KR102265849B1

KR102265849B1 - 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체

Info

Publication number: KR102265849B1
Application number: KR1020180093108A
Authority: KR
Inventors: 김남원; 박필규; 송한갑; 윤덕중; 김대현; 정안수
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2021-06-16
Also published as: JP7047202B2; EP3595047A2; CN110495019A; US20210126249A1; EP3595047A4; CN110495019B; JP2020510977A; US11539044B2; KR20190020618A

Abstract

본 발명은 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 안정성을 향상시키기 위한 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극은 일 방향으로 연장 형성되는 집전체; 상기 집전체의 일면에 형성되고, 제1 경사부 및 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질층; 및 상기 집전체의 타면에 형성되고, 제2 경사부 및 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질층;을 포함하고, 상기 제2 돌출부는 상기 집전체를 중심으로 상기 제1 경사부와 대향되지 않는 위치에 형성된다.

Description

이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체{ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND ELECTRODE ASSEMBLY}

본 발명은 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 안정성을 향상시키기 위한 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 한 대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.

중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장 부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

이와 같은 이차 전지의 전극 조립체 제조 방법에는 여러 가지가 있다. 이 중 가장 일반적으로 사용되는 기술은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 함께 권취해 젤리-롤(Jellyroll) 형태로 만드는 기술이다. 그러나, 이와 같은 젤리-롤 형태의 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극 조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극 조립체의 크랙 등과 같은 변형이 발생하게 된다. 이와 같은 전극 조립체의 변형으로, 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다.

KR

10-2015-0054702

A

본 발명은 집전체에 인가되는 압력을 완화하여 집전체의 변형을 방지하고, 전극 제조시 크랙이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있는 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극은, 일 방향으로 연장 형성되는 집전체; 상기 집전체의 일면에 형성되고, 제1 경사부 및 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질층; 및 상기 집전체의 타면에 형성되고, 제2 경사부 및 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질층;을 포함하고, 상기 제2 돌출부는 상기 집전체를 중심으로 상기 제1 경사부와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 상기 제2 활물질층 상의 위치가 제어된다.

상기 제2 돌출부는 상기 제2 경사부로부터 소정 간격 이격되어 형성될 수 있다.

상기 집전체의 일면에는 상기 제1 활물질층이 제공되지 않는 무지부가 형성될 수 있다.

상기 제1 경사부 및 제1 돌출부는 상기 제1 활물질층의 일측에 형성되고, 상기 제2 경사부 및 제2 돌출부는 상기 제1 활물질층의 일측과 동일한 방향의 상기 제2 활물질층의 일측에 형성될 수 있다.

상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층은 음극용 전극 활물질로 형성되거나, 양극용 전극 활물질로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법은, 일면에 제1 경사부 및 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질층이 형성된 집전체를 마련하는 과정; 상기 집전체를 일 방향으로 이송하는 과정; 및 상기 집전체의 타면에 제2 활물질을 도포하여 제2 경사부 및 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질층을 형성하는 과정;을 포함하고, 상기 제2 활물질층을 형성하는 과정에서, 상기 제2 돌출부는 상기 집전체를 중심으로 상기 제1 경사부와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 상기 제2 활물질층 상의 위치가 제어된다.

상기 제2 활물질층을 형성하는 과정에서, 상기 제2 돌출부는 상기 제2 경사부로부터 소정 간격 이격되도록 형성할 수 있다.

상기 제2 돌출부의 위치는 상기 제2 활물질층의 도포 압력을 조절하여 제어될 수 있다.

상기 제2 돌출부의 위치는 상기 집전체의 이송 속도를 조절하여 제어될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체는, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 권취된 전극 조립체로서, 상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는 전술한 어느 하나의 이차 전지용 전극을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체에 의하면, 집전체를 중심으로 제1 활물질층의 경사부와 대향되지 않는 위치로 제2 활물질층에 형성되는 돌출부의 위치를 제어함으로써, 집전체에 인가되는 압력을 완화하여 집전체의 변형을 방지하고, 전극 제조시 크랙이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면 전극의 두께가 급격하게 증가하지 않도록 집전체의 양면에 각각 형성되는 제1 활물질층 및 제2 활물질층의 형상을 제어하여, 균일한 두께의 이차 전지용 전극을 얻을 수 있으며, 제품 안정성, 경제성 및 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 이차 전지용 전극의 모습을 나타내는 도면.
도 2는 일반적인 이차 전지용 전극에서 집전체에 압력이 인가되는 모습을 나타내는 도면.
도 3은 일반적인 이차 전지용 전극에서 집전체에 크랙이 발생하는 위치를 나타내는 도면.
도 4는 일반적인 이차 전지용 전극에서 집전체의 소성 변형률을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 모습을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 모습을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극에서 집전체에 압력이 인가되는 모습을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극에서 집전체의 소성 변형률을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

이와 같은 이차 전지의 전극 조립체 제조 방법에는 여러 가지가 있다. 이 중 가장 일반적으로 사용되는 기술은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 함께 권취해 젤리-롤(Jellyroll) 형태로 만드는 기술이다. 여기서, 이차 전지의 전극 조립체에 포함되는 양극 및 음극 등의 전극은 집전체에 전극 활물질층을 형성하는 공정을 포함한다. 이와 같은 전극 활물질층을 형성하는 공정은 전극 활물질 입자들이 바인더 용액 중에 분사된 활물질 슬러리를 집전체에 도포하는 과정과, 집전체에 도포된 활물질 슬러리를 건조시켜 활물질 슬러리 중에 존재하는 용액과 수분을 제거함으로써 집전체에 전극 활물질층을 형성하는 과정을 포함한다.

활물질 슬러리는 물리적인 특성상 높은 점성 계수를 갖는다. 따라서, 집전체 상에 전극 활물질층을 형성함에 있어서는 드레그 영역으로 정의되어 도포 영역의 선단부에 첨예하게 생성되는 경사부가 형성되고, 발코니 영역으로 정의되어 경사부로부터 일정 간격 이격된 위치에 볼록하게 생성되는 돌출부가 형성되게 된다.

도 1은 일반적인 이차 전지용 전극의 모습을 나타내는 도면이고, 도 2는 일반적인 이차 전지용 전극에서 집전체에 압력이 인가되는 모습을 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은 일반적인 이차 전지용 전극에서 집전체에 크랙이 발생하는 위치를 나타내는 도면이고, 도 4는 일반적인 이차 전지용 전극에서 집전체의 소성 변형률을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 일반적인 이차 전지용 전극의 경우 일 방향으로 연장 형성되는 집전체(100)의 일면에는 제1 경사부(210) 및 제1 돌출부(220)를 포함하는 제1 활물질층(200)이 형성된다. 또한, 집전체(100)의 타면에는 제2 경사부(310) 및 제2 돌출부(320)를 포함하는 제2 활물질층(300)이 형성된다. 여기서, 경사부는 전술한 바와 같이 도포 영역의 선단부에 첨예하게 생성되는 드레그 영역을 의미하며, 돌출부는 경사부로부터 일정 간격 위치에 볼록하게 생성되는 발코니 영역을 의미한다.

젤리-롤 타입의 전극 조립체를 가지는 전지는 권취에 따른 안정성을 확보하기 위하여 집전체(100)의 일면에 제1 활물질층(200)이 제공되지 않는 무지부(N)를 형성한다. 그러나, 이와 같이 집전체(100)의 일면에 제1 활물질층(200)이 제공되지 않는 무지부(N)를 형성하고 집전체(100)의 타면에 제2 활물질층(300)을 형성하는 경우 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 영역에는 제2 활물질층(300)의 제2 돌출부(320)가 위치하게 된다.

이와 같이, 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 영역에 제2 활물질층(300)의 제2 돌출부(320)가 위치하게 되면, 제2 활물질층(300)의 제2 돌출부(320)가 위치하는 영역의 전극 두께가 급격하게 두꺼워지게 되고, 이에 해당 영역에는 국부적으로 압연율이 증가하게 되어 집전체(100)의 변형이 발생하게 된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 활물질층(200)과 제2 활물질층(300) 사이에서 집전체(100)는 대략 16.7㎛의 두께를 유지하고 있으나, 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되어 제2 활물질층(300)의 제2 돌출부(320)가 위치하는 영역에는 집전체(100)는 대략 12.8㎛의 두께로 변형이 발생된 것을 알 수 있다.

또한, 일반적으로 집전체(100)의 일면에 제1 활물질층(200)이 제공되지 않는 무지부(N)는 집전체(100)의 연장 방향을 따라서 집전체(100)의 단부로부터 일정 길이로 형성(도 2 내지 도 4에서는 무지부가 13mm의 길이로 형성)된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 전극 길이, 즉 집전체의 단부로부터의 길이가 0mm인 지점부터 제1 활물질층(200)과 집전체(100)를 포함한 전극 두께는 계속적으로 증가하다가, 무지부를 지나 제2 활물질층(300)의 제2 돌출부(320)가 위치하는 영역에서는 제1 경사부(210)로 시작되는 제1 활물질층(200)이 형성된다. 따라서, 무지부(N)와 제2 활물질층(300)의 경계를 포함하는 전극 길이가 약 15 내지 20mm인 지점에서는 제1 활물질층(200)과 집전체(100) 및 제2 활물질층(300)을 포함한 전극 두께는 급격하게 증가하게 된다.

이와 같은 전극 두께의 증가로 인하여, 집전체(100)의 단부로부터 약 15 내지 20mm인 지점, 즉 무지부(N)와 제2 활물질층(300)의 경계를 포함하는 일정 영역에서는 국부적으로 압연율이 증가하게 된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 집전체의 단부로부터 15 내지 20mm의 길이에서의 집전체(100)에는 국부적인 압연율의 증가에 의하여 집전체(100)의 소성 변형률(PEEQ)의 피크 값이 약 0.06 이상의 값을 가질 정도로 급격하게 증가하게 되고, 이에 의하여 집전체(100)에 변형이 발생하고, 권취시에 크랙 즉, 단선이 발생하는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명에 따른 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체는 집전체(100)에 인가되는 압력을 완화하여 집전체(100)의 변형을 방지하고, 전극 제조 과정에서 전극 권취시 크랙이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 모습을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 모습을 나타내는 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극은 일 방향으로 연장 형성되는 집전체(100); 상기 집전체(100)의 일면에 형성되고, 제1 경사부(210) 및 제1 돌출부(220)를 포함하는 제1 활물질층(200); 및 상기 집전체(100)의 타면에 형성되고, 제2 경사부(310) 및 제2 돌출부(320)를 포함하는 제2 활물질층(300);을 포함하고, 상기 제2 돌출부(320)는 상기 집전체(100)를 중심으로 상기 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 상기 제2 활물질층(300) 상의 위치가 제어된다.

여기서, 제1 경사부(210) 및 제1 돌출부(220)는 제1 활물질층(200)의 일측에 형성되고, 제2 경사부(310) 및 제2 돌출부(320)은 제1 활물질층(200)의 일측과 동일한 방향으로 위치하는 제2 활물질층(300)의 일측에 형성된다. 즉, 도 5 및 도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이 제1 경사부(210) 및 제1 돌출부(220)는 제1 활물질층(200)의 좌측에 형성될 수 있으며, 제2 경사부(310) 및 제2 돌출부(320)은 이와 동일한 방향인 제2 활물질층(300)의 좌측에 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 가지는 전지는 권취에 따른 안정성을 확보하기 위하여 집전체(100)의 일면에 제1 활물질층(200)이 제공되지 않는 무지부(N)를 형성한다. 그러나, 이와 같이 집전체(100)의 일면에 제1 활물질층(200)이 제공되지 않는 무지부(N)를 형성하고 집전체(100)의 타면에 제2 활물질층(300)을 형성하는 경우 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)와 대향되는 영역에는 제2 활물질층(300)의 제2 돌출부(320)가 위치하게 되어 국부적인 압연율 증가 및 크랙이 발생하는 문제가 있었다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극은 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)가 집전체(100)를 중심으로 제1 활물질층(200)에 형성되는 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 제2 활물질층(300) 상에서의 위치가 제어된다.

여기서, 무지부(N)는 집전체(100)의 연장 방향을 따라 10 내지 20mm의 길이를 가지도록 형성될 수 있으며, 제1 경사부(210)는 제1 활물질층(200)의 단부에 첨예한 형상으로 형성되는 드레그 영역을 의미하며, 제2 경사부(310)는 제2 활물질층(300)의 단부에 첨예한 형상으로 형성되는 드레그 영역을 의미한다.

본 발명의 실시 예와 같이, 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)를 집전체(100)를 중심으로 제1 활물질층(200)에 포함되는 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성하는 경우, 제1 활물질층(200)의 단부 즉 제1 경사부(210)에서는 전극 두께가 급격하게 변화하지 않게 된다. 즉, 제1 경사부(210) 및 제2 돌출부(320)에 의하여 전극 두께가 급격하게 변화되는 문제점에 대하여, 제2 돌출부(320)를 제1 경사부(210)와 대향하지 않는 위치에 형성함으로써, 제1 경사부(210)의 영역에는 제1 경사부(210)에 의하여만 전극 두께가 변화하게 되어 전극 두께의 급격한 변화를 방지할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극의 모습을 나타낸 도면으로, 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)는 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 단부측(도면상에서 왼쪽)으로 이동하여 형성된다. 따라서, 제1 경사부(210)에 대향되는 영역에서 전극 두께가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인하여 제1 경사부(210) 및 제2 돌출부(320)에 의하여 국부적 압연율이 급격하게 증가하는 것을 방지하여 전극 권취시 집전체(100)의 변형 및 크랙을 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지용 전극의 모습을 나타낸 도면으로, 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)는 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 단부의 반대측(도면상에서 오른쪽)으로 이동하여 형성된다. 즉, 제2 돌출부(320)는 제2 경사부(310))로부터 소정 간격 이격되어 형성된다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 제1 경사부(210)에 대향되는 영역에서 전극 두께가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인하여 제1 경사부(210) 및 제2 돌출부(320)에 의하여 국부적 압연율이 급격하게 증가하는 것을 방지하여 집전체(100)의 변형 및 크랙을 미연에 방지하는 효과를 가지는 것은 전술한 바와 동일하다. 여기서, 제2 활물질층 상에서 제2 돌출부(320)의 위치를 이동시키는 구성은 이하의 이차 전지용 전극의 제조 방법과 관련하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법은, 일면에 제1 경사부(210) 및 제1 돌출부(220)를 포함하는 제1 활물질층(200)이 형성된 집전체(100)를 마련하는 과정; 상기 집전체(100)를 일 방향으로 이송하는 과정; 및 상기 집전체(100)의 타면에 제2 활물질을 도포하여 제2 경사부(310) 및 제2 돌출부(320)를 포함하는 제2 활물질층(300)을 형성하는 과정;을 포함하고, 상기 제2 활물질층(300)을 형성하는 과정에서, 상기 제2 돌출부(320)는 상기 집전체(100)를 중심으로 상기 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 상기 제2 활물질층(300) 상의 위치가 제어된다.

활물질층을 형성하기 위한 코팅 장치는 롤(roll) 형태로 권취된 집전체(100)를 권출하여 일 방향으로 연속적으로 공급하는 공급 롤과, 상기 일 방향으로 연속적으로 이동 중인 집전체(100)에 외부의 활물질 슬러리 공급원으로부터 공급된 활물질 슬러리를 도포하는 코팅 다이와, 집전체(100)에 코팅된 활물질 슬러리를 건조시켜 집전체(100)에 활물질층을 형성하는 건조기와, 활물질층이 형성된 집전체(100)를 권취하여 롤 상태로 회수하는 회수롤을 포함한다.

먼저, 일면에 제1 경사부(210) 및 제1 돌출부(220)를 포함하는 제1 활물질층(200)이 형성된 집전체(100)를 마련하는 과정은 전술한 코팅 장치에 의하여 이루어지며, 집전체(100)의 일면에 활물질 슬러리를 도포하고, 건조시켜 제1 활물질층(200)을 형성하게 된다. 여기서, 제1 활물질층(200)은 집전체(100)의 단부로부터 10 내지 20mm의 길이만큼 이격된 위치로부터 형성되어 집전체(100)의 일면에 무지부(N)를 형성할 수 있으며, 제1 활물질층(200)의 단부에는 제1 경사부(210)가 형성되고, 상기 제1 경사부(210)로부터 일정 간격 이격된 위치에는 제1 돌출부(220)가 형성되게 된다.

이와 같은 과정에 의하여 집전체(100)의 일면에 제1 활물질층(200)을 형성하고 난 후, 전술한 코팅 장치에 의하여 집전체(100)의 타면에 제2 활물질층(300)을 형성하게 된다. 이는, 집전체(100)를 일 방향으로 이송하는 과정; 및 집전체(100)의 타면에 제2 활물질, 즉 제2 활물질 슬러리를 도포하여 제2 경사부(310) 및 제2 돌출부(320)를 포함하는 제2 활물질층(300)을 형성하는 과정;을 포함하게 된다. 여기서, 집전체(100)를 일 방향으로 이송하는 과정 및 집전체(100)의 타면에 제2 활물질층(300)을 형성하는 과정은 전술한 코팅 장치에 의하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법은 제2 활물질층(300)을 형성하는 과정에서, 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)가 집전체(100)를 중심으로 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 제어된다.

이와 같은 제2 돌출부(320)의 위치 제어는 제2 활물질층(300)의 도포 압력을 조절하여 이루어질 수 있다. 즉, 집전체(100)의 타면에 제2 활물질층(300)을 형성함에 있어서, 제2 활물질 슬러리를 공급하는 코팅 다이의 도포 압력을 변화시켜 제2 돌출부(320)의 위치를 제어할 수 있다.

여기서, 제2 활물질 슬러리를 공급하는 코팅 다이의 도포 압력을 증가시키는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)는 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 단부측(도면상에서 왼쪽)으로 이동하여 형성된다. 또한, 제2 활물질 슬러리를 공급하는 코팅 다이의 도포 압력을 감소시키는 경우 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)는 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 단부의 반대측(도면상에서 오른쪽)으로 이동하여 형성된다. 뿐만 아니라, 제2 활물질 슬러리를 공급하는 코팅 다이의 도포 압력을 국부적으로 변화시켜 제2 돌출부(320)의 위치를 조절할 수도 있음은 물론이다. 즉, 제2 활물질 슬러리를 공급함에 있어서, 제1 경사부(210)의 위치 상에서 코팅 다이의 도포 압력을 낮추어 제2 돌출부(320)가 집전체(100)를 중심으로 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 제어할 수 있다.

이와 같이, 코팅 다이의 도포 압력을 조절하는 것은 제2 활물질 슬러리를 공급하기 위한 밸브를 제어하여 이루어질 수 있다. 즉, 코팅 다이는 제2 활물질 슬러리를 수용하는 수용부, 상기 수용부로부터 제2 활물질 슬러리를 토출하는 노즐 및 상기 수용부 내의 압력을 조절하기 위한 밸브를 포함할 수 있다. 여기서, 밸브는 예를 들어 수용부 내에 승강 가능하게 설치되어 수용부에 수용된 제2 활물질 슬러리를 가압하기 위한 로드(rod)로 구성될 수 있다. 이때, 밸브는 모터에 의하여 구동될 수 있다. 이와 같이 밸브를 구동하기 위한 모터는 전기적 신호에 의하여 동작하는 전기 모터를 사용할 수도 있으나, 수용부 내의 압력을 미세하게 조절하기 위하여 보이스 코일 모터(VCM: Voice Coil Motor)를 사용하는 것이 바람직하다. 보이스 코일 모터는 균일한 자장 중에서 코일이 작동하여 위치에 의한 힘의 변동이 없고 수 마이크로미터 이하의 미세한 작업에 사용되는 모터로, 응답 속도가 매우 빨라 제2 활물질 슬러리를 공급하기 위한 코팅 다이의 도포 압력을 미세하게 조절할 수 있게 된다.

또한, 제2 돌출부(320)의 위치 제어는 제2 활물질층(300)의 도포시 집전체(100)의 이송 속도를 조절하여 이루어질 수 있다. 즉, 집전체(100)의 타면에 제2 활물질층(300)을 형성함에 있어서, 집전체(100)를 일 방향으로 이송하는 공급 롤 및 권취 롤의 회전 속도를 변화시켜 집전체(100)의 이송 속도를 조절함으로써 제2 돌출부(320)의 위치를 제어할 수 있다.

여기서, 제2 활물질층(300)을 형성함에 있어서, 집전체(100)의 이송 속도를 감소시키는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)는 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 단부측(도면상에서 왼쪽)으로 이동하여 형성된다. 또한, 제2 활물질층(300)을 형성함에 있어서, 집전체(100)의 이송 송도를 증가시키는 경우 제2 활물질층(300)에 포함되는 제2 돌출부(320)는 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 단부의 반대측(도면상에서 오른쪽)으로 이동하여 형성된다. 뿐만 아니라, 집전체(100)의 이송 속도를 국부적으로 변화시켜 제2 돌출부(320)의 위치를 조절할 수도 있음은 물론이다. 즉, 집전체(100)를 이송함에 있어서, 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에서 집전체(100)의 이송 속도를 증가시켜 제2 돌출부(320)가 집전체(100)를 중심으로 제1 경사부(210)와 대향되지 않는 위치에 형성되도록 제어할 수 있다.

전술한 본 발명의 실시 예에 따른 전극은 젤리-롤 형태의 전극 조립체에 사용될 수 있다. 즉, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 권취된 전극 조립체로서, 양극 및 음극 중 적어도 하나가 전술한 이차 전지용 전극일 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극에서 집전체에 압력이 인가되는 모습을 나타내는 도면이다. 여기서, 도 7(a)는 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하는 경우에 집전체(100)에 압력이 인가되는 모습을 나타내며, 도 7(b)는 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하지 않는 경우에 집전체(100)에 압력이 인가되는 모습을 나타낸다.

여기서, 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)는 대략 8mm의 폭과 8㎛의 높이를 가지도록 형성되었으며, 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)는 집전체(100)로부터 20㎛의 두께를 가지도록 형성되었다.

도 7 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하는 경우 제1 활물질층(200)과 제2 활물질층(300) 사이에서 집전체(100)는 대략 13.2㎛의 두께를 가진다. 그러나, 도 7(b)에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극의 경우 집전체(100)는 대략 17.5㎛의 두께를 가져, 집전체(100)에 가해지는 압력이 감소하게 되고, 이로 인해 발생하는 국부적인 압연율이 효과적으로 저하됨을 알 수 있다.

이와 같은 집전체(100)의 두께 변화에 따른 집전체의 소성 변형률은 도 8에 도시된다. 도 8에서 점선으로 표시된 부분은 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하는 경우에 집전체(100)의 소성 변형률(PEEQ)을 나타내며, 도 8에서 실선으로 표시된 부분은 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하지 않는 경우에 집전체(100)의 소성 변형률(PEEQ)을 나타낸다.

도 8에서 점선으로 도시된 바와 같이, 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하는 경우, 집전체(100)의 단부로부터 10 내지 20mm의 길이에서의 집전체(100)에는 국부적인 압연율의 증가에 의하여 집전체(100)의 소성 변형률(PEEQ)의 피크 값이 약 0.06 이상의 값을 가질 정도로 급격하게 증가하게 됨을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따라 도 8에서 실선으로 도시된 바와 같이 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부가 위치하지 않는 경우 소성 변형률(PEEQ)의 피크 값이 대략 최대 0.03으로 약 50% 감소하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 집전체(100)의 변형은 방지될 수 있으며, 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하는 경우 전극 권취에 의하여 제조된 6,763K(K=1,000) 개의 이차 전지용 전극에 대해 104K 개의 이차 전지용 전극에 크랙이 발생하여 약 1.54%의 불량률을 가지는 반면, 본 발명의 실시 예와 같이 제1 활물질층(200)의 제1 경사부(210)에 대향되는 위치에 제2 활물질층(300)의 돌출부(320)가 위치하지 않는 경우 제조된 5,910K(K=1,000) 개의 이차 전지용 전극에 대해 전혀 크랙이 발생하지 않아 0%의 불량률로 이차 전지용 전극을 제조할 수 있게 되어 전극 제조시 크랙이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 전극 조립체에 의하면, 집전체(100)를 중심으로 제1 활물질층(200)의 경사부와 대향되지 않는 위치로 제2 활물질층(300)에 형성되는 돌출부의 위치를 제어함으로써, 집전체(100)에 인가되는 압력을 완화하여 집전체(100)의 변형을 방지하고, 전극 제조시 크랙이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면 전극의 두께가 급격하게 증가하지 않도록 집전체(100)의 양면에 각각 형성되는 제1 활물질층(200) 및 제2 활물질층(300)의 형상을 제어하여, 균일한 두께의 이차 전지용 전극을 얻을 수 있으며, 제품 안정성, 경제성 및 수율을 향상시킬 수 있다.

상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

100: 집전체 200: 제1 활물질층
210: 제1 경사부 220: 제1 돌출부
300: 제2 활물질층 310: 제2 경사부
320: 제2 돌출부

Claims

일 방향으로 연장 형성되는 집전체;
상기 집전체의 일면에 형성되고, 상기 집전체의 단부로부터 소정 간격 이격되어 마련되는 제1 경사부 및 상기 제1 경사부와 이격 배치되어 마련되는 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질층; 및
상기 집전체의 타면에 형성되고, 상기 제1 경사부보다 상기 집전체의 단부에 가깝게 마련되는 제2 경사부 및 상기 제2 경사부와 이격 배치되어 마련되는 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질층;을 포함하고,
상기 제2 돌출부는 상기 제1 경사부와 대향되는 위치로부터, 상기 제1 경사부에서 상기 제1 돌출부를 향하는 방향 또는 상기 제1 경사부에서 상기 제1 돌출부를 향하는 방향의 반대 방향으로 이격되어 형성되도록 상기 제2 활물질층 상의 위치가 제어되는 이차 전지용 전극.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 집전체의 일면에는 상기 제1 활물질층이 제공되지 않는 무지부가 형성되는 이차 전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 경사부 및 제1 돌출부는 상기 제1 활물질층의 일측에 형성되고,
상기 제2 경사부 및 제2 돌출부는 상기 제1 활물질층의 일측과 동일한 방향으로 위치하는 상기 제2 활물질층의 일측에 형성되는 이차 전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층은 음극용 전극 활물질로 형성되거나, 양극용 전극 활물질로 형성되는 이차 전지용 전극.
일면에, 단부로부터 소정 간격 이격되어 마련되는 제1 경사부 및 상기 제1 경사부와 이격 배치되어 마련되는 제1 돌출부를 포함하는 제1 활물질층이 형성된 집전체를 마련하는 과정;
상기 집전체를 일 방향으로 이송하는 과정; 및
상기 집전체의 타면에 제2 활물질을 도포하여 상기 제1 경사부보다 상기 집전체의 단부에 가깝게 마련되는 제2 경사부 및 상기 제2 경사부와 이격 배치되어 마련되는 제2 돌출부를 포함하는 제2 활물질층을 형성하는 과정;을 포함하고,
상기 제2 활물질층을 형성하는 과정에서,
상기 제2 돌출부는 상기 제1 경사부와 대향되는 위치로부터, 상기 제1 경사부에서 상기 제1 돌출부를 향하는 방향 또는 상기 제1 경사부에서 상기 제1 돌출부를 향하는 방향의 반대 방향으로 이격되어 형성되도록 상기 제2 활물질층 상의 위치가 제어되는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
삭제
청구항 6에 있어서,
상기 집전체의 일면에는 상기 제1 활물질층이 제공되지 않는 무지부가 형성되는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 돌출부의 위치는 상기 제2 활물질층의 도포 압력을 조절하여 제어되는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 돌출부의 위치는 상기 집전체의 이송 속도를 조절하여 제어되는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 권취된 전극 조립체로서,
상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 하나의 이차 전지용 전극을 포함하는 전극 조립체.