KR101117370B1

KR101117370B1 - 울음특성이 개선된 리튬 이차전지의 집전체용 동박

Info

Publication number: KR101117370B1
Application number: KR1020090044044A
Authority: KR
Inventors: 김대영; 이병광; 최승준
Original assignee: 엘에스엠트론 주식회사
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2012-03-07
Also published as: KR20100125044A

Abstract

본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박은, 결정구조에 있어서 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수(Texture Coefficient)의 전체 합 중에서 (111)면과 (200)면의 집합조직계수의 합이 차지하는 비율이 60 ~ 85%이며, 상기 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수의 전체 합에 대한 (111)면의 집합조직계수의 비율이 18 ~ 38%, (200)면의 집합조직계수의 비율이 28 ~ 62 %, (220)면의 집합조직계수의 비율이 15 ~ 40%이고, 표면조도(R_z-JIS)가 2㎛ 이하이고, 중량편차 특성이 3% 이하이고, 인장강도가 30~40kgf/㎟이고, 연신율이 3~20%이고, 동박두께가 1~35㎛인 것을 특징으로 한다.

집전체, 울음성, 집합조직계수, XRD, 표면조도, 인장강도, 표점거리, 연신율

Description

울음특성이 개선된 리튬 이차전지의 집전체용 동박{COPPER FOIL FOR CURRENT COLLECTOR OF LITHIUM SECONDARY BATTERY IMPROVED IN WRINKLE CHARACTERISTICS}

본 발명은 리튬 이차전지의 집전체로 사용되는 동박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동박 표면에서 울음(Wrinkle)이 발생하는 것을 방지할 수 있는 구조를 가진 리튬 이차전지의 집전체용 동박에 관한 것이다.

리튬 이차전지는 여타의 이차전지에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 높고, 작동전압이 높을 뿐만 아니라 우수한 보존 및 수명특성을 보이는 등 많은 장점이 있어 개인용 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기, 휴대용 CD 플레이어, PDA 등 각종 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다.

일반적으로 리튬 이차전지는 전해질을 사이에 두고 배치된 양극 및 음극과, 상기 양극과 음극에 각각 포함된 양극 활물질 및 음극 활물질과, 상기 양극 활물질과 음극 활물질에 각각 접촉하는 양극 집전체 및 음극 집전체를 구비한 구조를 갖는다.

리튬 이차전지에 있어서 음극 집전체의 소재로는 주로 동박이 사용되며, 통상적으로 이 동박에는 카본(Carbon)계 슬러리의 활물질이 코팅된다. 여기서, 동박 은 전기 도금법으로 전해동박을 제조하는 제박공정과 원박에 박리강도(Peel strength) 등을 부여하기 위한 후처리 공정을 통하여 제조된다. 전기도금에 의해 전해동박의 일면에는 제박기의 드럼(Drum)의 표면형상을 따르는 이른바, 샤이니 면(Shiny side)이 형성되고, 타면에는 산(Mountain) 구조에 의해 상대적으로 조도가 높은 매트면(Matte Side)이 형성된다. 또한, 전해동박은 후처리 공정에서 내식성 및 내변색성을 확보하기 위해 보호성 Coating을 추가로 실시하게 된다.

리튬 이차전지는 집전체로 사용되는 동박의 표면 상태에 따라 전지특성이 크게 변하므로 수율의 향상을 위해서는 울음특성(Wrinkle characteristics)과 같은 표면 특성을 개선하는 것이 매우 중요하다.

도 1에 도시된 바와 같이 동박의 표면에 울음이 존재할 경우 표면형상의 불균일로 인해 활물질의 균일한 코팅이 이루어지지 않으며, 이로 인해 충,방전 시 단락이 발생하거나 동박으로부터 활물질이 박리되는 현상이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 동박표면에서 울음이 발생하는 것을 저감할 수 있는 결정구조를 가진 리튬 이차전지의 집전체용 동박을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 동박표면에서 울음이 발생하는 것을 보다 효과적으로 저감하기 위해 표면조도(Surface Roughness), 중량편차, 인장강도, 연신율, 두께 등의 인자가 최적화된 리튬 이차전지의 집전체용 동박을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박은, 결정구조에 있어서 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수(Texture Coefficient)의 전체 합 중에서 (111)면과 (200)면의 집합조직계수의 합이 차지하는 비율이 60 ~ 85%이며, 상기 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수의 전체 합에 대한 (111)면의 집합조직계수의 비율이 18 ~ 38%, (200)면의 집합조직계수의 비율이 28 ~ 62 %, (220)면의 집합조직계수의 비율이 15 ~ 40%인 것을 특징으로 한다.

상기 동박의 표면조도(R_z-JIS)는 2㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 동박의 중량편차 특성은 3% 이하인 것이 바람직하다.

상기 동박의 인장강도는 30~40kgf/㎟인 것이 바람직하다.

상기 동박의 연신율은 3~20%인 것이 바람직하다.

상기 동박의 두께는 1~35㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박은 표면에 울음이 실질적으로 발생하지 않으므로 활물질의 코팅 시 균일한 코팅면을 형성할 수 있고 단락의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 카본계 슬러리와 같은 음극 활물질과의 접촉 시 밀착력이 충분히 확보되어 박리강도가 우수하므로 리튬 이차전지의 용량을 안정적으로 유지할 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.

본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박은 결정구조, 표면조도, 중량편차, 인장강도, 연신율 등의 인자가 최적화되어 울음이 발생하지 않는 표면특성을 제공한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박은 황산동, 황산 및 염소로 구성된 황산동 도금액을 기본으로 하고, 미량의 유기 첨가제를 첨가하여 제조된다. 여기서 첨가제로는 도금 표면에 광택을 부여하고 미세한 도금층을 얻기 위한 Brightner로서 Sulfide를 함유한 sulphonate계열의 첨가제와, 저조도의 동박을 얻기 위해 첨가하는 leveler로서 분자량 1,000 ~ 100,000정도의 저분자량을 갖는 Gelatin과, 안정적인 저조도를 구현하기 위한 suppressor로서 Cellulose계열의 첨가제가 사용된다. 공정조건으로는 30 ~ 80ASD(A/dm²)의 전류밀도 및 30 ~ 60℃의 온도에서 제박기의 드럼 표면에 구리를 전착하여 원박을 제조하고, 방청처리를 위 해 동박 표면을 크로메이트(Chromate) 처리하는 공정을 거쳐 제조된다.

동박의 결정구조는 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수(Texture Coefficient)의 전체 합 중에서 (111)면과 (200)면의 집합조직계수의 합이 차지하는 비율이 60 ~ 85%인 조건을 만족해야 한다. 아울러, (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수(Texture Coefficient)의 전체 합에 대한 (111)면의 집합조직계수의 비율은 18 ~ 38%, (200)면의 집합조직계수의 비율은 28 ~ 62 %, (220)면의 집합조직계수의 비율은 15 ~ 40%의 조건을 만족해야 한다. 이와 같은 결정구조는 동박(100)의 제조를 위한 상술한 전기도금공정 시 전류밀도나 첨가제 등을 제어함으로써 달성될 수 있다.

상기 집합조직계수의 수치범위를 벗어나는 경우 동박의 폭 방향으로 울음이 다수 발생하게 되며, 이로 인해 활물질의 코팅 시 동박표면에 대한 활물질의 밀착성이 떨어지는 문제가 있다. 여기서, 집합조직계수(TC)는 X선 회절법(XRD)을 적용하여 도 2에 도시된 바와 같이 각 결정면의 회절강도 피크(Peak)치를 얻은 후 기준 피크치와 비교하여 아래의 수학식 1을 따르는 범위 내에서 환산함으로써 결정된다. 수학식 1에서 I(hkl)은 (hkl)면에 대한 측정 회절강도를 나타내며, I₀(hkl)은 ASTM(American Society of Testing Materials) 표준 분말형상 회절 데이터의 표준 회절강도를 나타낸다.

동박의 표면조도(R_z)는 일본공업표준규격(JIS) 기준으로 2㎛ 이하인 조건을 만족해야 한다. 표면조도(R_z)가 2㎛를 초과하는 경우 표면이 불균일하여 리튬 이차전지의 충,방전 시 단락이 발생할 수 있으며, 음극 활물질의 코팅상태가 불균일해지는 문제가 발생하게 된다.

동박의 중량편차 특성은 3% 이하의 조건을 만족해야 한다. 중량편차 특성이 3%를 초과하는 경우 동박 표면에 물성 편차가 발생하여 울음 수가 증가하고 집전체의 물성이 불균일해지는 문제가 발생하게 된다. 여기서, 중량편차는 동박을 5㎝×5㎝의 면적으로 절개하여 시편을 만든 후 그 중량을 측정하여 단위면적당 동박 중량값을 환산하고, 동박의 폭 방향을 따라 상기 시편을 절개하는 과정을 반복적으로 수행하여 각 시편에 대한 동박 중량값들을 측정한 후 표준편차를 계산함으로써 산출한다. 이때 동박은 크로메이트 표면처리를 통해 방청처리된 전해동박을 사용하는 것이 바람직하다.

그밖에, 동박의 인장강도는 30~40kgf/㎟, 연신율은 3~20%, 두께는 1~35㎛의 조건을 만족해야 한다. 이와 같은 범위를 벗어나는 경우 동박의 물성 편차가 발생하여 울음 수가 증가하고 집전체의 물성이 불균일해지는 문제가 발생하게 된다.

아래의 표 1은 본 발명의 실시예 1 내지 7과 비교예 1 내지 9에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박에 대하여 울음특성을 측정한 결과를 나타낸다. 표 1에서 인장강도는 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 측정하였으며, 이때 표점거리(Gauge Length)는 5㎝로 설정하였다.

표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 내지 7에 따른 동박은 상술한 집합조직계수 비율, 인장강도, 중량편차, 동박두께의 조건을 모두 만족함에 따라 울음이 발생하지 않는 결과를 보임을 확인할 수 있다. 반면에, 비교예 1 내지 9에 따른 동박은 울음이 다수 발생하여 리튬 이차전지의 집전체로 사용되기에 부적합한 특성을 보임을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박은 집합조직계수 비율의 조건만을 만족해도 울음특성이 종래에 비해 개선될 수 있으나, 비교예 1 내지 9에 나타난 바와 같이 인장강도, 중량편차 등의 다른 조건이 해당 수치범위를 벗어날 경우에는 개선된 특성에 악영향을 미쳐 최종적으로 울음특성의 저하를 초래하므로 상술한 집합조직계수 비율, 인장강도, 중량편차, 동박두께 등의 조건을 모두 만족하는 것이 가장 바람직하다.

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 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박에 울음이 발생한 상태를 보여주는 사진이다.

도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지 집전체용 동박의 집합조직계수의 산출을 위해 X선 회절법(XRD)을 실시한 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims

중량편차 특성이 3% 이하이고, 인장강도가 30~40kgf/㎟인 리튬 이차전지의 집전체로 사용되는 동박에 있어서,

결정구조에 있어서 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수(Texture Coefficient)의 전체 합 중에서 (111)면과 (200)면의 집합조직계수의 합이 차지하는 비율이 60 ~ 85%이며, 상기 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수의 전체 합에 대한 (111)면의 집합조직계수의 비율이 18 ~ 38%, (200)면의 집합조직계수의 비율이 28 ~ 62 %, (220)면의 집합조직계수의 비율이 15 ~ 40%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 집전체용 동박.
제1항에 있어서,

표면조도(R_z-JIS)가 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 집전체용 동박.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

연신율이 3~20%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 집전체용 동박.
제1항 또는 제2항에 있어서,

동박두께가 1~35㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 집전체용 동박.
리튬 이차전지의 집전체로 사용되는 동박에 있어서,

결정구조에 있어서 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수(Texture Coefficient)의 전체 합 중에서 (111)면과 (200)면의 집합조직계수의 합이 차지하는 비율이 60 ~ 85%이며, 상기 (111)면, (200)면, (220)면의 집합조직계수의 전체 합에 대한 (111)면의 집합조직계수의 비율이 18 ~ 38%, (200)면의 집합조직계수의 비율이 28 ~ 62 %, (220)면의 집합조직계수의 비율이 15 ~ 40%이고,

표면조도(R_z-JIS)가 2㎛ 이하이고,

중량편차 특성이 3% 이하이고,

인장강도가 30~40kgf/㎟이고,

연신율이 3~20%이고,

동박두께가 1~35㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 집전체용 동박.