KR101520345B1 - 입체형 전극 어셈블리 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입체형 전극 어셈블리 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입체형 다공질체를 포함하는 입체형 전극 어셈블리의 용량을 높이면서도 롤루롤 방식으로 활물질을 코팅할 수 있도록 인장력 및 지지력을 확보하여 작업성을 높일 수 있는 새로운 구조의 입체형 전극 어셈블리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

입체형 전극 어셈블리 및 이의 제조 방법{Three dimensional electrode assembly and manufacturing method of the same}
본 발명은 입체형 전극 어셈블리 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입체형 다공질체를 포함하는 입체형 전극 어셈블리의 용량을 높이면서도 작업성을 높일 수 있는 새로운 구조의 입체형 전극 어셈블리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자기기 (MP3 플레이어, 디지털 카메라, 휴대전화, 디지털 캠코더, PDA, 노트북 등)의 휴대화 및 소형화가 가속화됨에 따라 휴대가 편하도록 좀 더 작고 가벼우며 오랫동안 사용할 수 있는 전력 공급원으로 이차전지, 특히 Li-이차전지에 대한 연구가 꾸준히 진행이 되고 있다. 이러한 전력 공급원으로 초소형 소자 내부에 두께가 수백 nm-수 ㎛ 정도인 얇은 박막의 형태로 전지를 집적할 수 있다면 휴대형 기기뿐만 아니라, MEMS(Micro Electro Mechanical System), 마이크로 로보틱스 (Micro Robotics), 마이크로 센서 등을 포함한 여러 용도에 광범위하게 사용될 수 있다.
최근 석유 자원의 고갈 및 환경 오염 등을 이유로 기존의 내연기관 자동차를 전기자동차 (EV; Electric Vehicle) 또는 하이브리드 전기자동차 (HEV; Hybrid Electric Vehicle)로 대체하려는 노력도 꾸준히 진행중이며, 이를 위해 출력 밀도가 크고 안정성이 우수한 저가의 전지 개발이 필요하다.
전지는 양극 (cathode)과, 음극 (anode)과, 전해질 (electrolyte)과, 분리막 (separator)으로 구성되어 있는데, 이들 중 양극과 음극을 구성하는 각각의 활물질 (active material)이 전지 특성에 가장 큰 영향을 미치게 된다.
리튬 이차전지의 양극 재료에 대해서는 1980년 미국의 J.B. Goodenough 등에 의해 층상구조 를 가지는 LiCoO2 양극 활물질을 사용하는 디자인이 소개가 된 이후, 1991년 일본 SONY사에 의해 최초로 상용화 되어 현재까지 주로 사용이 되고 있다.
음극 재료로서는 리튬금속, 리튬금속합금, 탄소재료, 실리콘, 주석산화물 및 전이금속산화물 등 다양한 물질이 있지만, 현재는 리튬의 삽입과 방출 반응에 대해 전위 변화가 작고 가역성이 우수한 카본 (탄소) 재료가 상용화되고 있다.
그러나, 현재 상용화되어 사용되고 있는 탄소 소재 (흑연, graphite)는 이론적으로 6개의 탄소 원자당 하나의 리튬 (LiC6)을 삽입함으로써 이론적 최대 용량이 372 mAh/g으로 제한이 되어 용량 증대에 한계가 있다.
탄소 재료 이외에, 리튬을 이용하는 경우 에너지 밀도가 매우 높아 고용량을 구현할 수 있지만, 리튬의 강한 환원력에 의한 수지상 (dendrite)의 형성으로 인해 안정성에 많은 문제점이 있으며, 리튬의 삽입(intercalation) 및 탈리 (deintercalation) 과정에 따른 사이클 특성이 크게 저하되는 단점이 있다.
다른 대안으로 연구되고 있는 것이 실리콘, 주석, 또는 그들의 합금을 들 수 있다. 실리콘은 리튬과의 화합물 형성 반응을 통해 리튬과의 가역 반응을 이루고 있으며, 이론적 최대 용량은 4200 mAh/g로 탄소계 물질에 비해 월등히 높은 값을 가지고 있다. 또한, 주석산화물과 같은 경우도 높은 이론 용량 (Bulk SnO2, 1494 mAh/g)을 가지고 있지만, 충·방전시 리튬과의 반응에 의해 체적 변화가 200∼350%로 상당히 크게 일어남으로써, 계속적인 충·방전 과정 중에 음극 활물질이 집전체로부터 떨어지거나 음극 활물질 상호 간의 접촉 계면 변화에 따른 저항의 증가로 사이클 특성이 크게 나빠지는 단점이 있다.
또한 종래 전기화학 전지는 일반적으로 평면적으로 집전체가 일면에 형성되어 있기 때문에, 전극 용량을 증가시키기 위해 전극이 두꺼워졌을 경우에 레이트 특성이 저하되고, 충분한 충방전 특성을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
한편, 용량을 높이기 위하여 입체형 다공체를 사용하는 경우 입체형 다공체 자체의 지지력 및 인장력이 약하기 때문에 활물질 코팅시 롤투롤 방식을 적용하여 대량으로 생산할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 전극 용량을 효율적으로 높이면서도 작업성을 확보할 수 있는 새로운 구조의 입체형 전극 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 입체형 전극 어셈블리를 이용하여 작업성이 개선된 새로운 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
입체형 다공질체;
상기 입체형 다공질체의 일면 또는 양면에 적층되는 활물질층; 및
상기 적층된 활물질층을 포함하는 입체형 다공질체의 주변부에 형성되는 집전체부;를 포함하는 입체형 전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 집전체부는 상기 입체형 다공질체에 부착되는 부착부; 및 상기 입체형 다공질체 주변부로 연장 형성되는 연장부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 부착부의 폭은 1 mm 내지 30 mm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 연장부의 폭은 1 mm 내지 50 mm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 입체형 다공질체는 부직포, 필름, 직물지, 또는 메쉬인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 입체형 다공질체의 재료 및 제조방법은 특별히 한정되지 않으며, 폴리에스터 (POLYESTER) 또는 PP(POLY-PROPYLENE) 재질의 부직포나, 합성 섬유사인 폴리아마이드(POLYAMIDE)를 직물 형태로 가공한 직물지를 모두 사용할 수 있다. 또한, 제조 방법에 있어서도 전기 방사에 의해 제조된 매트 무수의 미세한 요철부를 형성하여 입체화 된 금속박판 등 제한없이 사용되는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 상기 연장부에는 탭을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한,
입체형 다공질체를 위치시키는 단계;
상기 입체형 다공질체 주변부에 점착층 및 집전체를 적층시키는 단계;
상기 입체형 다공질체, 점착층 및 집전체를 압착하여 입체형 다공질체의 주변부에 부착부 및 연장부를 형성하는 단계; 및
상기 입체형 다공질체에 활물질을 적층시키는 단계;를 포함하는 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 점착층은 전기전도성 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 “전기전도성 페이스트” 라는 용어는 일반적으로는 수지계 결합제와 용매로 이루어진 비히클 중에 충전제로서 전기전도성 분체(전기전도 충전제라고 호칭한다)를 분산시킨 유동성이 있는 유체를 가리키며, 이것을 적당한 온도로 승온(昇溫)시킬 때에 비히클이 증발·분해되며 잔류된 전기전도 충전제가 소결체로 되어 양호한 전기전도체가 형성되는 것을 말한다. 요컨대, 고온에서 소성할 때에 도체를 형성하는 페이스트를 약칭하여 전기전도 페이스트라고 한다. 전기전도성 분체는 평균 입도가 35 ㎛이하 탭덴시티(Tap Density)가 2.0 내지 4.5 g/cm3, 비중은 1.5 내지 4.0 g/cm3, 비표면적이 1.0 내지 2.5 m2/g인 프레이크(Flake), 수지상(Dendrite) 결정형, 미립자형(Granule type) 구형(Spherical Type) 또는 무정형(Amorphous type) 20 내지 50 wt%인 것이 포함되고, 무정형으로는 은, 동 니켈, 은이 코팅된 동, 은이 코팅된 알루미늄, 은이 코팅된 그라스, 은이 코팅된 니켈, 은이 코팅된 흑연 등이 있다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 입체형 다공질체에 활물질을 코팅시키는 단계에서는 상기 연장부를 기반으로 롤투롤 방식으로 상기 입체형 전극 구조체를 지지하면서 활물질을 코팅시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 점착층은 아크릴 점착제, 우레탄 점착제, 에폭시 점착제, 실리콘 점착제 또는 고무 점착제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리는 미세 기공이 존재하여 비표면적 (반응 면적)이 크게 증대되고 높은 초기 방전 용량 및 충전 용량을 나타낼 수 있으며, 상기 입체형 다공체 주변부에 집전체부를 포함하고, 인장력 및 지지력이 약한 입체형 다공체에 충분한 인장력을 부여하여 본 발명에 의한 입체형 전극 어셉블리의 제조 방법은 일정 적층량 이상에서도 안정적인 충방전 특성과 출력 특성이 확보되도록 하면서도, Roll-to-Roll 공정 등 연속 공정을 적용하여 작업성을 높이면서 활물질을 코팅할 수 있어 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 입체형 다공질체를 직접 제조시 발생할 수 있는 Burr, Scrap 발생 등을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 구조를 모식적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 다른 실시예를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리 제조 방법의 다른 실시예를 나타낸다.
도 5 및 도 6 은 롤투롤 방식에 의한 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리 제조 방법의 실시예를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 구조를 모식적으로 나타낸다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리는 입체형 다공질체(100); 상기 입체형 다공질체의 일면 또는 양면에 적층되는 활물질층(미도시); 및 상기 적층된 활물질층을 포함하는 입체형 다공질체의 주변부에 형성되고, 상기 입체형 다공질체에 부착되는 부착부(210); 및 상기 입체형 다공질체 주변부로 연장 형성되는 연장부(220);를 포함하는 집전체부(200);를 포함한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 부착부(210)의 폭(w1)은 1 mm 내지 30 mm 인 것이 바람직하다. 상기 부착부의 폭이 1 mm 이하인 경우 상기 부착부에 의한 입체형 다공질체를 지지하는 지지력이 약해지고, 상기 부착부의 폭이 30 mm 이상인 경우 상기 입체형 다공질체에 활물질을 코팅하는 면적이 감소하고 그에 따라 전지 용량이 감소하게 되어 바람직하지 않다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 연장부의 폭(w2)은 1 mm 내지 50 mm 인 것이 바람직하다. 상기 연장부의 폭이 1 mm 이하로 절단하기에는 작업성이 저하되고 연장부의 폭이 10 mm 이상인 경우 연장부 폭 증가에 따른 효과가 나타나지 않는다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리는 도 2에서 보는 바와 같이 전극탭(300)을 더 포함하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리에 있어서, 상기 입체형 다공질체는 부직포, 필름, 직물지, 메쉬 또는 전기 방사에 의해 제조된 매트 등 제한없이 사용되는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법을 모식적으로 나타낸다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법은
입체형 다공질체를 위치시키는 단계;
상기 입체형 다공질체 주변부에 점착층(120) 및 집전체(110)를 적층시키는 단계;
상기 입체형 다공질체, 점착층 및 집전체를 압착하여 입체형 다공질체의 주변부에 부착부 및 연장부를 형성하는 단계; 및
상기 입체형 다공질체에 활물질을 적층시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 점착층은 아크릴 점착제, 우레탄 점착제, 에폭시 점착제, 실리콘 점착제 또는 고무 점착제를 포함하여 도 3에서 보는 바와 같이 상기 입체형 다공질체의 주변부에 상기 집전체를 부착시켜서 부착부를 형성하고, 상기 집전체로부터 연장된 부분에서는 상기 점착체층이 상호 접착되면서 연장부를 형성한다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 점착층은 전기전도성 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 전기전도성 페이스트를 포함함으로써 상기 입체형 다공질체에 적층된 활물질로부터 발생되는 전기를 효과적으로 집전체에 전달할 수 있게 된다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 입체형 다공질체는 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이 종방향 또는 횡방향으로 복수개 위치시켜서 활물질을 코팅하고, 이후 각각의 입체형 다공질체를 절단하는 단계를 더 포함하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 활물질은 음극활물질, 양극활물질 등 제한되지 않고 사용되는 것이 가능하다.
상기 연장부를 기반으로 롤투롤 방식으로 상기 입체형 전극 구조체를 지지하면서 활물질을 적층시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 입체형 다공질체에 활물질을 적층시키는 단계에서는 상기 집전체가 주변부에 형성된 상기 입체형 다공체를 도 5에서 보는 바와 같이 원통형으로 감고, 입체형 다공질체 자체는 인장력과 지지력이 약하기 때문에 도 6에서 보는 바와 같이 상기 입체형 다공질체 주변에 형성되는 연장부를 기반으로 인장력을 인가하면서 활물질을 코팅하게 된다.

Claims (10)

  1. 입체형 다공질체;
    상기 입체형 다공질체의 일면 또는 양면에 적층되는 활물질층; 및
    상기 적층된 활물질층을 포함하는 입체형 다공질체의 주변부에 형성되는 집전체부;를 포함하는 입체형 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전체부는 상기 입체형 다공질체에 부착되는 부착부; 및
    상기 입체형 다공질체 주변부로 연장 형성되는 연장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체형 전극 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부착부의 폭은 1 mm 내지 30 mm 인 것을 특징으로 하는 입체형 전극 어셈블리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연장부의 폭은 1 mm 내지 50 mm 인 것을 특징으로 하는 입체형 전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입체형 다공질체는 부직포, 필름, 직물지, 및 메쉬로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 입체형 전극 어셈블리.
  6. 입체형 다공질체를 위치시키는 단계;
    상기 입체형 다공질체 주변부에 점착층 및 집전체를 적층시키는 단계;
    상기 입체형 다공질체, 점착층 및 집전체를 압착하여 입체형 다공질체의 주변부에 부착부 및 연장부를 형성하는 단계; 및
    상기 입체형 다공질체에 활물질을 적층시키는 단계;를 포함하는 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 점착층은 아크릴 점착제, 우레탄 점착제, 에폭시 점착제, 실리콘 점착제 또는 고무 점착제를 포함하는 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 점착층은 전기전도성 페이스트를 포함하는 것인 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 입체형 다공질체에 활물질을 코팅시키는 단계에서는 상기 연장부를 기반으로 롤투롤 방식으로 상기 입체형 전극 구조체를 지지하면서 활물질을 코팅시키는 것을 특징으로 하는 입체형 전극 어셈블리의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 의한 입체형 전극 어셈블리를 포함하는 리튬 이차 전지.
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