KR102203691B1 - 안전성이 향상된 이차전지용 전극과 이의 제조방법, 및 이 전극을 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 이차전지용 전극과 이의 제조방법, 및 이 전극을 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 집전체 및 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 전극은 못(nail)과 같은 침상체가 전지 내부로 침투하거나 관통하는 경우에도 전지의 발화나 폭발의 발생을 방지하거나 최소화할 수 있어 전지의 안전성을 향상시켜 준다.

Description

안전성이 향상된 이차전지용 전극과 이의 제조방법, 및 이 전극을 포함하는 이차전지{An Electrode for a Secondary Battery with Improved Safety, a Manufacturing Method thereof, and a Secondary Battery Including the Electrode}
본 발명은 안전성이 향상된 이차전지용 전극과 이의 제조방법, 및 이 전극을 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 못(nail)과 같은 침상체가 전지 내부로 침투하거나 관통하는 경우에도 발화나 폭발의 발생을 방지하거나 최소화할 수 있어 안전성이 더욱 향상된 이차전지용 전극과 이의 제조방법, 및 이 전극을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 이차 전지, 특히 리튬 이차전지는 많은 에너지를 저장하고 있기 때문에, 외부의 충격 등에 의해 화재나 폭발이 발생할 우려가 있으며, 특히, 파우치형 이차 전지와 같이 물리적인 내구성이 낮은 이차 전지는 외부의 충격에 취약하므로 캔형 이차 전지에 비해 발화나 폭발의 위험이 더욱 크다. 또한, 최근에는, 이차 전지가 단일의 배터리 셀로 사용되기 보다는 다수의 배터리 셀을 포함시킨 배터리 팩으로 사용되는 경우가 많은데, 이러한 배터리 팩은 단일의 배터리 셀보다 고용량 또는 고출력을 갖기 때문에 발화나 폭발의 우려가 더욱 크며, 발화나 폭발이 일어날 경우 그 위험성 또한 더욱 클 수밖에 없다.
이와 같은 발화 및 폭발은 못과 같은 침상체가 배터리 내부로 침투하거나 관통하는 경우에 배터리 셀 내부에 또는 배터리 셀과 배터리 셀간에 단락이 유발됨으로써 종종 발생하기도 하는 바, 이러한 경우에 있어서도 전지의 발화나 폭발을 방지하여 전지의 안전성을 확보할 필요성이 있다.
이러한 침상체의 침투나 관통에 대한 안전성을 확보하기 위한 방안으로서, 셀 바깥쪽에 별도의 소자를 장착하는 방법 및 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 주로 연구 개발되어 왔는데, 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전 벤트(Safety vent) 등은 전자의 방법에 속하고, 전지내부의 온도나 전압 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것은 후자의 방법에 속한다.
셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은 온도나 전압 그리고 내압을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있지만, 추가적인 설치 공정 및 설치 공간이 요구되며, 또한 내부 단락, 침상체 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 대응이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
한편, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법으로는, 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 화학적 안전장치에 대한 연구가 진행되고 있는데, 이는 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 전극에 부동막을 형성하는 물질을 만들거나 온도 상승시 부피 팽창이 이루어지면서 전극의 저항을 증가시키는 상황 등이 보고되고 있다. 따라서, 이러한 방법은 부동막 형성시 부산물이 발생하여 전지의 성능을 저하시키거나, 전지 내부에서 차지하는 부피가 커서 전지의 용량감소를 가져오는 문제점을 안고 있다.
따라서, 침상체의 침투나 관통에 의한 발화나 폭발을 방지하기 위한 기술 개발이 여전히 필요한 실정이다. 더구나, 전지의 고출력, 고에너지 밀도에 대한 요구가 높아짐에 따라 발화, 폭발 등의 위험이 더욱 높아져 안전성에 대한 대책이 더욱 절실하다.
이러한 이차전지의 안전성에 대한 요구에 부응하기 위하여, 본 출원인은 다각도로 연구를 거듭한 끝에 이미 여러 가지 기술을 개발하여 특허출원한 바 있으며, 일례로서, 본 출원인이 출원한 특허문헌 1(한국 공개특허공보 10-2017-0034570호)에서는, 이전전지의 안전성을 향상시키기 위해 양극의 연신율을 특정 범위(즉, 0.6 내지 1.5%)로 하는 발명을 제공하고 있다. 그러나, 이 발명에서는 이와 같은 연신율을 갖는 양극을 실현하는 구성이나 방법에 대해 더 이상 구체적으로 개시하지 못하고 있다.
한국 공개특허공보 10-2017-0034570 한국 공개특허공보 10-2013-0055712
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 못(nail)과 같은 침상체가 전지 내부로 침투하거나 관통하는 경우에도 전지의 발화나 폭발의 발생을 방지하거나 최소화할 수 있어 전지의 안전성을 더욱 향상시켜 줄 수 있는 이차전지용 전극을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 이차전지용 전극을 효율적으로 제조하는 방법, 및 이러한 전극을 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 추가의 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 출원의 발명자들은, 침상체가 내부로 침입하는 경우 전지의 단락에 의한 전지의 발화나 폭발을 방지하기 위해서는, 침상체와 전극간에 그리고 양극과 음극간에 접촉 가능성이나 접촉 면적을 가능한 감소시켜 줄 필요가 있고, 이를 달성하는 데에는 전극의 물리적 또는 기계적 특성의 조절이 기여할 수 있을 것이라는 점, 즉 전지에 침상체의 침입 등이 있게 되면 전극(특히 전극 집전체)이 연신되고 이로 인해 반대 전극과 접촉하게 됨으로써 단락이 발생하는 것을 감안하여, 물리적 특성의 하나로서 전극의 연신 특성(연신율)을 낮추면 전극의 파단이 쉽게 이루어져 전극 상호간에 그리고 전극과 침상체 간에 접촉 가능성이 줄어 들어 단락의 가능성이 줄어들 수 있다는 점을 착안하고 연구를 진행하였다. 그러나, 집전체 소재 자체의 연신율을 낮게 하는 것에는 전극의 요건이나 전극 제조공정상 한계가 있었다. 본 발명자들은 다른 측면에서 다각도로 연구를 거듭한 끝에, 전극의 연신 특성을 줄일 수 있는 새로운 방법을 찾아내고, 이에 기초하여 본 발명을 완성하게 된 것이다.
전극 제조 시 활물질과 전극조립체를 두께방향으로 관통하는 구멍을 특정 방법으로 형성하는 경우, 전해액 함침성이 향상되거나 충방전 시 발생한 가스의 배출속도가 향상된다는 점은 이미 공지되어 있다. 상기한 방법의 경우 밀집도가 높아 전해액 분산 속도가 느린 적층형 전극조립체나 캔형 이차전지에 내장되는 젤리롤 형 전극조립체의 전극에 적용될 경우 상기한 효과가 더욱 우수하게 나타날 수 있다.
그러나, 본 출원인은 연신 특성을 줄이기 위한 실험을 거듭하던 중 특정 패턴으로 전극에 관통구를 형성하는 경우, 상기한 전해액 함침성이나 가스의 배출 향상 외에 전극의 연신 특성을 줄일 수 있다는 사실을 새로이 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다. 본 발명에 의한 전극을 사용하는 경우 소재 자체의 연신율을 낮춘 종래 기술의 한계를 극복하고 전극의 연신율을 더욱 낮출 수 있으며, 이로 인 해 침상체의 침범으로 인한 단락 및 발화의 위험성을 현저히 줄일 수 있다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 전극은,
집전체, 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 전극 활물질층을 포함하는 이차전지용 전극으로서,
상기 집전체 및 상기 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 상기 구멍의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 횡단면 모양이 원형, 타원형, 다각형 등일 수 있고, 바람직하게는 대략 원형 단면이며, 그 직경의 크기는 바람직하게는 100㎛ 내지 5mm, 보다 바람직하게는 400㎛ 내지 1mm의 범위이다.
또한, 상기 구멍은 소정의 간격, 예컨대 1mm 내지 8mm의 간격으로 전극의 전체 면에 형성되는 것이 바람직하다. 이때 구멍의 배열 패턴은 규칙적일 수도 있고 비규칙적일 수도 있지만, 단위 패턴을 대략 직사각형(정사각형 포함) 또는 대략 정삼각형으로 하여 이를 반복 형성한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 제조방법은,
(1) 전극 집전체 상에, 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 도포하고 건조하여 전극 활물질층을 형성하는 단계, 및 (2) 상기 전극 활물질층을 압연하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법으로서,
상기 단계(2) 후에, 또는 상기 단계(2)와 동시에, 상기 전극 집전체 및 상기 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구멍 형성 단계는, 바람직하게는 외주면에 천공수단이 형성된 롤러를 이용하여 전극을 가압하는 방식으로 수행할 수 있다. 이러한 구멍 형성 공정은 상기 단계(2)의 압연 공정 후에 수행할 수도 있고, 또는 전극의 압연공정에 사용하는 롤러로서 외주면에 천공수단이 형성된 롤러를 이용함으로써 압연 공정과 동시에 구멍 형성 공정을 수행할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함하여 이루어지는 이차전지에 있어서, 상기 양극 및 음극 중 하나 또는 둘 다가 상기한 본 발명에 따른 전극인 것을 특징으로 한다. 상기 양극이 본 발명에 따른 전극인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 전극에 두께 방향으로 관통하는 구멍이 형성됨으로써 전극의 연신율이 낮아지게 되고, 이에 따라 못과 같은 침상체가 전지 내부로 침입하거나 전지를 관통하는 경우에, 전극의 파단이 쉽게 이루어져 전극 상호간에 그리고 전극과 침상체 간에 접촉 가능성이나 접촉 면적이 줄어 들어 단락이 방지되거나 감소된다. 따라서, 전지의 발화나 폭발의 가능성이 현저히 낮아져 전지의 안전성이 향상되는 효과가 있게 된다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 구멍 배열 패턴의 예들을 보여주는 개략적 평면도이다.
도 2는 본 발명의 구멍 형성 단계에서 사용하는 롤러의 일례를 나타낸 개략적 사시도이다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하에서 기재하는 구체적인 사항이나 실시예 및 도면의 내용은 본 발명의 실시형태를 예시하는 것에 불과하므로, 본 발명은 이러한 기재 사항이나 내용에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니될 것이다.
먼저, 본 발명에서 사용하는 용어에 대해 설명한다, 본 발명에서의 '연신율(%)'은 통상적인 정의와 같이 원래의 길이에 비해 연신후 늘어난 길이를 백분율로 나타낸 것이지만, 본 발명에서는 선형이 아니라 면형 물체에 적용되는 것이므로, 종방향 연신율과 횡방향 연신율을 모두 포함하는 개념이다. 연신율은 종방향 연신율과 횡방향 연신율이 다를 수 있는데, 이 경우에는 종방향 연신율과 횡방향 연신율을 산술평균한 값으로 한다. 예를 들어, 전극의 종방향 연신율이 2%, 횡방향 연신율이 4%인 경우, 전극의 연신율은 3%이다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은, 집전체, 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 전극 활물질층을 포함하는 전극으로서, 상기 집전체 및 상기 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구체적인 일 실시형태에 있어서, 상기 구멍의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 횡단면 모양이 원형, 타원형, 다각형 등일 수 있고, 바람직하게는 대략 원형 단면이다.
또한 상기 구멍의 직경은 바람직하게는 100㎛ 내지 5mm, 보다 바람직하게는400㎛ 내지 1mm일 수 있으며, 이러한 구멍이 소정의 간격으로 전극의 전체 면에 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 평면상으로 볼 때, 상기 구멍들의 면적 총합은 전극 전체 면적의 10 ~ 70%, 보다 바람직하게는 20% ~ 40%일 수 있다.
상기 구멍의 직경 및 면적 총합이 각각 상기 범위보다 작을 경우, 연신율 감소효과가 잘 나타나지 않는 한편, 구멍의 직경 및 면적 총합이 상기 범위보다 클 경우에는, 전극 활물질의 양이 감소하여 전지의 용량 감소로 이어질 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 구멍의 배열 패턴은 규칙적일 수도 있고 비규칙적일 수도 있지만, 바람직하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 구멍(11) 배열의 단위 모양을 정사각형(도 1a의 경우) 또는 정삼각형(도 1b의 경우)으로 하여 이를 전극(10) 상에 반복 형성한 것으로 할 수 있다. 이 경우 정사각형 모양에서 변의 길이 방향으로의 구멍 간격(Ls) 및 정삼각형 모양에서 변의 길이 방향으로의 구멍 간격(Lt)은 각각 1 ~ 8mm인 것이 바람직하고, 각 구멍은 직경 100㎛ 내지 5mm의 원형인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 전극 집전체, 특히 양극 집전체 및 음극 집전체의 소재, 두께, 형태 등, 전극 활물질층, 특히 양극 활물질층 및 음극 활물질층을 형성하기 위한 슬러리의 성분, 활물질의 종류, 입자 크기, 활물질층의 공극률 등은 당업계에 공지되어 있는 통상적인 것으로, 특별히 제한되지 않으며, 또한 당업자가 그에 관한 사항을 용이하게 이해하고 입수하여 본 발명에 사용할 수 있으므로, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이와 관련하여, 예컨대 본 출원인의 특허인 특허문헌 1(한국 공개특허공보 10-2017-0034570) 및 특허문헌 2(한국 공개특허공보 10-2013-0055712)을 참조할 수 있는데, 이 문헌의 전체 기재 내용을 본 발명과 모순되지 않는 범위에서 본 발명에 참고로 인용한다.
다만, 양극 집전체는 그 소재로서 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 연신율을 가능한 감소시키고자 하는 발명의 목적상 바람직하게는 알루미늄이 사용된다. 한편, 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있으며, 여러 가지 면을 고려하여 음극 집전체로서 많이 사용되는 구리 호일(Cu foil)은 상당히 큰 연신율을 갖기 때문에 본 발명의 구성에 의해 원하는 수준의 연신율을 갖도록 하는 것이 쉽지가 않다. 따라서, 상기한 알루미늄 등은 다른 측면에서도 양극의 소재로서 많이 사용되고 있으므로, 본 발명은 음극보다는 양극에 적용될 때 그 효과가 배가될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전극에 다수의 구멍이 형성됨으로써 전극의 연신율이 낮아지게 되는 바(이는 다수의 구멍으로 인해 전극의 파단 강도가 약해지기 때문일 것이다), 연신율의 감소효과는 전극의 사용 소재, 구멍의 크기, 형성 면적 등에 따라 달라질 수 있지만, 본 발명에 따르면 연신율이 구멍 형성 전에 비해 50% 이하의 수준까지 감소될 수 있다. 이와 같이 연신율이 감소된 본 발명의 전극은 바람직하게는 1.0% 이하의 연신율을 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.4% 내지 0.8%, 가장 바람직하게는 0.4 내지 0.5%의 연신율을 가질 수 있다. 연신율이 0%이거나 지나치게 낮은 경우에는 이를 실현하기도 어렵지만, 압연 등의 공정에서 전극이 파쇄될 위험이 있으므로, 전극의 연신율은 적어도 0.3% 이상인 것이 바람직하다.
한편, 침상체의 침입 또는 관통에 대한 안전성을 확보하기 위해서는, 양극과 음극의 연신율은 작고, 분리막의 연신율은 큰 것이 바람직한데(예컨대, 분리막이 전극 집전체보다 낮은 연신율을 가지면 침상체 관통시 양극과 음극이 접촉할 가능성이 커진다), 상기와 같은 본 발명의 전극을 사용하게 되면, 못과 같은 침상체가 전지 내부로 침입하거나 전지를 관통하는 경우에, 침상체의 침입이나 관통에 대한 전극의 저항력이 크고 이 저항력을 초과하는 경우에는 거의 연신됨이 없이 전극의 파단이 이루어져 전극 상호간에 그리고 전극과 침상체 간에 접촉 가능성이나 접촉 면적이 줄어 들어 단락이 방지되거나 감소하게 됨으로써 발화나 폭발의 가능성이 현저히 낮아지게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 제조방법에 대해 설명한다. 일 실시예에 의하면 본 발명의 전극 제조방법은 (1) 전극 집전체 상에, 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 도포하고 건조하여 전극 활물질층을 형성하는 단계, 및 (2) 상기 전극 활물질층을 압연하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기에 상기 전극 집전체 및 상기 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 구멍을 형성하는 방법으로는 당업계에 공지된 임의의 천공 방법을 이용할 수 있으며, 예컨대 프레싱 다이에 천공 수단을 구비하고 있는 프레스 장치를 이용하여 전극을 프레싱함으로써 형성할 수도 있지만, 바람직하게는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 전극의 압연 공정에 사용하는 바와 같은 롤러(20)의 외주면에 천공수단(21)을 형성한 것을 이용하여 전극을 가압함으로써 형성할 수 있다. 이러한 구멍 형성 공정은 상기 단계(2)의 압연 공정 후에 수행할 수도 있으며, 또는 압연공정에 사용하는 롤러로서 외주면에 천공수단이 형성된 롤러를 이용함으로써 압연 공정과 동시에 수행할 수도 있다. 공정 효율성의 측면에서는 후자의 방법이 바람직하다.
상기 롤러에 천공수단을 형성하는 패턴은 전극에 형성하고자 하는 구멍 패턴에 따라 그에 상응하게 형성해 주면 되고, 천공수단은 전극의 집전체와 활물질층을 가압함으로써 구멍을 형성해 줄 수 있는 것이면 특별히 제한 없이 이용할 수 있다. 천공 수단은 예컨대 가압하여 구멍을 형성할 수 있는 핀, 바늘, 로드, 관 등과 같은 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 제조방법에 있어서 전극 활물질층 형성 공정, 압연 공정 등은 당업계에 공지되어 있는 통상적인 것으로서, 특별한 제한 없이 본 발명에 적용할 수 있으며, 또한 당업자가 그에 관한 사항을 용이하게 이해하고 입수하여 본 발명에 사용할 수 있으므로, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이와 관련하여, 예컨대, 전술한 바와 같이 특허문헌 1 및 2를 참조할 수 있다.
또한, 본 발명은 이차전지를 추가로 제공하는 바, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함하여 이루어지는 이차전지에 있어서, 상기 양극 및 음극 중 하나 또는 둘 다가 상기한 본 발명에 따른 전극인 것을 특징으로 한다. 특히, 전술한 바와 같은 이유로 양극이 본 발명에 따른 전극인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 이차전지를 구성하는 분리막, 전해질 등에 관한 사항도 당업계에 공지되어 있는 통상적인 것으로서, 특별한 제한 없이 본 발명에 사용할 수 있으며, 또한 당업자가 그에 관한 사항을 용이하게 이해하고 입수하여 본 발명에 사용할 수 있으므로, 이들에 대한 상세한 설명도 역시 생략한다. 이와 관련하여, 예컨대, 전술한 바와 같이 특허문헌 1 및 2를 참조할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것이 아님은 물론이다.
본 발명은 연신 특성을 줄이기 위하여, 집전체 및 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있는 전극을 제공한다. 이에 본 발명에 따라 구멍이 형성된 양극과 음극을 하기와 같이 제조하였다. 한편, 그 대조군으로서 구멍이 형성되지 않은 것을 제외하고 동일한 방법으로 양극과 음극을 가각 제조하였다.
<양극의 제조예>
제조예 1(양극 1)
두께 12㎛이고 연신율이 2.5%인 알루미늄 호일을 양극 집전체로 준비하였다.
또한, 양극 활물질로서 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (평균 입경: 14㎛), 바인더로서 PVDF, 도전재로서 덴카 블랙(Denka black)를 93:4:3 조성비로 용매인 N-메틸 피롤리돈(NMP)에 혼합하여 양극 활물질층을 형성하기 위한 양극 슬러리를 준비하였다.
상기 양극 슬러리를 알루미늄 호일의 양면에 코팅하고, 건조 및 압연시켜 양극을 제조하였다.
상기 양극에 도 2에 도시된 바와 같은 롤러로 가압하여 구멍을 형성하였다. 이때 구멍은 직경 500㎛의 원형 단면을 갖고, 구멍들의 배열 패턴은 도 1a에 도시된 바와 같이 정사각형 패턴이고 변의 길이 방향으로의 구멍 간격(Ls)은 1mm이다.
이와 같이 하여 최종 제조된 양극은 전체 두께가 대략 125㎛(그 중 한쪽 활물질층 두께는 대략 56㎛), 공극률이 25% 이었다.
제조예 2 (양극 2)
구멍 간격(Ls)을 5mm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 양극을 제조하였다.
제조예 3 (양극 3)
구멍 간격(Ls)을 10mm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 양극을 제조하였다.
제조예 4(양극 4)
구멍을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 양극을 제조하였다.
<음극의 제조예>
제조예 5 (음극 1)
음극 집전체로서 두께가 10㎛이고 연신율이 3.5%인 구리 호일을 준비하였다.
또한, 음극 활물질로서 천연 흑연, 바인더로서 SBR과 CMC, 도전재로서 덴카 블랙을 97:2:1 조성비로 용매인 물에 혼합하여, 음극 활물질층을 형성하기 위한 슬러리를 준비하였다.
상기 음극 슬러리를 음극 집전체의 양면에 코팅하고, 건조 및 압연시켜 음극을 제조하였다.
상기 음극에 제조예 1(양극 1)에서와 동일한 방법으로 구멍을 형성하였다.
이와 같이 하여 최종 제조된 음극은 전체 두께가 대략 150㎛(그 중 한쪽 활물질층 두께는 약 70㎛), 공극률 35%이었다.
제조예 6(음극 2)
구멍을 형성하지 않은 점을 제외하고는 제조예 5와 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
<전극의 연신율 측정>
상기 각 제조예에 따른 양극 및 음극에 대하여 각각 연신율을 측정하였다. 이때 연신율의 측정은 UTM 장비를 사용하였으며, 0.5mm/min의 속도로 종방향 연신율과 횡방향 연신율을 측정하여 이들을 산술 평균한 것을 제조된 전극의 연신율로 하였다. 각 제조예에 따른 양극 및 음극의 연신율 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
전극 제조예 집전체의
연신율		 구멍의 직경
(㎛)		 구멍의 간격
(mm)		 제조된 전극의
연신율
제조예1(양극 1) 2.5% 500 1 0.5%
제조예2(양극 2) 2.5% 500 5 0.8%
제조예3(양극 3) 2.5% 500 10 1.2%
제조예4(양극 4) 2.5% - - 1.5%
제조예5(음극 1) 3.5% 500 1 2.0%
제조예6(음극 2) 3.5% - - 2.5%
상기 표 1에 나타난 바와 같이 구멍의 간격을 1mm로 한 제조예 1(양극 1)의 경우 연신율이 0.5%로, 집전체의 연신율 대비 5분의 1로 낮아지는 매우 우수한 효과가 나타났다. 이는 본 출원인의 종래 기술인 한국공개특허 제2017-0034570호의 실험 결과와 대비하여도 현저히 우수한 것이다.
다만, 상기 제조예 1(양극)과 동일한 패턴으로 구멍을 형성한 제조예 5(음극 1)의 경우에는 연신율 개선 효과가 양극에 비해 낮게 나타났다. 따라서, 본 기술은 음극 보다는 양극에 적용하는 것이 더욱 효과가 우수하여 바람직하다.
<실시예 및 비교예에 의한 이차전지 제조 및 네일 관통 테스트>
상기 각 제조예에 의한 양극 및 음극을 조합하여 하기 표 2에 나타낸 실시예 및 비교예의 순서에 따라 이차전지를 제조하였으며, 이차전지 제조 후 네일 관통 테스트를 수행하여 발화 여부를 관찰하였다.
파우치형 모노셀 제조
상기 각 실시예 및 비교예에 의한 이차전지는 사용된 양극과 음극의 제조예 조합을 제외하고는 아래와 같이 동일한 방법으로 제조하였다.
하기 표 2에 기재된 제조예에 따라 각 실시예 및 비교예의 양극 및 음극을 선택하여 전극으로서 사용였으며, 이들 양극과 음극 사이에 폴리에틸렌으로 제조된 분리막을 개재시켜 전극 조립체를 제작하였다.
상기 전극 조립체를 파우치에 수납한 후에 에틸렌 카보네이트(EC):디메틸 카보네이트(DMC):에틸메틸 카보네이트(EMC)=3:4:3, LiPF6 1M로 이루어진 전해액을 주입하여 파우치형 모노셀을 제작하였다.
네일 관통 테스트
상기와 같이 제조된 모노셀에 대하여 네일 관통 실험을 실시하였다. 실험 전, 각 모노셀은 25 ℃에서 4.15V 전압하에 만충전하였다. 이러한 모노셀에 대해 직경 3 mm 네일(nail)을 사용하여 관통속도 80 ㎜/sec로 그 중앙을 관통시킨 후 발화 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다(표에서 O: 발화됨, X: 발화 안됨).
구분 양극 음극 발화 여부
제조예 연신율 제조예 연신율
실시예 1 제조예 1(양극 1) 0.5% 제조예 5(음극 1) 2.0% X
실시예 2 제조예 2(양극 2) 0.8% 제조예 5(음극 1) 2.0% X
실시예 3 제조예 1(양극 1) 0.5% 제조예 6(음극 2) 2.5% X
비교예 1 제조예 3(양극 3) 1.2% 제조예 5(음극 1) 2.0% O
비교예 2 제조예 4(양극 4) 1.5% 제조예 6(음극 2) 2.5% O
실시예 1
먼저 연신율이 가장 낮은 제조예 1(양극 1)과 제조예 5(음극 1)을 조합하여 모노셀을 제조한 후 상기한 방법의 네일 관통 테스트를 시행하고 발화 여부를 관찰하였다. 낮은 연신율로 인하여 침상체 관통 후에도 발화가 발생하지 않았다.
실시예 2
다음으로 연신율이 0.8%인 제조예 2(양극 2)와 제조예 5(음극 1)을 조합하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 후 네일 관통 테스트를 진행하여 발화 여부를 관찰하였다. 실시예 1과 마찬가지로 발화가 일어나지 않았다.
실시예 3
연신율이 0.5%인 제조예 1(양극 1)과 구멍을 형성하지 않아 연신율 특성이 감소되지 않은 제조예 6(음극 2)을 조합하여 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였다. 발화는 일어나지 않았으며, 제조예 1(양극)의 낮은 연신율에 기인한 것으로 판단된다.
비교예 1
이후 상기 실시예 2보다 연신율이 더 높은 양극인 제조예 3(양극 3)과 연신율 특성이 감소된 제조예 5(음극 1)을 이용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였다. 예상했던 것과는 달리 발화가 발생하였는데, 음극의 연신율이 낮아졌음에도 불구하고, 양극의 연신율이 1.2% 이상인 경우 발화가 발생할 가능성이 있는 것으로 판단된다. 따라서, 본 발명에 의한 전극 제조방법은 양극에 적용하여 연신율을 최대한 낮추는 것이 침상체에 대한 안정성 향상에 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다.
비교예 2
구멍을 형성하지 않은 제조예 4(양극 4)와 마찬가지로 구멍을 형성하지 않은 제조예 6(음극 4)를 이용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였다. 예상하였던 대로 발화가 일어났으며, 본 발명에 의한 방법으로 침상체에 의한 위험을 방지할 수 있다는 사실을 검증할 수 있었다.
상기 실시예 및 비교예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전극에 다수의 구멍이 형성됨으로써 전극의 연신율이 대폭 감소될 수 있고, 이에 따라 못과 같은 침상체가 전지 내부로 침입하거나 전지를 관통하는 경우에 단락이 방지되거나 감소하게 됨으로써 발화나 폭발의 가능성이 현저히 낮아지게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 못(nail)과 같은 침상체가 전지 내부로 침투하거나 관통하는 경우에도 전지의 발화나 폭발의 발생을 방지하거나 최소화할 수 있어 전지의 안전성을 더욱 향상시켜 줄 수 있으므로, 산업적으로 매우 유용하다.
한편, 이상에서 구체적인 실시형태나 실시예를 들면서 본 발명을 상세히 설명하였지만, 이러한 내용에 기초하여 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 다른 형태로의 변형, 재료 등의 대체, 치수의 변경, 추가적인 구성요소의 부가 등을 할 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 하기의 특허청구범위에서는 '정삼각형' 또는 '직사각형'과 같은 표현을 사용하고 있는 바, '대략', '약'과 같은 용어는 발명의 구성을 불명확하게 한다고 하여 청구범위에서는 허용되지 않는 것을 고려하여 이들 용어를 사용하지 않았지만, 상기와 같은 표현들은 '대략 정삼각형' 또는 '대략 직사각형'과 같은 의미로 해석되어야 할 것이다.
10: 전극
11: 구멍
20: 롤러
21: 천공 수단
Ls, Lt: 구멍 간격

Claims (10)

  1. 집전체, 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 전극 활물질층을 포함하는 이차전지용 양극으로서,
    상기 집전체 및 상기 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있고,
    상기 구멍은 그 횡단면 모양이 원형, 타원형 및 다각형으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상이고 그 직경이 100㎛ 내지 5mm이며,
    상기 양극의 연신율이 0.3% 내지 1.0%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍의 직경이 400㎛ 내지 1mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍은 그 배열의 단위 패턴을 직사각형 또는 정삼각형으로 하여 이를 반복 형성한 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위 패턴이 정사각형이고 정사각형의 단위 패턴에서 변의 길이 방향으로의 구멍 간격이 1mm 내지 8mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위 패턴이 정삼각형이고 정삼각형의 단위 패턴에서 변의 길이 방향으로의 구멍 간격이 1mm 내지 8mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  6. 삭제
  7. 제1항에 따른 이차전지용 양극의 제조방법으로서,
    (1) 전극 집전체 상에, 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 도포하고 건조하여 전극 활물질층을 형성하는 단계, 및
    (2) 상기 전극 활물질층을 압연하는 단계를 포함하고,
    상기 단계(2) 후에, 또는 상기 단계(2)와 동시에, 상기 전극 집전체 및 상기 전극 활물질층을 두께 방향으로 관통하는 다수의 구멍을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압연 단계에서 롤러를 사용하여 가압하고, 이 롤러의 외주면에 천공수단이 형성된 것을 사용하여 가압함으로써 압연과 동시에 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극의 제조방법.
  9. 제1항에 따른 양극을 포함하는 이차전지.
  10. 삭제
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JP2015195144A (ja) * 2014-03-31 2015-11-05 積水化学工業株式会社 電極の製造方法、リチウムイオン二次電池の製造方法及びリチウムイオン二次電池

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