KR20120054143A - 이차전지용 전극, 그 제조방법 및 이를 포함한 이차전지 - Google Patents

이차전지용 전극, 그 제조방법 및 이를 포함한 이차전지 Download PDF

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KR20120054143A
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Abstract

본 발명은 이차전지용 전극 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에서는 전극집전체 및 전극활물질층을 포함하는 이차전지용 전극에 있어서, 상기 전극은 전극집전체와 전극활물질층 사이에 도전재층을 더 포함한다. 이러한 전극은 전극집전체 상에 도전성 용액을 이용하여 도전재층을 코팅하는 제1코팅단계; 상기 도전재층 위에 전극활물질층을 코팅하는 제2코팅단계를 거쳐 제조된다. 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 접착력이 매우 강하면서도 연신율이 향상된 고분자 바인더가 포함된 도전재층을 구비하여 전기전도성을 향상시킴으로써, 전극집전체와 전극활물질층 간의 결합력을 향상시킬 수 있고, 리튬 이차전지에 적용하였을 때 코팅 특성 및 전지 특성이 우수한 대용량 이차전지를 제조할 수 있다.

Description

이차전지용 전극, 그 제조방법 및 이를 포함한 이차전지{SECONDARY BATTERY ELECTRODE AND PRODUCTION METHOD THEREOF AND SECONDARY BATTERY}
본 발명은 전극집전체와 전극활물질 간의 계면 저항을 줄이고 접착력을 향상시키기 위한 전극 및 이를 제조하는 방법, 이 전극을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 재충전이 가능하고 소형화 및 대용량화가 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)이온 전지 및 리튬이온(Li-ion) 폴리머 전지가 있다.
이들 이차전지에서 베어 셀(bare cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다.
전극 혹은 세퍼레이터가 폴리머로 형성되는 폴리머 전지의 경우, 세퍼레이터가 전해액의 역할을 함께 수행하거나, 세퍼레이터에 전해액 성분을 함침시켜 사용하므로 전해액 누액이 문제가 없거나 적어 캔 대신 파우치가 사용되기도 한다.
리튬이차전지에서 전극은 금속박이나 금속 메시(mesh)로 이루어진 집전체 표면에 전극활물질을 포함하는 슬러리를 도포함으로써 이루어지는 경우가 많다.
슬러리는 통상 용매와 가소제, 전극활물질, 바인더 등을 섞는 방법으로 형성된다. 전극집전체로는 음극의 경우 구리가 양극의 경우 알루미늄이 주로 사용되며, 바인더로는 PVDF(poly vinylidene fluoride)와 SBR(stylene butadiene rubber), 용매로는 아세톤, NMP(N-메칠프롤리돈) 등이 사용될 수 있다. 한편, 용매로 물이 사용되는 경우도 있다.
이러한 리튬이차전지는 리튬 전이금속 산화물을 양극활물질로 사용하고 흑연계 물질을 음극활물질로 사용하고 있다.
리튬이차전지의 전극은 이러한 활물질과 바인더(binder) 수지 성분을 혼합하여 용매에 분산시켜 슬러리(slurry)를 만들고, 이것을 집전체 표면에 도포하여 건조 후 합제층을 형성시켜 제작된다. 그러나 충방전시 리튬과의 반응에 의한 부피 변화가 발생하고, 계속적인 충방전시 음극활물질이 집전체로부터 탈리되거나, 음극활물질 상호간 접촉 계면의 변화에 따른 저항 증가로 인해, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 용량이 급격하게 저하되어 사이클 수명이 짧아지는 문제점을 가지고 있다.
바인더는 활물질간 뿐만 아니라 활물질과 집전체 사이의 결착력을 주며, 전지의 충방전에 따른 부피 팽창을 억제하여 전지 특성에 중요한 영향을 끼친다. 그러나, 충방전시 부피변화를 줄이기 위하여 과량의 고분자를 바인더로 사용하게 되면, 집전체로부터 활물질의 탈리를 감소시킬 수는 있으나, 바인더의 전기절연성에 의해 음극의 전기 저항이 높아지며, 상대적으로 활물질의 양이 감소함으로 인해 용량 감소 등의 문제점이 대두된다.
따라서, 기존의 흑연계 리튬 이차전지에 있어서, 전극활물질과 전극집전체 간의 접착력을 확보하여 전지의 용량을 향상시킬 수 있는 기술과 함께, 실리콘 또는 주석계 음극활물질을 사용하는 리튬 이차전지에서 충방전시 음극활물질의 큰 부피 변화를 흡수하면서 집전체와의 접착력을 유지할 수 있는 우수한 바인더 및 이차전지의 개발이 절실이 필요한 실정이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 전극집전체와 전극활물질 간의 계면저항을 줄이고 접착력을 향상시킬 수 있도록 한 이차전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 전극집전체와 전극활물질층 사이에 도전재층을 더 포함하는 이차전지용 전극이 제공된다.
상기 도전재층의 두께는 1마이크로미터 ~ 10마이크로미터인 것을 특징으로 한다.
상기 도전재층은 도전성 탄소, 도전성 섬유, 금속 분말, 도전성 위스키, 도전성 금속 산화물 중 적어도 하나 이상 포함한다.
상기 도전재층은 바인더 용액을 더 포함하며, 상기 바인더 용액은 도전재층을 이루기 위한 조성물 총량의 5중량% ~ 10중량%이 첨가된다.
상기 도전재층의 도전성 탄소는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙으로 이루어진 카본블랙 또는 결정구조가 그라펜이나 그라파이트를 포함하는 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 전극활물질층에는 전극활물질 전체 중량에 대해 1중량% ~ 5중량%의 바인더가 포함된다.
상기 전극활물질층은 양극활물질층으로서, 상기 양극활물질층은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물 및 이들에 타원소가 치환 또는 도핑된 산화물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 리튬 함유 금속 산화물이 더 포함된다.
상기 타원소는 Al, Mg, Ni, Co, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Bi로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소이다.
상기 전극활물질층은 음극활물질층으로서, 상기 음극활물질층은 소프트카본, 그라파이트, 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 카본계 물질을 포함한다.
또한, 본 발명은 전극집전체 상에 도전성 용액을 이용하여 도전재층을 코팅하는 제1코팅단계; 상기 도전재층 위에 전극활물질을 코팅하는 제2코팅단계를 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 이차전지용 전극의 제조방법은, 도전성 용액 코팅용 제1코터와 전극활물질 코팅용 제2코터를 포함하는 다이코팅인 것을 특징으로 한다.
상기 제1코팅단계와 제2코팅단계는 1시간 내에 진행한다.
또한, 본 발명은 상술한 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 접착력이 매우 강하면서도 연신율이 향상된 고분자 바인더가 포함된 도전재층을 구비하여 전기전도성을 향상시킴으로써, 전극집전체와 전극활물질 간의 결합력을 향상시킬 수 있고, 리튬 이차전지에 적용하였을 때 코팅 특성 및 전지 특성이 우수한 대용량 이차전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지용 전극을 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 이차전지용 전극의 제조공정을 보인 개략도.
이하에서는, 본 발명에 의한 이차전지용 전극 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 이차전지는 전극집전체 및 전극활물질층을 포함하는 이차전지용 전극을 구비하며, 상기 이차전지용 전극(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 전극집전체(11)와 전극활물질층(13) 사이에 도전재층(12)을 더 구비한다.
전극집전체는 활물질의 전기화학적 반응에서 전자의 이동이 일어나는 부위로서, 전극의 종류에 따라 양극집전체와 음극집전체로 구분된다.
상기 양극집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.
상기 음극집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
이들 집전체들은 그 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
전극활물질층은 전지의 용량을 결정하는 중요한 역할을 하는 물질이며, 전극활물질층에는 전극활물질 전체 중량에 대해 1중량% ~ 5중량%의 바인더가 포함된다. 바인더의 함량이 1중량% 미만이면 바인더의 기본적인 기능을 수행하는데 어려움이 있어 공정성 하락을 야기할 수 있고, 함량이 5중량%를 초과하면 전지의 출력 및 용량 감소를 유발할 수 있다.
그 중 양극활물질층은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간-니켈 산화물 및 이들에 타원소(들)가 치환 또는 도핑된 산화물로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 포함한다.
이때, 상기 타원소는 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함한다.
음극활물질층에는 천연흑연, 인조흑연, MPCF, MCMB, PIC, 페놀 수지 소성체, PAN계 탄소섬유, 석유코크(Petroleum coke), 활성화카본(Activated carbon), 그라파이트(Graphite) 등의 탄소질 물질, 폴리아센과 같은 도전성 고분자, 리튬 금속, 리튬 합금 등의 리튬계 금속 등이 있다.
상기 흑연의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 무정형상, 평판상, 박편 모양, 분립자상 등이 가능하다. 흑연의 평균 입경은 0.1 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 40㎛, 더욱 바람직하게는 2 내지 30㎛이다. 또한, 상기 흑연에 실리콘 또는 주석을 혼합, 분쇄 및 소성하여 실리콘-흑연 복합 활물질 또는 주석-흑연 복합활물질을 사용할 수도 있다. 이때 실리콘 또는 주석 입자의 크기는 0.1 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 2㎛이며, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1㎛ 정도이다.
상기 도전재층은 전극활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 1㎛ ~ 10㎛의 두께로 형성된다. 도전재층의 두께가 1㎛ 미만일 경우 도전성이 설정치에 미치지 못할 우려가 있고, 두께가 10㎛를 초과할 경우 전지의 부피가 필요 이상으로 증대될 우려가 있다.
상기 도전재층을 이루는 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 흑연계 물질, 도전성 섬유, 금속 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커, 도전성 금속 산화물, 그 외에 다양한 도전성 소재 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 도전성 탄소일 수 있다.
상기 도전성 탄소는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙으로 이루어진 카본블랙 또는 결정구조가 그라펜이나 그라파이트를 포함하는 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합 물질일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 발명에서 상기 도전성 입자는 형상 측면에서 구형 입자, 섬유상 입자 등 광의의 입자상 형태를 모두 포함하는 개념이다.
한편, 본 발명의 도전재층에는 전극집전체와 전극활물질층 간의 접착력을 향상시키기 위해 바인더가 포함된다.
따라서, 본 발명에 따른 도전재층을 포함하는 이차전지는 사이클 특성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 전기전도성을 가지므로 고용량이며 고속 충전이 가능한 바, 일반적으로 예상하는 물성 이상의 현저한 효과 상승이 얻어지는 것으로 확인되었다.
상기 바인더는 도전재층을 이루기 위한 조성물 총량의 5 내지 10wt%로 이루어진다. 상기 바인더의 함량이 너무 많을 경우에는 상대적으로 도전재 성분의 함량이 감소하게 되어 소망하는 전기전도성 향상의 효과를 얻기 어려우며, 반대로 그 양이 너무 적을 경우에는 전극활물질 상호간 또는 전극 합제의 집전체에 대한 접착력이 약해질 수 있다.
본 발명은 또한 이차전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명의 이차전지용 전극의 제조방법은 전극집전체 상에 도전성 용액을 이용하여 도전재층을 코팅하는 제1코팅단계, 상기 도전재층 위에 전극활물질층을 코팅하는 제2코팅단계로 구분되며, 각각의 코팅단계에는 도전재 코팅용 제1코터와 전극활물질 코팅용 제2코터가 적용된다.
이때, 전극집전체에 도전재가 코팅된 후 용매가 건조되기 전에 전극활물질의 코팅작업이 이루어지는 것이 바람직하므로, 상기 제1코팅단계와 제2코팅단계는 1시간 내에 진행한다.
상술한 이차전지용 전극의 제조방법을 수행하기 위한 장치가 도 2에 도시되어 있으며, 이를 참조하여 전극의 제조과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
전극집전체(11)는 시작과 끝단의 권출/권취기(도시 생략)에 의해 롤(roll) 형태로 감겨진 상태에서 슬러리 즉, 도전재 및 활물질의 도포를 위해 풀리고 도포 후에는 다시 롤 형태로 감기게 된다.
즉, 권출기(도시 생략)에서 통상 롤 형태로 감겨 일정 너비로 공급되는 전극집전체(11)가 제1코팅롤러(20)에 의해 안내되어 평면상으로 풀리면서 그 일면에는 제1다이코터(30)로부터 제공되는 도전재 용액이 도포되고, 계속해서 제2코팅롤러(40)에 의해 안내되면서 제2다이코터(50)로부터 도전재 용액 위에 활물질이 도포된다. 이와 같이 전극집전체는 그 일면에 도전재 및 활물질이 순차적으로 도포되면 건조기(도시 생략)를 거쳐 권취기(미도시)에서 다시 감기게 된다.
이때, 이차전지의 전극조립체 전체에서 고르게 충방전이 이루어지고, 작은 용적에 더 많은 활물질을 포함시키기 위해서는, 전극조립체가 고르게 감긴 형태를 유지하는 것이 필요하다. 전극조립체가 고르게 감긴 형태를 이루기 위해서는 전극집전체에 도포된 슬러리의 두께가 일정하게 진행되는 것이 요구된다.
이에 따라 본 발명에서는, 각각의 다이코터가 슬러리 탱크(미도시)에서 슬러리를 공급받아 슬릿 형태로 길게 형성된 다이를 통해 슬러리를 고르게 뿌려주는 역할을 한다. 다이코터의 일측에서 전극집전체(11)가 일정하게 지나가므로 전극집전체(11) 표면에는 일정 두께의 도전재층(12) 및 활물질(13)이 부착 형성될 수 있다.
10 ; 전극 11 ; 전극집전체
12 ; 도전재층 13 ; 전극활물질층
20 ; 제1코팅롤러 30 ; 제1다이코터
40 ; 제2코팅롤러 50 ; 제2다이코터

Claims (16)

  1. 전극집전체 및 전극활물질층을 포함하는 이차전지용 전극에 있어서,
    상기 전극은 전극집전체와 전극활물질층 사이에 도전재층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전재층의 두께는 1마이크로미터 ~ 10마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전재층은 도전성 탄소, 도전성 섬유, 금속 분말, 도전성 위스키, 도전성 금속 산화물 중 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도전재층은 바인더 용액을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바인더 용액은 도전재층을 이루기 위한 조성물 총량의 5중량% ~ 10중량%가 첨가되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 도전성 탄소는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙으로 이루어진 카본블랙 또는 결정구조가 그라펜이나 그라파이트를 포함하는 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합 물질인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극활물질층에는 전극활물질 전체 중량에 대해 1중량% ~ 5중량%의 바인더가 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극활물질층은 양극활물질층인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극활물질층은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물 및 이들에 타원소가 치환 또는 도핑된 산화물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 리튬 함유 금속 산화물이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 타원소는 Al, Mg, Ni, Co, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Bi로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극활물질층은 음극활물질층인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 음극활물질층은 소프트카본, 그라파이트, 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 카본계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  13. 이차전지용 전극의 제조방법으로서,
    전극집전체 상에 도전성 용액을 이용하여 도전재층을 코팅하는 제1코팅단계;
    상기 도전재층 위에 전극활물질층을 코팅하는 제2코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이차전지용 전극의 제조방법은, 도전성 용액 코팅용 제1코터와 전극활물질 코팅용 제2코터를 포함하는 다이코팅인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1코팅단계와 제2코팅단계는 1시간 내에 진행하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
KR1020100115380A 2010-11-19 2010-11-19 이차전지용 전극, 그 제조방법 및 이를 포함한 이차전지 KR20120054143A (ko)

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KR1020100115380A KR20120054143A (ko) 2010-11-19 2010-11-19 이차전지용 전극, 그 제조방법 및 이를 포함한 이차전지

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190006513A (ko) * 2016-05-12 2019-01-18 에리 파워 가부시키가이샤 비수전해질 이차전지용 양극 및 비수전해질 이차전지

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