KR20170042175A - 전극 내 바인더 분포 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 내 바인더 분포 측정방법에 관한 것으로, 상세하게는 집전체 상에 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질 층이 형성되어 있는 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 1); 기판에 상기 전극의 활물질 층이 접하도록 고정하는 단계(단계 2); 상기 전극의 집전체에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 집전체를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 3); 상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 활물질 층의 일부를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하되, 이를 측정 한계까지 반복하는 단계(단계 4); 및 상기 단계 3 및 단계 4에서 측정한 측정 값을 통해, 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인하는 단계(단계 5);를 포함하는 전극 내 바인더 분포 측정방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정 방법은, 집전체 및 활물질 층에 제거용 테이프를 부착 후 이를 제거하는 과정을 집전체부터 활물질 층 말단까지 반복함으로써, 전극 두께 별로 접착 강도를 측정하는 방법을 사용하여 바인더의 분포를 보다 정확히 측정할 수 있고, 단시간 내에 저비용으로 측정이 가능한 장점이 있다.

Description

전극 내 바인더 분포 측정방법{METHOD FOR MEASURING DISTRIBUTION OF BINDER IN ELECTRODE}
본 발명은 전극 내 바인더 분포 측정방법에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질로 구성되며, 첫 번째 충전에 의해 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 카본 입자와 같은 음극 활물질 내에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등의 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달하는 역할을 하기 때문에 충방전이 가능하게 된다.
예를 들어, 리튬 이차전지는 전극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극과, 카본계 활물질을 포함하는 음극 및 다공성 분리막으로 이루어진 전극 조립체에 리튬 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극 합제를 알루미늄 호일에 코팅하여 제조되며, 음극은 카본계 활물질을 포함하는 음극 합제를 구리 호일에 코팅하여 제조된다.
상기 이차 전지의 물성을 균일성을 판단하기 위해서는, 상기 양극 합제 또는 음극 합제 내의 바인더의 분포를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 요구된다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0063632호
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 집전체부터 활물질 층 말단까지 전극 두께에 따른 접착 강도를 측정하여, 전극의 두께에 따른 바인더 분포의 측정 방법을 제공하는 것이다.
제2 기술적 과제는, 상기 전극 내 바인더의 측정 방법을 사용하여 전극 두께에 따라 바인더의 분포가 균일한 이차 전지를 제조하는 방법, 상기 제조방법에 따라 제조되는 이차 전지, 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 집전체 상에 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질 층이 형성되어 있는 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 1); 기판에 상기 전극의 활물질 층이 접하도록 고정하는 단계(단계 2); 상기 전극의 집전체에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 집전체를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 3); 상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 활물질 층의 일부를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하되, 이를 측정 한계까지 반복하는 단계(단계 4); 및 상기 단계 3 및 단계 4에서 측정한 측정 값을 통해, 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인하는 단계(단계 5);를 포함하는 전극 내 바인더 분포 측정방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제1항의 전극 내 바인더 분포 측정방법을, 조건을 달리하여 제조된 여러 개의 전극에 대하여 수행한 후, 두께에 따라 고른 바인더 분포를 나타내는 전극을 선정하는 단계를 포함하는 이차 전지 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정 방법은, 집전체 및 활물질 층에 제거용 테이프를 부착 후 이를 제거하는 과정을 집전체부터 활물질 층 말단까지 반복함으로써, 전극 두께 별로 접착 강도를 측정하는 방법을 사용하여 바인더의 분포를 보다 정확히 측정할 수 있고, 단시간 내에 저비용으로 측정이 가능한 장점이 있다.
도 1a)는 본 발명의 실시예에 따른 양극 A 및 양극 B의 전극 두께에 따른 접착 강도를 X축을 전극 두께로 하고, Y축을 접착 강도로 한 그래프, 도 1b)는 X축을 접착 강도, Y축을 상기 접착 강도의 개수로 한 그래프를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이차 전지의 전극은, 주로 활물질, 도전재, 바인더를 용매에 혼합한 슬러리를 집전체에 도포함으로써 제조될 수 있는데, 상기 용매를 증발시키는 과정에서 바인더가 함께 활물질 층의 상단으로 이동할 수 있어서, 전극 두께에 따른 바인더의 분포가 균일하지 않을 수 있다. 이차 전지의 물성의 균일성을 판단하기 위해서는 전극의 두께에 따른 바인더의 분포에 대한 분석이 요구된다.
그러나, 전극 내에는 바인더뿐만 아니라 활물질, 도전재와 같은 재료들이 혼합되어 있기 때문에, 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛의 얇은 박막 형태로 제조된 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 측정하기란 쉽지 않다.
종래에, 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인할 수 있는 방법을 살펴보면, 박막형 전극 시편을 두께 방향으로, 나이프 형식의 팁으로 긁으며, 긁을 때의 힘을 측정하는 방법을 들 수 있다.
하지만, 상기 방법은 바인더 외에, 활물질이나 도전재와 같이 혼재되어 있는 물질의 표면 마찰력이나 연성과 같은 물성에 영향을 받을 수 있으므로, 바인더만의 접착력을 측정해내어 그 분포를 확인하기 어려웠다.
또 다른 방법으로는, 고분자 바인더의 경우 적외선(FT-IR)나 레이저(Raman)을 이용하여 상기 고분자 고유의 스펙트럼에서 관찰되는 피크의 강도를 두께 방향으로 측정하는 방법을 들 수 있다.
하지만, 상기 방법은 분광 분석의 특징상, 빛이 조사되는 영역이 좁아 넓은 영역의 값을 대변하기는 어려웠고, 좁은 영역에서 측정을 하는 경우라도 큰 물질이 중간에 위치하는 경우에는 결과 값의 편차가 크게 나타났다. 나아가, 바인더의 함량이 측정되기 때문에 이를 두께에 따른 접착력으로 해석하기 어려웠다.
그러나, 본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정 방법은, 집전체 및 활물질 층에 제거용 테이프를 부착 후 이를 제거함으로써, 두께 별로 접착 강도를 측정하는 방법을 사용한다. 상기 방법을 사용하는 경우, 활물질과 도전재로는 거의 측정될 수 없는 접착력이라는 바인더 고유의 물성을 측정함으로써, 혼합물 속에서도 바인더만의 정확한 측정이 가능하며, 두께 별로 바인더가 분포하는 것을 알아낼 수 있다. 결과적으로, 두께에 따른 바인더의 분포를 보다 정확히 측정할 수 있고, 단시간 내에 저비용으로 측정이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법은 집전체 상에 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질 층이 형성되어 있는 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 1); 기판에 상기 전극의 활물질 층이 접하도록 고정하는 단계(단계 2); 상기 전극의 집전체에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 집전체를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 3); 상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 활물질 층의 일부를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하되, 이를 측정 한계까지 반복하는 단계(단계 4); 및 상기 단계 3 및 단계 4에서 측정한 측정 값을 통해, 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인하는 단계(단계 5);를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법에 있어서, 단계 1은 집전체 상에 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질 층이 형성되어 있는 전극의 두께를 측정하는 단계이다. 상기 단계에서는 바인더의 분포를 측정하고자 하는 전극을 제조하고, 상기 전극의 두께를 측정함으로써, 후속 공정에서 전극의 두께에 따른 접착 강도를 측정할 수 있도록 한다.
이때, 상기 전극의 제조는 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 전극 합제를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 전극 슬러리를 전극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
특히, 활물질로는 양극 활물질 또는 음극 활물질이 사용될 수 있고, 상기 양극 활물질은 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 상기 리튬 전이금속 산화물로는, 예를 들면, LiCoO2 등의 LiㆍCo계 복합 산화물, LiNixCoyMnzO2 등의 LiㆍNiㆍCoㆍMn계 복합 산화물, LiNiO2 등의 LiㆍNi계 복합 산화물, LiMn2O4 등의 LiㆍMn계 복합 산화물 등을 들 수 있고, 이들을 단독 또는 복수 개 혼합하여 사용할 수 있다. 음극 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있는데, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 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, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.
일례로, 상기 활물질은 LiNi6Mn2Co2O2, 도전재는 카본 블랙, 바인더는 PVDF를 사용할 수 있고, 상기 활물질, 도전재 및 바인더는 94-96:1-3:2-4의 중량비로 포함된 것일 수 있으나, 상기 활물질, 도전재 및 바인더의 종류 및 함량이 이에 제한되는 것은 아니며, 바인더의 분포를 측정하고자 하는 전극을 제조하기 위해 어떠한 물질을 어떠한 양으로 사용하여도 좋다.
상기 제조된 전극의 두께를 측정하는 방법은 Schopper type Thickness Gauge 측정 기기를 통해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법에 있어서, 단계 2는 기판에 상기 전극의 활물질 층이 접하도록 고정하는 단계이다. 상기 단계에서는 접착 강도의 측정을 먼저 집전체에서부터 활물질 층의 상단까지 수행하기 위하여, 활물질 층의 상단은 일단 기판에 접착시켜 고정하는 단계이다.
이때, 상기 기판으로는 유리기판을 사용할 수 있으며, 상기 기판에 전극의 활물질 층의 상단을 고정시키는 방법으로는 상기 기판과 활물질 층의 상단 사이에 기판 부착 테이프를 위치시킴으로써 수행할 수 있으나, 상기 기판과 전극 활물질 층의 상단의 고정방법이 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 상기 기판 부착 테이프의 접착력은 500 gf/15 mm 내지 1500 gf/15 mm 일 수 있다. 그러나 상기 기판 부착 테이프의 접착력이 이에 제한되는 것은 아니며, 활물질 층과 집전체, 활물질 층 간의 접착력보다 큰 접착력을 갖는 테이프를 적절히 선택하여 기판 부착 테이프로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법에 있어서, 단계 3은 상기 전극의 집전체에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 집전체를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하는 단계이다. 상기 단계에서는 상기 단계 2에서 활물질 층에 상단을 유리판에 고정시킨 전극의 집전체에 제거용 테이프를 부착한 후, 상기 제거용 테이프와 집전체를 제거함으로써 그 때의 접착 강도 및 제거 후의 전극 두께를 측정함으로써, 전극 두께에 따른 접착 강도를 측정하는 첫 단계일 수 있다.
이때, 상기 제거용 테이프의 접착력은 500 gf/15 mm 내지 1500 gf/15 mm일 수 있으나, 상기 제거용 테이프의 접착력이 이에 제한되는 것은 아니며, 활물질 층과 집전체, 활물질 층 간의 접착력보다 큰 접착력을 갖는 테이프를 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 제거용 테이프는, 단계 2의 기판 부착 테이프와 접착력이 같거나 다를 수 있다.
상기 단계 3의 제거용 테이프와 집전체의 제거는 필링 테스트를 수행하는 것으로 수행될 수 있다. 일례로, 상기 제거용 테이프를 제거용 테이프의 접착력이 없는 면으로 180 °로 구부린 방향으로, 300 mm/min의 속도로 50 mm를 이동시킨 필링 테스트일 수 있다. 그러나, 상기 필링 테스트의 속도와 제거용 테이프를 제거한 거리 및 각도가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 단계 3을 통하여, 전극의 집전체가 제거될 수 있으며 이와 함께 활물질 층의 일부가 함께 제거될 수도 있다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법에 있어서, 단계 4는 상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 활물질 층의 일부를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하되, 이를 측정 한계까지 반복하는 단계이다. 단계 4에서는 상기 단계 3의 수행 후, 남아 있는 활물질 층에 대하여 제거용 테이프를 부착하고 떼어내는 과정을 반복적으로 수행함으로써 그 때마다의 접착 강도 및 전극 두께를 측정할 수 있다. 상기 단계 4의 제거용 테이프와 활물질 층의 일부의 제거는 단계 3과 같은 방법으로 필링 테스트를 수행하는 것으로 수행될 수 있다.
다만, 단계 3의 집전체 제거와 달리, 제거용 테이프의 면적을 줄여서 활물질 층의 일부에 대하여 상기 제거 공정을 수행할 수 있으며, 이를 단계 3에서 사용한 제거용 테이프의 면적 및 접착 강도로 환산하는 것으로 측정 값을 동일 단위로 맞출 수 있다. 이와 같이, 제거용 테이프의 면적을 줄여 사용함으로써 비용 절감 및 시간 절약의 효과를 가져올 수 있다.
이때, 상기 활물질 층의 제거는 측정 한계까지 이루어질 수 있다.
상기 측정 한계란, 활물질 층의 일부가 모두 제거되고, 기판과 활물질 층을 고정하게 해준 고정재가 외부에 드러난 경우를 의미할 수 있다.
일례로, 제거용 테이프를 길이방향으로 제거함에 있어서, 제거 변위에 따른 접착력의 편차 값이 직전의 제거용 테이프 제거 변위에 따른 접착력 편차 값에 비해 크게 증가하는 경우를 의미할 수 있고, 구체적으로는 제거용 테이프의 제거 변위에 따른 접착력의 편차 값이 직전의 제거용 테이프 제거 변위에 따른 접착력 편차 값의 5 배 이상인 경우를 의미할 수 있으나, 상기 편차 값의 차이에 제한되는 것은 아니며 기판 부착 테이프 및 제거용 테이프의 접착력에 따라 수치는 달라질 수 있다.
예를 들어, 활물질 층의 제거를 반복적으로 수행하다 보면 활물질 층의 일부가 모두 제거되고, 기판 부착 테이프가 드러나는 순간이 나타난다. 이때, 그 위에 다시 제거용 테이프를 부착하게 되면, 상기 제거용 테이프가 기판 부착 테이프와 접착되었다가 제거되는 부분은 활물질 층이 제거되는 부분보다 크게 증가된 접착력으로 측정될 수 있다. 이에 따라, 제거용 테이프의 제거 변위에 따라 접착력의 편차 값이 크게 나타나는 경우에는 측정 한계에 달했다고 판단할 수 있다.
나아가, 상기 측정 한계까지 측정한 후, 활물질 층이 기판 및 기판 부착 테이프 상에 잔존하는 양은, 전체 활물질 층에 대하여 0.001 내지 5 %일 수 있다.
본 발명에 따른 전극 내 바인더 분포 측정방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 3 및 단계 4에서 측정한 측정 값을 통해, 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인하는 단계이다.
상기 단계 5에서는 상기 제거용 테이프를 제거하면서 측정한 접착 강도 및 전극의 두께를 측정한 값을 통하여 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인할 수 있다.
일례로, 도 1에 나타낸 바와 같이, X축을 전극 두께로 하고, Y축을 접착 강도로 한 그래프(도 1)를 통하여 두께에 따른 접착 강도의 분포를 통해 바인더의 분포를 확인할 수 있다. 또한, 상기 데이터를 통해 접착 강도의 분산 및 표준 편차 값을 통하여, 두께에 따른 접착 강도의 분포를 통해 바인더의 분포를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 제조방법은, 상기 전극 내 바인더 분포 측정 방법을, 조건을 달리하여 제조된 여러 개의 전극에 대하여 수행한 후, 두께에 따라 고른 바인더 분포를 나타내는 전극을 선정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 내 바인더 분포 측정 방법을, 여러 가지 조건을 달리하여 제조한 전극의 시편들에 대하여 수행함으로써, 각각의 전극에 대한 바인더 분포를 알아볼 수 있고 그 중에서 가장 두께에 따라 고른 분포를 나타내는 전극을 선정하여 이를 포함하는 이차 전지로 제조할 수 있다.
이때, 상기 조건을 달리하여 제조된 여러 개의 전극이란, 전극의 활물질 층의 두께를 달리한 것일 수도 있고, 바인더의 분자량과 같이 바인더의 물성을 달리한 것일 수도 있고, 전극 슬러리를 제조하기 위한 용매의 종류를 달리한 것일 수도 있고, 활물질이나 도전재의 종류가 다른 것일 수도 있고, 전극의 밀도를 달리한 것일 수도 있다. 그러나, 상기 조건을 달리하여 제조된 전극들이 이에 제한되는 것은 아니며, 전극의 두께에 따라 바인더의 분포가 다르게 나타나도록 하는 전극 제조 방법시의 조건들을 적절히 선택하여 이를 변경함으로써 제조된 전극일 수 있다.
일례로, 상기 조건은 활물질 층의 두께를 달리한 것일 수 있으며, 특히 활물질 층의 두께를 35 ㎛, 80 ㎛로 하여 최종 전극의 두께를 55 ㎛, 100 ㎛로 하고 밀도는 3.4 g/cc로 한 2 개의 전극을 제조하고, 상기 전극에 대하여 전극 내 바인더의 분포 측정방법을 적용하여 상기 2 개의 전극의 바인더 분포를 측정한 후, 더욱 고른 분포를 갖는 전극을 사용하여 이차 전지를 제조할 수 있다.
이때, 상기 전극의 선정은 측정 값의 분산 및 표준 편차를 통해 수행할 수 있으며, 상기 접착 강도의 분산 및 표준 편차가 더 작은 값으로 측정되는 전극이, 그 바인더의 분포가 전극 두께에 따라 더 고르게 나타나는 것이기 때문에, 분산 및 표준 편차가 더 작은 값을 갖는 전극을 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지는, 상기 이차 전지의 제조방법에 따라 제조되며, 상기 전극 내 바인더 분포 측정방법에 의해 측정된 접착 강도의 표준 편차가 50 미만인 것일 수 있다. 만약, 상기 표준 편차가 50 이상인 경우에는 접착 강도의 크기가 전극 두께에 따라 차이가 많이 나고, 이는 두께에 따라 바인더의 분포가 균일하지 못함을 의미하므로, 곧 상기 전극으로 이차 전지를 제조할 때의 공정성 불량(커팅 과정에서의 활물질의 탈리) 및 제조된 이차 전지의 출력, 수명 및 고온 저장 특성 같은 성능들이 저하함을 의미한다.
상기 이차 전지는, 상기 선정된 전극을 양극 또는 음극 중 1 이상에 적용하고, 상기 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 제조된 전극 조립체에, 전해액을 주입하여 제조될 수 있다.
상기 전극 조립체 내의 분리막으로는 종래에 분리막으로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
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 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 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.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 우수한 수명 특성 및 출력 특성을 나타내는 상기 이차 전지를 포함하므로, 모바일 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
<실시예>
단계 1: 두께 조건을 달리한 양극의 제조
양극 활물질로 LiNi6Mn2Co2O2 95 중량%, 도전재로 카본 블랙 2 중량%, 바인더로 PVDF 3 중량%를 용매인 N-메틸-2 피롤리돈에 첨가하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 두께가 20 ㎛인 양극 집전체의 알루미늄 박막에 도포, 건조 및 롤 프레스를 실시하여 활물질 층이 35 ㎛이고, 총 전극의 두께가 55 ㎛이며, 전극 밀도가 3.4 g/cc인 양극을 제조하였다.
한편, 양극 활물질로 LiNi6Mn2Co2O2, 95 중량%, 도전재로 카본 블랙 2 중량%, 바인더로 PVDF 3 중량%를 용매인 N-메틸-2 피롤리돈에 첨가하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 두께가 20 ㎛인 양극 집전체의 알루미늄 박막에 도포, 건조 및 롤 프레스를 실시하여 활물질 층이 80 ㎛이고, 총 전극의 두께가 100 ㎛이며, 전극 밀도가 3.4 g/cc인 양극을 제조하였다.
이하, 전극의 두께가 55 ㎛인 양극을 양극 A, 전극의 두께가 100 ㎛ 인 양극을 양극 B라 칭한다.
단계 2: 전극 내 바인더 분포 측정
상기 양극 A 및 양극 B를 가로 Χ 세로가 15 mm Χ 50 mm이 되도록 가공하였다.
유리판과 상기 양극 A의 활물질 층이 접하도록 기판 부착용 테이프를 사용하여 고정하였다. 그 후, 상기 양극 A의 집전체에 가로 Χ 세로가 20 mm Χ 50 mm인 제거용 테이프를 부착하고, 300 mm/min의 속도로 50 mm로 180 °필링 테스트를 수행하여, 집전체를 제거한 후, 접착 강도 및 제거 후의 전극 두께를 측정하였다. 다음으로, 상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 가로 Χ 세로가 10 mm Χ 50 mm인 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 필링 테스트를 수행하여 접착 강도 및 제거용 테이프 제거 후의 전극 두께를 측정하였고, 이를 활물질 층이 제거될 때까지 반복하였다. 이때, 상기 활물질 층이 제거된 기판 상에 활물질 층의 잔여물이 1.8 % 정도 잔존하였다.
한편, 상기 양극 B의 집전체에 가로 Χ 세로가 20 mm Χ 50 mm인 제거용 테이프를 부착하고, 300 mm/min의 속도로 50 mm로 180 °필링 테스트를 수행하여, 집전체를 제거한 후, 접착 강도 및 제거 후의 전극 두께를 측정하였다. 다음으로, 상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 가로 Χ 세로가 10 mm Χ 50 mm인 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 필링 테스트를 수행하여 접착 강도 및 제거용 테이프 제거 후의 전극 두께를 측정하였고, 이를 활물질 층이 제거될 때까지 반복하였다. 이때, 상기 활물질 층이 제거된 기판 상에 활물질 층의 잔여물이 2.0 % 정도 잔존하였다.
상기 양극 A 및 양극 B에 대한 측정 값을 표 1에 나타내었고, 그 중에서 X축을 전극 두께로 하고, Y축을 접착 강도로 한 그래프를 도 1에 나타내었다.
단계 3: 두께에 따라 고른 바인더 분포를 나타내는 전극을 선정
양극 A 전극의 두께
(㎛)		 접착 강도
(gf/15 mm)		 양극 B 전극의 두께
(㎛)		 접착 강도
(gf/15 mm)
55 100
1회 54 30.24 1회 99 7.39
2회 49 261.43 2회 93 193.38
3회 42 223.84 3회 88 166.90
4회 36 193.37 4회 80 110.00
5회 29 191.2 5회 73 129.92
6회 21 189.65 6회 67 119.89
7회 14 204.44 7회 60 132.10
8회 8 239.18 8회 53 134.46
9회 1 286.26 9회 47 153.62
10회 39 158.75
11회 33 187.50
12회 26 211.07
13회 20 235.86
14회 13 279.44
15회 8 318.8
16회 2 437.5
도 1에 나타낸 바와 같이, 양극 A의 경우, 마지막 9회 째의 접착 강도를 제외하면, 접착 강도가 약 150 gf/15 mm 내지 260 gf/15 mm 내에서 분포를 보이는 반면, 양극 B의 경우에는 마지막 16 회 째의 접착 강도를 제외하면 약 110 gf/15 mm 내지 320 gf/15 mm가량의 분포를 보여, 양극 B의 접착 강도가 양극 A에 비해 넓은 수치 범위 내에서 존재함을 알 수 있다.
상기 표 1의 값을 통해, 접착 강도의 분산 및 표준 편차 값이 양극 A는 4705, 68.6으로 나타나는 반면, 양극 B는 9106, 95으로 각각 나타나, 양극 B가 양극 A에 비하여 분산은 1.9 배, 표준 편차는 1.4 배 높은 것을 알 수 있고, 이에 따라 양극 A가 양극 B에 비하여 두께에 따른 바인더의 분포가 고르게 나타남을 알 수 있다.
따라서, 두께에 따라 고른 바인더 분포를 나타내는 전극은 양극 A임을 알 수 있다.
단계 4: 이차 전지의 제조
음극 활물질로 탄소 분말, 바인더로 폴리 비닐리덴 디플루오리드, 도전재로 카본 블랙을 각각 96 중량%, 3 중량%, 1 중량%로 하여 용제인 N-메틸-2 피롤리돈에 첨가하여 음극 슬러리 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 두께가 10 ㎛인 음극 집전체인 구리 박막에 도포, 건조를 통하여 음극을 제조한 후 롤 프레스를 실시하였다. 상기 단계 1의 양극 A, 음극 및 다공성 폴리에틸렌인 분리막을 스태킹(stacking) 방식을 이용하여 조립하여, 전극 조립체를 제조하고, 전해액 (에틸렌카보네이트(EC)/에틸메틸카보네이트(EMC) = 1 / 2 (부피비), 리튬 헥사 플로로 포스페이트 (LiPF6 1몰)을 주입하여 이차 전지를 제조하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 집전체 상에 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질 층이 형성되어 있는 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 1);
    기판에 상기 전극의 활물질 층이 접하도록 고정하는 단계(단계 2);
    상기 전극의 집전체에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 집전체를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하는 단계(단계 3);
    상기 집전체가 제거된 활물질 층 상에 제거용 테이프를 부착한 뒤, 상기 제거용 테이프와 활물질 층의 일부를 함께 제거하면서 접착 강도 및 제거 후의 전극의 두께를 측정하되, 이를 측정 한계까지 반복하는 단계(단계 4); 및
    상기 단계 3 및 단계 4에서 측정한 측정 값을 통해, 전극의 두께에 따른 바인더의 분포를 확인하는 단계(단계 5);를 포함하는 전극 내 바인더 분포 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 활물질은 LiNi6Mn2Co2O2, 도전재는 카본 블랙, 바인더는 PVDF인 것을 특징으로 하는 전극 내 바인더 분포 측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 활물질, 도전재 및 바인더는 94-96:1-3:2-4의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 전극 내 바인더 분포 측정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 제거용 테이프의 접착력은 500 gf/15 mm 내지 1500 gf/15 mm인 것을 특징으로 하는 전극 내 바인더 분포 측정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 제거용 테이프와 집전체의 제거 또는 상기 단계 4의 제거용 테이프와 활물질 층의 일부 제거는 필링 테스트로 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 내 바인더 분포 측정방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4의 측정 한계란, 제거용 테이프의 제거 변위에 따른 접착력의 편차 값이 직전의 제거용 테이프 제거 변위에 따른 접착력 편차 값의 5 배 이상인 것을 특징으로 하는 전극 내 바인더 분포 측정방법.
  7. 제1항의 전극 내 바인더 분포 측정방법을, 조건을 달리하여 제조된 여러 개의 전극에 대하여 수행한 후, 두께에 따라 고른 바인더 분포를 나타내는 전극을 선정하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조건을 달리하여 제조된 여러 개의 전극은 활물질 층의 두께를 달리한 2 개의 전극인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극의 활물질 층의 두께는 각각 55 ㎛, 100 ㎛이고, 상기 활물질 층의 전극 밀도는 3.4 g/cc인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 두께에 따라 고른 바인더 분포를 나타내는 전극의 선정은 측정 값의 분산 및 표준 편차를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  11. 제7항의 제조방법에 따라 제조되며,
    상기 전극 내 바인더 분포 측정방법에 의해 측정된 접착 강도의 표준 편차가 50 미만인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제11항의 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈.
  13. 제12항의 전지 모듈을 포함하며, 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디바이스는 모바일 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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