KR102287988B1 - 레이저로 표면처리된 리튬 이차전지용 전극의 제조기술과 이를 이용한 리튬 이차전지 - Google Patents

Abstract

전극의 표면처리를 위한 레이저 가공장치를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면처리를 위한 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면으로 전달하는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치를 제공한다.

Description

레이저로 표면처리된 리튬 이차전지용 전극의 제조기술과 이를 이용한 리튬 이차전지{Manufacturing Technology of Lithium Secondary Battery Electrode Treated by Laser and Lithium Secondary Battery Using the Same}

본 실시예는 레이저로 표면처리된 리튬 이차전지용 전극의 제조기술과 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

이차전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하기도 하고, 방전되었을 때 외부의 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있는 전지로서, 일반적으로 축전지라고 부른다.

이러한 이차전지에는 납 축전지, 니켈-카드뮴 이차전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 납 축전지는 전압이 높지만 부피가 크고 무거워 자동차용으로 사용되며, 니켈-카드뮴 이차전지는 건전지의 대용으로 사용하며, 리튬 이차전지는 매우 가벼워 카메라, 휴대폰 등의 전원으로 사용된다. 최근 급증하고 있는 스마트폰 및 태블릿 PC와 같은 개인 휴대 단말장치의 보급에 의해 이차전지 중 리튬 이차전지가 널리 사용되고 있다.

이와 같은 리튬 이차전지는 다음과 같은 공정으로 제조된다. 리튬과 반응할 전극 활물질인 실리콘, 전극의 전기 전도성을 향상시킬 탄소(Carbon), 파우더의 접착력을 향상시킬 바인더 및 솔벤트가 슬러리 형태로 믹싱되고, 믹싱된 물질이 슬러리 코팅된 후 진공건조 과정을 거치며 이차전지로 제조된다. 이후, 전극으로 리튬이온이 삽입/탈리되며 리튬 이차전지가 구동된다.

일반적으로 리튬 이차전지는 충·방전 과정에서 리튬 이온이 삽입되면 실리콘의 크기는 커지고, 리튬이온이 방출되면 다시 실리콘의 크기는 작아진다. 이러한 과정이 반복(전극의 사용이 지속)되며 실리콘에는 크랙이 발생하게 된다.

그러나 이와 같은 종래의 리튬 이차전지는 다음과 같은 문제가 발생한다. 각 성분을 용해시킬 솔벤트로서 통상적으로는 정제수(Di Water)가 사용되는데, 실리콘은 친수성 물질에 해당한다. 솔벤트는 진공건조과정에서 휘발되며 전극 내부에서 표면으로 빠져나가게 되는데, 실리콘이 솔벤트인 정제수를 따라 함께 전극의 표면으로 이동하며 전극의 표면에서 실리콘 성분들끼리 뭉쳐 빽빽하게 배치되는 현상이 발생하게 된다. 전술한 대로, 리튬이온의 삽입과 방출이 진행되며 실리콘의 크기의 변화로 실리콘에 응력이 발생하게 되는데, 실리콘이 표면에 뭉친 채 빽빽하게 존재하기 때문에 실리콘 상호간에 더욱 큰 응력이 발생하여 실리콘의 크랙 발생을 촉진시켜 전지의 수명이 단축되는 문제가 존재한다.

본 발명의 일 실시예는, 전극의 표면으로 레이저로 표면처리하여 표면에 응집된 실리콘을 분산시키는 레이저 가공장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면처리를 위한 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면으로 전달하는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치를 제공한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 상기 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면 상에서 조사되는 레이저 광의 포커싱 위치를 기 설정된 범위 내에서 조정 가능한 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 실리콘 전극은 실리콘, 탄소, 바인더 및 솔벤트가 믹싱되어 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 실리콘은 제조과정에서 솔벤트가 휘발되며 솔벤트와 함께 상기 실리콘 전극의 표면으로 이동하여 상기 실리콘 전극의 표면에서 밀집되는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 레이저 광을 상기 실리콘 전극의 표면으로 전달함으로써, 밀집된 실리콘을 분산시키는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 전술한 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극를 제공한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 전술한 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 전극의 표면으로 레이저로 표면처리하여 표면에 응집된 실리콘을 분산시킴으로써, 전극의 수명을 늘릴 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 표면을 도시한 도면이다.
도 3 및 4는 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 율속 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 내부 저항 값을 도시한 그래프이다.
도 7은 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 표면의 형태를 도시한 도면이다.
도 8은 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극에서 전해액이 분산되는 정도를 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치(100)는 광원(110) 및 광학계(120 내지 160)를 포함한다.

광원(110)은 대상물인 전극(180)으로 조사될 레이저 광을 조사한다. 배경이 되는 기술에서 전술한 대로, 전극(180)은 실리콘, 탄소(Carbon), 바인더 및 솔벤트를 원재료로 제조되어 표면에 리튬이온으로 표면처리가 수행된다. 광원(110)은 전극의 표면에 형성된 실리콘 덩어리들을 분해하여 분산시키기 위한 레이저를 조사한다. 광원(110)은 실리콘 덩어리들의 분해를 위한 레이저 광을 조사하기 위해 532nm 파장대역의 Nd:YAG 펄스 레이저 광원으로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

광학계(120 내지 160)는 광원(110)으로부터 조사된 레이저 광이 전극(180)으로 조사될 수 있도록 하며, 전극으로 조사되는 레이저 광의 포커싱 위치를 가변한다.

반파장판(120, Half Wave Plate)은 광원(110)으로부터 조사되는 레이저 광을 최초로 입사받아, 레이저 광의 에너지를 감소시킨다. 너무 강한 에너지를 갖는 레이저 광이 직접 전극(180)으로 조사될 경우, 조사광이 전극(180)의 표면뿐만 아니라 전극의 내부에도 영향을 미칠 수 있어 광원(110)으로부터 조사되는 레이저 광의 에너지를 감소시킨다.

편광 빔 스플리터(130, Plate Beam Splitter)은 반파장판(120)을 거친 레이저 광을 편광 방향에 따라 분리한다.

편광 빔 스플리터(130)를 거친 레이저 광은 제1 내지 제4 미러(140a 내지 140d)를 거치며 윈도우(160)로 입사된다. 이때, 제2 미러(140b) 및 제3 미러(140c)는 XY 스테이지 컨트롤러(150, XY Stage Controller)에 의해 입사되는 레이저 광을 반사시키는 방향을 변화시킴으로써, 최종적으로 광학계(120 내지 160)를 거쳐 전극으로(180)로 조사될 레이저 광의 포커싱 위치를 가변할 수 있다. 도 1에는 XY 스테이지 컨트롤러(150)가 제2 미러(140b) 및 제3 미러(140c)를 제어하는 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 광학계 내 존재하는 다른 미러를 제어할 수도 있다.

제4 미러(140d)로부터 반사된 레이저 광은 윈도우(160)로 입사된다. 윈도우(160)는 레이저 광은 통과시키되, 광 이외에 레이저 광의 경로에 영향을 미칠 수 있는 이물질의 유출·입을 방지한다.

윈도우(160)를 거친 레이저 광은 볼록렌즈(170)로 입사되고, 볼록렌즈(170)에 의해 포커싱된다. 볼록 렌즈는 평 볼록렌즈(Plano-convex Lens)로 구현될 수 있다.

제5 미러(140e)는 볼록렌즈(170)를 거치며 포커싱된 레이저 광을 전극(180)으로 반사시킨다.

전극(180)으로 조사되는 레이저 광은 반파장판(120)과 편광 빔 스플리터(130)를 거치며 에너지가 충분히 낮아진 상태를 갖기 때문에, 전극(180)의 표면으로만 조사된다. 레이저 광은 전극의 표면에 응집되어 있는 실리콘 덩어리들로 조사되어, 이러한 실리콘 덩어리들을 분해하여 분산시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치(100)는 볼록렌즈(170)를 포함하여 전극(180)으로 레이저 광이 포커싱되어 조사되는 것만을 고려하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 볼록렌즈(170)가 포함되지 않아 레이저 광이 전극(180)으로 포커싱되지 않은 채 조사되거나, 오히려 광을 분산시키기 위한 구성(미도시)이 포함되어 레이저 광이 전극(180)으로 분산(Divergence)된 채로 조사될 수 있다. 레이저 광이 전극으로 조사될 경우, 전극 내 실리콘의 일부는 레이저 광에 의해 깎이거나, 녹아 서로 달라붙어 엉긴다. 전극 내 실리콘과 카본 중 일부는 모재로부터 떨어져 나가 파티클 형태로 박리되는 형태로 존재한다. 종래에 전극의 표면에 빽빽하게 존재하던 실리콘 입자가 레이저 광에 의해 깎이거나 서로 달라붙어 엉기는 한편 일부가 박리됨으로써, 다양한 효과들이 발생한다. 각 효과들은 도 2 내지 7로부터 확인할 수 있다.

또한, 전극의 표면 변화는 반드시 레이저 광이 포커싱된 채로 전극으로 조사되지 않더라도 발생하기 때문에, 전술한 바와 같이 레이저 광이 포커싱되지 않거나 분산되어 조사되더라도 무방하다. 레이저 광이 포커싱되지 않았거나 분산된 채 전극(180)으로 조사될 경우, 일시에 표면처리되는 면적이 증가하기에 전극의 표면처리 속도가 향상되어 생산성이 증가할 수 있다.

도 2는 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 표면을 도시한 도면이다.

도 2(a)는 종래의 전극 표면을 도시한 도면이다. 종래의 전극 표면을 보면 표면의 전 부분에서 모두 실리콘이 응집되어 빽빽하게 배치되고 있는 것만이 관찰되는 것을 확인할 수 있다.

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 표면을 도시한 도 2(b)를 보면, 실리콘이 응집되어 있지 않고 분해되어 분산되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 실리콘뿐만 아니라 카본(210)도 확인되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 전극(180)은 표면으로의 레이저 조사에 의해 전극의 표면에 응집되어 빽빽하게 배치된 실리콘 덩어리들이 분해되어 분산됨을 확인할 수 있다.

이는 도 3 및 4에서도 확인할 수 있다.

도 3 및 4는 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 단면을 도시한 도면이다.

도 3은 전극의 단면을 도시한 도면이고, 도 4는 전극 중 표면 부분을 확대한 도면이다.

도 3(a) 및 도 4(a)를 참조하면, 전극의 표면(310)에 실리콘 성분이 응집되어 배치된 것을 확인할 수 있으나, 도 3(b) 및 도 4(b)를 참조하면, 전극의 표면(310)에 응집되어 있던 실리콘 성분이 분해되어 분산되어 있음을 확인할 수 있다.

도 5는 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 율속 특성을 도시한 그래프이다.

도 5(a)를 참조하면, 종래의 실리콘 전극(Si)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극(Structured Si)의 율속 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 전극 표면의 실리콘 밀도가 낮아지면서 이온 이동성과 전해질의 함침성이 개선되었기 때문이다.

도 5(b)를 참조하면, 낮은 율속에서도 사이클의 안정성이 종래의 실리콘 전극에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극이 우수한 것을 확인할 수 있으며, 도 5(c)를 참조하면, 높은 율속에서도 사이클의 안정성이 종래에 비해 우수해진 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극에서 충·방전시 발생하는 부피변화로부터 전극 표면에 기계적인 스트레스(Mechanical Stress)가 집중되는 정도가 감소하기 때문이다.

도 6은 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 내부 저항 값을 도시한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 종래의 실리콘 전극(Si)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극(Structured Si)의 내부저항 역시 감소한 것을 확인할 수 있다.

도 7은 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 표면의 형태를 도시한 도면이다.

도 7(a)를 참조하면, 전술한 대로, 종래의 전극 표면은 실리콘이 응집되어 빽빽하게 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 7(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극의 표면은 레이저에 의해 실리콘이 분해된 후 분산됨에 따라, 응집된 부분이 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다.

도 8은 종래의 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극에서 전해액이 분산되는 정도를 도시한 도면이다.

도 8(a)는 종래의 전극에 전해액을 떨어뜨린 후 분산되는 정도를 도시한 도면이다. 전해액이 전극에 떨어진 후 온전히 분산되어야 젖음성(Wettability)이 우수하다. 종래의 전극은 접촉각(Contact Angle)이 18.90°이며, 전해액이 5°퍼지는데까지 소모되는 시간(젖음성, s/5°)이 14.1초인 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극에서는 컨택 앵글이 11.90°이었으며, 전해액이 5°퍼지는데까지 소모되는 시간(젖음성, s/5°)이 0.3초에 불과했다. 이를 고려하건대, 레이저 가공장치에 의해 표면처리가 됨으로써, 전극의 젖음성이 현저히 우수해진 것을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 레이저 가공장치
110: 광원
120: 반파장판
130: 편광 빔 스플리터
140: 미러
150: XY 스테이지 컨트롤러
160: 윈도우
170: 볼록렌즈
180: 전극
210: 카본
310: 전극 표면

Claims (7)

1. 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면에서 실리콘이 솔벤트를 따라 함께 전극의 표면으로 이동하며 전극의 표면에서 실리콘 성분끼리 응집되는 현상을 해소하고자, 실리콘 전극의 표면처리를 수행하는 레이저 가공장치에 있어서,
   레이저 광을 조사하는 광원; 및
   상기 광원에서 조사된 레이저 광을 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면으로 전달하는 광학계를 포함하며,
   상기 광학계는,
   상기 광원에서 조사된 레이저 광의 에너지를 감소시켜 전극의 내부에 영향을 미치지 않게 하기 위해, 레이저 광을 입사받아 레이저 광의 편광 방향을 직각으로 회전시키는 반파장판;
   레이저 광의 에너지를 낮추기 위해, 상기 반파장판을 거친 레이저 광을 편광 방향에 따라 분리하는 편광 빔 스플리터;
   상기 편광 빔 스플리터를 거친 레이저 광이 상기 실리콘 전극으로 조사되도록 포커싱 위치를 가변시키는 적어도 하나 이상의 미러;
   상기 복수의 미러로부터 반사된 레이저광이 통과되고, 이물질의 유출입을 방지하는 윈도우; 및
   상기 윈도우를 거친 레이저 광을 상기 실리콘 전극으로 반사시키는 제5 미러를 포함하며,
   전극으로 조사되는 레이저 광은 상기 반파장판과 상기 편광 빔 스플리터를 거쳐 전극의 표면에만 조사되고,
   표면 처리된 전극은 그렇지 않은 전극에 비해 충·방전시 발생하는 부피변화로부터 전극 표면에 기계적인 스트레스(Mechanical Stress)가 집중되는 정도가 감소하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광학계는,
   상기 리튬이온이 삽입된 실리콘 전극의 표면 상에서 조사되는 레이저 광의 포커싱 위치를 기 설정된 범위 내에서 조정 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘 전극은,
   실리콘, 탄소, 바인더 및 솔벤트가 믹싱되어 제조되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 실리콘은,
   제조과정에서 솔벤트가 휘발되며 솔벤트와 함께 상기 실리콘 전극의 표면으로 이동하여 상기 실리콘 전극의 표면에서 밀집되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 레이저 가공장치에 의해 표면처리된 전극을 포함하는 리튬 이차 전지.
   

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