KR20180005810A - 이차전지용 전극 및 그러한 전극의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

이차전지용 전극 및 그러한 전극의 제조방법이 개시된다.
본 발명은 이차전지용 전극에 네일을 포함한 금속 외부 물체가 관통 또는 삽입되는 경우 발생할 수 있는 단락 현상을 방지하기 위한 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은 집전체, 집전체의 일면 또는 양면에 구비되는 전극 활물질 및 전극 활물질의 표면 상에 구비되는 필름층을 포함하되, 필름층의 연신율(elongation)은 전극 활물질의 연신율보다 클 수 있다.

Description

이차전지용 전극 및 그러한 전극의 제조방법{Electrode for secondary battery and method of manufacturing the same}
본 발명은 이차전지용 전극 및 그러한 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 네일 관통에 대한 안정성이 향상된 이차전지용 전극 및 그러한 전극의 제조방법에 관한 것입니다.
이차전지용 전극은 집전체의 양면 또는 일면에 전극 활물질을 도포함으로써 제조된다. 또한, 전극 조립체는 제1 전극, 분리막, 제1 전극과 다른 극성을 갖는 제2 전극을 차례로 적층함으로써 제조된다.
한편, 전극 조립체에 외부의 물체, 특히, 금속(이하, '네일')이 관통 또는 삽입되는 경우 단락 현상이 발생할 수 있으므로, 전극 조립체가 탑재되는 이차전지의 안정성을 위해 전극 조립체 또는 전극은 네일이 관통 또는 삽입되는 경우에도 단락 현상이 일어나는 것을 최소화하도록 제조될 필요가 있다.
한편, 물질의 성질을 나타내는 지표로서 연신율(elongation)이라는 개념이 있는데, 연신율이란 외부로부터 힘이 가해지는 경우 물질이 늘어나는 정도를 의미한다. 따라서, 연신율이 작은 물질은 외부로부터의 힘에 의해 상대적으로 쉽게 절단되며 연신율이 큰 물질은 외부로부터의 힘에 의해 상대적으로 쉽게 절단되지 않고 늘어나게 된다.
도 1은 저연신 전극 활물질층을 도포한 전극에 네일이 삽입된 경우를 도시한 측단면도이고, 도 2는 고연신 전극 활물질층을 도포한 전극에 네일이 관통된 경우를 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하면 집전체(1)에 상대적으로 연신율이 작은 전극 활물질층(이하, '저연신 전극 활물질층')(2)이 도포되어 있다. 이렇게 제조된 전극에 네일(4)이 삽입되면 연신율이 작은 저연신 전극 활물질층(2)은 네일에 의해 절단된다. 따라서, 절단된 전극과 네일, 또는 절단된 전극과 다른 극성을 갖는 전극 간에 전기적으로 연결되지 않게 되므로 단락 현상이 일어나지 않게 된다.
반면, 도 2를 참조하면, 접진체(1)에 상대적으로 연신율이 큰 전극 활물질층(이하, '고연신 전극 활물질층')(3)이 도포되어 있다. 이렇게 제조된 전극에 네일(4)이 삽입되면 연신율이 큰 고연신 전극 활물질층(3)은 네일에 의해 절단되지 않고 늘어나게 된다. 이 경우, 늘어난 전극과 네일, 또는 늘어난 전극과 다른 극성을 갖는 전극 간에 전기적으로 연결되어 단락 현상이 일어나게 된다. 단락 현상이 일어나면 매우 큰 전류가 흐르게 되므로 전극 또는 전극 조립체의 온도가 올라가게 되어 화재 또는 폭발이 일어날 수 있다.
한편, 양극 활물질의 경우 니켈(Ni)의 함량이 증가할수록 양극의 용량이 증가하게 된다. 따라서, 고용량의 전지에 대한 수요가 증대되고 있는 최근에는 니켈의 함량이 많은 양극 활물질의 사용이 증가하는 추세이다.
반면, 니켈의 함량이 증가할수록 해당 물질의 연신율이 증가하게 되는데, 이는 단락 현상이 발생할 수 있는 위험성을 증대시키는 결과를 초래한다. 따라서, 니켈의 함량이 높은 양극 활물질을 사용하는 경우에도 단락 현상이 발생하지 않도록 전극을 제조할 필요성이 제기되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이차전지용 전극에 네일이 관통 또는 삽입되더라도 단락 현상이 일어나지 않도록 함으로써 안정성이 향상된 이차전지용 전극을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 집전체; 상기 집전체의 일면 또는 양면에 구비되는 전극 활물질; 및 상기 전극 활물질의 표면 상에 구비되는 필름층; 을 포함하고, 상기 필름층의 연신율(elongation)은 상기 전극 활물질의 연신율보다 큰 이차전지용 전극이 제공된다.
상기 전극 활물질은 양극 활물질일 수 있다.
상기 필름층은 테플론(Teflon) 또는 폴리이마이드(Polyimide)일 수 있다.
상기 전극 활물질은 니켈-리치 양극재 811(NMC 811)을 포함할 수 있다.
상기 필름층은 상기 전극 활물질의 표면 중 중앙부에 구비될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체를 준비하는 단계; 상기 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 구비하는 단계; 및 상기 전극 활물질의 표면 상에 필름층을 구비하는 단계; 를 포함하고, 상기 필름층의 연신율(elongation)은 상기 전극 활물질의 연신율보다 큰 이차전지용 전극의 제조방법이 제공된다.
상기 전극 활물질은 양극 활물질일 수 있다.
상기 필름층은 테플론(Teflon) 또는 폴리이마이드(Polyimide)를 포함할 수 있다.
상기 전극 활물질은 니켈-리치 양극재 811(NMC 811)을 포함할 수 있다.
상기 필름층은 상기 전극 활물질의 표면 중 중앙부에 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면 이차전지용 전극에 네일이 관통 또는 삽입되더라도 단락 현상이 일어나지 않도록 함으로써 안정성이 향상되므로 이차전지용 전극의 안정성이 향상된다.
도 1은 저연신 전극 활물질층을 도포한 전극에 네일이 삽입된 경우를 도시한 측단면도이다.
도 2는 고연신 전극 활물질층을 도포한 전극에 네일이 관통된 경우를 도시한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극에 네일을 삽입한 경우의 모습을 도시한 측단면도이다.
이하, 도면을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 구조를 설명하도록 한다.
이차전지용 전극
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은 집전체(10) 및 집전체(10)의 일면 또는 양면에 도포되는 전극 활물질층(20)을 포함할 수 있다. 전극 활물질층(20)은 양극 활물질층일 수 있다. 또한, 전극 활물질층(20)은 니켈-리치 양극재 811을 포함할 수 있다.
한편, 고용량을 갖는 전지에 대한 수요가 커지면서 전극 제조시 고용량을 갖는 전극 활물질층을 적용하는 추세이다. 특히, 양극 활물질층의 경우 니켈의 함량이 많아질수록 양극 활물질층의 용량이 커지게 되므로 양극 활물질의 제조에 사용되는 물질의 니켈 함량이 증가하는 추세이다. 특히, 최근에는 니켈의 함량이 많은 니켈-리치 양극재 811이 양극 활물질의 제조에 많이 사용되고 있다.
그러나, 양극 활물질의 경우 니켈의 함량이 많아질수록 연신율이 커지게 된다. 연신율(elongation)이란, 외부로부터 힘이 가해지는 경우 물질이 늘어나는 정도를 의미한다. 연신율이 작은 물질은 외부로부터의 힘에 의해 상대적으로 쉽게 절단되며 연신율이 큰 물질은 외부로부터의 힘에 의해 상대적으로 쉽게 절단되지 않고 늘어나게 된다. 따라서, 연신율은 물질이 외부로부터 힘을 받았을 때 절단되기 쉬운 성질을 갖는 물질인지 늘어나기 쉬운 성질을 갖는 물질인지를 구별하는 지표가 될 수 있다. 즉, 연신율의 정의에 따르면 연신율이 큰 물질은 외부로부터 힘 또는 충격을 받았을 때 늘어나는 경향이 강하고, 연신율이 작은 물질은 외부로부터 힘 또는 충격을 받았을 때 절단되는 경향이 강하다.
그런데, 전술한 바와 같이 니켈의 함량이 증가할수록 물질의 연신율은 증가하게 되는데, 이는 단락 현상이 발생할 수 있는 위험성을 증대시키는 결과를 초래한다. 즉, 연신율이 클수록 양극 활물질층은 절단되지 않고 늘어나는 경향이 강해지는데 양극 활물질층에 네일 등의 외부 물체가 관통 또는 삽입되는 경우 외부 물체와 양극 활물질층 또는 양극 활물질층과 외부 물체가 관통 또는 삽입된 양극 활물질층과 인접한 음극 활물질층이 서로 전기적으로 연결되어 단락 현상이 발생하게 된다.
이러한 단락 현상을 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예 및 도 3에 따르면, 전극 활물질(20)의 표면 상에 필름층(30a)이 도포되는데, 이때, 필름층(30a)의 연신율은 전극 활물질(20)의 연신율보다 클 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 전극 활물질(20)은 양극 활물질일 수 있고, 특히, 전극 활물질(20)은 니켈-리치 양극재 811(NMC 811)일 수 있다.
단락 현상 방지라는 본 발명이 해결하고자 하는 목적을 달성하기 위해 필름층(30a)에는 다양한 물질이 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면 필름층(30a)은 테플론(Teflon) 또는 폴리이마이드(Polyimide)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 활물질의 표면 상에 전극 활물질의 연신율보다 큰 연신율을 갖는 필름층을 도포하여 네일 등의 외부 물체의 관통 또는 삽입에 의한 단락 현상을 차단 또는 최소화하더라도 외부 물체가 관통 또는 삽입된 전극의 주변 온도가 상승할 수 있다. 이는, 필름층의 존재에도 불구하고 단락 현상이 발생하였기 때문일 수 있다. 이때, 필름층이 열에 약한 물질인 경우 열에 의해 필름층이 녹아내리는 등으로 인해 필름층이 단락 현상을 제대로 차단하지 못하게 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 필름층은 내열성(heat resisting property)이 강한 물질일 수 있다. 예를 들어, 필름층은 섭씨 200도에서 변형되지 않는 물질일 수 있다.
전술한 바와 같이 필름층(30a)은 전극 활물질층(20)의 표면 상에 도포될 수 있는데, 이때, 필름층(30a)은 도 3에 도시된 바와 같이 전극 활물질층(20)의 면 중 집전체(10)를 마주보는 면의 반대 방향 면 전체에 도포될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극의 구조를 도시한 도 4에 도시된 바와 같이, 필름층(30a)은 전극 활물질층(20)의 면 중 집전체(10)를 마주보는 면의 반대 방향 면의 일부에만 도포될 수도 있다. 예를 들어, 필름층(30b)은 전극 활물질층(20)의 면 중 집전체(10)를 마주보는 면의 반대 방향 면의 중앙부(C)에 도포될 수 있다. 도 4와 같이 필름층(30b)이 전극 활물질층(20)의 면 중 집전체(10)를 마주보는 면의 반대 방향 면의 일부에만 도포되는 경우 보다 적은 양의 필름층(30)을 이용하여 단락 현상을 방지할 수 있다. 특히, 네일 등의 외부 물체가 전극의 중심부에 관통 또는 삽입되는 경우 단락 현상이 쉽게 발생할 수 있으므로, 필름층(30b)이 전극 활물질층(20)의 면 중 집전체(10)를 마주보는 면의 반대 방향의 면의 중앙부(C)에 도포되는 경우 단락 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극에 네일을 삽입한 경우의 모습을 도시한 측단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은 집전체(10), 전극 활물질층(20) 및 필름층(30a)을 포함할 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이 니켈 함량이 높은 등의 이유로 전극 활물질층(20)의 연신율은 클 수 있는데, 이러한 전극에 외부 물체 또는 네일(40)이 관통 또는 삽입되는 경우 네일(40)과 전극 활물질층(20) 사이에 있는 필름층(30a)이 단락을 방지하는 역할을 한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면 필름층(30a)의 연신율이 전극 활물질층(20)의 연신율보다 클 수 있기 때문에, 네일(40)이 전극에 관통 또는 삽입되더라도 필름층(30a)이 절단되지 않고 늘어난 채로 전극 활물질층(20)과 네일 사이에 존재하게 된다. 이로 인해, 관통 또는 삽입된 전극 활물질층(20)과 네일, 또는, 관통 또는 삽입된 전극 활물질층(20)과 다른 극성을 갖는 전극 활물질층이 전기적으로 연결되는 현상을 차단하여 결과적으로 단락 현상을 방지하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 제조방법을 설명하도록 한다.
이차전지용 전극의 제조방법
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 제조방법은 집전체를 준비하는 단계, 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 도포하는 단계 및 전극 활물질의 표면 상에 필름층을 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 필름층의 연신율(elongation)은 전극 활물질의 연신율보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 활물질은 양극 활물질일 수 있고, 전극 활물질은 니켈-리치 양극재 811(NMC 811)을 포함할 수 있다. 필름층은 테플론 또는 폴리이마이드를 포함할 수 있다.
또한, 필름층은 전극 활물질의 표면 전체 또는 일부에 도포될 수 있고, 필름층이 전극 활물질의 표면 일부에 도포되는 경우 필름층은 전극 활물질의 표면 중 집전체를 마주보는 면의 반대 방향의 면의 중앙부에 도포될 수 있다.
1 : 집전체
2 : 저연신 전극 활물질층
3 : 고연신 전극 활물질층
4 : 네일
10 : 집전체
20 : 전극 활물질층
30a, 30b : 필름층
40 : 네일
C : 중앙부

Claims (10)

  1. 집전체;
    상기 집전체의 일면 또는 양면에 구비되는 전극 활물질; 및
    상기 전극 활물질의 표면 상에 구비되는 필름층; 을 포함하고,
    상기 필름층의 연신율(elongation)은 상기 전극 활물질의 연신율보다 큰 이차전지용 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 활물질은 양극 활물질인 이차전지용 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 필름층은 테플론(Teflon) 또는 폴리이마이드(Polyimide)를 포함하는 이차전지용 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 활물질은 니켈-리치 양극재 811(NMC 811)을 포함하는 이차전지용 전극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 필름층은 상기 전극 활물질의 표면 중 중앙부에 구비되는 이차전지용 전극.
  6. 집전체를 준비하는 단계;
    상기 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 구비하는 단계; 및
    상기 전극 활물질의 표면 상에 필름층을 구비하는 단계; 를 포함하고,
    상기 필름층의 연신율(elongation)은 상기 전극 활물질의 연신율보다 큰 이차전지용 전극의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극 활물질은 양극 활물질인 이차전지용 전극의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 필름층은 테플론(Teflon) 또는 폴리이마이드(Polyimide)를 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극 활물질은 니켈-리치 양극재 811(NMC 811)을 포함하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 필름층은 상기 전극 활물질의 표면 중 중앙부에 구비되는 이차전지용 전극의 제조방법.
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