KR102451540B1 - 미코팅부 형성용 코팅 다이를 구비한 전극 코팅 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법 및 이로부터 제조된 전극 - Google Patents

미코팅부 형성용 코팅 다이를 구비한 전극 코팅 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법 및 이로부터 제조된 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 토출구의 일부가 막힌 전극 코팅 다이를 연속 또는 불연속 구동하여 전극 표면에 다양한 형상의 미코팅부를 형성시킴으로써, 간편한 공정을 통해 리튬이온전지에서 전극 안쪽으로 전해액 공급이 잘 될 수 있는 전해액 통로를 제공함으로써 전해액의 함침성이 개선되어 전해액 함침 시간을 단축할 수 있고, 탈기(degassing) 공정에서 전해액 분출을 방지하여 공정성이 크게 개선된다. 또한 전해액을 담지할 수 있는 공간을 제공하여 전지의 수명을 개선할 수 있다.

Description

미코팅부 형성용 코팅 다이를 구비한 전극 코팅 장치 및 이를 이용한 전극 제조 방법 및 이로부터 제조된 전극{A electrode coating device having a coating die for making uncoated potion on an electrode, and a method for making an electrode thereby, and an electrode made therefrom}
본 발명은 전극 코팅 다이에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 미코팅부가 형성된 전극을 제조하기 위한 것이다.
근래에는 노트북, 카메라, 핸드폰 등과 같은 휴대용 전자 기기들의 보급 확대로 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 이차전지의 수요량이 급증하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능이 점차 개선되어 대량 생산되고 있다.
대표적으로는 니켈수소(Ni-MH) 전지와 리튬 이차 전지가 사용되고 있다. 이 중에서 차세대 동력원으로 주목받는 리튬 이차 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 작고, 매우 가벼워 널리 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방위산업이나 자동화시스템, 그리고 자동차, 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이며, 특히 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 모터 구동원으로 널리 상용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 일반적으로는, 전해액(electrolytic solution)의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와, 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있다. 또한, 이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있으며, 크게 원통형, 각형(prismatic), 파우치형으로 분류될 수 있다.
또한, 통상적으로 리튬 이차 전지는 집전체에 양극 활물질이 코팅된 양극판, 집전체에 음극 활물질이 코팅된 음극판, 및 이 양극판과 음극판 사이에 배치되어 리튬 이온의 이동만을 가능하게 하면서 쇼트는 방지하는 분리막으로 구성되는 전극 조립체; 이 전극 조립체를 수용하는 케이스; 이 케이스 내측에 수용되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 구성된다.
한편, 전극 조립체는, 긴 시트형의 양극판과 음극판을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 권취형 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 적층형 전극조립체, 및 소정 단위의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 일 방향으로 또는 지그재그 방향으로 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체로 분류될 수 있다. 이와 같은 전지부는 젤리(Jelly)를 와인딩한 형상과 유사하여 일반적으로 젤리-롤(Jelly Roll)이라 불린다.
이렇게 제조된 젤리-롤은, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 혹은 파우치(pouch) 등의 전지케이스에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입함으로써 이루어진다.
이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며들게 되며, 이러한 전해액은 이온의 이동을 위한 매개체로서의 역할을 수행하는 것이다.
소형 대용량 전지의 요구에 따라 전지의 에너지 밀도가 높아짐에 따라 전극이 고밀도로 제조되어야 하고, 이는 전해액 함침이 어렵고, 전해액의 주액량이 한정되게 되어 전지의 수명과 저장 특성 등 전지의 장기 신뢰성 확보에 어려움을 초래하고 있다.
그러나, 이차전지 생산 과정에 있어서, 전해액의 함침량은 제한적일 수 밖에 없고, 전해액을 주입하고 이것이 전극 및 분리막에 잘 함침되도록 하는 데에는 결코 적지 않은 시간이 소요되며, 까다로운 공정 조건이 요구된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 활물질 코팅이 완료된 전극층에 후속하여 레이저 패턴을 형성하는 기술이 아래 특허문헌 1에 개시되어 있다.
대한민국 공개특허번호 제2015-0082958호
그러나, 특허문헌 1의 기술은, 이미 제조된 전극층을 후속 가공 공정으로 패턴을 형성하기 때문에, 공정이 복잡해지고, 설비비가 크게 증가하며, 활물질 손실이 발생하고, 활물질 등의 불순물 입자가 존재하여, 추후 전지의 안정성에 불리한 영향을 미칠 수 있다.
본 발명은 상기 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 전해액의 젖음성을 향상시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 제조공정이 단순한 이차전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 전극 표면에 미코팅부가 형성되도록 토출구의 일부가 막힌 전극 코팅 다이를 구비하는 전극 코팅 장치를 제공하는 것이다.
상기 토출구에는 차단부재가 설치되거나 토출구의 일부가 막힌 형상을 갖도록 함으로써 미코팅부가 형성되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 토출구의 일부가 차단부재로 막힌 전극 코팅 다이를 연속 또는 불연속 구동하여 전극 표면에 미코팅부를 형성시키는 전극 코팅 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명에 따른 장치 및 방법에 있어서, 상기 전극 표면의 미코팅부가 하나 이상의 종선 형상, 하나 이상의 횡선 형상 및 하나 이상의 경사선 형상의 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 본 발명에 따른 장치 및 방법에 있어서, 상기 전극은 음극 및 양극의 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 본 발명에 따른 장치 및 방법에 있어서, 상기 음극 및 양극의 대면하는 부위에는 동일한 미코팅부를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 본 발명에 따른 장치 및 방법에 있어서, 상기 음극의 미코팅부는 양극의 미코팅부 보다 좁게 형성되도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 본 발명에 따른 장치 및 방법에 있어서, 상기 미코팅부의 폭이 3mm 이하인 것이 바람직하다.
상기 본 발명에 따른 장치 또는 방법에 따라 표면에 미코팅부가 형성된 전극을 제공할 수 있다. 또한, 상기 미코팅부가 형성된 전극을 포함하는 이차전지가 특히 바람직하다.
본 발명에 따르면, 간편한 공정을 통해 리튬이온전지에서 전극 안쪽으로 전해액 공급이 잘 될 수 있는 전해액 통로를 제공함으로써 전해액의 함침성이 개선되어 전해액 함침 시간을 단축할 수 있고, 탈기(degassing) 공정에서 전해액 분출을 방지하여 공정성이 크게 개선된다. 또한 전해액을 담지할 수 있는 공간을 제공하여 전지의 수명을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 음극에 양극과 대면하는 부위에 동일한 미코팅부를 형성하면 초기 충방전 효율의 감소를 보정할 수 있고, 이 때 음극 미코팅부가 양극 미코팅부보다 좁게 형성되면 양극과 음극의 불일치로 인한 리튬플레이팅(Li-plating)을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차단부재를 포함하는 코팅 다이를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명에 따라 제조된 전극 표면 형상(종선 형상)의 일 구체예이다.
도 2b는 본 발명에 따라 제조된 전극 표면 형상(수평격자 형상)의 일 구체예이다.
도 2c는 본 발명에 따라 제조된 전극 표면 형상(경사선 형상)의 일 구체예이다.
도 2d는 본 발명에 따라 제조된 전극 표면 형상(경사격자 형상)의 일 구체예이다.
도 3은 종래 전지와 본 발명에 따른 전지의 수명을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.
본 발명의 일 구체예인 도 1은 전극 코팅 장치에서 코팅 다이를 포함한 일부를 도시한 것이다. 상기 도 1에 따르면, 전극 활물질은 코팅 다이(1)를 통해서 전극 집전체(2) 상에 도포된다. 이 경우 코팅 다이의 토출구에 차단부재(5)를 설치하거나 또는 다이를 동일한 형상으로 가공하면, 전극 집전체(2) 상에 활물질이 코팅된 코팅부(4)와 활물질이 코팅되지 않은 미코팅부(3)가 종선 형상으로 형성된다.
상기 전극 코팅 장치 및 코팅 다이(1)는 통상 당업계에서 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
또한, 차단부재(5)의 형상은 토출구에 설치되어 활물질이 토출되는 경로를 차단함으로써 전극 표면에 적절한 폭의 미코팅부를 형성할 수 있으면 바람직하다. 또한, 설치되는 차단부재의 개수 또는 폭은 전극에 형성되는 미코팅부에 적합하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 미코팅부를 형성하기 위해 토출구의 형상을 그에 맞게 제작할 수도 있다. 당업자로서는 본 발명의 사상을 구현하기 위해 기타 다른 수단을 적용할 수도 있을 것이며, 이들은 본 발명의 범주에 속하는 것이다.
상기 미코팅부가 형성되는 전극은 음극 및 양극의 어느 하나 이상일 수 있다. 이 경우, 전극 집전체(2)로는 전극이 양극인지 음극인지에 따라 서로 다른 금속재질이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 전극이 양극인 경우 알루미늄 재질이, 음극인 경우 구리 재질이 사용될 수 있다.
다만, 이러한 전극 집전체(1)의 재질은 예시적인 것일 뿐이므로 본 발명의 전극 집전체(1)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 이차전지 내에서 전기화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 활물질(2)은, 양극 활물질인 경우에는, 예를 들어, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiCoMnO2 등의 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 화합물이 이용될 수 있고, 음극 활물질인 경우에는, 예를 들어, 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물 등이 이용될 수 있다.
상기 코팅 장치에서 활물질을 공급을 연속하여 코팅 장치를 연속으로 구동하는 경우, 도 2a와 같은 연속된 종선 형상의 미코팅부(3)가 형성된다.
그러나, 상기 코팅 장치에서 활물질 공급을 일정 시간 중단하여 코팅 장치를 불연속으로 구동하는 경우에는, 도 2b와 같은 수평격자 형상의 미코팅부가 형성된다.
한편, 상기 코팅 장치에서 활물질 공급을 연속하여 코팅 장치를 연속으로 구동하면서, 코팅 다이(1) 또는 전극 집전체(2)를 수평으로 일정 속도로 이동시키면, 도 2c와 같은 경사선 형상의 미코팅부(3)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 경사선 형상의 미코팅부를 형성하는 중에, 활물질 공급을 일정 시간 중단하여 코팅 장치를 불연속 구동하는 경우에는, 도 2d와 같은 경사격자 형상의 미코팅부를 형성할 수 있다.
상기 예시적 설명에 따라, 상기 전극 표면의 미코팅부는 하나 이상의 종선 형상, 하나 이상의 횡선 형상 및 하나 이상의 경사선 형상의 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 그러나, 당업자로서는 기타 다른 방법을 구성하여 이러한 형상의 미코팅부를 형성할 수 있을 것이며, 이러한 범주는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
상기 미코팅부의 개수나 간격은 당업자가 이차전지의 성능을 고려하여 적절히 선택할 수 있을 것이다.
그러나, 상기 미코팅부의 폭은 3mm 이하인 것이 바람직하다. 미코팅부의 폭이 3mm를 초과하는 경우에는 전해액의 함침은 용이하고 많은 양의 전해액을 담지할 수 있지만, 전극 활물질의 양의 감소에 따른 성능저하가 오히려 더 불리해진다.
한편, 상기 본 발명에 따른 장치 및 방법에 따르면, 상기 음극 및 양극의 대면하는 부위에 동일한 미코팅부를 형성하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에는, 전해액 함침성이 보다 향상되며, 초기 충방전 효율의 감소를 보정할 수 있으므로, 보다 바람직하다.
나아가, 상기와 같이 음극 및 양극의 대면하는 부위에 미코팅부를 형성하는 경우에는, 상기 음극의 미코팅부가 양극의 미코팅부 보다 좁게 형성되도록 구성되는 것이 바람직하다. 음극 및 양극의 미코팅부가 정확히 일치하지 않는 경우, 특히 양극의 미코팅부가 오히려 좁은 경우에는 양극이 대응되는 음극이 없이 노출되게 됨으로써 리튬플레이팅을 초래하게 되므로 전지 성능 및 안전성에 부정적이다.
좀 더 부연하면, 상기 음극의 미코팅부가 양극보다 크게 형성되는 경우에는 충전 과정 동안 양극으로부터 나온 리튬이온을 받아 줄 수 있는 음극 활물질이 부족하여 음극의 미코팅부 모서리를 따라 리튬플레이팅이 발생하게 된다.
상기 본 발명에 따른 장치 또는 방법에 따라 표면에 미코팅부가 형성된 전극을 포함하는 이차전지와, 미코팅부가 없는 종래 전극을 포함하는 이차전지를 비교 실험한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 전지 사이클 수가 증가함에 따라 현저히 개선된 수명을 나타내었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1 : 코팅 다이
2 : 전극 집전체
3 : 미코팅부
4 : 코팅부
5 : 차단부재

Claims (15)

  1. 양극과 음극을 포함하고,
    상기 양극과 음극은 집전체 상에 활물질이 코팅된 코팅부와 활물질이 코팅되지 않은 미코팅부를 포함하고,
    상기 미코팅부는 음극과 양극이 서로 대면하는 부위에 각각 형성되며,
    상기 음극의 미코팅부 폭이 양극의 미코팅부 폭보다 좁은 것인,
    이차전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미코팅부는 하나 이상의 종선 형상, 하나 이상의 횡선 형상 및 하나 이상의 경사선 형상의 어느 하나 이상인, 이차전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미코팅부는 3mm 이하의 폭을 갖는 것인, 이차전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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