KR101944320B1 - 자성 물질을 포함하는 이차전지용 바인더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 합제에 포함되는 이차전지용 바인더로서, 집전체 및 활물질 입자들에 대한 접착력을 발휘하는 바인더 분자; 및 외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 자성 물질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더를 제공한다.

Description

자성 물질을 포함하는 이차전지용 바인더 {Binder for Secondary Battery Comprising Magnetic Material}
본 발명은 자성 물질을 포함하는 이차전지용 바인더에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
일반적으로, 이러한 이차전지는 전극 집전체 상에 전극 활물질, 도전제, 바인더 등이 혼합된 전극 합제를 도포한 후 건조하여, 전극을 제조하고, 상기 제조된 전극을 분리막과 함께 적층한 후, 전해액과 함께 전지케이스에 내장 및 밀봉함으로써, 완성된다.
도 1에는 종래의 이차전지용 양극의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 양극(100)은 양극 활물질 입자(111)와 바인더(112)를 포함하고 있는 양극 합제(110)가 액상의 상태로 양극 집전체(120)의 상면에 도포된 후 건조(130)되는 과정을 거쳐 제조된다.
이때, 양극 합제(110)에 대한 건조(130) 과정에서는 양극 합제(110)에 포함된 용매가 건조(130)되는 바, 바인더(112)는 상기 용매에 용해된 상태로 양극 합제(110)에 포함되어 있으므로, 상기 용매가 건조되는 과정에서 용매에 용해되어 있는 바인더(112)는 양극 합제(110)의 상부로 이동하게 된다.
따라서, 양극 합제(110)와 양극 집전체(120) 사이에는 바인더 성분이 상대적으로 적게 위치하며, 이에 따라, 양극 합제(110)와 양극 집전체(120) 사이의 접착력이 저하되고, 양극(100)의 저항 역시 증가하게 되므로, 상기 양극(100)을 포함하는 이차전지의 구조적 안정성 및 전기적 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 이러한 문제점은 전극 제조 공정에서의 불량률을 증가시켜, 상기 전극 제조 공정에 대한 신뢰성을 저하시키고, 전체적인 공정 시간을 지연시켜, 제조 비용을 증가시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이차전지용 바인더가 바인더 분자와 함께, 외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 자성 물질을 포함하도록 구성함으로써, 집전체의 일면에 도포된 전극 합제의 건조 과정에서, 이에 대향하는 집전체의 타면에 위치한 자기장 인가부를 통해, 자성 물질을 포함하는 바인더가 용매의 건조에 의해 이동하여 전극 합제의 상부 방향으로 위치하는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 집전체에 대한 전극 합제의 접착력을 향상시켜, 전극의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, 전극의 저항 증가를 방지함으로써, 전극의 전기적 성능 저하를 방지할 수 있어, 제품의 불량률을 저하를 통해, 공정에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 바인더는,
전극 합제에 포함되는 이차전지용 바인더로서,
집전체 및 활물질 입자들에 대한 접착력을 발휘하는 바인더 분자; 및
외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 자성 물질;
을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 전극 집전체의 일면에 도포된 전극 합제의 건조 과정에서, 이에 대향하는 집전체의 타면에 위치한 자기장 인가부를 통해, 자성 물질을 포함하는 바인더가 용매의 건조에 의해 이동하여 전극 합제의 상부 방향으로 위치하는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 집전체에 대한 전극 합제의 접착력을 향상시켜, 전극의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, 전극의 저항 증가를 방지함으로써, 전극의 전기적 성능 저하를 방지할 수 있어, 제품의 불량률을 저하를 통해, 공정에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 자성 물질은 금속일 수 있으며, 상세하게는, Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
그러나, 상기 자성 물질의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 자성 물질은 외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 동시에, 전극의 성능에 영향을 미치지 않는 물질이라면, 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 자성 물질은 바인더의 전체 중량을 기준으로 0.1% 내지 20%의 범위로 포함되어 있을 수 있다.
만일, 상기 자성 물질이 바인더의 전체 중량을 기준으로 0.1% 미만으로 포함되어 있을 경우에는, 상기 자성 물질의 함량이 지나치게 적어, 소망하는 효과를 발휘하지 못할 수 있으며, 이와 반대로, 상기 자성 물질이 바인더의 전체 중량을 기준으로 20%를 초과하여 포함되어 있을 경우에는, 동일한 중량의 전극 합제 대비, 전극 활물질을 비롯한 기타 구성 성분의 함량이 지나치게 적어져, 전극의 전기적 성능이 저하될 수 있다.
한편, 상기 자성 물질은 바인더 분자와 화학적으로 결합되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 자성 물질은 이온 형태로서 바인더 분자에 결합되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 자성 물질은 바인더 분자와 이온 결합, 공유 결합 또는 배위 결합에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 자성 물질은 바인더 분자와 강한 결합력으로 결합되어 있으며, 외부에서 인가되는 자기장에 대해, 소정의 자성을 갖는 상기 자성 물질에 결합된 바인더 분자 역시, 집전체 방향으로 고정되거나 또는 이동함으로써, 전극 합제의 접착력 저하를 방지할 수 있다.
특히, 상기 바인더 분자는 하나 이상의 음이온 치환기를 포함하고 있고, 상기 자성 물질은 양이온 금속으로 이루어져 있으며, 바인더 분자와 자성 물질은 킬레이트(chelate) 결합을 이루고 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 킬레이트 결합이란 1개의 분자 또는 이온에 2개 이상의 배위원자를 갖고, 그것이 금속 원자 또는 이온을 둘러 쌓듯이 배위한 고리구조가 있는 화합물의 결합으로서, 일반적으로, 상기 자성 물질을 구성하는 금속은 이온 형태로서 존재할 경우, 양이온을 이루며, 이에 대응하여, 상기 바인더 분자는 하나 이상의 음이온 치환기를 포함하고 있다.
따라서, 상기 바인더 분자는 음이온 치환기를 통해, 자성 물질을 이루는 금속 이온과 킬레이트 결합을 이루는 구조일 수 있으며, 이에 따라, 상기 바인더 분자는 외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 금속과 함께, 전극 집전체 방향에 위치함으로써, 소망하는 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 상기 바인더 분자는 자성 물질과 화학적으로 결합할 수 있으며, 집전체 및 활물질 입자들에 대한 접착력을 발휘하는 것이라면, 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 및 불소 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상 또는 이들의 공중합체의 분자일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 이차전지용 바인더를 포함하는 이차전지용 전극 합제를 제공하는 바, 상기 전극 합제는 양극 합제 또는 음극 합제일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지용 바인더는 전극 합제의 극성에 관계 없이, 양극 합제와 음극 합제에 모두 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극 합제를 전극 집전체 상에 코팅하는 전극 합제 코팅 장치를 제공하는 바, 상기 장치는,
집전체를 일 방향으로 이송시키는 이송부;
상기 집전체의 일면에 전극 합제를 도포하는 전극 합제 도포부; 및
상기 집전체 상에 도포된 전극 합제를 건조하는 건조부; 및
상기 집전체의 일면에 도포된 전극 합제에 대해 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
이때, 상기 자기장 인가부는 집전체의 일면에 대향하는 타면 부위에서 건조부, 또는 이송부 및 건조부에 위치하는 구조일 수 있으며, 이에 따라, 상기 전극 합제는 집전체의 일면에서 바인더가 자기장 인가부에 인접한 방향으로 위치할 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 전극 합제는 집전체의 일면에 도포되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 자기장 인가부는 상기 집전체의 일면에 대향하는 타면에 위치함으로써, 전극 합제에 외부 자기장을 인가할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전극 합제에 포함된 바인더의 자성 물질이 상기 외부 자기장에 대해 자성을 나타냄으로써, 상기 자성 물질을 포함하는 바인더가 건조되는 용매와 함께 상면 방향으로 이동하는 현상을 방지할 수 있으며, 상기 바인더가 자성에 의해 집전체의 일면에서 자기장 인가부에 인접한 방향으로 위치함으로써, 상기 전극 합제와 집전체 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전극 합제는 집전체의 일면에 도포되는 경우, 바인더와 활물질이 균일하게 분포하고 있으며, 이에 따라, 상기 자기장 인가부는 상대적으로 바인더의 이동이 쉽게 발생할 수 있는 건조부에 위치하거나, 상기 건조부를 포함한 이송부에 위치함으로써, 본 발명의 효과를 극대화시킬 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 외부 자기장의 세기는 0.05 T(Tesla) 내지 100 T 일 수 있다.
만일, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 외부 자기장의 세기가 상기 범위를 벗어나 지나치게 작을 경우에는, 소망하는 접착력 향상의 효과를 발휘하지 못할 수 있으며, 지나치게 클 경우에는, 전극 합제의 균일한 혼합 상태를 방해하거나, 전극 합제에 포함되어 있는 기타 구성 성분의 전기적 성능에 영향을 미칠 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 전극 합제 코팅 장치를 사용하여 제조된 전지셀을 제공하는 바, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 120 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 바인더는, 바인더 분자와 함께, 외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 자성 물질을 포함하도록 구성함으로써, 집전체의 일면에 도포된 전극 합제의 건조 과정에서, 이에 대향하는 집전체의 타면에 위치한 자기장 인가부를 통해, 자성 물질을 포함하는 바인더가 용매의 건조에 의해 이동하여 전극 합제의 상부 방향으로 위치하는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 집전체에 대한 전극 합제의 접착력을 향상시켜, 전극의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, 전극의 저항 증가를 방지함으로써, 전극의 전기적 성능 저하를 방지할 수 있어, 제품의 불량률을 저하를 통해, 공정에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 이차전지용 양극의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 바인더를 포함하는 양극 합제의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 양극 합제를 집전체 상에 코팅하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 바인더를 포함하는 양극 합제의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 양극 합제(210)는 양극 활물질 입자(211)와 바인더(212)를 포함하고 있다.
바인더(212)는 집전체 및 양극 활물질 입자(211)에 대한 접착력을 발휘하는 바인더 분자(212a)와 바인더 분자(212a)에 화학적으로 결합되어 있는 자성 물질(212b)을 포함하고 있다.
자성 물질(212b)은 외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내며, 상기 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부는 양극 합제(210)가 도포된 집전체의 일면에 대향하는 타면에 위치하므로, 자성 물질(212b)은 양극 합제(210)가 도포된 집전체의 일면에서, 자기장 인가부에 인접한 방향으로 위치하며, 이에 따라, 화학적으로 결합되어 있는 바인더 분자(212a)가 건조 과정에서 용매와 함께 양극 합제(210)의 상부 방향으로 이동하는 현상을 방지할 수 있다.
도 3에는 도 2의 양극 합제를 집전체 상에 코팅하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 양극(200)은 양극 활물질(211)과 바인더(212)를 포함하고 있는 양극 합제(210)가 액상의 상태로 양극 집전체(220)의 상면에 도포된 후 건조(230)되는 과정을 거쳐 제조된다.
이때, 상기 양극 합제(210)의 건조(230) 과정에서, 양극 합제(210)가 도포된 양극 집전체(220)의 일면에 대향하는 타면에는 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부(240)가 위치해 있다.
이에 따라, 자성 물질(212b)은 자기장 인가부(240)로부터 인가되는 외부 자기장에 대해 자성을 나타내며, 양극 집전체(220)의 일면에서, 화학적으로 결합되어 있는 바인더 분자(212a)와 함께 자기장 인가부(240)에 인접한 방향으로 위치한다.
따라서, 자성 물질(212b)에 화학적으로 결합되어 있는 바인더 분자(212a)가 용매의 건조에 의해 이동하여 양극 합제(210)의 상부 방향으로 위치하는 현상을 방지할 수 있는 동시에, 양극 집전체(220)에 대한 양극 합제(210)의 접착력을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 전극 합제에 포함되는 이차전지용 바인더로서,
    집전체 및 활물질 입자들에 대한 접착력을 발휘하는 바인더 분자; 및
    외부에서 인가되는 자기장에 대해 자성을 나타내는 자성 물질;
    을 포함하고,
    상기 자성 물질은 바인더 분자와 화학적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자성 물질은 금속인 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 자성 물질은 바인더의 전체 중량을 기준으로 0.1% 내지 20%의 범위로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 자성 물질은 이온 형태로서 바인더 분자에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 자성 물질은 바인더 분자와 이온 결합, 공유 결합 또는 배위 결합에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 바인더 분자는 하나 이상의 음이온 치환기를 포함하고 있고, 상기 자성 물질은 양이온 금속으로 이루어져 있으며, 바인더 분자와 자성 물질은 킬레이트(chelate) 결합을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 바인더 분자는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 및 불소 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상 또는 이들의 공중합체의 분자인 것을 특징으로 하는 이차전지용 바인더.
  10. 제 1 항에 따른 이차전지용 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 합제.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전극 합제는 양극 합제 또는 음극 합제인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 합제.
  12. 제 10 항에 따른 전극 합제를 전극 집전체 상에 코팅하는 장치로서,
    집전체를 일 방향으로 이송시키는 이송부;
    상기 집전체의 일면에 전극 합제를 도포하는 전극 합제 도포부; 및
    상기 집전체 상에 도포된 전극 합제를 건조하는 건조부; 및
    상기 집전체의 일면에 도포된 전극 합제에 대해 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
    를 포함하고,
    상기 전극 합제는 집전체의 일면에서 바인더가 자기장 인가부에 인접한 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 합제 코팅 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 자기장 인가부는 집전체의 일면에 대향하는 타면 부위에서 건조부, 또는 이송부 및 건조부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 합제 코팅 장치.
  14. 삭제
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 외부 자기장의 세기는 0.05 T(Tesla) 내지 100 T 인 것을 특징으로 하는 전극 합제 코팅 장치.
  16. 제 12 항에 따른 전극 합제 코팅 장치를 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 삭제
  19. 삭제
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