KR101763455B1 - 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법 - Google Patents

이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 고밀도 고성능을 발휘할 수 있는 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차 전지는 표면에 음각 패턴이 형성되는 제1 전극, 표면에 양각 패턴이 형성되는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 음각 패턴과 양각 패턴은 서로 대응 하는 위치에서 서로 대응하는 형상으로 형성된다.
본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법은 이차 전지의 전극을 준비하는 준비 단계, 및 레이저를 조사하여 전극의 표면에 음각 패턴을 형성하는 제1 형성 단계, 레이저를 조사하여 전극의 표면에 양각 패턴을 형성하는 제2 형성 단계를 포함한다.

Description

이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD OF MANUFACTURING AN ELECTRODE FOR THE SAME}
본 발명은 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 고밀도 고성능을 발휘할 수 있는 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 이러한 이차전지는 하나의 전지 셀이 팩으로 포장된 형태 또는 전지 셀을 수십 개 연결한 팩 형태로 제작되어 휴대폰, 노트북, 및 전기 자동차의 모터 구동용 전원 등으로 널리 사용되고 있다.
이차 전지의 전극은 전극 활물질 및 도전재가 혼합되어 있는 전극 슬러리(slurry)를 금속 기재(base) 위에 도포하고, 고온의 상태로 건조한 뒤 프레싱 과정을 거쳐 제작된다.
이러한 전극에서 전기 용량은 전극 활물질의 양에 따라 결정될 수 있다. 금속 기재 위에 도포된 전극 활물질의 양이 많은 경우 고용량의 이차 전지가 될 수 있고, 도포된 전극 활물질의 양이 적은 경우는 저용량의 이차전지가 될 수 있다. 고용량의 이차 전지는 더욱 큰 파워와 성능을 발휘할 수 있으므로, 고밀도, 고용량의 이차 전지를 개발하는 것은 이차 전지의 개발 추세에 맞추어 계속적으로 요구되는 사항이다.
그런데 이차 전지의 용량을 크게 만들기 위하여 금속 기재 위에 도포되는 전극 활물질의 양을 계속적으로 늘릴 경우 전극의 두께가 지속적으로 두꺼워지므로 공간적인 제약이 발생하는 문제가 있었다.
또한 금속 기재 위에 도포되는 전극 활물질의 양을 계속적으로 늘려 전극의 두께가 두꺼운 경우, 전극 활물질이 전해액에 함침(wetting)되지 못하는 부분이 발생하고, 그에 따라 전지의 미반응 부분이 늘어나므로, 전지의 성능이 저하되는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 도포되는 전극 활물질 양의 증가에 따른 전극 두께의 증가를 막고, 전극 활물질이 전해액에 함침되지 못하여 전지 반응에 참여하지 못하는 미반응 영역을 제거하여 고밀도로 고성능을 발휘할 수 있는 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이차 전지는 표면에 음각 패턴이 형성되는 제1 전극, 표면에 양각 패턴이 형성되는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 음각 패턴과 양각 패턴은 서로 대응 하는 위치에서 서로 대응하는 형상으로 형성된다.
본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법은 이차 전지의 전극을 준비하는 준비 단계, 및 레이저를 조사하여 전극의 표면에 음각 패턴을 형성하는 제1 형성 단계, 레이저를 조사하여 전극의 표면에 양각 패턴을 형성하는 제2 형성 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 표면에 음각 패턴이 형성되는 제1 전극, 표면에 양각 패턴이 형성되는 제2 전극, 및 둘 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 음각 패턴과 양각 패턴은 서로 대응 하는 위치에서 서로 대응하는 형상으로 형성됨으로써, 도포되는 전극 활물질 양의 증가에 따른 전극 두께의 증가를 막고, 전극 활물질이 전해액에 함침되지 못하여 전지 반응에 참여하지 못하는 미반응 영역을 제거하여 고밀도로 고성능을 발휘할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법은 이차 전지의 전극을 준비하는 준비 단계, 및 레이저를 조사하여 전극의 표면에 음각 패턴을 형성하는 제1 형성 단계, 레이저를 조사하여 전극의 표면에 양각 패턴을 형성하는 제2 형성 단계를 포함함으로써, 고밀도로 고성능을 발휘하는 이차 전지용 전극을 제조할 수 있습니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제2 전극을 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극을 제조하는 방법을 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시하는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제2 전극을 도시하는 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 내부 구조를 도시하는 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극을 제조하는 방법을 도시하는 도면이다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 및 그 이차 전지용 전극의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 및 분리막을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 및 분리막이 교대로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 이러한 형태에서는 전극과 전극 사이에 분리막이 개재될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극 중 어느 하나인 제1 전극(110)을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 제1 전극(110)은 표면에 음각 패턴이 형성되어 있다. 이때, 음각 패턴은 제1 전극의 표면(113)으로부터 내측으로 함몰되는 홈(111)일 수 있다. 그리고 음각 패턴인 홈(111)은 가상의 선을 따라 직선의 형태로 형성될 수 있다. 또 홈(111)은 복수 개가 형성될 수 있으며, 이러한 복수 개의 홈(111)은 폭방향(W)으로 상호 이격되게 마련될 수 있다.
도 4를 참조하면, 이러한 제1 전극(110)은 레이저를 이용하여 제조될 수 있다. 먼저 이차 전지의 전극을 준비하고(준비 단계), 레이저(Z)를 조사하여 전극(310)의 표면에 음각 패턴(311)을 형성함으로써 제1 전극(110)을 제조할 수 있다(제1 형성 단계). 레이저(Z)는 레이저 광원(I)으로부터 방출되어 반사경(R)에 부딪힌 뒤 렌즈(L)를 통과하여 이차 전지의 전극(310)으로 조사될 수 있다. 레이저(Z)의 조사를 받은 부분이 깎여 나가면 그 자리에 음각 패턴(311)이 형성될 수 있다. 전극(310)의 소정의 위치에 음각 패턴(311)이 형성된 뒤에 전극을 F 방향으로 이동시키면서 전극(310)의 다음 위치에 음각 패턴을 형성시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극 중 어느 하나인 제2 전극을 도시하고 있다. 도 2을 참조하면, 제2 전극(130)은 표면에 양각 패턴이 형성되어 있다. 이때, 양각 패턴은 제2 전극의 표면(133)으로부터 돌출되는 돌출부(131)일 수 있다. 그리고 양각 패턴인 돌출부(131)는 가상의 선을 따라 직선의 형태로 배치될 수 있다. 또 돌출부(131)는 복수 개가 형성될 수 있으며, 이러한 복수 개의 돌출부(131)는 폭방향(W)으로 상호 이격되게 마련될 수 있다.
이러한 제2 전극(130) 역시 레이저를 이용하여 제조될 수 있다. 이차 전지의 전극을 준비하고, 레이저를 조사하여 전극의 표면에 양각 패턴을 형성함으로써 제2 전극(130)을 제조할 수 있다(제2 형성 단계).
제2 전극(130)을 제조할 때 레이저는 레이저 광원으로부터 방출되어 반사경에 부딪힌 뒤 렌즈를 통과하여 이차 전지의 전극으로 조사될 수 있다. 이 경우 전극의 표면에서 돌출부(131)가 될 부분을 제외하고 나머지 부분을 레이저로 조사하여 깎아냄으로써 제2 전극(130)을 제조할 수 있다.
도 3을 참조하면, 앞에서 설명한 제1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 사이에 분리막(150)이 개재된 상태로 서로 적층될 수 있다. 이 경우 음각 패턴인 홈(111)과 양각 패턴인 돌출부(131)는 서로 대응 하는 위치에서 서로 대응하는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 도 3을 참조하면, 분리막(150)의 단부는 상기 돌출부(131)의 높이에 대응하는 크기의 두께를 가질 수 있다.
이차 전지를 이와 같은 형태로 만들 경우 이차 전지(100)의 두께를 증가시키지 않으면서도 전극의 표면적을 늘릴 수 있다. 그에 따라 전극의 두께를 증가시키지 않고도 전극의 표면에 도포되는 전극 활물질의 양을 늘릴 수 있다. 전극의 두께가 증가되지 않으면서도 전극 활물질의 양이 늘어나게 되면 상대적으로 고밀도 고용량의 이차 전지가 제작될 수 있다. 이 경우, 전극 활물질의 두께가 두껍지 않으므로 전해액에 의한 전극 활물질의 함침(wetting)성도 저하되지 않을 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 도포되는 전극 활물질 양의 증가에 따른 전극 두께의 증가를 막을 수 있어서 이차 전지(100)를 고용량으로 만들 경우 발생하는 공간적인 제약의 한계를 극복할 수 있다. 또, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 활물질이 전해액에 함침되지 못하여 전지 반응에 참여하지 못하는 미반응 영역을 제거함으로써 고밀도로 고성능을 발휘할 수 있다.
또한, 도 3에서 도시되는 것과 같은 전극의 구조는 견고한 구조이기 때문에, 분리막(150)으로 세라믹 강화 분리막이 아닌 세라믹 층만 코팅한 분리막을 사용할 수 있다. 그에 따라 분리막(150)의 두께도 최소화 할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 일 실시예에 따른 이차 전지에서 이웃하는 홈(111)의 사이에는 제1 평면부(115)가 마련되고 이웃하는 돌출부(131)의 사이에는 제1 평면부(115)에 대응하는 제2 평면부(135)가 마련될 수 있다. 즉, 홈(111)과 홈이 제1 평면부(115)의 간격만큼 떨어져서 형성될 수 있으며, 돌출부(131)와 돌출부가 제2 평면부(135)의 간격만큼 떨어져서 형성될 수 있다.
이 경우 이웃하는 홈(111) 사이의 간격(a)과 홈(111)의 단면 폭(b)의 크기 비는 3:1일 수 있다. 실험에 의하면, 이웃하는 홈(111) 사이의 간격(a)과 홈(111)의 단면 폭(b)의 비가 3:1인 경우는 전지 에너지 밀도를 극대화 할 수 있는 한 예가 된다.
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.
100: 이차 전지
110: 제1 전극
111: 홈
113: 제1 전극의 표면
115: 제1 평면부
130: 제2 전극
131: 돌출부
133: 제2 전극의 표면
135: 제2 평면부
150: 분리막
310: 전극
311: 음각 패턴
I: 레이저 광원
R: 반사경
L: 렌즈

Claims (6)

  1. 표면에 음각 패턴이 형성되는 제1 전극,
    표면에 양각 패턴이 형성되는 제2 전극, 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고,
    상기 음각 패턴과 상기 양각 패턴은 서로 대응 하는 위치에서 서로 대응하는 형상으로 형성되며,
    상기 분리막은 세라믹 층만 코팅한 분리막이고,
    상기 음각 패턴은 가상의 선을 따라 형성되되, 상기 제1 전극의 표면으로부터 내측으로 함몰되는 홈이고,
    상기 양각 패턴은 가상의 선을 따라 배치되되, 상기 제2 전극의 표면으로부터 돌출되는 돌출부이며,
    상기 분리막의 단부는 상기 돌출부의 높이에 대응하는 크기의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈은 복수 개가 폭방향으로 상호 이격되게 마련되고,
    상기 돌출부는 복수 개가 폭방향으로 상호 이격되게 마련되며,
    이웃하는 홈의 사이에는 제1 평면부가 마련되고
    이웃하는 돌출부의 사이에는 상기 제1 평면부에 대응하는 제2 평면부가 마련되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    이웃하는 홈 사이의 간격과 상기 홈의 단면 폭의 크기 비가 3:1인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 삭제
  6. 삭제
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