전극재료 제조방법이 수행되는 과정을 도시하는 흐름도.
도 2는 도 1에서 가열 공정을 거친 혼합물의 입자 결합 상태도.
도 3은 도 1에서 밀링 공정을 거친 혼합물의 입자 결합 상태도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법이 수행되는 과정을 도시하는 흐름도.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100...전극재 101...PTC 분말
본 발명은 PTC(Positive Temperature Coefficient) 특성을 갖는 이차전지용 전극재료의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 저항특성을 향상시킬 수 있도록 전극재에 PTC 물질을 첨가하는 공정이 개선된 이차전지용 전극재료의 제조방법에 관한 것이다.
충/방전이 가능한 이차전지 중 특히 리튬이온 전지와 같이 이상상태 발생시 폭발이 일어날 위험이 있는 이차전지는 셀의 과충전이나 과방전을 감지하여 선택적으로 외부 회로와의 접속을 차단할 수 있는 보호회로와 PTC 서미스터를 구비하는 것이 일반적이다.
PTC 서미스터는 상온에서는 상대적으로 저항이 낮아 전류를 잘 통과시키지만 주위의 온도가 상승하거나 과전류로 인해 물질의 온도가 상승하게 되면 저항이 정상상태보다 약 1000 ~ 10000배 이상으로 증가하여 흐르던 전류를 차단하는 특성을 이용하는 소자로서 효과적으로 과전류를 억제할 수 있다.
이와 관련하여 이차전지의 전극 자체에 PTC 특성을 부여하는 기술도 제시되었는데, 그 예로는 미국특허 제6,773,633호, 대한민국 특허출원 제2005-35074호 등을 들 수 있다. 미국특허 제6,773,633호에는 배터리의 양극 혹은 음극에 레진 및 전도성 필러를 일정량 혼합하여 이상상태시 셀내부에서 발생하는 과전류를 차단하게 되는 전극 제조방법이 개시되어 있으며, 대한민국 특허출원 제2005-35074호에는 고분자와 전도성 필러를 혼합한 후 가교한 PTC 재료의 첨가 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기 미국특허 제6,773,633호는 PTC 물질이 혼합된 전극의 초기저 항, 즉 정상상태의 저항값이 매우 높은 단점이 있으며, 특허출원 제2005-35074호의 경우 전극재와 PTC 분말이 미약한 결합력으로 혼합되는 관계로 파티클(Particle)간 접촉저항이 높게 제조될 수 있는 취약점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극재와 PTC 물질을 고온, 고압으로 결합시키는 공정을 수행하여, PTC 기능을 갖는 전극재료의 초기저항을 보다 낮추고 파티클간 접촉저항을 줄일 수 있는 이차전지용 전극재료 및 전극의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이차전지용 전극재료 제조방법은, 이차전지용 전극재를 PTC 재료와 혼합하는 제1공정; 혼합물을 성형틀에 넣고 가열한 상태에서 프레싱하는 제2공정; 및 상기 성형틀을 제거한 후, 고형화된 상기 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 제3공정;을 포함한다.
상기 제2공정에서는 상기 혼합물을 80~250℃로 가열한 상태에서 100~200kg/㎡의 압력으로 프레싱(Pressing)하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제3공정에서는 상기 고형화된 혼합물을 펠릿(Pellet) 형태로 가공한 후 밀링 가공하여 미세한 파우더로 분쇄하는 공정이 수행될 수 있다.
부가적으로, 상기 제3공정에서는 상기 파우더 형태의 혼합물을 슬러리(Slurry) 가공하는 공정;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차전지용 전극재를 PTC 재료와 혼합하는 공정; 혼합물을 성형틀에 넣고 가열한 상태에서 프레싱하는 공정; 상기 성형틀을 제거한 후, 고형화된 상기 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 공정; 상기 파우더 형태의 혼합물을 슬러리 가공하는 공정; 및 상기 슬러리를 금속전극 모재에 코팅하는 공정;을 포함하는 이차전지용 전극 제조방법이 제공된다.
상기 프레싱 공정은, 혼합물을 80~250℃로 가열한 상태에서 100~200kg/㎡의 압력을 가하여 수행하는 것이 바람직하다.
상기 분쇄 공정은, 고형화된 혼합물을 펠릿 형태로 가공한 후 밀링 가공함으로써 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 전극재료 제조방법이 수행되는 과정을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극재료 제조방법은 전극재와 PTC 재료의 혼합, 핫 프레싱(Hot pressing), 분쇄 등의 공정을 포함한다.
구체적으로, 혼합 공정에서는 이차전지용 전극재(양극재 또는 음극재)를 분말 형태의 PTC 재료와 혼합하는 처리를 수행한다(S100). 여기서, 전극재로는 리튬이온 이차전지용 양극재인 리튬(Li)-코발트(Co)계 산화물이나 리튬(Li)-니켈(Ni)-코발트(Co)-망간(Mn)계 산화물이 사용될 수 있다. 또한, PTC 재료로는 예컨대, 폴리에틸렌 등의 고분자 수지와, 카본 등의 전도성 물질을 혼합한 분말이 사용되는 것이 바람직하나, 이러한 예에 한정되지 않고 공지의 다양한 PTC 물질이 채용 가능함은 물론이다.
이차전지용 전극재(도 2의 100 참조)와 PTC 분말(도 2의 101 참조)의 혼합물은 소정 형상의 성형틀에 투입된 후 고온, 고압을 가하는 핫 프레싱 공정을 거치게 된다(S110,S120).
상기 혼합물에 대한 가열온도는 80~250℃로 설정하는 것이 바람직하다. 가열온도가 80℃ 미만인 경우 상기 혼합물을 이루는 고분자 수지가 제대로 연화되지 않아 프레싱이 원활히 이루어지지 않으며, 250℃를 초과하는 고온의 경우 고분자 수지가 탄화되는 문제가 발생한다.
한편, 프레싱 압력은 100~300kg/㎡로 설정하는 것이 바람직하다. 여기서, 압력이 100kg/㎡ 미만인 경우에는 혼합물을 이루는 파티클 간의 결합도가 낮아 접촉저항이 커지는 문제가 발생하고, 300kg/㎡을 초과하는 고압의 경우 프레싱된 혼합물이 구조적으로 불안정하여 쉽게 부서지는 문제가 발생한다.
핫 프레싱 공정이 완료되면 성형틀을 제거한 후 소정의 압출기를 이용해 혼 합물을 압출하고(S130), 경화시킨 상태에서 혼합물을 소정의 파쇄장치를 이용해 펠릿 형태로 가공하는 펠릿타이징(Pelleting) 공정이 수행된다(S140).
이후, 펠릿 형태로 가공된 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 밀링(Milling) 공정이 수행된다. 이때, 밀링장치로는 저온 분위기에서 높은 효율로 분쇄처리를 수행할 수 있도록 액체질소가 주입되는 프리저 밀(Freezer mill)이 사용되는 것이 바람직하다. 도 3에는 프리저 밀에 의해 분쇄되어(103 참조) 미세한 파우더 형태로 가공된 혼합물의 입자 결합 상태가 개략적으로 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법이 수행되는 과정을 도시하는 흐름도이다. 도 4에서, 도 1에 도시된 이차전지용 전극재료 제조방법과 동일한 참조부호는 동일한 공정에 해당하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 제조방법은 양극재(또는 음극재)를 PTC 재료와 혼합하는 공정(S100)과, 혼합물을 성형틀에 투입하여 핫 프레싱하는 공정(S110,S120)과, 성형틀을 제거한 후 압출하는 공정(S130)과, 펠릿타이징 및 밀링처리를 하여 파우더 형태로 제조하는 공정(S140,S150)과, 혼합물의 파우더를 슬러리 형태로 가공하는 공정(S160)과, 슬러리를 금속전극 모재에 코팅하는 공정(S170)을 포함한다.
공정 S100 내지 S150을 통해 제조된 양극재(또는 음극재) 및 PTC 재료의 혼합물 파우더는 바인더 물질 등과 함께 소정의 액체속에 분산되어 슬러리 형태로 가공된다.
상기 혼합물의 슬러리를 예컨대, 구리판에 해당하는 금속전극 모재에 코팅하게 되면 PTC 특성을 갖는 이차전지용 전극 제조과정이 완료된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면 전극재와 PTC 분말의 파티클들이 핫 프레싱에 의해 안정적으로 결합을 이루게 되므로 파티클 간의 결합저항과 PTC 초기저항이 종래에 비해 낮은 리튬이온 이차전지용 양극 및 음극을 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. 이차전지용 전극재를 PTC 재료와 혼합하는 제1공정;
    혼합물을 성형틀에 넣고 가열 및 프레싱하는 제2공정; 및
    상기 성형틀을 제거한 후, 고형화된 상기 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 제3공정;을 포함하는 이차전지용 전극재료 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2공정에서,
    상기 혼합물을 80~250℃로 가열한 상태에서 100~200kg/㎡의 압력으로 프레싱하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극재료 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3공정에서,
    상기 고형화된 혼합물을 펠릿 형태로 가공한 후 밀링 가공하여 파우더로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극재료 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3공정에서,
    상기 파우더 형태의 혼합물을 슬러리 가공하는 공정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극재료 제조방법.
  5. 이차전지용 전극재를 PTC 재료와 혼합하는 공정;
    혼합물을 성형틀에 넣고 가열한 상태에서 프레싱하는 프레싱 공정;
    상기 성형틀을 제거한 후, 고형화된 상기 혼합물을 파우더 형태로 분쇄하는 분쇄 공정;
    상기 파우더 형태의 혼합물을 슬러리 가공하는 공정; 및
    상기 슬러리를 금속전극 모재에 코팅하는 공정;을 포함하는 이차전지용 전극 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프레싱 공정은, 혼합물을 80~250℃로 가열한 상태에서 100~200kg/㎡의 압력을 가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 제조방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 분쇄 공정에서,
    상기 고형화된 혼합물을 펠릿 형태로 가공한 후 밀링 가공하여 파우더 형태로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 제조방법.
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