KR102040240B1

KR102040240B1 - 이차전지용 전극 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102040240B1
Application number: KR1020150079243A
Authority: KR
Inventors: 서대한; 김영재; 최상훈; 김태수; 신부건
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2019-11-04
Also published as: KR20160143109A

Abstract

본 발명은 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일 면 상에 형성된 전극 활물질층을 포함하는 이차전지용 전극에 있어서, 상기 전극 활물질층은 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

이차전지용 전극 및 그 제조방법{Electrode for secondary battery and Method for manufacturing the same}

본 발명은 이차전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액에 대한 함침성이 향상된 이차전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

근래에 휴대폰, 노트북, PDA 등과 같은 휴대용 전자기기들의 보급으로 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 이차전지의 수요량이 급증하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능이 점차 개선되어 대량 생산되고 있다.

대표적인 이차전지로 니켈수소(Ni-MH) 전지와 리튬이온(Li-ion) 전지가 사용되고 있다. 또한 이차전지는 전극조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형과 각형 및 파우치형 전지로 구분할 수 있다.

이러한 이차전지의 조립은 양극, 음극 및 분리막을 서로 번갈아가며 겹친 후, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 혹은 파우치(pouch) 등의 전지케이스에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입함으로써 이루어진다.

이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며들게 되며, 이러한 전해액은 이온의 이동을 위한 매개체로서의 역할을 수행하는 것이다. 전해액의 함침이 잘 이루어지지 않는 경우에는 제조된 이차전지의 성능이 충분히 발휘될 수 없게 된다.

그러나, 이차전지 생산 과정에 있어서, 전해액을 주입 후 전극 및 분리막에 잘 함침되도록 하는 데에는 결코 적지 않은 시간이 소요되며, 까다로운 공정 조건이 요구된다.

현재 이차 전지의 에너지 저장 능력을 향상시키기 위한 노력이 많이 요구되고 있다. 특히 활물질의 조성을 변화시키려는 노력뿐만 아니라 활물질량을 늘리는 고로딩 기술을 적용하고 있지만 고로딩 적용시 전해액의 함침성 문제로 인하여 전지 성능이 발현되지 못하고 있다.

KR

2013-0004807

A

KR

2006-0055380

A

상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 전해액의 함침성을 향상시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 이차전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일 면 상에 형성된 전극 활물질층을 포함하는 이차전지용 전극에 있어서, 상기 전극 활물질층은 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a) 전극 집전체를 준비하는 단계; (b) 상기 전극 집전체의 양 면 중 적어도 어느 일 면 상에 전극 활물질층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전극 활물질층의 표면에 레이저를 조사하여 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 이차전지용 전극에 대한 전해액 함침성이 향상되며, 이로써 이차전지의 제조공정 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 이차전지용 전극의 전극 활물질층에 음각의 도트 패턴을 형성함으로써 전극의 초기 충/방전 g 당 용량 증가, 방전 용량 증가, 정전류 충전 시간 증가 등을 통해 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예 1에 따라 제조한 도트 패턴의 광학 이미지이다.
도 2는 비교예 1에 따라 제조한 도트 패턴의 광학 이미지이다.
도 3은 비교예 2에 따라 제조한 도트 패턴의 광학 이미지이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조한 도트 패턴의 프로파일이다.
도 5는 비교예 1에 따라 제조한 도트 패턴의 프로파일이다.
도 6은 비교예 2에 따라 제조한 도트 패턴의 프로파일이다.
도 7은 레퍼런스, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 도트 패턴을 구비한 전지의 사이클 별 충전 및 방전 g당 용량 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 레퍼런스, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 도트 패턴을 구비한 전지의 방전전류 변화에 따른 용량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 레퍼런스, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 도트 패턴을 구비한 전지의 정전류(CC) 충전시간을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 집전체 및 전극 집전체의 양 면 중 적어도 어느 일 면 상에 형성되는 전극 활물질층을 포함한다.

본 발명의 이차전지용 전극은 전극 집전체의 일 면 상에만 전극 활물질층이 형성된 것일 수도 있고, 양 면 모두에 전극 활물질층이 형성된 것일 수도 있다.

상기 전극 집전체로는 전극이 양극인지 음극인지에 따라 서로 다른 금속 재질이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 전극이 양극인 경우 알루미늄 재질이, 음극인 경우 구리 재질이 사용될 수 있다.

다만, 이러한 전극 집전체의 재질은 예시적인 것일 뿐이므로 본 발명의 전극 집전체의 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 이차전지 내에서 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.

또한, 전극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성함으로써 전극 활물질층과의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 이용될 수 있다.

상기 전극 활물질층이 양극 활물질층인 경우에는, 예를 들어, LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiMnO₂ 등의 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 화합물이 이용될 수 있고, 음극 활물질층인 경우에는, 예를 들어, 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물 등이 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지용 전극에 포함되는 상기 전극 활물질층은, 전해액에 대한 함침성 향상을 위해, 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴(dot pattern)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 도트 패턴은 간격이 400~800㎛ 인 것이 바람직하다. 상기 도트 패턴의 간격이 400㎛ 미만인 경우에는 전극 활물질의 양적인 손실이 많아 에너지 밀도의 저하를 가져오며, 800㎛ 초과인 경우에는 음각 패턴의 형성에 따른 함침성 향상 효과를 기대하기 어렵다.

상기 도트 패턴에서 도트의 직경은 50~120㎛인 것이 바람직하다. 도트의 직경이 50㎛ 미만인 경우에는 패턴 형성에 따른 함침성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 120㎛ 초과인 경우에는 활물질의 양적인 손실이 많아 에너지 밀도의 저하를 가져온다.

상기 도트 패턴은 전극 활물질층에 음각으로 형성된다. 상기 도트 패턴은 전극 활물질층의 두께 대비 5% 내지 40%의 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 상기 도트 패턴의 깊이가 전극 활물질층의 두께 대비 5% 미만인 경우에는 도트 패턴의 형성에 따른 전해액의 함침성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 40%를 초과하는 경우에는 전극 활물질의 양적인 손실이 지나치게 커지므로 에너지 밀도의 심각한 저하를 가져올 수 있다.

상기 도트 패턴은, 이차전지의 특성에 따라 요구되는 전극 집전체를 준비한 후, 그 일면 또는 양 면 상에 전극 활물질층을 형성한 후 전극 활물질층 표면에 대해 레이저 패터닝 작업을 수행함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 예에서, 상기 도트 패턴은 펄스 반복률(Pulse repetition rate)이 조절 가능한 펄스 레이저를 이용해 형성될 수 있다. 스캐너의

속도와 펄스 반복률을 변경하면 레이저 조사 간격을 조절할 수 있으며 아래와 같은 관계식을 가진다.

레이저빔의 크기가 레이저 조사 간격보다 작으면 도트형태의 패턴을 형성할 수 있으며 도트 패턴의 간격 역시 조절할 수 있다. 도트의 직경은 레이저빔의 크기를 통해서 조절할 수 있다.

상기 전극은 양극 또는 음극에 해당할 수 있다. 전극 활물질층에 음각 패턴이 형성된 전극은 전해액 함침성이 향상되므로, 이러한 전극을 이용하여 양극 및 음극을 만들고, 그 사이에 분리막을 개재한 후, 케이싱 하여 이차전지를 제작하는 경우, 전해액 함침에 소요되는 시간을 단축시킴으로써 제조공정의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이차전지의 성능 또한 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 이차전지용 전극이 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나로서 적용된 것인 이차전지가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 전극 집전체를 준비하는 단계; (b) 상기 전극 집전체의 양 면 중 적어도 어느 일 면 상에 전극 활물질층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전극 활물질층의 표면에 레이저를 조사하여 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법이 제공된다.

상기 (c)단계에서, 상기 복수의 도트 패턴은 간격이 400~800㎛ 인 것을 특징으로 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

<실시예 1>

코인셀 (Coin-cell) 용 전극의 제조

Graphite 계열의 음극 활물질을 사용하고, 도전재(Denka black), 증점제(CMC), 바인더(SBR)를 각각 97.5:0.5:1.0:1.0의 중량비로 증류수 (H₂O)에 넣고 믹싱하여 음극 합제를 제조한 후 20㎛ 두께의 구리 호일에 코팅한 후 압연 및 건조하여 음극을 제조한 후 펄스 레이저를 조사하여 패턴 간격 500㎛, 직경 80㎛, 패턴 깊이 15㎛의 도트 패턴을 상기 음극 활물질층 상에 형성하여 코인셀 용 음극을 제조하였다.

코인셀 (Coin-cell) 전지의 제조

리튬 메탈과 상기 제조된 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 제조하고, 이를 전지케이스에 내장하였다.

여기에 에틸 카보네이트와 에틸메틸 카보네이트가 부피비를 기준으로 1:2로 혼합되어 있고, 리튬염으로 1M 의 LiPF₆를 포함하고 있는 리튬 비수계 전해액을 주입한 다음, 밀봉하여 코인셀(Coin-cell) 전지를 제조하였다.

<비교예 1>

패턴 간격을 300㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전지를 제조하였다.

<비교예 2>

패턴 간격을 1000㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전지를 제조하였다.

<레퍼런스>

레이저 패터닝을 실시하지 않고 실시예 1과 동일하게 전지를 제조하였다.

<실험예 1>

상기 실시예 1, 비교예 1 내지 2에서 제조한 전지의 전극 활물질 로딩량을 측정하여, 레퍼런스 대비 전극 활물질 로딩량의 감소량을 하기 표 1에 나타냈다.

실시예1	비교예1	비교예2	레퍼런스
0.458	0.453	0.461	0.468
-2.14%	-3.21%	-1.50%	-

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 패턴 간격이 커질수록 활물질의 감소량이 작아짐을 알 수 있었다.

<실험예 2>

상기 실시예 1, 비교예 1 내지 2에서 제조한 전지에 대해 1^st 사이클(0.1C/0.1C) 및 2^nd사이클(0.1C/0.1C)에 걸쳐 초기 충전 및 방전 시험을 진행하여 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다. 레퍼런스에 대해 동일한 시험을 진행하였다.

	1^st 사이클(0.1C/0.1C)			2^nd사이클(0.1C/0.1C)
	충전 (mAh/g)	방전 (mAh/g)	효율 (%)	충전 (mAh/g)	방전 (mAh/g)	효율 (%)
레퍼런스	373.4	349.3	93.6	352.5	349.5	99.1
실시예1	387.7	361.5	93.3	365.3	361.8	99.0
비교예1	383.3	360.5	94.1	363.7	360.7	99.2
비교예2	387.5	361.1	93.2	364.8	361.9	99.2

상기 표 2에 나타난 것과 같이, 음각의 도트 패턴이 형성된 전극 활물질층을 포함하는 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2의 전지는 레퍼런스와 대비하여 초기 충전 및 방전 용량이 증가하였다.

<실험예 3>

상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 전지에 대해 전류 별 방전 시험을 진행하여 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다. 레퍼런스에 대해 동일한 시험을 진행하였다.

	0.1C 방전용량 (mAh/g)	1.0C 방전		2.0C 방전
	0.1C 방전용량 (mAh/g)	용량(mAh/g)	1.0C/0.1C(%)	용량(mAh/g)	2.0C/0.1C(%)
레퍼런스	349.5	335.8	96.1	223.8	64.0
실시예1	361.8	354.3	97.9	292.9	81.0
비교예1	360.7	354.1	98.2	291.8	80.9
비교예2	361.9	357.2	98.7	294.9	81.5

상기 표 3에 나타난 것과 같이, 초기 성능과 동일하게 상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 전지 모두 레퍼런스 대비 방전 용량이 증가하였다.

<실험예 4>

상기 실시예 1, 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 전지에 대해 전류 별 충전 시험을 진행하여 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다. 레퍼런스에 대해 동일한 시험을 진행하였다.

	정전류 충전 시간(Min)
	0.2C 충전	0.5C 충전	1.0C 충전
레퍼런스	109.1	6.3	1.1
실시예1	270.6	66.2	9.3
비교예1	243.1	42.6	3.2
비교예2	228.8	50.5	7.2

상기 표 4에 나타난 것과 같이, 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 전지 모두 레퍼런스 대비 정전류(CC) 충전시간이 증가하였다. 그러나, 500 ㎛ 패턴 간격을 가진 실시예 1의 전지가 비교예 1 내지 2의 전지보다 정전류 충전시간이 대폭 증가하였다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이에 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.

Claims

전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일 면 상에 형성된 전극 활물질층을 포함하는 이차전지용 전극에 있어서,
상기 전극 활물질층은 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴을 구비하고,
상기 복수의 도트 패턴은 간격이 500~800㎛ 이고,
상기 도트 패턴에서 도트의 직경은 50~80㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
삭제
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청구항 1에 있어서,
상기 도트 패턴은, 상기 전극 활물질층의 두께 대비 5% 내지 40%의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 도트 패턴은 레이저 패터닝에 의해 전극 활물질층에 음각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 전극은,
양극 또는 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
청구항 1 및 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 전극이 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나로서 적용된 것인 이차전지.
(a) 전극 집전체를 준비하는 단계;
(b) 상기 전극 집전체의 양 면 중 적어도 어느 일 면 상에 전극 활물질층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 전극 활물질층의 표면에 레이저를 조사하여 서로 이격되어 나란하게 형성된 복수의 도트 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 (c) 단계에서, 상기 복수의 도트 패턴은 간격이 500~800㎛ 이고,
상기 도트 패턴에서 도트의 직경은 50~80㎛인 이차전지용 전극의 제조방법.
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