KR102040073B1 - 전해 동박, 이를 포함하는 전극 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리 - Google Patents

전해 동박, 이를 포함하는 전극 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리 Download PDF

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지옌-밍 황
쿠이-선 정
루이-장 저우
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Abstract

전해 동박, 이를 포함하는 전극 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리가 제공된다. 전해 동박은 드럼 측면과 드럼 측면에 대향하는 증착 측면을 가지며, 드럼 측면의 나노인덴테이션 경도는 0.5GPa 이상이고 3.5GPa 이하이며, 드럼 측면의 밝기는 25 이상이고 75 이하이다.

Description

전해 동박, 이를 포함하는 전극 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리{ELECTROLYTIC COPPER FOIL, ELECTRODE COMPRISING THE SAME, AND LITHIUM ION BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 개시(disclosure)는 전해 동박에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이온 배터리의 전극을 위한 전해 동박 및 이를 포함하는 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
모바일 전자 디바이스, 전기 자동차(electric vehicles, EVs), 하이브리드 전기 자동차(hybrid electric vehicles, HEVs) 등의 급격한 수요 증가로, 높은 전기 에너지 밀도와 긴 사이클 수명(cycle life)을 가진 충전식 리튬 이온 배터리(rechargeable lithium-ion batteries, LiBs)가 큰 주목을 받았다. 양호한 유연성 및 우수한 도전성으로, 리튬 이온 배터리의 전극으로서 사용되는 동박(copper foil)은 리튬 이온 배터리 개발의 초점(focuses) 중 하나이다.
리튬 이온 배터리에 사용되는 동박은 그 제조 방법(preparation method)에 따라 압연 동박(rolled copper foil)과 전해 동박으로 나누어질 수 있으며, 압연 동박은 반복되는 압연(rolling) 및 어닐링(annealing) 단계를 거쳐야 하므로, 생산 비용이 높고 획득된 동박이 제한된 폭을 가진다. 전해 동박은 압연 동박과 비교하여 제조 비용이 낮고 얇은 박형(thin foil type)으로 형성될 수 있다. 따라서, 리튬 이온 배터리용 동박은 주로 전해 동박으로 이루어진다.
전극을 제조하기 위해, 전해 동박은 일반적으로 그 표면상에 활성 물질(active material)로 코팅된 다음 압연된다. 활성 물질 층의 코팅 및 프레싱(pressing) 조건에 따라, 주름이나 균열(crack), 심지어 파손(breaking) 등의 손상이 동박 상에 형성될 수 있다. 이러한 손상이 발생하면 배터리 생산의 수율이 크게 감소되고, 리튬 이온 배터리의 사이클 성능이 저하된다. 이 문제를 극복하기 위해 몇 가지 방법이 제공되었다. 예를 들어, 대만 특허 공개공보 제201728764호는 2 개의 상이한 시험(test) 속도에서 인장 강도의 비(ratio of tensile strengths)를 제한함으로써 양호한 내구성(durability)을 갖는 전해 동박을 개시한다. 전술한 전해 동박이 리튬 이온 배터리의 사이클 수명을 연장시킬지라도, 전술한 전해 동박은, 활성 물질이 전해 동박 상에 코팅되고 코팅되지 않은 경계가 프레싱 공정(process) 동안 상이한 중압(stresses)을 견뎌야 하기 때문에, 여전히 파손 또는 균열을 피할 수 없다. 배터리 생산의 수율은 여전히 낮고 개선되어야 한다.
종래의 방법이 기술적인 결함을 가진다는 관점에서, 본 개시(instant disclosure)의 목적은 양호한 기계적 속성(mechanical properties)을 가지는 전해 동박을 제공함으로써, 전해 동박의 파손을 감소시켜서 생산 수율을 향상시키는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 개시는 드럼 측면(drum side) 및 드럼 측면에 대향하는 증착 측면(deposited side)을 포함하는 전해 동박을 제공한다. 드럼 측면의 나노인덴테이션 경도(nanoindentation hardness)는 0.5GPa 이상이고 3.5GPa 이하이며, 드럼 측면의 밝기(lightness)는 25 이상이고 75 이하이다.
나노인덴테이션 경도 및 드럼 측면의 밝기의 범위를 제한하는 것에 의해, 전해 동박이 프레싱에 의해 발생된 중압을 견딜 수 있다. 따라서, 주름 및 파손의 형성을 완화하고 피할 수 있으므로, 전해 동박을 포함하는 리튬 이온 배터리의 생산 수율, 사이클 성능 및 서비스 수명을 향상시킬 수 있다.
전해 동박은 통상적으로, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 드럼 사이에 황산동 전해질 용액(copper sulfate electrolyte solution)을 공급하고, 황산동 전해질 용액을 전해시켜 캐소드 드럼의 표면상에 전해 동박을 증착시키는(deposit) 것에 의해 제조되며, 그 다음에 전해 동박이 연속적으로 캐소드 드럼의 표면으로부터 벗겨지고(peeled off) 말려 올라간다(rolled up). 황산동 전해질 용액은 주로 황산(sulfuric acid)과 황산동(copper sulfate)을 포함한다. 애노드는 통상적으로 루테늄(ruthenium) 또는 루테늄 산화물로 코팅된 티타늄 플레이트(plate)로 만들어진 치수적으로 안정성 있는 애노드(dimensionally stable anode)이다. 캐소드 드럼은 통상적으로 티타늄 재질의 드럼(titanium-made drum)이다. 캐소드 드럼에 접촉하는 전해 동박의 한 표면을 드럼 측면이라 명명하고, 전해 동박의 다른 표면을 증착 측면이라고 명명한다.
통상적으로, 전기 도금(electroplating) 초기에 캐소드 드럼의 표면의 조건(condition)은 전해 동박의 드럼 측면의 경도에 크게 영향을 미친다. 전해 동박이, 전해 동박과 밀착된 캐소드 드럼의 표면으로부터 벗겨진 후, 캐소드 드럼의 표면이 공기에 노출된다. 캐소드 드럼의 노출 기간(exposure period)은 캐소드 드럼의 회전 속도에 따라 다르다. 더 두꺼운 동박을 생산하는 경우, 캐소드 드럼의 회전 속도가 느려짐에 따라 공기에 노출되는 기간이 더 길다. 따라서, 캐소드 드럼의 표면은 매우 건조해진다. 캐소드 드럼의 건조된 표면이 황산동 전해질 용액과 다시 접촉하는 경우, 캐소드 드럼의 표면이 습윤(wetting) 레벨에서 불일치(discrepancy) 하므로 전해 동박의 드럼 측면이 더 낮은 경도를 갖을 것이다. 발명자들의 반복된 연구 결과, 캐소드 드럼이 황산동 전해질 용액에 디핑되기(dip) 전에, 동일한 황산동 전해질 용액을 표면에 분무하는 것에 의해 캐소드 드럼의 표면이 축축해질 수 있으며, 이에 따라 생산된 전해 동박의 드럼 측면의 경도를 증가시킨다.
또한, 종래의 전해 동박은 요건(requirement)을 충족시키기 위해 다층(multi-layered) 구조(예를 들어, 2층 또는 3층)를 가져야 한다. 다층 구조는 상이한 컴포넌트(component) 또는 상이한 경도를 갖는 컴포넌트로 순차적으로 형성된다. 그러나 본 개시의 전해 동박은 다중 성형(forming) 공정(multiple forming processes) 없이 원하는 기계적 속성을 획득할 수 있으며; 즉 전해 동박은 리튬 이온 배터리에 보다 적합하고 보다 높은 상업적 잠재력(commercial potential)을 갖는다.
바람직하게, 드럼 측면의 나노인덴테이션 경도는 1.0GPa 이상이고, 3.0GPa 이하이다.
밝기(L*)는 JIS Z 8729에 정의된 색상 시스템의 세 가지 엘리먼트 중 하나에 속한다. 밝기가 높을수록 색상이 환하고 밝아지며, 흰색에 가까워진다. 전해 동박의 밝기는 캐소드 드럼의 표면 조건과 관련이 있다. 캐소드 드럼의 산화도(degree of oxidation)가 증가하는 경우, 전해 동박의 드럼 측면의 밝기가 낮아진다. 캐소드 드럼의 표면의 산화물층을 제거하기 위해, 캐소드 드럼이 일정 길이(통상적으로 5000~10,000미터)의 전해 동박을 생산하는데 사용될 때 온라인 연마 휠(on-line polishing wheel)을 사용하여 캐소드 드럼의 표면이 연마된다. 각각의 브랜드의 연마 휠은 연마 휠의 연마 입자(abrasive grain)의 입자 크기(particle size)에 기반하여 상이한 모델로 분류된다. 실질적으로 모델 번호가 작을수록 연마 휠의 연마 입자의 입자 크기가 커진다. 보다 작은 모델 번호를 가진 연마 휠은 캐소드 드럼의 표면의 산화물층을 신속하게 제거하는데 사용될 수 있지만, 연마된 캐소드 드럼 상에 증착된 후속하여 획득된 전해 동박의 드럼 측면은 보다 높은 표면 거칠기(roughness)를 갖는다. 반대로, 모델 번호가 큰 연마 휠은 미세 연마(fine polishing)에 적합하고, 연마된 캐소드 드럼 상에 증착된 후속하여 획득된 전해 동박의 드럼 측면은 보다 낮은 표면 거칠기 및 보다 높은 밝기를 갖는다. 바람직하게, 전해 동박의 드럼 측면의 밝기는 35 이상이고 65 이하이다.
본 개시에 따르면, 50mm/min의 크로스헤드(crosshead) 속도에서, 전해 동박의 인장 강도(tensile strength)는 34kgf/mm2 이상이다. 리튬 이온 2차 배터리에 적용하기 위해, 전해 동박의 표면이 활성 물질로 코팅되고, 프레싱 및 슬리팅(slitting) 등의 공정이 실시된다. 전해동(electrolytic copper)의 인장 강도가 지나치게 낮으면, 전해 동박이 주름을 발생시킬 수 있어서, 활성 물질이 전해 동박의 표면상에 균일하게 코팅될 수 없다. 바람직하게, 전해 동박은 34.1kgf/mm2 내지 34.8kgf/mm2의 인장 강도를 가진다.
본 개시에 따르면, 전해 동박의 표면 거칠기는 JIS B 0601-1994에 정의된 10점 평균 거칠기(ten-point mean roughness)(Rz)로 표현된다. 전해 동박의 표면이 보다 매끄러우면(smoother)(즉, Rz가 작을수록), 전해 동박의 표면이 미세한 결정을 가진다. 따라서, 전해 동박의 표면 영역(surface area)이 증가하고, 또한 전류가 증가될 것이다. 그러나 전해 동박의 표면 영역이 너무 매끄러우면, 활성 물질과 전해 동박의 표면 사이의 접착 강도(adhesive strength)가 저하되어, 활성 물질 층과 전해 동박 사이의 박리(delamination)를 일으키고 리튬 이온 배터리의 성능을 열화시킬 수 있다. 드럼 측면의 경우, 드럼 측면의 Rz는 1.0㎛ 이상이고 2.5㎛ 이하이며, 바람직하게는 1.2㎛ 이상이고 2.0㎛ 이하이다. 증착 측면의 경우, 드럼 측면의 Rz는 1.0㎛ 이상이고 3.0㎛ 이하이며, 바람직하게는 1.4㎛ 이상이고 2.0㎛ 이하이다.
일부 경우에, 전해 동박의 증착 측면의 나노인덴테이션 경도가 1.5GPa 이상이고 2.0GPa 이하이다.
본 개시에 따르면, 전해 동박의 두께는 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게, 전해 동박은 3㎛ 내지 105㎛의 구께를 가진다. 더욱 바람직하게, 전해 동박은 5㎛ 내지 30㎛의 두께를 가진다.
부식 방지(anti-corrosion) 등의 전해 동박의 기능을 향상시키기 위해서, 필요에 따라 표면 처리(treatment)가 전해 동박에 대해 선택적으로 그리고 추가적으로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 전해 동박에 대한 표면 처리는 부식 방지 처리 및 실란 커플링(silane coupling) 처리 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 전해 동박의 드럼 측면 및 증착 측면 중 적어도 하나는 부식 방지층 또는 실란 커플링층을 가질 수 있다.
부식 방지 처리의 측면에서 유기 부식 방지 처리는 아졸(azole) 화합물(compund)을 사용하거나, 무기 부식 방지 처리는 크로메이트(chromate)를 사용할 수 있으며; 따라서, 무기 부식 방지층 또는 유기 부식 방지층이 전해 동박의 드럼 측면 및 증착 측면 중 적어도 하나에 형성된다. 부식 방지 컴포넌트가 딥(dip) 코팅, 분무(spraying), 도금(plating) 등의 방법에 의해 전해 동박의 표면에 부착될 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
아졸 화합물의 실례(example)는, 트리아졸(triazole), 벤조 트리아졸(benzotriazol), 톨릴트리아졸(tolyltriazole), 카르복시벤조트리아 졸(carboxybenzotriazole), 클로로 치환 벤조트리아졸(chloro-substituted benzotriazole), 3-아미노-1,2,4-트리아졸(3-amino-1,2,4-triazole), 4-아미노-1,2,4-트리아졸(4-amino-1,2,4-triazole), 또는 이의 유도체와 같은 트리아졸계 화합물(triazole-based compound); 티아졸(thiazole), 이소티아졸(isothiazole), 2-아미노-4-메틸티아졸(2-amino-4-methylthiazole) 또는 이의 유도체와 같은 티아졸계(thiazole-based) 화합물; 또는, 이미다졸(imidazole), 2-아미노벤즈이미다졸(2-aminobenzimidazole), 2-메르캅토-1-메틸이미다졸(2-mercapto-1-methylimidazole), 1-(2-히드록시에틸)-2-메틸이미다졸(1-(2-hydroxyethyl)-2-methylimidazole), 1-(2-클로로에틸)-2-메틸이미다졸(1-(2-chloroethyl)-2-methylimidazole) 또는 이의 유도체와 같은 이미다졸계(imidazole-based) 화합물을 포함한다. 유기 부식 방지 처리는 전술한 아졸 화합물 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
실란 커플링 처리는 실란 커플링제(coupling agent)를 적용하여 전해 동박의 표면을 처리한다. 실란 커플링제는 화학식 Y-(R')n-Si(OR)3에 의해 표시되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며; 여기서, Y는 글리시딜 기(glycidyl group)(즉, 에폭시 기(epoxy group)), 아미노기(amino group), 에폭시시클로헥실 기(epoxycyclohexyl group), 우라노 기(uramino group), 카르바메이트 기(carbamate group), 말론산 에스테르 기(malonic ester group), 카르복실 기(carboxyl group), 메르캅토 기(mercapto group), 시아노 기(cyano group), 아세톡시 기(acetoxy group), 아크릴옥시 기(acryloxy group), 메틸아크릴옥시 기(methylacryloxy group), 클로로메틸페닐 기(chloromethylphenyl group), 피리딜 기(pyridyl group), 비닐 기(vinyl group), 디알킬아미노 기(dialkylamino group), 페닐알킬아미노 기(phenylalkylamino group) 및 이미다졸릴 기(imidazolyl group)를 포함하는 기(group)로부터 선택되며; 여기서 n은 정수 0 또는 1이고; R'는 메틸렌 기(methylene group), 에틸렌 기(ethylene group), 프로필렌 기(propylene group) 및 에틸 또는 프로필기로 치환된 페닐렌 기(phenylene group)로 이루어진 기로부터 선택되고, 여기서, 페닐렌 기는 Y와 결합(bond)되어 있으며; R은 메틸 기(methyl group), 에틸 기(ethyl group) 및 선형 또는 브랜치형 C3-C6 알킬기(linear or branched C3 to C6 alkyl group)로 이루어진 기로부터 선택된다. 구체적으로, 실란 커플링제는 에폭시계(epoxy-based) 실란, 아미노계(amino-based) 실란, 메타크릴옥시계(methacryloxy-based) 실란, 비닐계(vinyl-based) 실란, 또는 메르캅토계(mercapto-based) 실란일 수 있다. 실란 커플링 처리는 하나 이상의 실란 커플링제를 사용하여 수행될 수 있다.
본 개시는 추가로, 전해 동박을 포함하는 전극을 제공한다. 바람직하게는, 전극은 음극(negative electrode)이다.
구체적으로, 전극은 적어도 하나의 바인더(binder) 및 적어도 하나의 활성 물질을 더 포함한다.
예를 들면, 바인더는, 폴리-1,1-디플루오로에틸렌(poly-1,1-difluoroethene)(약칭: PVDF), 폴리(아크릴산), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose)(약칭: CMC), 스티렌 부타디엔 러버(styrene butadiene rubber)(약칭: SBR), 폴리이미드(polyimide)(약칭: PI), 폴리 비닐 알콜 또는 이들의 임의의 조합일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
전해 동박은 특히 음극의 캐소드의 집전 장치(current collector)인 것이 적합하고, 음극 집전 장치는 리튬 이온 2차 배터리에 적합하다. 일반적으로, 전해 동박의 한 측면 또는 양 측면은 음극 활성 물질(간단히 "활성 물질"이라 지칭됨)으로 코팅된다. 활성 물질은 음극 집전 장치 상 또는 주위에 하나 이상의 층으로 형성될 수 있고, 활성 물질은 일반적으로 탄소 물질(carbon material)을 함유한다.
활성 물질은 전극이 양호한 사이클 성능을 가지도록 한다. 예를 들어, 활성 물질은 탄소 물질, 실리콘 물질(silicon material), 금속, 금속 산화물, 금속 합금(alloy), 중합체(polymer) 또는 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게, 활성 물질은 탄소 물질 또는 실리콘 물질이다.
구체적으로, 탄소 물질은 비-흑연화 탄소(non-graphitizing carbon), 코크스(coke), 흑연(graphite), 유리상 탄소(glasslike carbon), 탄소 섬유(carbon fiber), 활성탄(activated carbon), 카본 블랙(carbon black) 또는 고분자 소성 물질(high polymer calcined material)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그 중에서 코크스는 피치 코크스, 바늘 형상(needle-shaped) 코크스 또는 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하며, 고분자 소성 물질은 페놀-포름알데히드 수지(phenol-formaldehyde resin) 또는 푸란(furan) 수지와 같은 고분자(high polymer)를 적당한 온도에서 연소시키고 연소시킨 고분자를 탄산화함으로써 획득된다.
실리콘 물질이 음극 활성 물질로 사용되는 경우, 실리콘 물질은 리튬 이온으로 합금을 형성하는 우수한 능력을 가지며, 리튬 합금으로부터 리튬 이온을 추출하는 우수한 능력을 갖는다. 또한, 실리콘 물질을 포함하는 리튬 이온 배터리는 큰 에너지 밀도를 가질 수 있다. 실리콘 물질은 코발트(Co), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 스티비움(Sb), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo) 또는 이들의 임의의 조합으로 합금 물질을 형성할 수 있다.
구체적으로, 금속 합금의 물질 또는 엘리먼트가 코발트(Co), 철(Fe), 주석(Sn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 티탄늄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 스티비늄(Sb), 크롬(Cr), 루테늄(Ru) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 기로부터 선택될 수 있으며 이것에 한정되는 것은 아니다. 금속 산화물의 예는 산화제이철(iron (III) oxide)(Fe2O3), 사산화 삼철(iron (II, III) oxide)(Fe3O4), 루테늄 산화물(ruthenium (IV) oxide)(RuO2), 이산화 몰리브덴(molybdenum (IV) oxide)(MoO2), 또는 삼산화 몰리브덴(VI)(molybdenum (VI) oxide)(MoO3)일 수 있다.
구체적으로, 중합체는 폴리아세틸렌 또는 폴리피롤(polypyrrole) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 전극은 본 개시의 전극의 기능에 영향을 주지 않으면서 필요에 따라 보조 첨가제(auxiliary additive)를 포함할 수 있다. 보조 첨가제는 수산화 리튬(LiOH) 또는 옥살산(H2C2O4)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 개시는 음극으로서 전술한 리튬 이온 배터리용 전극, 양극 및 전해질 용액을 포함하는 리튬 이온 배터리를 더 제공한다. 일부 경우에, 리튬 이온 배터리의 양극과 음극 사이에 분리기(separator)가 삽입될 수 있다.
구체적으로, 전해질 용액은 용매(solvent) 및 용매에 용해된 전해질(electrolyte)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 전해질 용액은 필요에 따라 첨가제를 더 포함할 수 있다. 용매는 환상 카보네이트(cyclic carbonate), 체인 카보네이트 및 술톤(sultone)과 같은 비수용매(non-aqueous solvent)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 환상 카보네이트는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate , EC) 또는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC)일 수 있으며, 체인 카보네이트는 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC) 또는 에틸 메틸 카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC)일 수 있다. 용매는 용매 혼합물(solvent mixtures)을 형성하기 위해 단일 컴포넌트 또는 둘 이상의 컴포넌트의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용매 혼합물은 에틸렌 카보네이트 또는 프로필렌 카보네이트와 같은 고유전율 용매(high dielectric constant solvent) 및 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 또는 에틸메틸 카보네이트와 같은 저점도(low viscosity) 용매를 포함할 수 있으므로, 용매 혼합물은 전해질에 대한 높은 용해도(solubility)와 높은 이온 전도도를 가진다.
전해질 용액은 원래 형태로 또는 전해질 용액과 중합체 물질의 혼합물로 만들어진 겔(gel) 형태로 사용될 수 있다. 분리기는 전해질 용액에 침지(immersed)될 수 있거나, 전해질 용액은 분리기와 음극 사이 및 분리기와 양극 사이의 층에 배치될 수 있다. 일부 경우, 바람직한 중합체 물질은 높은 산화 환원 안정성(high stability of redox) 을 갖는 비닐리덴 디플루오라이드(vinylidene difluoride)를 포함하는 중합체일 수 있다. 다른 경우에, 중합체 물질은 아크릴레이트와 같은 단일 작용기의 아클릴레이트(mono-functional acrylates), 메타크릴레이트(methacrylate)와 같은 단일 작용기의 메타크릴레이트(mono-functional methacrylate), 디아크릴레이트(diacrylates) 또는 트리아크릴레이트(triacryaltes)와 같은 다중 작용기의(multi-functional) 아크릴레이트, 디메타크릴레이트(dimethacrylates) 또는 트리메타크릴레이트(trimethacryaltes)와 같은 다중 작용기의 메타크릴레이트, 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 메타크릴로니트릴(methacrylonitrile), 또는 다른 모노머(monomer)를 포함한다. 바람직하게, 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트가 중합되기(polymerize) 쉽고 고분자 반응성을 갖기 때문에, 중합체 물질은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트에 의해 중합될 수 있다.
본 개시에 따르면, 리튬 이온 배터리의 구조 또는 유형에 특별한 제한이 없다. 리튬 이온 배터리는 음극, 분리기 및 양극의 순서로 적층된 적층 셀일 수 있다. 리튬 이온 배터리는 또한 연속 양극(continuous positive electrode), 연속 음극(continuous negative electrode) 및 함께 나선형으로 감겨진 분리기를 포함하는 나선형- 감겨진 셀(spiral-wound cell)일 수 있다. 또한, 리튬 이온 배터리의 형상에 특별한 제한은 없다. 리튬 이온 배터리는 랩톱 퍼스널 컴퓨터용 원통형 2차 배터리, 모바일 폰용 입방체(cubical) 2차 배터리 또는 버튼형(즉, 코인형(coin-shaped)) 2차 배터리일 수 있다. 리튬 이온 배터리의 패키지는 전형적인 알루미늄 캔, 스테인레스 스틸 캔 또는 적층 필름(laminated film)일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 개시의 다른 목적, 장점 및 신규한 특징은 첨부된 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시의 전해 동박을 제조하는 공정의 개략도이다.
이하, 당업자는 다음의 예로부터 본 개시의 효과 및 영향을 쉽게 구현할 수 있다. 그러므로 여기에서 제안된 설명은 단지 예시의 목적을 위한 단지 바람직한 예이며, 본 개시의 범위를 제한하려는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시를 실시하거나 적용하기 위해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.
다음의 예에서 사용된 기구 모델(instrument model):
1. 나노인덴테이션 시스템: MTS에 의해 제조된 나노 인덴터(Nano Indenter) XPW SYSTEM XPW291;
2. 분광 광도계(spectrophotometer): 코니카 미놀타(Konica Minolta)에 의해 제조된 CM-2500c;
3. α형 표면 거칠기(surface roughness) 측정 기구: 코사카 래브로토리(Kosaka Laboratory)에 의해 제조된 SE 1700;
4. 인장 시험 머신(tensile testing machine): SHIMADZU 코퍼레이션에 의해 제조된 AG-I;
5. 프레싱 머신: Shyh Horng 기계 산업(Machinery Industrial)에 의해 제조 된 BCR-250; 및
6. 배터리 셀 충방전 시험 시스템: 맥코르(Maccor)에 의해 제조된 시리즈(Series) 4000.
다음의 예에서 사용된 물질:
1. 저 분자량 젤라틴(low molecular weight gelatin) DV: Nippi Inc.로부터 구입;
2. 3-니트로벤젠술폰산나트륨염(sodium 3-mercaptopropanesulphonate): Hopax Chemicals Manufacturing Company Ltd.로부터 구입;
3. 염산(hydrochloric): RCI Labscan Ltd.에서 구입;
4. 티오우레아(thiourea): Panreac Quimica SAU에서 구입; 및
5. 카본 블랙 : UBIQ 기술로부터 구입한 Super P®.
전해 동박의 제조
전해조(electrolytic bath)를 위한 황산동 전해질 용액(copper sulfate electrolyte solution)의 조제(Preparation);
구리 와이어(copper wire)를 50wt% 황산 수용액(sulfuric acid aqueous solution)에 용해시켜 황산구리(copper sulfate)(CuSO4·E5H2O) 및 황산(sulfuric acid)을 포함하는 필수 용액을 제조한다. 필수 용액에서, 황산 구리의 농도는 320g/liter(g/L) 이고, 황산의 농도는 100g/L이다. 그 다음에, 필수 용액의 각각의 리터에 5.5mg의 저분자량 젤라틴 DV, 3mg의 3-니트로벤젠술폰산나트륨염, 0.01mg의 티오우에라 및 25mg의 염산을 첨가하여, 전해조를 위한 황산동 전해질 용액을 형성한다.
예(Example) 1의 전해 동박
도 1을 참조하면, 회전식 캐소드 드럼(10)이 황산동 전해질 용액(30)을 포함하는 전해조에 디핑되기 전에, 분무(spraying) 장치(40)가 55℃의 분무 용액(401)을 5 L/min의 유량율(flow rate)로 포물선 분포(parabolic distribution)로, 아직 디핑되지 않은 캐소드 드럼(10)의 표면의 영역에 분무하였다. 분무 장치(40)는 캐소드 드럼(10)으로부터 약 5cm의 거리에 설치되었으며 45도(degree)의 앙각(elevation angle)을 갖는다. 분무 용액(401)은 황산동 전해질 용액(30)과 동일한 농도의 동일한 성분(ingredients)을 가진다.
캐소드 드럼(10)을 1 meter/min의 선형 속도로 반시계 방향으로 회전시키고, 캐소드 드럼(10)을 300rpm의 회전 속도로 연마 휠(50)(모델 번호: 2000, 쿠어 그라인딩 휠(Kure Grinding Wheel)에 의해 제조됨)에 의해 기계적으로 연마하여 캐소드 드럼(10)의 표면상의 불순물(impurities)을 제거하였다. 연마 휠(50)에 의해 캐소드 드럼(10)에 가해지는 압력은 폴리싱 회전 구동 모터(polishing rotary driving motor)(도 1에 도시되지 않음)의 부하 전류에 의해 제어되었으며, 부하 전류 1.2A로 설정되었다.
50℃에서 설정된 전해조에서, 캐소드 드럼(10)과 캐소드 드럼(10)의 곡면(curved surface)을 따라 배치된 애노드 플레이트(20) 사이에 전류 밀도 50A/dm2의 전류가 흘렀다. 따라서, 황산동 전해질 용액(30)에 함유된 구리 이온이 캐소드 드럼(10)의 곡면상에 전착되어(electrodeposited) 전해 동박(70)을 제작하였다(fabricate). 이어서, 전해 동박(7)이 캐소드 드럼(10)으로부터 벗겨지고, 일련의 가이딩 롤(60)에 의해 연속적으로 압연되었다. 전해 동박(70)은 드럼 측면(701)과 드럼 측면(701)에 대향하는 증착 측면(702)을 가진다. 전해 동박(70)은 8㎛의 두께를 갖는다.
일부 경우, 전해 동박(70)은 표면 러프닝(surface roughening)과 같은 부식방지 처리로, 그리고 금속 또는 금속 합금 도금에 의해 연속적으로 처리될 수 있다. 부식 방지 처리는 31.5℃의 크로메이트(chromate) 용액으로 전기 도금을 하는 것에 의해 수행될 수 있다. 크로메이트 용액은 1.5g/L의 농도를 갖는 크롬산을 포함한다. 전기 도금에 사용된 전류는 0.5A/dm2의 전류 밀도를 가진다. 처리가 완료된 후에, 드럼 측면(701) 및 증착 측면(702)은 각각 크로메이트를 포함하는 무기 부식 방지층(inorganic anti-corrosion layer)을 갖는다.
예 2의 전해 동박
예 2의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 1의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 예 1에서 사용된 모델 번호 2000의 연마 휠이 모델 번호 1500의 연마 휠로 교체되고; 분무 용액의 온도가 55℃에서 45℃로 변경된 것이다.
예 3의 전해 동박
예 3의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 1의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점는 분무 용액의 유량율이 5L/min에서 10L/min으로 변경된 것이다.
예 4의 전해 동박
예 4의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 2의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점는 분무 용액의 유량율이 5L/min에서 10L/min으로 변경된 것이다.
예 5의 전해 동박
예 5의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 4의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 분무 용액의 유량율이 10L/min에서 20L/mim으로 변경되고; 분무 용액의 온도가 45℃에서 55℃로 변경된 것이다.
예 6의 전해 동박
예 6의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 1의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 분무 용액의 유량율이 5L/min에서 20L/min으로 변경되고; 분무 용액의 온도가 55℃에서 45℃로 변경된 것이다.
비교 예(Comparative Example) 1의 전해 동박
예 1의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 비교하여, 비교 예 1의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은, 캐소드 드럼을 연마하기 위한 동일한 단계 및 전해 동박을 전착시키기 위한 동일한 단계를 가지지만, 분무 용액을 캐소드 드럼의 표면에 분무하는 단계를 가지지 않는다. 비교 예 1의 전해 동박을 제조하는 데 사용되는 공정은 다음과 같다.
캐소드 드럼이 황산동 전해질 용액을 포함하는 전해조에 디핑되기 전에, 캐소드 드럼을 1meter/min의 선형 속도로 반시계 방향으로 회전시키고, 캐소드 드럼을 300rpm의 회전 속도로 연마 휠(모델 번호: 1500, 쿠어 그라인딩 휠에 의해 제조됨)에 의해 기계적으로 연마하였다. 연마 휠에 의해 캐소드 드럼에 인가된 압력은 폴리싱 회전 구동 모터의 부하 전류에 의해 제어되었으며, 부하 전류는 1.2A로 설정되었다.
온도가 50℃인 전해조에서, 캐소드 드럼과 캐소드 드럼의 곡면을 따라 배치된 애노드 플레이트 사이에 전류 밀도 50A/dm2의 전류가 흘렀다. 따라서, 황산동 전해질 용액에 함유된 구리 이온이 캐소드 드럼의 곡면에 전착되어 전해 동박을 제작하였다. 이어서, 전해 동박이 캐소드 드럼으로부터 벗겨지고 일련의 가이딩 롤로 연속적으로 압연되었다. 전해 동박은 8㎛ 두께를 가진다.
비교 예 2의 전해 동박
비교 예 2의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 3의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 분무 용액의 온도가 55℃에서 70℃로 변경된 것이다.
비교 예 3의 전해 동박
비교 예 3의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 4의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 분무 용액의 온도가 45℃에서 30℃로 변경된 것이다.
비교 예 4의 전해 동박
비교 예 4의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 3의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은, 분무 용액의 유량율이 10L/min에서 1L/min로 변경된 것이다.
비교 예 5의 전해 동박
비교 예 5의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 5의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은, 분무 용액의 유량율이 20L/min에서 50L/min로 변경된 것이다.
비교 예 6의 전해 동박
비교 예 6의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 6의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 분무 용액의 유량율이 20L/min에서 65L/min로 변경된 것이다.
비교 예 7의 전해 동박
비교 예 7의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 6의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 예 6에서 사용된 모델 번호 2000의 연마 휠이 모델 번호 1000인 연마 휠로 교체된 것이다.
비교 예 8의 전해 동박
비교 예 8의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정은 예 6의 전해 동박을 제조하는 데 사용된 공정과 유사하다. 공정간의 차이점은 예 6에서 사용한 모델 번호 2000의 연마 휠이 모델 번호 2500의 연마 휠로 교체된 것이다.
분석 1: 전해 동박 표면의 나노인덴테이션 경도
예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박은 나노인덴테이션 시스템에 의해 전해 동박의 드럼 측면 및 증착 측면의 표면 경도(surface hardness)에 대해 분석되었다.
나노인덴테이션 시스템은 50nm 이하인 곡률 반경(curvature radius)을 갖는 버코비치(Berkovich) 인덴터를 채택하였다. 인덴터는 분석된 전해 동박의 표면을 0.04mm/sec의 속도로 프레싱하였다. 표면의 평탄도(flatness)에 의한 간섭으로 인해, 초기 프레싱으로 획득된 측정값이 실제(true) 값보다 높을 것이다. 압흔(indentation)의 깊이가 깊어짐에 따라 측정값은 서서히 더 안정되어, 표면 경도의 실제 값으로 간주된다. 따라서, 본 개시의 표면 경도는 300nm의 압흔 깊이에서 측정된 값으로 나타내었다. 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박의 드럼 측면 및 증착 측면의 나노인덴테이션 경도를 표 1에 나타내었다.
분석 2 : 전해 동박의 표면의 밝기
표준 JIS Z 8722(2000)에 따라, 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박이, 코니카 미놀타(Konica Minolta)에 의해 제조된 분광 광도계 CM-2500c를 사용하고, "물체(object)를 반사시키고 전송하는, 색 측정 방법의 방법"의 모드를 채택하는 것에 의해, 전해 동박의 드럼 측면의 밝기에 대해 분석되었다. 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박의 드럼 측면의 밝기를 표 1에 나타내었다.
분석 3 : 전해 동박의 표면 거칠기
표준 JIS B 0601-1994에 따라, 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박이, α형 표면 거칠기 측정 기구를 사용하여, 전해 동박의 드럼 측면 및 증착 측면의 표면 거칠기에 대해 분석되었다. 본 개시의 표면 거칠기는 10점 평균 거칠기(ten-point mean roughness)(Rz)로 표현되었다. 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박의 드럼 측면 및 증착 측면의 Rz를 표 1에 나타내었다.
분석 4 : 전해 동박의 인장 강도
인장 강도의 최대 하중(maximum load)은 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8에서 획득된 전해 동박으로부터 길이 100mm 및 폭 12.7mm의 시험편(testing specimens)을 추출하는 것에 의해 측정되었으며, 인장 강도 시험이, 실온(room-temperature) 인장 강도로 지칭되는 표준 IPC-TM-650 2.4.18 하에서 50mm의 척(chuck) 거리 및 50mm/min의 크로스헤드 속도에서 수행되었다. 실내 온도는 25℃이다. 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박의 인장 강도를 표 1에 나타내었다.
표 1에 열거된 바와 같이, 예는 E로 표기되며; 비교 예는 C로 표기되고; 표면의 나노인덴테이션 경도는 표면 경도로 약기된다.
Figure 112018127153888-pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 비교 결과로부터, 캐소드 드럼이 황산동 전해질 용액에 디핑되기 전에 캐소드 드럼의 표면을 습윤시키도록 용액을 분무시키는 것에 의해, 황산동 전해질 용액의 박층(thin layer)이 미리 캐소드 드럼 상에 형성될 수 있다. 황산동 전해질 용액의 박층으로, 캐소드 드럼의 표면상의 구리 이온에 대한 핵생성 점의 범위(coverage of nucleation points)가 증가될 것이다. 따라서, 캐소드 드럼의 표면은 보다 균일한 대전 효과(electrification effect)를 가지므로, 캐소드 드럼의 표면상의 상이한 지점에서의 구리 격자(copper lattice)의 성장률(growth rate)이 또한 보다 균일해질 것이다. 그 결과, 전해 동박의 드럼 측면의 표면 경도가 증가할 것이다.
또한, 분무 용액의 유량율 및 온도 그리고 연마 휠의 모델 번호가 전해 동박의 특성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
유량율이 너무 낮으면, 캐소드 드럼의 표면상의 황산동 전해질 용액의 획득된 박층이 너무 얇은 두께 또는 너무 작은 영역(area)을 가질 것이다. 따라서, 전해 동박의 드럼 측면의 경도를 증가시키는 효과는 명백하지 않을 것이다. 한편, 유량율이 너무 높으면, 캐소드 드럼의 표면상의 황산동 전해질 용액의 획득된 박층에 많은 기포가 부착되어, 구리에 대한 핵생성 점의 수가 감소된다. 따라서, 전해 동박의 드럼 측면의 경도를 증가시키는 효과는 명백하지 않을 것이다. 바람직하게, 분무 용액의 유량율은 1L/min 내지 65L/min의 범위이고; 보다 바람직하게는, 분무 용액의 유량율은 5L/min 내지 20L/min이다.
분무 용액의 온도가 너무 낮은 경우, 조건이 핵생성 점을 생성하기에 불리하다. 따라서, 획득된 전해 동박의 드럼 측면의 경도를 증가시키는 효과는 명확하지 않을 것이다. 한편, 온도가 너무 높으면, 캐소드 드럼의 표면이 쉽게 산화되고; 따라서, 획득된 전해 동박의 드럼 측면의 밝기가 저하될 것이다. 바람직하게, 분무 용액의 온도는 30℃ 내지 70℃의 범위이고; 더욱 바람직하게는 분무 용액의 온도는 45℃ 내지 55℃이다.
캐소드 드럼을 연마하는데 사용되는 연마 휠의 모델 번호가 너무 작은 경우, 획득된 전해 동박의 드럼 측면의 밝기가 너무 낮다. 한편, 캐소드 드럼을 연마하는데 사용되는 연마 휠의 모델 번호가 너무 큰 경우, 획득된 전해 동박의 드럼 측면의 밝기가 너무 높다. 바람직하게는 연마 휠의 모델 번호는 모델 1500 및 모델 2000이다.
전극 및 리튬 이온 배터리의 제조
예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박은 다음의 공정을 사용하여 예 7 내지 예 12 및 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극을 제조하는 데 각각 사용되었다.
음극 슬러리(slurry)는 음극 고체 물질의 중량(weight) 100 부분(100 parts by weight)과 1-메틸-2-피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidone, NMP)의 중량 60 부분(60 parts by weight)으로 구성되었다. 음극 고체 물질의 총 중량을 기반으로, 음극 활성 물질로서 메조페이스 흑연 분말(mesophase graphite powder, MGP) 93.9wt%, 카본 블랙 1wt%, 폴리-1,1-디플루오로에틸렌(difluoroethene)(PVDF 6020) 5wt%, 및 옥살산 0.1wt%을 포함하였다.
예 1 내지 예 6 및 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박 상에, 두께 200㎛의 층이 형성될 때까지 음극 슬러리가 5m/min의 속도로 전해 동박 상에 코팅되었다. 코팅 완료 후, 전해 동박은 160℃의 온도에서 건조되었으며, 그 다음에 예 7 내지 예12 및 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극이 획득되었다.
분석 5 : 전해 동박을 프레싱하는 시험
음극 슬러리로 코팅된 영역과 전해 동박의 음극 슬러리로 코팅되지 않은 영역 사이의 경계에서 파손이 발생했는지를 관찰하기 위해, 예 7 내지 예 12 및 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극들이 1m/min의 속도 및 1 제곱 인치당 3000파운드의 압력으로 프레싱 머신의 휠에 의해 압연되었다. 고탄소 크롬 베어링 스틸(high-carbon chromium bearing steel)(SUJ2)로 제조된 휠은 250mm의 직경 및 62~65도(degree)의 로크웰 경도(Rockwell hardness)(HRC)를 가진다. 예 7 내지 예 12 및 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극의 결과를 표 2에 나타내었다.
예 7 내지 예 12 및 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극은 다음의 공정을 사용하여 리튬 이온 배터리를 제조하는데 각각 사용되었다.
예 7의 전극을 포함하는 리튬 이온 배터리를 예로 든다.
양극 슬러리는 양극 고체 물질의 중량 100 부분과 NMP의 중량 195 부분으로 구성되었다. 양극 고체 물질의 총 중량을 기반으로, 양극 활성 물질로서 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide)(LiCoO2) 89wt%, 플레이크된 흑연(flaked graphite)(KS6) 5wt%, 도전성 탄소 분말(Super P®) 1wt%, 폴리-1,1- 디플루오로에틸렌(PVDF 1300) 5 wt%를 포함하였다.
양극 슬러리를 알루미늄 박(aluminum foils) 상에 코팅하여 250㎛ 두께의 층을 형성하였다. 코팅이 완료된 후, 코팅된 알루미늄 박이 160℃의 온도에서 건조되었으며, 그 다음에 양극이 획득되었다.
양극 및 음극인 예 7의 전극들이, 교대로 적층되어 각각의 두 개의 연속적인 양극 및 음극 사이에서 각각의 미세다공성 분리기(respective microporous separator)를 갖는 적층체(laminated body)를 형성하였다. 이 적층체가 전해질 용액(EC:DMC = 1:1의 체적비(volume ratio))이 충전된 프레스 몰드(press mold)에 증착되고(deposited), 적층형 리튬 이온 배터리(stacked type lithium ion battery)를 형성하도록 패키징되었다. 적층형 리튬 이온 배터리는 41mm×34mm×53mm의 크기를 가진다.
분석 6: 리튬 이온 배터리의 사이클 수명 시험
예 7 내지 예 12 및 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극이 포함하는 리튬 이온 배터리가 55℃에서 충전 및 방전 시험으로 처리되었다.
충전 단계는 정전류-정전압 모드(constant current-constant voltage, CCCV) 하에서 처리되었으며, 충전 전압은 4.2V이고, 충전 전류는 5C이다. 방전 단계는 정전류 모드(CC) 하에서 처리되었으며, 방전 전압은 2.8V이고, 방전 전류는 5C이다.
사이클 수명은 리튬 이온 배터리의 용량이 초기 용량의 80%로 떨어졌을 때 수행된 충전 및 방전 사이클의 시간으로 정의되었다.
Figure 112018127153888-pat00002
표 2에 나타낸 바와 같이, 예 7 내지 예 12의 전극이 각각 예 1 내지 예 6의 전해 동박을 포함하고, 예 1 내지 예 6의 전해 동박은 특정 범위의 표면 경도 및 특정 범위의 밝기의 드럼 측면을 가지기 때문에, 프레스 공정 동안 예 7 내지 예 12의 모든 전극은 파손되지 않았다. 이는 본 개시의 전극이 우수한 기계적 속성을 갖는다는 것을 입증한다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 예 7 내지 예 12의 전극을 포함하는 리튬 이온 배터리는 모두 사이클 수명이 더 길다. 본 개시의 리튬 이온 배터리는 우수한 사이클 성능을 가지므로, 본 개시의 리튬 이온 배터리는 더 긴 서비스 수명을 가질 것이다.
이에 반해서, 비교 예 1, 비교 예 3 내지 비교 예 5의 전해 동박을 각각 포함하는 비교 예 9, 비교 예 1 내지 비교 예 13의 전극들은 프레스 후에도 여전히 파손되었다. 비록 비교 예 2 및 비교 예 6 내지 비교 예 8의 전해 동박을 각각 포함하는 비교 예 10 및 비교 예 14 내지 비교 예 16의 전극들은 프레스 후에 파손되지 않았지만, 이를 포함하는 리튬 이온 배터리는 여전히 낮은 사이클 성능을 가진다.
비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극이 각각 드럼 측면의 표면 경도 및 밝기를 특정 범위에서 제어하지 않는 비교 예 1 내지 비교 예 8의 전해 동박을 포함하기 때문에, 비교 예 9 내지 비교 예 16의 전극은 예 7 내지 예 12의 전극과 동일한 속성을 갖지 않는다는 것이 입증된다.
또한, 예 1 내지 예 6의 전해 동박은 다중 성형 공정을 거치지 않고 원하는 표면 경도 및 밝기를 획득할 수 있으며, 전해 동박은 리튬 이온 배터리의 요건을 충족시킨다. 따라서, 본 개시의 전해 동박은 제조가 용이하기 때문에 상거래를 위한 높은 잠재력을 가진다.
비록 본 개시의 많은 특성들 및 이점들이 전술한 설명에서 본 개시의 구조 및 특징들의 상세한 설명과 함께 기술되었지만, 본 개시는 단지 예시적인 것이다. 첨부된 청구 범위가 표현되는 용어의 넓은 의미에 의해 지시되는 개시의 원칙 내에서 최대한으로, 특히, 부분(part)의 형상, 크기 및 배열에 관한 세부 사항에서 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 전해 동박(electrolytic copper foil)으로서,
    드럼 측면(drum side) 및
    상기 드럼 측면에 대향하는 증착 측면(deposited side)
    을 포함하고,
    상기 드럼 측면의 나노인덴테이션 경도(nanoindentation hardness)가 0.5Gpa 이상이고 3.5GPa 이하이며,
    상기 드럼 측면의 밝기(lightness)는 25 이상이고 75 이하이고, 그리고
    상기 드럼 측면의 10점 평균 거칠기(ten-point mean roughness)는 1.0㎛ 이상이고 2.5㎛ 이하인, 전해 동박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 드럼 측면의 나노인덴테이션 경도가 1.0GPa 이상이고 3.0Gpa 이하인, 전해 동박.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전해 동박의 인장 강도(tensile strength)가 34kgf/mm2 이상인, 전해 동박.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전해 동박은 상기 드럼 측면 및 상기 증착 측면 중 적어도 하나에 형성된 무기 부식 방지층(inorganic anti-corrosion layer)을 더 포함하는, 전해 동박.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무기 부식 방지층은 크로메이트(chromate)를 포함하는, 전해 동박.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전해 동박은 상기 드럼 측면 및 상기 증착 측면 중 적어도 하나에 형성된 유기(organic) 부식 방지층을 더 포함하는, 전해 동박.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유기 부식 방지층은 아졸 화합물(azole compound)을 포함하는, 전해 동박.
  8. 리튬 이온 배터리용 전극으로서,
    청구항 제1항에 기재된 상기 전해 동박;
    바인더(binder); 및
    활성 물질(active material)
    을 포함하는 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 활성 물질은 탄소 물질(carbon material), 실리콘 물질(silicon material), 금속, 금속 산화물(metal oxide), 금속 합금(metal alloy), 중합체(polymer) 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 전극.
  10. 양극(positive electrode);
    음극(negative electrode); 및
    전해질 용액(electrolyte solution)
    을 포함하며,
    상기 음극은 청구항 제8항 또는 제9항에 기재된 전극인, 리튬 이온 배터리.
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