KR20180131142A - 2차 전지용 전극의 재단 방법 및 이에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지 - Google Patents

2차 전지용 전극의 재단 방법 및 이에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지 Download PDF

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Abstract

본 명세서는, 지지 금속층, 및 상기 지지 금속층의 적어도 일면 상에 구비된 리튬 금속층을 포함하는 전극 적층체를 준비하는 단계; 상기 리튬 금속층에 펄스 레이저를 직접 조사하여 상기 전극 적층체를 재단하는 단계;를 포함하고, 상기 리튬 금속층은 순도 95% 이상 100% 이하의 리튬 금속으로 이루어진 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법 및 이에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지에 관한 것이다.

Description

2차 전지용 전극의 재단 방법 및 이에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지{METHOD OF CUTTING ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY AND LITHIUM BATTERY COMPRISING ELECTRODE CUT BY THE SAME}
본 발명은 2차 전지용 전극의 재단 방법 및 이에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지에 관한 것이다.
모바일 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 2차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 2차 전지에 대한 연구가 행하여지고 있다. 특히, 높은 에너지 밀도, 방전 전압 및 출력 안정성을 갖는 리튬 2차 전지에 대한 수요가 높다.
또한, 제조 공정상의 이점을 확보하기 위하여, 리튬 2차 전지에 사용될 수 있는 기존의 다양한 활물질을 대체하고, 리튬 금속 자체를 전극으로 사용하는 전지의 개발이 진행되고 있다.
나아가, 리튬 2차 전지를 제조하기 위해서는 리튬 금속을 용도에 알맞은 크기로 재단하여야 한다. 다만, 리튬의 경우 높은 연성을 가지므로 재단의 품질을 높이기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.
기존에는 금형을 이용하여 리튬 금속을 알맞은 크기로 재단하였다. 다만, 금형을 이용하여 리튬 금속을 재단하는 경우 리튬 전극에 돌출부(Burr)가 발생하거나, 리튬 전극이 휨으로써 손상되는 문제가 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 리튬 금속 상에 완충 필름을 처리한 후 금형을 이용하여 재단하는 방법을 이용하였다. 하지만, 이 경우에도 리튬 금속 상에 완충 필름의 잔여물이 접착되어, 이를 제거하는 추가적인 공정(Roll Press)이 요구되므로, 제조 공정상의 효율이 감소되는 추가적인 문제점이 있었다.
본 명세서는 2차 전지용 전극의 재단 방법 및 이에 따라 재단된 전극을 포함하는 2차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는, 지지 금속층, 및 상기 지지 금속층의 적어도 일면 상에 구비된 리튬 금속층을 포함하는 전극 적층체를 준비하는 단계; 상기 리튬 금속층에 펄스 레이저를 직접 조사하여 상기 전극 적층체를 재단하는 단계;를 포함하고, 상기 리튬 금속층은 순도 95% 이상 100% 이하의 리튬 금속으로 이루어진 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시상태는, 상기 2차 전지용 전극의 재단 방법에 따라 재단된 전극을 포함하는 2차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전극의 단면이 매끄럽게 절단되지 못하고, 전극의 단면이 늘어나게 되어 띠 모양으로 돌출부(Burr)가 형성되는 문제를 해결한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 금형 재단에 의하여 금속 전극이 휘는 문제를 해결한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전극 표면에 발생한 잔여물을 제거하는 별도의 공정을 필요로 하지 않으므로, 전극 제조 공정을 단순화한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전극 적층체 상에 별도의 공정을 통한 표면 처리 없이, 직접 레이저를 조사함으로써 전극 재단 공정을 단순화한 장점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 재단 방법의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 4 내지 6에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 7, 실시예 8, 비교예 2 및 비교예 3에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 9, 실시예 10, 비교예 4 및 비교예 5에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 9 내지 11에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 9, 실시예 11, 비교예 6 및 비교예 7에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 9, 실시예 12 및 비교예 8에 따른 재단 후의 전극의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 9a는 비교예 9에 따른 재단 후의 전극의 돌출부를 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 9b는 비교예 9에 따른 재단 후 휜 전극을 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 10a는 비교예 10에 따른 재단 전에 완충 필름 처리한 전극을 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
도 10b는 비교예 10에 따른 재단 후의 전극에 형성된 완충 필름의 잔여물을 촬영한 화상을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 지지 금속층, 및 상기 지지 금속층의 적어도 일면 상에 구비된 리튬 금속층을 포함하는 전극 적층체를 준비하는 단계; 상기 리튬 금속층에 펄스 레이저를 직접 조사하여 상기 전극 적층체를 재단하는 단계;를 포함하고, 상기 리튬 금속층은 순도 95% 이상 100% 이하의 리튬 금속으로 이루어진 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 2차 전지용 전극의 재단 방법의 모식도를 하기 도 1a 및 도 2a에 도시하였다.
도 1a에 따르면 본 발명의 일 실시상태는, 지지 금속층(100), 및 상기 지지 금속층(100)의 상부 및 하부면에 구비된 리튬 금속층(200)을 포함하는 전극 적층체(10)를 준비하는 단계; 상기 리튬 금속층(200)에 펄스 레이저(20)를 직접 조사하여 상기 전극 적층체(10)를 재단하는 단계;를 포함할 수 있다.
도 1b에 따르면 본 발명의 일 실시상태는, 지지 금속층(100), 및 상기 지지 금속층(100)의 상부면에 구비된 리튬 금속층(200)을 포함하는 전극 적층체(11)을 준비하는 단계; 상기 리튬 금속층(200)에 펄스 레이저(20)를 직접 조사하여 상기 전극 적층체(11)를 재단하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬 금속층은 상기 지지 금속층의 적어도 일면 상에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 금속층은 상기 지지 금속층의 일면 및 양면, 보다 구체적으로 일면 및/또는 타면상에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 적층체는 시판되는 전극 적층체를 구매하거나, 지지 금속층 상에 리튬 호일을 압연하여 준비될 수 있다. 구체적으로, 상기 압연은 회전하는 여러 개의 롤(Roll) 사이를 통과시켜 연속적인 힘을 가하여 지지 금속층 상에 형성된 리튬 호일을 압착하는 것을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 압연은 열간압연 또는 냉간압연을 이용할 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체는 상기 지지 금속층 상에 스퍼터(sputter)를 이용하여 리튬 금속층을 증착하여 준비될 수 있다. 나아가, 상기 전극 적층체는 상기 지지 금속층에 상기 리튬 금속을 도금하여 준비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 리튬 금속층은 순도 95% 이상 100% 이하, 구체적으로 순도 99.8% 이상의 리튬 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 리튬 금속층은 상기 리튬 금속 및 리튬 금속 외의 불순물로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 금속층은 리튬 외의 일부 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 재단 방법은 상기 지지 금속층의 전극 표면에 레이저를 조사함으로써 전극의 손상을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 리튬은 높은 연성에 의하여 물리적 재단시 재단되는 전극이 휘거나, 돌출부(burr)가 발생하거나, 재단 금형에 리튬이 접착하는 문제점이 발생하는데, 상기 전극 재단 방법에 따르면, 상기 지지 금속층의 전극 표면에 레이저를 직접 조사함으로써 전극의 손상을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 지지 금속층은 전극의 집전체(Current Collector)로 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 집전체는 전극에서 전자의 이동 경로가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 적층체를 재단하는 단계는 전극의 상부에 위치한 상기 펄스 레이저의 광원에서 펄스 레이저를 조사하여 전극을 절단하는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 전극 적층체를 재단하는 단계는 절단하고자 하는 형태에 맞게 상기 펄스 레이저의 광원 및/또는 전극 적층체를 이동시켜 전극을 절단하는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저는 전극 표면 상에 별도의 완충층을 도포 및 코팅하지 않고, 전극의 리튬 금속층의 표면에 직접 조사됨으로써, 재단 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 2차 전지용 전극의 재단 방법은 리튬 2차 전지용 전극의 재단 방법, 구체적으로 리튬 2차 전지용 음극의 재단 방법일 수 있다.
본 명세서에서, 펄스 레이저는 펄스(pulse) 형태로 조사되는 레이저를 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저는 당업자에게 일반적으로 알려진 펄스 레이저를 의미할 수 있으며, 보다 구체적으로 시간적으로 빛의 발진 및 정지가 있는 레이저를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 지지 금속층은 구리; 스테인리스 스틸; 알루미늄; 니켈; 티탄; 소성 탄소; 구리; 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 처리된 스테인리스 스틸; 및 알루미늄-카드뮴 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지 금속층의 표면에 미세한 요철을 형성하여 리튬 금속과의 결합력을 강화시킬 수 있고, 상기 지지 금속층을 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등의 다양한 형태로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 지지 금속층의 두께는 1㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 지지 금속층의 두께는 1㎛ 이상 15㎛ 이하 또는 5㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 지지 금속층의 두께는 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다.
상기 범위의 두께에서 활물질층 등을 충분히 지지할 수 있고, 충분한 집전물질을 포함하여 높은 전기 전도도 및 충전 용량을 가질 수 있고, 충분한 두께로 인하여 가공이 용이한 전극을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 적층체의 두께는 15㎛ 이상 160㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 전극 적층체의 두께는 15㎛ 이상 130㎛ 이하 또는 50㎛ 이상 160㎛ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전극 적층체의 두께는 50㎛ 이상 130㎛ 이하일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 전극 적층체의 두께는 50㎛ 이상 100㎛ 이하 또는 70㎛ 이상 130㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 전극 적층체의 두께는 70㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.
상기 전극 적층체의 두께 범위에서 전극의 충분한 내구성을 확보할 수 있고, 충분히 얇은 두께로 인하여 전극을 다양한 형태로 변형할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:0.1 내지 1:14 일 수 있다. 구체적으로, 상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:0.1 내지 1:10 일 수 있다. 또한, 상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:0.5 내지 1:14 일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:0.5 내지 1:10일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:0.5 내지 1:5 또는 1:1 내지 1:10일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:1 내지 1:5일 수 있다.
상기 두께 비 범위에서 우수한 전기 전도성을 가지고 충전 용량이 큰 전극을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 적층체는 보호층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 보호층은 리튬 금속층의 일면 상에 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 보호층은 상기 지지 금속층의 양면상에 구비된 리튬 금속층의 적어도 일면 상에 구비될 수 있다.
상기 전극 적층체가 보호층을 더 포함함으로써, 상기 리튬 금속층이 그 자체의 높은 반응성으로 인하여 쉽게 산화되는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 적층체를 재단하는 단계는 상기 보호층을 제거한 후 리튬 금속층에 직접 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 것 또는 제거하지 않고 리튬 금속층에 초점을 맞추어 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 보호층의 두께는 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 보호층의 두께는 0.01㎛ 이상 17㎛ 이하 또는 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 보호층의 두께는 0.5㎛ 이상 17㎛이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 보호층의 두께는 0.5㎛ 이상 15㎛ 이하 또는 1㎛ 이상 17㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 보호층의 두께는 1㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다. 보다 더 구체적으로 상기 보호층의 두께는 1㎛ 이상 10㎛ 이하 또는 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 보호층의 두께는 5㎛ 이상 10㎛ 이하일 수 있다.
상기 두께 범위에서 리튬 금속층의 오염을 충분히 방지할 수 있으며, 상기 전극 적층체를 포함하는 이차 전지의 성능을 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 두께 범위에서 리튬 금속의 높은 반응성으로 인한 산화 등의 화학적 물성 변화와, 외부 물리적 자극으로부터 상기 리튬 금속층을 충분히 보호할 수 있으며, 상기 두께 범위에서 레이저 조사로 인하여 생기는 보호층의 잔여물로 인한 재단 품질이 악화를 방지할 수 있고, 상기 전극 적층체를 포함하는 이차 전지 내에서 전자 이동이 원활하게 이루어지게 하여 이차 전지의 성능을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 보호층은 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PVDF-HFP) 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유기계 물질 및/또는 Li3PO4, Li3N, LixLa1-xTiO3(o<x<1) 등의 산화물 및 Li2S-GeS-Ga2S3 등의 황화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 무기계 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 1ps 이상 100ps 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 1ps 이상 50ps 이하 또는 5ps 이상 100ps 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 5ps 이상 50ps 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 7ps 이상 50ps 이하 또는 5ps 이상 30ps 이하일 수 있다. 또한, 상기 레이저의 펄스 폭은 7ps 이상 30ps 이하일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 9ps 이상 30 ps 이하 또는 7ps 이상 12ps 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 9ps 이상 12ps 이하일 수 있다.
상기 펄스 폭의 범위에서 돌출부의 높이를 최소화하여 매끄럽게 전극을 재단할 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭 범위에서 조사되는 레이저의 에너지의 양 및 재단 속도를 충분히 확보할 수 있고, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭 범위에서 열에 의하여 영향을 받는 구역의 크기를 최소화하여 돌출부의 크기를 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 펄스 폭은 펄스의 상승 시간과 하강 시간 사이에서 진폭이 절반이 되는 시각의 간격을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 1ps 이상 100ps 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 출력 용량은 1W 이상 5W 이하일 수 있다. 상기 출력 용량의 범위에서 재단면의 돌출부의 높이를 최소화하여 재단면이 매끄럽도록 할 수 있다. 구체적으로, 상기 출력 용량의 범위에서 조사되는 레이저의 에너지양이 충분하여 전극 적층체가 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 1ps 이상 100ps 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 재단 속도는 1mm/s 이상 5mm/s 이하일 수 있다. 상기 재단 속도의 범위에서 충분한 양의 에너지를 흡수하여 돌출부의 높이를 최소화하여 재단면이 매끄럽도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 조사되는 레이저의 에너지양이 과도하여 발생하는 리튬 금속층의 박리 문제를 방지할 수 있다.
본 명세서에서 재단 속도는 펄스 레이저가 조사되는 전극 적층체 표면의 일 지점에서, 타 지점까지 펄스 레이저의 광원이 이동하는 속도를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 1ps 이상 100ps 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 200nm 이상 1,200nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 250nm 이상 1,200nm 이하 또는 200nm 이상 1,000nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 250nm 이상 1,000nm 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 300nm 이상 1000nm 이하 또는 250nm 이상 800nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 300nm 이상 800nm 이하일 수 있다. 상기 출력 파장의 범위에서 돌출부의 높이를 최소화하여 매끄럽게 전극을 재단할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 1ps 이상 100ps 이하인 경우, 상기 펄스레이저의 매질은 이테르븀:이트륨 알루미늄 가넷(Yb:YAG)일 수 있다. 구체적으로, 상기 이테르븀:이트륨 알루미늄 가넷은 이테르븀이 양이온(Yb3+) 형태로 이트륨 알루미늄 가젯에 첨가된 것을 의미할 수 있다. 또한, 상기 이트륨 알루미늄 가넷은 산화이트륨(Y2O3)과 산화 알루미늄(Al2O3)의 복합산화물(Y2Al5O12)일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 1ps 이상 100ps 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기(spot size)는 5㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 5㎛ 이상 25㎛ 이하 또는 10㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 10㎛ 이상 25㎛ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 10㎛ 이상 20㎛ 이하 또는 15㎛ 이상 25㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 15㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있다. 상기 스폿 크기의 범위에서 돌출부의 크기를 최소화하고, 재단 품질을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서, 스폿 크기는 레이저가 조사된 하나의 부위의 일측 말단에서 타측 말단까지의 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10ns 이상 300ns 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10ns 이상 250ns 이하 또는 15ns 이상 300ns 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 15ns 이상 250ns 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 15ns 이상 200ns 이하 또는 20nm 이상 250nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 20nm 이상 200ns 이하일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 30nm 이상 150nm 이하 또는 35nm 이상 200nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 35nm 이상 150nm 이하일 수 있다. 나아가, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 35nm 이상 100nm 이하, 40nm 이상 150nm 이하, 또는 40nm 이상 100nm 이하일 수 있다.
상기 펄스 레이저의 폭의 범위에서 돌출부의 높이를 최소화한 레이저 재단을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 폭의 범위에서 충분한 재단 속도를 확보할 수 있고, 열에 영향을 받는 구역의 크기가 최소화 함에 따라 돌출부 크기를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 10ns 이상 300ns 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 출력 용량은 10W 이상 50W 이하일 수 있다. 상기 출력 용량의 범위에서 재단면의 돌출부의 높이를 최소화하여 재단면이 매끄럽도록하고, 전극의 손상을 방지 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 10ns 이상 300ns 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 재단 속도는 100mm/s 이상 1,000mm/s 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 재단 속도는 200mm/s 이상 1,000mm/s 이하 또는 100mm/s 이상 800mm/s 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 재단 속도는 200mm/s 이상 800mm/s 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 재단 속도는 300mm/s 이상 800mm/s 이하 또는 200mm/s 이하 600mm/s 이하일 수 있다. 또한 상기 펄스 레이저의 재단 속도는 300mm/s 이상 600mm/s 이하일 수 있다.
상기 재단 속도의 범위에서 충분한 양의 에너지를 흡수하여 돌출부의 높이를 최소화하여 재단면이 매끄럽도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 조사되는 레이저의 에너지양이 과도하여 발생하는 리튬 금속층의 박리 문제를 방지할 수 있다..
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 10ns 이상 300ns 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 200nm 이상 1,200nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 250nm 이상 1,200nm 이하 또는 200nm 이상 1,000nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 250nm 이상 1,000nm 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 300nm 이상 1000nm 이하 또는 250nm 이상 800nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 300nm 이상 800nm 이하일 수 있다. 상기 출력 파장의 범위에서 돌출부의 높이를 최소화하여 매끄럽게 전극을 재단할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 10ns 이상 300ns 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 매질은 이테르븀 첨가 섬유(Yb doped fiber)일 수 있다. 구체적으로, 상기 이테르븀 첨가 섬유는 광섬유에 이테르븀이 첨가된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 10ns 이상 300ns 이하인 경우, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기(spot size)는 5㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 5㎛ 이상 25㎛ 이하 또는 10㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 10㎛ 이상 25㎛ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 10㎛ 이상 20㎛ 이하 또는 15㎛ 이상 25㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 15㎛이상 20㎛ 이하일 수 있다. 상기 스폿 크기의 범위에서 돌출부의 크기를 최소화하고, 재단 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 레이저의 조사 전의 전극 적층체의 두께에 대한 상기 펄스 레이저의 조사 후 전극 적층체의 두께의 증가율은 10% 이상 150% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전극 적층체의 두께의 증가율은 하기 식 1으로 나타내는 식으로 계산할 수 있다.
[식 1]
전극 적층체의 두께의 증가율(%) = {(조사 후 전극 적층체의 두께 - 조사 전 전극 적층체의 두께)/(조사 전 전극 적층체의 두께)}×100
본 발명의 다른 실시 상태는 상기 2차 전지용 전극의 재단 방법에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
제조예 1 - 전극 적층체의 제조
리튬 금속층(리튬 순도 99.8%), 구리를 포함하는 지지 금속층 및 리튬 금속층이 순차적으로 적층되고, 상기 리튬 금속 층 및 지지 금속층의 두께가 각각 40㎛ 및 20㎛인 전극 적층체를 100mm×50mm(가로×세로)의 넓이로 제조하였다.
실시예 1
상기 제조예 1에 따른 전극 적층체에 조사하고, 20W의 출력 용량, 15ns의 펄스 폭 및 100mm/s의 재단 속도로 광원(Yb doped fiber)을 이동하여 상기 제조예 1에 따른 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 2
출력 용량을 30W로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 3
출력 용량을 40W로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 4
출력 용량을 40W로, 펄스 폭을 45ns로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 5
펄스 폭을 120ns로 한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 6
펄스 폭을 220ns로 한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 7
재단 속도를 300mm/s로 한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 8
재단 속도를 600mm/s로 한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 9
상기 제조예 1에 따른 전극 적층체의 표면에 2W의 출력 용량, 10ps의 펄스 폭, 8㎛의 스폿 크기 및 2mm/s의 재단 속도의 펄스 레이저를 광원(Yb:YAG disk laser)을 이동하여 상기 제조예 1에 따른 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 10
출력 용량을 5W로 한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 11
재단 속도를 4mm/s로 한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
비교예 1
출력 용량을 10W 미만으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 레이저를 조사하였으나, 전극 적층체가 재단되지 않았다.
비교예 2
재단 속도를 50mm/s로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
비교예 3
재단 속도가 1,000mm/s를 초과하는 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 레이저를 조사하였으나, 전극 적층체가 재단되지 않았다.
비교예 4
출력 용량을 1W 미만으로 한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 레이저를 조사하였으나, 전극 적층체가 재단되지 않았다.
비교예 5
출력 용량을 10W로 한 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
비교예 6
재단 속도가 0.5mm/s인 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
비교예 7
재단 속도가 6mm/s인 것을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 레이저를 조사하였으나, 전극 적층체가 재단되지 않았다.
상기 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 7에 따른 전극 적층체 재단 방법의 조건을 요약하면 하기 표 1과 같다.
출력 용량(W) 펄스폭 재단 속도 비고
실시예 1 20 15ns 100mm/s -
실시예 2 30 15ns 100mm/s -
실시예 3 40 15ns 100mm/s -
실시예 4 40 45ns 100mm/s -
실시예 5 40 120ns 100mm/s -
실시예 6 40 220ns 100mm/s -
실시예 7 40 45ns 300mm/s -
실시예 8 40 45ns 600mm/s -
실시예 9 2 10ps 2mm/s -
실시예 10 5 10ps 2mm/s -
실시예 11 2 10ps 4mm/s -
비교예 1 10 미만 15ns 2mm/s 재단 불가
비교예 2 40 45ns 50mm/s -
비교예 3 40 45ns 1000초과 재단 불가
비교예 4 1 미만 10ps 2mm/s 재단 불가
비교예 5 10 10ps 2mm/s -
비교예 6 2 10ps 0.5mm/s -
비교예 7 2 10ps 6mm/s 재단 불가
상기 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 7에 따라 재단된 전극 적층체의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 도 2 내지 도 7에 나타내었다.
실시예 12
스폿 크기가 19.1㎛인 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
비교예 8
스폿 크기가 38.4㎛인 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 전극 적층체를 재단하였다.
실시예 9, 실시예 12 및 비교예 8에 따른 전극 적층체의 재단면을 측면에서 촬영한 화상을 도 8에 나타내었다.
비교예 9 - 금형을 이용한 전극 적층체의 재단
상기 제조예 1에 따른 전극 적층체를 SUS(Steel Use Stainless) 금형을 이용하여 재단하였다.
비교예 10 - 완충 필름 처리 후 금형을 이용한 전극 적층체의 재단
금형을 인가하기 전에 PET 소재의 완충 필름을 상기 제조예 1에 따른 전극 적층체의 표면에 부착한 것을 제외하고는 상기 비교예 9과 동일한 방법으로 재단하였다.
상기 비교예 9에 따른 재단 후의 전극의 돌출부(Burr)를 촬영한 화상을 도 9a에 나타내었다.
상기 비교예 9에 따른 재단 후 휜 전극을 촬영한 화상을 도 9b에 나타내었다.
상기 비교예 10에 따른 재단 전에 완충 필름 처리한 전극을 촬영한 화상을 도10a에 나타내었다.
상기 비교예 10에 따른 재단 후의 전극에 형성된 완충 필름의 잔여물을 촬영한 화상을 도 10b에 나타내었다.
<평가>
도 2에 따르면, 출력 용량, 펄스 폭 및 재단 속도가 본 발명의 일 실시상태에 따른 범위 내에 포함된 실시예 1 내지 3의 경우 돌출부의 생성 및 이의 크기가 최소화 됨을 확인 할 수 있으나, 출력 용량이 본 발명의 일 실시상태에 따른 범위에 미달되는 비교예 1은 전극 적층체의 재단되지 못함을 확인할 수 있었다.
도 3에 따르면, 펄스 폭을 10ns 이상 300ns 이하로 조절한 실시예 4 내지 실시예 6은 재단면의 돌출부의 생성 및 이의 크기가 최소화 됨을 확인할 수 있었다.
도 4에 따르면, 재단 속도가 100mm/s 이상 1,000mm/s 이하인 실시예 7 및 실시예 8은 재단면이 돌출부의 생성 및 이의 크기가 최소화 됨을 확인할 수 있으나, 재단 속도가 100mm/s에 미달되는 50mm/s인 비교예 2의 경우 재단면이 균일하지 못하고, 큰 크기를 갖는 돌출부가 다수 생성된 것을 확인할 수 있었고, 1,000mm/s를 초과할 경우 전극 적층체가 재단되지 못함을 확인할 수 있었다.
도 5에 따르면, 펄스 폭 10ps인 경우 출력 용량이 본 발명의 일 실시상태에 따른 범위에 포함되는 실시예 9 및 실시예 10은 재단면이 고르고, 돌출부의 생성이 거의 없으며, 생성되더라도 그 크기가 최소화 된 것이지만, 출력 용량이 1W 미만일 경우 전극 적층체의 재단되지 못하며, 출력 용량이 5W를 초과하는 비교예 5는 다수의 돌출부가 생성되며 그 크기가 실시예 9 및 10의 돌출부 크기 보다 큰 것을 확인할 수 있었다.
도 6에 따르면, 펄스 폭이 10ps인 실시예 9 내지 실시예 11은 돌출부가 거의 생성되지 않고, 균일한 재단면을 가지는 것을 확인할 수 잇었다.
도 7에 따르면, 재단 속도가 1mm/s 이상 5mm/s 이하인 실시예 9 및 실시예 11은 돌출부가 거의 생성되지 않고, 균일한 재단면을 가지는 것을 확인할 수 있으나, 재단 속도가 0.5mm/s 인 비교예 6은 펄스 레이저의 과조사로 큰 크기를 갖는 다수의 돌출부가 생성되며, 균일하지 못한 절단면을 가지고, 재단 속도가 5mm/s를 초과하는 비교예 7은 전극 적층체가 재단되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
상기 도 2 내지 도 7에 따른 내용을 종합하여 보면, 펄스 레이저의 출력 용량, 펄스 폭 및 재단 속도가 본 발명에서 구체적으로 특정한 범위 외인 것인 비교예 1 내지 7에 따르면, 전극 적층체가 재단되지 못하거나, 재단되더라도 재단된 절단면은 레이저 재단에 의한 리튬 금속의 돌출부의 크기가 실시예 1 내지 11에 따라 재단된 절단면의 돌출부의 크기보다 크고, 매끄럽지 못함을 확인할 수 있었다. 그러므로, 본 발명의 펄스 레이저 조건을 만족하여야 재단 품질이 우수한 2차 전지용 전극을 재단할 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 도 8에 따르면 본 발명의 일 실시상태에 따른 스폿 크기의 펄스 레이저를 조사한 실시예 9 및 실시예 12는 돌출부의 크기가 각각 12㎛ 및 15㎛로 재단 품질에 크게 영향을 끼치지 않지만, 본 발명의 일 실시상태에 따른 스폿 크기를 초과하는 스폿 크기의 펄스 레이저를 조사한 비교예 8은 돌출부의 크기가 45㎛로 재단 품질에 크게 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다.
도 9a 를 통하여, 금형으로 리튬 전극을 재단할 경우, 돌출부가 육안으로도 확인할 수 있을 정도로 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
또한, 도 9b를 통하여, 금형으로 리튬 전극을 재단할 경우, 리튬 전극이 휘어 리튬 전극이 손상되는 문제가 나타냄을 확인할 수 있었다. 상기 도 7a 및 도 7b의 결과를 종합하여보면, 펄스 레이저로 재단하여야, 전극의 외형의 손상을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
나아가, 도 10a 및 도 10b를 통하여, 금형으로 리튬 전극 재단전에 완충 필름으로 보호막을 형성하더라도, 재단 후 완충 필름의 잔여물이 존재함을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 상기 완충 필름의 잔여물의 제거를 위하여 추가적인 공정이 필요함을 확인할 수 있었다.
10, 11: 전극 적층체
20: 펄스 레이저
100: 지지 금속층
200: 리튬 금속층

Claims (15)

  1. 지지 금속층, 및 상기 지지 금속층의 적어도 일면 상에 구비된 리튬 금속층을 포함하는 전극 적층체를 준비하는 단계;
    상기 리튬 금속층에 펄스 레이저를 직접 조사하여 상기 전극 적층체를 재단하는 단계;를 포함하고,
    상기 리튬 금속층은 순도 95% 이상 100% 이하의 리튬 금속으로 이루어진 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 금속층은 구리; 스테인리스 스틸; 알루미늄; 니켈; 티탄; 소성 탄소; 구리; 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 처리된 스테인리스 스틸; 및 알루미늄-카드뮴 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 금속층의 두께는 1㎛ 이상 20㎛ 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 적층체의 두께는 15㎛ 이상 160㎛ 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 금속층에 대한 상기 리튬 금속층의 두께 비는 1:0.1 내지 1:14인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 1ps 이상 100ps 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 출력 용량은 1W 이상 5W 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 1ps 이상 100ps 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 재단 속도는 1mm/s 이상 5mm/s 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 1ps 이상 100ps 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 출력 파장은 200nm 이상 1,200nm 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 1ps 이상 100ps 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 5㎛ 이상 30㎛ 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10ns 이상 300ns 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 출력 용량은 10W 이상 50W 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10ns 이상 300ns 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 재단 속도는 100mm/s 이상 1,000mm/s 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10ns 이상 300ns 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 출력 파장은 200nm 이상 1,200nm 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10ns 이상 300ns 이하이고,
    상기 펄스 레이저의 스폿 크기는 5㎛ 이상 30㎛ 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 조사 전의 전극 적층체의 두께에 대한 상기 펄스 레이저의 조사 후 전극 적층체의 두께의 증가율은 10% 이상 150% 이하인 것인 2차 전지용 전극의 재단 방법.
  15. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 재단된 전극을 포함하는 리튬 2차 전지.
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