KR20140099709A - 전극조립체의 제조방법, 그 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

전극조립체의 제조방법, 그 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체의 제조방법, 그 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따라, 패턴화된 제 1 전극의 형성 단계, 정합 패턴화된 제 2 전극의 형성 단계 및 전극조립체의 형성 단계를 포함하는 전극조립체의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 다른 측면에 따라, 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극; 정합 패턴화된 다공성 분리막; 및 정합 패턴화된 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 포함하는 전극조립체가 제공된다. 본 발명의 방법에 따르면, 양 전극과 그 사이의 분리막의 결합력을 유지하면서 전지의 출력 성능이 크게 개선된 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 수득할 수 있다.

Description

전극조립체의 제조방법, 그 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자{Method for preparing electrode assembly, electrode assembly therefrom, and electrochemical device comprising the same}
본 발명은 전극조립체의 제조방법, 그 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
전기화학소자는 지속적인 연구에 의해 전극활물질로서 그의 여러 성능, 특히 출력이 크게 개선된 것들이 개발되어 왔다. 그러나, 전기화학소자에서 이러한 전극활물질들로는 여전히 부족한 출력을 나타내고 있는 바, 더욱 우수한 출력, 특히 순간적인 파워가 요구되는 소자를 위한 전극, 특히 양 전극들 사이에 분리막이 개재되어 있는 우수한 성능의 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 대해 여전히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이며, 전극조립체 내의 양쪽 전극활물질들이 서로 접촉하는 영역을 정합화하고 그 면적을 극대화함으로써 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자의 출력을 최대로 증가시키는 데 목적이 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따라, 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 패턴화된 제 1 전극활물질층과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화된 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 패턴화된 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층 사이에 분리막을 개재하고 압연함으로써 전극조립체를 형성하는 단계를 포함하는 전극조립체의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극; 상기 패턴화된 제 1 전극활물질층 위에 결합되어 있으며, 상기 제 1 전극활물질층의 패턴과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있는 다공성 분리막; 및 상기 다공성 분리막 위에 결합되어 있고, 상기 다공성 분리막의 패턴과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있는 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 포함하는 전극조립체가 제공된다.
본 발명의 방법에 따르면, 양 전극과 그 사이의 분리막의 결합력을 유지하면서 전지의 출력 성능이 크게 개선된 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극조립체의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극활물질층의 패턴화 공정을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극활물질층의 패턴화 공정을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극활물질층의 패턴화 공정을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극활물질층의 패턴화 공정을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 개략적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 개략적 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 개략적 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 개략적 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극조립체인 도 8의 확대된 개략적 단면도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극조립체의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따라, 전극조립체의 제조방법은 패턴화된 제 1 전극의 형성 단계(S1), 패턴화된 제 2 전극의 형성 단계(S2) 및 전극조립체의 형성 단계(S3)를 포함한다.
S1 단계에서, 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극을 형성한다.
제 1 전극활물질층은 당업계에 통상적으로 사용되는 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 바인더가 용매에 용해된 바인더 용액에 전극활물질 입자들을 분산시킨 슬러리를 전류집전체 상에 도포하고, 상기 용매를 제거함으로써 전극활물질층이 제조된다. 즉, 슬러리의 형성, 슬러리의 도포 및 전극활물질층의 형성과 같은 과정을 포함한다.
슬러리의 형성은 바인더가 용매에 용해된 바인더 용액에 전극활물질 입자들을 분산시킴으로써 달성된다. 즉, 원하는 전극활물질에 대해 적합한 바인더를 용매에 투입하여 용해시켜 바인더 용액을 생성시킨다. 그 다음, 생성된 바인더 용액에 상기 원하는 전극활물질 입자들을 첨가하고, 이 혼합물은 다시 믹서를 사용하는 교반 등의 방법에 의해 상기 전극활물질 입자들을 바인더 용액에 균일하게 분산시켜 슬러리를 제조한다.
전극활물질(즉, 양극활물질 및 음극활물질) 및 전류집전체(즉, 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체)는 특별히 제한되지 않으며, 이들은 당업계에 알려진 통상적인 방법 또는 그의 변형된 방법에 따라 준비할 수 있다.
상기 양극활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 -xO4(여기서, x 는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2 - xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하며, 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 전류집전체는 예컨대 약 3 내지 약 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 전류집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전류집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전재는 예컨대 양극활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 양극활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전류집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 양극활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 약 1 내지 약 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 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전류집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
또한, 음극은 음극 전류집전체 상에 음극활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 전류집전체는 예컨대 약 3 내지 약 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 전류집전체는, 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 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 전류집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극활물질은 예컨대 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)의 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 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
슬러리의 도포는 슬롯 다이 코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅 등 다양한 방법을 이용하여 연속적으로 또는 비연속적으로 수행할 수 있다. 특히, 생산성 측면에서 도포는 연속적으로 또는 동시에 개별적으로 수행하는 것이 바람직하다.
전극활물질층의 형성은 상기 도포된 슬러리로부터 용매를 제거하는 단계를 포함한다. 용매는 건조시킴으로써 제거될 수 있다. 전류집전체 위에 도포된 슬러리는 건조기 등을 사용함으로써 건조시켜 용매를 제거하여 전극을 수득한다.
제 1 전극활물질층은 여러 방식으로 패턴화된다. 이 패턴화는 궁극적으로 제 1 전극활물질층과 이후 형성되는 제 2 전극활물질층이 서로 마주보고 정합하도록 실시한다.
서로 마주보고 정합한다는 것은 소정의 표면 특징을 갖는 한면이 이 면에 대해 마주보고 있는 다른 면과 그 사이의 공간이 거의 또는 전혀 생기지 않고서 서로 접촉하는 상태를 의미한다.
패턴화에서, 상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층이 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있다면, 그 패턴화 형태는 서로에 대해 동일할 수도 있지만, 상이하게 정합될 수 있다.
상기 패턴화 형태가 서로 동일한 경우 반복적인 사이클 길이가 형성될 것이다. 또한, 전극활물질층의 깊이 및 동일한 패턴화 형태의 경우의 사이클 길이는 전극활물질층의 특성, 즉 전극활물질층을 이루고 있는 전극활물질의 종류와 함량, 바인더의 종류와 함량, 전극활물질과 바인더의 결합 양태, 분리막의 종류와 두께, 분리막과의 결합 양태, 패턴화 기기의 성능 등에 따라 달라질 것이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따른 전극활물질층의 패턴화 공정을 개략적으로 도시한다.
도 2를 살펴보면, 전류집전체(collector) 및 전극활물질층(active material layer)을 포함하는 전극(electrode)을 평탄한 롤(plain roller)과 패턴화 롤(patterned roller) 사이로 진행시킴으로써 상기 전극의 전극활물질층을 패턴화한다. 이 경우, 전극의 전극활물질층의 패턴화는 단지 하나의 전극의 전극활물질층을 패턴화할 수 있으며, 동일한 방법 또는 다른 방법을 통하여 상기 전극과 반대인 전극의 전극활물질층을 패턴화시키는 추가 과정이 필요하다. 또한, 이 패턴화 롤은 진행 방향으로 여러 개가 위치할 수 있어, 추가로 다양한 패턴화를 달성시킬 수도 있다.
도 3은 2개 이상의 패턴화 롤(patterned roller)과 그 사이에 지지 벨트(support belt)를 위치시킴으로써 2개 이상의 전극의 전극활물질층을 동시에 패턴화시킬 수 있다. 이 경우, 지지 벨트가 전극(즉, 전류집전체)과 접촉하고 이 전극을 이동 및 지지하는 수단이 되며, 하나의 지지 벨트의 양면에 2개의 전극이 이동할 수 있다. 이 2개의 전극은 지지 벨트가 지나가는 방향으로 마주보고 위치하는 2개 이상의 패턴화 롤에 의해 동시에 패턴화가 될 수 있다. 이러한 동시 패턴화는, 상기 패턴화 롤을 지지 벨트와 함께 여러 세트 형태, 예컨대 패턴화 롤, 전극, 지지 벨트, 전극, 패턴화 롤, 전극, 지지 벨트, 전극, 패턴화 롤 등의 순서로 동시에 2배수 이상의 전극을 패턴화할 수 있다. 또한, 이 패턴화 롤은 진행 방향으로 여러 개가 위치할 수 있어, 추가로 다양한 패턴화를 달성시킬 수도 있다.
도 4는, 전류집전체 및 전극활물질층을 포함하는 전극을 지지 벨트 위에 위치하면서 진행시키고, 이 진행에 따라 패턴화 커터(patterned cutter)에 의해 상기 전극의 전극활물질층을 패턴화한다. 이 경우, 전극의 전극활물질층의 패턴화는 단지 하나의 전극의 전극활물질층을 패턴화할 수 있으며, 동일한 방법 또는 다른 방법을 통하여 상기 전극과 반대인 전극의 전극활물질층을 패턴화시키는 추가 과정이 필요하다. 또한, 이 패턴화 커터는 진행 방향으로 여러 개가 위치할 수 있어, 추가로 다양한 패턴화를 달성시킬 수도 있다.
도 5는 2개 이상의 패턴화 커터(patterned cutter)와 그 사이에 지지 벨트(support belt)를 위치시킴으로써 2개 이상의 전극의 전극활물질층을 동시에 패턴화시킬 수 있다. 이 경우, 지지 벨트가 전극(즉, 전류집전체)과 접촉하고 이 전극을 이동 및 지지하는 수단이 되며, 하나의 지지 벨트의 양면에 2개의 전극이 이동할 수 있다. 이 2개의 전극은 지지 벨트가 지나가는 방향으로 마주보고 위치하는 2개 이상의 패턴화 커터에 의해 동시에 패턴화가 될 수 있다. 이러한 동시 패턴화는, 상기 패턴화 커터를 지지 벨트와 함께 여러 세트 형태, 예컨대 패턴화 커터, 전극, 지지 벨트, 전극, 패턴화 커터, 전극, 지지 벨트, 전극, 패턴화 커터 등의 순서로 동시에 2배수 이상의 전극을 패턴화할 수 있다. 또한, 이 패턴화 커터는 진행 방향으로 여러 개가 위치할 수 있어, 추가로 다양한 패턴화를 달성시킬 수도 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 여러 실시예에 따라 제조된 전극조립체의 개략적 단면도이다. 예컨대, 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴은 파형(wave), 사각형(tetragon), 삼각형(triangle), 사다리꼴(trapezoid) 등일 수 있다. 이 패턴은 전술된 패턴들로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합일 수 있다.
상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층을 동시에 또는 순차적으로 패턴화할 수 있다.
S2 단계에서, 정합 패턴화된 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 형성한다.
이 단계는 상기 제 1 전극활물질 입자와 다른 성분을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 S1 단계와 유사하거나 동일한 공정 절차를 사용할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극활물질층이 양극활물질 입자를 포함하는 경우, 제 2 전극활물질층은 음극활물질 입자를 포함할 수 있다. 반대로, 상기 제 1 전극활물질층이 음극활물질 입자를 포함하는 경우, 제 2 전극활물질층은 양극활물질 입자를 포함할 수 있다.
S2 단계에서 사용되는 전극활물질, 바인더, 용매 및/또는 도전제는 상기 S1 단계에서 예시된 것들을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 S1 단계 및 S2 단계는 별도의 슬러리 및 전극활물질을 제조하는 각 단계로서 제 1 및 제 2 전극활물질층을 제조할 수 있으며, 그 순서는 중요하지 않다. 즉, 상기 S1 단계 및 S2 단계의 순서는 바뀔 수 있다.
S1 단계와 S2 단계의 순서와 관계없이, 제 2 전극활물질층은 궁극적으로 제 1 전극활물질층과 서로 마주보고 정합되도록 패턴화한다.
S3 단계에서, 상기 S1 및/또는 S2 단계에서 패턴화된 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층 사이에 분리막을 개재하고 압연함으로써 전극조립체를 형성한다.
분리막은 당업계에 통상적으로 제조되는 분리막일 수 있다. 이 분리막은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아릴에테르케톤(polyaryletherketone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 사이클릭 올레핀 고폴리머(cyclic olefin copolymer), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 고분자막 또는 이들의 다중막, 직포 또는 부직포일 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
상기 분리막은, 무기물 입자, 및 상기 무기물 입자의 일부 또는 전부에 위치하여 상기 무기물 입자 사이를 연결 및 고정시키는 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바인더 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene, PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloro ethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-클로로트리플루오로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro ethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸 풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알코올(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸 셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸 수크로오스(cyanoethyl sucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC), 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 분리막은 필름 또는 액상의 형태로 개재될 수 있다. 분리막이 액상의 형태로 개재되는 경우, 분무(spray) 코팅, 딥(dip) 코팅, 슬롯(slot) 코팅, 다이(die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 그라뷰어(gravure) 코팅, 콤마(comma) 코팅 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합된 방식으로 개재될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극조립체인 도 8의 확대된 개략적 단면도이다. 도 10을 참고하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전극조립체는, 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극; 상기 패턴화된 제 1 전극활물질층 위에 결합되어 있으며, 상기 제 1 전극활물질층의 패턴과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있는 다공성 분리막; 및 상기 다공성 분리막 위에 결합되어 있고, 상기 다공성 분리막의 패턴과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있는 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 포함한다.
제 1 전극활물질층, 제 1 전극, 분리막, 제 2 전극활물질층 및 제 2 전극은 앞서 본원에서 전극조립체의 제조방법에 관하여 전술된 바와 같다.
제 1 전극은 제 1 전류집전체의 적어도 일면에 코팅되어 있으며, 제 1 전극활물질 입자들이 제 1 바인더에 의해 결착되어 있다. 제 2 전극은 제 2 전류집전체의 적어도 일면에 코팅되어 있으며, 제 2 전극활물질 입자들이 제 2 바인더에 의해 결착되어 있다. 제 1 전류집전체, 제 1 전극활물질 입자, 제 1 바인더, 제 2 전류집전체, 제 2 전극활물질 입자 및 제 2 바인더는 앞서 본원에서 전극조립체의 제조방법에 관하여 전술된 바와 같은 전류집전체, 전극활물질 입자, 바인더 등으로부터 선택될 수 있다.
제 1 전극활물질층은 양극활물질 입자를 포함하고, 제 2 전극활물질층은 음극활물질 입자를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전극활물질층은 음극활물질 입자를 포함하고, 제 2 전극활물질층은 양극활물질 입자를 포함할 수 있다.
제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴이 파형(wave), 사각형(tetragon), 삼각형(triangle) 및 사다리꼴(trapezoid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 측면에 따라 제조된 전극조립체는 전극활물질층의 두께를 예컨대 대칭적 또는 비대칭적 패턴화, 마주보는 양 전극활물질층들의 정합적 패턴화 등에 의해 다르게 함으로써 양극과 음극의 반응 면적을 증가시킴으로써 최종 조립된 전지의 고출력을 실현시킬 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 전술된 전극조립체를 포함하는 전기화학소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 전기화학소자에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (γ-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 전기화학소자는 전기화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차전지, 이차전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐퍼시터(capacitor) 등일 수 있다. 특히, 상기 이차전지 중 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (19)

  1. 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 패턴화된 제 1 전극활물질층과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화된 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 패턴화된 제 1 전극활물질층과 상기 패턴화된 제 2 전극활물질층 사이에 분리막을 개재하고 압연함으로써 전극조립체를 형성하는 단계
    를 포함하는 전극조립체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층이 양극활물질 입자를 포함하고, 상기 제 2 전극활물질층이 음극활물질 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층이 음극활물질 입자를 포함하고, 상기 제 2 전극활물질층이 양극활물질 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴이 서로 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴이 파형(wave), 사각형(tetragon), 삼각형(triangle) 및 사다리꼴(trapezoid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층을 동시에 또는 순차적으로 패턴화하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리막이 필름 또는 액상의 형태로 개재되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리막이 액상의 형태로 개재되는 경우, 분무(spray) 코팅, 딥(dip) 코팅, 슬롯(slot) 코팅, 다이(die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 그라뷰어(gravure) 코팅 및 콤마(comma) 코팅으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합된 방식으로 개재되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  9. 패턴화된 제 1 전극활물질층을 포함하는 제 1 전극;
    상기 패턴화된 제 1 전극활물질층 위에 결합되어 있으며, 상기 제 1 전극활물질층의 패턴과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있는 다공성 분리막; 및
    상기 다공성 분리막 위에 결합되어 있고, 상기 다공성 분리막의 패턴과 서로 마주보고 정합하도록 패턴화되어 있는 제 2 전극활물질층을 포함하는 제 2 전극을 포함하는 전극조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층이 양극활물질 입자를 포함하고, 상기 제 2 전극활물질층이 음극활물질 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층이 음극활물질 입자를 포함하고, 상기 제 2 전극활물질층이 양극활물질 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴이 서로 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 전극활물질층과 제 2 전극활물질층의 패턴이 파형(wave), 사각형(tetragon), 삼각형(triangle) 및 사다리꼴(trapezoid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 다공성 분리막이 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아릴에테르케톤(polyaryletherketone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 사이클릭 올레핀 고폴리머(cyclic olefin copolymer), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 고분자막 또는 이들의 다중막, 직포 또는 부직포인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 다공성 분리막이, 무기물 입자, 및 상기 무기물 입자의 일부 또는 전부에 위치하여 상기 무기물 입자 사이를 연결 및 고정시키는 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 무기물 입자가 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 바인더 고분자가 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene, PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloro ethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-클로로트리플루오로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro ethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸 풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알코올(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸 셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸 수크로오스(cyanoethyl sucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC), 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항의 전극조립체를 포함하는 전기화학소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전기화학소자가 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
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