KR102649420B1 - Anode, manufacturing method thereof and secondary battery comprising same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 음극은 압연 동박 및 상기 압연 동박의 내부에 매립되는 다공성 실리콘을 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 의한 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지는 음극 활물질로서 높은 에너지 밀도를 갖는 다공성 실리콘을 압연 동박 내 매립함으로써, 충방전 시 다공성 실리콘이 팽창하려는 것을 억제하여 높은 전지 용량을 구현하면서도 안전성 또한 크게 향상시킬 수 있다.The cathode according to an embodiment of the present invention includes rolled copper foil and porous silicon embedded in the rolled copper foil.
In this way, the negative electrode, the manufacturing method thereof, and the secondary battery including the same according to the present invention embed porous silicon with high energy density as a negative electrode active material in rolled copper foil, thereby suppressing expansion of the porous silicon during charging and discharging, thereby achieving high battery capacity. While implementing this, safety can also be greatly improved.
Description
본 발명은 높은 전지 용량을 가지면서도 안전성 또한 향상시킬 수 있는 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode that has high battery capacity and can also improve safety, a method of manufacturing the same, and a secondary battery including the same.
휴대폰, 노트북, 무선 청소기와 같이, 모바일 기기 및 소형 가전 등에서 전력 공급원으로 주로 사용되는 2차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있는 전지를 말한다. Secondary batteries, which are mainly used as a power source in mobile devices and small home appliances such as mobile phones, laptops, and cordless vacuum cleaners, are batteries that can convert external electrical energy into chemical energy, store it, and reuse it.
또한, 최근에는 상술한 모바일 기기 및 소형 가전 외에도 전기차 분야에서 2차 전지가 주요 전력 공급원으로 사용되고 있다. 이러한 2차 전지의 종류에는 니켈카드뮴 전지(NiCd), 니켈수소 전지(NiMH), 리튬이온 전지(Li-ion) 등이 있으며, 그 중에서도 리튬이온 전지는 기존 전지와 대비하여 4배 내지 5배의 에너지 밀도와, 기존 전지 대비 3배 높은 전압과 비메모리 효과 및 높은 수명으로 인해 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 리튬이온 전지는 현재 전지 용량을 더욱 높이는 기술에 대해 연구되고 있는데, 그 과정에서 전지 폭발의 위험성 또한 함께 증가하는 문제점이 발생했다.Additionally, recently, in addition to the mobile devices and small home appliances mentioned above, secondary batteries have been used as a main power source in the field of electric vehicles. Types of these secondary batteries include nickel cadmium batteries (NiCd), nickel hydride batteries (NiMH), and lithium ion batteries (Li-ion). Among them, lithium ion batteries are 4 to 5 times more powerful than conventional batteries. It is most widely used due to its energy density, three times higher voltage than existing batteries, non-memory effect, and high lifespan. These lithium-ion batteries are currently being researched into technologies to further increase battery capacity, but in the process, a problem has arisen in which the risk of battery explosion also increases.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 높은 전지 용량을 가지면서도 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention is intended to solve this problem, and the problem to be solved by the present invention is to provide a negative electrode that can further improve safety while having high battery capacity, a method of manufacturing the same, and a secondary battery including the same.
본 발명의 일 실시 예에 의한 음극은 압연 동박 및 상기 압연 동박의 내부에 매립되는 다공성 실리콘을 포함한다. The cathode according to an embodiment of the present invention includes rolled copper foil and porous silicon embedded in the rolled copper foil.
상기 다공성 실리콘은 입자 형태로 이루어진 실리콘 카바이드, 상기 실리콘 카바이드의 표면을 둘러싸는 탄소층 및 상기 탄소층의 표면을 둘러싸는 전도성 폴리머층을 포함할 수 있다. The porous silicon may include silicon carbide in the form of particles, a carbon layer surrounding the surface of the silicon carbide, and a conductive polymer layer surrounding the surface of the carbon layer.
본 발명의 일 실시 예에 의한 음극은 상기 다공성 실리콘이 내부에 매립된 상기 압연 동박의 상면에 형성되는 보호층을 더 포함할 수 있다. The cathode according to an embodiment of the present invention may further include a protective layer formed on the upper surface of the rolled copper foil with the porous silicon embedded therein.
상기 보호층은 탄소, 그래핀, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. The protective layer may be made of at least one of carbon, graphene, and PVDF (polyvinylidene fluoride).
본 발명의 다른 실시 예에 의한 이차 전지는 음극, 양극 활물질을 포함하는 양극, 상기 음극과 상기 양극 사이에서 이온 전달 매개체로 사용되는 전해질 및 상기 음극과 상기 양극 사이에서 이온을 전달하는 분리막을 포함한다. A secondary battery according to another embodiment of the present invention includes a negative electrode, a positive electrode containing a positive electrode active material, an electrolyte used as an ion transfer medium between the negative electrode and the positive electrode, and a separator that transfers ions between the negative electrode and the positive electrode. .
본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 음극의 제조 방법은 벌크 타입의 동박을 제1 압연 롤러를 통해 압연하여 압연 동박을 준비하는 단계, 상기 압연 동박을 양전하로 대전된 전극판의 상부에 위치시켜 상기 압연 동박을 양전하로 대전하는 단계, 다공성 실리콘 분말을 음전하로 대전하는 단계, 양전하로 대전된 상기 압연 동박의 상면에 음전하로 대전된 상기 다공성 실리콘 분말을 분사하여 상기 압연 동박의 상면 일부를 다공성 실리콘으로 도포하는 단계, 상기 압연 동박의 상부면에 대해 열처리하는 단계 및 상기 압연 동박을 제2 압연 롤러로 압연하여, 상기 다공성 실리콘을 상기 압연 동박의 내부로 매립하여 음극을 제조하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention includes preparing a rolled copper foil by rolling a bulk type copper foil through a first rolling roller, placing the rolled copper foil on an upper part of a positively charged electrode plate, Steps of charging the rolled copper foil with a positive charge, charging the porous silicon powder with a negative charge, spraying the porous silicon powder negatively charged on the positively charged upper surface of the rolled copper foil to transform a portion of the upper surface of the rolled copper foil into porous silicon. It includes the steps of applying, heat treating the upper surface of the rolled copper foil, and rolling the rolled copper foil with a second rolling roller to bury the porous silicon into the rolled copper foil to manufacture a cathode.
본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 음극의 제조 방법은 상기 다공성 실리콘이 내부에 매립된 상기 압연 동박의 상면에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. A method of manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention may further include forming a protective layer on the upper surface of the rolled copper foil in which the porous silicon is embedded.
상기 다공성 실리콘이 내부에 매립된 상기 압연 동박의 상면에 보호층을 형성하는 단계는 상기 압연 동박의 상면 전체에 탄소, 그래핀, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나를 도포하여 상기 보호층을 형성할 수 있다.The step of forming a protective layer on the upper surface of the rolled copper foil with the porous silicon embedded therein includes forming the protective layer by applying at least one of carbon, graphene, and PVDF (polyvinylidene fluoride) to the entire upper surface of the rolled copper foil. You can.
이와 같이, 본 발명에 의한 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지는 음극 활물질로서 높은 에너지 밀도를 갖는 다공성 실리콘을 압연 동박 내 매립함으로써, 충방전 시 다공성 실리콘이 팽창하려는 것을 억제하여 높은 전지 용량을 구현하면서도 안전성 또한 크게 향상시킬 수 있다.In this way, the negative electrode according to the present invention, the method for manufacturing the same, and the secondary battery including the same are embedded in the rolled copper foil with porous silicon having a high energy density as the negative electrode active material, thereby suppressing expansion of the porous silicon during charging and discharging, thereby achieving high battery capacity. While implementing this, safety can also be greatly improved.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극의 단면도이다.
도 2는 다공성 실리콘의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음극의 제조 방법의 순서도이다.
도 4는 각 단계별 음극의 단면도이다.
도 5는 압연 동박 내 매립된 다공성 실리콘이 팽창하려는 방향을 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view of a cathode according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view of porous silicon.
Figure 3 is a flowchart of a method for manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view of the cathode at each stage.
Figure 5 is a diagram showing the direction in which porous silicon embedded in rolled copper foil expands.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, preferred embodiments through which the present invention can be easily implemented by those skilled in the art will be described in detail. However, these examples are for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The configuration of the invention to clarify the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on preferred embodiments of the present invention, and the reference numbers to the components in the drawings will be the same. Components are given the same reference numbers even if they are in different drawings, and it is stated in advance that components of other drawings can be cited when necessary when explaining the relevant drawings. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when explaining in detail the operating principle of a preferred embodiment of the present invention, if it is judged that a detailed description of a known function or configuration related to the present invention and other matters may unnecessarily obscure the gist of the present invention, The detailed description is omitted.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to be 'connected' to another part, this does not only mean 'directly connected', but also 'indirectly connected' with another element in between. Includes. In addition, 'including' a certain component does not mean excluding other components unless specifically stated to the contrary, but rather means that other components may be further included.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Additionally, terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of implemented features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or numbers. It should be understood that this does not preclude the existence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless specifically defined differently, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning. .
본 발명은 높은 전지 용량을 가지면서도 안전성 또한 향상시킬 수 있는 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode that has high battery capacity and can also improve safety, a method of manufacturing the same, and a secondary battery including the same.
이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, with reference to FIG. 1, we will look at the cathode according to an embodiment of the present invention in more detail.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a cathode according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극(100)은 압연 동박(120) 및 다공성 실리콘(140)을 포함한다. As shown in FIG. 1, the
압연 동박(120)은 제1 압연 롤러가 벌크(Bulk) 타입의 동박을 압연함으로써, 얇은 두께로 준비된다. 이러한 압연 동박(120)은 집전판으로 사용되며, 베이스 부재에 도금하여 생성되는 전해 동박과 비교하여 구리 밀도가 매우 우수하다. The rolled
다공성 실리콘(140)은 음극 활물질로서, 상기 압연 동박(120)의 내부에 매립된다. 이때, 상기 다공성 실리콘(140)은 상기 압연 동박(120)의 전체 두께 대비 50% 내지 90%의 위치에 매립될 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 상기 다공성 실리콘(140)에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, the
이러한 다공성 실리콘(140)은 실리콘 카바이드(142), 탄소층(144) 및 전도성 폴리머층(146)을 포함한다. This
실리콘 카바이드(142, SiC, Silicon carbide)는 직경이 약 2 um 내지 8 um인 입자 형태로 이루어지며, 모스 경도는 13이다. 이때, 상기 실리콘 카바이드(142) 외에도 실리콘 옥사이드(SiOx)가 사용될 수 있으며, 또한 모스 경도가 3인 압연 동박(120) 보다 높은 모스 경도를 갖는 실리콘 계열의 물질이라면, 상기 실리콘 카바이드(142)를 대체하여 사용될 수 있다. Silicon carbide (142, SiC, Silicon carbide) is in the form of particles with a diameter of about 2 um to 8 um, and has a Mohs hardness of 13. At this time, in addition to the
탄소층(144)은 상기 실리콘 카바이드(142)의 표면을 둘러싸도록 코팅된다. A
전도성 폴리머층(146)은 상기 탄소층(144)의 표면을 둘러싸도록 형성된다. 이때, 상기 탄소층(144) 및 상기 전도성 폴리머층(146)을 포함하는 전체 코팅 두께는 100 nm 내지 2 um이다. The
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 음극(100)은 이차 전지에 적용될 수 있다. 특히, 주로 사용되는 리튬이온 이차 전지는 유기용매와 리튬염으로 구성된 전해질 내에 고분자 분리막이 추가된 구조로 형성된다. 방전 시에는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하고 리튬이 이온화 되면서 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하며, 충전 시에는 이와 반대로 이동한다. 이러한 리튬이온 이동의 구동력은 음극과 양극의 전위차에 따른 화학적 안정성에 의해 발생된다. 특히, 이차 전지의 성능을 나타내는 용량(capacity, Ah)은 음극에서 양극으로 이동하거나 또는 양극에서 음극으로 이동하는 리튬 이온의 양에 의해 결정된다. As described above, the
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 생성된 음극(100)을 이차 전지에 적용하는 경우, 음극 활물질로 사용되는 다공성 실리콘(140)이 상대적으로 직경이 큰 입자 크기인 2 um 내지 8 um로 이루어져 높은 전자 포용력을 가짐으로써, 이러한 높은 전자 포용력에 의해 전지 용량을 크게 증가시킬 수 있다. Therefore, when applying the
뿐만 아니라, 압연 동박(120)의 내부에 높은 에너지 밀도를 갖는 다공성 실리콘(140)이 매립됨에 따라, 이차 전지의 충방전 과정에서 상기 다공성 실리콘(140)이 팽창하려고 하더라도 상기 압연 동박(120)이 상기 다공성 실리콘(140)의 팽창을 억제함으로써, 이로 인해 이차 전지가 폭발하는 위험을 방지할 수 있다. In addition, as
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극(100)은 압연 동박(120) 및 다공성 실리콘(140) 외에도 보호층(160)을 더 포함할 수 있다. Additionally, the
보호층(160)은 상기 다공성 실리콘(140)이 내부에 매립된 상기 압연 동박(120)의 상면에 형성된다. 이러한 보호층(160)은 탄소, 그래핀, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 보호층(160)은 상기 압연 동박(120)의 내부에 매립된 상기 다공성 실리콘(140)이 상기 압연 동박(120)으로부터 쉽게 이탈하는 것을 방지할 뿐만 아니라, 상기 다공성 실리콘(140)에 대한 전도성을 더욱 높일 수 있다. The
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음극의 제조 방법에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, a method for manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention will be examined in detail with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음극의 제조 방법의 순서도이다. Figure 3 is a flowchart of a method for manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음극의 제조 방법은 먼저, 제1 압연 롤러가 벌크(Bulk) 타입의 동박을 압연하여 얇은 두께를 갖는 압연 동박(120)이 준비된다(S210). 이러한 압연 동박(120)은 롤투롤 장치의 내부에 구비되고, 제1 권취 롤러에서 제2 권취 롤러 방향으로 이동하면서 후속 단계가 진행된다.As shown in Figure 3, in the method of manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention, first, a first rolling roller rolls a bulk type copper foil to prepare a rolled
이때, 상기 제1 권취 롤러와 상기 제2 권취 롤러 사이에 양전하로 대전된 전극판이 위치하고, 상기 전극판의 상부에 상기 압연 동박(120)이 위치하여, 상기 압연 동박(120)이 양전하로 대전된다(S220).At this time, a positively charged electrode plate is positioned between the first winding roller and the second winding roller, and the rolled
또한, 다공성 실리콘 분말(140)이 음전하로 대전된다(S230). Additionally, the
이후, 상기 전극판의 후단에 위치한 분사부가 앞서 S220 단계에서 양전하로 대전된 상기 압연 동박(120)의 상면에 이전 S230 단계에서 음전하로 대전된 상기 다공성 실리콘 분말(140)을 분사하여 상기 압연 동박(120)의 상면 일부를 다공성 실리콘(140)으로 도포한다(S240). 이때, 상기 압연 동박(120)은 양전하로 대전되고, 상기 다공성 실리콘 분말(140)은 음전하로 대전됨에 따라, 상기 압연 동박(120)의 상면에 상기 다공성 실리콘 분말(140) 분사 시, 상기 압연 동박(120)의 상면에 상기 다공성 실리콘 분말(140)이 잘 부착될 수 있다. Thereafter, the injection unit located at the rear end of the electrode plate sprays the
특히, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 실리콘(140)이 상기 압연 동박(120)의 상면 전체가 아닌 일부에 도포된다. 이때, 상기 다공성 실리콘(140)이 도포되는 면적은 상기 압연 동박(120)의 전체 면적 대비 10% 내지 80%가 될 수 있다.In particular, as shown in FIG. 4(a), the
이후, 상기 압연 동박(120)이 롤투롤 장치를 통해 다시 제2 권취 롤러 방향으로 소정 구간 이동한 후, 상기 압연 동박(120)의 상부면을 열처리한다(S250). 이때, 상기 분사부의 후단에 열풍기가 배치되어, 약 160 ℃ 내지 180 ℃의 열을 상기 압연 동박(120)의 상부면으로 공급할 수 있다. Afterwards, the rolled
이어서, 상기 압연 동박(120)이 다시 제2 권취 롤러 방향으로 소정 구간 이동한다. Subsequently, the rolled
이때, 상기 열풍기의 후단에 위치한 제2 압연 롤러가 상기 압연 동박(120)을 압연하여, 상면에 위치한 상기 다공성 실리콘(140)을 상기 압연 동박(120)의 내부로 매립함으로써 음극(100)을 제조한다(S260). 도 4(b)는 상기 S260 단계를 수행한 후, 상기 다공성 실리콘(140)이 상기 압연 동박(120)의 표면에 일부 노출되도록 매립되는 음극(100)의 단면을 나타낸다. At this time, the second rolling roller located at the rear end of the hot air blower rolls the rolled
즉, 상기 제2 압연 롤러가 다공성 실리콘(140)이 도포된 상기 압연 동박(120)을 압연할 때, 횡력이 작용하여 상기 압연 동박(120)이 연질 상태가 되므로, 상기 압연 동박(120)의 내부에 다공성 실리콘(140)이 용이하게 매립될 수 있다. 특히, 상기 제2 압연 롤러는 상기 압연 동박(120)을 사이에 두고 서로 마주보는 롤러 중 상기 압연 동박(120)의 하부에 위치한 스틸롤을 이용해 상기 압연 동박(120)에 대한 열처리를 수행할 수 있다. 이때, 상기 스틸롤은 상기 압연 동박(120)으로 600 ℃ 내지 800 ℃의 열을 인가할 수 있다. That is, when the second rolling roller rolls the rolled
또한, 상기 다공성 실리콘(140)이 상기 압연 동박(120)의 내부에 매립되는 위치는 상기 압연 동박(120)의 전체 두께 대비 50% 내지 90%가 될 수 있다. 즉, 상기 압연 동박(120)의 전체 두께 중 절반되는 위치부터 상기 압연 동박(120)의 표면에 가까운 위치 사이에 상기 다공성 실리콘(140)이 매립될 수 있다. Additionally, the position where the
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음극의 제조 방법은 상술한 단계에 더하여, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 실리콘(140)이 내부에 매립된 상기 압연 동박(120)의 상면에 보호층(160)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 보호층(160)은 탄소, 그래핀, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 보호층(160)은 앞서 제조된 음극(100)을 이용해 이차 전지의 충방전 시, 다공성 실리콘(140)이 수직 방향으로 팽창하려는 에너지를 흡수하여 다공성 실리콘(140)의 수직 방향으로 팽창하려는 것을 억제하고, 도전성을 향상시킬 수 있다. In addition, the method of manufacturing a cathode according to another embodiment of the present invention includes, in addition to the above-described steps, the rolled
이하에서는 도 5를 참조하여, 상술한 단계를 통해 제조된 음극(100)이 이차 전지에 적용되어 이차 전지의 충방전 진행 시, 압연 동박(120)의 내부에 매립된 다공성 실리콘(140)이 팽창하려는 것을 억제하는 과정에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, with reference to FIG. 5, the
도 5는 압연 동박 내 매립된 다공성 실리콘의 팽창하려는 방향을 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the direction in which porous silicon embedded in rolled copper foil expands.
도 5에 도시된 바와 같이, 음극(100) 내 집전판인 압연 동박(120)의 내부에 음극재 활물질인 다공성 실리콘(140)이 매립된다. 이러한 상태에서 상기 음극(100)이 이차 전지에 적용되어 충방전을 진행하는 경우, 상기 다공성 실리콘(140)이 높은 에너지 밀도로 인해 X, Y, Z 방향으로 각각 팽창하려고 한다. 이때, X 방향은 상기 다공성 실리콘(140)이 하부로 팽창하려는 방향을 나타내고, Y 방향은 상기 다공성 실리콘(140)이 수평으로 팽창하려는 방향을 나타내며, Z 방향은 상기 다공성 실리콘(140)이 상부 수직으로 팽창하려는 방향을 나타낸다. As shown in FIG. 5,
하지만 이때, 상기 압연 동박(120)은 상기 다공성 실리콘(140)이 X, Y 방향으로 각각 팽창하려는 에너지를 흡수한다. 또한, 본 발명에 따른 음극(100) 내 보호층(160)이 형성되는 경우에, 상기 보호층(160)은 상기 다공성 실리콘(140)이 Z 방향으로 팽창하려는 에너지를 흡수한다. However, at this time, the rolled
그러므로, 이차 전지의 충방전 시에 다공성 실리콘(140)이 X, Y, Z 방향으로 각각 팽창하려고 하더라도 압연 동박(120) 및 보호층(160)이 상기 다공성 실리콘(140)의 팽창하려는 에너지를 모두 흡수함으로써, 상기 다공성 실리콘(140)이 실질적으로 팽창하지 못하도록 억제하여 이차 전지의 폭발을 방지함에 따라 제품의 안전성을 확보할 수 있다. Therefore, even if the
이와 같이, 본 발명에 의한 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지는 음극 활물질로서 높은 에너지 밀도를 갖는 다공성 실리콘을 압연 동박 내 매립함으로써, 충방전 시 다공성 실리콘이 팽창하려는 것을 억제하여 높은 전지 용량을 구현하면서도 안전성 또한 크게 향상시킬 수 있다.In this way, the negative electrode according to the present invention, the method for manufacturing the same, and the secondary battery including the same are embedded in the rolled copper foil with porous silicon having a high energy density as the negative electrode active material, thereby suppressing expansion of the porous silicon during charging and discharging, thereby achieving high battery capacity. While implementing this, safety can also be greatly improved.
상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The preferred embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. The addition should be viewed as falling within the scope of the patent claims below.
100: 음극 120: 압연 동박
140: 다공성 실리콘 142: 실리콘 카바이드
144: 탄소층 146: 전도성 폴리머층
160: 보호층100: cathode 120: rolled copper foil
140: porous silicon 142: silicon carbide
144: carbon layer 146: conductive polymer layer
160: protective layer
Claims (8)
상기 압연 동박의 전체 두께 대비 50% 내지 90% 위치에 내부 매립되는 다공성 실리콘;
을 포함하는 음극.
Rolled copper foil: and
Porous silicon embedded within 50% to 90% of the total thickness of the rolled copper foil;
A cathode containing.
상기 다공성 실리콘은
입자 형태로 이루어진 실리콘 카바이드;
상기 실리콘 카바이드의 표면을 둘러싸는 탄소층; 및
상기 탄소층의 표면을 둘러싸는 전도성 폴리머층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
According to paragraph 1,
The porous silicon is
Silicon carbide in particle form;
a carbon layer surrounding the surface of the silicon carbide; and
A conductive polymer layer surrounding the surface of the carbon layer;
A cathode comprising:
상기 다공성 실리콘이 내부에 매립된 상기 압연 동박의 상면에 형성되는 보호층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
According to paragraph 1,
a protective layer formed on the upper surface of the rolled copper foil with the porous silicon embedded therein;
A cathode characterized in that it further comprises.
상기 보호층은
탄소, 그래핀, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음극.
According to paragraph 3,
The protective layer is
A cathode characterized by being made of at least one of carbon, graphene, and PVDF (polyvinylidene fluoride).
양극 활물질을 포함하는 양극;
상기 음극과 상기 양극 사이에서 이온 전달 매개체로 사용되는 전해질; 및
상기 음극과 상기 양극 사이에서 이온을 전달하는 분리막;
을 포함하는 이차 전지.
A cathode according to any one of claims 1 to 4;
A positive electrode containing a positive electrode active material;
An electrolyte used as an ion transfer medium between the cathode and the anode; and
a separator that transfers ions between the cathode and the anode;
A secondary battery containing a.
상기 압연 동박을 양전하로 대전된 전극판의 상부에 위치시켜 상기 압연 동박을 양전하로 대전하는 단계;
다공성 실리콘 분말을 음전하로 대전하는 단계;
양전하로 대전된 상기 압연 동박의 상면에 음전하로 대전된 상기 다공성 실리콘 분말을 분사하여 상기 압연 동박의 상면 일부를 다공성 실리콘으로 도포하는 단계;
상기 압연 동박의 상부면에 대해 열처리하는 단계; 및
상기 압연 동박을 제2 압연 롤러로 압연하여, 상기 다공성 실리콘을 상기 압연 동박의 전체 두께 대비 50% 내지 90% 위치에 내부 매립하여 음극을 제조하는 단계;
를 포함하는 음극의 제조 방법.
Preparing rolled copper foil by rolling bulk-type copper foil through a first rolling roller;
Charging the rolled copper foil with a positive charge by placing the rolled copper foil on top of a positively charged electrode plate;
Charging the porous silicon powder with a negative charge;
Spraying the negatively charged porous silicon powder on the positively charged upper surface of the rolled copper foil to coat a portion of the upper surface of the rolled copper foil with porous silicon;
heat treating the upper surface of the rolled copper foil; and
manufacturing a negative electrode by rolling the rolled copper foil with a second rolling roller and embedding the porous silicon at a position of 50% to 90% of the total thickness of the rolled copper foil;
A method of manufacturing a cathode comprising.
상기 다공성 실리콘이 내부에 매립된 상기 압연 동박의 상면에 보호층을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법.
According to clause 6,
forming a protective layer on the upper surface of the rolled copper foil with the porous silicon embedded therein;
A method of manufacturing a negative electrode further comprising:
상기 다공성 실리콘이 내부에 매립된 상기 압연 동박의 상면에 보호층을 형성하는 단계는
상기 압연 동박의 상면 전체에 탄소, 그래핀, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나를 도포하여 상기 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 음극의 제조 방법. In clause 7,
The step of forming a protective layer on the upper surface of the rolled copper foil with the porous silicon embedded therein is
A method of manufacturing a cathode, characterized in that the protective layer is formed by applying at least one of carbon, graphene, and PVDF (polyvinylidene fluoride) to the entire upper surface of the rolled copper foil.
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- 2023-01-20 KR KR1020230008514A patent/KR102649420B1/en active IP Right Grant
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