KR101741412B1 - 이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지 - Google Patents

이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적어도 일면에 형성되는 홈부를 포함하고, 상기 홈부는 관통홀을 포함함으로써 전극활물질층과 집전체의 접촉면적을 증가시킴에 따라 저항을 감소시키고, 전지 탭(tab) 방향으로 전극활물질 양을 증가시켜 고출력 및 고용량이 가능하며 특정 구조를 가져 전극활물질의 고정이 용이한, 이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지{CURRENT COLLECTOR FOR SECONDARY BATTERY, ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지에 관한 것이다.
최근 들어 전자기기의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속화되고 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이처럼 이차 전지에 대한 수요가 증가함에 따라 이차 전지의 성능 향상에 대한 관심이 높아지고 있다.
현재, 이차 전지의 성능 중 고용량(High-energy type) 및 고출력(High-power type)이 동시에 가능하도록 하려는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 전지의 용량이 1000mAh일 경우 일반적으로 흔히 쓰이는 리튬 이온 전지로는 약 200mA의 전류로 5시간 동안 전지를 사용할 수 있는데, 상기 리튬 이온 전지를 5000mAh로 방전하는 경우 이론적으로는 12분 동안 사용할 수 있지만 현실적으로는 6분도 채 사용하기 어려운 바, 이는 높은 부하에 대한 전지 자체의 IR-drop으로 인하여 전압이 쉽게 떨어지기 때문이다.
따라서 전술한 문제점을 해결하기 위하여 높은 에너지 저장 능력을 가지면서도 높은 전류로 짧은 시간 동안 방전이 가능한 고용량 및 고출력의 이차 전지가 필요한 실정이다.
한국공개특허 제2014-0108875호는 도전성이 높은 물질로 표면 처리된 양극 집전체를 사용하여 높은 출력 특성을 나타내는 이차 전지에 관해 개시하고 있으나, 전술한 문제점에 대한 대안을 제시하지 못하였다.
한국공개특허 제2014-0108875호
본 발명은 전극활물질층과 집전체의 접촉면적을 증가시킴에 따라 저항을 감소시킴으로써 고출력이 가능한 이차 전지용 집전체, 전극 및 이를 포함한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 전지 탭(tab) 방향으로의 전극활물질 양을 증가시킴으로써 고용량의 이차 전지용 집전체, 전극 및 이를 포함한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. 적어도 일면에 형성되는 홈부를 포함하고, 상기 홈부는 관통홀을 포함하는, 이차 전지용 집전체.
2. 위 1에 있어서, 상기 홈부는 집전체 내부 영역에 하나 형성되어 있고, 홈부 내부에 복수의 관통홀이 포함된, 이차 전지용 집전체.
3. 위 1에 있어서, 상기 홈부는 집전체 내부 영역에 장변방향 또는 단변방향의 복수의 라인 형태로 형성되어 있고, 홈부의 각 라인은 복수의 관통홀을 포함하는, 이차 전지용 집전체.
4. 위 1에 있어서, 상기 홈부는 복수로 형성되고, 각 홈부는 하나의 관통홀을 포함하는, 이차 전지용 집전체.
5. 위 1에 있어서, 상기 홈부는 전지의 탭(tab) 측에 있는 홈부의 집전체 두께가 탭 반대측에 있는 홈부의 집전체 두께보다 얇은, 이차 전지용 집전체.
6. 위 5에 있어서, 상기 홈부는 탭 방향으로 갈수록 집전체의 두께가 얇아지는, 이차 전지용 집전체.
7. 위 1에 있어서, 상기 홈부의 측면이 경사를 갖는, 이차 전지용 집전체.
8. 위 1에 있어서, 상기 관통홀의 측면이 경사를 갖는, 이차 전지용 집전체.
9. 위 1에 있어서, 상기 관통홀은 원형 또는 다각형 형상인, 이차 전지용 집전체.
10. 위 9에 있어서, 상기 다각형은 삼각형, 사각형 및 육각형으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 이차 전지용 집전체.
11. 위 1 내지 10의 이차 전지용 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 도포된 전극활물질층을 포함하는 이차 전지용 전극.
12. 위 11의 이차 전지용 전극을 포함하는, 이차 전지.
본 발명의 이차 전지용 집전체, 전극 및 이차 전지는 전극활물질과 집전체의 접촉면적을 증가시킴에 따라 저항을 감소시켜 고출력이 가능하다.
또한, 본 발명의 이차 전지용 집전체, 전극 및 이차 전지는 전지 탭(tab) 방향으로 전극활물질 양을 증가시켜 고용량이 가능하다.
또한, 본 발명은 집전체가 홈부 및 관통홀을 구비함으로써 전극활물질의 고정이 용이하다.
도 1 내지 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 집전체의 개략적인 평면도이다.
도 5a는 도 1 또는 도 2로 표시되는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체의 A-A' 방향의 개략적인 단면도이다.
도 5b은 도 3 또는 도 4로 표시되는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체의 A-A' 방향의 개략적인 단면도이다.
도 6a는 도 1 또는 도 2로 표시되는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 홈부가 두께 차를 갖는 집전체의 A-A' 방향의 개략적인 단면도이다.
도 6b은 도 3 또는 도 4로 표시되는 본 발명의 일 실시예에 따라 홈부가 두께 차를 갖는 집전체의 A-A' 방향의 개략적인 단면도이다.
본 발명은 적어도 일면에 형성되는 홈부를 포함하고, 상기 홈부는 관통홀을 포함함으로써 전극활물질층과 집전체의 접촉면적을 증가시킴에 따라 저항을 감소시키고, 전지 탭(tab) 방향으로 전극활물질 양을 증가시켜 고출력 및 고용량이 가능하며 특정 구조를 가져 전극활물질의 고정이 용이한, 이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지에 관한 것이다.
본 명세서는 일반적인 이차 전지용 집전체와 전극, 이를 포함한 이차 전지에 적용되며, 구체적으로는 에너지밀도가 높은 리튬 이차 전지에 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
이차 전지용 집전체
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지용 집전체의 일 실시예에 관한 것이다.
본 발명의 이차 전지용 집전체(100)는 그 적어도 일면에 주변보다 두께가 얇은 홈부(200)를 포함하고, 상기 홈부(200)는 관통홀(300)을 포함한다.
이차 전지의 성능과 관련하여, 용량이 크고 출력이 높은 이차 전지를 위해서는 일반적으로 전극활물질층과 집전체의 접촉 면적 및 전극활물질의 양이 중요한 요소인 바, 본 발명은 이에 착안하여 이차 전지용 집전체에 주변보다 두께가 얇은 홈부(200)를 포함하고, 홈부(200)가 관통홀(300)을 구비하도록 함으로써 전극활물질층과 집전체의 접촉 면적을 증가시켜 저항 감소에 따라 이차 전지의 출력을 높일 수 있다. 또한, 홈부(200) 및 관통홀(300)에 의해 전극활물질의 고정이 용이하다.
홈부(200)에 형성된 관통홀(300)의 크기는 내부에 채워지는 전극활물질 입자를 지지하고 고정할 수 있는 정도의 크기라면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 전극활물질 입자의 입경이 6 내지 12㎛인 경우에는 관통홀(300)이 사각형 단면을 갖는다면 그 크기는 1mm X 1mm일 수 있다.
상기 홈부는 집전체(100) 내부 영역에 적어도 하나 이상 형성될 수 있고, 복수 개일 경우 장변방향 또는 단변방향의 복수의 라인 형태로 형성될 수 있다. 상기 홈부(200)가 본 발명의 일 실시 예에 따라 집전체(100) 내부 영역에 하나 형성된 경우는 홈부(200) 내부에 복수의 관통홀(300)이 구비될 수 있고(도 1 참조), 집전체(100) 내부 영역에 장변방향 또는 단변방향의 복수의 라인 형태로 형성된 경우는 홈부(200)의 각 라인이 복수의 관통홀(300)을 구비할 수 있다. 도 2는 홈부(200)가 집전체(100) 내부 영역에 장변방향의 라인 형태로 형성되어 있고, 상기 홈부(200)의 각 라인에 복수의 관통홀이 구비되어 있는 것에 관한 것이며, 도 3은 홈부(200)가 집전체(100) 내부 영역에 단변방향의 라인 형태로 형성되어 있고, 상기 홈부(200)의 각 라인에 복수의 관통홀이 구비되어 있는 것에 관한 것이다. 도 5a에는 도 1 또는 도 2에 나타난 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 집전체에 대한 A-A' 방향의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
또한, 상기 홈부(200)가 복수로 형성되고 각 홈부(200)가 하나의 관통홀(300)을 구비하는 형상일 수 있으며 도 4에 이에 관한 일 실시예가 도시되어 있으며, 도 5b는 도 3 또는 도 4에 나타난 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 집전체 에 대한 A-A' 방향의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 전지의 탭(tab)(400)측에 있는 홈부(200)의 집전체(100) 두께가 탭 반대측에 있는 홈부(200)의 집전체(100) 두께보다 얇을 수 있으며, 이 경우, 상기 홈부(200)는 탭(tab)(400)방향으로 갈수록 집전체(100)의 두께가 얇아지는 형태일 수 있다. 도 6a는 도 1 또는 도 2로 표시되는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 홈부가 두께 차를 갖는 집전체의 A-A' 방향의 개략적인 단면도이며, 도 6b는 도 3 또는 도 4로 표시되는 본 발명의 일 실시예에 따라 홈부가 두께 차를 갖는 집전체의 A-A' 방향의 개략적인 단면도이다.
전지의 탭(tab)(400)측으로 갈수록 전류의 흐름이 용이한 바, 전지의 탭(tab)(400)방향으로 갈수록 집전체(100)의 두께가 얇아지도록 하여 집전체(100)에 도포될 수 있는 전극활물질의 양을 증가시켜 이차 전지의 부피당 용량을 향상시킬 수 있다.
탭(tab)(400)방향으로 갈수록 집전체(100)의 두께가 얇아지는 홈부(200)는 집전체(100)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있으며, 양면에 형성되는 경우 상기 양면의 홈부(200)의 두께 차는 동일한 경사로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예로서, 홈부(200)는 그 측면이 경사를 가질 수도 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 홈부(200)는 집전체 두께 방향에 평행하게 형성된 것으로 도시하고 있으나, 집전체 두께 방향에 대해 소정 각도의 경사를 갖도록 형성될 수 있으며, 이러한 경우 전극활물질 고정이 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 관통홀(300)도 그 측면이 경사를 가질 수도 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 관통홀(300) 역시 집전체 두께 방향에 평행하게 형성된 것으로 도시하고 있으나, 집전체 두께 방향에 대해 소정 각도의 경사를 갖도록 형성될 수 있으며(즉 일측의 개구와 타측의 개구의 크기가 서로 다르게 됨), 이러한 경우 전극활물질 고정이 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 상기 관통홀(300)은 원형 또는 다각형 형상일 수 있고, 구체적으로 상기 다각형은 삼각형, 사각형, 육각형 등일 수 있으며, 필요에 따라 하나의 집전체(100)는 여러 형상의 관통홀(300)을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 관통홀(300)들의 간격이 일정하게 형성될 수 있으며, 이 경우 관통홀(300) 내의 각 전극활물질 조성물로부터 집전체(100)로의 전기전도도가 향상될 수 있다.
이차 전지용 전극 및 이차 전지
본 발명의 이차 전지용 전극은 전술한 이차 전지용 집전체(100) 및 상기 집전체(100)의 적어도 일면에 도포된 전극활물질층을 포함한다.
집전체(100)는 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 전기 전도성을 가진 모든 금속이 사용 가능하며, 보다 상세하게는 알루미늄 호일 또는 구리 호일을 사용할 수 있다.
전극활물질층은 전극활물질, 바인더, 용매를 포함하는 전극 합제를 집전체(100)에 도포하여 형성될 수 있다.
전극활물질로서 음극 활물질은 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 열분해탄소류, 피치·코크스류, 그래파이트류, 유리형상 탄소류, 페놀수지나 푸란수지와 같은 유기고분자 화합물의 소성체, 탄소섬유, 활성탄 등의 탄소재료 또는 금속리튬, Li-Al합금과 같은 리튬합금, 폴리아세틸렌이나 폴리피롤과 같은 폴리머 등을 예로 들 수 있다.
전극 활물질로서 양극 활물질은 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질일 수 있다. 전술한 양극 활물질을 본 발명에 따른 양극 집전체에 도포하여 이차 전지용 양극을 구성할 수 있다.
바인더는 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 아크릴로나이트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 아크릴 고무 등의 고무계 바인더와, 히드록시에틸셀룰로즈 및 카르복시메틸셀룰로오즈 등의 고분자 수지를 예로 들 수 있다.
필요에 따라, 도전재가 더 포함될 수 있다. 상기 도전재는 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 흑연, 카본블랙, 도전성 섬유, 금속 분말, 도전성 위스키, 도전성 금속 산화물, 폴리페닐렌 유도체 등을 예로 들 수 있으며, 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 이차 전지용 전극을 포함하는 이차 전지를 제공한다. 본 발명의 이차 전지는 특별히 제한되지는 않으나 예를 들면 리튬 이차 전지 일 수 있으며, 본 발명에 따른 전극과 이들의 전극판이 분리막을 사이에 두고 적층되어 이루어진 전극조립체와, 상기 전극조립체 및 전해질을 수용하고 밀봉하는 케이스를 포함한다.
분리막은 폴리에틸렌 세퍼레이터, 폴리프로필렌 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터를 사용할 수 있다.
전해질로는 이차전지 제조 시 사용 가능한, 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 이차 전지는 각종 전자제품의 전원으로 사용될 수 있다. 예를 들어 휴대용 전화기, 핸드폰, 게임기, 휴대용 텔레비젼, 노트북 컴퓨터, 계산기 등에 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
100: 집전체
200: 홈부
300: 관통홀
400: 탭(tab)

Claims (12)

  1. 적어도 일면에 형성되는 홈부를 포함하고, 상기 홈부는 관통홀을 포함하고, 집전체의 일단에 형성된 탭을 포함하며,
    상기 탭(tab) 측에 있는 홈부와 접하는 집전체 두께가 탭 반대측에 있는 홈부와 접하는 집전체 두께보다 얇은, 이차 전지용 집전체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 홈부는 집전체 내부 영역에 하나 형성되어 있고, 홈부 내부에 복수의 관통홀이 포함된, 이차 전지용 집전체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 홈부는 집전체 내부 영역에 장변방향 또는 단변방향의 복수의 라인 형태로 형성되어 있고, 홈부의 각 라인은 복수의 관통홀을 포함하는, 이차 전지용 집전체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 홈부는 복수로 형성되고, 각 홈부는 하나의 관통홀을 포함하는, 이차 전지용 집전체.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 홈부와 접하는 상기 집전체의 두께는 탭 방향으로 갈수록 얇아지는, 이차 전지용 집전체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 홈부의 측면이 경사를 갖는, 이차 전지용 집전체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀의 측면이 경사를 갖는, 이차 전지용 집전체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀은 원형 또는 다각형 형상인, 이차 전지용 집전체.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 다각형은 삼각형, 사각형 및 육각형으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 이차 전지용 집전체.
  11. 청구항 1 내지 4 또는 6 내지 10 중 어느 하나의 이차 전지용 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 도포된 전극활물질층을 포함하는 이차 전지용 전극.
  12. 청구항 11의 이차 전지용 전극을 포함하는, 이차 전지.
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