KR20190011671A - 이차전지용 동박, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

크롬을 사용하지 않아도 내산화성이 우수하고, 전극 집전체로 가공한 이후에 활물질층과의 접착력이 우수한 이차전지용 동박, 이러한 이차전지용 동박을 제조하는 방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이차전지용 동박은 전해 동박 표면에 SBR(Styrene Butadiene Rubber; 스티렌 부타디엔 고무)층이 형성된 것이다.

Description

이차전지용 동박, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지{Copper foil for secondary battery, method thereof and Secondary battery comprising the same}

본 발명은 이차전지용 동박(copper foil), 그 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 녹방지(방청) 등의 표면 처리 원소로서 크롬 원소(Cr)를 함유하지 않아도, 이차전지용 동박으로서 양호한 성능을 구비하는 전해 동박(electro-deposited copper foil), 그 제조 방법 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화된 이차전지 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 인해 각광을 받고 있다.

일반적으로 이차전지는 분리막을 사이에 두고 배치된 양극 및 음극을 포함하는 구조를 가지며, 상기 양극은 양극 집전체에 양극 활물질이 부착된 구조를 가지고, 상기 음극은 음극 집전체에 음극 활물질이 부착된 구조를 갖는다.

리튬 이차전지에 있어서 음극 집전체의 소재로는 주로 전해 동박이 이용된다. 전해 동박은 음극 집전체로 이용되는 여러가지 물질 중에서도 상 안정성, 광폭 대응성, 순수성, 장권취 대응에 용이한 관계로, 거의 모든 제조사에서 채택하고 있다.

그런데 전해 동박은 전해조에서 대기로 노출되는 순간부터 산화가 진행된다. 이러한 산화는 CuO 및 CuO₂를 만들고, 이는 전기적 특성을 저해하는 요소로 작용할 뿐 아니라, 외관상의 문제를 야기한다. 따라서, 종래부터 전해 동박의 녹방지 원소, 표면 개질 원소로서 크롬 성분이 크롬 도금 또는 크로메이트 처리를 통해 널리 사용되어 왔다. 특히, 크로메이트 처리는, 최근 시장에 있는 전해 동박의 대부분에 이용되고 있다. 크롬 성분은, 크롬 화합물로서 존재하는 경우에는 산화수가 3가(價) 또는 6가이다. 생물에 대한 독성은, 6가 크롬이 훨씬 높고, 또한 토양 중에서의 이동성도 6가 크롬 화합물이 크다.

그 때문에, EU(유럽연합) ELV(폐자동차처리지침)에서는, EU 시장에서 등록되는 신차에 대해 납, 6가 크롬, 수은, 카드뮴의 환경 부하 물질의 사용을 2003년 7월 1일 이후 금지하는 안이 채택되어, 3가 크롬의 적극적인 사용이 제창되고 있다. 또한, 최근의 환경 문제에 대한 의식의 고양으로부터, 3가 크롬을 사용하여도 폐기 처리를 잘못하면 6가 크롬으로 전화(轉化)되거나, 분석 수법이 틀리면 6가 크롬이라고 판단될 우려도 있다. 이와 같은 문제를 감안하여, 크롬이라고 하는 성분 자체를 사용하지 않는 전해 동박을 개발할 필요가 있다.

전해 동박의 표면에 처리되는 구리 이외의 금속 성분은, 일반적으로 녹방지 처리층(방청층)이라고 부르는 바와 같이, 전해 동박을 대기 산화로부터 보호하여 장기 보존성을 확보하기 위해 사용한다. 그런데, 이 녹방지 처리층의 종류에 따라, 음극 집전체로 가공한 이후에 음극 활물질층과의 접착력에도 큰 영향을 미친다.

전해 동박의 녹방지 처리층 개발과 별개로, 이차전지 전극 제조공정에서의 연구도 진행 중이다. 전해 동박은 매우 우수한 친수성 성질을 띄고 있으나, 음극 활물질층과의 접착력에 많은 한계를 가지고 있다. 이를 회피하기 위해 현재 음극 활물질 슬러리 구성시 바인더의 함량을 증가시키거나, 탄소층을 프라이머(primer)로서 전해 동박에 코팅하거나, 이중층(double layer)이라는 공법을 통해 음극 활물질 코팅층을 다층화하여 접착력을 해결하는 기술들이 적용 중에 있다. 이러한 방법은 전지 용량/비용/설비투자 등의 해결이 반드시 수반되어야 하며, 공정 관리 요소가 증가하는 관계로, 전체적인 수율 및 공정성에 악영향을 주게 된다.

따라서, 전해 동박의 녹방지 처리층에 크롬을 사용하지 않아도 방청성, 내산화성을 가지고, 음극 집전체로 가공한 이후에 음극 활물질층과의 접착력이 우수한 이차전지용 동박에 관한 필요성이 크다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 크롬을 사용하지 않아도 내산화성이 우수하고, 음극 집전체로 가공한 이후에 음극 활물질층과의 접착력이 우수한 이차전지용 동박을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 이차전지용 동박을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 이러한 이차전지용 동박을 이용한 이차전지를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 동박은 전해 동박 표면에 SBR(Styrene Butadiene Rubber; 스티렌 부타디엔 고무)층이 형성된 것이다.

상기 SBR층은 상기 전해 동박 표면을 완전히 피복하며 두께방향, 너비방향 및 길이방향으로 연속적인 층이다.

상기 SBR층은 상기 전해 동박의 양면에 형성되며, 녹방지, 즉, 방청 기능을 한다. 그리고, 상기 전해 동박은 녹방지 표면 처리 원소로서 크롬 원소를 함유하지 않는다.

상기 SBR층은, 전해조에서 드럼 표면에 만들어진 전해 동박 표면에 다른 인위적인 처리없이 곧바로 피복된 것이다.

본건 발명자는, 전해 동박의 표면에 녹방지 처리층으로서 SBR을 적극적으로 사용함으로써, 크로메이트 처리 등의 크롬 함유 녹방지 처리층을 채용하지 않아도 우수한 내산화성을 확보하고, 나아가 음극 활물질층과의 접착력도 향상되는 점을 발견하여, 본 발명을 창안하기에 이르렀다.

이러한 이차전지용 동박은 이차전지의 음극 집전체로 적용될 수 있다.

상기 전해 동박의 두께는 3㎛ 내지 30㎛ 범위일 수 있다.

상기 SBR층의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛ 범위일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지용 동박 제조 방법에 있어서, 전해조에서 드럼에 전착하여 상기 전해 동박을 제조하고 상기 전해조 밖으로 취출하는 동안 상기 전해 동박이 SBR 표면처리 구간을 통과해 보빈(bobbin)에 권취되도록 할 수 있다. 특히, 상기 SBR 표면처리 구간은 SBR 수용액 처리조 및 열풍 방식의 건조로를 인라인(in-line) 방식으로 설치한 것임이 바람직하다.

상기 SBR층은, SBR을 1g/l 내지 10g/l 농도로 물에 분산시킨 SBR 수용액을 상기 전해 동박의 표면에 코팅하고 건조함으로써 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지용 동박 제조 방법에 있어서, 상기 건조는 160℃ 내지 2OO℃의 온도 분위기에서 행하는 것이 바람직하다.

또한, 단순한 건조라고 하는 개념을 넘어, 상기 건조를 180℃ 내지 190℃의 온도 분위기에서 30분 내지 240분 계속하여, 건조와 함께 베이킹(baking) 효과를 얻는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 이차전지는, 본 발명에 따른 이차전지용 동박이 음극의 집전체로 적용된 것이다.

상기 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함한다.

상기 음극은 상기 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극 활물질층이 형성된 것이고, 상기 바인더의 함량은 상기 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 1 내지 15 중량%일 수 있다. 특히, 상기 바인더는 SBR일 수 있다.

바람직하게, 상기 음극은 전해 동박, SBR층 및 음극 활물질층으로만 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지용 동박은, 녹방지 처리층으로서 SBR층이 형성된 상태의 것이다. 이와 같은 녹방지 처리층을 구비하는 이차전지용 동박은, 전해 동박의 녹방지 처리층에 크롬을 사용하지 않아 유해물질을 사용하지 않는 장점이 있다.

본 발명에 따른 이차전지용 동박은, 종래의 크로메이트 처리가 실시된 동박과 비교하여도, 동등 혹은 그 이상의 성능을 발휘한다. 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 특성뿐 아니라, 표면 조도는 종래의 전해 동박과 유사하게 하여, 본 발명에 따른 이차전지용 동박을 이차전지의 음극 집전체로 이용할 경우 이차전지 제조 공정에 변화를 일으키지 않으면서도, 음극 집전체와 음극 활물질층 사이의 접착력은 종래의 전해 동박보다 40 내지 70% 향상되도록 한다.

즉, 본건 명세서에서는, 단지 녹방지 처리층이라고 기재하고 있지만, 이 녹방지 처리층의 존재에 의해 음극 활물질층과의 접착성이 개선된다. 따라서, 종래 크로메이트 방청 처리된 전해 동박 이용시 음극 활물질층과의 접착력 개선을 위해 추가로 형성해야 하던 프라이머 코팅층을 형성할 필요가 없다.

이처럼 본 발명에 따른 이차전지용 동박에 구비되는 SBR층은 녹방지 처리층의 기능뿐 아니라, 음극 활물질층과의 우수한 접착력을 제공하는 접착층으로서의 기능도 한다. 따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 동박에 구비되는 SBR층은 SBR 복합 기능층이라고 부를 수 있다.

이러한 이차전지용 동박을 음극 집전체로 이용하는 경우, 음극 활물질 슬러리 안의 바인더 양을 줄일 수 있는 효과도 있다. 종래에는 음극 활물질 코팅 후 건조 중에 바인더가 음극 활물질층의 표면으로 이동하면서 음극 집전체와 음극 활물질층의 접착력이 약화되는 부분이 발생하고, 이를 최소화하기 위해 음극 활물질 슬러리 안의 바인더 함량을 늘리고 있다. 본 발명의 이차전지용 동박에 구비되는 SBR층은 음극 활물질층 안의 바인더의 이동을 최소화할 수 있어, 궁극적으로 음극 활물질 슬러리 안에 바인더를 적게 하고 음극 활물질 양을 늘려줄 수 있게 되어, 이차전지의 용량을 증가시키는 효과를 가져온다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 우수한 내산화성을 가질 뿐 아니라, 음극 집전체로 가공한 이후의 음극 활물질층과의 우수한 접착력 등의 물성을 가지게 되고, 음극 집전체로 활용시 이차전지의 용량도 증가시키는 이차전지용 동박을 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지용 동박은, 녹방지 처리층으로서 SBR층을 SBR 수용액 안에 전해 동박을 침지하여 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 기존 전해 동박 제조 공정에서 설정된 공정 관리가 번잡해지지 않고 관리 비용이 상승하지도 않는다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 이차전지용 동박을 이용해 제조한 음극의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박 제조 방법을 수행할 수 있는 장치의 개략도이다.
도 6은 도 5 장치의 측면 개략도이다.
도 7은 도 5 장치에 포함될 수 있는 SBR 수용액 처리구간을 도시한다.

본 발명의 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 이차전지는 리튬 이차전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차전지를 총칭한다.

한편, 리튬 이차전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차전지의 외관을 이루는 전지 케이스의 종류, 리튬 이차전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차전지라면 모두 상기 리튬 이차전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.

본 발명의 이차전지용 동박은 리튬 이차전지 이외의 다른 이차전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.

또한, 이차전지는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 이차전지는 하나의 전지 케이스 내에 양극/분리막/음극의 전극 조립체 및 전해질이 포함된 단일 셀을 비롯하여 단일 셀의 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박을 나타내는 단면도이다.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박(100)은, 이차전지의 음극 집전체로 이용되는 것이 바람직하다. 즉, 이차전지에 있어서, 음극 활물질과 결합되는 음극 집전체로 이용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박(100)은 전해 동박(10) 표면에 SBR층(20)이 형성된 것이다. SBR층(20)은 전해 동박(10)의 양면에 형성되며, 녹방지(방청) 기능을 한다.

SBR층(20)은 피막의 형태로, 전해 동박(10)의 표면에 고르게, 일정한 두께로, 전해 동박(10) 일부라도 노출시키는 일이 없이, 연속된 막의 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, SBR층(20)은 전해 동박(10) 표면을 완전히 피복하며 두께방향, 너비방향 및 길이방향으로 연속적인 층이다. 그리고, 전해 동박(10)과 SBR층(20) 사이에는 일부러 형성한 다른 층은 없다. 즉, 전해 동박(10) 표면에 크로메이트 처리와 같은 층을 형성하지 않고 SBR층(20)이 곧바로 형성된다. 예를 들어, 전해조에서 드럼 표면에 만들어진 전해 동박(10) 표면에 다른 인위적인 처리없이 곧바로 SBR층(20)이 피복된 것이다.

전해 동박(10)의 두께는 대략 3㎛ 내지 30㎛인 것이 바람직하다.

전해 동박(10)의 두께가 대략 3㎛ 미만으로 너무 얇은 경우에는 이차전지 제조 공정에서 핸들링(handling)이 어려워져 작업성이 저하될 수 있고, 반대로 전해 동박(10)의 두께가 대략 30㎛를 초과하는 경우에는, 음극 집전체로 이용되었을 때 음극 집전체의 두께로 인한 체적 증가로 인해 고용량의 이차전지를 제조하기가 곤란해지는 문제점이 있다.

SBR층(20)은, 전해 동박(10)의 방청 처리를 위해 전해 동박(10)의 표면에 형성된 것이다. 그리고, SBR층(20)은 전해 동박(10)에 대한 방청 특성뿐만 아니라, 음극 활물질과의 결합력 증대 특성을 부여하는 역할 또한 할 수 있다.

SBR층(20)의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛ 범위일 수 있다. SBR층(20)의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우에는, 원하는 정도의 내산화성과 접착력을 얻기 부족하다. 5㎛를 초과하는 경우에는, SBR층(20)이 차지하는 양이 상대적으로 늘어나 전지 용량에 좋지 않으며, 저항으로 작용할 수 있으므로 바람직하지 않다.

이차전지용 동박(100)의 인장강도와 연신율은 전해 동박(10)의 인장강도와 연신율에 의해 주로 결정되며 SBR층(20) 형성으로 인해 전해 동박(10)의 인장강도와 연신율이 저하되지 않는다. 예를 들어, 이차전지용 동박(100)의 인장강도는 30kgf/mm² 내지 35kgf/mm²일 수 있으나 전해 동박(10)의 인장강도에 상관없이 모든 전해 동박을 기본으로 하여 SBR층(20)을 추가 형성해 제조할 수 있다. 그리고 전해 동박의 연신율은 보통 5% 내지 20% 정도라서, 이러한 전해 동박으로부터 제조하는 이차전지용 동박(100)도 이와 유사한 수준의 연신율을 가질 수 있다. 예를 들어, 연신율은 16% 내지 18%일 수 있다. 이 정도의 인장강도와 연신율은 이차전지용 동박의 제조시에 끊어짐과 변형을 방지할 수 있으며, 이후 음극 활물질 슬러리를 코팅해 음극으로 제조할 때에도 적절한 수준의 핸들링이 가능하도록 하는 것이다.

기존 크로메이트 처리에 의할 경우, 이미 만들어진 전해 동박의 조도 특성이 변화되는 문제가 있다. 그러나, 본 발명에서는 크로메이트 처리없이 SBR층(20)을 형성하므로 전해 동박(10)의 조도 특성이 거의 그대로 유지된다.

이차전지용 동박(100)의 양면의 표면 조도는, Rz(십점 평균거칠기) 기준으로 대략 0.2㎛ 내지 2.5㎛인 것이 바람직하다. 표면조도가 대략 0.2㎛ 미만인 경우에는 이차전지용 동박(100)과 음극 활물질간의 밀착성이 저하되는 문제점이 있으며, 이처럼 이차전지용 동박(100)과 음극 활물질간의 밀착성 저하가 발생되면 이차전지의 사용 과정에서 활물질 탈리 현상이 발생될 위험이 커지게 된다.

반대로, 표면 조도가 대략 2.5㎛를 초과하는 경우에는 높은 조도로 인해 이차전지용 동박(100)의 표면에 음극 활물질의 균일한 코팅이 이루어질 수 없어 밀착력이 저하될 수 있으며, 이처럼 음극 활물질의 균일한 코팅이 이루어지지 않는 경우에는 제조된 이차전지의 방전용량 유지율이 저하될 수 있다.

바람직하게, 이차전지용 동박(100)의 양면의 표면 조도는 0.835㎛ 내지 1.115㎛이다. 일반적으로 전해 동박(10)은 그 제조 방법상, 드럼과 닿는 쪽의 면(드럼접촉면) 조도와 반대쪽으로 공기에 노출되는 쪽의 면(공기노출면) 조도가 다르다. 보통은 드럼접촉면의 표면 조도가 공기노출면의 표면 조도보다 크다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박(100)의 경우, 드럼접촉면의 표면 조도는 예를 들어 0.84㎛이고 공기노출면의 표면 조도는 예를 들어 1.09㎛일 수 있다.

이와 같은 SBR층(20)을 구비하는 이차전지용 동박(100)은, 전해 동박(10)의 녹방지 처리층에 크롬을 사용하지 않아 유해물질을 사용하지 않는 장점이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박(100)은, 종래의 크로메이트 처리가 실시된 전해 동박과 비교하여도, 동등 혹은 그 이상의 성능을 발휘한다. 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 특성뿐 아니라, 표면 조도는 종래의 전해 동박과 유사하게 하여, 본 발명에 따른 이차전지용 동박을 이차전지의 음극 집전체로 이용할 경우 이미 설정된 이차전지 제조 공정에 변화를 일으키지 않는다.

음극 활물질층 안의 바인더 양에 따라 이차전지용 동박(100)과 음극 활물질층간의 접착력이 달라질 수 있으나, 바인더의 양을 정해 놓고 예를 들어 본 발명의 이차전지용 동박(100)은 음극 활물질층과의 접착력이 20gf 내지 30gf가 되도록 제조할 수도 있다. 종래의 전해 동박에 상기 정해진 같은 양의 바인더를 사용하는 음극 활물질층을 적용해보면 접착력이 본 발명 접착력 수준의 40 내지 70%로까지 약하게 나타난다. 종래의 전해 동박에서 본 발명과 같은 수준의 접착력을 나타내려면 바인더 양을 늘려야만 할 것이다. 이와 같이 본 발명에 따르면 바인더 양을 증가시킬 필요없이 종래의 전해 동박보다 40 내지 70% 향상된 수준의 접착력도 얻을 수 있다.

즉, 본건 명세서에서는, 단지 녹방지 처리층이라고 기재하고 있지만, 이 녹방지 처리층의 존재에 의해 음극 활물질층과의 접착성이 개선된다. 따라서, 종래 크로메이트 방청 처리된 전해 동박 이용시 음극 활물질층과의 접착력 개선을 위해 추가로 형성해야 하던 프라이머 코팅층을 본 발명에서는 형성할 필요가 없다.

이처럼 이차전지용 동박(100)에 구비되는 SBR층(20)은 녹방지 처리층의 기능뿐 아니라, 음극 활물질층과의 우수한 접착력을 제공하는 접착층으로서의 기능도 한다. 따라서, 이차전지용 동박(100)에 구비되는 SBR층(20)은 SBR 복합 기능층이라고 부를 수 있다.

도 2는 도 1의 이차전지용 동박을 이용해 제조한 음극의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 음극(150)은, 이차전지용 동박(100)에 음극 활물질층(110)이 형성된 것이다. 음극 활물질층(110)은 음극 활물질(120), 예를 들어 흑연과, 도전재(130) 및 바인더(140)를 포함한다.

음극 활물질(120)은 예를 들어 결정질 인조 흑연, 결정질 천연 흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 그래핀(graphene), 및 섬유상 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 탄소계 물질, Si계 물질, Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_{1 - x}Me'_yO_z(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, 및 Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

도전재(130)는 당해 이차전지에 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 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.

바인더(140)는 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, SBR, 불소 고무, 또는 스티렌(styrene monomer: SM), 부타디엔(butadiene: BD), 및 부틸 아크릴레이트(butyl acrylate: BA)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 단량체들의 다양한 공중합체일 수 있다.

음극 활물질층(110)은 이러한 음극 활물질(120), 도전재(130) 및 바인더(140)를 포함하는 음극 활물질 슬러리를 이차전지용 동박(100)에 코팅하고 건조하여 제조한다. 이 때, 음극 활물질 슬러리 안에는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다. 또한, 점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다. 상기 점도 조절제는 음극 활물질 슬러리의 혼합 공정과 그것의 코팅 공정이 용이할 수 있도록 음극 활물질 슬러리의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 활물질 슬러리 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, CMC, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

일반적으로, 이차전지에서 고용량을 구현하기 위한 가장 쉬운 방법은 집전체 위에 많은 양의 전극 활물질을 올리는 것이지만, 이러한 방법은 일정 수준의 전극 접착력이 확보되지 않으면 전극 코팅, 건조, 압연 공정 시에 전극 탈리가 발생하게 되어 이차전지 성능 및 안정성이 저하되는 문제를 야기할 수 있다.

따라서, 고용량을 구현하면서도 성능 및 안정성이 우수한 이차전지를 제조하기 위해, 전극 접착력을 향상시키는 방법에 대한 연구가 당업계에서 활발히 진행되었으며, 현재 전극 접착력을 향상시키기 위한 바인더(140)를 전극 내에 포함하는 방법이 널리 쓰이고 있다.

일반적으로, 전극을 구성하는 전극 활물질, 도전재, 및 집전체는 상온 상태가 고체이고, 표면 특성이 상이하여, 상온에서 쉽게 결합하기 어렵지만, 고분자 바인더를 사용할 경우, 상기 전극의 구성요소들 간의 결합력을 높여, 전극 코팅, 건조, 압연 공정 시에 전극의 탈리 현상을 억제할 수 있다. 그러나 여전히, 전극을 코팅한 후 100℃ 이상의 고온으로 건조하는 과정에서, 바인더의 Tg 이상의 온도 조건으로 인해, 슬러리 상태로 포함되어 있는 바인더가 용매가 휘발되는 방향(집전체에서 먼 방향)으로 움직여, 전극 집전체와 전극 활물질 사이의 접착력이 약화되는 문제점이 존재하였다.

따라서, 종래에는 전극 활물질 코팅 후 건조 중에 바인더가 전극 활물질층의 표면으로 이동하면서 전극 집전체와 전극 활물질층의 접착력이 약화되는 부분이 발생하고, 이를 최소화하기 위해 전극 활물질 슬러리 안의 바인더 함량을 늘리고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박(100)과 음극 활물질층(110)과의 접착력은 20gf 내지 30gf일 수 있고, 이는 종래의 전해 동박보다 40 내지 70% 향상된 수준이다. 이처럼 이차전지용 동박(100)의 SBR층(20)은 음극 활물질층(110) 안의 바인더(140)의 이동을 최소화할 수 있어, 궁극적으로 음극 활물질 슬러리 안에 바인더(140)를 적게 하고 음극 활물질(120) 양을 늘려줄 수 있게 되어, 이러한 음극(150)을 포함하는 이차전지의 용량을 증가시키는 효과를 가져온다.

이와 같이, SBR층(20)은 음극 활물질(120)과 전해 동박(10)간의 결합을 극대화하므로 바인더(140)의 함량비를 적게 하여도, 종래보다 월등히 높은 수준의 접착력을 얻을 수 있고, 이러한 접착력을 갖기 위해 필요했던 바인더의 양보다 훨씬 적은 양의 바인더를 사용하는 것이 가능하여, 가격 절감의 효과를 가짐과 동시에, 전극의 용량 및 전도성 측면에서도 일정 수준 이상의 효과를 발휘한다.

특히, 바인더(140)로서 SBR을 사용하면, SBR층(20)과의 재료적 동일성으로 인하여 SBR층(20)과 음극 활물질층(110)간의 결합 계면에 소정의 연속성을 부여하여, 향후 이차전지 사용시 잦은 충방전 사이클이 적용되더라도 구조적 강건함을 도모할 수 있어 바람직하다.

이처럼 이차전지용 동박(100)은 SBR층(20)을 구비하므로 음극 활물질층(110)과의 접착력이 좋다. 따라서, 이차전지용 동박(100)을 음극 집전체로 이용하는 경우, 음극 활물질 슬러리 안의 바인더(140) 양을 줄일 수 있는 효과도 있다. 바인더(140)의 함량이 너무 높은 경우에는, 전극 내의 저항 증가를 초래하여 전지의 특성이 저하되고, 전극 활물질 및 도전재의 함량이 상대적으로 낮아짐에 따라 전극의 용량 및 전도성이 낮아지는 문제가 있는 바, 바람직하지 않다. 본 발명에서는 바인더(140) 양을 종래보다 줄여도 충분한 접착력을 확보할 수 있으므로, 음극 활물질층(110)의 전체 중량을 기준으로, 바인더(140)의 함량은 1 내지 15 중량%일 수 있다. 바인더(140)의 함량이 1 중량% 미만이면 바인더(140) 첨가의 효과가 미미하다. 바인더(140)의 함량이 15 중량% 초과이면 음극(150)의 용량 및 전도성 측면에서 바람직하지 못하다.

도전재(130)의 함량은 바인더(140) 100 중량부 대비 20 중량부 내지 100 중량부일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 도전재(140)의 함량이 20 중량부 미만인 경우에는 소망하는 정도의 전도성을 얻을 수 없고, 100 중량부를 초과하는 경우에는 상대적으로 음극 활물질(120)의 함량이 줄어 용량이 감소하는 바, 바람직하지 않다.

이와 같이, 음극(150)은 SBR층(20)을 포함하기 때문에 음극 활물질층(110)과의 우수한 접착력을 가질 수 있다. 따라서, 종래처럼 탄소층을 프라이머로서 전해 동박에 코팅하거나, 이중층이라는 공법을 통해 활물질 코팅층을 다층화하여 접착력을 해결할 필요가 없고, 음극(150)이 전해 동박(10), SBR층(20) 및 음극 활물질층(110)으로만 이루어질 수 있어 매우 단순하고 간결한 구조 및 제조 공정을 가질 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 이차전지용 동박(100)의 한쪽면에 음극 활물질층(110)이 형성된 경우를 도시하고 설명하였으나, 이차전지용 동박(100)의 양쪽면에 음극 활물질층(110)이 형성되는 경우도 물론 가능하다.

본 발명에 따른 이차전지는 이와 같은 음극(150)을 전지 요소로서 포함시켜, 기존에 알려진 이차전지와 동일하거나 유사한 형태로 제조될 수 있다. 일반적으로 이차전지는, 양극, 음극, 분리막, 전해질을 가지며 전지 케이스에 의해 수용된 구조로 되어 있으므로, 본 발명에 따른 이차전지는 이러한 음극(150)과 이에 대응되는 양극을 포함하고 그 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 조립체와 전해질을 전지 케이스에 넣어 밀봉해 제조할 수 있는 것이다. 예컨대 도 4와 같은 파우치형 이차전지로 제조될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(190)는 파우치형 전지로서, 전극 조립체(180) 및 파우치(185)를 포함한다.

전극 조립체(180)는, 음극(150)과 양극(160)이 서로 대향하도록 배치된 형태로 구성되며, 이러한 음극(150)과 양극(160) 사이에는 분리막(155)이 개재된다. 이러한 전극 조립체(180)는 스택형, 스택 앤 폴딩형 또는 젤리롤형으로 구성될 수 있다.

음극(150)은 앞에서 설명한 바와 같이 이차전지용 동박(100)을 음극 집전체로 하여, 그 위에 음극 활물질 슬러리가 코팅된 구조로서 형성된다. 양극(160)도 이와 마찬가지로 알루미늄과 같은 양극 집전체 위에 양극 활물질 슬러리가 코팅된 구조로 형성된다. 그리고, 각각의 집전체들에는 슬러리가 코팅되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극에 대응되는 전극 탭이 형성되어, 음극 탭에는 음극 리드(152)가, 양극 탭에는 양극 리드(162)가 연결되어 파우치(185) 외부로 인출되도록 할 수 있다.

파우치(185)는 전지 케이스로서, 도면에서 R로 표시된 바와 같이 오목한 형태의 공간인 수용부를 구비하며, 이러한 수용부(R)에 전극 조립체(180)의 적어도 일부 및 전해질, 예컨대 전해액을 수납할 수 있다. 또한, 파우치(185)는, 전극 조립체(180)의 삽입을 용이하게 하기 위해, 상부 시트(T)와 하부 시트(B)로 구성될 수 있다. 이 때, 파우치(100)는, 상부 시트(T)와 하부 시트(B)에 수용부(R)가 모두 형성되도록 할 수 있으나, 상부 시트(T)나 하부 시트(B) 중 어느 하나에만 수용부(R)가 형성되도록 할 수도 있다. 또한 상부 시트(T)와 하부 시트(B)는 서로 분리된 것이 아니라 서로 연결되어 1 단위의 시트를 구성하는 것일 수도 있다.

그리고, 이러한 상부 시트(T)와 하부 시트(B)는, 내부 수납 공간의 테두리에 실링부(S)를 구비하고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착됨으로써, 내부 수납 공간이 밀봉되도록 할 수 있다. 상부 시트(T)와 하부 시트(B) 사이에는 리드(152, 162)와의 접착성을 더욱 개선하기 위해 실링 테이프(170)가 더 구비될 수 있다.

이처럼, 파우치(185)는, 내부에 수납된 전극 조립체(180)와 전해액을 밀봉하고, 외부로부터 이들을 보호한다.

여기 설명한 것들이 본 발명에 따른 이차전지의 구조나 종류를 제한하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 이차전지는 본 발명에 따른 이차전지용 동박을 음극 집전체로 이용하는 것이기만 하면 된다. 여기 설명한 것 이외에 이차전지에 관한 일반적인 사항은 본 출원인의 선행 특허문헌들을 참고할 수 있으므로, 이외에 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박 제조 방법에 관하여 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 이차전지용 동박 제조 방법은, 기존 전해 동박을 제조하는 공정 라인의 크로메이트 처리 구간을 제거하고, SBR 수용액 처리조를 추가하는 등의 비교적 간단한 변경에 의하여 공정 라인을 구성하여 수행할 수 있다.

바람직하게, 전해조에서 드럼에 전착하여 전해 동박을 제조하고 상기 전해조 밖으로 취출하는 동안 상기 전해 동박이 SBR 표면처리 구간을 통과해 보빈에 권취되도록 한다. 이하에서 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 동박 제조 방법을 수행할 수 있는 장치의 개략도이다. 도 6은 도 5 장치의 측면 개략도이다. 도 7은 도 5 장치에 포함될 수 있는 SBR 수용액 처리구간을 도시한다.

예를 들어, 도 5에서와 같이, 전해조(200) 중에, 이리듐 코티드 티탄제(Ir coated Ti) 회전 캐소드 드럼(210)과, 드럼(210)의 주위에 3 ∼ 20 ㎜ 정도의 극간 거리를 두고 전극을 배치한 전해 동박 제조 장치(300)를 이용하여 전해 동박(10)을 먼저 제조할 수 있다.

본 발명에 관련된 전해 동박(10)을 제조하는 경우에는, 전해조(200) 중에 황산 구리 전해액을 넣고, 전류 밀도비를 조절하여 드럼(210)에 전착함으로써 실시할 수 있다. 황산 구리 전해액은 전형적으로는 구리 농도 : 50 ∼ 350 g/ℓ, 황산 농도 : 50 ∼ 200 g/ℓ로 할 수 있다. 소망하는 물성을 갖는 전해 동박(10)의 수득을 위해, 그리고 전해 동박(10)의 역학적 특성이나 표면 상태를 컨트롤하기 위해, 상기 황산 구리 전해액에는 유기 첨가제로 아교, 젤라틴, HEC(Hydroxyethyl Cellulose), 설파이드(sulfide)계 화합물, 폴리에틸렌글리콜, 질화물 등을 더 포함할 수 있다. 상기 황산 구리 전해액의 온도는 40 ~ 70℃일 수 있다. 전류 밀도는, 구리 농도, 황산 농도, 급액 속도, 극간 거리, 황산 구리 전해액 온도 등 여러 조건에 따라 조절한다. 정상 도금(구리가 층상으로 석출되어 있는 상태)과 조화(粗化) 도금(번드 플레이팅, 구리가 결정상(구상(球狀)이나 침상이나 수빙상(樹氷狀) 등)으로 석출되어 있는 상태, 요철이 있다)과의 경계의 전류 밀도를 한계 전류 밀도로 정의하고, 정상 도금이 되는 한계 내로 전류 밀도를 유지하도록 한다. 전류 밀도는 10 ∼ 80 A/dm²일 수 있다.

전해 동박(10)은 드럼(210)과 양호한 이형성을 가지고 이차전지의 음극 집전체로서 기본적으로 우수한 상 안정성을 가지며 제조된다. 도 5의 전해조(200)에서 만들어지는 전해 동박(10)은 이송부(250)를 거쳐 보빈(270)에 권취될 수 있다.

그런데 이와 같은 전해 도금으로 제조되는 전해 동박(10)은 전해조(200)에서 대기로 노출되는 순간부터 산화가 진행된다. 이러한 산화는 CuO 및 CuO₂를 만들고, 이는 전기적 특성을 저해하는 요소로 작용할 뿐 아니라, 외관상의 문제를 야기한다. 따라서, 기존에는 이송부(250) 중간에 기존에는 크로메이트 처리를 위한 구간이 필요하였다. 본 발명에서는 크로메이트 처리 구간 대신에 SBR 표면처리 구간(260)을 추가한다.

전해조(200)에서 드럼(210) 표면에 만들어지는 전해 동박(10)은, 도 6에도 나타낸 바와 같이, SBR 표면처리 구간(260)을 통과하면서 전해 동박(10)의 표면 또는 이면, 나아가서는 양면에, SBR층(20)이 형성되어, 이차전지용 동박(100)이 되어 보빈(270)에 권취될 수 있다. 이후 이차전지용 동박(100)을 필요한 길이로 재단한 후, 음극 활물질층을 형성하여 음극으로 제조하는 공정에 투입이 된다.

도 6과 같은, SBR 표면처리 구간(260)에서 전해 동박(10) 표면에 SBR층(20)을 형성하는 방법은 SBR 수용액을 전해 동박(10)에 코팅하고 건조하는 방법에 의할 수 있다.

SBR은 물에도 에멀젼 형태로 용이하게 분산될 수 있다. 따라서, SBR 수용액은 SBR이 에멀젼 형태로 분산된 형태일 수도 있고, 일부 또는 전부가 용해된 형태일 수도 있다. 이 때, SBR 함량은 물에의 혼합 가능 여부, 코팅 용이성, 코팅 후 형태 유지 등을 고려하여 SBR 수용액의 점도를 결정하는 수준으로 결정한다. CMC와 같은 점도 조절을 위한 첨가제가 더 포함될 수도 있다. SBR 수용액은 원료로서 SBR을 용매인 물에 희석해서 도포량을 정한다. 전해 동박(10)은 전해조(200)에서 취출되어 SBR 표면처리 구간(260)을 통과해 보빈(270)에 권취되도록 연속적으로 처리될 수 있다. 대신, 전해 동박(10)은 SBR 표면처리 구간(260)에서 일정 시간 머문 후 보빈(270)에 권취될 수도 있다.

물은 저렴하고 더욱 용이하게 구입할 수 있다. 또한, 물은 더욱 환경 친화적이고, 일반적으로 보관 및 처리가 용이하다. 따라서, SBR 표면처리 구간(260)을 유지하는 데에 기존 크로메이트 처리 대비 어려워지는 점은 없다.

SBR 수용액은 교반 상태에 둘 수 있다. 교반을 하지 않고 홀로 남겨 놓을 경우에 SBR 수용액은 경화 및/또는 분리되기 시작할 수 있다.

코팅 방법은, SBR 수용액의 스프레이에 의한 분사, 코터에서의 코팅, 침지, 흘림 등 어느 것이어도 된다. 본 실시예에서는 침지의 경우를 예로 들어, 도 7에 SBR 수용액 처리조(262)를 도시하였다.

예를 들어, SBR 수용액 처리조(262)에는 SBR을 1g/l 내지 10g/l 농도로 물에 분산시킨 SBR 수용액을 담아두고, 전해 동박(10)이 SBR 수용액 처리조(262)에 침지되었다가 인출되도록 한다. 그런 다음, SBR 수용액 처리된 전해 동박(10)을 건조시켜 전해 동박(10) 표면에 SBR층(20)을 형성하도록 한다. 이 때, 열풍 방식의 건조로(264)를 인라인 방식으로 SBR 수용액 처리조(262) 다음 단에 설치를 하는 것이 바람직하다. 건조로(264)에서는 전해 동박(10) 표면에 코팅된 SBR 수용액이 직접 열풍에 접촉되어지는 방식으로 건조될 수 있다. 상자형, 터널형 건조로가 가능하며 열원으로써 적외선 가열, 고주파 가열, 혹은 열선에 의한 가열 등이 이용될 수 있다. 예를 들어 건조로(264)는 할로겐 라인 히터와 같은 선형 열풍 건조로일 수 있다. 이와 같이 인라인 방식으로 구성을 하면, 보빈(270)에 권취된 전해 동박을 따로 옮겨 풀어내서 SBR 처리를 한 후 재권취하지 않아도 되므로, 연속 생산에도 적합한 높은 생산성으로 저렴하게 이차전지용 동박(100)을 얻을 수 있다.

상기 건조는 160℃ 내지 2OO℃의 온도 분위기에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 단순한 건조라고 하는 개념을 넘어, 상기 건조를 180℃ 내지 190℃의 온도 분위기에서 30분 내지 240분 계속하여, 건조와 함께 베이킹 효과를 얻는 것이 바람직하다. 여기서 베이킹이란 전해 동박(10)의 표면에 SBR층(20)의 접착력을 증가시키는 일환으로, 코팅된 SBR 수용액 중의 물을 증발시키는 것 이외에도 남아있는 SBR간의 긴밀한 결합 그리고 SBR과 전해 동박(10)간의 긴밀한 결합을 위한 물질 재배치 및 피막의 고밀도화라는 의미도 포함하는 것이다. 이러한 건조를 통하여, SBR층(20)은 피막의 형태로, 전해 동박(10)의 표면에 고르게, 일정한 두께로, 전해 동박(10) 일부라도 노출시키는 일이 없이, 연속된 막의 형태로 형성될 수 있고, 미세한 크랙(crack)이나 핀홀(pin hole) 등의 결함이 발생하지 않는다.

<실험예>

18㎛ 두께의 일반적인 시판 전해 동박(비교예) 및 본 발명에 따른 이차전지용 동박(실시예) 샘플을 마련해 기계적 특성, 표면 조도 및 접착력을 측정하였다.

실시예 샘플은 SBR을 5g/l 농도로 물에 분산시킨 SBR 수용액을 18㎛ 두께의 전해 동박의 표면에 코팅하고 건조함으로써 형성하였다. 건조 후 SBR층의 두께는 대략 2㎛이었다.

인장타발 시편기를 이용하여 각 동박에서 12.7mm(W) × 152.4mm(L) 시편을 잘라낸 후, 열처리 130℃/10min 후 5분 상온대기 상태에서 인장강도를 측정하였다. 인장강도는 기계적 물성을 측정하는 데에 널리 이용되는 UTM(Universal Test Machine)으로서 INSTRON사 UTM 설비를 이용하고, 시편을 UTM 설비에 장착한 후 TA(Tension Annealing) : speed 50mm/min 조건으로 잡아 당기면서 걸리는 힘을 측정하여 파단시의 힘을 측정한 후 계산을 통해 구하였다.

이러한 인장 시험에서 파단 직전까지의 늘어난 길이를 측정해 연신율을 계산 하였다. 시편의 최초 길이를 L₀, 파단 직전의 길이가 L이라고 하면 △L(=L- L₀)은 시편이 늘어난 길이이다. 이 늘어난 길이를 퍼센트로 나타낸 양, 즉 (△L / L₀)×100이 연신율이 된다.

표면 조도와 접착력은 전해 동박의 드럼접촉면 및 공기노출면에 대해 각각 측정하였다.

표면 조도는 표면조도계를 이용해 십점 평균 산출법으로 측정하였다(Rz 조도). 잘 알려진 바와 같이, 십점 평균 산출법은 단면곡선으로 기준길이를 취해서 그 부분의 평균선에 평행으로 단면곡선을 횡으로 자르지 않은 직선으로 높은 쪽부터 5번째까지의 산봉우리와, 깊은 쪽에서 5번째까지의 계곡 사이의 간격을 측정하여 평균의 차이를 나타내는 것이다.

접착력 평가를 위해서는 음극 활물질 슬러리를 제조해 각 동박에 코팅한 후 상온/고온 건조하여, 압연 전, 압연 후 평가하였다. TA 측정기를 이용하였으며, 2.0mm(W) × 152.4mm(L) 길이의 시편으로 제작했다. 양면 테이프를 이용해 음극 활물질층을 슬라이드 글라스에 고정한 상태에서 시편을 접착된 끝으로부터 잡아당겨 벗기고 그 파열 상태를 보아 접착 상태를 판단하였다(peel test). 잡아당기는 각도는 90°와 180°로 달리 하여 평가를 진행하였다.

표 1은 인장강도, 연신율, Rz 조도, 그리고 접착력 측정 결과를 정리한 것이다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 기계적 특성 및 표면 조도는 종래(비교예)와 본 발명(실시예)이 비슷한 수준으로 측정이 되었다. 즉, 본 발명의 경우 기존에 이용하던 음극 집전체로서의 전해 동박 스펙 조건을 충족할 수 있다는 것이다.

주목할만한 것은 본 발명의 경우 종래에 비하여 접착력이 크게 상승하였다는 것이다. 공기노출면의 압연 전에는 접착력이 42.6% 상승하고 공기노출면의 압연 후에는 접착력이 25.3% 상승하였다. 드럼접촉면의 압연 전에는 접착력이 67.6% 상승하고 드럼접촉면의 압연 후에는 접착력이 54.8% 상승하였다. 따라서, 본 발명에 의할 경우 음극 활물질층과의 접착력이 크게 개선되므로 음극 활물질 슬러리 안의 바인더 양을 줄일 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 전해 동박 20: SBR층
100: 이차전지용 동박 150: 음극
155: 분리막 160: 양극
180: 전극 조립체 185: 파우치
190: 이차전지 200: 전해조
210: 드럼 260: SBR 수용액 처리구간
262: SBR 수용액 처리조 264: 건조로

Claims (11)

1. 전해 동박 표면에 SBR(Styrene Butadiene Rubber; 스티렌 부타디엔 고무)층이 형성된 이차전지용 동박.
2. 제1항에 있어서, 상기 전해 동박은 녹방지 표면 처리 원소로서 크롬 원소를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 이차전지용 동박.
3. 제1항에 있어서, 전해조에서 드럼 표면에 만들어진 전해 동박 표면에 다른 인위적인 처리없이 상기 SBR층이 곧바로 피복된 것을 특징으로 하는 이차전지용 동박.
4. 전해 동박 표면에 대해 SBR 수용액으로 표면 처리를 실시하여, 상기 동박 표면에 SBR층을 형성하는 공정을 포함하는 이차전지용 동박 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 전해조에서 드럼에 전착하여 상기 전해 동박을 제조하고 상기 전해조 밖으로 취출하는 동안 상기 전해 동박이 SBR 표면처리 구간을 통과해 보빈에 권취되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 동박 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 SBR 표면처리 구간은 SBR 수용액 처리조 및 열풍 방식의 건조로를 인라인 방식으로 설치한 것임을 특징으로 하는 이차전지용 동박 제조 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 SBR층은, SBR을 1g/l 내지 10g/l 농도로 물에 분산시킨 SBR 수용액을 상기 전해 동박의 표면에 코팅하고 건조함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 동박 제조 방법.
8. 제1항에 따른 이차전지용 동박이 음극의 집전체로 적용된 이차전지.
9. 제8항에 있어서, 상기 집전체 중의 전해 동박의 두께는 3㎛ 내지 30㎛ 범위이고, SBR층의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛ 범위이며,
   상기 음극은 상기 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극 활물질층이 형성된 것이고,
   상기 바인더의 함량은 상기 음극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 1 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제9항에 있어서, 상기 바인더는 SBR인 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제8항에 있어서, 상기 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함하며, 상기 음극은 전해 동박, SBR층 및 음극 활물질층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.

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