KR101733846B1 - 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체는 리튬 금속판, 패시베이션층 필름을 포함한다. 패시베이션 필름은 유리 기판 상에 패시베이션 조성물을 도포 및 경화시킴으로써 제조할 수 있다. 패시베이션 필름은 리튬 금속판의 양면에 부착된다.
본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법은 리튬 금속판에 패시베이션 필름을 형성함으로써 리튬 금속판이 수분과 반응하거나 덴드라이트를 형성하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 리튬 금속을 전극으로 사용함으로써, 고용량, 고에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있다

Description

패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법 {Li cathode unit covered with passivation layer and manufacturing method thereof}
본 발명은 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리튬 금속판과 리튬 금속판의 상면 및 하면에 형성되는 패시베이션 필름을 포함하며, 패시베이션 필름을 리튬 금속판의 상면 및 하면에 부착하여 제조하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이동 전화기부터 시작하여, 무선 가전 기기, 전기 자동차에 이르기까지 전지를 필요로 하는 다양한 기기들이 개발되고 있다. 이러한 기기들의 개발에 따라 이차 전지에 대한 수요 역시 증가하고 있다. 특히, 전자 제품의 소형화 경향과 더불어 이차 전지도 경량화 및 소형화되고 있는 추세이다.
이러한 추세에 부합하여 최근 리튬 금속 이차 전지(Lithium Metal Battery, LMB)가 각광을 받고 있다. 리튬 금속 이차 전지는 음극으로서 리튬을 사용하고 있다. 리튬은 밀도가 낮고 표준 환원 전위가 -3.04 V로 낮기 때문에 가벼우면서도 이차 전지 제조시 고에너지를 낼 수 있다는 장점이 있다.
공개특허 제2013-0043117호에는 LiNiCoMnO2, LiNiO2, LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 등의 리튬 금속 산화물을 이용한 리튬 이차 전지에 대하여 개시되어 있다. 일반적으로 이차 전지에서 음극으로서 리튬 산화물을 이용하는데, 이는 리튬 금속의 반응성이 매우 크기 때문이다. 리튬 금속은 공기 중의 수분과 반응하여 LiOH, Li2O, Li2CO3, Li3N 등의 부산물을 생성하여 리튬 금속의 초기 저항을 증가시키거나 심한 경우 리튬 금속이 전량 산화되어 전극으로의 사용이 불가하게 된다. 리튬 금속을 전지로 사용하는 경우 전지의 충전 및 방전 과정 동안 리튬 금속의 표면에는 덴드라이트가 형성된다. 덴드라이트는 다양한 형상으로 성장할 수 있지만, 특히 바늘 형상으로 성장하는 경우 전지 내의 분리막을 찢어 전지의 양극과 음극이 접촉하여 쇼트를 일으키거나 폭발을 유발할 수도 있다. 설사 폭발이 일어나지 않는다 하여도 리튬 덴드라이트는 성장 도중 부서져 전극의 도전 구조로부터 떨어진 작은 조각이 되어 전지의 용량 퇴화가 진행되며 결국 전지 수명을 급격히 감소시킨다. 또한, 리튬은 강도가 매우 약한 금속이기 때문에 금속으로서 바로 활용하기가 어려운 문제가 있다.
이에, 리튬 금속을 사용하여 에너지 효율을 높이면서도 리튬의 반응성 문제를 해결할 수 있는 리튬 금속 전극의 개발이 요구된다. 또한, 리튬 금속에 패시베이션층을 형성하여 리튬 금속을 보호하면서도, 보다 공정을 간단하게 할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2013-0043117호 (공개일: 2013.04.29)
본 발명의 목적은 리튬 금속 전극이 적용되는 셀 제작시 수분으로부터 리튬 금속을 보호하고, 리튬 전극에 덴드라이트가 형성되는 것을 억제하여 전지의 수명 특성을 향상시키는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 리튬 금속에 패시베이션층을 보다 간편하게 형성하면서도 롤링시 리튬의 변형을 방지할 수 있는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체는 리튬 금속판과 패시베이션 필름을 포함한다. 패시베이션 필름은 리튬 금속판의 상면 및 하면에 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체는 리튬 금속판, 패시베이션 필름, 금속층을 포함한다. 패시베이션 필름은 리튬 금속판의 상면에 형성되며, 금속층은 리튬 금속판의 하면에 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체에서 패시베이션 필름의 일면에는 접착 물질이 전면 또는 일부분 도포될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체에서 패시베이션 필름은 금속 산화물, 탄소 나노 튜브, 고분자 전해질 및 유리 섬유 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체에서 금속 산화물은 와이어, 튜브, 또는 파티클 타입 중 적어도 한 종류의 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법은 패시베이션 필름을 준비하는 단계, 패시베이션 필름을 리튬 금속판의 상면 및 하면에 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법은 패시베이션 필름을 준비하는 단계, 리튬 금속판의 일면에 금속층을 적층하는 단계, 리튬 금속판의 타면에 패시베이션 필름을 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법은 리튬 금속판의 상면 및 하면에 패시베이션 조성물을 도포하는 단계, 도포된 패시베이션 조성물을 경화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법은 금속층 상에 리튬 금속판을 적층하는 단계, 리튬 금속판의 상면에 패시베이션 조성물을 도포하는 단계, 도포된 패시베이션 조성물을 경화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법에서 패시베이션 조성물은 금속 산화물 또는 탄소 나노 튜브, 고분자 전해질, 유리 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법에서 금속 산화물은 와이어, 튜브, 또는 파티클 타입 중 적어도 한 종류의 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법은 패시베이션층이 형성된 리튬 금속판을 압연하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법은 패시베이션 필름을 리튬 금속판에 부착하는 단계 이전에, 패시베이션 필름의 일면의 전면 또는 일부에 접착 물질을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법은 리튬 전극에 덴드라이트가 생성되는 것을 억제시켜 쇼트나 폭발의 위험을 낮추고, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체 및 그 제조 방법은 리튬 금속 상에 패시베이션층을 간단하게 형성할 수 있으며, 동시에 리튬 금속을 공기 중의 수분으로부터 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체에서 패시베이션 필름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 전극 구조체를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 전극 구조체(1000)는 리튬 금속판(1100), 패시베이션 필름(1210, 1220)을 포함한다. 리튬 금속은 판형의 금속을 이용한다. 리튬 금속판은 전극 제조에 용이하도록 전극 형태에 따라 폭이 조절될 수 있다. 리튬 금속판의 두께는 1~500㎛일 수 있다.
패시베이션 필름(1210, 1220)은 리튬 금속판(1100)의 상면과 하면에 부착된다. 패시베이션 필름(1210, 1220)은 리튬 금속판(1100)을 전해질 중의 수분으로부터 차단하며 덴드라이트의 생성을 억제하는 역할을 한다. 패시베이션 필름(1210, 1220)은 패시베이션 조성물을 유리 기판 등에 도포하고 경화 및 분리시켜 제조하거나, 페시베이션 조성물을 리튬 금속판(1100)에 직접 도포하여 경화시켜 제조할 수 있다. 패시베이션 필름은 필름의 기계적 강도를 강화시키기 위해서 와이어, 튜브, 파티클 타입의 금속 산화물이나 탄소 나노 튜브(CNT), 유리 섬유 직물 등이 사용될 수 있다. 금속 산화물로서는 Al2O3또는 실리콘 산화물이 이용될 수 있다.
구체적으로, 패시베이션 필름은 유리 기판에 패시베이션 조성물을 도포하여 경화시킨 후 유리 기판으로부터 분리함으로써 제조할 수 있다. 패시베이션 조성물은 금속 산화물, 탄소 나노 튜브, 고분자 전해질 및 유리 섬유 중 하나를 포함할 수 있으나, 소재는 이에 한정하지 않으며, 리튬 금속을 수분으로부터 보호하고 패시베이션 필름의 기계적 강도를 증가시키는 소재라면 무엇이라도 무방하다. 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3),실리콘 산화물 등의 와이어, 튜브, 파티클 타입 금속 산화물, 실버나노와이어, 구리 메시, 실버 메시, 은염 등의 소재가 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 물질을 고분자 물질과 컴파운딩하여 고분자 복합체로서 이용할 수 있다. 예를 들어, 고분자 필름으로서 PVDF, PVDF-HFP, PE, PP 등이 이용될 수 있으며, 고분자 전해질로서 PEO, PEG, 폴리실록산(polysiloxane), PDMS, PMMA, PAN 계열 고분자, acrylate 계열 고분자 등이 이용될 수 있다. 유리 섬유는 강도가 높아 패시베이션 필름에 사용되어 필름의 강도를 높일 수 있다. 유리 섬유 직물 상에 PVDF, PVDF-HFP, PE, PP 등의 고분자를 코팅하여 사용할 수도 있다.
패시베이션 필름(1210, 1220)은 리튬 금속판(1100)의 상면 및 하면에 부착된다. 패시베이션 필름(1210, 1220)의 폭은 리튬 금속판(1100)의 폭과 같거나, 약간 더 넓게 형성한다. 패시베이션 필름(1210, 1220)의 폭이 리튬 금속판(1100)의 폭보다 넓은 경우 리튬 금속판(1100)의 옆면까지 덮을 수 있어 리튬 금속판(1100)을 효과적으로 보호할 수 있다. 패시베이션 필름(1210, 1220)을 리튬 금속판(1100)에 원활하게 부착하기 위하여, 패시베이션 필름(1210, 1220)과 리튬 금속판(1100) 사이에 접착 성분을 개재할 수 있다. 접착 성분으로서는 폴리도파민, 올레핀계 엘라스토머, 실리콘계 엘라스토머, 아크릴계 엘라스토머 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
리튬 금속판(1100)의 양면에 패시베이션 필름(1210, 1220)이 형성됨에 따라, 리튬이 대기 중의 수분과 반응하거나 전해질에 노출되는 것을 방지하고, 리튬 전극 구조체(1000)의 강도를 보강할 수 있다.
본 실시예에서는 리튬 금속판(1100)의 양 면에 패시베이션 필름(1210, 1220)을 형성하였지만, 리튬 금속판의 일면에만 패시베이션 필름을 형성하고, 다른 면에는 금속층 등 다른 물질층을 형성할 수도 있다. 금속층으로서 구리나 니켈, 은 등이 이용될 수 있다. 도 2에는 리튬 금속판(2100)의 일면에는 패시베이션 필름(2210)을 형성하고, 다른 면에는 구리 금속층(2220)이 형성된 리튬 전극 구조체가 도시되어 있다. 리튬 금속판(2100)의 한 면을 금속층으로 형성하는 경우 리튬 전극 구조체(2000)의 강도를 더욱 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체에서 패시베이션 필름을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법을 나타내는 개념도이다.
본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체를 제조하기 위하여 우선 패시베이션 필름을 제조한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 패시베이션 필름(1210)을 제조하기 위해서 유리 기판(1211) 상에 패시베이션 조성물(1212)을 도포한다. 패시베이션 조성물은 금속 산화물, 탄소 나노 튜브, 고분자 전해질 및 유리 섬유 중 하나를 포함할 수 있다. 금속 산화물은 필름의 강도를 높일 수 있도록 와이어(wire), 튜브(tube) 또는 파티클(particle) 타입의 금속 산화물(예를 들어, Al2O3또는 실리콘 산화물)이 이용될 수 있다. 실버나노와이어, 구리 메시, 실버 메시, 은염 등의 소재가 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 물질을 고분자 물질과 컴파운딩하여 고분자 복합체로서 이용할 수 있다. 예를 들어, 고분자 필름으로서 PVDF, PVDF-HFP, PE, PP 등이 이용될 수 있으며, 고분자 전해질로서 PEO, PEG, 폴리실록산(polysiloxane), PDMS, PMMA, PAN 계열 고분자, acrylate 계열 고분자 등이 이용될 수 있다. 유리 섬유는 강도가 높아 패시베이션 필름에 사용되어 필름의 강도를 높일 수 있다. 유리 섬유 직물 상에 PVDF, PVDF-HFP, PE, PP 등의 고분자를 코팅하여 사용할 수도 있다. 패시베이션 조성물의 소재는 이에 한정하지는 않으며, 리튬 금속을 수분으로부터 보호하고 패시베이션 필름의 기계적 강도를 증가시키는 소재라면 무엇이라도 무방하다.
유리 기판(1211) 상에 패시베이션 조성물(1212)을 스핀 코팅(spin coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅, 딥(dip) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 슬릿다이(slit die) 코팅, 스크린(screen) 코팅 등의 방법으로 도포할 수 있다. 패시베이션 조성액(1212)은 균일한 두께로 도포되며, 도포 두께는 1~100㎛인 것이 바람직하다.
유리 기판(1211) 상에 패시베이션 조성물(1212)을 도포한 후 경화시켜 패시베이션 필름(1210)을 형성한다. 패시베이션 조성물(1212)에 열을 가하여 경화시킬 수도 있다. 패시베이션 조성물(1212)을 경화시키기 전이나 경화시킨 후 또는 경화 전후로 패시베이션 조성물(1212)의 상면을 롤링할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서는 유리 기판 상에 한 종류의 패시베이션 조성물을 도포하여 단일층을 형성하였지만, 이에 한정하는 것은 아니며, 다양한 성분의 패시베이션 조성물을 순차적으로 도포하여 다층막을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 유리 기판 상에 유리 섬유 조성물을 도포 및 경화시킨 후, 유리 섬유층 상에 금속 산화물층을 도포하여 두 개의 층을 형성할 수도 있고, 유리 기판 상에 유리 섬유층, 고분자 수지층, 산화 금속층 등을 순차적으로 도포하여 패시베이션 필름을 세 개의 층으로 형성할 수도 있다. 이 경우에도 패시베이션 필름(1210)은 1~100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제조된 패시베이션 필름(1210, 1220)을 리튬 금속판(1100)의 양면에 부착시킨다. 원활한 부착을 위하여 패시베이션 필름(1210, 1220)의 일면에 접착 물질을 전면 또는 일부에 도포할 수 있다. 접착 물질로서 폴리도파민, 올레핀계 엘라스토머, 실리콘계 엘라스토머, 아크릴계 엘라스토머 등이 이용될 수 있다. 구체적으로, 폴리도파민은 접착 단백질로서 접착력이 강하고 유연한 접착 특성을 가진다. 폴리도파민을 패시베이션 필름에 코팅 처리하여 리튬 금속판과 접착되도록 한다. 엘라스토머 성분은 특정 가교 구조를 형성할 수 있는 활성 에너지선 중합성 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 가교 구조는 열을 인가하거나, 자외선, 적외선 등을 조사하여 가교 구조가 형성될 수 있다. 패시베이션 필름에 엘라스토머를 포함하는 접착 성분을 도포한 후 열을 가하거나 자외선 등을 조사하여 접착시킬 수 있다.
본 실시예에서는 패시베이션 필름의 형성 후 별도의 접착 물질을 도포하지만, 다른 실시예에서는 패시베이션 조성물에 접착 성분을 첨가하여 패시베이션 필름을 제조할 수도 있다. 이 때 접착 성분은 패시베이션 형성 물질과 함께 특정 가교 구조를 형성할 수 있는 활성 에너지선 중합성 화합물(예를 들어, 다관능성 아크릴레이트)을 포함할 수도 있다. 이러한 가교 구조는 열을 인가하거나, 자외선, 적외선 등을 조사하여 가교 구조가 형성될 수 있다. 실시예에서는 패시베이션 필름(1210, 1220)을 리튬 금속판(1100)에 부착시킨 후 열을 가하거나 자외선 등을 조사하여 접착시킬 수 있다.
패시베이션 필름(1210, 1220)은 리튬 금속판(1100)의 양면에 부착되어 리튬 금속이 대기 중 또는 전해질의 수분과 반응하는 것을 방지한다. 패시베이션 필름(1210, 1220)의 폭은 리튬 금속판(1100)의 폭과 같거나, 약간 더 넓게 형성한다. 패시베이션 필름(1210, 1220)의 폭이 리튬 금속판(1100)의 폭보다 넓은 경우 리튬 금속판(1100)의 옆면까지 덮을 수 있어 리튬 금속판(1100)을 효과적으로 보호할 수 있다.
패시베이션 필름(1210, 2210)은 리튬 금속판(1100)을 전지 셀로 제작하기 전 공기 중의 수분으로부터 또는 전지 셀 제작 후 전해질의 수분으로부터 차단하는 역할을 한다. 패시베이션 필름의 투습도는 0~10g/m2/day가 바람직하다. 또한, 패시베이션 필름(1210, 2210)은 연성이 강한 리튬 전극 구조체의 강도를 보강하는 역할을 하여 전지 셀 제조시 등에 발생될 수 있는 충격에 의한 파손을 방지할 수 있다. 패시베이션 필름은 리튬 금속판을 보호하고 특히 별도의 수분 보호 필름이 필요가 없어 제조 공정을 간편하게 한다.
한편, 패시베이션 필름(1210, 1220)을 리튬 금속판(1100)에 부착시킨 후 부착 효율을 높이고 전극 구조체의 표면이 평탄해지도록 리튬 금속 구조체(1000)를 압연할 수 있다. 이 때 가해지는 압력은 리튬 금속판(1100)이 손상되지 않도록 적당한 압력이 가해질 수 있다. 전극 구조체(1000)를 압연함으로써 전극 구조체(1000)의 표면을 균일하게 하고, 패시베이션 필름(1210, 1220)과 리튬 금속판(1100)이 더욱 강하게 결합되도록 할 수 있다. 다른 실시예에서는 패시베이션 필름(1210, 1220)이 부착된 리튬 금속판(1100)을 소정 온도에서 가열하여 패시베이션 필름(1210, 1220)의 부착 효율을 높일 수도 있다.
패시베이션 필름(1210, 1220)이 부착된 전극 구조체(1000)를 권취한다. 본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체(1000)는 전지로 가공되는 형태에 따라 다양한 폭과 길이를 가질 수 있다. 필요에 따라 다양한 폭으로 제조된 리튬 전극 구조체(1000)를 권취하여 필요시 절단하여 사용하도록 할 수도 있다. 본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체(1000)는 패시베이션 필름이 수분 보호 필름의 역할을 동시에 하기 때문에, 전지 셀을 제작하기 전 별도의 패시베이션층 형성 공정 없이 바로 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 리튬 금속판(1100)의 양 면에 모두 패시베이션 필름(1210, 1220)을 부착하였지만, 리튬 금속판(2100)의 상면에는 패시베이션 필름(2210)을 부착하고, 하면에는 구리 금속층(2220)을 부착할 수도 있다. 리튬은 연성이 강하여 금속판으로 이용시 잘 끊어지기 쉽다. 리튬 금속판(2100)에 부착된 구리 금속층(2220)에 의해 리튬 전극 구조체(2000)의 강도가 더 높아질 수 있으며, 셀 제조시 발생할 수 있는 충격에 강해진다. 구리 금속층 외에 은이나 니켈 등 다양한 금속이 이용될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 패시베이션 필름(2210) 및 구리 금속층(2220)이 부착된 리튬 전극 구조체(2000)는 압연되어 권취되거나 필요한만큼 절단되어 전지 셀 제조에 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
패시베이션 필름은 별도로 제조될 수도 있지만, 리튬 금속판 상에 패시베이션 조성물을 직접 도포하여 패시베이션층을 형성할 수도 있다.
구체적으로, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 리튬 금속판(1100)의 양면에는 패시베이션 조성물이 도포될 수 있다. 리튬 금속판(1100) 상에 패시베이션 조성물(1212, 1222)을 스핀 코팅(spin coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅, 딥(dip) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 슬릿다이(slit die) 코팅, 스크린(screen) 코팅 등의 방법으로 도포할 수 있다. 패시베이션 조성물(1212, 1222)은 균일한 두께로 도포되며, 도포 두께는 1~100㎛인 것이 바람직하다.
패시베이션 조성물(1212, 1222)은 금속 산화물 또는 탄소 나노 튜브, 고분자 전해질, 유리 섬유를 포함할 수 있으나, 소재는 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 실버나노와이어, 구리 메시, 실버 메시, 은염 등의 소재가 사용될 수도 있다.
리튬 금속판(1100)에 패시베이션 조성물(1212, 1222)을 도포한 후 이를 경화시킨다. 패시베이션 조성물(1212, 1222)에 열을 가하거나 자외선 등을 조사하여 경화시킬 수도 있다. 패시베이션 조성물(1212, 1222)은 경화되면, 리튬 금속판(1100)의 양면에 패시베이션 필름(1210, 1220)이 형성된다(도 5의 (b)).
한편, 패시베이션 필름(1210, 1220)을 리튬 금속판(1100)에 형성시킨 후 전극 구조체의 표면이 평탄해지도록 리튬 금속 구조체(1000)를 압연할 수 있다. 이 때 가해지는 압력은 리튬 금속판(1100)이 손상되지 않도록 적당한 압력이 가해질 수 있다. 전극 구조체(1000)를 압연함으로써 전극 구조체(1000)의 표면을 균일하게 할 수 있다. 다른 실시예에서는 패시베이션 필름(1210, 1220)이 부착된 리튬 금속판(1100)을 소정 온도에서 가열할 수도 있다.
패시베이션 필름이 형성된 전극 구조체를 권취한다. 본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체(1000)는 전지로 가공되는 형태에 따라 다양한 폭과 길이를 가질 수 있다. 필요에 따라 다양한 폭으로 제조된 리튬 전극 구조체(1000)를 권취하여 필요시 절단하여 사용하도록 할 수도 있다. 본 발명에 따른 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체(1000)는 패시베이션 필름이 수분 보호 필름의 역할을 동시에 하기 때문에, 전지 셀을 제작하기 전 별도의 패시베이션층 형성 공정 없이 바로 사용할 수 있다.
한편, 리튬 금속판(1100)의 양면에 모두 패시베이션 필름이 형성되는 것이 아니라, 리튬 금속판(1100)의 한쪽 면에는 구리, 은, 니켈 등의 금속층이 형성될 수도 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 구리 금속층(2220) 상에 리튬 금속판(2100)을 적층시키고, 리튬 금속판(2100) 상에 패시베이션 조성물(2212)을 도포한다. 도포된 패시베이션 조성물(2212)을 경화시켜 패시베이션 필름(2210)을 형성한다. 패시베이션 필름(2210) 및 구리 금속층(2220)이 부착된 리튬 전극 구조체(2000)는 권취되거나 필요한만큼 절단되어 전지 셀 제조에 이용될 수 있다.
패시베이션 필름(1210, 2210) 및 구리 금속층(2220)은 리튬 금속판(1100, 2100)을 전지셀로 제작하기 전 공기 중의 수분으로부터 차단하고 전지 셀 제조 과정에서 전해질로부터 리튬 금속을 보호하는 역할을 한다. 또한, 패시베이션 필름(1210, 2210) 및 구리 금속층(2220)은 연성이 강한 리튬 전극 구조체의 강도를 보강하는 역할을 하여 전지 셀 제조시 등에 발생될 수 있는 충격에 강하다. 페시베이션 필름은 리튬 금속판을 보호하고 특히 별도의 수분 보호 필름이 필요가 없어 제조 공정이 간편하다. 패시베이션 필름의 투습도는 0~10g/m2/day가 바람직하다.
한편, 본 실시예에서는 패시베이션 필름을 단일층으로 형성하였지만, 필요에 따라 다양한 성질을 가지는 다층막으로 형성할 수도 있다. 패시베이션 필름은 패시베이션의 조성물의 종류를 달리 하여 2 이상의 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속판 상에 유리 섬유 조성물을 도포 및 경화시킨 후, 유리 섬유층 상에 금속 산화물층을 도포하여 두 개의 층을 형성할 수도 있고, 리튬 금속판 상에 유리 섬유층, 고분자 수지층, 산화 금속층 등을 순차적으로 도포하여 패시베이션 필름을 세 개의 층으로 형성할 수도 있다. 이 경우에도 패시베이션층(1210)은 1~100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
패시베이션층(1210)은 리튬 금속판(1100) 표면에 증착되어 리튬 금속판(1100)이 전해액에 직접 노출되는 것을 방지하여 리튬과 전해질의 반응을 막을 수 있다. 패시베이션층(1210)은 도전성을 가지므로, 전극에 이온을 원활하게 전달할 수 있다.
본 발명은 리튬 이온이 아닌 리튬 금속을 이용하여 전극을 제조하기 때문에, 기존의 이차 전지보다 보다 고용량, 고에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있다. 또한, 전극으로 제조되기 전 리튬 금속판에 패시베이션 필름을 부착함으로써 리튬이 공기 중의 수분과 반응하는 것을 방지할 수 있다. 패시베이션 필름은 추후 공정시 별도의 필름을 제거할 필요가 없기 때문에 전극 구조체는 별도의 공정 없이 바로 사용할 수 있어 전지셀 제작 공정이 더욱 간소해질 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000, 2000 : 전극 구조체 1100, 2100 : 리튬 금속판
1210, 1220 : 패시베이션 필름 1212, 1222 : 패시베이션 조성물
1220, 2220 : 구리 금속층

Claims (13)

  1. 리튬 금속판; 및
    상기 리튬 금속판의 상면 및 하면에 형성되며, 유리 섬유층, 고분자 수지층, 산화 금속층을 순차적으로 구비하는 패시베이션 필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체.
  2. 리튬 금속판;
    상기 리튬 금속판의 상면에 형성되며, 유리 섬유층, 고분자 수지층, 산화 금속층을 순차적으로 구비하는 패시베이션 필름; 및
    상기 리튬 금속판의 하면에 형성되는 금속층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 패시베이션 필름의 일면에는 접착 물질이 전면 또는 일부분 도포되는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 금속층은 와이어, 튜브, 또는 파티클 타입 중 적어도 한 종류의 입자를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체.
  6. 패시베이션 필름을 준비하는 단계; 및
    상기 패시베이션 필름을 리튬 금속판의 상면 및 하면에 부착하는 단계;를 포함하고,
    상기 패시베이션 필름은 유리 섬유층 상에 고분자 수지층, 산화 금속층을 순차적으로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
  7. 패시베이션 필름을 준비하는 단계;
    리튬 금속판의 일면에 금속층을 적층하는 단계; 및
    상기 리튬 금속판의 타면에 상기 패시베이션 필름을 부착하는 단계;를 포함하고,
    상기 패시베이션 필름은 유리 섬유층 상에 고분자 수지층, 산화 금속층을 순차적으로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
  8. 리튬 금속판의 상면 및 하면에 유리 섬유 조성물을 도포 및 경화시키는 단계;
    경화된 상기 유리 섬유 조성물 상에 고분자 수지 조성물을 도포 및 경화시키는 단계;
    경화된 상기 고분자 수지 조성물 상에 금속 산화물을 도포 및 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
  9. 금속층 상에 리튬 금속판을 적층하는 단계;
    상기 리튬 금속판의 상면에 유리 섬유 조성물을 도포 및 경화시키는 단계;
    경화된 상기 유리 섬유 조성물 상에 고분자 수지 조성물을 도포 및 경화시키는 단계;
    경화된 상기 고분자 수지 조성물 상에 금속 산화물을 도포 및 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 와이어, 튜브, 또는 파티클 타입 중 적어도 한 종류의 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    패시베이션 필름이 부착된 리튬 금속판을 압연하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
  13. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 패시베이션 필름을 리튬 금속판에 부착하는 단계 이전에,
    상기 패시베이션 필름의 일면의 전면 또는 일부에 접착 물질을 도포하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패시베이션층이 형성된 리튬 전극 구조체의 제조 방법.
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