KR102086783B1 - 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102086783B1
KR102086783B1 KR1020190035426A KR20190035426A KR102086783B1 KR 102086783 B1 KR102086783 B1 KR 102086783B1 KR 1020190035426 A KR1020190035426 A KR 1020190035426A KR 20190035426 A KR20190035426 A KR 20190035426A KR 102086783 B1 KR102086783 B1 KR 102086783B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
thick film
thickness
lithium secondary
secondary battery
Prior art date
Application number
KR1020190035426A
Other languages
English (en)
Inventor
김형진
전찬영
박준수
정성호
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020190035426A priority Critical patent/KR102086783B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102086783B1 publication Critical patent/KR102086783B1/ko
Priority to US16/833,433 priority patent/US11508963B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8875—Methods for shaping the electrode into free-standing bodies, like sheets, films or grids, e.g. moulding, hot-pressing, casting without support, extrusion without support
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)

Abstract

리튬 이차전지용 후막 전극이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차전지용 후막 전극은, 양극 활물질을 포함하는 양극, 및, 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하고, 상기 양극 및 상기 음극은, 250 μm 내지 1500 μm의 두께를 가지며, 레이저 식각되어 표면에 하나 이상의 홈이 형성된다.

Description

리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지 {THICK FILM ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은, 두꺼운 두께를 가지는 전극의 표면을 식각하여 구조화 함으로써 고에너지 밀도 및 고성능을 발현할 수 있는, 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근 고에너지 디바이스용 전지에 대한 수요와 관심이 급증하고 있으며, 이러한 요구 성능을 구현하기 위하여 전지의 구성요소 및 디자인에 대한 연구, 개발이 이루어지고 있다.
전극을 두꺼운 두께를 가지도록, 즉 후막 형태로 제작하는 것은 전지의 구성요소를 유지하며 효율적으로 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 방법이다.
그러나 전극의 두께가 두꺼워 지는 경우 리튬 이온의 전극 내 이동 경로가 길어지거나 혹은 차단되어, 전극 내 이온 전도성의 감소 및 전기 저항성의 증가 등의 문제점이 발생한다. 이러한 현상은 전지의 충전 및 방전 용량의 감소를 야기하고, 낮은 출력 특성을 갖게 한다. 이에 따라 후막 전극은 상용화가 어려운 단점이 있다.
따라서, 후막 전극의 높은 전기적 저항성을 해소하고, 리튬이온의 이온 전도성 향상을 도모하는 방법이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 두꺼운 두께를 가지는 전극의 표면을 식각하여 구조화 함으로써 고에너지 밀도 및 고성능을 발현할 수 있는, 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지를 제공하기 위함이다.
본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차전지용 후막 전극은, 양극 활물질을 포함하는 양극, 및, 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하고, 상기 양극 및 상기 음극은, 250 μm 내지 1500 μm의 두께를 가지며, 레이저 식각되어 표면에 하나 이상의 홈이 형성된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 후막 전극을 제조하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 표면이 구조화 된 후막 전극을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 전극의 두께, 홈의 깊이, 홈의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 표면적을 구조화 함에 따른, 전극의 두께와 전극 용량 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 미가공 전극의 전극 용량(mAh/cm2)을 100%로 환산 했을 때, 홈의 두께에 따른 가공 전극 들의 전극 용량비를 도시한 도면이다.
도 5b는 미가공 전극의 전극 용량(mAh/cm2)을 100%로 환산 했을 때, 복수의 홈의 간격에 따른 가공 전극 들의 전극 용량비를 도시한 도면이다.
도 6은 표 1에서 설명한 다양한 전극 샘플(LO 내지 L5)의 단면도 및 정면도를 도시한 도면이다.
도 7은 복수의 전극 샘플(LO 내지 L5)을 다양한 방전 전류 속도에서 실험하여 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g) 및 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)을 도시한 그래프이다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른, 새로운 샘플을 활용한 실험 결과를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 후막 전극을 제조하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 후막 전극의 제조 방법은, 전극을 구성하는 전극 활물질, 도전재 및 바인더 물질을 용매와 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계(S210), 양극 또는 음극 층을 형성하기 위하여 슬러리 혼합물을 전도성 기판 상에 후막 형태로 코팅하는 단계(S230), 슬러리 내 용매를 건조하여 전극을 형성한 후, 특정 다공성을 얻기 위해 전극을 압축하는 단계(S250) 및 형성된 전극을 레이저 식각 장치로 가공하여 표면을 구조화 하는 단계(S250)를 포함할 수 있다.
표면을 구조화 하는 단계에 대하여 더 구체적으로 설명하면, 후막 전극을 레이저 식각 장치로 위치시킨 상태에서, 특정 파장과 주파수의 레이저를 후막 전극에 조사할 수 있다. 이에 따라 전극 표면에는 특정 모양의 홈이 형성될 수 있다.
도 2는 표면이 구조화 된 후막 전극을 도시한 도면으로, 도 2a에서는 후막 전극의 단면도, 도 2b에서는 후막 전극의 정면도를 도시하였다.
한편 리튬 이차 전지는, 레이저 가공된 양 전극 및 음 전극을 각각 리튬 이차 전치의 양극 및 음극으로 구성하고, 분리막과 전해액을 포함하여 생성될 수 있다.
또한 리튬 이차 전지는, 양 전극 및 음 전극 중 하나를 레이저 가공하여, 레이저 가공된 전극과 상대 전극을 리튬 이차 전지의 양극 및 음극으로 구성하고, 분리막과 전해액을 포함하여 생성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른, 전극의 두께, 홈의 깊이, 홈의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 설명하는 후막 전극(310)의 두께(T)는 250 μm 이상, 1500 μm 이하일 수 있다.
즉 후막 전극은 양극 활물질을 포함하는 양극 및 음극 활물질을 포함하는 음극 중 적어도 하나를 포함하며, 양극 및 음극은 250 μm 이상, 1500 μm 이하의 두께를 가질 수 있다.
여기서 양극 활물질은, 리튬전이금속산화물, 리튬-황, 리튬-셀레늄, 리튬-셀레늄 황 및 전이금속산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 음극 활물질은 탄소계 음극 산화물, 실리콘, 실리콘 산화물, 주석, 전이금속산화물 및 리튬 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
후막 전극(310)은 전도성 집전체(320) 상에 단일 막 형태로 형성될 수 있다.
한편 후막 전극(310)의 표면은 가공되어 구조화 될 수 있다.
구체적으로 후막 전극(310)의 표면은 레이저 식각 되어, 표면(310)에 하나 이상의 홈(341a, 341b, 341c, 341d)이 형성될 수 있다.
한편 레이저 식각을 위해서, 다양한 파장의 레이저 펄스(펨토초, 피코초, 나노초 등)가 사용될 수 있다.
여기서 펨토초 레이저는 10-15초의 아주 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저이다. 그리고 펨토초 레이저를 이용하여 전극을 가공하면, 전극 재료에 열적 변성이 없는 가공이 가능하며, 또한 가공 재료에 가해지는 충격량이 적어 전극의 고품질 정밀 미세 가공이 가능하다.
한편 하나 이상의 홈(341a, 341b, 341c, 341d)은 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 구체적으로 하나 이상의 홈(341a, 341b, 341c, 341d)은 직선, 격자 또는 점의 형상일 수 있다.
한편 하나 이상의 홈(341a, 341b, 341c, 341d)의 깊이(d)는 후막 전극(310)의 두께(T)의 1% 이상, 100% 이하일 수 있다.
구체적으로 양극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이는 양극의 두께의 1% 이상, 100% 이하일 수 있으며, 음극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이는 음극의 두께의 1% 이상, 100% 이하일 수 있다.
한편 후막 전극은, 레이저 식각 되어 표면에 일정한 간격(P)의 복수의 홈이 형성될 수 있다. 여기서 일정한 간격은 10 μm 이상, 1000 μm 이하일 수 있다.
한편 후막 전극에 형성되는 홈의 깊이 및 간격에 따라 후막 전극의 표면적(330)이 변경될 수 있다. 구체적으로 후막 전극에 형성되는 홈이 깊어질수록, 그리고 간격이 좁아질수록 후막 전극의 표면적(330)은 증가할 수 있다.
아래는 다양한 샘플(L0 내지 L5)을 이용하여 표면적(330)을 산출한 결과이다.
전극샘플 LO L1 L2 L3 L4 L5
간격(μm) 0(미가공) 200 400 600 200 200
두께(%) 0(미가공) 100 100 100 66.7 33.3
전극 표면적
(μm2)		 638822 996612 840131 748691 861200 782173
표면적 비 (Lx/Lo) 1 1.56 1.32 1.17 1.35 1.22
이 경우 표면적 증가율은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019031632414-pat00001
(k: 비례 상수(k=120 μm), Depth: 가공 깊이, Pitch: 가공 간격)
수학식 1에 따르면, 샘플 1(L1)의 표면적 증가율은 60%, 샘플 2(L2)의 표면적 증가율은 30%, 샘플 3(L3)의 표면적 증가율은 20%, 샘플 4(L4)의 표면적 증가율은 40%, 샘플 5(L5)의 표면적 증가율은 20%를 나타낼 수 있다.
한편 표면적 비(Lx/Lo)는, 동일한 성분을 가지는 미가공 전극(홈이 존재하지 않는 전극)(Lo)의 표면적 대비 가공 전극(홈이 존재하는 전극)(Lx)의 표면적의 비를 의미할 수 있다.
도 4는 표면적을 구조화 함에 따른, 전극의 두께와 전극 용량 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 실험은 방전 전류 속도(C-rate) 0.5C에서 진행하였다.
한계 두께(Tf)란, 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)의 퇴화가 일어나기 시작하는 두께를 의미할 수 있다.
구체적으로 한계 두께 이전에는, 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 선형적으로 증가할 수 있다. 이는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019031632414-pat00002
(Q: 전극 용량 (mAh/cm2), T: 전극 두께 (μm), a: 그래프 기울기, Tf: 한계 두께)
한계 두께 이전에는 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 선형적으로 증가함에 따라, 한계 두께 이전의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)의 증가율은 한계 두께 이후의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)의 증가율 보다 높을 수 있다.
한편 실험적으로, 가공된 전극과 동일한 성분을 가지는 미가공 전극(L0)의 한계 두께(Tf,un)는 210 μm, 미가공 전극(L0)의 기울기(aun)은 0.0178로 측정되었다.
한편 가공된 후막 전극의 한계 두께는, 가공된 후막 전극의 표면적의 비의 제곱과 미 가공 전극(L0)의 한계 두께의 곱으로 산출될 수 있다. 이는 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019031632414-pat00003
(Tf: 한계 두께, Tf,un: 미 가공 전극의 한계 두께)
한편 전극 질량 비는, 동일한 성분을 가지는 미가공 전극(홈이 존재하지 않는 전극)(Lo)의 질량 대비 가공 전극(홈이 존재하는 전극)(Lx)의 질량의 비를 의미할 수 있다.
그리고 가공된 후막 전극의 전극 용량(mAh/cm2)의 기울기(즉, 두께 증가에 대한 전극 용량의 증가율)는, 가공된 후막 전극의 질량 비와 미 가공 전극(L0)의 전극 용량(mAh/cm2)의 기울기의 곱으로 산출될 수 있다. 이는 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019031632414-pat00004
(a: 가공된 후막 전극의 두께 증가에 대한 전극 용량의 증가율(기울기), aun: 미 가공 전극의 두께 증가에 대한 전극 용량의 증가율(기울기))
수학식 2 내지 4, 그리고 도 4a를 참고하면, 다양한 두께로 가공한 전극 들의 한계 두께(Tf,L1, Tf,L4, Tf, L5)는 가공 되지 않은 전극의 한계 두께(Tf,un)보다 큰 것을 알 수 있다.
또한 수학식 2 내지 4, 그리고 도 4b를 참고하면, 다양한 간격으로 가공한 전극 들의 한계 두께(Tf,L1, Tf,L2, Tf, L3)는 가공 되지 않은 전극의 한계 두께(Tf,un)보다 큰 것을 알 수 있다.
전극 표면을 구조화 하는 경우 전극 질량의 손실이 발생하기 때문에 후막 전극의 두께 증가에 대한 전극 용량의 증가율(기울기)은 감소할 수 있다.
다만 전극 표면을 구조화 하는 경우, 전극의 표면적을 넓히고, 리튬 이온의 전달 경로를 단축시켜 전기 저항성을 낮추고, 리튬 이온의 전도도를 향상시킬 수 있다.
따라서 전극 표면을 구조화 함에 따라 전극 질량의 손실이 발생했음에도 불구하고, 한계 두께는 증가할 수 있다.
구체적으로 미 가공 상태에서는 한계 두께가 210 μm이며, 두께가 210 μm보다 더 커지는 경우 용량의 퇴화, 즉 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)이 감소하여 성능이 떨어질 수 있다.
다만 본 발명은 전극 표면의 구조화를 통하여 한계 두께를 증가시킬 수 있기 때문에, 전극의 두께를 210 μm보다 크게 하더라도 성능이 떨어지지 않는 장점이 있다.
다음은 한계 두께 이후의 전극의 두께와 전극 용량 간의 관계를 설명한다.
한계 두께 이전에는 전극 두께가 증가함에 따라 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 선형적으로 증가하는데 반해, 한계 두께 이후에는 전극 두께가 증가함에 따라 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2) 그래프는 2차 식을 나타낼 수 있다. 이는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019031632414-pat00005
(Q: 전극 용량 (mAh/cm2), T: 전극 두께 (μm), A, B, C: 상수)
한편 도 4a와 같이 다양한 깊이로 가공한 경우의 상수(A, B, C)는 아래의 표 2와 같이 산출되었다.
L0(미가공) L1 L4 L5
A -39.6872 -74.9647 -48.7563 -42.3227
B 0.36073 0.49425 0.37443 0.36021
C -7.46E-04 -7.63E-04 -6.59E-04 -6.98E-04
또한 도 4b와 같이 다양한 간격으로 가공한 경우의 상수(A, B, C)는 아래의
표 3과 같이 산출되었다.
L0(미가공) L1 L2 L3
A -39.6872 -74.9647 -44.5222 -40.4413
B 0.36073 0.49425 0.35679 0.33893
C -7.46E-04 -7.63E-04 -6.51E-04 -6.42E-04
한계 두께 이후에는 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 2차 식의 형태로 증가하였다가 감소한다. 따라서 한계 두께 이후의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)의 증가율은 한계 두께 이전의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)의 증가율 보다 낮을 수 있다.
한편 한계 두께 이후의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)의 증가율은 전극의 두께가 두꺼워 질수록 감소한다.
다만 한계 두께 이후의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 전극의 두께가 두꺼워 질수록 증가하다가, 특정 두께에서 감소한다.
예를 들어 도 4a를 참조하면, 샘플 L1(100% 깊이로 가공)의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 330 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있고, 샘플 L4(66.7% 깊이로 가공)의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 295 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있으며, 샘플 L5(33.3% 깊이로 가공)의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 270 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있다.
그리고 가공되지 않은 샘플의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 240 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있다.
즉 수학식 5 및 도 4a를 참고하면, 다양한 깊이의 홈으로 가공된 전극 들의 단위 면적 당 전극 용량의 최대 값은, 가공 되지 않은 전극의 단위 면적 당 전극 용량의 최대 값보다 큰 것을 알 수 있다. 또한 다양한 깊이의 홈으로 가공된 전극 들이 전극 용량의 최대 값을 나타내는 전극의 두께는, 가공되지 않은 전극이 전극 용량의 최대 값을 나타내는 전극의 두께보다 클 수 있다.
또 다른 예를 들어 도 4b를 참조하면, 샘플 L1(200 μm 간격으로 가공)의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 330 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있고, 샘플 L2(400 μm 간격으로 가공)의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 280 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있으며, 샘플 L3(600 μm 간격으로 가공)의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 두께 270 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있다.
그리고 가공되지 않은 샘플의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 전극 두께 240 μm 인근에서 최고점을 나타낼 수 있다.
즉 수학식 5 및 도 4b를 참고하면, 다양한 간격의 홈으로 가공된 전극 들의 단위 면적 당 전극 용량의 최대 값은, 가공 되지 않은 전극의 단위 면적 당 전극 용량의 최대 값보다 큰 것을 알 수 있다. 또한 다양한 간격의 홈으로 가공된 전극 들이 전극 용량의 최대 값을 나타내는 전극의 두께는, 가공되지 않은 전극이 전극 용량의 최대 값을 나타내는 전극의 두께보다 클 수 있다.
결론적으로 전극 표면을 구조화 하지 않는 경우에는 전극 두께 240 μm 인근에서 성능이 최고점을 나타낼 수 있으며, 전극 두께가 더욱 두꺼워 지는 경우에는 성능이 급격하게 떨어지게 된다. 즉 전극 표면을 구조화 하지 않는 경우에는 전극 두께를 240 μm까지 늘려서 3.7 mAh/cm2의 전극 용량을 내는 것이 최대치이다.
다만 본 발명은 전극 표면을 구조화 함에 따라, 예를 들어 홈의 깊이를 전극 두께의 1% 내지 100%로 가공하거나 홈의 간격을 10 μm 내지 1000 μm으로 가공함에 따라, 전극 두께가 더욱 두꺼워 짐에도 불구하고 더욱 높은 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들어 샘플 L4의 경우, 전극 두께를 295 μm까지 늘려서 4.2 mAh/cm2의 전극 용량을 낼 수 있다.
한편 도 4a를 다시 참조하면, 후막 전극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이가 후막 전극의 두께의 100% 일 때 가장 높은 전극 용량(mAh/cm2)을 나타낼 수 있다.
예를 들어 양극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이는 양극 두께의 100%이고, 음극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이는 음극 두께의 100%일 때, 가장 높은 전극 용량(mAh/cm2)을 나타낼 수 있다.
또한 도 4b를 다시 참조하면, 후막 전극에 형성되는 복수의 홈의 간격이 10 μm 내지 200 μm 일 때, 가장 높은 전극 용량(mAh/cm2)을 나타낼 수 있다.
도 5a는 미가공 전극의 전극 용량(mAh/cm2)을 100%로 환산 했을 때, 홈의 두께에 따른 가공 전극 들의 전극 용량비를 도시한 도면이다. 방전 전류 속도(C-rate) 0.5C에서 실험이 진행되었다.
도 5a를 참고하면, 가공 전극 들의 전극 용량비는 전극 두께 240 μm 내지 250 μm 부근에서 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 미가공 전극의 경우 도 4에서 설명한 바와 같이 전극 두께 240 μm 인근에서 전극 용량이 최고점을 나타낸 후, 전극 두께가 두꺼워 짐에 따라 전극 용량이 급격히 쇠퇴하게 된다.
다만 다양한 두께로 가공한 전극의 경우에는 전극 두께가 250 μm보다 더 커지더라도 전극 용량이 증가 하기 때문에, 가공 전극 들의 전극 용량비는 전극 두께 250 μm 부근에서 급격히 증가할 수 있다,
한편 도 5a를 참조하면, 후막 전극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이가 깊어질수록 가공된 후막 전극은 높은 전극 용량 비를 나타낼 수 있다.
즉 후막 전극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이가 깊어질수록 후막 전극의 전극 용량(mAh/cm2)은 커지며, 후막 전극에 형성되는 하나 이상의 홈의 깊이가 후막 전극의 두께의 100% 일 때 가공된 후막 전극은 가장 높은 전극 용량을 나타낼 수 있다.
도 5b는 미가공 전극의 전극 용량(mAh/cm2)을 100%로 환산 했을 때, 복수의 홈의 간격에 따른 가공 전극 들의 전극 용량비를 도시한 도면이다. 방전 전류 속도(C-rate)이 0.5C에서 실험이 진행되었다.
도 5b를 참고하면, 가공 전극 들의 전극 용량비는 전극 두께 240 μm 내지 250 μm 부근에서 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 미가공 전극의 경우 도 4에서 설명한 바와 같이 전극 두께 240 μm 인근에서 전극 용량이 최고점을 나타낸 후, 전극 두께가 두꺼워 짐에 따라 전극 용량이 급격히 쇠퇴하게 된다.
다만 다양한 홈 간격으로 가공한 전극의 경우에는 전극 두께가 250 μm보다 더 커지더라도 전극 용량이 증가 하기 때문에, 가공 전극 들의 전극 용량비는 전극 두께 250 μm 부근에서 급격히 증가할 수 있다.
한편 도 5b를 참조하면, 후막 전극에 형성되는 복수의 홈의 간격이 작아질수록 가공된 후막 전극은 높은 전극 용량 비를 나타낼 수 있다.
즉 후막 전극에 형성되는 복수의 홈의 간격이 좁아질수록 후막 전극의 전극 용량(mAh/cm2)은 커지며, 후막 전극에 형성되는 복수의 홈의 간격이 200 μm보다 작을 때, 가공된 후막 전극은 가장 높은 전극 용량을 나타낼 수 있다.
도 6은 표 1에서 설명한 다양한 전극 샘플(LO 내지 L5)의 단면도 및 정면도를 도시한 도면이다.
도 7은 복수의 전극 샘플(LO 내지 L5)을 다양한 방전 전류 속도에서 실험하여 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g) 및 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)을 도시한 그래프이다.
250 μm의 두께를 가지는 니켈 망간 코발트를 사용한 전극(NMC 반쪽전지)에서 실험이 진행되었다.
본 발명의 실시 예에 따른 후막 전극은, 방전 전류 속도(C-rate) 0.1C 이상, 1.0C 이하의 리튬 이차전지에 사용될 수 있다.
특히 본 발명의 실시 예에 따른 후막 전극은, 방전 전류 속도(C-rate) 0.5C 이상, 1.0C 이하의 리튬 이차전지에 사용될 수 있다.
한편 표면을 가공하지 않은 샘플(L0)과 샘플 L1의 셀 용량(mAh/g)을 비교한 결과는 아래와 같다.
셀 용량(mAh/g) 용량 개선율(%)
L0 (미 가공) L1
0.1C 150 150 -
0.2C 144 144 -
0.5C 85 120 40
1C 8 40 400
표 4, 도 7a를 참조하면, 방전 전류 속도 0.5C 및 1C에서, 가공된 후막 전극의 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)은 가공되지 않은 후막 전극의 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g) 과 현격한 차이를 나타냄을 알 수 있다.
또한 도 7b를 참조하면, 방전 전류 속도 0.5C 및 1C에서, 가공된 후막 전극의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)은 가공되지 않은 후막 전극의 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)과 현격한 차이를 나타냄을 알 수 있다.
한편 표 1 및 도 7a를 참조하면, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C인 경우, 동일 간격의 샘플(L1, L4, L5)들을 비교하였을 때 홈의 깊이를 100%으로 하는 경우(L1) 가장 높은 단위 질량 당 전극 용량을 나타내었다. 따라서 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C인 경우 최적의 홈의 깊이는 100%일 수 있다.
한편 하나 이상의 홈의 깊이는, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 작은 경우, 양극 및 음극의 두께의 1% 내지 66.7%일 수 있다.
구체적으로 표 1 및 도 7a를 참조하면, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C 보다 작은 경우, 홈의 깊이를 66.7%로 한 샘플 4(L4)과 홈의 깊이를 33.3%로 한 샘플 5(L5)과 홈의 깊이를 100%로 한 샘플 1(L1)은 전극 용량(mAh/g)이 유사하다.
즉 홈의 깊이가 커짐에도 불구하고 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)은 증가하지 않으며, 홈의 깊이가 더 커지면 전극의 질량 손실이 발생하기 때문에, 양극 및 음극의 두께는 1% 내지 66.7%로 하는 것이 유리할 수 있다.
한편 하나 이상의 홈의 깊이는, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C 보다 큰 경우, 양극 및 음극의 두께의 66.7% 내지 100%일 수 있다.
구체적으로 표 1 및 도 7b를 참조하면, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C 보다 큰 경우, 홈의 깊이를 100%로 한 샘플 1(L1)이 홈의 깊이를 66.7%로 한 샘플 4(L4)와 홈의 깊이를 33.3%로 한 샘플 5(L5)보다 더 높은 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)을 나타내는 것을 알 수 있다.
한편 표 1 및 도 7a를 참조하면, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C인 경우, 동일 깊이의 샘플(L1, L2, L3)들을 비교하였을 때, 홈의 간격을 200 μm으로 하는 경우 가장 높은 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)을 나타내었으며, 홈의 간격을 더 줄이더라도 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)은 증가하지 않았다. 즉 홈의 간격을 더 줄이면 전극의 질량 손실이 발생하며 홈의 간격을 더 줄이더라도 단위 질량 당 전극 용량은 증가하지 않기 때문에, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C인 경우 최적의 홈의 간격은 200 μm일 수 있다.
한편 복수의 홈의 간격은, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 작은 경우, 200 μm 내지 1000 μm일 수 있다.
구체적으로 표 1 및 도 7b를 참조하면, 홈의 깊이가 동일하면서 홈의 간격이 증가하는 샘플 1(L1)(200 μm), 샘플 2(L2)(400 μm), 샘플 3(L3)(600 μm)이 존재한다.
그리고 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C 보다 작은 경우에는 샘플 1(L1)에서 샘플 3(L3)으로 이동할수록 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 커진다. 따라서 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 작은 경우에는, 홈의 간격을 200 μm 초과 1000 μm 이하로 하는 것이 유리할 수 있다.
한편 복수의 홈의 간격은, 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 큰 경우, 10 μm 내지 200 μm일 수 있다.
구체적으로 표 1 및 도 7b를 참조하면, 홈의 깊이가 동일하면서 홈의 간격이 증가하는 샘플 1(L1)(200 μm), 샘플 2(L2)(400 μm), 샘플 3(L3)(600 μm)이 존재한다. 그리고 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C 보다 큰 경우에는 샘플 3(L3)에서 샘플 1(L1) 로 이동할수록 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 커진다. 즉 간격이 작아질수록 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)이 커지는 경향성을 나타낼 수 있다. 또한 샘플 1(L1)의 전극 용량(mAh/cm2)은 다른 샘플 들(L2, L3)의 전극 용량(mAh/cm2)과 현격한 차이를 보인다.
따라서 방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 큰 경우에는, 홈의 간격을 10 μm 내지 200 μm로 하는 것이 유리할 수 있다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른, 새로운 샘플을 활용한 실험 결과를 도시한 도면이다.
후막 전극의 양극 및 음극은 500 μm 내지 1500 μm의 두께를 가질 수 있으며, 도 8에서는 양극 및 음극이 두께 500 μm 이상인 새로운 샘플의 단면도 및 정면도를 도시하였다.
실험에서 사용된 후막 전극의 양극에 대한 정보는 다음과 같다.
LCO 전극
활물질 LCO
조성
(활물질: 바인더:도전재)		 95.6 : 2.2(PVdF) : 2.2(Super P)
두께 700 μm
다공성 55 %
또한 실험에서 사용된 후막 전극의 음극에 대한 정보는 다음과 같다.
흑연 전극
활물질 흑연
조성
(활물질: 바인더 A: 바인더 B)		 95.6 : 2.2(CMC) : 2.2(SBR)
두께 600 μm
다공성 55 %
또한 상술한 후막 전극을 포함하는 후막 전지에 대한 정보는 다음과 같다.
LCO & 흑연 전지
양극 LCO 양극
음극 흑연 음극
전해액 1M LiPF6 EC/DMC (1:2)
분리막 PP 분리막
전지 규격 2032 코인 전지
또한 새로운 샘플의 양극 및 음극은 각각, 홈의 깊이가 50%, 홈 사이의 간격이 300 μm이다.
도 9는 다양한 방전 전류 속도(C-rate)에서 실험하여 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g) 및 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)을 도시한 그래프이다.
한편 표면을 가공하지 않은 샘플과 표면을 가공한 샘플의 셀 용량(mAh/g)을 비교한 결과는 아래와 같다.
셀 용량(mAh/g) 용량 개선율(%)
미가공 전지 레이저 가공 전지
0.05C 86 122 42
0.1C 16 90 462.5
0.2C 0 47 1000 <
도 9 및 표 5를 참조하면, 후막 전극의 두께가 500 μm 이상인 경우, 표면을 레이저 가공한 후막 전극이 표면을 가공하지 않은 후막 전극에 비하여 월등히 높은 단위 질량 당 전극 용량(mAh/g)과 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)을 나타냄을 알 수 있다.
또한 방전 전류 속도(C-rate) 0.05C 내지 0.2C의 구간에서, 가공을 한 후막 전극은 가공을 하지 않은 후막 전극에 비해 월등한 성능을 나타내는 바, 본 발명에 따른 후막 전극은 방전 전류 속도(C-rate) 0.05C 내지 0.2C의 리튬 이차 전지에 사용될 수 있다.
또한 가공을 한 후막 전극의 경우 방전 전류 속도(C-rate) 0.05C 내지 0.1C 구간에서 특히 높은 단위 면적 당 전극 용량(mAh/cm2)을 나타낸다. 그리고 본 발명에 따른 후막 전극은 방전 전류 속도(C-rate) 0.01C 이상 0.1C 이하의 보청기용 리튬 이차 전지, 바람직하게는 방전 전류 속도(C-rate) 0.05C 이상 0.1C 이하의 보청기용 리튬 이차 전지에 사용될 수 있다.
전극의 두께가 두꺼워 지는 경우 에너지 밀도가 증가하는 유리함이 있는데 반해, 리튬이온의 전극내 이동 경로가 길어지거나 차단되어 전극내 이온 전도성의 감소 및 전기 저항성의 증가 등의 문제가 발생한다.
그리고 이러한 현상은 전지의 충전 및 방전 용량의 감소를 야기하고 낮은 출력 특성을 갖게 하기 때문에, 현재 상용화 되어 있는 전극의 두께는 100 μm 내지 150 μm에 불과하다.
다만 본 발명은 전극의 두께를 250 μm 이상으로 늘림과 동시에 전극 표면을 구조화 한다. 그리고 전극 표면이 구조화 됨에 따라 전극의 표면적을 넓히고 리튬 이온의 전달 경로를 단축시켜 전기 저항성을 낮추며 리튬 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 전극의 두께를 늘려 에너지 밀도를 향상시키면서도, 전극 내 이온 전도성의 감소 및 전기 저항성의 증가 등의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 즉 본 발명에 따르면, 고에너지 밀도 및 고 성능을 가진 후막 전극이 제공된다.
또한 종래의 전극의 경우 전극의 두께는 100 μm 내지 150 μm에 불과하기 때문에, 전극의 에너지 밀도를 높이기 위해서 복수개의 전극을 레이어의 형태로 쌓는 방식을 취하였다.
다만 본 발명에 따르면 큰 두께의 전극을 단일 막 형태로 제작할 수 있기 때문에, 공정이 훨씬 간단해 지고 공정 비용이 저렴해지는 장점이 있다.
또한 전극의 가공과정에서 질량(용량)의 손실이 발생한다. 다만 본 발명은 가공을 통해 향상되는 전극의 성능과 가공으로 유발되는 전극 질량 손실량을 고려하여 최적의 레이저 가공 조건을 제공하는 장점이 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지는, 양극 및 음극을 포함하는 후막 전극, 분리막 및 전해액을 포함하고, 양극 및 음극은 250 μm 내지 1500 μm의 두께를 가지며, 레이저 식각되어 표면에 하나 이상의 홈이 형성될 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
310: 후막 전극 320: 전도성 집전체
330: 표면적 341: 홈

Claims (15)

  1. 집전체 상에 형성되고 양극 활물질을 포함하는 양극; 및
    집전체 상에 형성되고 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하고,
    상기 양극 및 상기 음극은,
    500 μm 내지 1500 μm의 두께를 가지며, 레이저 식각되어 표면에 하나 이상의 홈이 형성되고,
    상기 양극 및 상기 음극의 한계 두께는, 미 가공된 전극의 한계 두께보다 크고,
    상기 양극 및 상기 음극의 단위 면적 당 전극 용량이 최대 값을 나타내는 전극의 두께는, 미 가공된 전극의 단위 면적 당 전극 용량이 최대 값을 나타내는 전극의 두께보다 큰
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 홈의 깊이는,
    상기 양극 및 상기 음극의 두께의 1% 내지 100%인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  4. 제 3항이 있어서
    상기 하나 이상의 홈의 깊이는,
    상기 양극 및 상기 음극의 두께의 100%인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 및 상기 음극은,
    레이저 식각되어 표면에 일정한 간격의 복수의 홈이 형성되고,
    상기 일정한 간격은, 10 μm 내지 1000 μm인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  6. 제 5항에 있어서
    상기 일정한 간격은, 10 μm 내지 200 μm인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 홈의 깊이는,
    방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 작은 경우, 상기 양극 및 상기 음극의 두께의 1% 내지 66.7%이고,
    방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 큰 경우, 상기 양극 및 상기 음극의 두께의 66.7% 내지 100%인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 일정한 간격은,
    방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 작은 경우, 200 μm 내지 1000 μm이고,
    방전 전류 속도(C-rate)가 0.5C보다 큰 경우, 10 μm 내지 200 μm인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 후막 전극은,
    방전 전류 속도(C-rate) 0.1C 이상, 1.0C 이하의 리튬 이차전지에 사용되는
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 후막 전극은,
    방전 전류 속도(C-rate) 0.05C 이상 0.2C 이하의 리튬 이차 전지에 사용되는
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 후막 전극은,
    방전 전류 속도(C-rate) 0.01C 이상 0.1C 이하의 보청기용 리튬 이차 전지에 사용되는
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 후막 전극은,
    전도성 집전체 상에 단일 막 형태로 형성되는
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 후막 전극의 한계 두께는,
    상기 후막 전극의 표면적 비의 제곱과 미가공 전극의 한계 두께의 곱인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 홈은,
    직선, 격자 또는 점의 형상인
    리튬 이차전지용 후막 전극.
  15. 양극 활물질을 포함하는 양극 및 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 후막 전극;
    상기 후막 전극이 형성되는 집전체;
    분리막; 및
    전해액을 포함하고,
    상기 양극 및 상기 음극은,
    500 μm 내지 1500 μm의 두께를 가지며,
    레이저 식각되어 표면에 하나 이상의 홈이 형성되고,
    상기 양극 및 상기 음극의 한계 두께는, 미 가공된 전극의 한계 두께보다 크고,
    상기 양극 및 상기 음극의 단위 면적 당 전극 용량이 최대 값을 나타내는 전극의 두께는, 미 가공된 전극의 단위 면적 당 전극 용량이 최대 값을 나타내는 전극의 두께보다 큰
    리튬 이차 전지.
KR1020190035426A 2019-03-27 2019-03-27 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지 KR102086783B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190035426A KR102086783B1 (ko) 2019-03-27 2019-03-27 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지
US16/833,433 US11508963B2 (en) 2019-03-27 2020-03-27 Lithium secondary battery and thick film electrode for the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190035426A KR102086783B1 (ko) 2019-03-27 2019-03-27 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200026637A Division KR102144937B1 (ko) 2020-03-03 2020-03-03 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102086783B1 true KR102086783B1 (ko) 2020-03-09

Family

ID=69801853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190035426A KR102086783B1 (ko) 2019-03-27 2019-03-27 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11508963B2 (ko)
KR (1) KR102086783B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113544876A (zh) * 2020-03-31 2021-10-22 宁德新能源科技有限公司 电化学装置以及电子装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112077439B (zh) * 2020-09-04 2021-06-22 西安交通大学 一种激光多重频优化组合加工储能器件三维集流体的方法
CN112928280B (zh) * 2021-03-10 2022-06-07 中国科学院金属研究所 一种金属锂负极用铜箔的图案化方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010086717A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Sanyo Electric Co Ltd リチウム二次電池用電極及びリチウム二次電池
KR20150082958A (ko) * 2014-01-08 2015-07-16 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR20160116969A (ko) * 2015-03-31 2016-10-10 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR20160143109A (ko) * 2015-06-04 2016-12-14 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR20180023822A (ko) * 2016-08-25 2018-03-07 주식회사 엘지화학 미세 홀들을 포함하고 있는 이차전지용 전극

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016058257A (ja) * 2014-09-10 2016-04-21 三菱マテリアル株式会社 リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010086717A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Sanyo Electric Co Ltd リチウム二次電池用電極及びリチウム二次電池
KR20150082958A (ko) * 2014-01-08 2015-07-16 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR20160116969A (ko) * 2015-03-31 2016-10-10 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR20160143109A (ko) * 2015-06-04 2016-12-14 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR20180023822A (ko) * 2016-08-25 2018-03-07 주식회사 엘지화학 미세 홀들을 포함하고 있는 이차전지용 전극

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113544876A (zh) * 2020-03-31 2021-10-22 宁德新能源科技有限公司 电化学装置以及电子装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20200313181A1 (en) 2020-10-01
US11508963B2 (en) 2022-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102086783B1 (ko) 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지
KR20170052591A (ko) 리튬 이온 이차 전지용 정극 및 리튬 이온 이차 전지
CN101297422A (zh) 用于二次电池的电极活性材料
Nishi The dawn of lithium-ion batteries
CN110739435A (zh) 具有倾斜电池侧壁的薄膜电池组结构
KR20170034606A (ko) 3차원 리튬 이차전지용 양극 및 그 제조방법
KR20210020850A (ko) 높은 면적당 용량을 가지는 고 로딩 전극 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치
US20230124478A1 (en) Rapidly sintered cathodes with optimal size and concentration of secondary phases and methods of formation thereof
KR102144937B1 (ko) 리튬 이차 전지용 후막 전극 및 리튬 이차 전지
KR20170091994A (ko) 리튬 이차전지용 전극 집전체
JP4799178B2 (ja) 非水電解質電池
KR20160116969A (ko) 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR100456645B1 (ko) 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법
CN100470918C (zh) 电池及其制造方法
US11316143B2 (en) Stacked device structure
KR100359605B1 (ko) 리튬이차전지 음극의 조성물, 이를 이용한 리튬이차전지 음극과 리튬이차전지 및 리튬이차전지의 제조방법
KR101966055B1 (ko) 구조화된 표면 세퍼레이터를 갖는 리튬／금속 셀
JP2008277242A (ja) リチウム二次電池用電極及びリチウム二次電池
KR102040240B1 (ko) 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR102465822B1 (ko) 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
JP6954032B2 (ja) 非水電解質二次電池用の電極
KR102438492B1 (ko) 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지
KR102009436B1 (ko) 이차전지용 전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이차전지용 전극
US20220263060A1 (en) Laser ablation for lithium-ion batteries
EP4152429A2 (en) Anode for lithium secondary battery, lithium secondary battery including the same and method of fabricating the same

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
GRNT Written decision to grant