KR20180025586A - 관통형의 기공 또는 구멍들이 형성된 집전체를 사용하여 전극을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
(i) 관통형의 기공들 또는 구멍들이 형성되어 있는 집전체와, 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 각각 준비하는 과정;
(ii) 집전체의 일면에 차폐용 필름을 밀착시켜 상기 일면에서 기공들 또는 구멍들을 차폐시키는 과정;
(iii) 차폐용 필름이 부착되지 않은 집전체의 타면에 전극 슬러리를 코팅하고, 1차 건조하여 가전극을 제조하는 과정;
(iv) 가전극으로부터 차폐용 필름을 제거하는 과정; 및
(v) 가전극을 2차 건조하여 전극을 제조하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

관통형의 기공 또는 구멍들이 형성된 집전체를 사용하여 전극을 제조하는 방법 {Preparation Method of Electrode Using Current Collector Having Penetration-typed Pores or Perforation}
본 발명은 관통형의 기공 또는 구멍들이 형성된 집전체를 사용하여 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있어 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
특히, 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로 사용되는 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 함께 단시간에 큰 출력을 발휘할 수 있는 특성을 요구한다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.
이때, 상기 음극과 양극은 각 전극의 집전체 상에 전극 합제층을 포함하며, 예를 들면, 전극 활물질에 바인더와 용매, 필요에 따라 도전재, 분산제를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 재료의 집전체에 도포하고 압축한 뒤 건조하여 전극을 제조할 수 있다.
이러한 전극의 제조과정에서, 리튬 이차전지의 전기 자동차 등에의 확대 적용에 의해 고용량 전지의 개발이 요구되었고, 이에 전극 합제층의 로딩량을 증가시켜왔다. 그러나, 전극 합제층의 증가된 부피와 무게는 전체 이차전지의 에너지 밀도를 낮추고, 전극 합제층 내부의 전기화학반응의 불균일성을 유발하는 문제가 있다.
더욱이, 전류 또는 전압이 인가되면 전극 내 리튬 이온의 농도 구배가 발생하게 되는데, 두꺼운 전극 합제층 내에서는 이 현상이 더욱 심화되어 급속 충전 특성의 열화를 일으키는 문제가 있었다.
이에, 상기 문제를 해결하기 위해, 하나의 집전체 상에 전극 합제층을 두껍게 도포하는 것보다 여러 겹의 얇은 전극을 적층함으로써 두꺼운 전극 합제층을 가지는 이차전지의 용량을 모사할 수 있었다. 다만, 이 경우, 리튬 이온의 이동을 보전하기 위해 특정 기공율 이상의 기공 또는 특정 개구율 이상 개구가 형성된 집전체가 반드시 필요하다.
더 나아가, 상기 기공 또는 개구가 형성된 집전체는 전체 이차전지의 무게를 상당히 줄일 수 있어 앞으로의 사용이 더욱 기대되고 있다.
그러나, 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 집전체는 높은 기공도 또는 개구율로 인하여 전극 제작과정에서 슬러리를 도포하는 경우, 도포면의 반대면으로 슬러리가 누출되어 전극 합제층의 표면 불균일이 발생하고, 균일한 전극 합제층을 형성하지 못하는 문제가 있다.
따라서, 상기 기공 또는 구멍이 형성된 집전체를 사용하면서도 균일한 전극 합제층을 형성할 수 있는 기술에 대한 필요성이 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, 전극 슬러리를 코팅하기 전에, 전극 슬러리의 코팅이 이루어지지 않는 집전체의 일면에 차폐용 필름을 밀착시키고, 전극 슬러리를 코팅한 후에 상대적으로 낮은 온도에서 1차 건조하여 가전극을 형성한 후, 차폐용 필름을 제거하고 상대적으로 높은 온도에서 2차 건조하여 전극을 제조하는 경우, 기공 또는 구멍이 형성된 집전체를 사용할 때도 균일한 전극 합제층을 형성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 제조방법은,
(i) 관통형의 기공들 또는 구멍들이 형성되어 있는 집전체와, 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 각각 준비하는 과정;
(ii) 집전체의 일면에 차폐용 필름을 밀착시켜 상기 일면에서 기공들 또는 구멍들을 차폐시키는 과정;
(iii) 차폐용 필름이 부착되지 않은 집전체의 타면에 전극 슬러리를 코팅하고, 1차 건조하여 가전극을 제조하는 과정;
(iv) 가전극으로부터 차폐용 필름을 제거하는 과정; 및
(v) 가전극을 2차 건조하여 전극을 제조하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은, 전극 슬러리를 코팅하기 전에, 전극 슬러리의 코팅이 이루어지지 않는 집전체의 일면에 차폐용 필름을 밀착시킨 다음, 집전체의 타면에 전극 슬러리를 코팅하므로, 전극 슬러리가 코팅되는 면의 반대면으로 누출되는 것을 방지할 수 있고, 따라서 전극 슬러리의 코팅면이 일정하도록 코팅하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 전극 전체에서 정확하게 전극 로딩량을 조절할 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 전극의 제조방법은 차폐용 필름을 집전체에 형성되어 있는 관통형의 기공들 또는 구멍들을 차폐시키는 마스크(mask)로서 활용한 것이다.
일반적으로 상기 집전체에 형성되어 있는 기공 또는 구멍들의 기공도 또는 개구율이 높을수록, 리튬 이온의 이동이 원활하여 출력 특성 등의 전지 성능이 향상될 수 있으나, 전극의 제조시 전극 합제층의 표면을 균일하게 형성할 수 없어 상기 기공도 또는 개구율을 소정의 값 이상으로 하는데에 어려움이 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 제조방법에 의하면, 전극의 제조시 전극 슬러리가 코팅면의 반대쪽으로 누출되는 문제가 없고, 따라서 전극 합제층이 균일하게 형성될 수 있으므로, 이러한 종래 제한을 받지 않고, 높은 기공율 또는 개구율을 가지는 집전체를 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 집전체는, 관통홀의 기공들 또는 구멍들이 형성되어 있는 형태라면 한정되지 아니하나, 상세하게는, 기공도가 50 내지 98%인 금속 발포체, 기공도가 50 내지 95%인 금속 섬유체, 또는 개구율이 15 내지 70%인 금속 호일일 수 있고, 더욱 상세하게는, 기공도가 70 내지 98%인 금속 발포체 또는 기공도가 70 내지 95%인 금속 섬유체거나, 개구율이 50 내지 70%인 금속 호일일 수 있다.
이때, 상기 기공도는 기공이 형성되어 있지 않은 금속을 기준으로 그 밀도를 비교하여 부피비를 계산한 것이고, 상기 개구율은 구멍이 형성되어 있지 않은 금속 호일 전체 부피를 기준으로 구멍 전체의 부피를 대략적으로 계산한 것이다.
상기 범위를 벗어나, 금속 발포체 또는 금속 섬유체의 기공도가 50% 미만인 경우에는 고로딩을 실현하기 위해 여러 겹의 얇은 전극을 다수 적층하였을 때 충분한 리튬 이온의 이동성을 확보할 수 없고, 기공도가 각각 98%, 95%를 초과하는 경우에는 집전체 상에 형성되는 전극 합제층의 고형분들이 집전체로부터 쉽게 탈락하거나, 전극 합제층을 지지할 수 없을 정도로 강도가 약해지는 바, 바람직하지 않고, 금속 호일의 개구율이 상기 범위를 벗어나는 경우에도 유사한 문제가 발생하므로 바람직하지 않다. 다만, 상기 구멍은 기공보다 그 직경이 크므로 구멍의 형성에 따라 그 강도가 더욱 급하게 약해지므로 상기에서 정의한 바와 같이 바람직한 범위의 개구율은 기공도보다 작다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 기공들의 평균 직경은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있고, 상세하게는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있으며, 상기 기공들 간의 평균 간격은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있고, 상세하게는 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛일 수 있다.
여기서, 상기 평균 직경 및 평균 간격은 임의로 일정 면적을 정하고, 그 면적 내에 존재하는 기공들의 크기 및 기공들 간의 간격을 구한 다음 평균한 값이다.
상기 범위를 벗어나, 기공들의 평균 직경이 너무 작거나, 기공들 간의평균 간격이 너무 크면 소망하는 정도의 기공도를 가지기 어렵고, 이와 같이 제조하는데 어려움이 있고, 기공들의 평균 직경이 너무 크거나, 기공들 간의 평균 간격이 너무 작으면 집전체 자체의 강도가 약하여 전극 합제층의 지지가 어려우므로 바람직하지 않다.
유사한 이유에서, 상기 구멍들의 직경은 0.01 mm 내지 1 mm일 수 있고, 상사하게는 0.03 mm 내지 0.1 mm일 수 있고, 구멍들 간의 평균 간격은 0.01 mm 내지 1 mm일 수 있고, 상세하게는 0.03 mm 내지 0.1 mm일 수 있다.
이와 같이, 상기 집전체가 기공들 또는 구멍들을 가지는 경우, 종래 금속 박 형태의 집전체의 두께에 비해 두께가 두꺼워질 수 있으나, 이는 제조된 집전체를 압연하는 등의 방법으로 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 집전체의 두께는 10 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있고, 상세하게는 집전체를 이루는 금속에 다라 다르고, 예를 들어, 양극에 주로 사용되는 알루미늄의 경우 약 20 ㎛, 음극에 주로 사용되는 구리의 경우 약 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 집전체의 두께가 너무 두꺼운 경우, 전체 전극조립체의 부피 증가를 가져오고, 너무 얇은 경우에는 전극 합제층을 지지할 수 있는 정도의 강도를 가질 수 없는 바, 바람직하지 않다.
한편, 이러한 집전체의 일면에 밀착되어 마스크(mask)의 역할을 수행하는 차폐용 필름은, 전극 슬러리의 물질이 새어나오지 않을 정도의 차폐성과, 이들 물질과 반응하지 않는 내화학성을 가지는 필름이라면 한정되지 아니하나, 상세하게는, 탄화수소 또는 고급 포화탄화수소로 이루어져 반응성이 약하고 화학약품에 내성이 있는 물질로서 파라핀계 수지 필름(Paraffin-based resin film)일 수 있고, 더욱 상세하게는, 공정의 용이를 위해 파라필름(Parafilm)일 수 있다.
여기서, 상기 파라필름(parafilm)은 각종 분자량의 파라핀 혼합물로 이루어지고, 현저한 신장성과 가단성, 방수성 및 약간의 점착성을 가져, 실험실에서 시험관, 샤레, 비이커 등을 밀봉할 때 주로 사용되는 물질인 바, 마스크로서 역할을 하기에 매우 적합하다.
이와 같은 차폐성 물질을 집전체에 밀착시키는 방법은, 한정되지 아니하나, 기공들 또는 구멍들을 가지는 집전체에 주름짐 없이 평평하게 부착시키기 위해, 상세하게는 롤 프레싱에 의해 수행될 수 있다.
다만, 상기 차폐성 물질은 열가소성 수지로 이루어질 수 있으므로, 열에 의한 변형이 존재할 수 있는 바, 전극 슬러리를 코팅 한 후, 건조할 때, 상기 차폐성 물질보다 낮은 온도에서 보다 짧은 시간 동안 가건조하여 전극 슬러리의 일부 용매가 휘발되어 어느 정도 굳어진 형태의 가전극을 형성한 후, 상기 차폐성 필름을 제거하고 다시 건조하는 과정이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 1차 건조하는 과정과, 2차 건조하는 과정을 포함한다.
상기 1차 건조는, 필름을 제거하기 전에 전극 슬러리가 어느 정도 굳게 만들어주는 과정으로써, 차폐성 필름을 이루는 수지의 녹는점보다 낮거나, 유사한 온도에서 짧은 시간동안 되어야 하므로, 예를 들어, 섭씨 30도 내지 60도의 범위에서, 5 내지 15분 동안 수행될 수 있고, 상세하게는 섭씨 40도 내지 50도의 범위에서 5 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
상기 2차 건조는, 종래 전극 공정에서의 건조 과정과 동일한 것으로, 전극 슬러리의 용매를 모두 휘발시켜 완전히 굳게 하는 과정으로써, 종래 건조 과정과 동일한 조건, 예를 들어, 섭씨 60도 내지 120도의 범위에서, 20시간 이상 동안 수행될 수 있고, 상세하게는 섭씨 80도 내지 110도의 범위에서, 24시간 내지 48시간 동안 수행될 수 있다.
상기 1차 건조와 2차 건조 사이에서는 차폐성 필름을 제거하는 과정이 필요하고, 상기 차폐성 필름을 제거하는 과정은 한정되지 아니하고, 아직 완전히 굳지 않은 전극 슬러리가 따라 흘러나오지 않도록 조심히 벗겨내면 된다.
한편, 상기 과정으로 전극을 제조하는 경우, 제조된 전극은 집전체의 일면에만 전극 합제층이 형성된 형태이다.
따라서, 집전체의 양면에 전극 합제층을 형성하기 위해, 예를 들어, 전극 과정(iv)와 과정(v) 사이에, 차폐용 필름이 제거된 집전체의 일면에 전극 슬러리를 코팅하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 추가적인 전극 슬러리의 코팅 과정에서는, 상기 과정(i) 내지 (iv)에 의해 집전체 일면에 먼저 형성된 가전극의 전극 슬러리층에 의해 전극 슬러리가 코팅면의 반대면으로 누출될 일이 없다. 따라서, 양면에 형성되는 전극 합제층 모두 균일한 코팅면을 가질 수 있고, 전극 전체에서 정확하게 전극 로딩량을 조절할 수 있다.
한편, 이와 같이 집전체에 코팅되는 전극 슬러리는 상기 용량을 발현하는 전극 활물질과 함께 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 집전체 및 전극 활물질은 제조되는 전극의 종류에 따라 결정될 수 있고, 상세하게는 양극 집전체와 양극 활물질 또는 음극 집전체와 음극 활물질일 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 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; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 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 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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 활물질은, 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; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 전극 활물질을 포함한 슬러리 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 전극 활물질을 포함하는 슬러리 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.
더 나아가, 상기 전극 슬러리는 충진제를 더 포함할 수 있고, 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.
본 발명은 또한, 상기 제조방법에 따라 제조된 이차전지용 전극을 제공하고, 이와 같이 제조된 전극은, 집전체의 기공들 또는 관통구들의 일부 또는 전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제가 도입되어 있고, 집전체 상에 도포된 전극 합제의 코팅 높이가 균일한 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전극은, 본 발명에서 사용된 것과 같은 집전체를 사용한 종래 제조방법과 비교하여, 균일한 전극 합제층을 가지는 바, 전극 합제층 내의 전기화학 반응의 불균일성을 막아 전반적인 이차전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.
본 발명은 이러한 전극을 포함하는 리튬 이차전지, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는, 컴퓨터, 휴대폰, 파워 툴(power tool) 등의 소형 디바이스와, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등의 중대형 디바이스를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 리튬 이차전지의 제조방법 및 전지팩의 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있는 바, 본 발명에서는 그에 대한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 제조방법은, 전극 슬러리를 코팅하기 전에, 전극 슬러리의 코팅이 이루어지지 않는 집전체의 일면에 차폐용 필름을 밀착시키고, 집전체의 타면에 전극 슬러리를 코팅한 후에 상대적으로 낮은 온도에서 1차 건조하여 가전극을 형성하고, 이후 집전체의 일면에 밀착된 차폐용 필름을 제거하고 다시 상대적으로 높은 온도에서 2차 건조하는 과정을 포함함으로써, 기공 또는 구멍이 형성된 집전체를 사용하는 경우에도 균일한 전극 합제층을 형성할 수 있고, 따라서 전극 합제층 내의 전기화학 반응의 불균일성을 막아 전반적인 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 제조된 이차전지용 전극의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극의 제조방법을 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극의 제조방법을 나타낸 모식도이다;
도 4는 실험예 1에 따른 전극들의 표면 사진이다.
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 이차전지용 전극의 제조방법이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 먼저 관통형의 구멍들(111)이 다수개 형성되어 있는 집전체(110)을 준비한다(과정(a)). 그리고, 집전체(110)의 일면에 차폐용 필름(120)을 밀착시켜 일면에서 구멍들(111)을 차폐시킨다(과정(b)).
이때, 상기 차폐용 필름(120)의 집전체(110)에의 밀착은, 한정되지는 아니하나, 롤 프레스법에 의해 수행될 수 있다.
이후, 차폐용 필름(120)이 밀착되지 않은 집전체(110)의 타면에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리(131)를 코팅한다(과정(c)).
이와 같이, 차폐용 필름(120)을 전극 슬러리(131)의 코팅 전에, 전극 슬러리(131)가 코팅될 면의 반대면에 밀착시켜 구멍들(111)을 차폐하는 경우에는, 일면이 차폐용 필름(120)에 의해 막혀 있으므로 전극 슬러리(131)가 구멍들(111)을 통하여 코팅면의 반대면으로 누출되지 않고, 따라서 균일한 표면을 가지도록 전극 슬러리(131)을 도포할 수 있다.
전극 슬러리(131)의 도포가 완료되면, 이를 섭씨 30도 내지 60도의 범위에서, 5 내지 15분 동안 건조시켜 가전극(101)을 제조하고, 가전극(101)으로부터 차폐용 필름(120)을 제거한다(과정(d)).
상기 건조는 차폐용 필름(120)을 제거하기 전에, 전극 슬러리(131)의 용매를 어느 정도 휘발시켜 소정 굳혀진 전극 슬러리(132)가 차폐용 필름(120)을 제거한 후에도 구멍들(111)을 통하여 누출되지 않게 하기 위함이다. 다만, 차폐용 필름(120)으로는 열 가소성 수지가 사용될 수 있으므로, 열에 의한 변형을 막기 위해, 상기와 같이 상대적으로 낮은 온도에서 짧은 시간동안만 건조를 수행하여 전극 슬러리(131)를 1차적으로 굳히는 것이다.
이와 같이 가전극(101)으로부터 차폐용 필름(120)까지 제거한 후에는 상기 건조보다 높은 온도인 섭씨 60도 내지 120도의 범위에서, 20시간 이상 동안 다시 한번 건조하여 전극 슬러리(132) 내 용매를 모두 휘발시켜 집전체(110) 상에 전극 합제(133)층이 형성된 전극(100)을 제조한다(과정(e)).
이와 같은 과정으로 제조된 전극(100)은, 집전체(110)의 구멍들(111)의 전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제(133)가 도입되어 있고, 집전체(111) 상에 도포된 전극 합제(133)의 코팅 높이가 균일하다.
도 3에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극의 제조방법이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 도 2와 비교하여, 과정(a1)부터 과정(d1)까지는 도 2의 과정(a)부터 과정(d)까지와 동일하다.
구체적으로, 관통형의 구멍들(211)이 다수개 형성되어 있는 집전체(210)을 준비한다(과정(a1)). 그리고, 집전체(210)의 일면에 차폐용 필름(220)을 밀착시켜 일면에서 구멍들(211)을 차폐시킨다(과정(b1)).
물론, 이 경우에도 상기 차폐용 필름(220)의 집전체(110)에의 밀착은, 한정되지는 아니하나, 롤 프레스법에 의해 수행될 수 있다.
이후, 차폐용 필름(220)이 밀착되지 않은 집전체(210)의 타면에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리(231)를 코팅하고(과정(c1)), 전극 슬러리(231)의 도포가 완료되면, 이를 섭씨 30도 내지 60도의 범위에서, 5 내지 15분 동안 건조시켜 용매가 일부 휘발되어 소정의 굳기를 갖는 전극 슬러리(232)가 집전체(210) 상에 형성되어 있는 가전극(201)을 제조하고, 가전극(201)으로부터 차폐용 필름(220)을 제거한다(과정(d1)).
이후 과정이 도 2와 상이한데, 구체적으로, 상기 가전극(201)의 전극 슬러리(232) 상이 형성되지 않은 면, 즉, 차폐용 필름(220)이 부착되었던 집전체(210)의 일면에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리(231)를 추가로 코팅하고(과정(e1), 상기 건조보다 높은 온도인 섭씨 60도 내지 120도의 범위에서, 20시간 이상 동안 다시 한번 건조하여 전극 슬러리(232) 및 전극 슬러리(231) 내 용매를 모두 휘발시킴으로써 집전체(210)의 양면에 전극 합제(233)층이 형성된 전극(200)을 제조한다(과정(f1)).
상기 추가적인 전극 슬러리(231)의 코팅 과정(e1)에서는, 집전체(210) 일면에 먼저 형성된 가전극(201)의 전극 슬러리(232)층에 의해 전극 슬러리(231)이 코팅면의 반대면으로 누출될 일이 없다.
이와 같은 과정으로 제조된 전극(200)은, 집전체(210)의 구멍들(211)의 전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제(233)가 도입되어 있고, 집전체(211)의 양면에서 모두 균일한 코팅면을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
개구율이 50%, 구멍의 직경이 0.05 mm, 구멍 간의 간격이 1 mm이고, 두께가 20 마이크로미터인 구리 호일의 일면에 파라필름(Parafilm)을 롤 프레스법으로 부착시켜 마스킹(masking)하였다.
파라필름이 부착되지 않은 구리 호일의 타면에, 음극 활물질 흑연(graphite), 도전재인 Denka black 및 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)가 중량비 96:2:2으로 NMP(N-methyl pyrrolidone)와 혼합되어 있는 슬러리를 2.44mAh/cm2 도포하였다.
상기 슬러리가 도포된 전극을 오븐에 넣어 섭씨 45도에서 10분간 건조하고, 꺼내어 파라필름을 천천히 제거하였다.
파라필름이 제거된 전극을 다시 오븐에 넣어 섭씨 80도에서 24시간동안 건조하였다.
<비교예 1>
개구율이 50%, 구멍의 직경이 0.05 mm이고, 두께가 20 마이크로미터인 구리 호일의 일면에 음극 활물질 흑연(graphite), 도전재인 Denka black 및 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)가 중량비 96:2:2으로 NMP(N-methyl pyrrolidone)와 혼합되어 있는 슬러리를 2.44mAh/cm2 도포하였다.
상기 슬러리가 도포된 전극을 오븐에 넣어 섭씨 80도에서 24시간동안 건조하였다.
<실험예 1>
전극 표면의 비교
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극의 표면 사진을 도 4에 나타내었다.
도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 전극의 표면은 균일한데 반해, 비교예 1에 따른 전극의 표면은 분균일하여 동일한 전극 로딩조절이 불가능함을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (i) 관통형의 기공들 또는 구멍들이 형성되어 있는 집전체와, 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 각각 준비하는 과정;
    (ii) 집전체의 일면에 차폐용 필름을 밀착시켜 상기 일면에서 기공들 또는 구멍들을 차폐시키는 과정;
    (iii) 차폐용 필름이 부착되지 않은 집전체의 타면에 전극 슬러리를 코팅하고, 1차 건조하여 가전극을 제조하는 과정;
    (iv) 가전극으로부터 차폐용 필름을 제거하는 과정; 및
    (v) 가전극을 2차 건조하여 전극을 제조하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체는, 기공도가 50 내지 98%인 금속 발포체, 기공도가 50 내지 95%인 금속 섬유체, 또는 개구율이 15 내지 70%인 금속 호일인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 집전체는, 기공도가 70 내지 98%인 금속 발포체 또는 기공도가 70 내지 95%인 금속 섬유체인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 상기 집전체는 개구율이 50 내지 70%인 금속 호일인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체의 두께는 10 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기공들의 평균 직경은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 구멍들의 직경은 0.01 mm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 기공들 간의 평균 간격은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 구멍들 간의 평균 간격은 0.01 mm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 차폐용 필름은 파라핀계 수지 필름(Paraffin-based resin film)인 이차전지용 전극의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 파라핀계 수지 필름(Paraffin-based resin film)은 파라필름(Parafilm)인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(ii)에서 집전체에 차폐용 필름을 밀착시키는 과정은 롤 프레싱에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 슬러리는 바인더 및/또는 도전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 1차 건조는, 섭씨 30도 내지 60도의 범위에서, 5 내지 15분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(v)의 2차 건조는, 섭씨 60도 내지 120도의 범위에서, 20시간 이상 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(iv)와 과정(v) 사이에, 차폐용 필름이 제거된 집전체의 일면에 전극 슬러리를 코팅하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 이차전지용 전극으로서, 집전체의 기공들 또는 관통구들의 일부 또는 전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제가 도입되어 있고, 집전체 상에 도포된 전극 합제의 코팅 높이가 균일한 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
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