KR102019474B1 - 전기화학소자용 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체의 라미네이트 공정에서 발생할 수 있는 사행이나 적층 후 박리의 우려가 없는 양 전극 간 신규 결합 방식이 적용된 전극 조립체에 대한 것이다. 또한, 다양한 형상으로 제조가 가능한 전극 조립체에 대한 것이다. 본 발명의 구체적인 실시양태에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1 전극 합제를 포함하는 제1 전극 부재; 제2 전극 합제를 포함하고 상기 제1 전극 부재의 내부에 전부 또는 일부가 매립되거나 이의 표면에 배치되는 제2 전극 부재; 및 상기 제2 전극 부재의 표면의 전부 또는 일부를 피복하며, 상기 제1 전극 부재와 제2 전극 부재를 전기적으로 절연하는 분리막 부재;를 포함하며, 여기에서, 상기 제2 전극 부재는 복수의 개구부(開口部)가 형성된 메쉬(mesh) 구조를 갖는다.

Description

전기화학소자용 전극 조립체 {An electrode assembly for a electrochemical device}
본 발명은 전기화학소자용 전극 조립체에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 전극 조립체의 라미네이트 공정에서 발생할 수 있는 사행이나 적층 후 박리의 우려가 없는 양 전극 간 신규 결합 방식이 적용된 전극 조립체에 대한 것이다. 또한, 다양한 형상으로 제조가 가능한 전극 조립체에 대한 것이다.
PDA, 이동 전화, 노트북 컴퓨터 등 정보 통신의 위한 휴대용 전자 기기나 전기 자전거, 전기 자동차 등에 필요한 이차 전지의 수요가 급증하고 있고, 이러한 전자 기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라 소형 경량이면서 에너지 밀도가 높고, 고용량으로 충방전 가능한 이차 전지가 실용화되고 있다.
이러한 이차 전지는 음극/분리막/음극가 순차적으로 적층된 적층체를 권취하여 젤리-롤 타입으로 제조된 전극 조립체나 다수의 적층체를 쌓아 제조된 스택/폴딩형 전극 조립체를 이용한다. 그러나 종래 이러한 방식으로 전극 조립체를 제조하는 경우 적층시 층간 사행이 발생하거나 층간 결착이 견고하지 않아 전지 제조나 사용 중 층간 박리가 발생할 우려가 있다.
또한, 각형이나 파우치형과 같은 이차 전지는 평면 형태로 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 없으며, 다양한 형상 및 사이즈의 이차 전지에 맞추어 적용될 수 없다. 예를 들어 통상적으로 판상형 적층체들을 소정의 곡률 반경으로 함께 구부려 만곡형 전지를 제조하는데 이차 전지는 충방전 과정에서 극판에 도포되어 있는 활물질들이 팽창과 수축을 반복하게 되므로 소정의 형태로 변형 상태를 유지하기가 용이하지 않다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 것으로서, 음극과 양극이 견고하게 결착된 형태의 전기화학소자용 전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 제작될 수 있는 형상의 제약이 적고 가공이 용이한 전극 조립체를 제공하는 것이다. 마지막으로 본 발명은 전술한 특징을 갖는 전극 조립체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전극 조립체에 대한 것이다. 상기 전극 조립체는 제1 전극 합제를 포함하는 제1 전극 부재; 제2 전극 합제를 포함하고 상기 제1 전극 부재의 내부에 전부 또는 일부가 매립되거나 이의 표면에 배치되는 제2 전극 부재; 및 상기 제2 전극 부재의 표면의 전부 또는 일부를 피복하며, 상기 제1 전극 부재와 제2 전극 부재를 전기적으로 절연하는 분리막 부재;를 포함하며, 여기에서, 상기 제2 전극 부재는 복수의 개구부(開口部)가 형성된 메쉬(mesh) 구조를 갖는 것이다.
여기에서, 상기 제1 전극 부재는 양극(cathode) 또는 음극(anode)이고 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재와 반대 극성을 갖질 수 있다.
여기에서, 상기 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재는 개구율이 1% 내지 99%인 것이다.
여기에서, 상기 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재는 개구부의 중심간 평균 거리가 5mm 이하인 것이다.
또한, 상기 제2 전극 부재는 제2 전극 합제를 지지하는 서포트 부재(support member)를 포함하는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 전극 합제가 서포트 부재의 표면의 전부 또는 일부에 코팅될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 서포트 부재는 고분자 소재, 금속 소재 또는 이들의 복합 소재일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막 부재는 폴리올레핀 소재의 다공성 박막일 수 있다.
또한, 여기에서 상기 개구부의 형상은 원형, 타원형, 장방형 또는 무정형일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 전극 조립체를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 (S1) 서포트 부재를 준비하는 단계; (S2) 상기 서포트 부재의 표면에 제2 전극 합제를 코팅하여 제2 전극 부재를 형성하는 단계; (S3) 상기 제2 전극 부재의 표면에 분리막 부재를 피복하는 단계; 및 (S4) 상기 제2 전극 부재 전부 또는 일부를 제1 전극 부재의 내부에 매립하거나 상기 제1 전극 부재의 외부를 감싸는 단계; 를 포함하며, 여기에서 상기 제2 전극 부재는 개구부를 갖는 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계는 고분자 전기 방사(electro spinning), iCVD, 및 딥코팅 방법으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 방법 또는 둘 이상의 방법을 조합하여 수행될 수 있다.
한편, 상기 (S3) 단계는 별도로 마련된 고분자 박막으로 제2 전극 합제를 피복하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 (S1) 제2 전극 합제를 준비하는 단계; (S2) 상기 제2 전극 합제를 메쉬(mesh) 구조로 성형하여 제2 전극 부재를 제조하는 단계; (S3) 상기 제2 전극 부재의 표면에 분리막 부재를 피복하는 단계; 및 (S4) 상기 제2 전극 부재 전부 또는 일부를 제1 전극 부재의 내부에 매립하거나 이의 전부 또는 일부를 제1 전극의 표면에 배치하는 단계; 를 포함하는 전기화학소자용 전극 조립체의 제조 방법에 의해서 수득될 수 있다.
여기에서, 상기 (S2) 단계는 3D 프린터를 이용하여 수행될 수 있다.
여기에서, 상기 (S3) 단계는 고분자 전기 방사(electro spinning), iCVD, 및 딥코팅 방법으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 방법 또는 둘 이상의 방법을 조합하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 제2 전극의 전부 또는 적어도 일부가 제1 전극의 내부에 매립되거나 제1 전극의 외주면을 감싸는 방식으로 양 전극이 결합되므로 전극 간 결합이 견고하게 유지될 수 있고 전극 조립체의 형태 안정성이 매우 높다. 또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는 형상에 제약이 적어 다양한 형상 및 사이즈의 이차 전지에 적용될 수 있다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 전극 조립체를 도식화 하여 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 것으로서, 제2 전극을 구성하는 와이어의 단면을 확대하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 조립체의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 조립체의 제조 과정을 도식화 하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 구체적인 다른 실시양태에 따른 전극 조립체의 제조 과정을 도식화하여 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 복수의 개구부(開口部)가 형성된 메쉬(mesh) 구조를 갖는 제2 전극 부재를 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다. 본 발명에 있어서, 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재의 몸체 내부에 매립될 수 있으며 제2 전극 부재의 적어도 일부는 제1 전극 외부로 노출될 수 있다. 또한 상기 제2 전극 부재는 전부 또는 적어도 일부가 분리막 부재로 피복되어 이에 의해 상기 제1 전극 부재와 제2 전극 부재는 전기적으로 절연된다. 상기 전극 조립체는 전극 간 결합이 견고하게 유지되므로 전극 조립체의 형태 안정성이 높으며, 제조 공정상 및 사용상 안전성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는 다양한 형상을 갖도록 제조할 수 있어 성형성이 매우 우수할 뿐만 아니라 제1 전극과 제2 전극의 접촉 면적이 극대화되도록 설계할 수 있어 전지의 용량이나 출력 저하의 문제가 낮다.
도 1은 본 발명의 구체적인 일 실시양태인 전극 조립체(100)를 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하여 상기 전극 조립체를 상세하게 설명하면, 상기 전극 조립체는 소정의 형상을 갖는 제1 전극 부재(100)과 메쉬(mesh) 구조를 갖는 제2 전극 부재(120)를 포함하며, 상기 제2 전극 부재(120)는 제1 전극 부재(110)의 표면에 일부가 노출되는 방식으로 배치되어 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 제1 전극 부재 및 제2 전극 부재는 전기적으로 서로 반대 극성을 갖는 전극으로 제1 전극은 음극 또는 양극일 수 있으며, 제2 전극은 제1 전극과 반대 극성을 갖는 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 제1 전극 부재는 제1 전극 합제를 포함하며, 상기 제1 전극 합제는 제1 전극 활물질, 도전재 및 바인더 수지를 포함한다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 제1 전극 부재는 양극일 수 있으며, 상기 제1 전극 활물질은 양극 활물질인 것으로서, 니켈, 코발트, 망간, 동, 바나듐 등을 하나 또는 둘 이상 포함하는 리튬 전이금속산화물, 리튬망간 복합 전이금속 산화물인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 전극 부재는 제2 전극 합제를 포함하며, 상기 제2 전극 합제는 제2 전극 활물질, 도전재 및 바인더 수지를 포함한다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 제2 전극 부재는 음극일 수 있으며, 상기 제2 전극 활물질은 음극 활물질인 것으로서 탄소계 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 탄소계 재료의 비제한적인 예로 연화 탄소 (soft carbon) 및 경화 탄소 (hard carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 저결정 탄소; 또는 천연 흑연, 키시 흑연 (kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소 섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정 피치 (mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고결정 탄소 등을 들 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 제2 전극 부재(120)는 개구부(開口部)를 갖는 메쉬(mesh) 구조를 갖는 것으로서, 구체적으로는 복수의 개구부가 형성된 메쉬(mesh) 구조의 표면을 갖는 평면 구조체 또는 입체 구조체일 수 있다. 상기 개구부의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들어 원형, 타원형, 사각형 또는 삼각형일 수 있으며, 또는 무정형일 수 있다. 상기 제2 전극 부재는 개구율이 1% 내지 99%일 수 있으며, 개구부의 중심간 평균 거리가 5mm 이하인 것이다.
또한, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 제2 전극 부재의 표면의 전부 또는 적어도 일부를 피복하는 분리막 부재를 포함한다. 상기 분리막 부재에 의해 상기 제1 전극 부재와 제2 전극 부재가 전기적으로 절연 상태를 유지한다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 것으로서, 분리막 부재(130)가 제2 전극 부재(120)의 표면을 피복하고 있는 형상을 도식화하여 나타낸 것이다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 분리막 부재는 제1 전극 부재와 제2 전극 부재를 전기적으로 절연하는 분리막의 역할을 수행하는 것으로서, 높은 전기적 절연 특성, 이온 투과도 및 기계적 강도를 가지는 고분자 소재의 박막이 사용될 수 있다. 또한, 전극 조립체의 가공성 및 성형성을 위해 상기 분리막 부재로 가요성이 있는 연질 소재의 박막이 사용될 수 있다. 상기 박막은 기공이 형성된 다공성 박막일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 박막은 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴레페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌과 같은 고분자 수지 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나 특별히 여기에 한정되는 것이 아니다.
또한, 상기 다공성 박막은 고분자 수지를 용융하여 습식 또는 건식의 방법으로 성막한 시트 형태의 필름일 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 필름의 기공은 습식 공정에 따라 기공 형성제를 투입하여 형성된 것일 수 있다. 또는 고분자 수지를 용융방사하여 얻은 필라멘트를 집적시킨 부직포 웹을 상기 다공성 박막으로 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 분리막 부재로 상기 고분자 수지를 용융/성형 하여 시트 형태로 제조된 다공성 박막을 포함하는 것이다.
상기 다공성 박막의 기공은 직경이 0.01 ~ 10 ㎛인 것이며, 상기 박막의 두께는 5 ~ 300 ㎛이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리막 부재는 양측 표면 또는 적어도 일측 표면에 무기물 입자를 포함하는 무기물 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 무기물 코팅층은 복수의 무기물 입자와 바인더 수지의 혼합물을 포함하는 것으로서, 분리막 부재의 표면이 무기물 입자로 피복됨으로써 분리막의 내열성 및 기계적 물성이 더욱 향상될 수 있다. 상기 무기물 코팅층에서, 상기 무기물 입자와 바인더 수지의 함량비는 코팅층의 두께, 기공 크기 및 기공도를 고려하여 결정하되, 중량비를 기준으로 무기물 입자가 50 내지 99.9 중량% 또는 70 내지 99.5 중량%, 고분자 수지가 0.1 내지 50중량% 또는 0.5 내지 30중량% 인 것이다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1 -xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC, TiO2 등이 있으며 각각 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막 부재는 제2 전극 부재를 피복함으로써 전극의 부피 팽창/수축으로 야기되는 전극 활물질의 탈리를 방지하여 전극 부재의 형상을 견고하게 유지하는 역할을 수행한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 전극 부재는 전극 부재의 형상을 유지하고 제2 전극 합제를 지지하는 역할을 할 수 있도록 추가적으로 서포트 부재(support member)를 포함할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 서포트 부재는 제2 전극 합제에 의해 표면의 적어도 일부가 피복되거나 제2 전극 부재의 내부에 삽입되는 구조로 본 발명의 전극 조립체에 포함될 수 있다.
도 3은 서포트 부재를 포함하는 제2 전극 부재를 예시적으로 도시한 것이다. 상기 도 3을 참조하면 상기 서포트 부재는 제2 전극 합제로 외부가 피복되어 제2 전극 부재의 내부에 삽입되어 있다. 본 발명에 있어서 상기 서포트 부재는 메쉬(mesh) 구조를 갖는 평면 구조체 또는 입체 구조체일 수 있으며 가공성을 용이하게 할 목적으로 휘거나 구부러지는 것이 가능한 연질 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 소재로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 금속 또는 고분자 수지 또는 이들의 복합체일 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 전극 조립체를 제조하는 다양한 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 본 발명에 따른 전극 조립체는 제2 전극 부재를 형성한 후 상기 제2 전극 부재를 제1 전극 부재의 내부에 전부 또는 일부를 매립하거나 제1 전극 부재의 표면에 제2 전극 부재의 적어도 일부가 노출되도록 결합시킴으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 제1 측면에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 다음의 단계를 포함한다(도 4 참조):
(S1) 제2 전극 합제를 준비하는 단계;
(S2) 상기 제2 전극 합제를 메쉬(mesh) 구조로 성형하여 제2 전극 부재를 제조하는 단계;
(S3) 상기 제2 전극 부재의 표면에 분리막 부재를 피복하는 단계; 및
(S4) 상기 제2 전극 부재 전부 또는 일부를 제1 전극 부재의 내부에 매립하거나 이의 전부 또는 일부를 제1 전극의 표면에 배치하는 단계.
상기 제1 측면에 따르면, 우선, 제2 전극 합제를 준비한다(S1). 전술한 바와 같이 상기 제2 전극 합제는 전극 활물질, 도전재 및 바인더 수지를 포함할 수 있다.
다음으로 상기 제2 전극 합제를 성형하여 메쉬(mesh) 구조를 갖는 제2 전극 부재를 제조한다(S2). 상기 제2 전극 부재를 성형하는 방법으로는 상기 제2 전극 합제를 적절한 평면 기재에 도포하고 건조하여 판형으로 성형한 후 적절한 타공 부재를 이용하여 개구부를 형성할 수 있다. 상기 전극 조립체는 이러한 방식으로 성형된 타공판상의 제2 전극 부재를 포함할 수 있다. 또는 상기 타공판상의 제2 전극 부재를 둘 이상 결합하여 입체 구조를 갖는 제2 전극 부재를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 구체적인 다른 실시양태에 따르면 3D 프린팅 기술을 이용하여 소정의 판상 구조 또는 3차원 입체 구조로 성형된 제2 전극 부재를 얻을 수 있다.
한편, 상기 제2 전극 부재는 소정 형상을 갖는 서포트 부재를 준비하고 상기 서포트 부재에 제2 전극 합제를 코팅하여 준비될 수 있다. 상기 서포트 부재는 메쉬 타입으로 준비되어 이의 표면에 제2 전극 합제가 코팅될 수 있다. 또는 제2 전극 합제가 코팅된 와이어 형상의 서포트 부재를 준비한 후 이를 이용하여 메쉬(mesh) 구조의 제2 전극 부재를 제조하는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이 다양한 방법에 따라 제2 전극 부재를 제조할 수 있다. 이렇게 제2 전극 부재가 성형되면 다음으로 이의 표면에 분리막 부재를 코팅한다(S3). 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막 부재의 코팅 방법은 전기 방사법(electro spinning) 또는 개시 기상 화학 증착법 iCVD 방법에 의해 수행될 수 있다.
상기 개시 화학 기상 증착법(iCVD)은 가열된 필라멘트 열원이나 UV 등으로부터 공급된 에너지에 의해 고분자의 라디칼 분해와 단량체의 중합을 일으켜 고분자 박막을 형성하는 방법이다. iCVD 방법은 3차원 입체 구조로 성형된 제2 전극 부재를 분해하지 않고 입체 구조 그대로 고분자 부재를 형성할 수 있어 공정상 편의성이 높은 장점이 있다.
이와 같은 과정에 의해 분리막 부재로 피복된 제2 전극 부재가 제조되면, 이를 제1 전극 부재와 결합하여 전극 조립체를 제조한다. 이때 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재의 몸체 내에 전부 매립되거나 일부가 제1 전극 부재의 외부로 노출될 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 제2 전극 부재는 일단이 개방되거나 양단이 개방된 원통 형상으로 성형될 수 있으며, 이의 내부에 제1 전극 합제가 충진되는 방식으로 제1 전극 부재와 제2 전극 부재가 결합될 수 있다. 이때 제2 전극 부재의 일부가 제1 전극 부재의 몸체 내로 매립되어 상호간의 결합 및 전극 조립체의 형태가 견고하게 유지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 구체적인 일 측면에 따른 전극 조립체의 제조 방법을 도식화 하여 나타낸 것이다. 이에 따르면 (a) 제2 전극 합제를 3D 프린트를 이용하여 메쉬(mesh) 구조의 표면을 갖는 원통형의 틀로 성형한 후 (b) iCVD 방법을 이용하여 상기 틀을 고분자 박막으로 피복한다. 이러한 방식으로 분리막 부재로 피복된 제2 전극 부재를 준비한다. (c) 다음으로, 상기 제2 전극 부재의 내부에 제1 전극 합제를 충진하여 전극 조립체를 제조한다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 전극 조립체의 제조 방법을 도식화하여 나타낸 것이다. 이에 따르면 (a) 와이어 형상의 서포트 부재를 준비하고 (b, c) 이의 표면에 제2 전극 합제와 분리막 부재를 순차적으로 코팅한 후, (d) 상기 코팅된 와이어를 교차시켜 메쉬(mesh) 구조의 표면을 갖는 원통형의 제2 전극 부재를 준비한다. 다음으로 (e) 상기 제2 전극 부재의 내부에 제1 전극 합제를 충진하여 전극 조립체를 제조한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 전극 조립체를 제조하는 방법에 대해 설명하였으나 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 전술한 방법으로 한정되는 것은 아니며 전술한 특징을 갖는 전극 조립체를 구현할 수 있다면 다른 다양한 방법이 시도될 수 있다.
다르게는, 상기 제2 전극 부재는 전극의 기능을 수행할 수 있는 와이어 부재를 이용하여 메쉬(mesh) 구조를 갖는 평면 구조체 또는 3차원 입체 구조체를 제조하고 이를 분리막 부재로 피복할 수 있다. 또는 상기 와이어 부재를 미리 분리막 부재로 피복한 후 피복된 와이어 부재를 이용하여 메쉬(mesh) 구조를 갖는 평면 구조체 또는 3차원 입체 구조체의 제2 전극 부재로 만드는 것도 가능하다. 또 다른 방법으로는 중공(中孔)이 있는 고분자 소재의 관형의 와이어 부재를 준비하고 상기 중공에 제2 전극 합제를 충진하고 이를 이용하여 평면 구조체 또는 3차원 입제 구조체의 제2 전극 부재를 준비할 수 있다. 여기에서 상기 관형의 와이어 부재는 분리막 부재를 대체할 수 있는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는 모바일폰과 같은 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 이차 전지에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 중대형 전지모듈에 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 본 발명은 이에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (15)

  1. 제1 전극 합제를 포함하는 제1 전극 부재;
    제2 전극 합제를 포함하고 상기 제1 전극 부재의 내부에 전부 또는 일부가 매립되는 제2 전극 부재; 및
    상기 제2 전극 부재의 표면의 전부를 피복하며, 상기 제1 전극 부재와 제2 전극 부재를 전기적으로 절연하는 분리막 부재;를 포함하며,
    여기에서, 상기 제2 전극 부재는 복수의 개구부(開口部)가 형성된 메쉬(mesh) 구조를 갖고, 상기 메쉬 구조는 3차원의 입체 구조체인 것으로서, 상기 입체 구조체는 분리막 부재로 피복된 와이어 부재를 이용하여 형성되거나 제2 전극 합제를 3D 프린터로 프린트하여 형성되고, 상기 3차원의 입체 구조체 내에 제1 전극 합제가 충진되어 형성된 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 부재는 양극(cathode) 또는 음극(anode)이고 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재와 반대 극성을 갖는 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재는 개구율이 1% 내지 99%인 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재는 개구부의 중심간 평균 거리가 5mm 이하인 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 부재는 제2 전극 합제를 지지하는 서포트 부재(support member)를 포함하는 것인, 전기화학 소자용 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전극 합제가 서포트 부재의 표면의 전부 또는 일부에 코팅되어 있는 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 고분자 소재, 금속 소재 또는 이들의 복합 소재인 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 부재는 폴리올레핀 소재의 다공성 박막인 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 개구부의 형상은 원형, 타원형, 장방형 또는 무정형인 것인, 전기화학소자용 전극 조립체.
  10. 제1항에 따른 전기화학소자용 전극 조립체를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 상기 방법은
    (S1) 서포트 부재를 준비하는 단계;
    (S2) 상기 서포트 부재의 표면에 제2 전극 합제를 코팅하여 제2 전극 부재를 형성하는 단계;
    (S3) 상기 제2 전극 부재의 표면에 분리막 부재를 피복하는 단계; 및
    (S4) 상기 제2 전극 부재 전부 또는 일부를 제1 전극 부재의 내부에 매립하거나 상기 제1 전극 부재의 외부를 감싸는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제2 전극 부재는 개구부를 갖는 메쉬(mesh) 구조를 갖는 것인, 전기화학소자용 전극 조립체 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (S3) 단계는 고분자 전기 방사(electro spinning), iCVD, 및 딥코팅 방법으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 방법 또는 둘 이상의 방법을 조합하여 수행되는 것인, 전기화학소자용 전극 조립체의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (S3) 단계는 별도로 마련된 고분자 박막으로 제2 전극 합제를 피복하여 수행되는 것인, 전기화학소자용 전극 조립체의 제조 방법.
  13. (S1) 제2 전극 합제를 준비하는 단계;
    (S2) 상기 제2 전극 합제를 메쉬(mesh) 구조로 성형하여 제2 전극 부재를 제조하는 단계;
    (S3) 상기 제2 전극 부재의 표면에 분리막 부재를 피복하는 단계; 및
    (S4) 상기 제2 전극 부재 전부 또는 일부를 제1 전극 부재의 내부에 매립하거나 이의 전부 또는 일부를 제1 전극의 표면에 배치하는 단계;
    를 포함하며, 상기 (S2) 단계는 3D 프린터를 이용하여 수행하는 것인 전기화학소자용 전극 조립체의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (S3) 단계는 고분자 전기 방사(electro spinning), iCVD, 및 딥코팅 방법으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 방법 또는 둘 이상의 방법을 조합하여 수행되는 것인, 전기화학소자용 전극 조립체의 제조 방법.
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