KR20170044322A - 음극 및 이의 제조방법 - Google Patents

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박려림
정주호
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 음극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 요철이 형성된 구리 집전체, 상기 구리 집전체 상에 형성된 활물질 층, 및 상기 구리 집전체 및 활물질 층 사이에 개재된 접착제를 포함하며, 상기 요철은 평균 거칠기(Ra)가 3 ㎛ 내지 30 ㎛, 평균 간격(Sm)이 3 ㎛ 내지 100 ㎛, 요철의 오목부의 평균 곡률 반경이 1.5 ㎛ 내지 45 ㎛이고, 상기 활물질 층은 평균 직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 활물질 입자를 포함하는 음극에 관한 것이다.
본 발명에 따른 음극은, 활물질과 유사한 형태를 음각으로 한 요철을 갖는 집전체 상에 활물질 층을 형성시키므로 활물질이 보다 집전체에 용이하게 접착되어 접착력이 향상된다. 또한, 음극 제조용 비즈 조성물이 접착제를 포함하므로 비즈들이 접착제로 인해 뭉쳐서 분사되므로 조밀한 요철의 형성이 가능하여 집전체의 표면적을 더욱 넓힐 수 있다. 나아가, 상기 접착제가 집전체 상에 잔류함으로써 활물질 층 간의 접착력이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 구리 집전체의 하부에서 비즈를 분사하기 때문에 분사된 비즈가 중력에 의해 집전체로부터 분리되므로 비즈의 제거 공정이 별도로 요구되지 않는 장점이 있다.

Description

음극 및 이의 제조방법{NEGATIVE ELECTRODE AND METHOD FOR MANUFACTURING OF THE SAME}
본 발명은 음극 및 이의 제조방법에 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 활물질 조성물에는 활물질과 활물질을 집전체에 부착시키기 위하여 바인더를 포함한다. 바인더는 집전체에 활물질의 접착력 및 결착력을 부여하기 위하여 사용되며, 리튬 이차 전지의 성능 중 장기 수명특성은 활물질의 집전체에 대한 접착력에 의해 좌우된다고 할 수 있다. 바인더의 결착력이 약할 경우, 전지를 장기간 사용하면 활물질이 집전체로부터 탈락될 수 있기 때문이다.
이에, 활물질과 집전체 간의 접착력을 향상시켜 이차 전지의 장기 수명이 향상될 수 있는 음극의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0066653호
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 집전체 상에 활물질이 접착되기 용이하도록 요철을 형성함으로써 접착력이 향상된 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 음극의 제조방법, 상기 음극을 포함하는 이차 전지, 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 요철이 형성된 구리 집전체, 상기 구리 집전체 상에 형성된 활물질 층, 및 상기 구리 집전체 및 활물질 층 사이에 개재된 접착제를 포함하며, 상기 요철은 평균 거칠기(Ra)가 3 ㎛ 내지 30 ㎛, 평균 간격(Sm)이 3 ㎛ 내지 100 ㎛, 요철의 오목부의 평균 곡률 반경이 1.5 ㎛ 내지 45 ㎛이고, 상기 활물질 층은 평균 직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 활물질 입자를 포함하는 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 구리 집전체의 하부에서 비즈 및 접착제를 포함하고, 상기 비즈는 평균 직경이 3 ㎛ 내지 90 ㎛, 경도가 10 hrc 내지 100 hrc, 진 비중이 1 g/cm3 내지 10 g/cm3인 음극 제조용 비즈 조성물을 분사하여 요철을 형성하는 단계(단계 1); 및 상기 요철이 형성된 구리 집전체 상에 활물질 층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 음극 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 음극은, 활물질과 유사한 형태를 음각으로 한 요철을 갖는 집전체 상에 활물질 층을 형성시키므로 활물질이 보다 집전체에 용이하게 접착되어 접착력이 향상된다. 또한, 음극 제조용 비즈 조성물이 접착제를 포함하므로 비즈들이 접착제로 인해 뭉쳐서 분사되므로 조밀한 요철의 형성이 가능하여 집전체의 표면적을 더욱 넓힐 수 있다. 나아가, 상기 접착제가 집전체 상에 잔류함으로써 활물질 층 간의 접착력이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 구리 집전체의 하부에서 비즈를 분사하기 때문에 분사된 비즈가 중력에 의해 집전체로부터 분리되므로 비즈의 제거 공정이 별도로 요구되지 않는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 음극 제조방법의 일 실시예를 나타낸 모식도이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극은, 요철이 형성된 구리 집전체, 상기 구리 집전체 상에 형성된 활물질 층, 및 상기 구리 집전체 및 활물질 층 사이에 개재된 접착제를 포함하며, 상기 요철은 평균 거칠기(Ra)가 3 ㎛ 내지 30 ㎛, 평균 간격(Sm)이 3 ㎛ 내지 100 ㎛, 요철의 오목부의 평균 곡률 반경이 1.5 ㎛ 내지 45 ㎛이고, 상기 활물질 층은 평균 직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 활물질 입자를 포함할 수 있다.
상기 구리 집전체는, 활물질과 유사한 형태를 음각으로 한 요철을 갖기 때문에, 상기 요철의 오목부에 활물질 입자가 수용됨으로써 활물질 입자가 보다 집전체와 접촉하는 면적이 넓어지므로, 활물질 층과 집전체 간의 접착력이 향상될 수 있다.
상기 요철은 산술 평균 거칠기(Ra)가 3 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다. 이때, 산술 평균 거칠기란 표면 거칠기 형상 측정기에 의해 JIS B0601-1994에 의거하여 측정 길이 1.0 ㎜로 측정했을 때에 얻어지는 10점 평균 거칠기이다. 만약, 상기 요철의 산술 평균 거칠기가 3 ㎛ 미만인 경우에는 요철의 오목부가 다소 큰 크기의 활물질 입자를 수용할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 30 ㎛ 초과인 경우에는 활물질을 용납할 수는 있지만, 표면적이 상대적으로 줄어들어, 효과적으로 활물질과 음극 집전체 사이의 접착력을 증가시키지 못하게 되어 전지 성능을 저하시킬 수 있다.
상기 요철의 산술 평균 간격(Sm)은 3 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 이때, 평균 간격이란, 표면 거칠기 형상 측정기에 의해 JIS B0601-1994에 의거하여 측정 길이 1.0 ㎜로 측정했을 때에 얻어지는 요철 평균 간격이다. 만약, 상기 요철의 평균 간격이 3 ㎛미만인 경우에는 요철의 폭이 좁아지므로 작은 활물질 입자가 오목부 내로 수용될 수 없어 집전체와 활물질 층 간의 접착력이 향상할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 평면에 가까운 요철의 형상을 나타내어 표면적 증대의 효과가 미미할 수 있다.
상기 요철은 비즈를 분사함으로써 생성된 다수 개의 오목부를 포함할 수 있다. 상기 오목부는 요철이 생성되기 전의 구리 집전체의 두께보다 얇아진 부분을 의미할 수 있다. 상기 오목부로 인하여 요철의 표면적이 증가할 수 있고, 오목부 내에 활물질 입자가 수용됨으로써 활물질과 집전체 간의 접촉 면적이 증가하고, 이에 따라 전극의 접착력이 향상될 수 있다.
상기 요철의 오목부의 산술 평균 곡률 반경은 1.5 ㎛ 내지 45 ㎛일 수 있다. 상기 요철의 오목부는 평균 직경(D50)이 3 ㎛ 내지 90 ㎛인 비즈가 집전체의 표면에 분사되면서 제조되므로, 평균 곡률 반경이 1.5 ㎛ 내지 45 ㎛를 나타낼 수 있다. 상기 비즈는 활물질 입자와 유사한 형태이기 때문에, 상기 비즈를 사용하여 제조된 요철의 오목부의 곡률 반경이 평균 직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 활물질 입자의 곡률 반경과 유사하므로, 활물질 입자가 오목부에 수용되어 접촉 면적이 넓어질 수 있다. 이때, 상기 곡률 반경은 구리 집전체의 횡단면을 기준으로 n개의 오목부를 관찰하였을 때, 오목부의 최저점을 기준으로 측정된 곡률 반경의 평균일 수 있다.
상기 활물질 입자는 구형일 수 있고, 평균 직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 활물질 입자는 음극 활물질로서 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, 인조 흑연 (artificial 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. 특히 인조흑연을 사용하는 경우, 고용량 및 장수명이며, 팽창 성능이 우수한 전지를 제조할 수 있다.
한편, 상기 오목부와 가장 인접한 오목부 간의 거리는 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 본 발명에 따른 구리 집전체 층은, 접착제를 포함하는 비즈 조성물을 분사하여 제조되기 때문에, 비즈 조성물이 다소 뭉친 상태에서 집전체로 분사되므로 생성되는 오목부 간의 거리가 짧아, 오목부의 밀도가 더욱 조밀하게 나타날 수 있다. 따라서, 집전체의 표면적이 더욱 넓어질 수 있다.
또한, 상기 구리 집전체 및 활물질 층 사이에 개재된 접착제 층을 더욱 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 구리 집전체 층은, 접착제를 포함하는 비즈 조성물을 분사하여 제조되기 때문에 상기 접착제가 집전체 상에 잔류할 수 있다. 이때, 상기 접착제는 구리 집전체 상에 비즈 조성물이 분사된 부분에 잔류하여 아일랜드 형태로 존재하고 있을 수 있고, 상기 접착제가 활물질 층과 집전체 간의 접착력을 더욱 향상시켜줄 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 접착제는 분사된 비즈가 요철을 형성하고 떨어진 자리에 남아있을 수 있고, 결과적으로 요철의 오목부에 존재할 수 있다. 상기 접착제로는 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 카르복시에틸셀룰로오스(CMC) 및 PVDF로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 접착제는 활물질 층의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5 중량 %로 존재할 수 있다. 0.1 중량 % 미만으로 포함되는 경우에는 접착력 증대 효과가 미미할 수 있고, 0.5 중량 % 초과의 양으로 포함되는 경우에는 전기 전도도가 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 제조용 비즈 조성물은, 비즈 및 접착제를 포함하고, 상기 비즈는 평균 직경이 3 ㎛ 내지 90 ㎛, 경도가 10 hrc 내지 100 hrc, 진 비중이 1 g/cm3 내지 10 g/cm3일 수 있다.
상기 비즈 조성물은, 특정 경도 및 질량, 직경을 갖는 비즈와 접착제를 포함하기 때문에, 비즈와 비즈가 접착제에 의해 뭉쳐진 상태에서 분사되고, 따라서 보다 조밀하게 형성된 오목부를 갖는 집전체를 제조할 수 있다. 또한, 상기 접착제가 집전체 상에 잔류하여, 활물질 층과 집전체 간의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 비즈는 평균 직경이 3 ㎛ 내지 90 ㎛, 경도가 10 hrc 내지 100 hrc이며, 이때, 상기 비즈는 1개의 비즈 입자를 의미한다. 나아가, 상기 비즈는 진 비중이 1 g/cm3 내지 10 g/cm3일 수 있다. 상기 비즈의 평균 직경은 활물질의 평균 직경과 유사하여, 상기 비즈로 제조된 집전체의 요철의 오목부와, 활물질의 형태가 정합하기 때문에 활물질과 집전체와의 접촉 부위가 늘어나므로 더욱 접착력이 증대될 수 있다. 또한, 상기 비즈의 경도는 10 hrc 내지 100 hrc의 범위 내에서 구리 집전체의 표면에 변형을 발생시킬 수 있다. 또한, 진 비중이 1 g/cm3 내지 10 g/cm3인 경우, 10 m/min 내지 100 m/min의 분사속도 내에서 구리 집전체에 힘을 가하여 표면의 변형이 발생될 수 있다.
상기 비즈의 재질은 스틸, 샌드, 실리카, 세라믹 및 고강도 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 특히, 샌드, 실리카 및 세라믹은 단단하여 변형이 잘 되지 않고 일정한 비중을 가지고 있어, 집전체와 부딪힌 후, 저절로 떨어질 수 있고, 분사가 잘 될 수 있다.
상기 비즈 조성물 총 중량에 대하여, 접착제는 0.1 내지 0.5 중량%로 포함될 수 있다. 만약, 0.1 중량 % 미만의 양으로 포함되는 경우, 비즈를 뭉치게 하기에 부족하여, 요철을 조밀하게 형성할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 0.5 중량% 초과의 양으로 포함하는 경우, 비즈의 분사가 어려울 수 있고, 이에 따라 요철 형성이 어려울 수 있으며, 집전체 상에 잔존하는 과량의 접착제로 인하여 저항 증가 등의 전지 성능에 문제가 나타날 수 있다.
상기 접착제의 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 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
특히, 접착제의 점도가 500 cp 내지 4000 cp 인 것을 사용할 수 있다. 만약, 접착제의 점도가 500 cp 미만인 경우에는 비즈끼리 접착하지 못하므로 조밀한 요철 형성이 힘들 수 있고, 4000 cp 초과인 경우에는 비즈가 집전체에 분사된 후에 중력에 의해 제거되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 제조방법은, 구리 집전체의 하부에서 상기 음극 제조용 비즈 조성물을 분사하여 요철을 형성하는 단계(단계 1); 및 상기 요철이 형성된 구리 집전체 상에 활물질 층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 음극 제조방법을 제공한다.
도 1에 본 발명의 일 실시예를 도시하였으나, 본 발명에 따른 음극 제조 방법이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 음극 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 음극 제조방법의 단계 1은 구리 집전체의 하부에서 상기 음극 제조용 비즈 조성물을 분사하여 요철을 형성하는 단계이다. 상기 접착제를 포함하는 비즈 조성물을 분사함으로써, 구리 집전체의 표면에 활물질 입자가 수용되기 용이한 요철을 제조함과 동시에 표면에 접착제를 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 1의 비즈 조성물의 분사 속도는 10 m/min 내지 100 m/min일 수 있다. 만약, 상기 단계 1의 비즈 조성물의 분사 속도가 10 m/min 미만인 경우에는 요철이 형성될 만큼의 힘이 비즈에 부여되지 못하는 문제점이 있고, 100 m/min 초과의 경우에는 비즈에 과도한 힘이 부여되어 구리 집전체가 파단되거나 크랙이 발생하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 음극 제조방법의 단계 2는 상기 요철이 형성된 구리 집전체 상에 활물질 층을 코팅하는 단계이다.
상기 활물질 층의 코팅은 통상적으로 수행하는 방법으로 수행할 수 있으며, 활물질 입자, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 상기 구리 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
본 발명에서는 도 1과 같이, 비즈 조성물이 분사 된 후, 일정한 거리를 두고 코팅이 수행될 수도 있으나, 비즈 조성물이 분사되고 요철이 형성된 직후, 코팅이 진행될 수도 있다. 코팅의 패턴은 다양하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 구리 집전체의 두께는 6 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 두께의 구리 집전체를 사용하는 경우, 비즈 분사 시에 파단 및 크랙이 발생하지 않을 수 있다.
상기 단계 2의 활물질 층의 코팅 속도는 5 m/min 내지 90 m/min일 수 있다. 상기 속도 범위 내에서 코팅이 되는 경우, 상기 단계 1에서의 비즈 조성물의 분사로 인해 집전체 상에 요철이 제조된 후, 코팅이 연속적으로 수행될 수 있다.
상기 바인더는, 종래 사용되던 바인더의 90 % 수준으로 사용 가능할 수 있다. 단계 1의 비즈 조성물에 의해 집전체 상에 접착제가 잔류하기 때문이다. 바인더의 종류로는 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.
상기 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, 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 단계 1 및 단계 2는 롤러 상에서 이동하는 구리 집전체에 대하여 연속 공정으로 수행되는 것일 수 있다. 상기 음극 제조방법은, 종래의 활물질의 코팅 공정에서, 코팅의 수행 전 롤러 상에서 이동하는 구리 집전체의 하부에 비즈 조성물을 분사함으로써 요철을 형성한 후, 요철이 형성된 부위부터 코팅을 시작할 수 있다. 하부에서 비즈 조성물이 분사되어 중력에 의해 제거되기 때문에, 구리 집전체에 비즈 조성물의 제거 공정이 필요하지 않고, 바로 코팅을 수행하는 연속공정으로 공정시간의 단축 및 비용절감의 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 양극, 상기 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해액을 포함할 수 있다. 상기 이차 전지는, 접착력이 우수한 음극을 포함하므로, 활물질이 집전체로부터 탈리됨 없이 안정적인 전지의 수명을 나타낼 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질 입자, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 합제를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다. 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. 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. 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.
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 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템과 같은 중대형 디바이스로 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.

Claims (15)

  1. 요철이 형성된 구리 집전체, 상기 구리 집전체 상에 형성된 활물질 층, 및 상기 구리 집전체 및 활물질 층 사이에 개재된 접착제를 포함하며,
    상기 요철은 평균 거칠기(Ra)가 3 ㎛ 내지 30 ㎛,
    평균 간격(Sm)이 3 ㎛ 내지 100 ㎛,
    요철의 오목부의 평균 곡률 반경이 1.5 ㎛ 내지 45 ㎛이고,
    상기 활물질 층은 평균 직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 활물질 입자를 포함하는 음극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오목부와 가장 인접한 오목부 간의 거리는 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 음극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 카르복시에틸셀룰로오스(CMC) 및 PVDF로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극.
  4. 비즈 및 접착제를 포함하고,
    상기 비즈는 평균 직경이 3 ㎛ 내지 90 ㎛, 경도가 10 hrc 내지 100 hrc, 진 비중이 1 g/cm3 내지 10 g/cm3인, 음극 제조용 비즈 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비즈 조성물 총 중량에 대하여, 접착제는 0.1 중량% 내지 0.5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 음극 제조용 비즈 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 비즈의 재질은 스틸, 샌드, 실리카 및 고강도 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극 제조용 비즈 조성물.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 접착제는 500 cP 내지 4000 cP의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 음극 제조용 비즈 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 요철의 오목부에 존재하는 것을 특징으로 하는 음극.
  9. 구리 집전체의 하부에서 제4항의 음극 제조용 비즈 조성물을 분사하여 요철을 형성하는 단계(단계 1); 및
    상기 요철이 형성된 구리 집전체 상에 활물질 층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 음극 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 1의 비즈 조성물의 분사 속도는 10 m/min 내지 100 m/min, 상기 단계 2의 활물질 층의 코팅 속도는 5 m/min 내지 90 m/min인 것을 특징으로 하는 음극 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계 1 및 단계 2는 롤러 상에서 이동하는 구리 집전체에 대하여 연속 공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 음극 제조방법.
  12. 양극, 제1항의 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해액을 포함하는 이차 전지.
  13. 제12항의 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈.
  14. 제13항의 전지 모듈을 포함하며, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중대형 디바이스가 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지 팩.
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