KR20130102711A - 이차전지용 전극 가공장치 - Google Patents

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KR20130102711A
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Abstract

본 발명은, 이차전지용 전극 가공장치에 관한 것으로서, BPP(Beam Parameter Product)가 1.7 미만인 파이버 레이저를 발생시키는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저 빔의 직경을 조절하는 빔 익스팬더; 입사된 레이저 빔을 X축 및/또는 Y축 방향으로 편향시키는 레이저 빔 스캐너; 및 상기 레이저 빔 스캐너로부터 출사된 레이저 빔을 이차전지용 전극 상에 집속시키는 집속 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 가공장치에 관한 것이다.

Description

이차전지용 전극 가공장치{Device For Manufacturing Electrode For Lithium Secondary Battery}
본 발명은, 이차전지용 전극 가공장치에 관한 것으로서, BPP(Beam Parameter Product)가 1.7 미만인 파이버 레이저를 발생시키는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저 빔의 직경을 조절하는 빔 익스팬더; 입사된 레이저 빔을 X축 및/또는 Y축 방향으로 편향시키는 레이저 빔 스캐너; 및 상기 레이저 빔 스캐너로부터 출사된 레이저 빔을 이차전지용 전극 상에 집속시키는 집속 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 가공장치에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경 오염의 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로, 이차전지는 전극 집전체의 표면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 합침시키거나 고체 전해질을 사용하여 제조된다.
여기서, 전극조립체는 외형 케이스의 크기 및 형태와 사용되는 분야에서 요구되는 용량에 따라 다양한 크기로 제조되는데, 그러기 위해서는 전극조립체를 구성하는 전극 및 분리막을 소정의 크기로 재단하는 공정이 필수적이다.
전극 및 분리막의 절단공정으로는 다이와 펀치를 이용한 전단금형 기술이 많이 사용되고 있으나, 상기의 방법으로 금속 집전체와 활물질층으로 구성된 전극을 재단할 경우, 다음과 같은 문제점이 발생한다.
첫째, 전단금형으로 전극을 재단할 경우, 상기 전극의 전단면을 매끄럽게 하기 위하여 금형을 주기적으로 연마해 주어야 하는 번거로움이 발생한다. 또한, 금형을 주기적으로 연마를 해준다 하더라도, 전극의 단부면에 버(burr)가 발생될 가능성이 높기 때문에 이차전지의 안전성에 문제가 발생할 수도 있다. 즉, 전극의 단부면에 발생한 버는 전지의 조립과정 또는 작동 중 주기적인 팽창 및 수축 과정에서 분리막을 관통하여 반대 전극에 접촉함으로써 내부 단락을 유발할 수 있다.
둘째, 전단금형으로는 소망하는 크기의 전극을 정밀하게 재단하기 어렵기 때문에, 우선 전극을 대략적인 크기로 1차 절단한 다음 소망하는 크기로 2차 절단하는 2회의 절단공정을 사용하여 재단한다. 따라서, 공정회수가 늘어나게 되고, 결과적으로 제조시간 및 비용이 증가하게 된다.
셋째, 전단금형은 그 형태가 일정하기 때문에 다양한 크기 및 형태의 전극을 재단하는데 어려움이 있는 바, 새로운 크기 및 형태의 전극을 재단하기 위해서는 새로운 금형을 다시 제조해야 하므로 제조비용이 증가되는 단점을 가지고 있다.
넷째, 전단금형으로 전극을 재단할 경우, 전극의 절단 과정에서 다소 많은 양의 전극 분진이 발생하는 하는 바, 이러한 다량의 전극 분진은 전지에 혼입되어 전지의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하는 문제점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 공개특허공보 제2001-0007879호, 한국 공개특허공보 제2007-0064690호, 한국 공개특허공보 제2008-0101725호는 레이저를 이용한 이차전지 전극의 제조방법에 관한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기한 선행기술들은 이차전지 전극을 직선 절단하는 기술에 관한 것으로서, 특정한 형상을 가공하기에는 적합하지 않고, BPP(Beam Parameter Product)가 1.7 이상인 Nd:YAG 레이저, Nd:YVO4 레이저 등을 사용하므로, 가공효율이 좋지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이차전지용 전극을 소망하는 형상으로 가공하기에 적합하고, 가공효율이 우수한 이차전지용 전극 가공장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 하나의 목적은, 상기한 이차전지용 전극 가공장치를 이용하여 제조한 이차전지용 전극을 포함함으로써 안전성 및 공정성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.
일반적으로, BPP는 레이저 빔의 품질을 나타내는 척도로서, BPP가 낮을수록 빔 품질이 우수하다. 빔 품질은 가공에서 초점 크기와 깊이에 직접적인 영향을 보이며 가공 효율을 결정한다. 즉, 빔 품질이 뛰어난 레이저가 절단 등의 가공에서 유리하다.
본 발명의 이차전지용 전극 가공장치는, BPP가 1.7 미만인 파이버 레이저를 사용한다. 일반적으로, Nd:YAG 레이저, Nd:YVO4 레이저 등과 같은 고체 레이저에서는, 1.7 미만의 BPP 값을 기대할 수 없다. 따라서, 본 발명의 이차전지용 전극 가공장치는 종래기술에 비해 우수한 가공 품질을 발휘할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지용 전극 가공장치는,
BPP(Beam Parameter Product)가 1.7 미만인 파이버 레이저를 발생시키는 레이저 발진기;
상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저 빔의 직경을 조절하는 빔 익스팬더;
입사된 레이저 빔을 X축 및/또는 Y축 방향으로 편향시키는 레이저 빔 스캐너; 및
상기 레이저 빔 스캐너로부터 출사된 레이저 빔을 이차전지용 전극 상에 집속시키는 집속 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 파이버 레이저는 Nd:YAG 레이저, Nd:YVO4 레이저 등과 같은 고체 레이저에 비해 상대적으로 긴 길이의 이득매질을 사용하므로, 여기 과정에서 발생하는 열을 긴 길이에 걸쳐서 분산시킬 수 있어 현저한 열 방출 효과를 발휘하고, 회절 한계의 빔을 유지할 수 있으며, 소형화와 경량화가 가능한 장점 등을 가진다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 레이저 발진기는, 이득매질에 광 펌핑을 하기 위한 펌프 광원으로서 다이오드 펌프(Diode Pump), 거울과 같은 역할을 하는 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating) 및 상기 광섬유 격자 사이에 위치하는 희토류 원소 첨가 액티브 파이버(Rare Earth Resources dopped Active Fiber)를 포함하고 있다.
이득매질의 광섬유에 첨가하는 희토류 원소는 파장에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 특별히 제한되지 않으나, 대표적인 예로는, 에르븀(Erbium: Er), 이테르븀(Ytterbium: Yb) 및 네오디뮴(Neodymium: Nd) 등을 들 수 있다. 특히, 이테르븀 원소는 에너지 저장효과가 크고 광섬유에 고농도 첨가가 가능하여 이득매질의 길이를 단축할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 희토류 원소 첨가 액티브 파이버는 이테르븀 첨가 액티브 파이버일 수 있고, 상기 이테르븀 첨가 액티브 파이버 레이저는, 좋은 열적 특성을 갖고 있어서 펌프 에너지가 열로 바뀌는 비율이 15% 미만이고, 넓은 형광 폭과 낮은 양자결함을 갖고 있어서 초단 펄스 레이저 및 고출력 레이저로 동작하기에 우수한 장점이 있다.
이 경우, 상기한 파이버 레이저는, 1060nm 내지 1080nm 파장대의 파이버 펄스 레이저(Fiber Pulse Laser)로서, 펄스 에너지는 0.1 내지 1 mJ이고, 500 내지 1000 kHz의 펄스 반복율로 발진하며, 또한 펄스 폭은 20 내지 70 ns이고, 평균 출력이 150 내지 250 W인 파이버 펄스 레이저일 수 있으며, 대략 20 내지 30 ㎛의 초점 크기(spot size)를 가진다.
본 발명의 출원인들은, 상기 파이버 레이저는 대략 200 W의 출력으로 30 ns 또는 60ns의 펄스 폭을 구현할 수 있으므로, 절단 시 버(burr) 발생을 저감시켜 우수한 가공품질을 보이는 동시에, 전극에의 열 영향을 저감시킬 수 있어서 전극 또는 전극 활물질의 열손상을 최소화할 수 있고, 134±4 ㎛의 두께의 양극 절단 시, 최대 1000 mm/s의 가공속도를 발휘하며, 101±4 ㎛의 두께의 음극 절단 시, 최대 2500 mm/s의 가공속도를 발휘할 수 있음을 확인하였다.
이러한 결과는, 전극 가공 시 종래기술에 비해 현저히 우수한 전극 가공품질 및 공정성이 발휘됨을 입증하는 것이다.
또한, 본 발명의 이차전지용 전극 가공장치는, 빔 익스팬더에서 빔 직경이 조절된 레이저 빔이, X축 방향으로 레이저 빔을 편향시키는 X축 미러(mirror)와 Y축 방향으로 레이저 빔을 편향시키는 Y축 미러를 포함하고 있는 레이저 빔 스캐너로 입사하여 X축 및/또는 Y축 방향으로 편향됨으로써 소망하는 형상의 가공이 자유롭다.
따라서, 본 발명의 이차전지용 전극 가공장치는, 단순히 이차전지용 전극을 직선 절단하는 것 이외에 전극에서 불필요한 부분을 제거하는 노칭(notching)공정 및 전극 탭의 형상 가공이 가능하다. 그 결과, 본 발명의 이차전지용 전극 가공장치는, 별도의 노칭 설비 등이 구비함으로 인해 발생하는 비용을 감소시킬 수 있고, 가격 경쟁력이 우수한 이차전지를 제공할 수 있다.
또한, 노칭 설비 등이 설치된 장소로 전극을 이동시킬 필요가 없고, 한 공간에서 연속작업으로 후 공정을 진행시킬 수 있으므로, 공정성을 향상시키는 효과를 발휘한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 레이저 빔 스캐너는 갈바노미터 스캐너일 수 있고, 상기 집속 렌즈는 레이저 빔을 한군데로 모으기 위한 렌즈로서, 에프-쎄타 렌즈(f-theta lens)일 수 있다.
본 발명은 또한 상기한 이차전지용 전극 가공장치를 사용하여 제조한 이차전지용 전극 및 상기 이차전지용 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
상기한 이차전지용 전극은 NMP 등의 용매에 전극 활물질, 바인더, 도전제, 충진제 등을 선택적으로 혼합하여 만들어진 슬러리를 금속 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 금속 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 금속이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 집전체로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있으며, 음극 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 금속 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 제조되는데, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 접착력을 높일 수도 있고, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 리튬 이차전지는, 상기와 같은 방법으로 제조된 양극과 음극, 및 그 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체와, 리튬염 함유 비수계 전해질을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 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 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 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 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전제, 바인더, 충진제 등이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 재료는, 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 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; 크라프트지 등이 사용된다.
경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머 중 대표적인 것으로 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등이 있다.
전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 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 중합체 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, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 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 있다.
상기 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전지모듈을 중대형 디바이스의 전원으로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 및 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서와 같이, 본 발명의 전극 가공장치는, 현저히 우수한 전극 가공효율 및 전극 가공품질을 발휘하므로, 이를 이용하여 제조된 전극을 포함하는 이차전지는 안전성이 현저히 향상되는 효과를 발휘하는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전극 가공장치는, 공정성을 향상시키므로, 이를 이용하여 제조된 전극을 포함하는 이차전지는 우수한 가격 경쟁력을 가지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 가공장치를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 2는 본 발명의 전극 가공장치를 이용하여 가공한 양극과 음극의 사진이다;
도 3은 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 60 ns, 펄스 반복율 500 kHz, 가공속도 2500 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 음극의 전면 사진이다;
도 4는 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 60 ns, 펄스 반복율 500 kHz, 가공속도 2500 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 음극의 후면 사진이다;
도 5는 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 60 ns, 펄스 반복율 500 kHz, 가공속도 1000 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 양극의 전면 사진이다;
도 6은 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 60 ns, 펄스 반복율 500 kHz, 가공속도 1000 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 양극의 후면 사진이다;
도 7은 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 30 ns, 펄스 반복율 1000 kHz, 가공속도 2000 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 음극의 전면 사진이다;
도 8은 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 30 ns, 펄스 반복율 1000 kHz, 가공속도 2000 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 음극의 후면 사진이다;
도 9는 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 30 ns, 펄스 반복율 1000 kHz, 가공속도 1000 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 양극의 전면 사진이다;
도 10은 본 발명의 전극 가공장치를 펄스 폭 30 ns, 펄스 반복율 1000 kHz, 가공속도 1000 mm/s의 조건으로 설정하여 가공한 양극의 후면 사진이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상술하지만 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 가공장치의 모식도이다. 이를 참조하면, 전극 가공장치는, 레이저 발진기(100), 한 쌍의 렌즈들(210, 220)을 포함하는 빔 익스팬더(200), 입사되는 레이저 빔을 편향시키는 한 쌍의 미러들(310, 320)을 포함하는 레이저 빔 스캐너(300) 및 집속렌즈(400)을 포함한다.
이테르븀 액티브 파이버(Ytterbium Active Fiber)를 포함하는 레이저 발진기(100)로부터 출사된 BPP가 1.7 미만인 파이버 레이저 빔은, 빔 익스팬더(200)의 한 쌍의 렌즈들(210, 220)을 거쳐 직경이 확대되어 레이저 빔 스캐너(300)로 입사되고, 레이저 빔 스캐너(300)의 미러들(310, 320)을 거쳐 X축 및 Y축 방향으로 편향되며, 집속 렌즈(400)를 거쳐 전극(500)에 집속된다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술한다.
<실시예 1>
음극 활물질과 바인더 및 도전제를 일정 조성으로 NMP 용매에 혼합하여 제조된 슬러리를 Cu 호일에 코팅한 후 건조 및 압축하여 음극 시트를 제조하였다.
또한, 양극 활물질과 바인더 및 도전제를 일정 조성으로 NMP 용매에 혼합하여 제조된 슬러리를 Al 호일에 코팅한 후 건조 및 압축하여 양극 시트를 제조하였다.
출력 파장이 적외선(1064.5 nm)이고 이득매질이 이테르븀 첨가 액티브 파이버이며, BPP가 1.59 인 파이버 펄스 레이저를 출력 용량 200 W, 초점 크기 25 ㎛, 펄스 폭 30 ns 또는 60 ns, 및 펄스 반복율 1000 kHz 또는 500 kHz의 가공조건으로, 상기에서 준비된 음극 시트와 양극 시트를 가공하여 각각 양극과 음극을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1에서 제조된 전극들을 정밀 촬영하여 표면 상태를 확인하였다. 도 2 내지 10에는 이들의 사진이 개시되어 있다.
이들 사진으로부터, 본 발명의 전극 가공장치를 사용하여 전극을 가공한 경우, 전극 탭의 가공이 가능하고, 절단면이 매우 매끄러움을 알 수 있다. 이러한 부드러운 절단면은 분리막의 손상을 거의 유발하지 않는다.
본 발명의 전극 가공장치를 사용하여 양극 및 음극을 가공하는 경우, 전극의 손상 및 버(burr)의 발생을 최소화하면서 매끄럽게 절단되는 가공속도를 하기의 표 1에 정리하였다.
Figure pat00001

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. BPP(Beam Parameter Product)가 1.7 미만인 파이버 레이저를 발생시키는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저 빔의 직경을 조절하는 빔 익스팬더;
    입사된 레이저 빔을 X축 및/또는 Y축 방향으로 편향시키는 레이저 빔 스캐너; 및
    상기 레이저 빔 스캐너로부터 출사된 레이저 빔을 이차전지용 전극 상에 집속시키는 집속 렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 가공장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저는 파이버 펄스 레이저(Fiber Pulse Laser)인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 가공장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저의 매질은 이테르븀(Yb)이 첨가된 광섬유인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 가공장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저의 펄스 반복율은 500 내지 1000 kHz인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 가공장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저의 펄스 폭은 20 내지 70 ns인 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저의 출력 용량은 150 내지 250 W인 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저의 초점 크기(spot size)는 20 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 파이버 레이저의 펄스 에너지는 0.1 내지 1 mJ인 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 발진기는, 다이오드 펌프(Diode Pump), 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating) 및 상기 광섬유 격자 사이에 위치하는 이테르븀 액티브 파이버(Ytterbium Active Fiber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 빔 스캐너는, X축 방향으로 레이저 빔을 편향시키는 X축 미러(mirror)와 Y축 방향으로 레이저 빔을 편향시키는 Y축 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 빔 스캐너는 갈바노미터 스캐너인 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 렌즈는 에프-쎄타 렌즈(f-theta lens)인 것을 특징으로 하는 전극 가공장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전극 가공장치를 사용하여 제조한 이차전지용 전극.
  14. 제 13 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.

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