KR20170030174A - 제조 공정성이 향상된 이차전지용 전극 - Google Patents

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KR20170030174A
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Abstract

본 발명은 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 함유하는 전극 합제가 도포된 상태로 압연(rolling)된 구조의 이차전지용 전극으로서, 상기 집전체는 적어도 일면에 제 1 표면 거칠기(first roughness)를 형성하도록 표면처리 되어 있는 하나 이상의 제 1 영역(first region); 및 상기 제 1 영역으로부터 연장되어 있고, 상기 제 1 표면 거칠기 보다 상대적으로 큰 제 2 표면 거칠기(second roughness)를 형성하도록 표면처리 되어 있는 하나 이상의 제 2 영역(second region);을 포함하는 이차전지용 전극을 제공한다.

Description

제조 공정성이 향상된 이차전지용 전극 {Electrode for Secondary Battery with Improved Production Processability}
본 발명은 제조 공정성이 향상된 이차전지용 전극에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 전극집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
한편, 이차전지는 충전 및 방전이 진행됨에 따라 전극의 부피가 팽창하게 되는데, 이때, 전극의 부피 변화에 의해 전극 합제층과 집전체 표면이 서로 이격될 수 있다.
이러한 이격 현상에 의해, 전극 저항이 증가하게 되고, 결국에는 전극의 성능 저하로, 전지의 충방전 용량 및 수명 특성이 감소하기도 한다.
특히, 집전체와 전극 합제의 이격 현상은 전극 합제층의 단부측이 가장 취약하며, 경우에 따라서는 전극 합제가 집전체 표면으로부터, 상기 단부를 통해 집전체 외측으로 슬라이딩(sliding)되기도 한다.
이와 같이 전극 합제가 집전체로부터 이탈될 경우, 전극의 단락을 유발하여 전지셀의 발화 또는 폭발과 같은 심각한 안전성 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 전극 합제가 집전체 상에서 공고히 고정되면서도, 전극이 최적의 성능을 발현할 수 있는 기술의 필요성이 매우 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, 이후 설명하는 바와 같이, 표면 전반에 걸쳐 특정 몰포로지의 표면 거칠기가 형성되도록 집전체를 표면처리를 한 후, 전극 합제를 도포하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극은 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 함유하는 전극 합제가 도포된 상태로 압연(rolling)된 구조의 이차전지용 전극으로서,
상기 집전체는 적어도 일면에 제 1 표면 거칠기(first roughness)를 형성하도록 표면처리 되어 있는 하나 이상의 제 1 영역(first region); 및
상기 제 1 영역으로부터 연장되어 있고, 상기 제 1 표면 거칠기 보다 상대적으로 큰 제 2 표면 거칠기(second roughness)를 형성하도록 표면처리 되어 있는 하나 이상의 제 2 영역(second region);
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 전극 합제는 전극 활물질, 도전재, 바인더 등을 유기용매에 혼합하여 슬러리로 만든다. 이 경우, 충방전 과정에서 발생하는 전극의 부피 변화에 따른 전극 활물질과 집전체 사이가 분리되는 것을 방지하기 위하여, 바인더 양을 증가시킬 수 있으나, 상대적으로 전극 활물질, 도전재의 양이 감소되어야 하므로, 전극의 전도성이 떨어지거나, 전지 용량이 저하되는 등의 문제점이 있다.
이와는 달리, 고 함량의 전극 활물질을 위해 바인더의 함량을 낮게 설정하는 경우에는 전극 합제의 접착력이 감소될 수 있으며, 그에 따라, 전극의 제조 및 이차전지의 제조 과정에서, 도포된 전극 합제층이 전극 탭이나 집전체 단부 방향으로 슬라이딩(sliding)되면서 전극의 제조 공정성이 저하될 수 있다.
이와 관련하여, 집전체 표면에서 전극 합제가 슬라이딩 되는 형태가 도 1에 도시되어 있다. 구체적으로, 전극(1)은 집전체(2), 전극 합제(4)를 포함하며, 집전체(2)에는 전극 탭(3)이 형성된 구조로 이루어져 있다. 여기서, 상기와 같이 전극 합제(4)와 집전체(2) 사이의 접착력이 낮을 경우에는 도 1에서와 같이, 집전체(2) 표면의 전극 합제(4)가 집전체(2)의 단부 방향으로 슬라이딩(sliding)되면서 소망하지 않는 전극의 형태로 제조될 수 있다.
또한, 전극이 이차전지에 적용된 상태에서는 반복적인 충방전으로 전극이 팽창하여 전극 합제와 집전체가 이격될 수 있고, 이러한 이격 현상이 심화되면, 이차전지에 가해지는 충격이나 진동 등에 의해 전극 합제가 도 1에서와 같이 슬라이딩 되면서, 상호 반대 극과 접촉되어 이차전지의 단락을 유발할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 특정 몰포로지의 표면 거칠기가 형성 되어 있는 집전체의 표면에 전극 합제가 도포되어 있으므로, 표면 거칠기가 포함하는 미세한 요철들이 전극 합제의 도포 표면적을 증가시켜 전극 활물질과 집전체의 접착력이 현저히 증가될 수 있으며, 결과적으로 상기한 이격 현상이 상당히 감소되어, 전지의 충방전 사이클 특성 향상 등 이차전지의 제반 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 일반적으로, 표면 거칠기가 크다는 것은 거친 정도, 예를 들어 표면의 마찰력이 강하다는 것을 의미하는 것으로서, 표면 거칠기의 수치가 크다는 의미는 아니다. 반대로 표면 거칠기가 작다는 것은 표면 마찰력이 약하다는 것을 의미하며 표면 거칠기의 수치가 작다는 의미는 아니다.
표면 거칠기의 수치(Ra)는 예를 들어 특정 몰포로지(morphology)의 미세요철 크기, 상세하게는, 미세요철들의 간격과 골의 깊이들의 평균으로 결정될 수 있으며, 표면 거칠기의 수치(Ra)는 소재에 따라 가장 강한 표면 마찰력을 나타낼 수 있는 임계 값이 존재하며 임계 값 이상에서는 오히려 표면 마찰력이 감소될 수 있다. 또한, 표면 거칠기는 일반적으로 마이크로미터를 기본 단위로 사용할 수 있다.
여기서 본 발명에 따른 전극은, 집전체의 제 2 영역에 상대적으로 큰 표면 거칠기, 즉, 제 2 영역에 상대적으로 강한 표면 마찰력이 형성될 수 있고, 제 1 영역에 상대적으로 작은 표면 거칠기, 즉, 제 1 영역에 상대적으로 약한 표면 마찰력이 형성되어 있으며, 제 2 영역에 도포된 전극 합제는 집전체 표면에 대해 상대적으로 강력한 접착력을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 전극은 표면 거칠기가 상대적으로 큰 제 2 영역에 의해 전극 및 이차전지의 제조 과정과 이차전지의 실제 사용 시, 집전체 표면으로부터 전극 합제층이 슬라이딩되거나 분리되는 현상이 방지될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 영역은 집전체의 일측 단부 및/또는 대향하는 타측 단부에 각각 인접한 부위에 형성되어 있고, 상기 제 1 영역은 제 2 영역을 제외한 나머지 집전체 표면에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 일측 단부와 타측 단부는 전극 집전체에서 전극 탭을 형성하는 부위일 수 있으며, 따라서, 제 2 영역은 집전체의 전극 탭 부위 및/또는 상기 탭 부위와 인접한 집전체 표면에 형성될 수 있다. 또한, 제 1 영역은 전극 탭들 사이에 위치한 집전체 표면일 수 있으며, 전극 합제가 도포되어 전극 합제층을 형성 할 수 있다.
상기 전극 합제는 제 1 영역 및 제 2 영역 중의 적어도 하나의 부위 상에 도포될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전극 합제는 제 1 영역의 전면과 상기 제 1 영역으로부터 연장되어 있는 제 2 영역의 일부에 도포될 수 있다. 여기서, 상기 제 2 영역의 일부란, 전극 탭 및/또는 이 전극 탭에 인접한 집전체의 단부측 표면의 일부를 의미한다.
이러한 구조에서는 전극 합제가 제 2 영역에서 전극 탭의 일부에도 도포되면서 전극 활물질이 고 함량으로 전극에 함유될 수 있고, 전극 탭의 높은 표면 거칠기에 의해 전극 합제가 전극 탭 방향으로 슬라이딩 되는 것이 방지될 수 있다. 경우에 따라서는 전극 합제는 제 2 영역 중, 전극 탭을 제외하고, 상기 전극 탭과 인접한 집전체의 단부측 표면에만 도포될 수도 있다.
상기 전극 합제가 도포되는 제 2 영역의 일부는 제 2 영역의 총 면적 대비 1% 내지 50%일 수 있다.
상기 면적 범위를 초과하는 경우, 전극 탭 상에도 다량의 전극 합제가 도포되어야 하므로 전극의 제조가 까다로울 뿐만 아니라, 이차전지의 제조 시, 전극 탭/전극 리드간 용접이 제약될 수 있으므로 바람직하지 않고, 상기 면적 범위 미만인 경우에는 전극에 포함되는 전극 활물질의 함량이 감소되므로 바람직하지 않다.
또 다른 예로서, 상기 전극 합제는 제 2 영역을 제외한 제 1 영역의 전면에만 전극 합제가 도포될 수 있다. 이 경우에는, 제 1 영역에 도포된 전극 합제가 슬라이딩 되더라도, 제 1 영역으로부터 연장된 제 2 영역에 의해 전극 합제가 제 2 영역 이상으로 슬라이딩되는 현상이 방지될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 표면 거칠기(Ra)는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 크기의 몰포로지를 가지고, 제 2 영역에는 상기 몰포로지를 가지는 미세요철들이 형성될 수 있다.
즉, 제 2 영역에는 상대적으로 큰 미세 요철들이 형성되면서 집전체의 일부에 거친 표면을 형성하고, 그로 인해 제 2 영역에는 전극 합제에 대해 강한 표면 마찰력이 형성될 수 있다.
상기 제 2 표면 거칠기가 상기 크기 범위 미만에서는 전극 합제의 슬라이딩을 억제할 수 있는 표면 마찰력이 형성되지 않는 바, 바람직하지 않고, 이와 마찬가지로, 상기 크기 범위를 초과하는 경우에도, 전극 합제의 슬라이딩을 방지할 수 있는 표면 마찰력이 형성되지 않는다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 임계 값 이상에서는 오히려 표면 마찰력이 감소될 수 있는 점에 기인한다. 또한, 상기 제 2 표면 거칠기가 상기 몰포로지 범위를 크게 벗어나는 경우, 집전체 표면의 상대적으로 커다랗게 형성된 미세요철들로 인해 집전체의 구조적 안정성, 예를 들어 집전체에 가해지는 압력이나 응력에 대한 완화 효과가 상당히 낮고, 집전체의 기계적 강성 또한 저하되므로 바람직하지 않다.
여기서, 제 2 영역에는 상대적으로 커다랗게 형성된 미세 요철 내에 전극 합제가 도포되어야 하나, 이와 같이 커다랗게 형성된 미세 요철에서는 다량의 전극 합제가 도포됨에도 불구하고, 전극 합제에 포함된 전극 활물질 입자들과 집전체 표면 사이의 평균 거리가 길어 전기 전도성이 낮은 단점이 있다.
따라서, 제 2 영역에 전극 합제가 도포될 경우, 이는 매우 제한적으로 이루어질 수 있고, 이는 앞서 설명한 바와 같이, 제 2 영역의 일부, 상세하게는 제 2 영역의 총 면적 대비 1% 내지 50%에서 전극 합제가 도포될 수 있다.
또한, 제 2 영역이 집전체에 너무 넓게 형성되어 다량의 전극 합제가 제 2 영역에 도포되는 경우 전극의 제반 성능이 저하될 수 있으므로, 제 2 영역은 상대적으로 좁은 면적으로 집전체 상에 형성될 수 있으며, 제 2 영역의 총 면적은 제 1 영역의 면적 대비 1% 내지 10%의 면적으로 설정될 수 있다.
상기 제 2 영역에 형성된 미세요철들의 간격은 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터이고, 미세요철의 골의 깊이는 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있다.
상기 제 1 표면 거칠기는 0.001 마이크로미터 내지 5 마이크로미터 크기의 몰포로지를 가지고, 제 1 영역에는 상기 몰포로지를 가지는 미세요철들이 형성될 수 있다.
상기 제 1 표면 거칠기가 너무 작으면, 미세 요철의 형성이 매우 어려울 뿐만 아니라, 집전체 상에 형성된 다수의 미세요철 골 또는 산에 전하가 집중되면서 전극 저항이 증가할 수 있으므로 바람직하지 않다.
반대로, 대부분의 전극 합제가 도포되는 제 1 영역의 제 1 표면 거칠기가 너무 크면, 전극 합제에 포함된 전극 활물질 입자들과 집전체 표면 사이의 평균 거리 또한 증가되어 집전체의 전기 전도성이 감소할 뿐만 아니라, 상대적으로 작은 미세 요철 내에서의 전극 활물질의 응력 분산 및 완화 효과가 저하되는 문제점이 발생할 수 있으므로, 바람직하지 않다.
상기 제 1 영역에 형성된 미세요철들의 간격은 0.001 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 미세요철의 골의 깊이는 0.001 마이크로미터 내지 10 마이크로미터일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전극은, 상대적으로 큰 표면 거칠기를 가진 제 2 영역에 의해 집전체의 단부측에 도포된 전극 합제층의 접착력이 제 1 영역의 전극 합제층 보다 상대적으로 강하게 형성되어 있고,
상기 제 2 영역에 도포된 전극 합제층에 의해, 전극 합제층 전체가 부동(immovable state, 不動) 상태를 유지할 수 있다. ,
즉, 본 발명에 따른 전극은, 제 2 영역에 도포된 전극 합제층의 접착력이 강하게 형성되어 있어, 상대적으로 집전체로부터 분리되기 쉬운 전극 합제층의 단부의 분리 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전극 합제층 전체가 전극 탭 방향으로 슬라이딩(sliding)되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 전극은 제 1 영역에만 전극 합제가 도포된 구조에서도, 상대적으로 큰 표면 거칠기를 가진 제 2 영역에 의해 전극 합제가 집전체 상에서 슬라이딩 되는 정도가 제약되어, 전극의 제반 성능이 저하되지 않는다.
한편, 본 발명에서 전극은, 집전체의 일면에 전극 합제가 도포되어 있는 단면 전극 또는 집전체의 양면에 전극 합제가 도포되어 있는 양면 전극일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 영역과 제 2 영역은 집전체의 양면에 형성되어 있고, 상기 전극은 전극 합제가 집전체의 양면에 도포된 양면 전극의 구조일 수 있다.
이와는 달리, 상기 제 1 영역과 제 2 영역은 집전체의 일면에만 형성되어 있고, 상기 전극은 전극 합제가 제 1 영역과 제 2 영역이 형성된 집전체의 일면에만 도포된 구조일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지용 전극을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 구체적으로, 집전체의 일면 또는 양면을 표면처리 하여 제 1 표면 거칠기를 가지는 제 1 영역을 형성하는 과정;
집전체의 일면 또는 양면을 표면처리 하여 제 2 표면 거칠기를 가지는 제 2 영역을 형성하는 과정; 및
표면 처리된 집전체에서, 제 1 영역의 전면 또는, 제 1 영역의 전면 및 제 2 영역의 일부에만 전극 합제를 도포하고 건조하는 과정;
을 포함할 수 있다.
여기서, 집전체에 표면을 처리하여 미세한 요철을 형성하는 방법은 당업계에 알려진 것이라면 크게 제한되는 것은 아니나, 본 발명에서와 같이 서로 다른 표면 거칠기의 제 1 영역과 제 2 영역을 집전체 표면에 정밀하게 형성시키기 위해서는 표면에 패턴이 기 형성되어 있는 롤러들을 집전체 상에 압연함으로써 이루어질 수 있다.
상기 롤러에 형성되어 있는 패턴은 양각 또는 음각으로 형성될 수 있으나, 상세하게는 양각으로 형성될 수 있다. 이러한 패턴은 집전체의 표면에 스크래치를 낼 수 있는 형상이라면 제한이 없으나, 패턴의 수직 단면은, 상세하게는, 다각형, 원형, 타원형 또는 슬릿 형상일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 이차전지는 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지셀일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 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 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 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 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 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 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 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 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 이차전지 팩, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 전지모듈 및 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극은 소정의 특정 몰포로지의 표면 거칠기가 형성 되어 있는 집전체의 표면에 전극 합제가 도포되어 있으므로, 표면 거칠기가 포함하는 미세한 요철들이 전극 합제의 도포 표면적을 증가시켜 전극 활물질과 집전체의 접착력이 현저히 증가될 수 있으며, 결과적으로 본 발명의 전극은 충방전 사이클 특성 향상 등 이차전지의 제반 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 전극은 또한, 표면 거칠기가 상대적으로 큰 제 2 영역에 의해 전극의 제조 과정 또는 이차전지의 제조 과정에서 집전체 표면으로부터 전극 합제층이 슬라이딩 및 분리되는 현상이 방지될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전극의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 집전체의 모식도이다;
도 3은 도 2의 집전체에서 제 1 영역과 제 2 영역을 확대한 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극의 모식도이다;
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극의 모식도이다;
도 7는 도 6의 집전체가 포함된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 집전체가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 제 1 영역과 제 2 영역의 확대 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 집전체(50)는 양면에 미세요철들(12, 22)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다. 여기서, 집전체(50)의 일측 단부에는 전극 탭(30)이 형성되어 있고, 전극 탭(30)과 인접한 단부측 표면과 나머지 집전체(50) 표면을 구획하는 가상의 선(a)을 기준으로 제 1 영역(10)과 제 2 영역(20)이 구획되어 있다.
즉, 제 2 영역(20)은 가상의 선(a)을 기준으로, 전극 탭(30) 및 이 전극 탭(30)과 인접한 집전체(50)의 표면이고, 제 1 영역(10)은 가상의 선(a)을 기준으로, 제 2 영역(20)을 제외한 나머지 집전체(50) 표면이며, 제 1 영역(10)과 제 2 영역(20)은 가상의 선(a)을 기준으로 서로에 대해 연장되어 있다.
제 1 영역(10)과 제 2 영역(20)에는 서로 다른 표면 거칠기를 가지는 미세요철들(12, 22)이 각각 형성되어 있다. 구체적으로, 제 1 영역(10)에는 제 1 표면 거칠기(first roughness)의 몰포로지를 가지는 미세요철들(12)이 형성되어 있고, 제 2 영역(20)에는 제 2 표면 거칠기(second roughness)의 몰포로지를 가지는 미세요철들(22)이 형성되어 있으며, 제 2 표면 거칠기는 제 1 표면 거칠기 보다 크다. 즉, 제 2 영역(20)에 형성된 미세요철(22)의 크기가 더 크고 제 1 영역(10)에 형성된 미세요철(12)의 크기가 제 2 영역(20)의 미세요철(22)과 비교하여 더욱 미세한 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에서는 표면 거칠기로 인한 집전체(50)의 표면 마찰력이 제 1 영역(10) 보다 제 2 영역(20)에서 더 강하게 형성된다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극이 도시되어 있다.
도 4을 도 2 및 도 3과 함께 참조하면, 전극은 전극 합제(110)가 집전체(50)의 양면에 각각 도포된 구조로 이루어져 있다. 여기서, 전극 합제(110)는 제 1 영역(10)의 전면과 전극 탭(30)을 제외한 제 2 영역(20)의 전면에 도포되어 있으며, 제 1 영역(10)에 도포되어 있는 제 1 전극 합제층(A)과 제 2 영역(20)에 도포되어 있는 제 2 전극 합제층(B)을 포함한다.
본 발명의 집전체(50)는 제 2 영역(20)에 상대적으로 큰 표면 거칠기, 즉 상대적으로 강한 표면 마찰력이 형성되어 있으므로, 제 2 영역(20)에 위치한 제 2 전극 합제층(B)은 집전체(50) 표면에 대해 상대적으로 강력한 접착력을 가지게 되며, 도 1에 도시된 전극과 달리, 제 2 영역(20)의 강한 표면 마찰력에 의해, 전극 합제층이 집전체(50) 표면으로부터 슬라이딩 되는 현상이 방지될 수 있다.
즉, 제 2 영역(20)에서 강력하게 접착되어 있는 제 2 전극 합제층(B)에 의해, 제 1 전극 합제층(A) 또한, 전극 탭(30) 방향이나 그 대향 방향, 또는 측면 방향으로 유동하지 않는 부동(immovable state, 不動) 상태를 유지할 수 있다.
이와는 달리, 도 5에 도시된 바와 같이, 전극(100a)은 전극 합제(110a)가 제 2 영역(20)을 제외한 제 1 영역(10)의 전면에만 도포된 구조일 수도 있다.
이러한 구조는, 제 1 영역(10)에 도포된 전극 합제(110a)에 외력이 인가되더라도, 제 2 영역(20)의 강한 표면 마찰력에 의해, 전극 합제(110a)가 제 2 영역(20) 이상으로 슬라이딩되는 현상이 억제된다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전체(210)와 전극이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 집전체(210)는 양면에 미세요철들(212, 222)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다. 여기서, 집전체(210)의 일측 단부에는 전극 탭(230)이 형성되어 있고, 전극 탭(230)과 인접한 단부측 표면과 나머지 집전체(210) 표면을 구획하는 가상의 선(c)을 기준으로 제 1 영역(210)과 제 2 영역(220a)이 구획되어 있다.
또한, 집전체(210)는 가상의 선(c)과 대향하는 집전체(210)의 타측 단부로부터 일정거리로 평행하게 이격되어 있는 가상의 선(c')을 기준으로 제 1 영역(210)과 또 다른 제 2 영역(220b)이 구획되어 있다.
즉, 집전체(210)는 하나의 제 1 영역(210)과 양 단부측 표면에 구획된 한 쌍의 제 2 영역들(220a, 220b)을 포함하며, 이 경우, 제 1 영역(210)은 제 2 영역들(220a, 220b) 사이에 위치하게 되며, 제 1 영역(210)과 제 2 영역들(220a, 220b)은 가상의 선(c, c')을 기준으로 서로에 대해 연장되어 있다.
제 1 영역(210)과 제 2 영역들(220a, 220b)에는 서로 다른 표면 거칠기를 가지는 미세요철들(212, 222)이 형성되어 있다. 구체적으로, 제 1 영역(210)에는 제 1 표면 거칠기(first roughness)의 몰포로지를 가지는 미세요철들(212)이 형성되어 있고, 제 2 영역들(220a, 220b)에는 제 2 표면 거칠기(second roughness)의 몰포로지를 가지는 미세요철들(222)이 형성되어 있으며, 제 2 표면 거칠기는 제 1 표면 거칠기 보다 크다. 즉, 제 2 영역들(220a, 220b)에 형성된 미세요철들(222)의 크기가 더 크고 제 1 영역(210)에 형성된 미세요철들(212)의 크기가 제 2 영역들(220a, 220b)의 미세요철(222)과 비교하여 더욱 미세한 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에서는 표면 거칠기로 인한 집전체(210)의 표면 마찰력이 제 1 영역(210) 보다 제 2 영역들(220a, 220b)에서 더 강하게 형성된다.
전극은 전극 합제(240)가 집전체(210)의 양면에 각각 도포된 구조로 이루어져 있다. 여기서, 전극 합제(240)는 제 1 영역(210)의 전면, 전극 탭(230)과 인접한 제 2 영역에서 전극 탭(230)을 제외한 제 2 영역(220a)의 전면에 도포되어 있다. 반면에, 전극 합제(240)는 가상의 선(c')에 인접한 제 2 영역(220b)의 일부에만 도포되어 있다.
이와 같이 도포된 전극 합제(240)는 제 1 영역(210)에 도포되어 있는 제 1 전극 합제층(E), 가상의 선(c)과 인접한 제 2 영역(220a)에 도포되어 있는 제 2 전극 합제층(D) 및 가상의 선(c)과 인접한 제 2 영역(220b)에 도포되어 있는 제 3 전극 합제층(F)을 포함한다.
본 발명의 집전체(210)는 제 2 영역들(220a, 220b)에 상대적으로 큰 표면 거칠기, 즉 상대적으로 강한 표면 마찰력이 형성되어 있으므로, 제 2 영역들(220a, 220b)에 위치한 제 2 전극 합제층(D)과 제 3 전극 합제층(F)은 집전체(210) 표면에 대해 상대적으로 강력한 접착력을 가지게 되며, 도 1에 도시된 전극과 달리, 제 2 영역들(220a, 220b)의 강한 표면 마찰력에 의해, 전극 합제층들이 집전체(210) 표면으로부터 슬라이딩 되는 현상이 방지될 수 있다.
즉, 제 2 영역들(220a, 220b)에서 강력하게 접착되어 있는 제 2 전극 합제층(D)과 제3 전극 합제층(F)에 의해, 제 1 전극 합제층(E) 또한, 전극 탭(230) 방향이나 그 대향 방향, 또는 측면 방향으로 유동하지 않는 부동(immovable state, 不動) 상태를 유지할 수 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 함유하는 전극 합제가 도포된 상태로 압연(rolling)된 구조의 이차전지용 전극으로서,
    상기 집전체는 적어도 일면에 제 1 표면 거칠기(first roughness)를 형성하도록 표면처리 되어 있는 하나 이상의 제 1 영역(first region); 및
    상기 제 1 영역으로부터 연장되어 있고, 상기 제 1 표면 거칠기 보다 상대적으로 큰 제 2 표면 거칠기(second roughness)를 형성하도록 표면처리 되어 있는 하나 이상의 제 2 영역(second region);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 집전체의 일측 단부 및/또는 대향하는 타측 단부에 각각 인접한 부위에 형성되어 있고,
    상기 제 1 영역은 제 2 영역을 제외한 나머지 집전체 표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전극은, 상대적으로 큰 표면 거칠기를 가진 제 2 영역에 의해 집전체의 단부측에 도포된 전극 합제층의 접착력이 제 1 영역의 전극 합제층 보다 상대적으로 강하게 형성되어 있고,
    상기 제 2 영역에 도포된 전극 합제층에 의해, 전극 합제층 전체가 부동(immovable state, 不動) 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 제 1 영역의 면적 대비 1% 내지 10%의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  5. 제 2 항에 있어서, 전극 합제는 제 1 영역 및 제 2 영역 중의 적어도 하나의 부위 상에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극 합제는 제 1 영역의 전면과 상기 제 1 영역으로부터 연장되어 있는 제 2 영역의 일부에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 영역의 일부는 제 2 영역의 총 면적 대비 1% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 표면 거칠기는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 크기의 몰포로지를 가지고, 제 2 영역에는 상기 몰포로지를 가지는 미세요철들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 영역에 형성된 미세요철들의 간격은 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터이고, 미세요철의 골의 깊이는 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 표면 거칠기는 0.001 마이크로미터 내지 5 마이크로미터 크기의 몰포로지를 가지고, 제 1 영역에는 상기 몰포로지를 가지는 미세요철들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 영역에 형성된 미세요철들의 간격은 0.001 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 미세요철의 골의 깊이는 0.001 마이크로미터 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역과 제 2 영역은 집전체의 양면에 형성되어 있고, 상기 전극은 전극 합제가 집전체의 양면에 도포된 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역과 제 2 영역은 집전체의 일면에만 형성되어 있고, 상기 전극은 전극 합제가 제 1 영역과 제 2 영역이 형성된 집전체의 일면에만 도포된 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    집전체의 일면 또는 양면을 표면처리 하여 제 1 표면 거칠기를 가지는 제 1 영역을 형성하는 과정;
    집전체의 일면 또는 양면을 표면처리 하여 제 2 표면 거칠기를 가지는 제 2 영역을 형성하는 과정; 및
    표면 처리된 집전체에서, 제 1 영역의 전면 또는, 제 1 영역의 전면 및 제 2 영역의 일부에만 전극 합제를 도포하고 건조하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 표면처리는 표면에 양각으로 패턴이 형성되어 있는 롤러를 집전체에 압연하여 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 패턴의 수직 단면은 다각형, 원형, 타원형, 또는 슬릿 형상인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지.
  18. 제 17 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 이차전지 팩.
  19. 제 17 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 전지모듈.
  20. 제 17 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
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