KR102497057B1 - 이차전지용 집전체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 이차전지용 집전체는 복수개의 제1관통구멍(5a)을 갖는 금속박(5)과, 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 형성된 금속 산화막(15)과, 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 형성된 도전층(25)을 갖는 집전체(30)로서, 상기 금속박(5)은 복수개의 제1관통구멍(5a)에 도전성 연결부재(10)가 충진되어 형성되고, 상기 금속 산화막(15)은 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 각각 제2관통구멍(15a)을 갖도록 형성되며, 상기 도전층(25)은 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 상기 제2관통구멍(15a)과 대응되는 위치에 각각 제3관통구멍(25a)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지용 집전체{Current collector for secondary battery}
본 발명은 이차전지용 집전체에 관한 것으로, 특히 금속박의 자연산화막을 제거하고 별도의 금속 산화막을 형성함으로써 내구성을 개선시키고 금속 산화막의 표면에 도전층을 형성함으로써 전극 물질층 사이의 등가직렬저항 특성 저하를 방지할 수 있는 이차전지용 집전체에 관한 것이다.
종래, 리튬이온전지로 대표되는 전기화학소자는 에너지 밀도, 출력 밀도가 크다는 점에서 휴대전화나 노트북 등의 소형 용도로부터 자동차 등의 대형 용도까지 이용되고 있고 이로 인해 전기화학소자는 저저항화, 고용량화, 고내전압, 기계적 특성, 사이클 수명향상 등의 개선이 요구되고 있다. 전기화학소자의 내부 저항을 저감하기 위하여 전극활물질층과 집전체 사이에 접착제 조성물을 적용하는 이차전지용 집전체 기술이 일본등록특허공보 제4909443호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
일본등록특허공보 제4909443호의 이차전지용 집전체는 알루미늄박과 상기 알루미늄박상에 형성되고 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 기상법 탄소섬유 및 흑연으로 구성되는 군에서 선택되는 일종 이상의 탄소 미립자와 가교제로 가교된 다당류 고분자 폴리머를 포함한 두께 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 피막을 구비하게 된다.
일본등록특허공보 제4909443호와 같이 종래의 이차전지용 집전체는 접착제 조성물중에 겔이 많이 있기 때문에 도전성 접착제층을 형성하기 위해서 접착제 조성물을 집전체에 도포할 때 도포 불균일성이 발생할 우려가 있다. 이로 인해 도전성 접착제층과 집전체의 밀착성이 악화되어 이차전지의 사이클 특성(수명)이 열화되는 단점을 내포하고 있다.
: 일본등록특허공보 제4909443호
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속박의 자연산화막을 제거하고 별도의 금속 산화막을 형성함으로써 내구성을 개선시키고 금속 산화막의 표면에 도전층을 형성함으로써 전극 물질층 사이의 등가직렬저항 특성 저하를 방지할 수 있는 이차전지용 집전체를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 복수개의 관통구멍을 형성한 후 구멍의 내측에 도전성 연결부재를 형성함에 의해 전극 물질의 도포 시 접착력을 개선시킬 수 있는 이차전지용 집전체를 제공함에 있다.
본 발명의 이차전지용 집전체는 복수개의 제1관통구멍을 갖는 금속박과, 상기 금속박의 상부나 하부의 표면에 형성된 금속 산화막과, 상기 금속 산화막의 상부나 하부의 표면에 형성된 도전층을 갖는 집전체로서, 상기 금속박은 복수개의 제1관통구멍에 도전성 연결부재가 충진되어 형성되고, 상기 금속 산화막은 상기 금속박의 상부나 하부의 표면에 상기 복수개의 제1관통구멍과 대응되는 위치에 각각 제2관통구멍을 갖도록 형성되며, 상기 도전층은 상기 금속 산화막의 상부나 하부의 표면에 상기 제2관통구멍과 대응되는 위치에 각각 제3관통구멍을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이차전지용 집전체는 금속박의 자연산화막을 제거하고 별도의 금속 산화막을 형성함으로써 내구성을 개선시키고 금속 산화막의 표면에 도전층을 형성함으로써 전극 물질층 사이의 등가직렬저항 특성 저하를 방지할 수 있는 이점이 있으며, 복수개의 관통구멍을 형성한 후 구멍의 내측에 도전성 연결부재를 형성함에 의해 전극 물질의 도포 시 접착력을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 이차전지용 집전체의 일 실시예를 나타낸 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 금속박에 복수개의 구멍을 형성된 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 복수개의 구멍에 금속 연결부재가 형성된 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 금속박에 금속 산화막이 형성된 상태를 나타낸 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 집전체에 전극 물질층이 형성된 상태를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 이차전지용 집전체에 다른 실시예를 나타낸 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4에서와 같이 본 발명의 이차전지용 집전체(30)는 금속박(5), 도전성 연결부재(10), 금속 산화막(15) 및 도전층(25)을 포함하여 구성된다. 즉, 본 발명의 이차전지용 집전체(30)는 복수개의 제1관통구멍(5a)을 갖는 금속박(5)과, 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 형성된 금속 산화막(15)과, 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 형성된 도전층(25)을 갖는다.
상기 금속박(5)은 복수개의 제1관통구멍(5a)에 도전성 연결부재(10)가 충진되어 형성되고, 상기 금속 산화막(15)은 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 각각 제2관통구멍(15a)을 갖도록 형성되며, 상기 도전층(25)은 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 상기 제2관통구멍(15a)과 대응되는 위치에 각각 제3관통구멍(25a)을 갖도록 형성된다.
상기 금속박(5)과 상기 도전층(25)의 각각의 재질은 알루미늄, 구리 및 니켈 중 하나가 사용된다.
상기 복수개의 제1관통구멍(5a)은 직경이 10 내지 100㎛이고, 각각의 제1관통구멍(5a) 사이 간격은 50 내지 500㎛가 되게 형성된다.
상기 도전성 연결부재(10)는 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)의 깊이와 같은 높이로 형성되게 도전성 접착제 재질을 이용해 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)에 각각 채워져 형성되며, 상기 도전성 접착제 재질은 실버 에폭시(Ag epoxy)가 사용된다.
상기 금속 산화막(15)에 형성된 제2관통구멍(15a)과 상기 도전층(25)에 형성된 제3관통구멍(25a)은 각각 상기 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 형성되어 제1관통구멍(5a)과 연통되며, 상기 도전층(25)에 형성된 전극 물질층(26)이 형성 시 전극 물질층(26)이 각각 채워져 제1관통구멍(5a)에 형성된 상기 도전성 연결부재(10)에 전극 물질층(26)이 연결된다.
본 발명의 이차전지용 집전체(30)의 제조방법을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 금속박(5)은 두께가 1 내지 5㎛이고, 재질은 알루미늄, 구리 및 니켈 중 하나가 사용된다. 이러한 금속박(5)은 도 2에서와 같이 도전성 연결부재(10)가 충진되어 형성되는 복수개의 제1관통구멍(5a)이 형성되며, 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)은 직경이 10 내지 100㎛이고, 각각의 구멍 사이 간격은 10 내지 500㎛가 되게 형성된다. 여기서, 간격은 사진식각공정을 적용 시 보다 밀집되게 형성할 수 있으며, 레이저 장치(도시 않음)를 이용한 천공방법을 적용 시 사진시각공정보다 밀집이 작게 형성함으로써 복수개의 제1관통구멍(5a)의 제조 작업 생산성을 개선시킬 수 있게 된다.
상기 도전성 연결부재(10)는 도 3에서와 같이 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)의 깊이와 같은 높이로 형성되게 도전성 접착제 재질을 이용해 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)에 각각 채워져 형성되며, 상기 도전성 접착제 재질은 실버 에폭시(Ag epoxy)가 사용된다. 즉, 도전성 연결부재(10)는 도전성 접착제 재질인 실버 에폭시(Ag epoxy)를 이용해 두께가 구멍(5a)의 깊이와 같게 형성되어 도 5에서와 같이 전극 물질층(26)의 형성 시 도전성 연결부재(10)의 상부나 하부의 표면에 연결되어 접착되도록 한다.
상기 금속 산화막(15)은 도 4에서와 같이 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 각각 제2관통구멍(15a)을 갖도록 형성된다. 상기 금속 산화막(15)은 금속박(5)이 재질이 알루미늄인 경우에 알루미나(Al2O3)를 스퍼터링하여 형성한다. 이러한 금속 산화막(15)의 제조방법은 스퍼터링 이외에 금속 산화방법이나 화학기상증착방법을 등을 이용해 형성할 수 있다. 금속 산화막(15)은 복수개의 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 각각 제2관통구멍(15a)을 갖도록 형성된다. 즉, 금속 산화막(15)은 복수개의 제2관통구멍(15a)이 형성되며, 각각은 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 형성되어 제1관통구멍(5a)과 연통된다. 보다 구체적으로 금속 산화막(15)은 복수개의 제2관통구멍(15a)이 준비되며, 상기 복수개의 제2관통구멍(15a)은 각각 상기 제1관통구멍(5a)과 직경이 같으며, 각각의 간격은 제1관통구멍(5a) 사이의 간격과 같게 형성된다.
복수개의 제2관통구멍(15a)은 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면을 먼저, 감광레지스트 패턴(도시 않음)으로 도포한 후 금속 산화막(15)을 형성하고, 금속 산화막(15)이 형성되면 감광레지스트 패턴을 제거함으로써 형성한다. 여기서, 감광레지스트 패턴은 제2관통구멍(15a)이 형성될 위치에 형성됨으로써 금속 산화막(15)을 형성한 후 제거되며, 감광레지스트 패턴의 제거로 제2관통구멍(15a)이 형성된다. 즉, 감광레지스트 패턴은 원통형 패턴으로 도전성 연결부재(10)의 상부나 하부에 위치되게 형성되어 제2관통구멍(15a)이 제1관통구멍(5a)이 연통됨에 의해 제1관통구멍(5a)에 형성된 도전성 연결부재(10)의 상부나 하부가 제2관통구멍(15a)을 통해 외부로 노출된다.
상기 도전층(25)은 도 1 및 도 5에서와 같이 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 상기 제2관통구멍(15a)과 대응되는 위치에 각각 제3관통구멍(25a)을 갖도록 형성된다. 이러한 도전층(25)의 재질은 알루미늄, 구리 및 니켈 중 하나가 사용되며, 증착, 스퍼터링, 도금, 인쇄 및 화학기상증착방법 등을 이용해 형성된다. 상기 도전층(25)은 제2관통구멍(15a)과 대응되는 위치에 제3관통구멍(25a)이 형성된다. 즉, 도전층(25)은 복수개의 제3관통구멍(25a)이 형성되며, 복수개의 제3관통구멍(25a)은 각각 제2관통구멍(15a)과 대응되는 위치에 형성되어 제2관통구멍(15a)과 연통되게 형성된다. 보다 구체적으로, 도전층(25)은 복수개의 제3관통구멍(25a)이 준비되며, 상기 복수개의 제3관통구멍(25a)은 각각 상기 제1관통구멍(5a)과 직경이 같으며, 각각의 간격은 제1관통구멍(5a) 사이의 간격과 같게 형성된다.
복수개의 제3관통구멍(25a)의 제조방법은 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면을 먼저, 감광레지스트 패턴(도시 않음)으로 도포한 후 도전층(25)을 형성하고, 도전층(25)이 형성되면 감광레지스트 패턴을 제거함으로써 형성한다. 즉, 복수개의 제3관통구멍(25a)은 제2관통구멍(15a)의 제조방법과 동일과정을 통해 형성되어 제2관통구멍(15a)과 연통됨에 의해 도전성 연결부재(10)의 상부나 하부가 제3관통구멍(25a)을 통해 외부로 노출된다.
전술한 상기 금속 산화막(15)에 형성된 제2관통구멍(15a)과 상기 도전층(25)에 형성된 제3관통구멍(25a)은 각각 상기 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 형성되어 제1관통구멍(5a)과 연통되며, 상기 도전층(25)에 형성된 전극 물질층(26)이 형성 시 전극 물질층(26)이 각각 채워져 제1관통구멍(5a)에 형성된 상기 도전성 연결부재(10)에 전극 물질층(26)이 연결된다.
예를 들어, 상기 도전층(25)의 상부나 하부에 전극 물질층(26)의 형성 시 전극 물질층(26)은 제2관통구멍(15a)과 제3관통구멍(25a)의 내측을 채워지게 형성하며, 제2관통구멍(15a)과 제3관통구멍(25a)에 전극 물질층(26)이 채워지게 형성되면 전극 물질층(26)은 도전성 연결부재(10)의 상부나 하부와 연결된다. 이와 같이, 전극 물질층(26)이 도전성 연결부재(10)의 상부나 하부와 연결에 연결되면, 전극 물질층(26)을 도전층(25)의 상부나 하부의 표면에 견고하게 연결되게 지지한다. 여기서, 전극 물질층(26)의 재질은 카본, LCO(lithium cobalt oxide), LMO(lithium manganese oxide), Li4Ti5O12 및 H2Ti12O25 중 하나가 사용된다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전체(30)는 복수개의 제1관통구멍(5a)이 형성된 금속박(5)의 상부와 하부에 각각 복수개의 제2관통구멍(15a)가 형성된 금속 산화막(15)과 복수개의 제3관통구멍(25a)가 형성된 도전층(25)이 형성되는 실시예를 도시하고 있다. 즉, 금속박(5)의 상부에 복수개의 제2관통구멍(15a)가 형성된 금속 산화막(15)과 복수개의 제3관통구멍(25a)가 형성된 도전층(25)이 형성되며, 하부에 복수개의 제2관통구멍(15a)가 형성된 금속 산화막(15)과 복수개의 제3관통구멍(25a)가 형성된 도전층(25)이 형성되며, 이러한 도전층(25)의 상부나 하부에는 도 5에서 도시되는 전극 물질층(26)이 전술한 방법과 동일하게 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 집전체(30)는 금속박(5)의 지지체로서 작용할 수 있고, 도전층(25)이 금속박(5)을 대체하여 외부전극(도시 않음)에 연결될 수 있어 금속박(5)의 두께를 최소화하여 중량을 감소시킬 수 있으며, 상기 금속 산화막층(15)위에 도전층(25)을 형성함으로써 금속박(5)의 표면에서 산화의 진행을 억제할 수 있다.
본 발명의 이차전지용 집전체는 다양한 종류의 이차전지나 슈퍼커패시터 분야는 물론 다양한 종류의 접착제 분야 등에도 널리 적용할 수 있다.
5: 금속박
10: 도전성 연결부재
15: 금속 산화막
25: 도전층
30: 집전체

Claims (6)

  1. 복수개의 제1관통구멍(5a)을 갖는 금속박(5)과, 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 형성된 금속 산화막(15)과, 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 형성된 도전층(25)을 갖는 집전체(30)로서,
    상기 금속박(5)은 복수개의 제1관통구멍(5a)에 도전성 연결부재(10)가 충진되어 형성되고, 상기 금속 산화막(15)은 상기 금속박(5)의 상부나 하부의 표면에 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 각각 제2관통구멍(15a)을 갖도록 형성되며, 상기 도전층(25)은 상기 금속 산화막(15)의 상부나 하부의 표면에 상기 제2관통구멍(15a)과 대응되는 위치에 각각 제3관통구멍(25a)을 갖도록 형성되고,
    상기 도전성 연결부재(10)는 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)의 깊이와 같은 높이로 형성되게 도전성 접착제 재질을 이용해 상기 복수개의 제1관통구멍(5a)에 각각 채워져 형성되며, 상기 도전성 접착제 재질은 실버 에폭시(Ag epoxy)가 사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속박(5)과 상기 도전층(25)의 각각의 재질은 알루미늄, 구리 및 니켈 중 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 제1관통구멍(5a)은 직경이 10 내지 100㎛이고, 각각의 제1관통구멍(5a) 사이 간격은 10 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화막(15)에 형성된 제2관통구멍(15a)과 상기 도전층(25)에 형성된 제3관통구멍(25a)은 각각 복수개가 구비되며, 상기 복수개의 제2관통구멍(15a)과 상기 복수개의 제3관통구멍(25a)은 각각 상기 제1관통구멍(5a)과 대응되는 위치에 형성되어 제1관통구멍(5a)과 연통되며, 상기 도전층(25)에 형성된 전극 물질층(26)이 형성 시 전극 물질층(26)이 각각 채워져 제1관통구멍(5a)에 형성된 상기 도전성 연결부재(10)에 전극 물질층(26)이 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 제2관통구멍(15a)과 상기 복수개의 제3관통구멍(25a)은 각각 상기 제1관통구멍(5a)과 직경이 같으며, 각각의 간격은 제1관통구멍(5a) 사이의 간격과 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 집전체.
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