KR102165952B1 - 이차전지용 음극 및 이의 제조방법 - Google Patents

이차전지용 음극 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베이스 기재; 및 상기 베이스 기재에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 포함하는 이차 전지용 음극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 일반적인 음극과는 전혀 다른 새로운 구조의 이차전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

이차전지용 음극 및 이의 제조방법{An Anode for Secondary battery and Fabricating Method of the same}
본 발명은 이차전지용 음극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반적인 이차전지용 음극과는 다른 새로운 구조의 이차전지용 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화가 급속하게 진전됨에 따라서 이들의 구동 전원으로서 사용되는 전지의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장하고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 리튬 이온이 양극 및 음극에서 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다. 리튬 이차 전지는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질을 양극과 음극의 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.
리튬 이차 전지는 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 일정 형태, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 감겨 형성되는 전극 조립체와, 이 전극조립체와 전해액이 수납되는 캔과, 상기 캔의 상부에 조립되는 캡 조립체로 구성된다.
이때, 상기 음극판 및 양극판은 각각의 집전체, 예를 들면 음극집전체 또는 양극집전체 상에 각각의 활물질, 즉, 음극활물질 또는 양극활물질이 코팅되어 이루어질 수 있다.
하지만, 이러한 리튬 이차 전지에서는 수십 내지 수백회의 충전 및 방전을 반복하면서, 상기 활물질이 상기 집전체로부터 탈리되어, 전지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2009-0112370
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 음극활물질이 음극집전체로부터 탈리되는 것을 방지할 수 있는 새로운 개념의 이차전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 베이스 기재; 및 상기 베이스 기재에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 포함하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 음극활물질층은, 상기 베이스 기재에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 부착하거나, 또는 상기 베이스 기재 상에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 직접 도금하는 것인 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 음극활물질층은 Sn계, Si계 또는 Sn 합금계인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 베이스 기재는 도금법에 의해 형성되고, 상기 베이스 기재 및 상기 음극활물질층은 도금층인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 음극활물질층은 메쉬 형태로 구성되며, 상기 음극활물질층은 복수의 메쉬 패턴 및 상기 메쉬 패턴의 사이에 위치하는 홀을 포함하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 음극활물질층은, 상기 베이스 기재의 제1면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제1음극활물질층; 및 상기 베이스 기재의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2음극활물질층을 포함하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1음극활물질층은, 복수의 제1메쉬 패턴 및 상기 제1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제1홀을 포함하고, 또한, 상기 제2음극활물질층은, 복수의 제2메쉬 패턴 및 상기 제2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2홀을 포함하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 베이스 기재는 메쉬 형태로 구성되며, 상기 베이스 기재는 복수의 제1메쉬 패턴 및 상기 제1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제1홀을 포함하고, 상기 음극활물질층은 메쉬 형태로 구성되며, 상기 음극활물질층은 복수의 제2메쉬 패턴 및 상기 제2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2홀을 포함하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 음극활물질층은, 상기 베이스 기재의 제1면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제1음극활물질층; 및 상기 베이스 기재의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2음극활물질층을 포함하고, 상기 제1음극활물질층은 복수의 제2-1메쉬 패턴 및 상기 제2-1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2-1홀을 포함하고, 또한, 상기 제2음극활물질층은 복수의 제2-2메쉬 패턴 및 상기 제2-2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2-2홀을 포함하는 이차 전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 베이스 기재를 준비하는 단계; 및 상기 베이스 기재에 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 베이스 기재에 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 형성하는 단계는, 상기 베이스 기재에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 부착하거나, 또는 상기 베이스 기재 상에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 직접 도금하는 것인 이차 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 도금법은 습식도금법과 건식도금법을 포함하고, 상기 습식도금법은 전해도금법 및 무전해도금법을 포함하며, 상기 건식도금법은 스퍼터링법, CVD법 및 PECVD법을 포함하는 이차 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 베이스 기재를 준비하는 단계는, 도금법에 의해 상기 베이스 기재를 형성하는 것인 이차 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 일반적인 음극과는 전혀 다른 새로운 구조의 이차전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 이차 전지의 전극조립체를 도시한 분리 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 금속메쉬 제조장치의 메쉬형음극드럼을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 5b는 상기 메쉬형음극드럼의 일부를 도시한 단면도이며, 도 5c는 본 발명에 따른 금속메쉬 제조용 연속전주장치를 도시하는 개략적인 구성도이고, 도 5d는 본 발명에 따른 금속메쉬의 제조방법을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실험예 1에 따른 리튬-이온 배터리의 성능을 도시하는 그래프이다.
도 9는 실험예 2에 따른 리튬-이온 배터리의 성능을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 이차 전지의 전극조립체를 도시한 분리 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 이차 전지의 전극조립체(1)는 제 1 전극(10)(이하, 양극이라 한다), 제 2 전극(20)(이하, 음극이라 한다) 및 세퍼레이터(2a, 2b)를 포함한다.
이때, 전극 조립체(1)는 상기 양극(10), 음극(20) 및 세퍼레이터(2a, 2b)가 적층되고, 권취되어 젤리롤 형태로 형성될 수 있다.
이하, 전극조립체의 구성에 대해 상술하면 다음과 같다.
먼저, 상기 세퍼레이터는 양극(10)과 음극(20) 사이에 위치하는 제 1 세퍼레이터(2b) 및 두 전극(10, 20)의 아래쪽 혹은 위쪽에 위치하는 제 2 세퍼레이터(2a)로 이루어질 수 있으며, 적층 및 권취되는 두 전극이 맞닿는 부분에 개재되어 두 전극 간의 단락을 방지한다. 이때, 상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성 수지로 형성될 수 있으며, 본 발명에서 상기 세퍼레이터의 재질을 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 상기 양극(10)은 화학반응에 의하여 발생한 전자를 모아서 외부 회로로 전달해 주는 양극 집전체(11), 상기 양극 집전체(11)의 일면 혹은 양면에 양극 활물질을 포함한 양극용 슬러리가 도포되는 양극 활물질층(12a, 12b)으로 이루어진다.
또한, 양극(10)은 양극 활물질층(12a, 12b)의 양 끝단 중 적어도 일단을 커버하도록 형성되는 절연 부재(13)를 포함할 수 있다.
또한, 양극 집전체(11)의 양 말단 중 일측 또는 양측에는 양극 활물질을 포함한 양극용 슬러리가 도포되지 않아 양극 집전체(11)가 그대로 드러나 있는 양극 무지부가 형성되며, 상기 양극 무지부에는 양극 집전체(11)에 모인 전자들을 외부 회로로 전달해 주며, 니켈 또는 알루미늄 재질의 박판으로 형성될 수 있는 양극 탭(14)이 접합된다.
이때, 상기 양극 탭(14)이 접합되는 부위에는 그 상면으로 보호 부재(14a)가 구비될 수 있다.
상기 양극 집전체(11)로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하며, 본 발명에서 상기 양극 집전체(11)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 양극 활물질층의 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질의 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCo xMyO2(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이금속 산화물을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 양극 활물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 상기 음극(20)은 화학반응에 의하여 발생한 전자를 모아서 외부 회로로 전달해 주는 음극 집전체(21), 상기 음극 집전체(21)의 일면 혹은 양면에 음극 활물질이 포함된 음극용 슬러리가 도포되는 음극 활물질층(22a, 22b)으로 이루어진다.
또한, 음극(20)은 음극 활물질층(22a, 22b)의 양 끝단 중 적어도 일단을 커버하도록 형성되는 절연 부재(23)를 포함할 수 있다.
또한, 음극 집전체(21)의 양 말단 중 일측 또는 양측에는 음극 활물질이 포함된 음극용 슬러리가 도포되지 않아 음극 집전체(21)가 그대로 드러나 있는 음극 무지부가 형성되며, 상기 음극 무지부에는 음극 집전체(21)에 모인 전자들을 외부 회로로 전달해 주며, 니켈 재질의 박판으로 형성될 수 있는 음극 탭(24)이 접합된다.
상기 음극 탭(24)이 접합되는 부위에는 그 상면으로 보호 부재(24a)가 구비될 수 있다.
상기 음극 집전체(21)로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하며, 본 발명에서 상기 음극 집전체(23a)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층의 음극 활물질은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 또는 탄소 복합체의 탄소계, 또는 실리콘계, 또는 주석계 음극 활물질을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 음극 활물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
이와 같이, 상기 음극 및 양극은 각각의 집전체, 예를 들면 음극 집전체 또는 양극 집전체 상에 각각의 활물질, 즉, 음극 활물질 또는 양극 활물질이 코팅되어 이차 전지로서 기능하게 된다.
하지만, 이러한 이차 전지에서는 수십 내지 수백회의 충전 및 방전을 반복하게 되고, 충전과 방전이 반복됨에 따라, 활물질의 열화 등으로 인해, 활물질이 집전체로부터 탈리되어, 전지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기 음극 및 상기 양극 중 상기 음극에 관련된 것으로, 본 출원인은 음극활물질이 음극집전체로부터 탈리되는 것을 방지할 수 있는 새로운 개념의 이차전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 이차 전지용 음극의 구조를 설명하기로 한다. 이때, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극은 상술한 바와 같은 도 1의 음극을 대체할 수 있는 것으로, 본 발명에서의 전극조립체의 나머지 구성, 예를 들면, 양극의 구성, 세퍼레이터의 구성 등은, 상술한 도 1을 참조할 수 있다.
또한, 본 발명에서 이차 전지라 함은 충전 및 방전을 반복할 수 있는 모든 종류의 이차 전지를 포함한 개념으로, 예를 들어, 상술한 도 1과 같은 전극조립체에서 음극이 대체된 이차 전지일 수 있다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극(100)은 베이스 기재(110); 및 상기 베이스 기재(110)에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(120)을 포함한다.
즉, 상기 음극활물질층(120)은 도금층에 해당한다.
이때, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(120)의 의미는, 상기 베이스 기재(110)에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(120)을 부착하는 경우 및 상기 베이스 기재(110) 상에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(120)을 직접 도금하는 경우를 모두 포함하는 의미이다. 이하 동일하다.
일반적으로 도금법이란, 습식도금법과 건식도금법으로 구분될 수 있으며, 상기 습식도금법은 전해도금법 및 무전해도금법 등을 포함하고, 상기 건식도금법은 스퍼터링법, CVD법 및 PECVD법 등을 포함한다.
본 발명에서 상기 도금법은 상술한 일반적인 도금법에 해당할 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 도금법의 종류를 제한하는 것은 아니다.
다만, 본 발명에서는, 상기 음극활물질층을 도금법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하며, 이는 일반적인 음극 또는 음극활물질층을 형성하는 방법과는 전혀 새로운 방법이라고 할 수 있다.
예를 들어, 상술한 도 1에서와 같이, 일반적인 음극(20)은 음극 집전체(21); 상기 음극 집전체(21)에 음극 활물질이 포함된 음극용 슬러리가 도포되는 음극 활물질층(22a, 22b)으로 이루어진다.
이때, 상기 음극 집전체(21)에 상기 음극 활물질층을 형성하는 것은, 도포방법에 의해 상기 음극 활물질층을 형성하는 것이 일반적이다.
하지만, 본 발명에서는, 상기 베이스 기재(110)에 도금법에 의해 음극활물질층(120)을 형성하는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 방법에 의해 형성된 본 발명에 따른 음극활물질층(120)은, 일반적인 음극활물질층과는 전혀 다른 새로운 도금층 형태의 음극활물질층을 구성하게 되며, 따라서, 본 발명에 따른 음극은, 일반적인 음극과는 전혀 다른 새로운 형태의 음극을 구성하게 된다.
한편, 한국공개특허 10-2006-0108215에는, "실리콘 또는 주석계 음극 활물질의 리튬 이차전지"를 개시하고 있다.
상기 공개특허를 살펴보면, 음극 활물질로서 실리콘 또는 주석계 활물질과, 바인더로서 에폭시계 열경화성 물질 및 경화제의 혼합물을 포함하는 음극 합제를 집전체에 도포한 후 200℃ 이하로 상기 물질을 경화시켜 상기 음극 활물질 상호간 및 음극 활물질과 집전체의 결합력을 확보하는 것으로 구성되어 있다.
즉, 일반적인 이차전지용 음극에서는, 주석계 활물질 등과 같은 음극 활물질 및 에폭시계 열경화성 물질 등과 같은 바인더를 필수적으로 포함하여, 상기 바인더를 통해, 상기 음극 활물질 상호간, 또는 상기 음극활물질과 집전체의 결합력을 확보하고 있다.
하지만, 본 발명에서는 이러한 일반적인 이차전지용 음극과는 달리, 상기 음극활물질층(120)을 상기 베이스 기재(110)에 도금법에 의하여 형성하므로, 본 발명에 따른 상기 음극활물질층은 바인더를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 것으로도 이해될 수 있다.
계속해서, 도 2a를 참조하면, 상기 베이스 기재(110)는 상술한 바와 같은 도 1의 집전체의 역할을 하는 것으로, 일반적으로, 상기 집전체가 양극 집전체인지, 또는 음극 집전체인지 여부에 의해 그 재질이 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 집전체가 양극 집전체인 경우에, 상기 베이스 기재(110)는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다.
또한, 상기 집전체가 음극 집전체인 경우에, 상기 베이스 기재(110)는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
이때, 본 발명에서, 상기 베이스 기재(110)는 음극에서의 음극 집전체의 역할을 하는 것이므로, 상기 베이스 기재(110)는 예를 들어, 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
한편, 후술할 바와 같이, 본 발명에서 상기 베이스 기재(110)도 도금법에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 따라서, 상기 베이스 기재(110)의 재질은 도금법에 의해 형성될 수 있는 재질인 것이 바람직하다.
계속해서, 도 2a를 참조하면, 상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 베이스 기재(110)에 위치하는 상기 음극활물질층(120)은 도금법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 도금법은 습식도금법과 건식도금법을 포함하며, 상기 습식도금법은 전해도금법 및 무전해도금법 등을 포함하고, 상기 건식도금법은 스퍼터링법, CVD법 및 PECVD법 등을 포함한다.
이때, 상기 음극활물질층(120)은 도금법에 의해 형성될 수 있는 물질이면 그 물질의 종류를 제한하지 않으나, 예를 들어, Sn계, Si계 또는 Sn 합금계인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 일반적인 음극 활물질로서 실리콘계 또는 주석계 활물질을 사용하고 있으며, 본 발명에서는, 상기 Sn계, Si계 또는 Sn 합금계의 경우, 도금법에 형성될 수 있는 물질에 해당하므로, 상기 Sn계, Si계 또는 Sn 합금계의 경우, 충분히 음극활물질로써의 역할을 할 수 있다.
이때, 상기 Si계의 경우, 습식도금법에 의해 도금층을 형성하는 것이 어려울 수 있으므로, 본 발명에서는 습식도금법과 건식도금법의 모두에 적용이 가능한 Sn계, 또는 Sn 합금계가 상기 음극활물질층의 물질을 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 음극활물질층(120)은 Sn계, Si계 또는 Sn 합금계인 것이 바람직하나, 상기 음극활물질층(120)은 도금법에 의해 형성되는 것이므로, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 음극활물질층은 바인더를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 것으로도 이해될 수 있다.
즉, 일반적인 음극 활물질로서 실리콘계 또는 주석계 활물질을 사용하는 음극활물질층의 경우, 바인더를 필수적으로 포함하여야 하나, 본 발명에 따른 음극활물질층이 Sn계, Si계 또는 Sn 합금계 물질을 사용한다 하더라도, 본 발명에 따른 상기 음극활물질층인 도금층은 바인더를 포함하지 않는다는 점에서, 일반적인 음극 활물질층과는 차이가 있다고 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 베이스 기재(110)는, 도금법에 형성된 것일 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 음극활물질층(120)은 상기 베이스 기재(110)에 도금법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하며, 이때, 본 발명에 따른 상기 베이스 기재(110)도 도금법에 의해 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
이에 대해서는 후술하는 제조방법을 통해, 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 본 발명에서는 상기 베이스 기재(110)와 상기 음극활물질층(120)의 사이에 니켈 스트라이크층(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 니켈 스트라이크층을 통해, 상기 베이스 기재(110)와 상기 음극활물질층(120)의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상기 니켈 스트라이크층 또한 도금법에 의해 형성할 수 있으며, 따라서, 본 발명에서는, 음극을 구성하는 음극 집전체인 베이스 기재 및 음극활물질층을 도금법에 의해 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 니켈 스트라이크층을 통해, 상기 베이스 기재(110)와 상기 음극활물질층(120)의 접착력을 보다 향상시키되, 상기 니켈 스트라이크층 역시 도금법에 의해 형성할 수 있다.
상기 니켈 스트라이크 층에 관한 사항은 도금공정에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 예를 들면, 한국공개특허 10-2015-0135999를 참조할 수 있다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지용 음극(200)은 베이스 기재(210); 상기 베이스 기재(210)의 제1면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제1음극활물질층(220); 및 상기 베이스 기재(210)의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2음극활물질층(230)을 포함한다.
즉, 상기 제1음극활물질층(220) 및 상기 제2음극활물질층(230)은 도금층에 해당한다.
이때, 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극(100)은 상기 베이스 기재(110)의 어느 일면에만 음극활물질층(120)이 형성되어 있는 실시예에 해당하나, 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지용 음극(200)은 상기 베이스 기재(210)의 양면 모두에 음극활물질층(220, 230)이 형성되어 있는 실시예에 해당한다.
따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지용 음극에 관한 사항은 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극에 대한 사항을 참조할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 도 1을 참조하면, 일반적인 음극의 경우, 상기 음극 집전체(21)에 상기 음극 활물질층을 형성하는 것은, 도포방법에 의해 상기 음극 활물질층을 형성하는 것이 일반적이다.
이때, 일반적인 음극에 있어서도 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체의 양면에 형성될 수 있으며, 다만, 상기 음극 집전체의 양면에 상기 음극 활물질층을 형성하기 위해서는, 상기 음극 집전체의 일면에 음극 활물질층을 도포방법에 의해 도포한 후, 상기 음극 집전체를 뒤집거나 하는 방법에 의하여, 상기 음극집전체의 타면에 음극 활물질층을 도포방법에 의해 도포하게 된다.
즉, 일반적인 음극의 경우, 상기 음극 집전체의 양면에 상기 음극 활물질층을 형성하기 위해서는, 각각의 공정에 의해, 상기 음극 집전체의 양면에 각각 음극 활물질층을 형성하여야 한다.
일반적인 활물질층을 도포하는 방법에 대해서는, 예를 들어, 한국공개특허 10-2009-0051374를 참조할 수 있다.
하지만, 본 발명에서는, 상기 베이스 기재(210)의 제1면에 제1음극활물질층(220)을 형성하고, 또한, 상기 베이스 기재(210)의 제2면에 제2음극활물질층(230)을 형성함에 있어서, 상기 제1음극활물질층(220) 및 상기 제2음극활물질층(230)은 모두 도금법에 형성되는 것이므로, 따라서, 상기 제1음극활물질층(220) 및 상기 제2음극활물질층(230)은 하나의 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이차전지용 음극의 다른 예를 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 제3실시예 및 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극은 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예 및 제2실시예에 따른 이차 전지용 음극을 참조할 수 있다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극(300)은 베이스 기재(310); 및 상기 베이스 기재(310)에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(320)을 포함한다.
이때, 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극(300)의 상기 음극활물질층(320)은 메쉬 형태로 구성될 수 있으며, 따라서, 상기 음극활물질층(320)은 복수의 메쉬 패턴(321) 및 상기 메쉬 패턴(321)의 사이에 위치하는 홀(322)을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극(100)은 상기 음극활물질층(120)이 상기 베이스 기재(110) 상에 전면(全面)적으로 형성된 실시예에 해당하나, 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극(300)은 상기 베이스 기재(210) 상에 형성된 음극활물질층(320)이, 메쉬 형태로 구성되어 복수의 메쉬 패턴(321) 및 상기 메쉬 패턴(321)의 사이에 위치하는 홀(322)을 포함하는 형태로 형성된 실시예에 해당한다.
이 경우, 상기 음극활물질층(320)의 표면적이 증가하여, 음극활물질층의 반응성을 향상시킴으로써, 전체적인 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극(400)은 베이스 기재(410); 상기 베이스 기재(410)의 제1면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제1음극활물질층(420); 및 상기 베이스 기재(410)의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2음극활물질층(430)을 포함한다.
즉, 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극(300)은 상기 베이스 기재(310)의 어느 일면에만 음극활물질층(320)이 형성되어 있는 실시예에 해당하나, 본 발명의 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극(400)은 상기 베이스 기재(410)의 양면 모두에 음극활물질층(420, 430)이 형성되어 있는 실시예에 해당한다.
따라서, 본 발명의 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극에 관한 사항은 상술한 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지용 음극에 대한 사항을 참조할 수 있다.
이때, 본 발명의 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극(400)의 상기 음극활물질층(420, 430)은 메쉬 형태로 구성될 수 있으며, 따라서, 상기 제1음극활물질층(420)은 복수의 제1메쉬 패턴(421) 및 상기 제1메쉬 패턴(421)의 사이에 위치하는 제1홀(422)을 포함할 수 있고, 또한, 상기 제2음극활물질층(430)은 복수의 제2메쉬 패턴(431) 및 상기 제2메쉬 패턴(431)의 사이에 위치하는 제2홀(432)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 음극활물질층(420, 430)의 표면적이 증가하여, 음극활물질층의 반응성을 향상시킴으로써, 전체적인 전지의 성능을 향상시킬 수 있음은 상술한 바와 같다.
도 4a는 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 제5실시예 및 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극은 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예 내지 제4실시예에 따른 이차 전지용 음극을 참조할 수 있다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극(500)은 베이스 기재(510); 및 상기 베이스 기재(510)에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)을 포함한다.
이때, 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극(500)의 상기 베이스 기재(510)는 메쉬 형태로 구성될 수 있으며, 따라서, 상기 베이스 기재(510)는 복수의 제1메쉬 패턴(511) 및 상기 제1메쉬 패턴(511)의 사이에 위치하는 제1홀(512)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극(500)의 상기 음극활물질층(520)은 메쉬 형태로 구성될 수 있으며, 따라서, 상기 음극활물질층(520)은 복수의 제2메쉬 패턴(521) 및 상기 제2메쉬 패턴(521)의 사이에 위치하는 제2홀(522)을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지용 음극(100)은, 상기 베이스 기재(110)가 전면(全面)적으로 형성되고, 또한, 상기 음극활물질층(120)이 상기 베이스 기재(110) 상에 전면(全面)적으로 형성된 실시예에 해당한다.
하지만, 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극(500)은, 상기 베이스 기재(210)가, 메쉬 형태로 구성되어 복수의 제1메쉬 패턴(511) 및 상기 제1메쉬 패턴(511)의 사이에 위치하는 제1홀(512)을 포함하는 구조에 해당하고, 또한, 상기 베이스 기재(510) 상에 형성된 음극활물질층(520)이, 메쉬 형태로 구성되어 복수의 제2메쉬 패턴(521) 및 상기 제2메쉬 패턴(521)의 사이에 위치하는 제2홀(522)을 포함하는 형태로 형성된 실시예에 해당한다.
이 경우, 상기 음극활물질층(520)의 표면적이 증가하여, 음극활물질층의 반응성을 향상시킴으로써, 전체적인 전지의 성능을 향상시킬 수 있음은 상술한 바와 같다.
또한, 이 경우, 메쉬 형태의 음극활물질층(520)을 상기 베이스 기재(510) 상에 형성함에 있어서, 상기 음극활물질층(520)을 도금법 중 전해도금법에 의해 형성하는 공정에서, 메쉬 형태의 상기 베이스 기재(510)는, 전해도금법에서의 전극으로의 역할이 가능하므로, 따라서, 메쉬 형태의 상기 베이스 기재(510) 상에, 메쉬 형태의 음극활물질층(520)을 용이하게 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극(600)은 베이스 기재(610); 상기 베이스 기재(610)의 제1면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제1음극활물질층(620); 및 상기 베이스 기재(610)의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2음극활물질층(630)을 포함한다.
즉, 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극(500)은 상기 베이스 기재(510)의 어느 일면에만 음극활물질층(520)이 형성되어 있는 실시예에 해당하나, 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극(600)은 상기 베이스 기재(610)의 양면 모두에 음극활물질층(620, 630)이 형성되어 있는 실시예에 해당한다.
따라서, 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극에 관한 사항은 상술한 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극에 대한 사항을 참조할 수 있다.
이때, 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극(600)의 상기 베이스 기재(610)는 메쉬 형태로 구성될 수 있으며, 따라서, 상기 베이스 기재(610)는 복수의 제1메쉬 패턴(611) 및 상기 제1메쉬 패턴(611)의 사이에 위치하는 제1홀(612)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극(600)의 상기 음극활물질층(620, 630)은 메쉬 형태로 구성될 수 있으며, 따라서, 상기 제1음극활물질층(620)은 복수의 제2-1메쉬 패턴(621) 및 상기 제2-1메쉬 패턴(621)의 사이에 위치하는 제2-1홀(622)을 포함할 수 있고, 또한, 상기 제2음극활물질층(630)은 복수의 제2-2메쉬 패턴(631) 및 상기 제2-2메쉬 패턴(631)의 사이에 위치하는 제2-2홀(632)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 음극활물질층(620, 630)의 표면적이 증가하여, 음극활물질층의 반응성을 향상시킴으로써, 전체적인 전지의 성능을 향상시킬 수 있음은 상술한 바와 같다.
또한, 이 경우, 메쉬 형태의 음극활물질층(620, 630)을 상기 베이스 기재(610) 상에 형성함에 있어서, 메쉬 형태의 상기 베이스 기재(610) 상에, 메쉬 형태의 음극활물질층(620, 630)을 용이하게 형성할 수 있음은 상술한 바와 같다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이차전지용 음극을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
한편, 이하에서 설명되는 제조방법은, 메쉬 형태의 베이스 기재 또는 메쉬 형태의 음극활물질층을 제조함에 있어서 적용 가능한 베이스 기재 또는 음극활물질층의 제조방법에 관한 것으로, 이하에서 설명되는 금속메쉬층은 베이스 기재 또는 음극활물질층으로 사용될 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 금속메쉬 제조장치의 메쉬형음극드럼을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 5b는 상기 메쉬형음극드럼의 일부를 도시한 단면도이며, 도 5c는 본 발명에 따른 금속메쉬 제조용 연속전주장치를 도시하는 개략적인 구성도이고, 도 5d는 본 발명에 따른 금속메쉬의 제조방법을 도시하는 공정 흐름도이다.
먼저, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 금속메쉬 제조장치의 메쉬형음극드럼(40)은 회전 가능하도록 중심이 되는 회전축(41b)과 상기 회전축(41b)을 감싸면서 일정한 폭을 가지는 원통형 드럼(41a)을 포함한다.
이때, 상기 회전축(41b)의 일측 단부에는 상기 드럼(41a)이 회전되도록 회전력을 제공하는 모터와 연결되는 체인이 결합될 수 있다.
한편, 상기 드럼(40)의 표면에는 제조하고자 하는 형상의 메쉬(42)가 형성된다. 이때, 상기 메쉬(42)는 대략 육각형이 여러 개 연결되는 망(網) 형상으로 형성되어 마치 벌집 형태로 구성될 수 있으며, 다만, 상기 메쉬의 형상은 사각형, 삼각형, 오각형 등일 수 있고, 따라서, 본 발명에서 상기 메쉬의 형상을 한정하는 것은 아니다.
상기 메쉬(42)는 도금하고자 하는 전해액의 성분에 따라 단일금속 또는 합금(合金)으로 구성할 수 있으며, 직접 상기 원통형 드럼(41a) 표면을 가공함으로써 원통형 드럼(41a)과 일체로 형성되도록 하여 사용하거나, 금속와이어로 실을 짜듯이 엮어서 형성되는 직조형(Weaving type) 또는 배치형(Batch type)으로 가공되는 메쉬(50)를 상기 원통형 드럼(41a)의 표면에 부착함으로써 사용할 수 있다.
한편, 상기 드럼(40)의 표면에 메쉬(42)가 형성되지 않은 경우에는, 메쉬 형태의 베이스 기재 또는 메쉬 형태의 음극활물질층이 아닌, 전면(全面)적으로 형성되는 베이스 기재 또는 전면(全面)적으로 형성되는 음극활물질층을 형성할 수 있는 것으로, 이는 당업계에서 자명한 것이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
계속해서, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 메쉬(42)와 메쉬(42)의 사이 공간에는 절연층(43)이 위치하며, 상기 절연층은 에폭시 수지, 테프론계 수지 또는 불소수지 등의 플라스틱 수지일 수 있다.
이때, 메쉬와 메쉬의 사이 공간에 절연층(43)을 형성하는 것은, 상술한 바와 같은 원통형 드럼(41a)의 표면에 제조하고자 하는 형상의 메쉬(42)를 형성한 뒤, 공지된 스프레이법 또는 증착법에 의해 절연재 물질을 도포하고, 공지된 화학적 기계적 연마(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 그 단면을 평탄화하여 형성할 수 있다.
이후, 상기 메쉬형음극드럼(40)을 통해, 전주공정에 의해 메쉬형음극드럼의 표면의 메쉬(42)에 금속메쉬층(미도시)을 형성하고, 상기 금속메쉬층(미도시)을 박리시켜, 전주공정에 의해 금속메쉬를 형성할 수 있다.
한편, 상기 메쉬형음극드럼은 전주마스터에 해당하는 것으로, 본 발명에서 전주마스터는 전주공정에 의해 금속메쉬층을 형성할 수 있도록, 제조하고자 하는 금속메쉬층의 형상과 대응되는 형상의 메쉬를 포함하는 모든 부재를 통칭하며, 도 5a에서와 같이 드럼형일 수 있고, 이와는 달리, 평판형일 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 전주공정을 위한 전주 마스터는 드럼형 또는 평판형일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전주 마스터는 베이스 판 및 상기 베이스 판 상에 형성되고, 제조하고자 하는 금속메쉬층의 형상과 대응되는 형상의 메쉬를 포함하며, 상기 베이스 판의 형상이 드럼형인 경우, 본 발명에 따른 전주 마스터는 드럼형일 수 있고, 상기 베이스 판의 형상이 평판형인 경우, 본 발명에 따른 전주 마스터는 평판형일 수 있음을 의미한다.
이하에서는 상술한 바와 같은 메쉬형음극드럼을 통해 금속메쉬층을 형성하는 것을 설명하기로 한다.
도 5c를 참조하면, 본 발명에 따른 금속메쉬 제조용 연속전주장치는 도금하고자 하는 전해액을 수용하는 전해조(34)와, 상기 전해조(34)의 전해액에 일부분이 침지(沈漬)되도록 설치되어 인가되는 전원으로 회전하는 메쉬형음극드럼(40)과, 상기 전해조(34)의 전해액에 완전히 침지되도록 설치되어 상기 메쉬형음극드럼(40)과 대응되는 형상으로 형성되며 일정한 거리를 유지하는 양극바스켓(31)을 포함할 수 있다.
상기 전해액은 본 발명에 따른 금속메쉬층을 형성하기 위하여, 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 상기 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
계속해서, 도 5c를 참조하면, 상기 전해조(34)는 중앙 하면이 하방향으로 천공된 반원통 형상을 가지며, 이러한 전해조(34)에는 메쉬형음극드럼(40)의 표면에 도금하고자 하는 전해액이 수용될 수 있다.
또한, 상기 전해조(34)의 하부에는 전해조(34)에서 흘러 넘치는 전해액을 수용하는 보조탱크(30)가 형성되어 전해액이 수용되는 구조는 전해조(34)와 보조탱크(30)의 이중구조로 구성될 수 있다.
따라서, 상기 전해조(34)에는 회전하는 메쉬형음극드럼(40)의 일부분 즉, 절반 정도가 침지(沈漬)되어, 후술할 전해액분사유로(32)에서 분사되는 전해액으로 상기 전해조(34)의 전해액이 교반(攪拌)되고, 이러한 전해액분사유로(32)의 전해액 분사에 의해 전해액이 교반되면서 상기 전해조(34)를 흘러 넘치는 전해액은 상기 보조탱크(30)에 수용되도록 구성된다.
상기 전해조(34)에는 전해액에 절반 정도 침지되어 회전하는 메쉬형음극드럼(40)이 설치된다.
상기 메쉬형음극드럼(40)은 인가되는 전원의 음극(-)에 연결되며, 회전 가능하도록 중심이 되는 회전축(41b)과 상기 회전축(41b)을 감싸면서 일정한 폭을 가지는 원통형 드럼(41a)으로 형성될 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 회전축(41b)의 일측 단부에는 정류기로부터 음극(-)이 공급되도록 하는 전원공급장치가 구비되고, 타측 단부에는 상기 원통형드럼(41a)이 회전되도록 회전력을 제공하는 모터가 결합될 수 있다.
따라서, 상기 모터에 전원이 인가되어 회전동력이 발생되면 이러한 회전동력은 상기 회전축(41b)으로 전달되어 상기 원통형 드럼(41a)을 회전시키게 된다.
한편, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 원통형 드럼(41a)의 표면에는 제조하고자 하는 금속메쉬에 구비되는 다수의 홀(도 2a의 132a, 132b)과 대응되는 형상의 메쉬(42)가 형성될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 상기 메쉬(42)는 대략 육각형이 여러 개 연결되는 망(網) 형상으로 형성되어 마치 벌집 형태로 구성될 수 있다.
이는 도 5a에서 설명한 바를 참조하기로 하며, 따라서, 이하, 메쉬형음극드럼의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 메쉬형음극드럼(40)의 하부에는 불용성 양극(+) 또는 티타늄(Ti)으로 형성되는 양극바스켓(31)이 설치된다.
상기 양극바스켓(31)은 상기 전해조(34)의 전해액에 완전히 침지되고 상기 메쉬형음극드럼(40)과 대응되도록 절반이 절개된 원호형상으로 형성되어 일정한 거리를 유지하도록 설치된다.
상기 양극바스켓(31) 내측에는 상기 전해조(34)의 전해액과 동일한 성분의 금속클러스터(Cluster)(33)가 수용될 수 있다.
상기 금속클러스터(33)는 양극바스켓(31)의 내측에서 전해조(34) 내부로 이탈되지 않도록 하는 이탈방지망으로 싸여져 보관된다.
또한, 상기 금속클러스터(33)는 상기 전해조(34)의 전해액과 동일한 성분의 금속 덩어리로 전해조(34)의 전해액에 용해됨으로써 상기 원통형 드럼(41a)의 표면에 도금되는 전해액의 양과 농도를 맞추는 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 상기 양극바스켓(31)에 전류가 인가되면 상기 금속클러스터(33)로부터 용해된 양(+)이온들은 상기 원통형 드럼(41a)의 표면으로 이동하여 전착됨으로써 도금된다.
상기 전해조(34)의 하단부, 보다 상세하게는 상기 양극바스켓(31)의 하단 중앙에는 상기 전해조(34)의 전해액이 교반되도록 전해액을 분사하는 전해액분사유로(32)가 형성될 수 있으며, 상기 전해액분사유로(32)는 내부가 상기 전해조(34) 내부와 연통되며 길이가 긴 원통형의 플라스틱 파이프로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 전해액분사유로(32)를 통해 상기 전해조(34) 내부로 전해액을 분사하여 공급하게 되면 상기 전해조(34) 내부의 전해액은 교반되며, 상기 메쉬형음극드럼(40)에서 발생되는 수소(H2)가스를 원활하게 제거할 수 있게 된다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 연속전주장치에는 순환-필터링수단이 더 구비될 수 있으며, 상기 순환-필터링수단은 보조탱크(30) 내부의 전해액을 상기 전해조(34)로 순환시키면서 전해액 중의 이물을 제거하는 역할을 수행할 수 있으며, 다만, 이는 일반적인 구성이므로 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
계속해서, 도 5c를 참조하면, 상기 메쉬형음극드럼(40)의 우측상부에는 원통형 드럼(41a)의 외주면에 도금되는 금속메쉬(50)를 박리(剝離)하기 위한 가이드롤러(51)가 구비되고, 상기 금속메쉬(50)의 표면을 세정하기 위한 세정조(60)가 구비될 수 있다.
상기 세정조(60)의 우측에는 권취롤러(70)가 구비될 수 있으며, 상기 권취롤러(70)는 세정조(60)를 경유하면서 세정된 금속메쉬(50)를 연속적으로 권취할 수 있다.
이상과 같은 방법에 의해 제조된 상기 금속메쉬(50)는, 본 발명에 따른, 메쉬 형태의 베이스 기재 또는 메쉬 형태의 음극활물질층으로 사용될 수 있다.
이하, 도 5d를 참조하여, 연속전주장치를 이용하여 상기 금속메쉬를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 인가되는 전원에 의해 상기 전해조(34)의 전해액에 전기가 통전(通電)되게 하여 전기분해가 일어나도록 하고, 상기 전해액분사유로(32)에 의해 전해액을 상기 전해조(34)에 분사함으로써 전해액을 교반시키는 전해액교반단계(S10)가 진행된다. 다만, 본 발명에서 상기 전해액교반단계는 선택적인 사항으로, 경우에 따라 생략되어도 무방하다.
그리고, 상기 전해액교반단계(S10)가 진행된 다음에는 상기 전해조(34) 내부에 설치된 메쉬형음극드럼(40)을 회전시키는 드럼회전단계(S20)를 실시하게 된다. 이때, 상기 드럼회전단계의 경우, 전주 마스터가 드럼형일 경우에 해당하는 단계이며, 전주 마스터가 평판형일 경우 생략될 수 있다.
이후 전해액에 녹아있는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나 이상의 물질, 예를 들면, 구리(Cu)를 메쉬의 상면에 전착시켜 금속메쉬층을 형성하는 전착단계(S30)를 실시하게 된다.
상기 전착단계(S30)에서의 전류밀도는 0.1 내지 30 mA/㎠일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 전류밀도의 범위를 제한하는 것은 아니며, 전착을 하고자 하는 물질에 따라, 그 전류밀도를 상이하게 할 수 있다.
예를 들어, 상기한 전류밀도의 범위 중에서 0.1 내지 1 mA/㎠의 범위는 상기 구리(Cu)의 전착이 활발히 발생되는 범위일 수 있으며, 3 내지 15 mA/㎠의 범위는 상기 니켈(Ni)의 전착이 활발히 발생되는 범위일 수 있다.
또한, 금속메쉬층의 전착이 상기한 전류밀도의 범위에서 보다 활발하게 전착될 수 있도록 하기 위해 상기 전해액의 일정 온도 범위 내에서 실시됨이 바람직하다.
예를 들어, 상기 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)은 전해액의 온도가 10 내지 50℃ 일 때 전착이 활발하게 진행될 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 전해액의 온도를 한정하는 것은 아니다.
상기한 조건에 따라 전착단계(S30)가 완료된 이후에는 상기 메쉬형음극드럼(40)의 외면, 보다 구체적으로는 메쉬(도 5b의 42)의 상부에 금속메쉬층이 형성된다.
상기 전착단계(S30)가 진행된 이후에는, 상기 메쉬형음극드럼(40)의 외면, 구체적으로 메쉬로부터 금속메쉬층을 박리하는 전착층박리단계(S40)가 이어지게 된다.
상기 전착층박리단계(S40)는 상기 메쉬형음극드럼(40)의 외면에 붙어 있던 금속메쉬층이 상기 가이드롤러(51)의 회전에 의해 상부 우측으로 안내되면서 진행된다.
보다 구체적으로, PET, PC, PMMA 등과 같은 보호필름(미도시)에 접착제를 도포하여, 이를 상기 메쉬형음극드럼의 표면의 메쉬에 형성된 금속메쉬층의 상부에 라미네이션한 후, 상기 보호필름(미도시) 및 금속메쉬층을 동시에 박리하여, 전주공정에 의해 금속메쉬(50)를 형성할 수 있다.
상기 전착층박리단계(S40) 이후에는 상기 메쉬형음극드럼(40)으로부터 분리된 금속메쉬(50)를 세정조(60) 내부로 침지시켜 수세하는 전착층수세단계(S50)가 진행되며, 상기 전착층수세단계(S50)를 거쳐 수세된 금속메쉬(50)는 권취롤러(70)로 이송되면서 권취되어 금속메쉬권취단계(S60)가 수행된다.
상기한 모든 단계가 완료되면 상기 금속메쉬(50)는 권취롤러(70)에 권취된 상태로 보관이 가능하며, 필요에 따라 요구되는 길이 및 형상만큼 절단함으로써 다양한 분야에 적용 가능함은 물론이다.
한편, 전착층박리단계에 있어서, 상기에서는 보호필름(미도시)에 접착제를 도포하여, 이를 상기 메쉬형음극드럼의 표면의 메쉬에 형성된 금속메쉬층의 상부에 라미네이션한 후, 상기 보호필름(미도시) 및 금속메쉬층을 동시에 박리하여, 전주공정에 의해 금속메쉬(50)를 형성함을 도시하였으나, 이와는 달리, 별도의 보호필름 없이 메쉬형음극드럼의 메쉬로부터 금속메쉬층만을 분리하는 것도 가능하며, 이 경우, 금속메쉬층의 두께가 얇아 공정상 취급이 어려우므로, 상기 전착층수세단계(S50)를 거쳐 수세된 금속메쉬(50)를 별도의 보호필름에 부착하여 사용할 수도 있을 것이다.
이상과 같이, 본 발명에서는 금속 메쉬 제조용 연속전주장치를 통해 금속메쉬층을 형성할 수 있으며, 형성된 금속메쉬층은 상술한 바와 같은 메쉬 형태의 베이스 기재 또는 메쉬 형태의 음극활물질층으로 사용이 가능하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법은 상술한 도 4a의 본 발명의 제5실시예에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법을 기준으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극의 제조방법은, 베이스 기재(510)를 준비하는 단계를 포함한다.
상기 베이스 기재(510)는 상술한 바와 같은 도 5a 내지 도 5d의 금속메쉬 제조장치를 통해 금속메쉬층을 제조하여, 상기 금속메쉬층을 본 발명에 따른 베이스 기재(510)로 사용할 수 있다.
한편, 상기에서는 금속메쉬층을 연속전주장치를 통한 전주공법에 의해 제조하는 것을 설명하였으나, 이와는 달리, 직조 또는 기계가공법에 의해서도 금속메쉬층을 제조할 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 금속메쉬층을 제조하는 방법을 한정하는 것은 아니다.
이때, 상기 베이스 기재(510)의 두께(d1)는 1 ~ 500㎛ 이고, 상기 베이스 기재(510)의 금속메쉬 패턴(511)의 폭(d2)은 1 ~ 500㎛ 일 수 있다.
또한, 금속메쉬 패턴과 금속메쉬 패턴간의 간격, 즉, 금속메쉬 패턴(511)의 사이에 위치하는 홀(512)의 폭은 1 ~ 500㎛ 일 수 있으나, 다만, 본 발명에서 이들의 수치를 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극의 제조방법은, 상기 베이스 기재(510)에 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 음극활물질층(520)의 두께(d3)는 1 ~ 500㎛ 이고, 상기 음극활물질층(520)의 금속메쉬 패턴(521)의 폭(d4)은 1 ~ 500㎛ 일 수 있다.
또한, 금속메쉬 패턴과 금속메쉬 패턴간의 간격, 즉, 금속메쉬 패턴(521)의 사이에 위치하는 홀(522)의 폭은 1 ~ 500㎛ 일 수 있으나, 다만, 본 발명에서 이들의 수치를 한정하는 것은 아니다.
이때, 상술한 바와 같이, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)의 의미는, 상기 베이스 기재(510)에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)을 부착하는 경우 및 상기 베이스 기재(510) 상에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)을 직접 도금하는 경우를 모두 포함하는 의미이다.
예를 들어, 상기 음극활물질층(520)은 상술한 바와 같은 금속메쉬 제조장치를 통해 제조된 금속메쉬층을 사용할 수 있으며, 따라서, 이 경우는 상기 베이스 기재(510)에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)을 부착하는 경우로 이해될 수 있다.
또한, 이와는 달리, 상기 베이스 기재(510) 상에 직접 도금공정을 진행하여, 상기 베이스 기재(510) 상에 상기 음극활물질층(520)을 직접 도금하는 경우도 있을 수 있으며, 이러한 공정에 대해서는 후술하는 도 7a 및 도 7b를 통해 설명하기로 한다.
한편, 상기 베이스 기재(510)에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층(520)을 부착하는 경우는, 상기 베이스 기재(510) 상에 공지된 솔더층을 형성하고, 상기 솔더층을 통해 상기 베이스 기재(510)와 상기 음극활물질층(520)을 부착할 수 있다.
즉, 상기 베이스 기재(510) 상에 솔더층을 형성하고, 상기 솔더층의 상부에 상기 음극활물질층(520)을 배치시킨 후, 압착롤러를 통한 압착 공정을 통해, 상기 음극활물질층을 압착시킴에 의하여, 상기 솔더층을 통해 상기 베이스 기재(510)와 상기 음극활물질층(520)을 부착할 수 있다.
이때, 상기 압착공정에 있어, 접착층과 금속메쉬층의 접착특성을 향상시키기 위해, 일정온도를 가하는 것이 바람직하며, 상기 일정온도는 150 ~ 500 ℃ 일 수 있다.
이로써, 본 발명의 제5실시예에 따른 이차전지용 음극을 제조할 수 있고, 본 발명의 제1실시예 내지 제4실시예에 따른 이차전지용 음극의 경우도, 상기 베이스 기재에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 부착하는 경우 및 상기 베이스 기재 상에 상기 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 직접 도금하는 경우에 따라, 상술한 도 6a 및 도 6b의 내용을 참조하여, 적절하게 이차전지용 음극을 제조할 수 있다.
이하에서는, 베이스 기재 상에 음극활물질층을 직접 도금하는 방법을 설명하기로 한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는 상술한 도 4b의 본 발명의 제6실시예에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법으로 이해될 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는, 베이스 기재(610)를 준비하는 단계를 포함한다(S100).
이때, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예에서, 상기 베이스 기재(610)는 도금법에 의해 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 베이스 기재(610)는 메쉬 형태에 해당한다.
이와 같은 메쉬 형태의 베이스 기재를 도금법에 의해 형성하는 것은, 상술한 바와 같은 도 5a 내지 도 5d의 금속 메쉬 제조장치 및 방법을 통해 제조할 수 있다.
즉, 상기 메쉬 형태의 베이스 기재를 도금법에 형성하는 것은, 도 5d에 도시된 바와 같이, 전해액 교반단계(S10); 드럼 회전단계(S20); 전착단계(S30); 및 전착층 박리단계(S40)을 통해 제조할 수 있으며, 이는 상술한 바와 같으므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다만, 도 5d에서는 전착층수세단계(S50); 및 금속메쉬 권취단계(S60)를 포함하고 있으나, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예에서는, 연속적인 공정에 의해, 상기 베이스 기재에 음극활물질층을 직접 형성하기 위한 것이므로, 전착층수세단계(S50); 및 금속메쉬 권취단계(S60)는 생략하는 것이 가능하다.
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는, 상기 베이스 기재(610)를 전처리하는 단계를 포함한다(S110).
상기 전처리는 일반적인 화학적 전처리법일 수 있으며, 상기 화학적 전처리법은 산세 및 탈지와 같이, 산성 또는 알카리성 용액에 대상재, 즉 베이스 기재를 침지시키거나, 이러한 용액을 대상재에 분무하여 금속재 표면의 기름, 오염물, 및 불순물 등을 제거하는 방법일 수 있다.
본 발명에서 상기 전처리는 전처리 용액이 수용된 전처리용 수조(701)에 상기 베이스 기재를 침지시키는 방법에 의한 화학적 전처리법일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 전처리하는 방법을 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라, 상기 전처리 공정은 생략할 수 있다.
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는, 전처리된 상기 베이스 기재를 수세하는 제1수세단계를 포함한다(S120).
상기 제1수세단계는 전처리 공정에서 사용된 전처리 용액 등을 제거하기 위한 공정으로, 수세 용액이 수용된 제1수세용 수조(702)에 상기 베이스 기재를 침지시키는 방법에 의할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 수세하는 방법을 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라, 상기 제1수세 공정은 생략할 수 있다.
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는, 상기 베이스 기재(610)에 음극활물질층(도 4b의 620, 630)을 형성하는 단계를 포함한다(S130).
이때, 상기 베이스 기재(610)에 음극활물질층(도 4b의 620, 630)을 형성하는 것은 도금법에 의해 형성하며, 즉, 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 음극활물질층(도 4b의 620, 630)은 도금액을 포함하는 도금용 수조(703)에 상기 베이스 기재를 침지시키는 방법에 의해 공지된 전해도금법 등을 통해 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 음극활물질층은 상기 베이스 기재에 도금법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하며, 이때, 본 발명에 따른 상기 베이스 기재도 도금법에 의해 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 본 발명에서는, 상기 베이스 기재 및 상기 음극활물질층을 모두 도금법에 의해 형성함으로써, 연속적인 공정에 의해 상기 베이스 기재 및 상기 음극활물질층을 형성할 수 있다.
특히, 메쉬 형태의 음극활물질층(도 4b의 620, 630)을 상기 베이스 기재(610) 상에 형성함에 있어서, 상기 음극활물질층(도 4b의 620, 630)을 도금법 중 전해도금법에 의해 형성하는 공정에서, 메쉬 형태의 상기 베이스 기재(610)는, 전해도금법에서의 전극으로의 역할이 가능하므로, 따라서, 메쉬 형태의 상기 베이스 기재(610) 상에, 메쉬 형태의 음극활물질층(도 4b의 620, 630)을 용이하게 형성할 수 있다.
한편, 상기 베이스 기재(610)에 음극활물질층(도 4b의 620, 630)이 형성되는 것은, 상기 베이스 기재의 제1면 및 제2면에 각각 음극활물질층이 형성될 수 있다.
즉, 본 발명에서는, 상기 베이스 기재의 제1면에 제1음극활물질층을 형성하고, 또한, 상기 베이스 기재의 제2면에 제2음극활물질층을 형성함에 있어서, 상기 제1음극활물질층 및 상기 제2음극활물질층은 모두 도금법에 형성되는 것이므로, 따라서, 상기 제1음극활물질층 및 상기 제2음극활물질층은 하나의 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다.
다만, 도 4a에서와 같이, 베이스 기재의 어느 일면에만 음극활물질층을 형성하고자 하는 경우, 상기 베이스 기재의 다른 면에는 보호필름을 부착함으로써, 상기 베이스 기재의 다른 면에는 음극활물질층이 형성되지 않도록 할 수 있다.
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는, 상기 음극활물질층이 형성된 베이스 기재를 수세하는 제2수세단계를 포함한다(S140).
상기 제2수세단계는 음극활물질층 형성 공정에서 사용된 도금 용액 등을 수세하기 위한 공정으로, 수세 용액이 수용된 제2수세용 수조(704)에 상기 베이스 기재를 침지시키는 방법에 의할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 수세하는 방법을 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라, 상기 제2수세 공정은 생략할 수 있다.
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 음극을 제조하는 방법의 다른 예는, 상기 음극활물질층이 형성된 베이스 기재를 건조하는 단계를 포함한다(S150).
상기 건조 단계는 열풍건조로(705)에서 진행되는 열풍건조일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 건조 방법을 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라, 상기 건조 공정은 생략할 수 있다.
이로써, 본 발명의 제6실시예에 따른 이차전지용 음극을 제조할 수 있으며, 도 7a에 도시된 바와 같이, 제조된 이차전지용 음극은 권취롤러(710)에 의해 권취될 수 있다.
이하에서는 하기의 실험예를 통해, 본 발명에 따른 이차전지용 음극을 검증하기로 한다. 다만, 본 발명에서 하기 실험예에 제한되는 것은 아니다.
[실험예 1]
상술한 바와 같은 제5실시예와 같은 형태로 음극을 제조하였다.
즉, 실험예 1에 따른 이차 전지용 음극은, 베이스 기재; 및 상기 베이스 기재에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 베이스 기재는 메쉬 형태로 구성되어, 상기 베이스 기재는 복수의 제1메쉬 패턴 및 상기 제1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제1홀을 포함한다.
또한, 상기 음극활물질층은 메쉬 형태로 구성되어, 상기 음극활물질층은 복수의 제2메쉬 패턴 및 상기 제2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2홀을 포함한다.
이때, 상기 제1메쉬 패턴의 폭과 상기 홀의 폭을 50×50, 80×80, 100×100 (단위 : ㎛)으로 제어하였으며, 상기 음극활물질층의 두께는 1㎛ 및 2㎛로 제어하였다.
한편, 상기 베이스 기재는 구리(Cu) 도금층으로 구성하였고, 상기 음극활물질층은 주석(Sn) 도금층으로 구성하였다.
이와 같은 조건의 음극을 통해 Coin Cell(Sn/Cu mesh - Li metal)을 제조하였고, 전해액으로 1 M LiPF6 (EC:DEC (1/v:1/v))을 사용하고, 세퍼레이터로 GF/F를 사용하였다.
한편, 0.2C(1C: 994 mA/g) 조건으로 충전하여, 리튬-이온 배터리의 성능을 테스트하였다.
도 8은 실험예 1에 따른 리튬-이온 배터리의 성능을 도시하는 그래프이다.
이때, 도 8에서, 예를 들어, "50×50 ㎛ 1"의 의미는, 상기 베이스 기재의 상기 제1메쉬 패턴의 폭과 상기 홀의 폭을 50×50 ㎛로 제어하고, 상기 음극활물질층의 두께를 1㎛로 제어한 조건을 의미한다.
도 8을 참조하면, 실험예 1에 따른 리튬-이온 배터리의 비용량 및 충방전 효율 성능 (Coulombic Efficiency)의 경우, 통상적인 이차전지 전극 제조 공정을 활용하여 형성된 주석 (Sn) 분말 기반 전극에서 관찰되는 반복적인 충방전 사이클에 따른 지속적인 용량 감하 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라 높은 충방전 효율 (Coulombic Efficiency)을 확보하고 있으며, 제1메쉬 패턴의 폭과 홀의 폭에 관계없이 우수한 성능을 보이고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 새로운 개념의 이차 전지용 음극의 경우, 충분히 음극으로 활용가능함을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
상술한 바와 같은 제5실시예와 같은 형태로 음극을 제조하였다.
즉, 실험예 2에 따른 이차 전지용 음극은, 베이스 기재; 및 상기 베이스 기재에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 음극활물질층을 포함하고, 상기 베이스 기재는 메쉬 형태로 구성되어, 상기 베이스 기재는 복수의 제1메쉬 패턴 및 상기 제1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제1홀을 포함한다.
또한, 상기 음극활물질층은 메쉬 형태로 구성되어, 상기 음극활물질층은 복수의 제2메쉬 패턴 및 상기 제2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2홀을 포함한다.
이때, 상기 제1메쉬 패턴의 폭과 상기 홀의 폭을 50×50(단위 : ㎛)으로 제어하였으며, 상기 음극활물질층의 두께는 1㎛로 제어하였다.
한편, 상기 베이스 기재는 구리(Cu) 도금층으로 구성하였고, 상기 음극활물질층은 주석(Sn) 도금층으로 구성하였다.
이와 같은 조건의 음극을 통해 Coin Cell(Sn/Cu mesh - Li metal)을 제조하였고, 전해액으로 1 M LiPF6 (EC:DEC (1/v:1/v))을 사용하고, 세퍼레이터로 GF/F를 사용하였다.
한편, 상기 Coin Cell을 0.05C(충전시간 : 20시간), 0.1C(충전시간 : 10시간), 0.2C(충전시간 : 5시간), 0.5C(충전시간 : 2시간), 1C(충전시간 : 1시간: 994 mA/g), 2C(충전시간 : 0.5시간), 4C(충전시간 : 0.25시간) 조건으로 충전하여, 리튬-이온 배터리의 성능을 테스트하였다.
도 9는 실험예 2에 따른 리튬-이온 배터리의 성능을 도시하는 그래프이다.
이때, 도 8에서는 각각의 조건에 따라 5cycle 씩 충/방전 속도를 달리하여 전지의 성능을 체크하였다.
예를 들어, 0.05C(충전시간 : 20시간) 조건으로 5cycle 충/방전을 진행하고, 이후, 0.1C(충전시간 : 10시간) 조건으로 5cycle 충/방전을 진행하고, 이후, 0.2C(충전시간 : 5시간) 조건으로 5cycle 충/방전을 진행하는 등의 방식을 통해, 리튬-이온 배터리의 성능을 체크하였다.
도 9를 참조하면, 실험예 2에 따른 리튬-이온 배터리의 출력 성능의 경우, 0.05C에서 462, 0.1C에서 430, 0.2C에서 386, 0.5C에서 329, 1C에서 296, 2C에서 258, 4C에서 210 (단위: mAh/g)의 평균 방전 비용량을 나타내고 있으며, 0.05C 대비 80배로 충전 속도를 증가시키는 조건 (4C)에서 약 45 %의 방전 비용량이 유지되는 우수한 출력 특성을 확인할 수 있다.
또한 동일한 조건인 시편의 반복실험에서 우수한 출력특성의 재현성을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 새로운 개념의 이차 전지용 음극의 경우, 충분히 음극으로 활용가능함을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 음극활물질층은, 일반적인 음극활물질층과는 전혀 다른 새로운 도금층 형태의 음극활물질층을 구성하게 되며, 따라서, 본 발명에 따른 음극은, 일반적인 음극과는 전혀 다른 새로운 형태의 음극을 구성하게 된다.
따라서, 본 발명에서는, 새로운 구조의 이차전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (13)

  1. 메쉬 형태를 갖고, 도금법에 의해 형성된 베이스 기재; 및
    상기 베이스 기재에 위치하고, 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 포함하고,
    상기 베이스 기재는 제1면 및 제2면과, 상기 베이스 기재의 제1면 및 상기 베이스 기재의 제2면을 연결하는 제1홀을 포함하고,
    상기 제1 음극활물질층은 상기 베이스 기재의 제1면 상에 형성되고,
    상기 제1 음극활물질층은 상기 베이스 기재의 제1홀의 측벽을 따라 비연장되는 이차 전지용 음극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 음극활물질층은,
    상기 베이스 기재에 상기 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 부착하거나, 또는 상기 베이스 기재 상에 상기 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 직접 도금하는 것인 이차 전지용 음극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 음극활물질층은 Sn계, Si계 또는 Sn 합금계인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 음극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기재 및 상기 음극활물질층은 도금층인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 음극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 음극활물질층은 메쉬 형태로 구성되며,
    상기 제1 음극활물질층은 복수의 메쉬 패턴 및 상기 메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2 홀을 포함하는 이차 전지용 음극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기재의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2 음극활물질층을 포함하는 이차 전지용 음극.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 음극활물질층은, 복수의 제2메쉬 패턴 및 상기 제2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2홀을 포함하는 이차 전지용 음극.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기재는 복수의 제1메쉬 패턴 및 상기 제1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 상기 제1홀을 포함하고,
    상기 제1 음극활물질층은 메쉬 형태로 구성되며, 상기 제1 음극활물질층은 복수의 제2-1메쉬 패턴 및 상기 제2-1메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2-1홀을 포함하는 이차 전지용 음극.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 베이스 기재의 제2면에 형성되고, 도금법에 의해 형성된 제2 음극활물질층을 더 포함하고,
    상기 제2 음극활물질층은 복수의 제2-2메쉬 패턴 및 상기 제2-2메쉬 패턴의 사이에 위치하는 제2-2홀을 포함하는 이차 전지용 음극.
  10. 메쉬 형태를 갖는 베이스 기재를 준비하는 단계; 및
    상기 베이스 기재에 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 베이스 기재는 제1면 및 제2면과, 상기 베이스 기재의 제1면 및 상기 베이스 기재의 제2면을 연결하는 제1홀을 포함하고,
    상기 제1 음극활물질층은 상기 베이스 기재의 제1면 상에 형성되고,
    상기 제1 음극활물질층은 상기 베이스 기재의 제1홀의 측벽을 따라 비연장되는 이차 전지용 음극의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 베이스 기재에 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 형성하는 단계는,
    상기 베이스 기재에 상기 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 부착하거나, 또는 상기 베이스 기재 상에 상기 도금법에 의해 형성된 제1 음극활물질층을 직접 도금하는 것인 이차 전지용 음극의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 도금법은 습식도금법과 건식도금법을 포함하고, 상기 습식도금법은 전해도금법 및 무전해도금법을 포함하며, 상기 건식도금법은 스퍼터링법, CVD법 및 PECVD법을 포함하는 이차 전지용 음극의 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 베이스 기재를 준비하는 단계는, 도금법에 의해 상기 베이스 기재를 형성하는 것인 이차 전지용 음극의 제조방법.
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