KR102364157B1 - 계단식 격벽을 가지는 금속 포일 및 이를 이용한 전극 - Google Patents

계단식 격벽을 가지는 금속 포일 및 이를 이용한 전극 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 집전체에 전극 활물질 슬러리를 도포하는 과정에 발생할 수 있는 불량을 최소화 하기 위한 방법으로서, 금속 포일 길이 방향의 양 끝단에 격벽을 형성하여 상면 및 하면에 도포되는 슬러리의 위치가 동일하게 되고 또한 슬러리가 도포되는 경계면이 파형이 되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

계단식 격벽을 가지는 금속 포일 및 이를 이용한 전극{Metal foil having step barrier and electrode using thereof}
본원 발명은 전지의 전극에 사용되는 집전체에 관한 것으로서, 구체적으로 집전체로 사용되는 금속 포일의 길이 방향 양 끝단을 가공하여 전극 슬러리를 균일하게 도포할 수 있는 기술에 관한 것이다.
이차전지를 포함하는 전지의 전극은 전형적으로 집전체와 상기 집전체의 일부 표면에 도포된 활물질을 포함한다. 통상적으로 활물질은 전극 활성물질과 기타 필요한 재료를 혼합하여 슬러리 형태가 되며 이를 집전체의 표면에 도포, 건조한 후 소정의 두께가 되도록 가압 프레스하여 전극을 제작한다.
집전체의 양면 또는 단면에 활물질 슬러리를 도포하는 경우, 슬러리가 균일하게 도포되어야만 집전체를 효율적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 조립에 있어서 불량을 줄일 있다.
슬러리의 점도가 낮을 경우, 슬러리가 집전체의 길이 방향을 따라 균일한 경계면을 이루지 못하고 파형의 경계면을 이루게 된다(도 3의 왼쪽 그림 참조). 이러한 경우 전지의 조립에 있어, 활물질이 집전체의 경계면을 넘어서거나, 이를 방지하기 위해서 집전체의 미 도포 부위를 필요 이상으로 넓게 설정해야 할 필요가 있다. 이는 전지의 제조에 있어서 효율을 떨어트릴 뿐만 아니라 불 균일한 도포로 인한 전지의 안전성에 문제가 된다.
슬러리를 집전체 양면에 도포하는 경우 상면과 하면에 도포되는 슬러리의 위치가 일치하지 않아 양/음극 대면시 위치가 어긋날 수 있으며(도 1참조), 상기 어긋나는 부분으로 인해 충방전의 효율이 떨어진다.
도 1은 종래의 기술에 따른 전극(100)으로서 금속 호일의 집전체(101)의 상면과 하면에 각각 슬러리가 도포(103, 102)되어 있다. 이때 집전체(101), 상면 도포(103), 하면 도포(102)의 두께는 각각 101h, 103h, 102h가 되며, 어긋나는 부분은 M에 해당한다. 상기 M 부분은 전기 조립시 양/음극 대면이 제대로 이루어지지 않는 부분이다. 또한 M 부분과 도포된 슬러리의 경계면에 물리적 스트레스가 누적되어 집전체 또는 전극이 일찍 파손될 수 있다.
특허문헌 1은 금속 호일에 리드편을 바로 용접할 수 있도록 금속 호일의 길이 방향 한쪽 끝단만을 절곡하여 압축한 것이다. 특허문헌 1은 집전체인 금속 호일에 활물질을 도포한 후에 활물질이 도포되지 않는 부위를 절곡하는 점에 특징이 있다. 즉 활물질을 집전체에 균일하게 도포하기 위해서 끝단을 절곡한 것이 아니고 이미 도포된 집전체를 후속 공정에서 쉽게 사용할 수 있도록 한쪽 끝단만을 절곡한 것이다.
특허문헌 2는 이차전지의 금속 포일 집전체에 활물질(슬러리)을 도포하는 방법에 관한 것으로서 금속 포일 집전체 중 활물질이 도포되는 부분과 도포되지 않은 부분을 롤러로 압축할 때 균일하게 압축되지 않기 때문에 생기는 문제를 해결하기 위한 것이다. 특허문헌 2에서는 이를 해결하기 위한 방법으로 슬러리가 도포되지 않아야 하는 부분에 미리 박리 테이프를 부착한다. 이후 박리 테이프가 있는 영역을 포함한 금속 포일 전체에 슬러리를 도포하고 롤러로 압축한다. 이때 도포하는 두께는 상기 박리 테이프의 두께보다 두껍게 도포한다. 도포하고 압축한 후 박리 테이프를 제거해 도포되지 않은 부위를 만들어 낸다. 특허문헌 2의 상기 방법은 집전체의 양면에도 적용할 수 있다.
특허문헌 3은 특허문헌 2와 유사하게 금속 포일의 집전체에 활물질을 도포한 후 롤러로 압축하는 과정에서 도포된 부위와 도포되지 않은 부위에 균일하게 압력을 가하기 위한 방법이다. 이를 위해서 도포되지 않은 부위를 일정한 간격으로 돌출되게 만들어 롤러에 의한 동일한 압력을 지지하도록 구성하였다.
특허문헌 4는 집전체 위에 특별한 패턴을 형성하기 위해서 집전체 위에 접착제를 부가하여 접착제가 부가된 부위에만 활물질이 부여되게 하였다.
일본특허공보 제3661439호 일본공개특허공보 제2000-251942호 일본공개특허공보 제2015-222685호 일본특허공보 제4619465호
이상과 같이 본원 발명은 금속 포일인 집전체에 활물질 슬러리를 도포 할 때 경계면이 파형이 되는 것을 막고, 상면과 하면에 도포되는 슬러리의 위치가 일치할 수 있는 도포 방법 및 그에 의해서 제조되는 전극을 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단을 절곡하는 단계; 상기 절곡된 양 끝단이 금속 포일의 상면 및 하면의 격벽을 형성할 수 있도록 가공하는 단계; 상기 가공된 금속 포일의 상면과 하면과 상기 격벽 사이에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법이다.
상기 절곡은 양 끝단을 파형으로 접거나 롤 형태로 가공하는 것일 수 있으며, 상기 격벽을 형성할 수 있도록 가공하는 것은 프레스 가공일 수 있다.
본원 발명의 제2양태는 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단에 턱을 만들 수 있도록 프레스로 압착하는 단계; 상기 가공된 금속 포일의 상면 또는 하면과 상기 격벽 사이에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법을 제공한다.
상기 턱의 집전체 길이 방향에 수직인 방향의 단면은 다각형, 원, 또는 쐐기 모양일 수 있다. 상기 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단에 턱을 만들 수 있도록 프레스로 압착하는 단계는 파형이 미리 마련된 도장 형태 또는 원기둥 형태의 프레스를 사용하여 전극 집전체 길이 방향 측면에 굴곡을 형성하는 것일 수 있으며, 이때 상기 굴곡의 형태는 삼각 파형, 사각 파형, 원형 또는 비정형 파형일 수 있다.
본원 발명의 제3양태는 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단을 일정한 폭으로 코팅하여 격벽을 형성하는 단계; 상기 가공된 금속 포일의 상면 또는 하면과 상기 코팅된 영역 외에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법을 제공한다.
상기 코팅하는 물질은 상기 전극 슬러리가 수계일 경우에는 소수성이고, 상기 전극 슬러리가 비수계일 경우에는 친수성이다.
상기 상면 및 하면에 도포된 슬러리의 높이는 각각 상면 및 하면 격벽의 높이보다 높을 수 있고, 상기 양 끝단에 위치한 격벽의 폭은 슬러리가 도포되는 폭의 1/30~1/5일 수 있다.
본원 발명의 제2양태는 상기 방법에 의해서 제조된 전극과 상기 전극을 포함하는 이차전지이다.
본원 발명은 집전체에 전극 활물질 슬러리를 도포하는 과정에 발생할 수 있는 불량을 최소화 하기 위한 방법으로서, 금속 포일 길이 방향의 양 끝단에 격벽을 형성하여 상면 및 하면에 도포되는 슬러리의 위치가 동일하게 되고 또한 슬러리가 도포되는 경계면이 파형이 되는 것을 방지하는 효과가 있다(도 3 참조).
도 1은 종래의 기술에 의해 금속 호일 집전체에 슬러리를 도포한 것을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 의한 슬러리의 도포를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3는 종래 기술과 본원 발명에 따른 슬러리 도포 결과를 상면에 볼 때를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본원 발명에 따른 제조 방법의 일실시예로서 집전체의 길이 방향 중 하나의 끝단을 가공하는 방법을 예시로 나타낸 것이다.
도 5는 본원 발명의 일실시예로서 일면을 압착하여 가공한 집전체의 도식도이이다.
도 6은 본원 발명의 일실시예로서 롤러 형태의 집전체의 길이 방향 측면에 굴곡을 형성한 것이다.
도 7은 본원 발명의 일실시예로서 롤러 형태의 집전체의 길이 방향 측면에 굴곡을 형성하기 위해서 사용되는 도장 형태의 프레스이다.
도 8은 본원 발명의 일실시예로서 롤러 형태의 집전체의 길이 방향 측면에 굴곡을 형성하기 위해서 사용되는 원통형 형태의 프레스이다.
도9는 본원 발명의 일시시예에 따른 집전체의 도식도로서 길이 방향 측면에 바인더 고분자가 도포된 것이다.
본원 발명은 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단을 절곡하는 단계; 상기 절곡된 양 끝단이 금속 포일의 상면 및 하면의 격벽을 형성할 수 있도록 가공하는 단계; 상기 가공된 금속 포일의 상면과 하면과 상기 격벽 사이에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법이다.
상기 절곡은 양 끝단을 파형으로 접거나 롤 형태로 가공하는 것이다(도 4 참조). 이렇게 절곡된 부분을 격벽 형태로 가공하기 위한 하나의 수단은 사각형 틀에 절곡 부분을 삽입하고 프레스 가공하는 것이다.
상기 상면 및 하면에 도포된 슬러리의 높이는 각각 상면 및 하면 격벽의 높이보다 높은 것이 바람직하다. 이는 전극을 전지로 조립할 때 돌출된 격벽이 다른 집전체와 직접 맞닿지 않게 하기 위한 것이다. 또한 격벽이 돌출 될 경우 분리막을 직접적으로 압박하여 분리막이 손상될 수 있기 때문이다.
한편 상기 양 끝단에 위치한 격벽의 폭은 슬러리가 도포되는 폭의 1/30~1/5이 바람직하다. 격벽의 폭은 도포되는 슬러리를 일정한 공간 내에 위치하는 것이므로 물리적인 지지력만 확보된다면 상기 크기보다 더 줄일 수 있다.
한편 격벽은 필요에 따라서 집전체의 상면 또는 하면, 또는 상하면 모두에 설치될 수 있다. 또한 슬러리도 필요에 따라 집전체의 상면 또는 하면, 상하면 모두에 도포될 수 있다.
본원 발명에 따른 집전체의 가공을 위해서 도 4와 같이 집전체 길이 방향 양 끝단을 롤 형태 또는 파형으로 우선 절곡한다. 이후에 상기 롤 또는 파형을 격벽 형태로 가공하기 위해서 프레스 가공을 수행한다. 집전체로 사용되는 금속 호일은 통상적으로 구리를 사용한다. 본원 발명에 따른 전극은 도 2와 같이 구성될 수 있다. 금속 호일인 집전체(201)를 가공하여 상면의 격벽(204) 및 하면의 격벽(205)를 형성한다. 각각의 격벽의 높이(204h, 205h)는 도포되는 슬러리의 두께에 따라서 조절할 수 있다. 상기 격벽이 형성된 후 상면 및 하면에 각각의 슬러리(203, 202)를 도포하고 건조한 후 롤 프레스로 압착하여 전극을 제조한다. 상면 및 하면 슬러리의 두께(203h, 202h)는 해당 상면 격벽(204)의 높이 204h 및 하면 격벽(205)의 높이 205h보다 높다. 필요에 따라서 슬러리는 상면 또는 하면 일부에만 도포할 수 있다.
본원 발명의 다른 실시예에 따르면, 집전체의 일면을 가공할 수 있다(도 5 참조). 도 5는 집전체의 길이 방향에 수직인 방향의 단면을 보여주고 있다. 집전체의 일면을 압착하여 집전체 길이 방향 양 끝단에 턱을 만들어 슬러리가 일정한 영역에 머물 수 있도록 하였다. 이때 집전체의 길이 방향 양 끝단에 생성되는 턱의 단면은 다각형, 원, 또는 쐐기 모양 등이 가능하다.
본원 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전체 길이 방향 측면에 굴곡을 형성하였다. 도 6은 롤 형태의 집전체를 전개하였을 때 일부분을 보여주는 것으로서 집전체 길이 방향 측면에 삼각 파형 형태의 굴곡을 형성하였다. 도 6의 우측면 파형은 도 6의 AA'에 따른 단면을 보여준 것이다. 굴곡의 형태는 삼각 파형 형태에 제한되는 것은 아니고 사각 파형, 원형, 또는 비정형형태일 수 있다. 이러한 측면에 일정한 폭의 굴곡 부분을 형성함으로써 슬러리가 일정한 영역내에 머물게 하는 효과가 있다. 도 6은 굴곡의 높이를 다소 과장되게 나타낸 것으로서 굴곡의 폭은 집전체 두께의 50 내지 200%인 것이 바람직하다. 50% 이하일 경우 슬러리의 흐름을 제한할 수 없고 200% 이상일 경우 너무 두께가 커져 향후 전극 조립체 제조에 영향을 미치기 때문이다.
한판 굴곡에 양극 또는 음극 활물질에 사용되는 바인더 또는 분산제를 일부 도포하는 것도 가능하다. 미리 도포된 바인더 또는 분산제는 굴곡의 높이가 낮더라도 물질간의 척력 등에 의해서 슬러리의 흐름을 제한할 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 6에 따른 집전체를 제조할 수 있는 프레스의 일 실시예를 나타낸 것이다. 프레스는 표면에 미리 원하는 굴곡을 양각하고 도장 형태 또는 원기둥 형태를 사용하여 집전체 길이 방향 측면에 굴곡을 형성할 수 있다.
도 9는 집전체 길이 방향 측면에 물리적일 형태가 아닌 양극 활물질, 음극 활물질, 또는 분리막 등에 사용되는 고분자 물질을 도포한 것이다. 해당 물질은 양극 활물질 슬러리, 음극 활물질 슬러리와 물리적으로 척력이 있는 물질인 것이 바람직하다. 예를 들어 활물질 슬러리가 수계일 경우, 집전체 길이 방향 측면에 도포되는 물질은 소수성 수지인 것이 바람직하다. 이러한 경우 소수성 수지를 매우 얇게 도포하더라도 슬러리는 척력에 의해서 흐름이 제한될 수 있기 때문이다. 도포되는 수지는 가능하면 활물질, 분리막 등에서 사용되는 물질이 것이 바람직하다. 이는 전극의 반응에 있어서 예측하지 못한 부반응을 피하기 위해서이다. 한편 도포되는 수지는 친수성일 수 있다. 이때는 소수성 수지에 비해서 다소 두껍게 도포하고 이를 미리 건조시켜 사용하는 것이 바람직하다. 소수성 수지의 경우는 친수성보다 얇게 도포가 가능하면 이 또한 미리 건조하여 사용하는 것이 바람직하다.
본원 발명에 따른 금속 포일은 전극 슬러리의 슬라이딩 및 상면과 하면의 위치 차이를 개선하고, 도포 슬러리의 외각부가 파형으로 형성되는 것을 막는 효과가 있다.
100 종래 기술에 의해 도포된 집전체
200 본원 발명에 의해서 도포된 집전체
101, 201 집전체
101h, 201h 집전체의 높이
102, 202 집전체 하면에 도포된 슬러리
102h, 202h 집전체 하면에 도포된 슬러리의 높이
103, 203 집전체 상면에 도포된 슬러리
103h, 203h 집전체 상면에 도포된 슬러리의 높이
204 상면 격벽
204h 상면 격벽의 높이
205 하면 격벽
205h 하면 격벽의 높이
M 상면과 하면에 도포된 슬러리의 엇갈림 정도
W1, W2 상면과 하면의 비도포된 부분의 폭

Claims (13)

  1. 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단을 절곡하는 단계;
    상기 절곡된 양 끝단이 금속 포일의 상면 또는 하면에 격벽을 형성할 수 있도록 가공하는 단계;
    상기 가공된 금속 포일의 상면 또는 하면과 상기 격벽 사이에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절곡은 양 끝단을 파형으로 접거나 롤 형태로 가공하는 전지의 전극 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격벽을 형성할 수 있도록 가공하는 것은 프레스 가공인 전지의 전극 제조방법.
  4. 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단에 턱을 만들어 격벽을 형성할 수 있도록 프레스로 압착하는 단계;
    상기 금속 포일의 상면 또는 하면과 상기 격벽 사이에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 턱의 집전체 길이 방향에 수직인 방향의 단면은 다각형, 원, 또는 쐐기 모양인 전지의 전극 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단에 턱을 만들 수 있도록 프레스로 압착하는 단계는 파형이 미리 마련된 도장 형태 또는 원기둥 형태의 프레스를 사용하여 전극 집전체 길이 방향 측면에 굴곡을 형성하는 것인 전지의 전극 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 굴곡의 형태는 삼각 파형, 사각 파형, 원형 또는 비정형 파형인 전지의 전극 제조방법.
  8. 전극의 집전체로 사용되는 금속 포일 길이 방향의 양 끝단을 일정한 폭으로 코팅하여 격벽을 형성하는 단계;
    상기 금속 포일의 상면 또는 하면과 상기 코팅된 영역 외에 전극 슬러리를 도포하는 단계;를 포함하는 전지의 전극 제조방법에 있어서,
    상기 코팅하는 물질은 상기 전극 슬러리가 수계일 경우에는 소수성이고, 상기 전극 슬러리가 비수계일 경우에는 친수성인 전지의 전극 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상면 및 하면에 도포된 슬러리의 높이는 각각 상면 및 하면 격벽의 높이보다 높은 전지의 전극 제조방법.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양 끝단에 위치한 격벽의 폭은 슬러리가 도포되는 폭의 1/30~1/5인 전지의 전극 제조방법.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 제조된 전극.
  13. 제12항의 전극을 포함하는 이차전지.
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