KR102603763B1 - 리튬 이차전지용 전극 집전체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 전극 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면에 집전체 물질의 덴드라이트가 성장되어 있으며 최대높이 표면 거칠기(Rmax)가 1 내지 5㎛ 임으로써, 전극 집전체와 전극활물질층간의 접착력을 증가시켜 탈리현상을 방지하고, 접착력 증가를 바탕으로 전극 활물질층의 고밀도화가 가능하며, 전극 집전체와 전극활물질층의 접촉 면적을 증가시킴으로써 전지의 고출력, 고용량 및 용량 유지율 향상이 가능한 리튬 이차전지용 전극 집전체에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지용 전극 집전체 및 그 제조방법{ELECTRODE FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차전지용 전극 집전체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 전자기기의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속화되고 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 리튬 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이처럼 리튬 이차전지에 대한 수요가 증가함에 따라 리튬 이차전지의 성능 향상에 대한 관심이 높아지고 있다.
현재, 리튬 이차전지의 성능 중 고용량(High-energy type) 및 고출력(High-power type)이 동시에 가능하도록 하려는 연구가 진행되고 있다.
이를 위한 한 가지 방안으로 전극 집전체에 전극활물질을 고점도로 코팅한 후 압착하여 제조된 고밀도(High density)의 전극을 사용할 수 있다.
그러나, 전극활물질의 고밀도에 따라 접착력이 감소하여 전극 집전체와 전극활물질간의 탈리현상이 발생한다.
이에 따라 전극 표면에 요철 및 홈을 형성시키는 등의 전극 집전체를 변형하여 전극 집전체와 전극활물질의 접착력을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.
한국공개특허 제2014-0033131호는 조절된 덴드라틱 성장을 갖는 재충전 가능한 알칼리성 금속 및 알칼리성 접지전극 및 이의 제조방법에 관해 개시하고 있으나, 전술한 문제점에 대한 대안을 제시 하지 못하였다.
한국공개특허 제2014-0033131호
본 발명은 리튬 이차전지용 전극 집전체는 전극 집전의 원판에 성장된 덴드라이트를 포함함으로써, 전극 집전체와 전극활물질층간의 접착력을 증가시켜 탈리현상을 방지할 수 있는 리튬 이차전지용 전극 집전체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극 집전체와 전극활물질층간의 접착력 증가를 바탕으로 전극 활물질층의 고밀도화가 가능한 리튬 이차전지용 전극 집전체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극 집전체와 전극활물질층의 접촉 면적을 증가시킴으로써 전지의 고출력, 고용량 및 용량 유지율 향상이 가능한 리튬 이차전지용 전극 집전체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 표면에 집전체 물질의 덴드라이트가 성장되어 있으며 최대높이 표면 거칠기(Rmax)가 1 내지 5㎛인 리튬 이차전지용 전극 집전체를 제공한다.
또한, 상기 전극 집전체의 인장강도는 1 내지 3N/mm 일 수 있다.
또한, 상기 덴드라이트는 분지된 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 집전체 금속의 염화합물을 0.05 내지 0.2M로 포함하는 전해액 준비하는 단계; 및 25 내지 60℃로 유지되는 상기 전해액에 전극 집전체 원판 작업전극, 대향전극 및 기준 전극을 침지하고 상기 작업전극과 대향전극에 전위를 인가하여 상기 집전체 원판에 전극 집전체 금속의 덴드라이트를 성장시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 전극 집전체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전극 집전체 금속의 염화합물은 상기 금속의 염화물, 금속의 황화물 및 금속의 인화물로 이루어진 군에서 적어도 1종을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해액은 Na2SO4, K2P2O7 및 CH3SO3H로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 전해질을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해액의 pH는 3.0 내지 4.0 일 수 있다.
또한, 상기 작업전극과 대향전극에 인가되는 전위는 -0.2 내지 -1.0V 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는 일 실시예에 따른 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 도포된 전극활물질층을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
또한, 충전(CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 1.0C 2.7V CUT-OFF) 사이클로 2000 회 운전 후 용량 유지율이 85% 이상일 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전극 집전체는 전극 집전체의 원판에 성장된 덴드라이트를 포함함으로써, 전극 집전체와 전극활물질층간의 접착력을 증가시켜 탈리현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전극 집전체는 전극 집전체와 전극활물질층간의 접착력 증가를 바탕으로 전극활물질층의 고밀도화를 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 전극 집전체는 전극 집전체와 전극활물질층의 접촉 면적을 증가시킴으로써 전지의 고출력, 고용량 및 용량 유지율 향상이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 집전체의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 덴드라이트의 분지된 구조이다.
본 발명은 리튬 이차전지용 전극 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면에 집전체 물질의 덴드라이트가 성장되어 있으며 최대높이 표면 거칠기(Rmax)가 1 내지 5㎛ 임으로써, 전극 집전체와 전극활물질층간의 접착력을 증가시켜 탈리현상을 방지하고, 접착력 증가를 바탕으로 전극 활물질층의 고밀도화가 가능하며, 전극 집전체와 전극활물질층의 접촉 면적을 증가시킴으로써 전지의 고출력, 고용량 및 용량 유지율 향상이 가능한 리튬 이차전지용 전극 집전체에 관한 것이다.
이하 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
리튬 이차전지용 전극 집전체
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 전극 집전체(10)의 일 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 리튬 이차전지용 전극 집전체(10)는 표면에 집전체 물질의 덴드라이트(200)가 성장되어 있으며 최대높이 표면 거칠기(Rmax)가 1 내지 5㎛ 이다. 따라서, 전극 집전체(10)와 전극활물질층간의 고정이 용이하게 되어 탈리현상을 방지할 수 있고, 전극 집전체(10)와 전극활물질층간의 접착력 증가를 바탕으로 전극활물질층의 고밀도화가 가능하며, 전극 집전체(10)와 전극활물질층의 접촉 면적을 증가시킴으로써 저항을 감소시켜 전지의 고출력, 고용량 및 용량 유지율의 향상을 구현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 용량 유지율 측면에서 본 발명의 전극 집전체(10)를 사용하는 경우 접착력 향상으로 전지의 용량 유지율이 대폭 향상되며, 예를 들어 사이클 횟수가 크게 증가되어도 용량 유지율이 현저히 개선된다. 예컨대, 사이클 횟수를 2000회 정도로 하여 용량 유지율을 측정하여도 85% 이상의 용량 유지율을 나타낼 수 있다. 용량 유지율의 측정은 충전CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 1.0C 2.7V CUT-OFF) 사이클로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 집전체(10)는 그 표면에 덴드라이트(200)를 포함함으로써 표면의 거칠기가 증가되어 전극활물질층과의 접착력을 증가시킬 수 있으나, 덴드라이트(200)가 지나치게 성장하게 되면 전극 집전체(10)의 강성이 약해지는 문제가 발생할 수 있다. 이에 본 발명은 접착력과 강성을 모두 높게 유지할 수 있는 특정한 표면 거칠기 범위를 제공한다.
상기 전극 집전체(10)의 최대높이 표면 거칠기가 1㎛ 미만이면 전극활물질층과의 고정이 미비할 수 있고, 5㎛ 이상이면 전극 집전체(10)의 강성이 약해져 접착력이 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 집전체(10)와 전극 활물질층과의 접착력은 높을수록 바람직하며, 예를 들면 0.3N 이상일 수 있다. 상기 범위에서 전극활물질층과의 접착성이 현저하게 우수할 수 있다. 접착력은 클수록 고정능력이 우수하여 탈리현상을 방지하므로 그 상한은 특별히 한정하지 않는다. 다만, 생산성이나 공정성의 측면에서 그 상한이 1N 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 접착력은 하기와 같은 방법으로 측정된다.
양극은 LiNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2을 사용하고, 도전재로 카본블랙, 바인더로 PVDF를 사용하고 이들을 93 : 5 : 2의 각각의 질량비 조성으로 혼합하여 양극 슬러리를 제조한 후, 집전체에 코팅하여 제작한 후 접착력 측정기를 통해 측정한 값임을 의미한다.
음극은 음극 활물질로 천연 흑연 93 wt%, SBR+CMC계 바인더 3 wt%(SBR:CMC=1:1, 중량비), 비정질 흑연 도전재 5 wt%를 혼합하여 음극 슬러리를 제조한 후, 집전체에 코팅하여 제작한 후 접착력 측정기를 통해 측정한 값임을 의미한다.
또한, 상기 전극 집전체(10)의 인장강도는 1 N/mm 이상일 수 있으며, 바람직하게는 2 N/mm 이상일 수 있다. 상기 전극 집전체(10)의 인장강도가 1N/mm 미만이면 전극 코팅 후 프레스 공정에서 무지부 주름현상이 심해지는 문제가 있을 수 있다. 인장강도는 클수록 바람직하므로 그 상한은 특별히 한정되지는 않는다. 다만, 경제성 등을 고려할 때 그 상한이 3N/mm 정도일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 인장강도는 시편의 폭을 12mm로 하고, 20min/mm의 측정속도로 만능재료시험기(UTM)를 통해 측정된 값임을 의미한다.
상기 덴드라이트(200)는 전극활물질층을 고정할 수 있는 구조라면, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 2 방향 이상으로 분지된 구조일 수 있다. 도 2에는 덴드라이트(200)의 분지된 구조의 예시가 도시되어 있으나, 본 발명에 따른 분지된 구조가 이에 한정되는 것은 아니다. 분지된 구조를 갖는 경우에 접착력 개선 측면에서 보다 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명은 리튬 이차전지용 전극 집전체(10)의 제조방법을 제공한다.
전극 집전체 금속의 염화합물을 0.05 내지 0.2M로 포함하는 전해액 준비하는 단계; 및 25 내지 60℃로 유지되는 상기 전해액에 전극 집전체 원판(100) 작업전극, 대향전극 및 기준 전극을 침지하고 상기 작업전극과 대향전극에 전위를 인가하여 상기 전극 집전체 원판(100)에 전극 집전체 금속의 덴드라이트(200)를 성장시키는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 제조방법의 일 실시예에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 전극 집전체 금속의 염화합물을 0.05 내지 0.2M로 포함하는 전해액을 준비한다.
상기 전해액에 포함되는 전극 집전체 금속의 염화합물은 전극 집전체 금속을 포함하는 무기염이라면, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 금속 염화물, 금속의 황화물 및 금속의 인화물로 이루어진 군에서 적어도 1종 일 수 있고, 바람직하게는 금속의 염화물일 수 있다.
상기 전극 집전체 금속의 염화합물의 농도는 전극 집전체 표면의 성장된 덴드라이트(200)가 전술한 최대높이 표면 거칠기 범위를 갖는다는 측면에서, 바람직하게는 0.05 내지 0.2M 일 수 있다. 전극 집전체 금속의 염화합물의 농도가 상기 범위내인 경우 덴드라이트(200)의 성장을 상기 최대높이 표면 거칠기를 가질 수 있도록 제어할 수 있으며, 상기 범위를 벗어나면 전술한 최대높이 표면 거칠기를 달성하는 것이 어려우며, 구체적으로 농도가 0.05M 미만이면 덴드라이트의 성장이 미비할 수 있고, 0.2M 초과이면 덴드라이트가 불규칙적으로 응집될 수 있다.
또한, 상기 전해액은 전해질을 더 포함할 수 있다. 전해질은 전해액 자체의 저항을 낮춰주는 것이라면, 특별히 한정되지 않으나 예를 들면 Na2SO4, K2P2O7 및 CH3SO3H로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 일 수 있고, 바람직하게는 Na2SO4일 수 있다.
또한, 상기 전해액은 pH조절제를 더 포함할 수 있다.
pH조절제로는, 예를 들면 HCl, H2SO4 및 H3P4 등일 수 있고, 바람직하게는 HCl 일 수 있다. 상기 전해액의 pH는 덴드라이트(200)의 성장이 용이한 측면에서 3 내지 4 일 수 있다.
다음으로, 25 내지 60℃로 유지되는 상기 전해액에 전극 집전체 원판(100) 작업전극, 대향전극 및 기준 전극을 침지하고 상기 작업전극과 대향전극에 전위를 인가하여 상기 전극 집전체 원판(100)에 전극 집전체 금속의 덴드라이트(200)를 성장시킨다.
전해액의 온도가 상기 범위내인 경우 덴드라이트(200)의 성장을 상기 최대높이 표면 거칠기를 가질 수 있도록 제어할 수 있으며, 상기 범위를 벗어나면 전술한 최대높이 표면 거칠기를 달성하는 것이 어려우며, 구체적으로 온도가 25℃ 미만이면 덴드라이트 구조가 형성되지 않을 수 있고, 60℃초과이면 덴드라이트가 응집되고 표면의 덴드라이트 분포가 불균일 해질 수 있다.
전위는 전극의 구체적인 종류에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예를 들면 -3.0 내지 -0.6V 일 수 있다. 보다 구체적인 예시로는 구리이면 -1.0 내지 -0.6V 를 인가하는 것이 바람직할 수 있고, 알루미늄이면, -3.0 내지 -2.0V를 인가하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 범위에서 전술한 최대높이 표면 거칠기를 갖는 동시에 접착력이 증대할 수 있다.
상기 전위를 인가하는 시간은 덴드라이트(200)가 균일하게 성장된다면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 100 내지 1000초 일 수 있다. 상기 범위내에서 전극 집전체의 원판(100)의 표면에 균일한 덴드라이트를 성장시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전극 집전체의 원판(100)은 전도성이 높고 상기 양극 또는 음극활물질층의 합제가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로서, 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체 원판으로는 구리 또는 구리 합금이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체 원판로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 작업전극은 전술한 바와 같이 전극 집전체의 원판(100)을 사용할 수 있고, 대향 전극 및 기준 전극은 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 대향전극은 백금 전극 등일 수 있고, 기준전극은 염화은 전극, 포화칼로멜 전극 및 황산수은 전극 등일 수 있으며, 바람직하게는 대향전극으로 백금 전극, 기준전극으로 포화칼로멜 전극을 사용할 수 있다.
본 발명은 전극 집전체(10)가 상기 전술한 최대높이 표면 거칠기를 가질 수 있도록 전해액에 포함되는 전극 집전체 금속의 염화합물의 농도, 인가되는 전위 및 전해액의 온도를 조절함으로써, 전극 집전체(10)와 전극활물질층과의 접착력을 증가시켜 탈리현상을 방지할 수 있는 리튬 이차전지용 전극 집전체(10)를 구현할 수 있다.
리튬 이차전지용 전극 및 리튬 이차전지
본 발명의 리튬 이차전지용 전극은 전술한 리튬 이차전지용 전극 집전체(10) 및 상기 전극 집전체(10)의 적어도 일면에 도포된 전극활물질층을 포함한다.
전극활물질층은 전극활물질, 바인더, 용매를 포함하는 전극 페이스트를 전극 집전체(10)에 코팅하여 형성될 수 있다.
전극활물질로서 음극활물질은 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 열분해탄소류, 피치·코크스류, 그래파이트류, 유리형상 탄소류, 페놀수지나 푸란수지와 같은 유기고분자 화합물의 소성체, 탄소섬유, 활성탄 등의 탄소재료 또는 금속리튬, Li-Al합금과 같은 리튬합금, 폴리아세틸렌이나 폴리피롤과 같은 폴리머 등을 예로 들 수 있다.
전극활물질로서 양극활물질은 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질일 수 있다. 전술한 양극활물질을 본 발명에 따른 양극 집전체(10)에 도포하여 리튬 이차전지용 양극을 구성할 수 있다.
바인더는 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 아크릴로나이트릴-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 아크릴 고무 등의 고무계 바인더와, 히드록시에틸셀룰로즈 및 카르복시메틸셀룰로오즈 등의 고분자 수지를 예로 들 수 있다.
필요에 따라, 도전재가 더 포함될 수 있다. 상기 도전재는 당 분야에 일반적으로 사용되는 것으로서 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로는 흑연, 카본블랙, 도전성 섬유, 금속 분말, 도전성 위스키, 도전성 금속 산화물, 폴리페닐렌 유도체 등을 예로 들 수 있으며, 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 리튬 이차전지용 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 전극과 이들의 전극판이 분리막을 사이에 두고 적층되어 이루어진 전극조립체와, 상기 전극조립체 및 전해질을 수용하고 밀봉하는 케이스를 포함한다.
분리막은 폴리에틸렌 세퍼레이터, 폴리프로필렌 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터를 사용할 수 있다.
전해질로는 이차전지 제조 시 사용 가능한, 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이차전지는 각종 전자제품의 전원으로 사용될 수 있다. 예를 들어 휴대용 전화기, 핸드폰, 게임기, 휴대용 텔레비젼, 노트북 컴퓨터, 계산기 등에 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 및 비교예
실시예 1
0.1M CuCl2, 0.1M Na2SO4 및 0.01M HCl을 혼합하여 전해액을 제조하였다. 이후, 제조된 전해액을 40℃로 유지시키면서, 전해액에 작업전극으로 구리 포일, 대향전극으로 백금포일 전극 및 기준전극으로 포화칼로멜 전극을 침지하였다. 이후, -0.8V의 전위를 600초동안 인가하여 덴드라이트를 성장시켜, 음극 집전체를 제조하였다.
실시예 2
0.2M CuCl2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
실시예 3
전해액을 50℃로 유지하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
실시예 4
-1.0V의 전위를 인가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
실시예 5
0.1M AlCl3, 0.1M Na2SO4 및 0.06M C6H11N2Cl을 혼합하여 전해액을 제조하였다. 이후, 제조된 전해액을 40℃로 유지시키면서, 전해액에 작업전극으로 알루미늄 포일, 대향전극으로 백금포일 전극 및 기준전극으로 포화칼로멜 전극을 침지하였다. 이후, -2.6V의 전위를 600초 동안 인가하여 덴드라이트를 성장시켜, 양극 집전체를 제조하였다.
비교예 1
덴드라이트가 성장되지 않은 매끄러운 표면을 갖는 전극 집전체(음극: 구리 포일, 양극: 알루미늄 포일)를 사용하였다.
비교예 2
0.01M CuCl2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
비교예 3
0.4M CuCl2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
비교예 4
전해액을 10℃로 유지하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
비교예 5
전해액을 80℃로 유지하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 음극 집전체를 제조하였다.
실험예
<양극판>
실시예 5에서 제조된 양극 집전체에 양극활물질은 LiNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2을 사용하고, 도전재로 카본블랙, 바인더로 PVDF를 사용하고 이들을 93 : 5 : 2의 각각의 질량비 조성으로 혼합하여 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 상기 집전체 위에 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 양극을 제조하였다.
<음극판>
실시예 1-4 및 비교예 1-5에서 제조된 음극 집전체에 음극 활물질로 천연 흑연 93 wt%, SBR+CMC계 바인더 3 wt%(SBR:CMC=1:1, 중량비), 비정질 흑연 도전재 5 wt%를 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 집전체 위에 코팅, 건조, 프레스를 실시하여 음극판을 제조하였다.
<전지 제조>
상기 전술한 양극판, 음극판과 폴리에틸렌 분리막을 포함하는 전극조립체를 제조한 후, 전극조립체를 파우치 내부에 수납하고 EC/EMC/DEC (25/45/30; 부피비)의 혼합 용매로 1M LiPF6 용액을 제조한 후, 비닐렌 카보네이트(VC) 1wt%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5wt% 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5wt%를 첨가한 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
제조된 리튬 이차전지의 용량 유지율, 출력 특성 및 접착력 측정을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
1. 용량 유지율 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이차전지로 충전(CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 1.0C 2.7V CUT-OFF)을 2000회 반복한 후, 2000회에서의 방전용량을 1회 방전용량 대비 %로 계산하여 상온 용량 유지율을 측정하였다.
2. 접착력 측정
실시예 및 비교예에 의해 제조된 리튬 이차전지를 이용하여 활물질을 고정 시키고 집전체 부분을 뜯어 내는 Peel Off 방식으로 접착력을 측정하였다.
3. 최대높이 표면 거칠기(Rmax) 측정
광파 간섭식 (Optical Interferometry) 최대높이 표면 거칠기 측정기를 사용하였다. 빛의 간섭을 이용하여 가공면의 거칠기를 측정하는 방식으로 KS B 0506 기준에 따라 집전체의 최대높이 표면 거칠기(Rmax)를 측정하였다.
4. 인장강도 측정
실시예 및 비교예에 의해 제조된 전극 집전체로부터 12mm의 폭을 갖는 시료를 제작하고, 상기 시료에 대해 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 20min/mm의 측정속도로 측정하였다.
용량 유지율(%) 접착력(N) 최대높이 표면 거칠기(㎛) 인장강도(N/mm)
실시예1 86.3% 0.35 2.5 1.35
실시예2 86.1% 0.31 3.0 1.30
실시예3 86.1% 0.30 3.1 1.30
실시예4 86.3% 0.34 3.5 1.35
실시예5 85.8% 0.50 3.5 2.0
비교예1 80.0% 0.25 0.7 1.35
비교예2 80.1% 0.25 0.9 1.10
비교예3 79.9% 0.20 5.2 0.90
비교예4 80.0% 0.24 0.8 1.05
비교예5 79.6% 0.17 5.4 0.80
상기 표 1을 참고하면, 실시예들의 리튬 이차전지가 비교예에 비해 우수한 용량 유지율, 접착력, 최대높이 표면 거칠기 및 인장강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
10: 전극 집전체
100: 전극 집전체 원판 200: 덴드라이트

Claims (10)

  1. 상면 및 저면을 포함하며, 상기 상면 및 상기 저면으로부터 직접 성장된 집전체 물질의 덴드라이트를 포함하고, 최대높이 표면 거칠기(Rmax)가 1 내지 5㎛인, 리튬 이차전지용 전극 집전체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 집전체의 인장강도는 1 내지 3N/mm인, 리튬 이차전지용 전극 집전체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 덴드라이트는 분지된 구조인, 리튬 이차전지용 전극 집전체.
  4. 전극 집전체 금속의 염화합물을 0.05 내지 0.2M로 포함하는 전해액 준비하는 단계; 및
    25 내지 60℃로 유지되는 상기 전해액에 전극 집전체 원판 작업전극, 대향전극 및 기준 전극을 침지하고 상기 작업전극과 대향전극에 전위를 인가하여 상기 집전체 원판의 상면 및 저면 상에 전극 집전체 금속의 덴드라이트를 직접 성장시키는 단계를 포함하는, 리튬 이차전지용 전극 집전체의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 전극 집전체 금속의 염화합물은 상기 금속의 염화물, 금속의 황화물 및 금속의 인화물로 이루어진 군에서 적어도 1종을 포함하는, 리튬 이차전지용 전극 집전체의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 전해액은 Na2SO4, K2P2O7 및 CH3SO3H로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 전해질을 더 포함하는, 리튬 이차전지용 전극 집전체의 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 전해액의 pH는 3.0 내지 4.0인, 리튬 이차전지용 전극 집전체의 제조방법.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 작업전극과 대향전극에 인가되는 전위는 -0.2 내지 -1.0V인, 리튬 이차전지용 전극 집전체의 제조방법.
  9. 양극, 음극 및 분리막을 포함하며,
    상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 도포된 전극활물질층을 포함하는, 리튬 이차전지.
  10. 청구항 9에 있어서, 충전(CC-CV 1.0 C 4.2V 0.05C CUT-OFF) 및 방전(CC 1.0C 2.7V CUT-OFF) 사이클로 2000 회 운전 후 용량 유지율이 85% 이상인 리튬 이차전지.
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