KR20160050283A - 다층 구조의 이차전지용 전극의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층 구조의 이차전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서, (a) 제 1 전극 활물질을 포함하는 제 1 전극 슬러리 및 제 2 전극 활물질을 포함하는 제 2 전극 슬러리를 준비하는 과정; (b) 전극 집전체의 표면에 제 1 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 1 전극 합제층을 형성하는 과정; (c) 제 1 전극 합제층의 표면에 제 2 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 2 전극 합제층을 형성하는 과정; 을 포함하고, 상기 과정(b)의 제 2 전극 슬러리의 압연 강도는 과정(c)의 제 1 전극 슬러리의 압연 강도의 40% 내지 95%인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

다층 구조의 이차전지용 전극의 제조방법{Preparation Method of Multilayer Electrode for Secondary Battery}
본 발명은 다층 구조의 이차전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있어 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 넣고, LiPF6 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 충전 시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입되고, 방전시에는 반대로 음극 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 이때 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 한다. 이러한 리튬 이차전지는 기본적으로 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.
상기 비수성 전해액은 리튬 이차전지 제조의 마지막 단계에서 전지 내로 투입되는데, 이때 전극이 전해액에 의해 신속하고 완전하게 습윤화 되어야만 전지 제조에 소모되는 시간을 단축시키고 전지 성능을 최적화할 수 있다.
그러나, 전극의 제조를 위해 압연 등에 의해 전극을 압축시킬 경우 전극 밀도는 높아지지만 부피 감소로 인해 전극의 공극률(porosity)이 감소하게 되며 전해액의 함침 특성이 나빠지게 된다. 이러한 경우 전해액이 전극 내부로 제대로 침투하지 못하고 전극과의 접촉성도 저하되므로 전해액과의 실질적인 접촉 면적이 상대적으로 감소하게 된다. 따라서 이 리튬 이온의 전달 경로가 제한되어 충분한 전지 용량을 얻을 수 없게 되고 고속 충방전시에 성능도 저하되는 등의 문제가 발생한다.
이러한 전극의 저조한 함침 특성을 해결하기 위한 종래의 기술로는 다음과 같은 것들이 있다.
일본 특허 공개 제1994-060877호는 음극 표면에 플라즈마 처리를 하거나 습윤제(wetting agent)를 흡착시켜 전해액의 함침성을 향상시킨 것으로서, 플라즈마 처리를 함으로써 전극 표면을 거칠게 만들거나 습윤제를 흡착시켜 전극과 전해액의 계면장력을 감소시켜 함침성을 개선시켰다.
일본 특허 공개 제1999-086849호는 전극이 작동시에 온도 상승으로 전극 재료가 팽창하면 전해액이 부족해지는 현상이 발생하므로 전극 제조시에 고온의 전해액 및 전극 재료를 사용하여 조립하여 이러한 문제를 해결하고 전해액의 함침성도 개선시켰다.
상기 종래 기술들은 전극의 표면을 개질하거나 온도를 변화시켜 함침성을 개선하려는 것들로서 나름대로 효과가 있으나, 압연 등에 의해 공극률 자체가 감소하여 전해액과 접촉 가능한 표면 자체가 줄어드는 경우에는 별다른 대책이 없다는 단점이 있다.
따라서, 전극의 전해액에 대한 함침성을 증가시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극 합제층을 이층 구조로 하고, 각 전극 합제층의 압연 강도를 달리하여 집전체와 먼 부분에 위치하는 전극 합제층의 공극률을 집전체와 가까운 부분에 위치하는 전극 합제층의 공극률보다 크게 제조하는 경우, 전극의 전해액에 대한 함침성이 증가하여 이를 포함하는 이차전지의 성능이 향상되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 제조방법은,
(a) 제 1 전극 활물질을 포함하는 제 1 전극 슬러리 및 제 2 전극 활물질을 포함하는 제 2 전극 슬러리를 준비하는 과정;
(b) 전극 집전체의 표면에 제 1 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 1 전극 합제층을 형성하는 과정;
(c) 제 1 전극 합제층의 표면에 제 2 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 2 전극 합제층을 형성하는 과정;
을 포함하고,
상기 과정(b)의 제 2 전극 슬러리의 압연 강도는 과정(c)의 제 1 전극 슬러리의 압연 강도의 40% 내지 95%인 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 과정(b)의 제 2 전극 슬러리의 압연 강도는 과정(c)의 제 1 전극 슬러리의 압연 강도의 60% 내지 95%일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극은, 제 1 전극 슬러리를 도포하고 압연한 후, 다시 제 2 전극 슬러리를 도포하고 압연하는 방법으로, 제 1 전극 합제층과 제 2 전극 합제층이 압연률을 달리하여 따로 제조되므로, 압연 강도만으로 각 층의 공극률을 용이하게 조절할 수 있는 바, 상기 제 1 전극 활물질과 제 2 전극 활물질의 종류 및/또는 입자 체적은 동일하든지 상이하든지 제한이 없으나, 상세하게는, 공정의 간소화를 위해 동일할 수 있고, 활물질과 그 이외의 도전재, 바인더와 같은 물질의 혼합비인 제 1 전극 슬러리의 조성과 제 2 전극 슬러리의 조성 또한 동일할 수 있다.
여기서, 상기 입자 체적은 입자의 형태에 상관없이 그 입자가 자치하는 부피를 의미한다.
상기 제 1 전극 슬러리 및 제 2 전극 슬러리는, 제 1 전극 슬러리가 상대적으로 너무 두껍게 도포되는 경우 공극률이 작은 합제층의 두께가 두꺼워 전극 내부로의 전해액 침투가 용이하지 않고, 제 2 전극 슬러리가 상대적으로 너무 두껍게 도포되는 경우에는 전체적인 전극 밀도가 낮아지는 문제가 있으므로, 하나의 구체적인 예에서, 3:7 ~ 7:3의 두께비로 도포될 수 있다
한편, 제조된 각 전극 합제층의 공극률은 상기 압연 강도에 반비례하는 바, 제 1 전극 슬러리의 압연 강도가 제 2 전극 슬러리의 압연 강도보다 크므로, 제 1 전극 합제층의 공극률은 제 2 전극 합제층의 공극률보다 작을 수 있고, 이때, 상기 제 1 전극 합제층의 공극률은 제 2 전극 합제층의 공극률의 40% 내지 95%일 수 있고, 상세하게는 60% 내지 95%일 수 있다.
구체적으로, 제 1 전극 합제층의 공극률은, 15% 내지 30%일 수 있고, 상세하게는, 20% 내지 25%일 수 있으며, 상기 제 2 전극 합제층의 공극률은, 상기 제 2 전극 합제층의 공극률보다 큰 범위에서 20% 내지 40%일 수 있고, 상세하게는 25% 내지 30%일 수 있다.
상기 제 1 전극 합제층의 공극률이 15% 미만인 경우에는 공극률이 너무 작아 전해액이 집전체 표면까지 침투되기 어렵고, 30%를 초과하는 경우에는 전극 밀도가 매우 낮아지고, 집전체와 접촉하는 활물질의 양이 감소하는 바, 용량 및 출력 저하가 나타날 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 제 2 전극 합제층의 공극률이 20% 미만인 경우에는 전해액이 상기 제 1 전극 합제층까지 침투되기 어렵고, 40%를 초과하는 경우에는 전극 밀도가 낮아져 전지의 용량 저하가 나타날 수 있는 바, 바람직하지 않다.
즉, 본 발명은, 전극 표면부의 제 2 전극 합제층은 공극률을 일정 범위에서 높게 유지함으로써 전극 내부로의 전해액 함침성을 높이고, 이에 반해, 전극 내부의 제 1 전극 합제층은 공극률을 보다 작게 만들어 전극 밀도를 높임으로써, 전극의 전해액 함침성을 향상시킴과 동시에 에너지 밀도를 높여, 상기 전극을 포함하는 이차전지의 용량, 출력 특성, 및 충방전 속도 등을 향상시킬 수 있다.
한편, 이러한 제 1 전극 합제층과 제 2 전극 합제층은 각각의 전극 합제층이 별도로 도포, 압연되므로, 공극률의 차이를 가지면서 서로 혼합되지 않고 경계면을 이루고 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제조방법에 의해 제조된 이차전지용 전극을 제공한다.
이와 같이, 제조된 전극에서 상기 제 1 전극 활물질은 수직 단면상으로 장경이 집전체의 표면에 평행한 타원형 입자 형태일 수 있고, 상기 제 2 전극 활물질은 구형 입자 형태일 수 있다. 물론, 제 2 전극 활물질 역시 수직 단면상으로 장경이 집전체의 표면에 평행한 타원형 입자 형태일 수 있으며, 제 1 전극 활물질 및 제 2 전극 활물질이 모두 타원형 입자 형태일 경우에는 제 1 전극 활물질의 입자 장경이 제 2 전극 활물질의 입자 장경보다 클 수 있다.
이러한 제 1 전극 활물질과 제 2 전극 활물질의 입자 형태 차이는, 활물질의 제조방법 등의 차이로 인한 것일 수도 있지만, 동일하게 제조된 같은 활물질이라도 상기에서 설명한 바와 같이, 각각의 전극 합제층의 공극률을 다르게 조절하기 위해 전극의 압연 강도를 달리하는 것에 의할 수 있다.
즉, 활물질의 형태는 압연 공정시 인가되는 압력의 크기에 따라 달라지므로, 공극률이 작아야 하는 제 1 전극 합제층은 보다 높은 압력으로 압연하여 제 1 전극 활물질의 형태가 타원형으로 변하는 반면, 공극률이 커야 하는 제 2 전극 합제층은, 낮은 압력으로 압연하여 제 2 전극 활물질의 원래 입자 형태를 거의 유지할 수 있는 것이다.
한편, 상기 전극은, 양극 또는 음극일 수 있다.
상기 전극이 양극인 경우에는, 양극 집전체의 표면에 도포되어 있는 상기 제 1 전극 합제층 및 상기 제 1 전극 합제층 상에 도포되어 있는 제 2 전극 합제층은 양극 활물질로서 제 1 전극 활물질 및 제 2 전극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 포함하며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 포함하기도 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; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 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 양극 집전체는 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, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 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, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 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.
상기 전극이 음극인 경우에는, 음극 집전체의 표면에 도포되어 있는 상기 제 1 전극 합제층 및 상기 제 1 전극 합제층 상에 도포되어 있는 제 2 전극 합제층은 음극 활물질로서 제 1 전극 활물질 및 제 2 전극 활물질이 포함하며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등을 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 들 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극, 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성될 수 있고, 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고 상기 전해질을 투입하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 기타 성분들에 대해서는 이하에서 설명하다.
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 비수 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있고, 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다. 이차전지 및 전지팩 등의 제조방법들은 당업계에 공지되어 있으므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 디바이스는 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC를 포함하는 소형 디바이스; 전기차(Electric Vehicle: EV); 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle: HEV), 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV), 및 주행거리 연장형 전기차(Extended Range Electric Vehicle: EREV)를 포함하는 전기차; 및 E-bike 및 E-scooter를 포함하는 전기 이륜차;일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 제조방법은, 집전체 상에 제 1 전극 합제층을 형성하고, 상기 제 1 전극 합제층 상에 제 2 전극 합제층을 형성하되, 각 전극 합제층의 압연 강도를 달리하여 제 2 전극 합제층의 공극률을 제 1 전극 합제층의 공극률보다 크게함으로써, 활물질 입자의 종류나 체적, 또는 전극 슬러리의 조성을 상이하게 할 필요 없이, 전극 표면부의 공극률을 높게 유지하는 한편, 전극 내부의 공극률을 작게 만들 수 있어, 간단한 공정으로도 전극 내부로의 전해액 함침성을 높임과 동시에 전극 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 이를 기반으로 한 리튬 이차전지는 충방전 특성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 제조방법을 나타낸 모식도이다;
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 제조방법을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전극은, 먼저, 제 1 전극 활물질(130)을 포함하는 제 1 전극 슬러리(110) 및 제 2 전극 활물질(140)을 포함하는 제 2 전극 슬러리(120)를 준비하고, 전극 집전체(10)의 표면에 제 1 전극 슬러리(110)를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 1 전극 합제층(110’)을 형성한 다음, 제 1 전극 합제층(110’)의 표면에 제 2 전극 슬러리(120)를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 2 전극 합제층(120’)을 형성함으로써 제조된다. 이때, 제 2 전극 슬러리의 압연 강도는 제 1 전극 슬러리의 압연 강도의 40% 내지 95%로 한다.
그 결과, 도면에서 보는 바와 같이, 제 1 전극 합제층(110)의 제 1 전극 활물질(130)는 입자의 형태가 타원형으로 변형되고, 제 2 전극 합제층(120)의 제 2 전극 활물질(140)은 그것의 형태가 유지되며, 제 1 전극 합제층(110)의 공극률이 제 2 전극 합제층(120)의 공극률보다 작아지게 된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (a) 제 1 전극 활물질을 포함하는 제 1 전극 슬러리 및 제 2 전극 활물질을 포함하는 제 2 전극 슬러리를 준비하는 과정;
    (b) 전극 집전체의 표면에 제 1 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 1 전극 합제층을 형성하는 과정;
    (c) 제 1 전극 합제층의 표면에 제 2 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하고 압연하여 제 2 전극 합제층을 형성하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 과정(b)의 제 2 전극 슬러리의 압연 강도는 과정(c)의 제 1 전극 슬러리의 압연 강도의 40% 내지 95%인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)의 제 2 전극 슬러리의 압연 강도는 과정(c)의 제 1 전극 슬러리의 압연 강도의 60% 내지 95%인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 활물질 및 제 2 전극 활물질의 종류 및/또는 입자 체적은 동일한 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 슬러리의 조성과 제 2 전극 슬러리의 조성이 동일한 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 합제층의 공극률이 제 2 전극 합제층의 공극률보다 작은 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 합제층의 공극률은 15% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극 합제층의 공극률은, 제 1 전극 합제층의 공극률보다 큰 범위에서 20% 내지 40%인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 합제층의 공극률은 제 2 전극 합제층의 공극률의 40 ~ 95%인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 합제층 및 제 2 합제층은 서로 혼합되지 않고 경계면을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 슬러리 및 제 2 전극 슬러리는 3:7 ~ 7:3의 두께비로 도포되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 2 전극 활물질은 구형 입자 형태이고, 제 1 전극 활물질은 수직 단면상으로 장경이 집전체의 표면에 평행한 타원형 입자 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  13. 제 12 항에 따른 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  14. 제 13 항에 따른 리튬 이차전지를 단위전지로 하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC를 포함하는 소형 디바이스; 전기차(Electric Vehicle: EV); 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle: HEV), 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV), 및 주행거리 연장형 전기차(Extended Range Electric Vehicle: EREV)를 포함하는 전기차; 및 E-bike 및 E-scooter를 포함하는 전기 이륜차;인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018070703A1 (ko) * 2016-10-12 2018-04-19 주식회사 엘지화학 각 층의 바인더의 함량과 활물질 입경이 상이한 다층 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2018097594A1 (ko) * 2016-11-23 2018-05-31 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20180058197A (ko) * 2016-11-23 2018-05-31 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
CN113196539A (zh) * 2018-12-14 2021-07-30 库伯格股份有限公司 用于高能电池的离子液体基电解质系统
WO2023162766A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 二次電池用電極および二次電池
WO2023229299A1 (ko) * 2022-05-24 2023-11-30 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070046126A (ko) * 2004-07-27 2007-05-02 옥시스 에너지 리미티드 전지 내의 개선된 전극 구조물

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070046126A (ko) * 2004-07-27 2007-05-02 옥시스 에너지 리미티드 전지 내의 개선된 전극 구조물

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108701810A (zh) * 2016-10-12 2018-10-23 株式会社Lg化学 各层中具有不同粘合剂含量和不同活性材料粒径的多层负极以及包括该多层负极的锂二次电池
KR20180040268A (ko) * 2016-10-12 2018-04-20 주식회사 엘지화학 각 층의 바인더의 함량과 활물질 입경이 상이한 다층 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
CN108701810B (zh) * 2016-10-12 2021-07-16 株式会社Lg化学 多层负极以及包括该多层负极的锂二次电池
WO2018070703A1 (ko) * 2016-10-12 2018-04-19 주식회사 엘지화학 각 층의 바인더의 함량과 활물질 입경이 상이한 다층 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
US10910639B2 (en) 2016-10-12 2021-02-02 Lg Chem, Ltd. Multi-layer negative electrode with different binder content and different particle size of active material in each layer and lithium secondary battery comprising the same
KR20180058197A (ko) * 2016-11-23 2018-05-31 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
US10693182B2 (en) 2016-11-23 2020-06-23 Lg Chem, Ltd. Positive electrode for secondary battery, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery including same
CN108604674A (zh) * 2016-11-23 2018-09-28 株式会社Lg化学 二次电池用正极、其制造方法以及包含该正极的锂二次电池
CN108604674B (zh) * 2016-11-23 2021-04-23 株式会社Lg化学 二次电池用正极、其制造方法以及包含该正极的锂二次电池
WO2018097594A1 (ko) * 2016-11-23 2018-05-31 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
CN113196539A (zh) * 2018-12-14 2021-07-30 库伯格股份有限公司 用于高能电池的离子液体基电解质系统
KR20210107720A (ko) * 2018-12-14 2021-09-01 큐버그, 아이엔씨. 고 에너지 배터리를 위한 이온성 액체 기반 전해질용 시스템
US11777087B2 (en) 2018-12-14 2023-10-03 Cuberg, Inc. System for an ionic liquid-based electrolyte for high energy battery
WO2023162766A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 二次電池用電極および二次電池
WO2023229299A1 (ko) * 2022-05-24 2023-11-30 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

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