KR101095345B1 - 고에너지 밀도의 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 합제층의 단면 두께가 50 ㎛ 이상이며, 전해액이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있도록 전극 합제층과 집전체의 계면에 그것의 측면방향 만으로 개방되어 있는 다수의 유로들이 형성되어 있는 것으로 구성되어 있는 고에너지 밀도의 이차전지를 제공한다. 따라서, 전극 합제층과 집전체 사이의 계면에 형성되어 있는 유로로 인해 두꺼운 전극 합제층의 구성에도 불구하고 전해액의 침투가 용이하여 고에너지 밀도의 이차전지 제조가 가능하다.

Description

고에너지 밀도의 이차전지 {Secondary Battery of High Energy Density}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 집전체 상에 다수의 유로를 형성하는 과정의 모식도이다;

도 2는 도 1의 유로의 수직단면 모식도이다;

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 수직단면 모식도이다.

본 발명은 고에너지 밀도의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극, 분리막, 음극 및 전해액을 포함하는 것으로 구성된 이차전지로서, 전극 합제층의 단면 두께가 50 ㎛ 이상이며, 전해액이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있도록 전극 합제층과 집전체의 계면에 그것의 측면방향 만으로 개방되어 있는 다수의 유로들이 형성되어 있는 것으로 구성되어 있는 고에너지 밀도의 이차전지에 관한 것이다.

근래에는 다양한 모바일 및 멀티 컨텐츠 이용을 위해 이동이 가능한 에너지원이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 리튬 이차전지가 사용되어 왔으며, 시간이 지날수록 소비자들은 더 큰 용량의 에너지를 필요로 하고 있다.

그러나, 현 시점에서는 전지의 에너지 밀도에 한계를 지니는 바, 동일한 성분의 물질로 전극을 성형하는 경우, 기존의 전지보다 에너지 밀도를 높이기 위해서는, 전극의 로딩(loading) 양을 증가시키는 한편 다른 기타 부품의 부피 및 무게를 감소시켜야 하기 때문이다.

따라서, 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해서는 전극을 두껍게 하여야 하는데, 더욱 상세하게는 전극의 집전체에 도포되는 합제층의 두께를 증가시켜야 한다. 또한, 전극의 두께 증가에 따른 전지의 부피 증가를 막기 위하여 스택(stack) 수를 줄이면서도 최종 전지의 에너지 밀도를 더욱 높이는 기술이 요구된다. 그런데, 상기 전극의 두께를 증가시키면 여러 문제들이 발생한다.

그 중 가장 큰 문제가 되는 것은 전극의 전해액 젖음(웨팅: wetting)이 충분히 이루어지지 않는다는 점이다. 일반적으로 전해액은 전극 합제 성분들에 대한 친화성이 높지 않을 뿐만 아니라, 합제층의 부피를 크게 하는 경우에는 그에 따라 전해액의 이동 경로가 길어지므로, 전해액의 침투가 용이하지 않아 충분한 웨팅 특성을 달성하기 어렵기 때문이다. 전극에 전해액이 충분히 침투하지 못하면, 이온의 이동이 느려지게 되어 전극 반응이 원활히 이루어질 수 없고 결과적으로 전지의 효율이 저하된다.

한편, 전극은 충방전시 이온의 삽입/탈리에 의해 전극의 부피가 변화되고, 이에 따라 전지의 성능이 퇴화되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔으나, 보다 효과적인 방안이 요구되고 있다.

일반적으로, 이차전지의 전극은 집전체와 그 표면에 코팅되는 전극 합제로 이루어지는데, 소망하는 전지의 성능을 얻기 위하여 전극의 형태에 변화를 주거나 활물질의 성분 등을 조절하는 방법이 활발히 연구되고 있다.

종래에 전극의 형태에 변화를 주는 방법으로서 집전체에 패턴을 형성하는 방법이 알려져 있다(참조: 대한민국 특허등록 제0359615호, 제0359613호, 제0343793호, 특허공개 제2001-0110524호). 이 방법은 롤러를 사용하여 집전체에 패턴형성용 잉크 등을 도포하고 에칭하는 방법으로 개구공을 형성하는 방법이다. 그러나, 상기 방법은 집전체에 미세 홈을 형성하는 것일 뿐 전해액의 침투를 위한 유로가 형성되는 것이 아니므로, 전극에 대한 전해액의 웨팅성 향상에는 큰 효과를 기대할 수 없다.

또한, 집전체에 일정 패턴의 관통공을 형성하는 방법이 공개되어 있는데(참조: 일본특허공개 제2000-294249호, 제2002-184411호), 이 경우는 집전체 상에 개구공을 형성하는 것과 달리 집전체 양면을 관통하는 큰 홀(hole)이 형성되므로, 활물질의 이온 전도성은 좋으나 집전체의 상당부분을 손실하므로 고밀도 에너지 전지에 적용하기 어렵다.

집전체를 패턴화시키지 않고 집전체 상에 활물질을 패턴화하여 도포한 기술도 알려져 있다(참조: 일본특허등록 제3590220호, 제3528855호, 일본특허공개 제2005-190787호, 제2005-011657호, 제2004-127561호, 제2004-103474호, 제2001- 257001호). 이 방법들은 활물질의 도포에 있어서, 분사나 압착 등의 방법으로 집전체면에 선택적으로 도포하는 방법으로, 일정한 패턴에 따라 도포 부분과 비도포 부분으로 나눔으로써 집전체의 일부가 노출되게 하였다. 이러한 활물질 패터닝 방식은 충방전시의 부피 변화를 효과적으로 완충하는 작용을 하지만, 비도포 부분의 존재로 인해 활물질의 로딩량이 크게 줄어들게 되어 전지의 효율성 감소가 불가피하다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 목적은 이차전지의 전극 제조시 전극 활물질을 포함하는 합제층과 집전체 계면 상태를 변화시킴으로써, 종래 전극의 로딩량을 증가시키기 위하여 전극 합제층의 두께를 늘리는 경우 발생하는 전해액 웨팅 특성 감소의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 이차전지를 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극, 분리막, 음극 및 전해액을 포함하는 것으로 구성된 이차전지로서, 전극 합제층의 단면 두께가 50 ㎛ 이상이며, 전해액이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있도록 전극 합제층과 집전체의 계면에 그것의 측면방향 만으로 개방되어 있는 다수의 유로들이 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 가장 큰 특징은 전지의 에너지 밀도를 높이기 위하여 전극 활물질을 포함하는 전극 합제의 로딩량을 증가시키면서도 그에 따른 문제점인 전해액의 웨팅 특성을 향상시킬 수 있다는 점이다.

따라서, 본 발명에 있어서 집전체 상에 적층되는 합제층의 두께는 앞서 설명한 바와 같이 50 ㎛ 이상이다. 합제층의 두께가 너무 얇은 경우에는 소망하는 에너지 밀도의 향상을 기대하기 어렵다. 더욱이, 본 발명에서는 전해액의 용이한 침투를 위한 유로가 합제층과 집전체의 계면에 형성되어 있어서, 상기 유로의 형성으로 인한 로딩량의 감소를 보상할 필요가 있으므로, 합제층의 두께는 상기 범위 이상인 것이 요구된다. 더욱 바람직한 합제층의 두께는 50 ㎛ ~ 300 ㎛의 범위이다.

상기 유로는 전해액이 합제층과 집전체의 계면에 용이하게 침투할 수 있도록 조력하는 작용을 하므로, 전극 합제가 존재하지 않는 중공형(hollow type) 유로이거나, 전극 합제의 적층 밀도가 상대적으로 낮은 저밀도형(low density type) 유로일 수 있다.

상기 유로는 합제층과 집전체의 계면을 기준으로 측면방향 만으로 개방되어 있다는 점에 특징이 있다. 선행기술 중에는 앞서 설명한 바와 같이, 전지의 충방전시 합제층의 부피 변화를 완충하기 위하여, 집전체 상에 합제층을 패터닝하여 적층함으로써 계면의 상부방향 및 측면방향으로 개방되어 있는 유로를 형성하는 기술 이 존재한다. 이러한 선행기술의 유로 역시 전해액의 웨팅 특성을 향상시킬 수는 있지만, 합제층의 패터닝으로 인해 로딩량의 현저한 감소를 피할 수 없다는 근본적인 문제점을 가지고 있다.

패터닝의 형태 또는 형성방법이 어떠하든 간에 유로가 계면의 상부방향, 즉, 합제층의 상부로 개방된 경우에는 그러한 두께만큼 합제층의 로딩량 감소가 유발된다. 더욱이, 합제층의 두께가 커지는 경우에는 로딩량이 그에 비례하여 크게 감소하므로, 본 발명에서 목적하는 에너지 밀도의 향상을 기대할 수 없다.

또한, 선행기술 중에는 앞서 설명한 바와 같이, 전지의 충방전시 부피 변화로 인한 집전체와 합제층의 결합력 약화를 보상하기 위하여, 다양한 방식으로 집전체의 표면에 미세 요철을 형성한 후 합제층을 적층하는 기술이 존재한다. 그러나, 이러한 미세 요철은 폐쇄형(closed-type)으로서 전해액의 용이한 침투에 조력하지 못한다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지의 유로는 상기 선행기술들과는 차별화되는 기술 구성에 의해 발명의 목적을 달성하고 있는 것이다.

본 발명에서의 상기 다수의 유로들은 바람직하게는 상호 연통되어 있어서 일부 유로의 폐쇄에도 불구하고 전해액의 침투를 용이하게 할 수 있다.

상기 유로의 단면 형상과 수직 단면적은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서 유로의 수직 단면적은 전극 합제층을 기준으로 0.05 ~ 2%의 범위에 있다. 유로의 수직 단면적이 너무 작은 경우에는 웨팅 특성의 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 큰 경우에는 사공간(dead space)의 크기 증가로 전지의 성능 저하가 초래되므로 바람직하지 않다.

상기 유로는 양극, 음극 또는 이들 모두에 형성될 수 있으며, 전지의 충방전시 큰 부피 변화를 겪는 음극에 형성된 유로는 그러한 부피 변화를 부분적으로 완충하는 작용도 겸할 수 있다.

또한, 상기 유로는 다양한 형태로 집전체와 합제층의 계면에 존재할 수 있는 바, 예를 들어, 집전체 상에 만입홈의 형태로 존재할 수도 있고 합제층 상에 만입홈의 형태로 존재할 수도 있다. 후자의 경우와 관련하여, 한쪽 전극(예를 들어, 음극)의 합제층이 집전체와의 계면에서 만입홈에 의해 유로를 형성하고 그에 상응하는 패턴(A)이 합제층의 표면에 형성되어 있을 때, 나머지 전극(예를 들어, 양극)의 합제층 표면에는 상기 패턴(A)과 일치하는 대응 패턴(B)이 형성되어 있고 집전체와의 계면에 만입홈에 의해 유로가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조는 이후 도 3에서 설명하는 바와 같이 전극조립체의 두께를 더욱 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 또한 이차전지를 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 제조방법은 유로를 집전체 상에 형성하느냐 또는 합제층 상에 형성하느냐에 따라 달라질 수 있다.

유로를 집전체 상에 형성하는 방법은, 예를 들어, 합제층과 계면을 형성하게 될 표면에 유로용 요철이 패턴화 된 집전체 상에 합제 슬러리를 도포한 후 도포층을 균일한 압력으로 압축하는 방법을 들 수 있다. 이 경우, 집전체의 요철 중 음각 부위는 중공 상태로 남아 있거나 일부의 전극 합제만이 유입되어 상대적으로 낮 은 밀도 상태의 합제층이 얻어지므로 전해액의 유로로 사용될 수 있다.

유로를 합제층 상에 형성하는 방법은, 예를 들어, 집전체 상에 합제층을 도포한 후 표면에 유로의 형성을 위한 요철이 패턴화되어 있는 금형 또는 롤러로 상기 합제층을 압축하는 방법을 들 수 있다. 이 경우, 요철의 양각 부위는 합제층을 높은 압력으로 가압하는 반면에, 요철의 음각 부위는 낮은 압력으로 가압하므로 상기 음각 부위에 대응하는 유로가 집전체와의 계면에 형성된다. 이때, 상기 유로는 상대적으로 합제층의 밀도가 낮은 상태로 얻어진다.

경우에 따라서는 상기한 방법들을 병행하여 적용할 수도 있으며, 본 발명에 따른 유로를 제조하는 방법이라면 기타의 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 집전체 상에 다수의 유로를 형성하는 과정의 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 집전체(100)의 표면에는 체크 무늬 형상의 만입홈들(110)이 서로 연통된 상태로 다수 개 형성되어 있다. 만입홈(110)은 예를 들어 집전체(100)의 표면을 압연하여 형성할 수 있다. 이러한 집전체(100) 상에 전극 합제층(200)을 도포하여 균일한 압력으로 압축하여 하나의 전극을 제조한다. 이와 같이 제조된 전극(300)은 집전체(100)와 합제층(200) 사이의 계면에서 만입홈(110)이 유로(120)로서 남게 되며, 유로(120)는 상기 계면을 중심으로 측면방향으로 개방 구조를 형성한다.

도 2에는 그와 같이 형성된 유로의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 집전체(100) 상에 도포된 합제층(200)을 압축하는 과정에 서 일부의 전극 합제(210)가 만입홈(110)으로 유입되지만, 집전체(100) 전면에 대한 균일한 압축으로 인해 중공부(220)가 남게 되며, 이러한 중공부(220)는 유로로서 사용될 수 있다. 따라서, 전해액(도시하지 않음)은 합제층(200)의 두께(t)가 두꺼움에도 불구하고, 집전체(100)와의 계면 사이로 용이하게 침투하여 웨팅 특성을 향상시킬 수 있다.

도 3에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 양극 집전체(101)와 음극 집전체(102)의 표면에는 도 1에서와 같은 요철이 형성되어 있지 않음에 반하여, 양극 합제층(201)과 음극 합제층(202)은 집전체(101, 102)와의 계면이 굴곡져 만입홈(221, 222)을 만듦으로써 측면방향으로 개방된 유로(231, 232)가 형성된다. 이러한 만입홈(221, 222)에 대응하는 합제층(201, 202)의 표면에는 돌출부(241, 242)가 패턴화되어 형성되며, 양극 돌출부(241)와 음극 돌출부(242)는 서로의 계면이 일치될 수 있도록 엇갈려 형성되어 있다. 또한, 그 사이에 개재되는 분리막(400) 역시 두 돌출부(241, 242)에 대응하는 형상으로 굴곡져 있어서 전체 전극조립체의 두께 증가는 매우 작은 수준이다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 활물질을 포함하는 전극 합제층과 집전체 사이의 계면에 그것을 기준으로 측면방향으로 개방된 유로가 형성되어 있어서, 종래의 전지와 달리 전해액의 전극 침투가 원활하게 진행되어 고밀도 에너지의 이차전지 개발에 널리 효과적으로 적용될 수 있다.

Claims (10)

1. 양극, 분리막, 음극 및 전해액을 포함하는 것으로 구성된 이차전지로서, 전극 합제층의 두께가 50 ㎛ ~ 300 ㎛이며, 전해액이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있도록 전극 합제층과 집전체의 계면에 그것의 측면방향 만으로 개방되어 있는 다수의 유로들이 형성되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유로는 전극 합제가 존재하지 않는 중공형 유로이거나, 또는 전극 합제의 적층 밀도가 상대적으로 낮은 저밀도형 유로인 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 유로들은 상호 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 유로의 수직 단면적은 전극 합제층을 기준으로 0.05 ~ 2%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 유로는 음극에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 유로는 집전체 상에 만입홈의 형태로 존재하거나 합제층 상에 만입홈의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 7 항에 있어서, 한쪽 전극의 합제층이 집전체와의 계면에서 만입홈에 의해 유로를 형성하고 그에 상응하는 패턴(A)이 합제층의 표면에 형성되어 있을 때, 나머지 전극의 합제층 표면에는 상기 패턴(A)과 일치하는 대응 패턴(B)이 형성되어 있고 집전체와의 계면에 만입홈에 의해 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 전극 합제층과 계면을 형성하게 될 표면에 유로용 요철이 패턴화된 집전체 상에 합제 슬러리를 도포한 후 도포층을 균일한 압력으로 압축하여 제 1 항에 따른 이차전지를 제조하는 방법.
10. 집전체 상에 전극 합제층을 도포한 후 표면에 유로의 형성을 위한 요철이 패턴화되어 있는 금형 또는 롤러로 상기 합제층을 압축하여 제 1 항에 따른 이차전지를 제조하는 방법.

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