KR20190023538A - 이차전지용 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지용 전극 제조방법은 전극 집전체에 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 슬러리를 도포하는 도포단계 및 도포된 상기 전극 슬러리의 표면에 도전재층을 추가로 형성시키는 도전재층 형성단계를 포함한다.

Description

이차전지용 전극 및 그 제조방법{ELECTRODE FOR RECHARGEABLE BATTERY AND THE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 이차전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리 필름으로 권취한 스택/폴딩형으로 대략 분류할 수 있다.
근래에, 이러한 이차 전지에 대하여 전지 용량 증대 및 성능 향상을 위하여 많은 연구들이 이루어지고 있다.
한국 공개특허 제10-2016-0010121호
본 발명의 하나의 관점은 전지의 용량 증대 및 저항을 감소시킬 수 있는 이차전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극 및 그 제조방법은 전극 집전체에 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 슬러리를 도포하는 도포단계 및 도포된 상기 전극 슬러리의 표면에 도전재층을 추가로 형성시키는 도전재층 형성단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극의 표면에 도전재층을 형성시켜 전지의 용량 증대 및 저항을 감소시킬 수 있습니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도포 단계를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도전재층 형성단계를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도포 단계를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도전재층 형성단계를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도포 단계를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도전재층 형성단계를 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법은 전극 슬러리(E)를 전극 집전체(110)에 도포하는 도포단계 및 도포된 전극 슬러리(E)의 표면에 도전재층(130)을 형성시키는 도전재층 형성단계를 포함하여, 이차전지용 전극을 제조한다.
여기서, 전극(100)은 분리막(미도시)과 함께 이차전지의 전극 조립체(미도시)를 구성할 수 있다. 여기서, 전극 조립체는 충방전이 가능한 발전소자로서, 전극(100) 및 분리막이 결집되어 교대로 적층된 구조를 형성할 수 있다. 그리고, 전극(100)은 양극 및 음극을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 양극은 양극 집전체 및 양극 집전체에 도포된 양극 활물질을 포함하고, 음극은 음극 집전체 및 음극 집전체에 도포된 음극 활물질을 포함할 수 있다.
이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예인 이차전지용 전극 제조방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도포단계는 전극 집전체(110)에 전극 슬러리(E)를 도포하여 전극 슬러리층(120)을 형성한다. 여기서, 전극 슬러리층(120)은 제1 전극 슬러리층(121) 및 제2 전극 슬러리층(122)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법의 도포단계에서 도포되는 전극 슬러리(E)는 예를 들어 도전재가 각각 혼합된 제1 전극 슬러리(E1) 및 제2 전극 슬러리(E2)를 포함할 수 있다.
또한, 도포단계는 제1 전극 슬러리(E1)를 전극 집전체(110)의 표면에 도포하여 제1 전극 슬러리층(121)을 형성시키고, 제2 전극 슬러리(E2)를 제1 전극 슬러리층(121)의 표면에 도포하여 제2 전극 슬러리층(122)을 형성시킬 수 있다.
아울러, 도포단계는 복수개의 토출구(11)가 형성된 다이 코터(Die coater)(10)를 통해 전극 집전체(110)에 제1 전극 슬러리(E1) 및 제2 슬러리를 도포할 수 있다. 여기서, 다이 코터(10)는 제1 토출구(11a) 및 제2 토출구(11b)를 포함하고, 제1 토출구(11a)를 통해 제1 전극 슬러리(E1)가 토출되고, 제2 토출구(11b)를 통해 제2 전극 슬러리(E2)가 토출될 수 있다.
여기서, 도포단계는 제1 전극 슬러리(E1)에 비해 도전재가 2배 이상의 비중으로 혼합된 제2 전극 슬러리(E2)를 도포할 수 있다. 이에 따라, 제1 전극 슬러리층(121)에 비해 제2 슬러리층(122)의 도전재 비중이 2배이상 일 수 있다.
한편, 전극 슬러리(E)는 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
바인더는 예를 들어 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무 또는 불소 고무 중에서 어느 하나로 이루어질 수 있다.
도전재는 일례로 탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotube)로 이루어질 수 있다.
또한, 도전재는 다른 예로 그라파이트; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서멀 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; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 중에서 어느 하나로 이루어질 수 있다.
전극 활물질은 양극 집전체에 도포되는 양극 활물질 및 음극 집전체에 도포되는 음극 활물질을 포함할 수 있다.
양극 활물질은 일례로 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 양극 활물질은 다른 예로 Hi Ni계 양극재로 이루어질 수 있다. 여기서, Hi Ni계 양극재는 LiNiMnCoO계, LiNiCoAl계 또는 LiMiMnCoAl계 중에서 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 니켈(Ni)의 함량은 0.5 mol ~ 0.95 mol 로 이루어질 수 있다.
양극 집전체는 예를 들어 알루미늄(Al) 재질의 포일(foil)로 이루어질 수 있다.
음극 활물질은 일례로 인조흑연을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 음극 활물질은 다른 예로 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
음극 집전체는 예를 들어 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 재질로 이루어진 포일(foil)로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 도전재층 형성단계는 도포단계를 통해 전극 집전체(110)에 도포된 전극 슬러리(E)의 표면에 도전재층(130)을 추가로 형성시킨다.
또한, 도전재층 형성단계는 일례로 전극 슬러리층(120)의 표면에 도전재를 증착시켜 도전재층(130)을 형성시킬 수 있다. 여기서, 도전재층 형성단계는 증착(Deposition) 장치(20)를 통해 제2 전극 슬러리(E2)의 표면에 도전재를 뿌려 증착시킴으로써 제2 전극 슬러리층(122)의 표면에 도전재층(130)을 형성시킬 수 있다. 이때, 도전재층 형성단계는 예를 들어 도전재층(130)의 두께가 1um 이하가 되도록 도전재를 제2 전극 슬러리층(122)이 표면에 증착할 수 있다. 이때, 도전재층 형성단계는 보다 구체적으로 예를 들어 도전재층(130)의 두께가 0.001~1um 가 되도록 도전재를 제2 전극 슬러리층(122)에 증착할 수 있다.
그리고, 도전재층 형성단계는 예를 들어 탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotube)로 이루어진 상기 도전재를 전극 슬러리(E)에 증착시킬 수 있다. 즉, 제2 전극 슬러리층(122)의 표면에 탄소나노튜브로 이루어진 도전재층(130)을 형성시킬 수 있다.
한편, 도전재층 형성단계를 다른 예로 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD), 스핀 온 글라스(SOG) 또는 도금 방법 중에서 어느 하나의 방법으로 도전재를 전극 슬러리(E)에 형성시킬 수 있다. 즉, 제2 전극 슬러리층(122)의 표면에 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD), 스핀 온 글라스(SOG) 또는 도금 방법으로 도전재로 이루어진 도전재층(130)을 형성시킬 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법을 제조된 이차전지용 전극(100)은 표면에 도전재층(130)이 형성되어 전지의 용량 증대 및 저항이 감소될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도포 단계를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법에서 도전재층 형성단계를 나타낸 단면도이다.
이하에서는, 도 3 및 도 4를 참고하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 이차전지용 전극 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법은 전술한 일 실시예에 따른 이차전지 전극 제조방법과 비교할 때, 도포단계에서 도전재가 혼합된 전극 슬러리(E')를 하나의 토출구(11')가 형성된 다이 코터(10')를 통해 전극 집전체(210)에 도포하는 차이가 있다.
따라서, 본 실시예는 일 실시예와 중복되는 내용은 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극 제조방법은 전극 슬러리(E')를 전극 집전체(210)에 도포하는 도포단계 및 도포된 전극 슬러리(E')의 표면에 도전재층(230)을 형성시키는 도전재층 형성단계를 포함한다.
도포단계는 도전재가 혼합된 전극 슬러리(E')를 전극 집전체(210)에 도포하여 전극 슬러리층(220)을 형성할 수 있다.
여기서, 도포단계는 하나의 토출구(11')가 형성된 다이 코터(10')를 통해 전극 집전체(210)의 표면에 전극 슬러리(E')를 도포하여 전극 슬러리층(220)을 형성시킬 수 있다.
도전재층 형성단계는 전극 슬러리(E')가 도포되어 형성된 전극 슬러리층(220)의 표면에 도전재를 증착하여 도전재(230)층을 형성시킬 수 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지용 전극에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지용 전극(100)은 전술한 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지용 전극 제조방법으로 제조된 이차전지용 전극에 대한 것으로, 중복되는 내용은 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지용 전극(100)은 전극 집전체(110)와, 전극 집전체(110) 상에 도포된 전극 슬러리(E) 및 상기 전극 슬러리(E)의 표면에 형성된 도전재층(130)을 포함한다.
보다 상세히, 전극 슬러리(E)는 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하여 전극 집전체(110) 상에 도포되어 전극 슬러리층(120)을 형성할 수 있다.
또한, 전극 슬러리(E)는 전극 집전체(110)의 표면에 도포하여 형성된 제1 전극 슬러리층(121) 및 상기 제1 전극 슬러리층(121)의 표면에 도포하여 형성된 제2 전극 슬러리층(122)을 포함할 수 있다.
전극 슬러리(E)에 혼합된 도전재는 제1 전극 슬러리층(121) 보다 제2 전극 슬러리층(122)에 2배 이상의 비중으로 혼합되어 있을 수 있다.
도전재층(130)은 전극 슬러리(E)가 전극 집전체(110)에 도포되어 형성된 전극 슬러리층(120)의 표면에 형성될 수 있다.
또한, 도전재층(130)은 제2 전극 슬러리층(122)의 외측 표면 상에 형성될 수 있다.
아울러, 도전재층(130)은 예를들어 두께가 1um 이하로 형성될 수 있다. 이때, 도전재층(130)의 두께는 보다 구체적으로 예를들어 0.001~1um로 형성될 수 있다.
그리고, 도전재층(130)을 이루는 도전재는 탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotube)로 이루어질 수 있다.
결국, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극(100)은 표면에 도전재층(130)이 형성되어 전지의 용량 증대 및 저항이 감소될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 전극(200)은 전술한 본 발명의 다른 실시예에 의한 이차전지용 전극 제조방법으로 제조된 이차전지용 전극에 대한 것으로, 전극 집전체(210)와, 전극 집전체(210) 상에 도포된 전극 슬러리(E') 및 상기 전극 슬러리(E')의 표면에 형성된 도전재층(230)을 포함한다. 여기서, 전극 슬러리(E')는 전극 집전체(210)의 표면에 도포하여 형성된 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 슬러리층(220)으로 이루어질 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지용 전극 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 실시가 가능하다고 할 것이다.
또한, 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10, 10': 다이 코터
11,11': 토출구
11a: 제1 토출구
11b: 제2 토출구
20: 증착 장치
100,200: 전극
110,210: 전극 집전체
120,220: 전극 슬러리층
121: 제1 전극 슬러리층
122: 제2 전극 슬러리층
130,230: 도전재층
E,E': 전극 슬러리
E1: 제1 전극 슬러리
E2: 제2 전극 슬러리

Claims (15)

  1. 전극 집전체에 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 슬러리를 도포하는 도포단계; 및
    도포된 상기 전극 슬러리의 표면에 도전재층을 추가로 형성시키는 도전재층 형성단계를 포함하는 이차전지용 전극 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전재층 형성단계는
    상기 전극 슬러리의 표면에 상기 도전재를 증착시켜 상기 도전재층을 형성시키는 이차전지용 전극 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 도포단계는 도전재를 포함하는 제1 전극 슬러리를 상기 전극 집전체의 표면에 도포하여 제1 전극 슬러리층을 형성시키고, 도전재를 포함하는 제2 전극 슬러리를 상기 제1 전극 슬러리층의 표면에 도포하여 제2 전극 슬러리층을 형성시키는 이차전지용 전극 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 도전재는 상기 제1 전극 슬러리 보다 상기 제2 전극 슬러리에 2배 이상의 비중으로 혼합된 이차전지용 전극 제조방법.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 도포단계는
    복수개의 토출구가 형성된 다이 코터(Die coater)를 통해 상기 전극 집전체에 상기 제1 전극 슬러리 및 상기 제2 전극 슬러리를 도포하는 이차전지용 전극 제조방법.
  6. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 도전재층 형성단계는
    증착(Deposition) 장치를 통해 상기 제2 전극 슬러리층의 표면에 상기 도전재를 뿌려 증착시켜 도전재층을 형성시키는 이차전지용 전극 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 도전재층 형성단계는
    상기 도전재층의 두께가 1um 이하가 되도록 상기 도전재를 상기 제2 전극 슬러리층에 증착하는 이차전지용 전극 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전재층 형성단계는
    탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotube)로 이루어진 상기 도전재를 상기 전극 슬러리에 증착시키는 이차전지용 전극 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전재층 형성단계는
    물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD) 또는 도금 방법 중에서 어느 하나의 방법으로 상기 도전재를 상기 전극 슬러리에 형성시키는 이차전지용 전극 제조방법.
  10. 전극 집전체;
    전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하고, 상기 전극 집전체 상에 도포된 전극 슬러리; 및
    상기 전극 집전체 상에 도포된 상기 전극 슬러리의 표면에 형성되고, 도전재로 이루어진 도전재층을 포함하는 이차전지용 전극.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 도전재층은 상기 전극 슬러리의 표면에 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극 슬러리는,
    상기 전극 집전체의 표면에 도포하여 형성된 제1 전극 슬러리층 및, 상기 제1 전극 슬러리층의 표면에 도포하여 형성된 제2 전극 슬러리층을 포함하고,
    상기 도전재층은 상기 제2 전극 슬러리층의 외측 표면 상에 형성되어 있는 것인 이차전지용 전극.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 도전재는 상기 제1 전극 슬러리층 보다 상기 제2 전극 슬러리층에 2배 이상의 비중으로 혼합되어 있는 이차전지용 전극.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 도전재층은 두께가 1um 이하인 이차전지용 전극.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 도전재층을 이루는 상기 도전재는 탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotube)로 이루어진 것인 이차전지용 전극.
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