KR20170135122A - 전기 용량 증대와 용접 기능성 향상이 동시에 구현 가능한 전극의 제조 방법 - Google Patents

전기 용량 증대와 용접 기능성 향상이 동시에 구현 가능한 전극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (i) 길이 방향에서 시트형 집전체의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 제 1 무지부가 형성되도록, 상기 상단 부위와 제 1 경계를 이루는 형태로 나머지 부위에 전극 합제를 도포하여 전극 시트를 준비하는 과정; (ii) 상기 제 1 경계에서 전극 합제의 일부를 레이저 어블레이션(laser ablation)시켜, 제 1 경계로부터 만입형의 단차를 이루면서 제 1 경계에 평행한 제 2 경계를 형성함으로써, 제 1 경계와 제 2 경계 사이에 제 2 무지부를 형성시키는 과정; (iii) 상기 전극 시트를 전극의 형상에 대응하는 크기와 형태로 노칭(notching)하여 전극을 제조하는 과정;을 포함하고, 상기 과정(iii)의 노칭 시, 제 1 무지부와 제 2 무지부로부터 전극 탭이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.

Description

전기 용량 증대와 용접 기능성 향상이 동시에 구현 가능한 전극의 제조 방법 {Method for Preparation of Electrode Being Capable of Realizing Improved Welding Performance and Increased Electric Capacity Simultaneously}
본 발명은 전기 용량 증대와 용접 기능성 향상이 동시에 구현 가능한 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
여기서, 단위 전극의 적층 구조를 포함하는 전극조립체의 제조 공정은, 양극과 음극 합제를 제조하는 공정, 양극 집전체와 음극 집전체에 각각의 합제를 도포하여 양극 및 음극 으로 이루어진 전극 시트들을 각각 제조하는 공정, 전극 시트들을 프레싱(Pressing)하는 공정, 전극 시트들을 셀의 규격에 맞게 소폭 절단(Slitting)하여 전극을 제조 하는 공정, 진공 건조 공정, 전극 상에 전극 탭을 형성하는 공정, 제조된 전극인 양극, 음극 및 분리막 구성된 전극조립체를 형성하는 공정 등을 포함한다.
한편, 전극조립체를 제조하는 상기 일련의 과정들에는 특수한 레이저 빔을 이용하여 전극을 표면 처리하는 성형 과정이 포함될 수 있으며, 이를 통상적으로 레이저 어블레이션이라 지칭한다.
이러한 레이저 어블레이션은 하나의 예로서, 집전체 표면에 전극 합제를 광범위하게 도포하고, 전극 탭을 형성하고자 하는 전극 부위에만 레이저 빔을 조사하여, 전극 합제의 일부를 집전체 표면으로부터 제거('식각')하는 방식으로 전극 표면 형상을 변경할 수 있으며, 이와 같이 레이저 어블레이션으로 제거되어 집전체 표면이 드러난 부위가 전극 탭의 형태로 노칭(notching)될 수 있다.
다만, 레이저 어블레이션이 수행된 상태에서, 탄화된 전극 합제 불순물이 집전체 표면에 존재할 수 있으며, 이러한 불순물들은 전극 탭의 용접 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 바, 레이저 어블레이션이 수행된 집전체 표면은 세척이 수반되어야 한다.
따라서, 레이저 어블레이션이 수행되는 전극 면적이 증가할수록 세척에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 전극 물질에 접촉되지 않도록 미세한 공정이 요구되어 전반적인 제조 공정성이 저하될 수 있다.
또한, 레이저에 의한 식각 시, 노출된 집전체 표면 역시 미세하게 식각 되면서 표면 결함이 유발될 수 있으며, 이러한 표면 결함들을 포함하는 전극 탭은 용접 공정 시, 공고한 접합을 형성하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 전극 탭의 용접 기능성이 저하되지 않으면서도 전극의 제조 공정성이 향상될 수 있는 기술의 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 레이저 어블레이션의 수행 면적을 최소로 하여, 전극의 제조 공정성과 함께 전극 탭의 용접 기능성이 향상될 수 있는 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조 방법은,
이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
(i) 길이 방향에서 시트형 집전체의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 제 1 무지부가 형성되도록, 상기 상단 부위와 제 1 경계를 이루는 형태로 나머지 부위에 전극 합제를 도포하여 전극 시트를 준비하는 과정;
(ii) 상기 제 1 경계에서 전극 합제의 일부를 레이저 어블레이션(laser ablation)시켜, 제 1 경계로부터 만입형의 단차를 이루면서 제 1 경계에 평행한 제 2 경계를 형성함으로써, 제 1 경계와 제 2 경계 사이에 제 2 무지부를 형성시키는 과정;
(iii) 상기 전극 시트를 전극의 형상에 대응하는 크기와 형태로 노칭(notching)하여 전극을 제조하는 과정;
을 포함하고,
상기 과정(iii)의 노칭 시, 제 1 무지부와 제 2 무지부로부터 전극 탭이 형성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 제조 방법에서는, 전극 탭이 형성되는 무지부들 중, 제 1 무지부에는 레이저 어블레이션이 전혀 수행되지 않는 바, 상대적으로 전극 탭 상의 표면 결함과 불순물의 형성 면적이 상대적으로 좁은 범위로 국한되며, 이러한 이유로 본 발명의 제조 방법에 따라 형성되는 전극 탭은 용접 기능성이 높은 장점이 있다.
이를 더욱 상세하게 설명하면, 상기 전극 탭에서 제 1 무지부로부터 유래된 부위가 또 다른 전극 탭 또는 전극 리드와 용접되는 용접 예정부로 이용될 수 있으며, 상기 전극 탭에서 제 2 무지부로부터 유래된 부위에는 절연성 물질이 부가되거나 및/또는 소정의 각도로 절곡 되는 부위로 활용될 수 있다.
즉, 레이저 어블레이션에 의해 용접 기능성이 상대적으로 낮은 제 2 무지부로부터 유래된 전극 탭 부위에는 용접이 수행되지 않는 대신, 전극 탭의 전기적 연결에 요구되는 절연성 물질이나 절곡 등의 가공이 수행될 수 있으며, 레이저 어블레이션이 수행되지 않아 표면 결합과 불순물이 형성되지 않은 용접 예정부에 용접이 수행될 수 있다.
상기 절연성 물질은 예를 들어 불소 또는 에나멜 수지일 수 있으나, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
여기서, 레이저 어블레이션이 수행됨에 따라 제 1 경계에 대해 만입형 단차의 구조로 제 2 경계가 설정되는데, 이는 집전체에 도포된 전극 합제의 일부를 레이저로 식각하여 전극 시트의 전체 면적을 기준으로 무지부의 면적을 제 2 경계까지 확장시키는 과정으로 이해할 수 있다.
상세하게는 상기 과정(iii)에서, 전극 탭이 형성되는 부위는 전극의 상단이고, 상기 전극의 상단은 제 1 경계와 제 2 경계가 형성하는 단차 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 전극은, 제 2 경계로부터 제 1 경계 만큼 돌출된 단차 대향 부위에 전극 합제가 도포되어 있을 수 있다.
이와 같은 과정으로 제조된 전극은 제 2 경계를 기준으로 도포된 전극 합제와 함께, 제 2 경계 이상으로 돌출된 단차 대향 부위에 전극 합제가 추가로 도포된 구조로 이해할 수 있으며, 단차 대향 부위에 도포된 전극 합제량 만큼 전극의 용량이 증대될 수 있다.
상기 만입형 단차는, 과정(iii)에서 형성되는 전극 탭의 돌출 길이 대비 10% 내지 30%의 만입 깊이를 가질 수 있다.
상기 만입 깊이가 전극 탭의 돌출 길이 대비 10% 미만인 경우에는, 제 2 무지부의 좁은 면적으로 인하여 세척이 용이하지 않고, 제 2 무지부에 해당하는 전극 탭 부위에서의 절연성 물질 부가와 절곡 가공이 용이하지 않은 바, 바람직하지 않다.
반면에, 상기 만입 깊이가 전극 탭의 돌출 길이 대비 30%를 초과하는 경우에는 제 2 무지부가 차지하는 면적 만큼, 전극이 함유하는 전극 합제의 절대량이 감소되므로 용량 측면에서 바람직하지 않다.
마찬가지로, 제 2 무지부의 면적을 결정하는 단차 폭(width) 또한, 제 2 무지부와 전극 탭의 가공성 및 전극의 용량이 감소되지 않는 범위로 설계될 수 있으며, 상세하게는 상기 제 2 경계에 대응되는 위치에서의 단차 폭(width)이, 과정(iii)에서 형성되는 전극 탭의 폭 대비 150% 내지 500%일 수 있다.
상기 과정(iii)은, 소망하는 전극의 형상으로 전극 시트를 노칭(notching) 함과 동시에, 상기 제 2 경계로부터 제 1 경계 이상으로 돌출되는 형태로 제 1 무지부와 제 2 무지부를 노칭 시켜 전극 탭을 형성시킬 수 있다.
전극 탭의 형상은 제 1 경계 이상으로 돌출되어 전극을 외부와 전기적으로 연결시킬 수 있는 형상이라면 특별히 한정되지는 않는다. 또한, 상기 전극의 형상은 다각형 원형 및 타원형에서 선택되는 적어도 하나의 형상일 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(i)에서 전극 합제는, 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포되어 전극 시트를 형성할 수 있다.
만약, 상기 전극 시트가 양면에 전극 합제가 도포되는 형태라면, 전극시트의 양면에서 동일한 위치에 제 1 무지부와 제 2 무지부가 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제조 방법으로 제조된 전극과 전극조립체를 제공한다.
상기 전극은, 전극 탭 상에, 전극 합제로부터 유래되는 불순물이 존재하지 않는 용접 예정부, 및 절연 처리 또는 절곡을 위한 가공 부위가 구획되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전극조립체는 상기 구조를 포함하는 둘 이상의 전극이 분리막을 사이에 두고 적층되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 구조의 전극조립체 복수 개가 분리 필름 상에 배열된 상태로 권취되어, 또 다른 구조의 전극조립체로 구성될 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지셀을 제공한다.
상기 이차전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있는 바, 본 발명에 따른 제조 방법은 양극 또는 음극을 제조하는 방법일 수 있으며, 상기 전극은 양극 또는 음극일 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 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 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.
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 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 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 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 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 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, 비수 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 구체적인 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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법은 전극 탭이 형성되는 무지부들 중, 제 1 무지부에 레이저 어블레이션이 전혀 수행되지 않는 바, 상대적으로 전극 탭 상의 표면 결함과 불순물의 형성 면적이 상대적으로 좁은 범위로 국한되며, 이러한 이유로 전극 탭은 용접 기능성이 높은 장점이 있다.
또한, 상기 방법은 제 2 경계를 기준으로 도포된 전극 합제와 함께, 제 2 경계 이상으로 돌출된 단차 대향 부위에 전극 합제가 추가로 도포되어 있는 구조로 전극을 제조할 수 있는 바, 전극의 용량을 크게 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 제조 방법의 흐름도이다;
도 2 내지 도 4는 도 1의 제조 방법에 따라 전극을 제조하는 일련의 과정에 대한 모식도들이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 또한, 도 2 내지 도 4에는 도 1의 제조 방법에 따라 전극을 제조하는 일련의 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 제조 방법은 과정(10)에서, 길이 방향에서 시트형 집전체(202)의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 제 1 무지부(210)가 형성되도록, 상단 부위와 제 1 경계(A-A')를 이루는 형태로 나머지 부위에 전극 합제(204)를 도포하여 전극 시트(200)를 준비한다.
여기서, 전극 시트(200)의 상 단부와 제 1 경계(A-A') 사이의 거리는 적어도 제조 하고자 하는 전극에서 전극 탭(310)의 길이 대비 긴 길이로 이루어질 수 있다.
이후, 과정(20)에서 제 1 경계(A-A')를 기준으로 레이저 어블레이션을 수행한다.
구체적으로 도 1과 도 3을 참조하면, 과정(20)에서는 제 1 경계(A-A')에서 부터 전극 합제(204)의 일부를 레이저 어블레이션(laser ablation)시켜, 전극 합제(204)를 집전체(202) 표면으로부터 식각 시킨다.
여기서, 레이저 어블레이션은 제 1 무지부(210)가 제 1 경계(A-A')로부터 만입형의 단차를 이루면서 제 1 경계(A-A')에 평행한 제 2 경계(B)가 형성될 때까지 수행된다.
이와 같이 레이저 어블레이션이 수행되면, 전극 시트(200)에는 제 1 경계(A-A')와 제 2 경계(B) 사이에 제 2 무지부(220)가 형성되며, 경우에 따라서는 레이저 어블레이션이 수행된 제 2 무지부(220) 상에 세척이 수행될 수 있다.
이처럼 레이저 어블레이션은, 집전체(202)에 도포된 전극 합제(204)의 일부를 레이저 빔으로 식각하여 무지부의 면적을 제 2 경계(B)까지 확장시키는 과정으로 이해할 수 있다.
다만 제 2 무지부(220)의 면적이 증가될수록 도 5에서와 같이 노칭된 상태의 전극 탭(310)에서, 제 2 무지부(220)와 대응되는 부위(314)에서의 가공성, 예를 들어 절연성 물질의 부가나 전극 탭(310)의 절곡 등이 용이한 반면에, 전극이 함유하는 전극 합제(204)의 절대량이 감소될 수 있으므로, 레이저 어블레이션 범위는 제한적으로 수행되는 것이 바람직하다.
이에 본 발명에서 레이저 어블레이션은 제 1 경계(A-A')를 기준으로, 과정(30)에서 형성하고자 하는 전극 탭(310)의 돌출 길이(L2) 대비 대략 25%의 만입 깊이(L1)로 제 2 경계(B)가 형성될 때까지 수행될 수 있다.
또한, 레이저 어블레이션은 제 2 경계(B)에 대응되는 위치에서의 단차 폭(W1)이, 과정(30)에서 형성하고자 하는 전극 탭(310)의 폭(W2) 대비 대략 200%의 길이를 가지도록 수행될 수 있다.
이후 과정(30)과 도 4에서와 같이, 가상의 선(C)를 따라 전극 시트(200)를 전극의 형상에 대응하는 크기와 형태로 노칭(notching)하여 전극(300)을 제조한다.
따라서, 본 발명에 따른 제조 방법에서는, 전극 탭(310)이 형성되는 무지부들 중, 제 1 무지부(210)에는 레이저 어블레이션이 전혀 수행되지 않는 바, 상대적으로 전극 탭(310) 상의 표면 결함과 불순물의 형성 면적이 상대적으로 좁은 범위로 국한되며, 이러한 이유로 본 발명의 제조 방법에 따라 형성되는 전극 탭(310)은 용접 기능성이 높은 장점이 있다.
이상과 같이 제조된 전극의 모식도가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 전극(300)은 그것의 상단이 제 1 경계(A-A')와 제 2 경계(B)가 형성하는 단차 구조로 이루어져 있으며, 제 2 경계(B)로부터 제 1 경계(A-A') 만큼 돌출된 단차 대향 부위에 전극 합제(204)가 도포된 구조로 이루어져 있다.
즉, 전극(300)은 제 2 경계(B)를 기준으로 도포된 전극 합제(204)와 함께, 제 2 경계(B) 이상으로 돌출된 단차 대향 부위에 전극 합제(204)가 추가로 도포된 구조이며, 단차 대향 부위에 도포된 전극 합제(204)량 만큼 전극의 용량이 증대된 구조이다.
또한, 도 5의 전극(300)에서 전극 탭(310)은 제 2 경계(B)로부터 제 1 경계(A-A') 이상으로 돌출되는 형태로 단차의 중심 부위에 형성되어 있다.
일반적으로, 복수의 전극들이 적층된 구조의 전극조립체는 전극 탭(310)들이 집합된 상태로 용접되기 위해 절곡되기도 하며, 통상적으로 제 1 경계(A-A')와 제 2 경계(B) 사이에 위치한 전극 탭(310) 부위가 절곡될 수 있다.
따라서, 전극조립체는 전극(300)의 상단을 기준으로는 절곡된 전극 탭(310) 길이 만큼 공간이 손실될 수 있음을 이해해야 한다. 이는 상기 전극 탭(310) 부위에 절연성 물질이 부가되는 경우도 마찬가지이다.
그러나, 본 발명에 따른 전극(300)과 제조 방법(100)은 앞서 설명한 바와 같이, 만입형 단차가 형성되도록 제 1 경계(A-A')로부터 제 2 경계(B)까지만 레이저 어블레이션 시키는 과정으로 도 5와 같은 특정한 구조의 전극(300)의 제조가 가능하고, 그에 따라 만입형 단차를 제외한 대향 부위에 전극 합제(204)가 추가로 도포된 구조의 구현이 가능한 바, 전극의 용량 증대가 가능하다. 이와 동시에, 전극 탭(310)에서 제 1 경계(A-A') 이상으로 돌출된 부위, 즉, 전극 시트(200)에서 레이저 어블레이션이 수행되지 않은 제 1 무지부(210)에 해당하는 부위가 용접에 활용되어, 전극 탭(310)의 전반적인 용접 기능성이 향상될 수 있음을 주목해야 한다.
결과적으로, 본 발명에 따른 제조 방법과 전극은 전기 용량 증대와 용접 기능성 향상이 동시에 구현 가능한 장점을 제공한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (i) 길이 방향에서 시트형 집전체의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 제 1 무지부가 형성되도록, 상기 상단 부위와 제 1 경계를 이루는 형태로 나머지 부위에 전극 합제를 도포하여 전극 시트를 준비하는 과정;
    (ii) 상기 제 1 경계에서 전극 합제의 일부를 레이저 어블레이션(laser ablation)시켜, 제 1 경계로부터 만입형의 단차를 이루면서 제 1 경계에 평행한 제 2 경계를 형성함으로써, 제 1 경계와 제 2 경계 사이에 제 2 무지부를 형성시키는 과정;
    (iii) 상기 전극 시트를 전극의 형상에 대응하는 크기와 형태로 노칭(notching)하여 전극을 제조하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 과정(iii)의 노칭 시, 제 1 무지부와 제 2 무지부로부터 전극 탭이 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 만입형 단차는, 과정(iii)에서 형성되는 전극 탭의 돌출 길이 대비 10% 내지 30%의 만입 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 경계에 대응되는 위치에서의 단차 폭(width)은, 과정(iii)에서 형성되는 전극 탭의 폭 대비 150% 내지 500%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 경계로부터 제 1 경계 이상으로 돌출되는 형태로 제 1 무지부와 제 2 무지부를 노칭시켜 전극 탭을 형성시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 어블레이션은, 집전체에 도포된 전극 합제의 일부를 레이저로 식각하여 무지부의 면적을 제 2 경계까지 확장시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 탭에서 제 1 무지부로부터 유래된 부위는 또 다른 전극 탭 또는 전극 리드와 용접되는 용접 예정부인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 탭에서 제 2 무지부로부터 유래된 부위에는 절연성 물질이 부가되거나 및/또는 소정의 각도로 절곡 되는 부위인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iii)에서, 전극 탭이 형성되는 부위는 전극의 상단이고, 상기 전극의 상단은 제 1 경계와 제 2 경계가 형성하는 단차 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 전극은, 제 2 경계로부터 제 1 경계 만큼 돌출된 단차 대향 부위에 전극 합제가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(i)에서 전극 합제는, 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포되어 전극 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 전극 시트는 양면에 전극 합제가 도포되어 있고, 양면에서 동일한 위치에 제 1 무지부와 제 2 무지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극의 형상은 다각형 원형 및 타원형에서 선택되는 적어도 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 전극으로서, 전극 탭 상에, 전극 합제로부터 유래되는 불순물이 존재하지 않는 용접 예정부, 및 절연 처리 또는 절곡을 위한 가공 부위가 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 전극.
  14. 제 13 항에 따른 적어도 둘 이상의 전극이 분리막을 사이에 두고 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 14 항에 따른 전극조립체를 포함하는 이차전지셀.
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