KR102154014B1 - 전기화학소자용 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학소자용 전극 조립체에 대한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 단위 면적당 양극과 음극의 반응 면적이 넓으며, 충방전시 위치에 따른 반응 불균일도가 낮은 전극을 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다. 본 발명에 따른 상기 전극조립체는 제1 전극과 제2 전극이 분리막을 개재하여 적층되어 있으며, 상기 제1 전극과 제2 전극은 각각 전극의 일단부에서 이와 대향하는 타단부로 갈수록 전극의 높이가 단계적으로 또는 순차적으로 증가하도록 형성된 것이며, 적층 계면의 면적이 최대가 되는 방식으로 1 전극과 제2 전극이 적층된다.

Description

전기화학소자용 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 {An electrode for an electrochemical device and an electrochemical device comprising the same}

본 발명은 전기화학소자용 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 단위 면적당 양극과 음극의 반응 면적이 넓으며, 충방전시 위치에 따른 반응 불균일도가 낮은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이1차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이온 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

리튬 이온 이차 전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기적 에너지를 생성하는 것이다.

최근에는 이러한 리튬 이온 이차전지를 전기자동차(EV) 등 운송 수단의 동력원으로 사용하거나 스마트그리드와 같은 전력저장시스템으로 사용하기 위해 보다 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성을 갖는 리튬 이차전지를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이차 전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 방편으로 전극의 단위 면적당 전극 로딩량을 늘릴 수 있으나 이러한 경우 충방전시 집전체 및/또는 전극탭과 가까운 부분과 먼 부분의 전극 위치에 따라 리튬 이온의 탈리 및 삽입 반응이 일정하지 않고 이로 인해 전지 가역 용량의 퇴화가 가속화되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 전술한 바와 같은 문제를 해소하면서 전극의 에너지 밀도를 높이기 위한 전극 개발이 요구된다.

본 발명은 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 포함하는 전기화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 상기 전극은 전극의 표면적을 증가시켜 음극과 양극의 반응 면적이 넓고 에너지 밀도 및 출력 효율이 높은 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명의 또 다른 목적은 전극의 국소 위치에 따른 반응 불균일도가 낮은 전극을 포함하는 전극 조립체를 제공하는 것이다. 이외의 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 제공된다.

본 발명의 제1 측면은 제1 전극과 제2 전극이 분리막을 개재하여 적층되어 있으며, 상기 제1 전극과 제2 전극은 각각 전극의 일단부에서 이와 대향하는 타단부로 갈수록 전극의 높이가 단계적으로 또는 순차적으로 증가하도록 형성된 것이며, 적층 계면의 면적이 최대가 되는 방식으로 1 전극과 제2 전극이 적층된 단위 전극 조립체이다.

본 발명의 제2 측면은, 상기 제1 측면에 있어서 제1 전극과 제2 전극이 이격없이 포개어질 수 있도록 서로 마주보는 전극 표면의 형상이 점대칭이 되도록 형성되는 것이다.

본 발명의 제3 측면은, 상기 제1 또는 제2 측면에 있어서, 상기 단위 전극 조립체의 형상이 평판 형상인 것이다.

본 발명의 제4 측면은 상기 제1 내지 제3 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 단위 전극 조립체가 제1 전극과 제2 전극의 적층 단면이 사선 또는 계단형으로 형성되는 것이다.

본 발명의 제5 측면은 상기 제1 내지 제4 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 분리막의 형상이 제1 전극과 제2 전극의 적층 계면 형상에 대응되도록 형성되는 것이다.

본 발명의 제6 측면은 상기 제1 내지 제5 측면 중 어느 하나에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극의 높이가 높은 일단부측에 전극탭이 형성되는 것이다.

본 발명의 제7 측면은 상기 제1 내지 제6 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 타단부의 전극의 높이가 상기 일단부의 전극의 높이에 대해 최소 1.01배 이상인 것이다.

본 발명의 제8 측면은 상기 제1 내지 제7 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극이 서로 점대칭을 이루도록 적층된 것이다.

본 발명의 제9 측면은 상기 제1 내지 제8 측면 중 어느 하나에 따른 단위 전극 조립체가 둘 이상 적층되며, 제1 전극과 제2 전극 사이에 분리막이 배치되어 전기적 절연 상태를 유지하는 전극 조립체이다.

또한 본 발명은 상기 제1 측면 내지 제9 측면 중 어느 하나에 따른 전극 조립체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제10 측면은 상기 방법에 대한 것으로서, 상기 방법은, (S1) 집전체의 표면에 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및 (S2) 상기 도포된 전극 슬러리를 상부 롤러(R2)와 하부 롤러(R1)을 구비하는 한쌍의 가압 롤러 사이로 통과시키는 단계; 를 포함하며, 상기 한쌍의 가압 롤러에 있어서, 상기 상부 롤러와 하부 롤러의 간격은 롤러의 일단에서 타단으로 갈수록 순차적으로 또는 단계적으로 증가하거나 감소하는 것이다.

또한, 본 발명의 제11 측면은 상기 제10 측면에 있어서, 상기 상부 롤러와 하부 롤러의 회전축은 동일 평면상에 평행하게 위치하는 것이다.

마지막으로 본 발명의 제12 측면은 상기 제10 또는 제11 측면에 있어서, 상기 상부 롤러는 원추형이고, 상기 하부 롤러는 원주형인 것이다.

본 발명에 따른 단위 전극 조립체는 이에 포함되는 전극의 표면적이 넓어 전극의 단위 면적 대비 출력 효율 및 에너지 밀도가 높다. 또한, 전극층의 높이가 순차적으로 또는 단계적으로 증가 또는 감소하도록 설계하여 충전/방전시 전극 내 활물질의 분포에 따른 따른 반응의 불균일도가 낮다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 단위 전극을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 단위 전극 조립체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 단위 전극으로서, 단위 전극 중 전극의 높이가 높은 측면부에 전극탭이 형성되어 있는 모습을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시양태에 따른 단위 전극 조립체가 적층되어 형성된 전극조립체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 단위 전극 조립체를 제조하는 방법의 구체적인 일 구현예를 도식화하여 나타낸 것이다.

이하 본 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 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명은 전기화학소자용 단위 전극에 대한 것이다. 상기 단위 전극은 일단부에서 이와 대향하는 타단부로 갈수록 전극의 높이가 순차적으로 또는 단계적으로 증가하도록 형성된 것이다. 또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전극은 높이가 높은 측면부에 전극 탭이 형성된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명은 상기 단위 전극을 포함하는 단위 전극 조립체에 대한 것이다. 상기 단위 전극 조립체는 각각 전술한 특징을 갖는 단위 전극 한 쌍을 제1 전극 및 제2 전극으로 하고 상기 제1 전극과 제2 전극이 분리막을 개재하여 적층되는 것이다. 이때 제1 전극과 제2 전극은 적층 계면의 면적이 최대가 되는 방식으로 적층된다. 여기에서 상기 제1 전극과 제2 전극은 전기적으로 서로 반대되는 극성을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 본 발명은 상기 단위 전극 조립체를 둘 이상 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다.

본 발명에 따른 단위 전극, 단위 전극 조립체 및 전극 조립체는 전극의 표면적이 넓어 양극과 음극의 반응 면적이 넓으며 출력 효율이 높다. 또한, 단위 전극에서 전극의 높이가 높은 부분, 즉 전극 로딩량이 상대적으로 많은 측면부에 전극 탭이 형성되기 때문에 충방전시 전극의 국소 위치에 따른 반응 불균일성 문제를 해소할 수 있다.

다음으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1a 및 도 2a는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 단위 전극을 도식화하여 나타낸 것이다.

도 1a를 참조하면, 본원 발명에 따른 전극(10)은 집전체(120)와 상기 집전체의 일측면 상에 형성된 전극 활물질층(110)을 포함한다. 여기에서 상기 전극(10)은 일측 단부에서 이와 대향하는 타측 단부로 갈수록 높이가 순차적으로 증가하도록, 즉, 전극의 상부 표면이 경사를 갖도록 형성되어 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 경사면은 평면이거나 곡면으로 형성될 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 집전체(120)는 사각 평판 형태의 금속판일 수 있으며, 상기 집전체의 일측 표면상에 일측 모서리 단부에서 이와 대향하는 타측 모서리 단부로 갈수록 전극 활물질층의 높이가 증가하도록, 또는 감소하도록 전극 활물질이 로딩된다. 본 발명에서 특별한 표시가 없으면, 전극 중 국소 위치에 따라 전극 활물질의 로딩 밀도는 일정한 것으로 한다. 즉, 본 발명에 있어서 전극의 높이가 증가할수록 단위 면적당 전극의 로딩량이 증가하는 경향을 갖는다.

또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전극의 높이는 일측 단부에서 이와 대향하는 타측 단부로 갈수록 높이가 단계적으로 증가하도록 또는 감소하도록 형성될 수 있다. 도 2a는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극을 나타낸 것으로서, 이를 참조하면 상기 전극은 집전체(220)의 상부에 계단형식의 전극 활물질층(210)이 형성된 것이다. 상기 단위 전극은 전극의 높이가 일정 간격에 따라 단계적으로 증가하는 또는 감소하는 스텝(step) 모양으로 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 단위 전극은 전극의 상부 표면이 일정한 경사를 갖거나 스텝을 갖도록 형성됨으로써 높이 차이가 없이 형성된 전극에 비해 넓은 전극 표면적을 가질 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 단위 전극은 일측의 높이가 이와 대향하는 타측의 높이에 대해 최소 1.01배 이상인 것이다.

설명상의 편의를 위하여, 본 명세서에 있어서, 전극의 높이가 순차적으로 증감하는 단위 전극을 제1형 단위 전극으로(도 1a 참조), 전극의 높이가 단계적으로 증감하는 단위 전극을 제2형 단위 전극(도 2a 참조)으로 지칭하여 설명한다.

다음으로 본 발명에 따른 단위 전극을 포함하는 단위 전극 조립체에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 단위 전극 조립체는 전술한 특징을 갖는 두 개의 단위 전극, 즉, 제1 전극과 제2 전극이 적층되어 형성된 것으로서, 제1 전극과 제2 전극의 반응 면적이 최대가 되는 방식으로 적층된 것이다. 즉, 상기 단위 전극 조립체는 각 단위 전극에서 표면적이 가장 넓은 부분이 서로 대향하도록 제1 전극과 제2 전극이 적층된 것이다.

또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 제1 전극과 제2 전극에서 대향하는 면은 서로 점대칭을 이루어 제1 전극과 제2 전극을 적층할 때 두 단위 전극이 서로 이격되지 않고 포개어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 제1 전극과 제2 전극은 점대칭의 관계이며, 적층시 점대칭을 대칭을 이루도록 적층될 수 있다.

또한, 제1 전극과 제2 전극을 적층하여 이루어진 최종 단위 전극 조립체의 형상은 평판 형상 또는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 그러나, 상기 단위 전극 조립체의 형상은 특별한 형태로 한정되는 것은 아니며, 상기 단위 전극 조립체가 적용되는 최종 제품의 형상에 최적화되도록 적절한 형태를 가질 수 있다.

도 1b 및 도 2b는 본 발명에 따른 단위 전극 조립체(100, 200)의 구체적인 실시양태를 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 단위 전극은 집전체(120a, 120b)와 집전체의 표면에 전극 활물질층(110a, 110b)이 형성된 제1형의 제1 전극과 제2전극 한 쌍이 분리막(130)을 개재하여 적층되어 단위 전극 조립체를 형성한다. 이때 상기 제1 전극과 제2 전극은 전극 표면의 형상이 점대칭 관계에 있어 적층시 전극간 이격되는 부분없이 포개어질 수 있다.

제1형의 단위 전극은 전극의 상부 표면이 일정한 경사를 가지므로 전극 표면적이 증가되며 이에 따라 제1 전극과 제2 전극의 대응 면적이 증가되므로 전극 활물질 로딩량 대비 에너지 밀도가 높은 단위 전극 조립체를 얻을 수 있다.

또한, 도 2b는 제2형의 제1 전극과 제2 전극을 포개어 적층한 것으로 각 스텝의 높이만큼 표면적 증가의 효과가 발휘될 수 있다. 제2형 단위 전극을 이용하여 단위 전극 조립체를 형성하는 경우, 제1 전극과 제2 전극의 표면의 형상이 점대칭 관계에 있어 전극간 이격되는 부분이 없도록 적층하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 본 발명에 따른 전극 조립체는 제1 전극과 제2 전극이 적층되어 평판형으로 형성된다. 이에 따라 상기 전극 조립체를 둘 이상 적층하여 전지를 제조하는 경우 각 전극 조립체가 서로 평행하게 적층될 수 있다.

또한, 제1 전극과 제2 전극은 분리막을 개재하여 적층되는데, 이때 분리막(130, 230)은 상기 제1 전극과 제2 전극의 계면 형상에 부합하도록 형성된다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막이 고분자 수지를 포함하는 다공성 필름 재질인 경우 상기 필름을 제1 전극과 제2 전극이 사이에 배치하고 외부에서 압력을 가함으로써 분리막이 상기 계면 형상에 대응되는 형상을 갖도록 할 수 있다.

또는 상기 분리막은 액상으로 전극의 계면에 도입될 수 있다. 예를 들어 고분자 수지와 무기물 입자를 포함하는 분리막을 상기 전극 조립체에 도입하는 경우에는 고분자 수지와 무기물 입자가 적절한 분산매와 혼합된 분리막 형성용 슬러리를 제1 전극의 표면에 도포한 후 제2 전극을 포개어 덮어 슬러리가 제1 전극과 제2 전극의 계면 형상에 대응하는 형상을 갖도록 준비할 수 있다. 이때 추가적으로 외부에서 열을 가함으로써 분산매가 제거되어 분리막을 건조할 수 있다. 또한, 외부에서 압력을 가함으로써 분리막이 소정의 두께를 갖도록 조절할 수 있다.

상기 분리막은 고분자 수지를 포함하는 다공성 필름의 적어도 일측 표면에 다공성 코팅층이 형성된 내열성 분리막일 수 있다. 상기 다공성 코팅층은 무기물 입자와 고분자 바인더의 혼합물을 포함하는 것으로서, 다공서 코팅층 내 무기물 입자의 함량을 조절함으로서 다공성 코팅층이 적절한 통기도를 갖도록 할 수 있다. 본 발명에 따른 전극 조립체에 상기 복합 분리막을 개재시키는 방법으로는, 예를 들어, 다공성 필름의 일측 표면에 전술한 바와 같은 상기 분리막 형성용 슬러리를 도포한 후 이를 제1 전극과 제2 전극의 계면에 도입할 수 있다. 상기 슬러리가 상기 다공성 필름의 양측 표면에 배치되는 경우에는 필름의 양면에 딥코팅의 방법으로 슬러리를 도포시킨 후 용매를 일부 제거하여 슬러리를 적절히 고화시킨 후 전극 계면 사이에 도입하는 방법으로 상기 복합 분리막을 본 발명에 따른 전극 조립체에 도입할 수 있다. 이 경우 상기 복합 분리막이 전극 계면에 대응하는 형상을 갖도록 하기 위해 상기 슬러리가 완전히 건조 되기 전 전극 사이에 도입되는 것이 바람직하다. 만일 슬러리가 완전히 고화된 이후에는 복합 분리막의 유연성이 저하되기 때문에 전극 조립체 제조시 전극과 분리막을 라미네이션 하기 위해 외부에서 압력을 가하는 경우 분리막이 계면 형상에 대응하도록 유연하게 변형되는 것이 어려우며, 분리막이 파손될 우려가 있다.

한편, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 단위 전극 조립체(300)는 집전체(320a, 320b)를 적절하게 타발하여 전극 탭을 형성하는데 이때 집전체 중 전극 활물질층의 높이가 높은 측면부에 대응되는 위치에 탭(a', b')을 형성한다. 도 3은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 것으로서, 전극 활물질층(310a, 310b)의 높이가 높은 측면부 측으로 전극탭이 형성된 단위 전극 조립체를 나타낸 것이다.

전술한 바와 같이 전극탭이 전극 활물질 고로딩 부분에 가깝게 위치함으로써 전극 활물질층에서 전극 탭으로 전자의 이동 경로가 단축되는 효과를 가져올 수 있다. 또한, 전극 활물질의 로딩량이 적은 부분은 전극 탭까지 이동 경로가 고로딩 부분에 비해 상대적으로 길더라도 이동되는 전자의 수가 감소되어 저항에 감소되는 효과가 있어 전자의 이동 속도가 증가되는 효과가 있다. 즉, 충전/방전 반응시 전극 내 전극 활물질이 분포하는 위치에 따른 반응의 불균일도를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 단위 전극 조립체를 둘 이상 적층한 전극 조립체를 제공한다. 한편, 단위 전극 조립체 적층시 반대되는 극성의 전극과 전기적 절연을 위해 반대 되는 극성의 전극 사이에는 분리막을 개재하는 것이 바람직하다. 도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 조립체(500)의 구체적인 일 실시양태를 도식화하여 나타낸 것이다. 도 4에 따르면 제1 전극과 제2 전극이 분리막(530)을 개재하여 적층된 단위 전극 조립체가 다수 적층되어 있다. 또한, 상기 단위 전극 조립체 사이에는 상층부 단위 전극 조립체의 제1 전극과 하층부 단위 전극 조립체의 제2 전극이 직접 접촉하지 않도록 하기 위해서 분리막(530)이 개재되어 있다. 그리고, 각 단위 전극은 고로딩 부분에서 전극 탭이 돌출되어 있는 것으로 각각 제1 전극의 전극탭들과 제2 전극의 전극탭들이 연결되어 별도의 전극 리드(미도시)와 용접된다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 전극은 음극 또는 양극일 수 있으며, 제2 전극은 제1 전극의 극성과 반대의 극성을 갖는 것이다.

다음으로 본 발명에 따른 전극을 제조하는 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 단위 전극은 표면 형상에 대응되는 한 쌍의 가압 롤러(R1, R2))에 의해 연속 공정으로 제조될 수 있다. 도 5는 본원 발명에 따른 단위 전극을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 가압 공정에 제공되는 상기 가압 롤러는 전극을 상방 지지하는 지지 롤러(R1)와 상기 지지 롤러에 지지되어 이송되는 전극을 하방 가압하여 전극을 특정 모양으로 형성하고 적절하게 압연하는 상부 롤러(R2)를 포함한다.

이를 참조하면, 우선 집전체(601)의 일측 표면상에 전극 제조용 슬러리(602)가 도포되어 이송 롤러(604)에 의해 상기 가압 롤러(R1, R2)로 이송된다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 슬러리는 통상적으로 전극 활물질, 도전재, 바인더 고분자 수지를 적절한 용매에 분산시켜 준비될 수 있다. 다음으로 상기 가압 롤러를 통과하면서 상기 슬러리는 상부 롤러(R2)와 하부 롤러(R1)의 간격에 대응되는 형상으로 가압된다.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 상부 롤러(R2)는 롤러 양측의 단면이 원형이며, 상기 원형의 단면은 서로 동일한 회전축을 중심으로 회전하는 동심원인 것이다. 또한, 상기 롤러의 일측 단면의 동심원은 타측 단면의 동심원에 비해 지름이 상대적으로 작은 것이다. 따라서, 회전축을 중심으로 한 단면의 형상이 사다리꼴 또는 삼각형의 형상을 가질 수 있다. 상기 사다리꼴은 바람직하게는 등변 사다리꼴인 것이다. 또한 상기 삼각형은 이등변 삼각형인 것이다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 상부 롤러(R2)는 원추형일 수 있다. 또한, 하부 롤러(R1)은 원기둥의 형상으로 형성되어 롤러 양단의 단면의 크기가 동일하다. 본 발명에 있어서 상기 상부 롤러(R2)의 회전축과 하부 롤러(R1)의 회전축은 동일 평면상 평행하게 위치하므로 전술한 형상을 갖는 상부 롤러에 의해 상기 상부 롤러와 하부 롤러의 간격은 일정하지 않고 일단에서 타단으로 갈수록 순차적으로 증가하거나 감소한다.

도 6은 전술한 특징을 갖는 가압 롤러(R)을 통과하는 전극 슬러리의 단면을 도시한 것이다. 이에 따르면 상기 상부 롤러(R2)는 회전축을 포함하는 단면의 형상이 사다리꼴을 갖는 것으로서, 이때 전극은 전극의 일단부가 타단부로 갈수록 순차적으로 증감하는 형태인 제1형으로 형성된다.

또한 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 상부 롤러(R2)는 회전축을 포함하는 단면의 형상이 도 7과 같이 계단형으로 증감하는 다각형의 형상을 할 수 있다. 즉, 상부 롤러(R2)의 일단부에서 타단부까지 롤러의 반지름이 단계적으로 감소하거나 증가한다. 이러한 형상을 갖는 상부 롤러(R2)를 이용하여 전극을 제조하는 경우에는 전극은 전극의 일단부가 타단부로 갈수록 단계적으로 증감하는 형태인 제2형으로 형성된다.

상기 가압 롤러(R)를 통과한 전극은 적절한 크기로 절단되고 건조되어 용매를 제거함으로써 전술한 형태의 단위 전극(제1형 및 제2형 전극)으로 제조될 수 있다. 한편, 전극 슬러리 도포 후 상기 가압 롤러로 가압하기 전에 나이프(603)와 같은 도구를 이용하여 전극 슬러리의 표면을 집전체와 평행하도록 고를 수 있다.

상기 가압 롤러 이외에도 전극의 표면 형상에 대응되는 형상을 갖는 가압 지그에 의해 비연속 공정으로 제조되는 것도 가능하다. 그러나 본 발명에 따른 단위 전극의 제조 방법은 전술한 특징을 갖는 형상으로 전극을 제조할 수 있는 방법이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 전술한 방법으로 한정되는 것은 아니다.

상기 음극은 집전체 상에 음극 활물질과 바인더를 포함하는 음극 재료를 도포하고 건조 및 압축하여 제작되며, 필요에 따라, 도전재와 충진제 등의 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질은 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃ (0≤≤x≤≤1), Li_xWO₂(0≤≤x ≤≤1), Sn_xMe_{1 -x} Me'_yO_z (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, 및 Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 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 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 경우에 따라서 상기 분리막의 최외곽면에 분리막의 내열 안정성을 높이기 위해 무기물 입자 및 바인더 수지를 포함하는 다공성 코팅층이 더 형성될 수 있다.

상기 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라 바인더 및 도전재 등의 성분이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈,

티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 양극 활물질은 리튬인산철(LiFePO₄), 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또 는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li _{1+ x}Mn_{2 - x}O₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn ₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_{1 - x}M_xO₂(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 LiMn_{2 - x}M_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 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 포함할 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

이 외에 본 명세서에서 구체적으로 상술하지 않은 전지 소자들에 대해서는 전지 등 전기화학소자 분야에서 통상적으로 사용되는 전지 소자들이 사용될 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 단위 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공한다. 상기 전기화학소자는 바람직하게는 리튬 이온 이차 전지인 것이다. 상기 리튬 이온 이차 전지는 전술한 특징을 갖는 단위 전극 조립체 및/또는 전극 조립체와 전해액을 적절한 전지 케이스에 장입한 것일 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 이차 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈, 및 상기 전지 모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.

상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 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); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

200 전극 조립체
210a, 210b, 510b 전극 활물질층
220a, 220b, 520a, 520b 집전체,
230, 130 분리막

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. (S1) 집전체의 표면에 전극 슬러리를 도포하는 단계; 및
    (S2) 상기 도포된 전극 슬러리를 상부 롤러(R2)와 하부 롤러(R1)을 구비하는 한쌍의 가압 롤러 사이로 통과시키는 단계; 를 포함하며,
    상기 한쌍의 가압 롤러에 있어서, 상기 상부 롤러와 하부 롤러의 간격은 롤러의 일단에서 타단으로 갈수록 순차적으로 또는 단계적으로 증가하거나 감소하는 것인, 전극을 제조하는 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 상부 롤러와 하부 롤러의 회전축은 동일 평면상에 평행하게 위치하는 것인 전극을 제조하는 방법.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 상부 롤러는 원추형이고, 상기 하부 롤러는 원주형인 것인, 전극을 제조하는 방법.

Images