KR102641842B1 - 극박의 만곡 개선 및 접힘 현상을 방지할 수 있는 전극 제조방법 - Google Patents

극박의 만곡 개선 및 접힘 현상을 방지할 수 있는 전극 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 롤투롤 방식의 단위 전극을 제조하는 방법에 있어서,
(a) 금속 극박의 양측 단부에 빛을 조사하는 단계; (b) 빛이 조사된 극박의 양측 단부에 정전기력을 인가하는 단계; (c) 극박 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 코팅층이 형성된 극박을 건조하고 압연하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단위 전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

극박의 만곡 개선 및 접힘 현상을 방지할 수 있는 전극 제조방법 {Method of manufacturing electrode improving curl of foil and preventing foil folding}
본 발명은 롤투롤 공정에 의해 단위 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로, 공정 중 극박의 만곡으로 인한 접힘 현상을 방지하기 위한 방법이다.
최근 전자산업 발전의 중요한 경향은 디바이스와 와이어리스, 모바일 추세와 아날로그의 디지털로의 전환으로 요양할 수 있다. 무선 전화기(일명, 휴대폰)와 노트북 컴퓨터의 급속한 보급, 아날로그 카메라에서 디지털 카메라로의 전화 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
이러한 경향과 더불어 디바이스의 작동 전원으로서 이차전지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 양극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물, 리튬 복합 산화물 등을 사용하는 중량 대비 높은 출력과 용량의 리튬 이차전지가 크게 각광받고 있다. 리튬 이차전지는 양극/분리막/음극의 전극조립체가 전해질과 함께 밀폐된 용기에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
한편, 전극은 이온의 교환을 통해서 전류를 발생시키는데, 전극을 이루는 양극 및 음극은 금속으로 이루어진 전극 집전체에 전극 활물질이 도포된 구조로 이루어진다.
일반적으로 음극은 구리 또는 알루미늄 등으로 이루어진 전극판에 탄소계 활물질이 도포된 구조로 이루어지고, 양극은 알루미늄 등으로 이루어진 전극판에 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2 등으로 이루어진 활물질이 코팅된 구조로 이루어진다.
이렇게 양극 또는 음극을 제조하기 위해 한쪽 방향으로 긴 금속시트로 이루어진 전극 집전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포한다.
또한, 전극 제조를 위한 롤 프레스 공정, 슬리팅 공정, 노칭 공정, 라미네이션 공정, 또는 폴딩 공정 등은 대부분이 롤투롤 공정(Roll-to-roll processing)을 사용하고 있고, 여기서 롤투롤 공정은, 여러 개의 휘어질 수 있는 금속 호일 등이 롤러와 롤러 사이로 이동하면서 코팅, 프린팅 등의 공정을 실시할 수 있는 공정을 말한다.
즉, 예를 들면, 유연하고 얇은 금속 시트형의 재료를 권취하고 있는 롤을 풀어 재료를 공급하고, 공급된 재료에 코팅 또는 프린팅 등을 실시한 뒤, 또 다른 롤에서 가공된 재료를 다시 되감아 회수하는 방식을 들 수 있다.
그러나 종래 기술의 경우, 집전체와 같은 극박을 이송 및 가공하는 과정에서 롤과 롤 사이의 간격 및 극박의 중심부와 가장자리에 가해지는 장력의 차이 등에 의해 극박이 만곡되는 현상이 발생한다.
이러한 만곡 현상이 심해지면 이후의 이송 공정 또는 압연 공정에서 극박이 접히는 현상이 발생할 수 있으며 전극 제조 공정 중 상기와 같은 문제가 발생할 경우 전극 탭 형성 등 이후의 공정이 불가능하게 된다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 전극의 제조방법 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 롤투롤 공정에서 금속 극박의 이송 및 가공 중에 상기극박에 일정 에너지 이상의 빛을 조사하고, 상기 극박에 정전기력을 인가함으로써 극박의 가장자리 부분에서의 만곡으로 인한 접힘 현상을 방지할 수 있는 단위 전극의 제조방법 및 상기 방법으로 제조되는 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 단위 전극의 제조방법은 롤투롤 방식의 제조방법으로서, (a) 금속 극박의 양측 단부에 빛을 조사하는 단계; (b) 빛이 조사된 극박의 양측 단부에 정전기력을 인가하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 한 실시예에 따르면, (c)상기 극박 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 코팅층이 형성된 극박을 건조하고 압연하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일정 이상의 에너지를 가지는 빛을 조사함으로써 광전 효과(photoelectric effect)에 의해 극박을 대전시킬 수 있고, 빛이 조사된 극박에 정전기력을 인가함으로써, 극박의 가장자리에서의 만곡이 발생하더라도 이후의 과정에서 극박이 접히게 되는 현상을 방지할 수 있다.
이 경우, 극박에 조사되는 빛의 파장은 극박을 구성하는 원단 물질에 대하여 일함수(E=hν) 이상의 에너지를 가지는 범위이어야 한다. 전자는 극박에서 원자핵의 전하와 전기력에 의해 속박되어 있기 때문에, 조사되는 광자의 에너지가 상기 일함수보다 커야 광전 효과가 발생할 수 있고, 극박이 대전될 수 있다.
본 발명에 따르면 빛이 조사되는 상기 극박의 양측 단부 각각의 폭은 5% 내지 25%인 경우 만곡 개선 효과가 바람직하다. 더욱 구체적으로 전극의 폭에 따라서는 1000mm 이하의 폭을 갖는 전극의 경우 극박 전체 폭의 10% 내지 25%의 영역에 빛이 조사되는 것이 더욱 바람직하며, 1000mm를 초과하는 폭을 갖는 전극의 경우 5 내지 10%의 영역에 빛이 조사되는 것이 더욱 바람직하다. 본 출원인이 실험해 본 결과 1000mm를 초과하는 폭을 갖는 전극에서는 10% 이하의 영역에만 빛을 조사하여도 만곡 개선 효과가 충분하게 나타났다. 다만, 극박에서 빛이 조사되는 부분의 폭이 5% 미만의 경우 극박에 정전기력이 작용하는 면적이 충분하지 않아 목적하는 효과를 달성하기 어려우며, 빛이 조사되는 부분의 폭이 극박 전체 폭의 25%를 초과할 경우 극박에 작용하는 힘의 범위가 증가하여 의도하지 않은 부분까지 힘이 가해질 수 있으며, 만곡을 개선하고자 하는 본래의 목적을 달성하지 못할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계는 양전하 또는 음전하로 대전된 대전체가 극박의 양측 단부에 대향하여 극박의 일면 또는 양면에 이격된 상태로 설치되어 정전기력을 인가하는 단계일 수 있다.
이 때, 양전하로 대전된 대전체는 극박이 만곡될 경우 형성되는 만곡면의 내측에 위치하도록 설치될 수 있다. 금속 극박의 양측 단부에 빛이 조사되는 부분은 광전 효과에 의해 양전하로 대전되므로, 양전하로 대전된 대전체가 만곡면의 내측에 위치해 있어야 금속 극박에 척력이 작용하여 만곡되는 부분을 밀어냄으로써 만곡 현상을 개선할 수 있다.
반대로, 음전하로 대전된 대전체는 극박이 만곡될 경우 형성되는 만곡면의 외측에 위치하도록 설치될 수 있다. 이 경우 금속 극박에는 인력이 작용하여 만곡되는 부분을 잡아당김으로써 만곡 현상을 개선할 수 있다.
또한 금속 극박의 일면 뿐만 아니라 양면에 대전체가 설치될 수 있는데, 이 경우 만곡면의 내측에는 양전하로 대전된 대전체가 위치하고, 외측에는 음전하로 대전된 대전체가 위치할 수 있다.
상기 대전체에 대하여, 양전하로 대전된 대전체는 강자성체, 준강자성체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 음전하로 대전된 대전체는 강자성체, 준강자성체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 상기 강자성체 또는 준강자성체는 철 또는 니켈이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 대전체는 금속 극박에 대해 5mm 내지 50mm의 간격으로 이격된 상태에서 전극 시트와 평행하게 배치될 수 있으며, 금속 극박의 이송 방향에 대해 1개 이상이 설치될 수 있다. 대전체와 금속 극박의 간격이 5mm 미만인 경우 대전체와 금속 극박이 접촉하여 금속 극박이 손상되거나 간접을 일으키면서 예상치 못한 문제를 일으킬 수 있으며, 50mm를 초과할 경우 금속 극박에 작용하는 힘이 감소하여 목적하는 효과를 달성하기 어렵다.
본 발명은 또한, 상기 단위 전극을 포함하는 전지셀을 제공한다. 상기 전지셀은 단위 전극을 둘 이상 포함하고, 상기 단위 전극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 것을 특징으로 하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 구조일 수 있으며, 상기 전극조립체에 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조일 수 있다. 상기 단위 전극은 양극 및/또는 음극일 수 있다.
본 발명에서 상기 단위 전극은 집전체 상에 전극 활물질을 포함하고 있는 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며 상기 전극 합제에는 필요에 따라 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
본 발명에서, 집전체로는 약자성체 또는 비자성체의 금속 극박이 모두 사용될 수 있다. 양극 집전체의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 텅스텐 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 시트, 호일, 네트 등 다양한 형태가 가능하다.
음극 집전체의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 텅스텐, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 시트, 호일, 네트 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 양극 활물질은, 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다. 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단위 전극의 제조방법은 롤투롤 공정에서, 광전 효과에 의해 대전된 금속 극박에 인가되는 정전기력에 의해 극박의 만곡 현상을 개선할 수 있으며 이를 통해 이후의 압연 과정 등에서 극박의 접힘 현상을 방지할 수 있다. 이로써 전극 불량을 감소시키고 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다. 또한 기계적으로 전극의 만곡 현상을 수정하는 공정에 비해 전극이 파손될 우려가 적다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위 전극의 제조과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 극박에 빛을 조사하는 과정 및 극박에 정전기력을 인가하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대전체가 극박에 정전기력을 인가하는 모습을 나타낸 수직 단면 모식도이다.
도 4은 본 발명의 또다른 하나의 실시예에 따른 대전체가 극박에 정전기력을 인가하는 모습을 나타낸 수직 단면 모식도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위 전극의 제조과정을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 단위 전극 제조방법은 금속 극박의(100) 양측 단부(120)에 빛을 조사하는 단계(S10); 빛이 조사된 극박의 양측 단부(120)에 정전기력 또는 자력을 인가하는 단계(S20); 극박(100) 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 코팅층(610)을 형성하는 단계(S30); 코팅층(610)이 형성된 극박을 건조하고 압연하는 단계(S40); 를 포함한다.
도 2는 도 1의 S20 단계에서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 극박에 빛을 조사하는 과정 및 극박에 정전기력을 인가하는 방법을 나타낸 모식도이다. 도 2를 참조하면, 금속 극박(100)은 롤(150)에 의해 이송되며, 일함수(E=hν) 이상의 에너지를 가지는 파장의 빛이 극박의 양측 단부(120)에 조사된다. 광전효과에 의해 극박에서 전자(e-)가 방출됨에 따라 극박은 양의 전하로 대전된다. 이 때 상기 극박의 양측 단부(120) 각각의 폭은 극박의 전체 폭에 대하여 5% 내지 25%에 해당된다.
상기 양의 전하로 대전된 극박(100)은 극박의 일면 또는 양면에 이격된 상태로 대전체(200)를 위치시켜(도 3은 대전체가 일면에 위치하는 모습만 도시) 정전기적 인력에 의해 극박의 만곡 현상을 개선할 수 있다. 상기 대전체(200)의 모양이나 크기 등에 대하여 특별한 제한은 존재하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전체(200)가 극박에 정전기력을 인가하는 모습을 나타낸 수직 단면 모식도이다. 도 3을 참조하면, 금속 극박(100)에 만곡 현상이 발생하였고, 이에 대하여 양전하로 대전된 대전체(200)를 극박의 양측 단부(120)에 대향하여 극박(100)의 일면에 이격된 상태로 정전기력이 인가된다. 도 3에서, 양전하로 대전된 대전체(200)는 같은 양전하로 대전된 금속 극박에 대해 척력(310)을 인가해야 하므로, 만곡면의 내측(300)에 위치하여 극박의 양측 단부(120)를 밀어낸다. 대전체(200)의 크기, 모양 또는 단면에는 특별한 제한은 존재하지 않는다.
도 4는 본 발명의 또다른 하나의 실시예에 따른 대전체(200)가 극박(100)에 정전기력을 인가하는 모습을 나타낸 수직 단면 모식도이다. 도 4에서 대전체(200)는 음전하로 대전된다. 이 경우 극박(100)에는 인력(410)이 인가되어야 하므로 음전하로 대전된 대전체(200)는 만곡면의 외측(400)에 위치하여 극박의 양측 단부(120)를 잡아당긴다. 마찬가지로 대전체의 크기, 모양 또는 단면에 특별한 제한은 존재하지 않는다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위 전극의 제조 방법을 나타낸 모식도이다. 도 5에 따르면, 본 발명의 단위 전극은 롤투롤 공정에 의해 제조되며, 금속 극박(100)는 극박을 공급하는 피딩 롤 (510)에 감겨 있고, 피딩 롤(510)에서 권출되어 이송 및 압연 단계에 공급된다. 권출된 극박은 1개 이상의 가이드 롤(520)에 의해 이송되고, 이송 과정 중에 전극 활물질 및 이를 포함한 전극 합제 도포 장치(600)에 의해 전극 활물질 등을 포함하는 전극 합제가 도포되어 코팅층(610)이 형성된다(S30). 코팅층이 형성된 극박은 건조되고 압연 롤(530)에 의해 압연된 후(S40), 와인딩 롤(540)에 의해 권취된다. 상기 극박의 이송 과정 중에 1개 이상의 빛 조사 장치 (700)에 의해 빛이 조사되며, 극박의 일면 또는 양면에는 대전체(200)가 위치한다. 대전체(200)는 양전하로 또는 음전하로 대전될 수 있으며, 극박(100)의 일면에만 위치할 수도 있고(210), 극박의 양면에 위치할 수도 있다(210). 또한 압연 공정 및 그 이후의 공정에도 대전체가 설치될 수 있다(미도시). 도 6에는 빛 조사 장치(700)를 하나만 표시하였으나, 전극 제조 공정 중에 극박의 양측 단부(120)를 대전 상태로 유지하기 위해 복수 개의 빛 조사 장치가 공정 라인을 따라 설치될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
전극의 제조
<실시예 1>
극박으로서 폭 1000mm, 두께 10㎛의 구리 호일을 사용하였으며, 극박의 폭을 기준으로 20%의 영역에 200nm 파장의 빛을 조사하여 극박을 양으로 대전시켰으며, 극박의 이송 방향을 따라 극박 만곡면의 내측면에 양전하로 대전된 니켈 대전체를 배치하였다. 대전체는 극박으로부터 20mm 이격된 지점에 배치하였다.
극박의 이송 중에 도포되는 전극 합제로서 탄소(Carbon, 전극 활물질), Super-C(도전재), CMC(Carboxymethyl cellulose, 수계 용매), 증류수, SBR(바인더) 혼합물 슬러리를 제조하였으며 극박에 이를 도포하고, 건조 후 압연 및 권취하여 전극을 제조하였다.
<비교예 1>
극박으로서 구리 호일을 사용하였으며, 극박에 빛을 조사하지 않고 대전체를 배치하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 전극을 제조하였다.
평가 방법 및 결과
상기와 같이 제조된 전극을 100개 제조하였으며, 그 중 만곡 현상이 발생한 빈도 및 압연 과정에서 상기 만곡 현상으로 인하여 극박이 접힌 빈도수를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실시예1 비교예1
만곡빈도 100 100
롤투롤 공정 중 접힘빈도 0 40
불량율 0% 40%
상기 표 1 과 같이, 본 발명에 따른 단위 전극 제조방법은 극박의 만곡이 발생하여도 빛을 조사함에 따라 만곡이 개선되어 일반적인 전극의 제조방법에 비해 접힘 현상이 발생하지 않는바, 공정의 효율성을 향상시키고 우수한 품질의 전극을 제조할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 금속 극박
150 : 롤
120 : 극박의 양측 단부
200 : 대전체
300 : 만곡면의 내측
310 : 척력
400 : 만곡면의 외측
410 : 척력
510 : 피딩 롤
520 : 가이드 롤
530 : 압연 롤
540 : 와인딩 롤
600 : 전극 합제 도포 장치
700 : 빛 조사 장치

Claims (16)

  1. 롤투롤 방식의 단위 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 금속 극박의 양측 단부에 빛을 조사하는 단계;
    (b) 빛이 조사된 극박의 양측 단부에 정전기력을 인가하는 단계;
    (c) 상기 극박 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 코팅층이 형성된 극박을 건조하고 압연하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단위 전극의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 조사하는 빛의 파장은,
    극박을 구성하는 원단물질에 대하여 일함수(E=hν) 이상의 에너지를 가지는 범위인 것인 단위 전극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    빛이 조사되는 상기 극박의 양측 단부 각각의 폭은 극박 전체 폭에 대하여 5 내지 25%인 것인 단위 전극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 극박의 폭이 1000mm 이하인 경우 빛이 조사되는 상기 극박의 양측 단부 각각의 폭은 극박 전체 폭에 대하여 10 내지 25%인 것인 단위 전극의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 극박의 폭이 1000mm를 초과하는 경우 빛이 조사되는 상기 극박의 양측 단부 각각의 폭은 극박 전체 폭에 대하여 5 내지 10%인 것인 단위 전극의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 극박은 약자성체 또는 비자성체의 금속인 것인 단위 전극의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 티탄, 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 단위 전극의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 양전하 또는 음전하로 대전된 대전체가 상기 양측 단부에 대향하여 극박의 일면 또는 양면에 이격된 상태로 설치되어 정전기력을 인가하는 것인 단위 전극의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 양전하로 대전된 대전체는 극박이 만곡되는 경우 형성되는 만곡면의 내측에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 단위 전극의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 음전하로 대전된 대전체는 극박이 만곡되는 경우 형성되는 만곡면의 외측에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 단위 전극의 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 양전하로 대전된 대전체는 강자성체 또는 준강자성체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 단위 전극의 제조방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 음전하로 대전된 대전체는 강자성체 또는 준강자성체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 단위 전극의 제조방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 강자성체 또는 준강자성체는 철 또는 니켈인 것인 단위 전극의 제조방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 대전체는 금속 극박에 대해 5 내지 50mm 의 간격으로 이격된 상태로 전극 시트와 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 단위 전극의 제조방법.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 대전체는 상기 극박의 이송 방향에 따라 1개 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 단위 전극의 제조방법.
  16. 제 1항에 따라 제조된 단위 전극을 둘 이상 포함하고, 상기 단위 전극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 것을 특징으로 하는 전극조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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