KR20190028990A - 전극 제조방법, 이차전지 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초박막의 집전체를 갖는 이차전지용 전극 제조방법에 관한 것으로서, 이형지에 전극 활물질을 코팅하는 단계, 상기 전극 활물질 표면에 Al 또는 Cu를 증착시켜 집전체 층을 형성하는 단계 및 상기 이형지를 제거하는 단계를 포함한다. 나아가, 본 발명은 집전체 및 전극활물질층을 포함하는 전극으로서, 상기 전극활물질층과 접하는 집전체 표면은 전극활물질층의 표면 모폴로지와 정반대의 모폴로지를 갖는 것인 이차전지 전극 및 상기 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

전극 제조방법, 이차전지 전극 및 이를 포함하는 이차전지{METHOD FOR PREPARING ELECTRODE, ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 이차전지 제조용 전극을 제공하고자 한다.

일반적으로 이차전지의 전극은 집전체로서 Al이나 Cu의 금속 포일 표면에 활물질을 코팅하여 제조하고 있다. 이와 같은 전극활물질의 코팅을 위해서는 통상 집전체로 제공되는 금속 포일을 롤투롤(roll to roll) 구동에 의해 제공하면서 그 표면에 전극 활물질을 코팅하게 된다. 이와 같은 롤투롤 공정에 의해 활물질을 코팅하는 경우, 상기 금속 포일에 상당한 정도의 텐션을 가하여야 한다. 따라서, 상기 금속 포일은 가해지는 텐션을 견딜 수 있어야 하는데, 이를 위해서는 통상 6㎛ 이상의 두께를 가져야 하며, 그 이하에서는 포일이 장력을 견디지 못하고 파단되는 문제가 발생한다.

이와 같은 높은 두께의 집전체를 사용함으로 인해 부피밀도가 낮아지는 문제가 있었다.

본 발명은 종래와 같은 롤투롤 방식에 의하는 경우에 수반되는 부피밀도 저하 문제를 해결하고자 하는 것으로서, 부피밀도 향상을 위해 초박막 집전체를 갖는 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 초박막의 집전체를 갖는 이차전지용 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 제1 구현예에 따른 이차전지 제조방법은 이형지에 전극 활물질을 코팅하는 단계, 상기 전극 활물질 표면에 Al 또는 Cu를 증착시켜 집전체 층을 형성하는 단계 및 상기 이형지를 제거하는 단계를 포함한다.

다른 구현예로서, 상기 이형지는 예를 들어, PI, PET, PE, 및 PP로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 수지필름일 수 있다.

다른 구현예로서, 상기 이형지는 표면에 이형제를 포함할 수 있다.

다른 구현예로서, 상기 이형제는 실리콘, 실록산, 탄산칼슘, 탈크, 실리카, 알루미늄실리케이트, 실리콘 비드 및 PMMA로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

다른 구현예로서, 상기 집전체층은 50㎚ 내지 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 집전체 및 전극활물질층을 포함하는 전극으로서, 상기 전극활물질층과 접하는 집전체 표면은 전극활물질층의 표면 모폴로지와 정반대의 모폴로지를 갖는 것인 이차전지 전극을 제공한다.

다른 구현예로서, 상기 이차전지 전극은 양극 또는 음극일 수 있다.

다른 구현예로서, 상기 집전체는 50㎚ 내지 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.

본 발명에서 제공되는 이차전지용 전극은 종래의 롤투롤 방식을 사용하지 않아, 종래의 전극에 비하여 집전체의 두께를 초박막화할 수 있으며, 이로 인해 전지의 부피밀도를 향상시킬 수 있어 전지 성능 향상에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전극을 제조하는 방법의 일 구현예를 개념적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 종래 롤투롤 방식에 의해 전극활물질을 코팅하여 제조되는 전극에서 집전체를 두껍게 형성하여야 함으로써 나타나는 전지의 부피밀도 저하 문제를 개선하고자 하는 것으로서, 초박막의 집전체를 갖는 전지를 제공하고자 한다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 전극 제조방법을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 전극 제조방법은 이형지 표면에 전극활물질을 코팅하여 활물질층을 형성하는 단계, 상기 활물질층을 필요에 따라 가압하여 박막화하는 단계 및 금속을 증착하여 금포일을 형성하는 단계를 포함한다.

종래에는 전극 활물질을 집전체의 표면에 코팅하였으나, 본 발명은 전극 활물질을 이형지 표면에 형성한다. 본 발명에서 사용되는 이형지는 특별히 한정하지 않으며, 상부에 코팅되는 전극활물질층으로부터 제거가능한 것이라면 적합하게 사용할 수 있다.

상기 이형지로는 극성을 가져 물분자와 쉽게 결합할 수 있는 친수성 수지재를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, PI, PET, PE, 및 PP 등과 같은 수지재를 사용할 수 있다.

상기 이형지는 전극활물질층과의 이형성을 향상시키기 위해 표면에 이형제를 포함할 수 있다. 상기 이형제로는 이형성을 제공할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 실리콘, 실록산, 탄산칼슘, 탈크, 실리카, 알루미늄실리케이트, 실리콘 비드, PMMA 등을 들 수 있다.

상기 이형제의 표면에는 전극 활물질을 코팅하여 전극 활물질층을 형성한다. 상기 전극 활물질층은 양극활물질층일 수 있으며, 음극활물질층일 수 있다.

양극활물질층은 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 예를 들면, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나, 하나 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_{1 + x}Mn_{2 - x}O₄(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 LiNi_{1 - x}M_xO₂(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 LiMn_{2 - x}M_xO₂(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li₂Mn₃MO₈(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등에 의해 형성될 수 있다.

상기 양극 활물질과 함께, 바인더를 혼합하여 양극활물질층을 형성할 수 있다. 상기 바인더의 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

한편, 상기 음극 활물질층 역시 통상적으로 사용되는 것을 본 발명에서 적합하게 사용할 수 있다. 예를 들면, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다.

이들 외에도, 바인더, 도전재, 기타 첨가제를 포함할 수 있는 것으로서, 그 종류나 함량은 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.

상기 이형지 표면에 형성된 전극 활물질층에 대하여는 압력을 가하여 전극활물질층의 밀도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이형제의 표면에는 전극 활물질을 코팅하여 전극 활물질층을 형성한다.

본 발명에 따르면, 상기 전극 활물질 표면에는 금속을 증착하여 집전체층을 형성할 수 있다. 상기 집전체로는 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있으며, 예를 들어, Al 또는 Cu를 들 수 있다.

상기 금속의 증착은 특별히 한정하는 것은 아니지만, CVD(Chemical Vapor Deposition) 혹은 직접 스퍼터(Direct Sputter) 방식을 사용할 수 있다.

상기 집전체층은 50㎚ 내지 10㎛의 두께 범위로 형성할 수 있다. 50㎚ 미만의 두께를 갖는 경우에는 기계적 강도가 너무 약한 문제가 있으며, 10㎛를 초과하는 경우에는 포일보다 두꺼워 증착으로 인해 얻을 수 있는 장점을 상실하게 될 수 있다. 보다 바람직하게는 50㎚ 내지 6㎛의 두께 범위가 되도록 증착시킬 수 있다.

다음으로, 상기 이형지를 제거하는 단계를 포함한다. 이와 같은 이형지 제거에 의해 집전체의 두께가 얇은 초박막의 전극을 얻을 수 있다. 이와 같이 집전체의 초박막화는 전지의 부피밀도 향상을 가져와 이차전지의 성능 향상에 기여한다. 나아가, 이와 같이 집전체를 초박막화하더라도, 집전체에는 종래의 롤투롤 방법에서와 같은 인장력이 가해지지 않기 때문에, 집전체의 파단문제가 발생하지 않으며, 이와 같은 초박막의 집전체를 사용함으로써 전극의 부피밀도를 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 집전체의 두께가 10㎛ 이하의 초박막인 이차전지를 얻을 수 있다.

이때, 본 발명에 의해 얻어진 이차전지 전극은 상기 집전체와 전극활물질층이 접하는 계면에 있어서, 상기 집전체의 표면은 전극활물질층의 표면과 유사한, 보다 구체적으로는 동등한, 또는 동일한 표면 모폴로지를 갖는다. 표면거칠기가 낮은 상태의 집전체 표면이 전체셀의 저항 관점에서 낮은 저항을 갖는 유리한 특성을 갖는다.

Claims (10)

1. 이형지에 전극 활물질을 코팅하는 단계;
   상기 전극 활물질 표면에 Al 또는 Cu를 증착시켜 집전체 층을 형성하는 단계; 및
   상기 이형지를 제거하는 단계
   를 포함하는 전극 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 이형지는 PI, PET, PE, 및 PP로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 수지필름인 전극 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 이형지는 표면에 이형제를 포함하는 것인 전극 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 이형제는 실리콘, 실록산, 탄산칼슘, 탈크, 실리카, 알루미늄실리케이트, 실리콘 비드 및 PMMA로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 전극 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 집전체층은 50㎚ 내지 10㎛의 두께를 갖는 것인 전극 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이형지에 코팅된 활물질층을 가압하는 단계를 더 포함하는 전극 제조방법.
7. 집전체 및 전극활물질층을 포함하는 전극으로서, 상기 전극활물질층과 접하는 집전체 표면은 전극활물질층의 표면 모폴로지와 정반대의 모폴로지를 갖는 것인 이차전지 전극.
8. 제7항에 있어서, 상기 이차전지 전극은 양극 또는 음극인 이차전지 전극.
9. 제7항에 있어서, 상기 집전체는 50㎚ 내지 10㎛의 두께를 갖는 것인 이차전지 전극.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극을 포함하는 이차전지.

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