KR20190056851A - 전극, 전극 조립체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

전극, 전극 조립체 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극은 전극 집전체; 상기 전극 집전체의 일면에 도포되는 슬러리; 및 상기 전극 집전체의 타면에 적층되는 벤딩 방지층을 포함한다.

Description

전극, 전극 조립체 및 그의 제조 방법{The Electrode, The Electrode Assembly And The Method For Manufacturing Thereof}
본 발명은 전극, 전극 조립체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압연 공정이 수행된 후에도 벤딩되거나 굴곡이 발생하는 것을 방지할 수 있는 전극, 전극 조립체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.
이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.
도 1은 종래 전극(20)의 개략도이고, 도 2는 종래 전극(20)에 압연 공정이 수행되는 모습을 나타낸 개략도이다.
이러한 양극 및 음극 등의 전극(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 집전체(201)에 슬러리(202)를 도포하여 제조된다. 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전극(20)은 회전하는 롤에 삽입되어, 열과 압력으로 압착되어 슬러리(202)의 접착력이 증가하는 압연 공정이 수행된다.
그런데, 전극(20)이 이러한 열과 압력을 인가받으면 소재 자체가 어느 정도 변형될 수 있다. 이 때, 전극 집전체(201)와 슬러리(202)는 제조되는 물질이 상이하므로, 동일한 열과 압력을 인가받을 때 변형되는 정도가 상이하다. 예를 들어, 물질마다 열 팽창 계수가 상이하므로, 동일한 열을 인가받더라도 팽창되는 정도가 상이하다.
만약 슬러리(202)가 전극 집전체(201)의 양면에 도포되어 압연 공정이 수행된다면 전극(20)이 변형되지 않는다. 그러나, 슬러리(202)가 전극 집전체(201)의 일면에만 도포되는 경우에는, 전극(20)에 압연 공정을 수행하면 전극(20)이 일측 방향으로 벤딩되거나, 굴곡되는 문제가 있었다.
한국공개공보 제2014-0132808호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 압연 공정이 수행된 후에도 벤딩되거나 굴곡이 발생하는 것을 방지할 수 있는 전극, 전극 조립체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극은 전극 집전체; 상기 전극 집전체의 일면에 도포되는 슬러리; 및 상기 전극 집전체의 타면에 적층되는 벤딩 방지층을 포함한다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 이형 필름일 수 있다.
또한, 상기 전극 집전체와 상기 벤딩 방지층 사이의 접착력은, 상기 전극 집전체와 상기 슬러리 사이의 접착력과 동일하거나 더 클 수 있다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 변형률이 상기 슬러리와 차이가 10% 이내일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 제1 슬러리가 도포된 복수의 제1 전극; 상기 복수의 제1 전극들 사이에 게재되는 분리막; 및 제2 전극 집전체의 일면에 제2 슬러리가 도포되고 타면에 벤딩 방지층이 적층되어 형성된 제2 전극을 포함하되, 상기 제2 전극은, 상기 복수의 제1 전극과 상기 분리막이 교대로 적층된 조립체의 양 측 최외면 중 적어도 하나에 부착된다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 이형 필름일 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은, 상기 벤딩 방지층이 외측을 향하는 방향으로 부착될 수 있다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 상기 제2 전극이 상기 제1 전극 및 상기 분리막 조립체에 부착되면 제거될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극 집전체와 상기 벤딩 방지층 사이의 접착력은, 상기 제2 전극 집전체와 상기 제2 슬러리 사이의 접착력과 동일하거나 더 클 수 있다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 변형률이 상기 슬러리와 차이가 10% 이내일 수극 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 제1 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 제1 슬러리를 도포하여 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 복수의 제1 전극들 사이에 분리막을 게재하여 적층하는 단계; 제2 전극 집전체의 일면에 제2 슬러리를 도포하고, 타면에 벤딩 방지층을 적층하여 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 제2 전극을 상기 제1 전극 및 상기 분리막 조립체의 양 측 최외면 중 적어도 하나에 부착하는 단계; 및 상기 벤딩 방지층을 제거하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 이형 필름일 수 있다.
또한, 상기 제2 전극을 부착하는 단계에서, 상기 벤딩 방지층이 외측을 향하는 방향으로, 상기 제2 전극을 부착할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극 집전체와 상기 벤딩 방지층 사이의 접착력은, 상기 제2 전극 집전체와 상기 제2 슬러리 사이의 접착력과 동일하거나 더 클 수 있다.
또한, 상기 벤딩 방지층은, 변형률이 상기 슬러리와 차이가 10% 이내일 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
전극이 전극 집전체의 일면에 슬러리가 도포되고, 타면에는 이형필름이 부착되어 형성되므로, 전극에 압연 공정이 수행되더라도 벤딩 및 굴곡되지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래 전극의 개략도이다.
도 2는 종래 전극에 압연 공정이 수행되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극에 압연 공정이 수행되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층된 모습을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극에서 벤딩 방지층을 제거하여 전극 조립체의 제조를 완료한 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)은, 도 3에 도시된 바와 같이 전극 집전체(101), 상기 전극 집전체(101)의 일면에 도포되는 슬러리(102) 및 상기 전극 집전체(101)의 타면에 적층되는 벤딩 방지층(103)을 포함한다.
전극(10)은 양극 및 음극을 포함하며, 전극 집전체(101)의 일면에 전극 활물질 등의 슬러리(102)를 도포하여 제조될 수 있다. 이러한 전극 집전체(101) 및 슬러리(102)는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극 집전체(101)에 슬러리(102)를 도포할 수 있다. 여기서 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 슬러리(102)를 도포한 다음에 이를 건조하고 압연하여 제조될 수 있다. 이 때 슬러리(102)는 필요에 따라 충진제를 더 포함할 수도 있다. 양극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 μm의 두께로 제조된다. 양극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 높은 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것이 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것이다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 양극 집전체는 양극 활물질의 접착력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4(x는 0 내지 0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2(M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 내지 0.3)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2(M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1) 또는 Li2Mn3MO8(M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등일 수 있다. 다만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 도전재는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것이 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; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이다.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합 등에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 이와 같은 바인더는 대표적으로 폴리불화비닐리덴, 폴리 비닐알코올, 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 등일 수 있다.
충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용된다. 그리고 화학적 변화를 유발하지 않고 섬유상 재료라면 일반적으로 충진제로 사용될 수 있다. 충진제는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질일 수 있다.
음극은 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 필요에 따라 음극 활물질에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등을 포함시킬 수 있다. 음극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 μm의 두께로 제조된다. 음극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것인 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 구리 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금 등이다. 또한 음극 집전체는 음극 활물질의 결합력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
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-Ni계 재료 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)은 벤딩 방지층(103)을 더 포함한다. 상기 기술한 바와 같이, 전극 집전체(101)의 일면에 슬러리(102)가 도포되면, 벤딩 방지층(103)은 상기 전극 집전체(101)의 타면에 적층된다. 이 때, 벤딩 방지층(103)은 이형필름(Release Film)인 것이 바람직하다.
이형필름은 기재의 표면에 부착되어 코팅함으로써 기재를 보호하고 파손을 방지하며, 추후에 상기 기재로부터 용이하게 박리되는 필름이다. 이 때, 이형필름의 표면조도가 우수하여야 기재의 표면도 우수한 표면조도를 유지할 수 있다. 따라서, 상기 전극(10)에 적층된 벤딩 방지층(103)은, 사용자가 용이하게 박리하여 제거할 수 있다.
이러한 이형필름은 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌초산비닐수지(EVA), 폴리에스테르, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리테트라플루오르에틸렌(테프론)계, 폴리부텐, 폴리부타디엔, 염화 비닐 공중합체, 폴리이미드, 또는 종이, 부직포 등을 포함할 수 있다. 그리고, 접착 및 박리가 용이하기 위해, 실리콘계, 멜라민계, 요소계, 폴리올레핀계, 에폭시계, 아크릴계, 불소계, 셀룰로오스계, 파라핀계 또는 에폭시-멜라민계 수지 등으로 이형 처리될 수 있다. 상기 이형 처리는 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 얇은 박형으로 제조한 뒤, 실리콘계 수지가 용해된 수용액에 침적시켜 코팅할 수도 있고, CVD와 같이 기화 후 증착시켜 코팅할 수도 있는 등 제한되지 않고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 상기 이형필름의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 대략 20 내지 200 μm의 두께를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)에 압연 공정이 수행되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제조된 전극(10)은 벤딩 방지층(103)을 포함한다. 구체적으로, 일반적인 전극(20)을 회전하는 롤에 삽입하면, 전극(20)은 롤의 열과 압력을 인가받아 변형될 수 있다. 예를 들어, 열을 인가받으면 물질은 일반적으로 팽창하려는 성질이 있다. 그러나 물질마다 열 팽창 계수가 상이하므로, 동일한 열을 인가받더라도 팽창되는 정도가 상이하다. 또한, 압력을 인가받으면 물질은 일반적으로 수축하려는 성질이 있다. 그러나 물질마다 탄성 영역에서는 탄성률, 소성 영역에서는 변형률이 상이하므로, 동일한 압력을 인가받더라도 수축하는 정도가 상이하다. 따라서, 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 전극 집전체(201)와 슬러리(202) 변형되는 정도가 상이하므로, 전극(20)에 압연 공정을 수행하면 전극(20)의 내부에서 응력이 발생한다. 그리고 이러한 응력에 의해 전극(20)이 일측 방향으로 벤딩되거나, 주름 또는 요철이 발생하거나 울어버리는, 이른바 굴곡이 발생할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 벤딩 방지층(103)이, 상기 발생한 응력과 크기가 동일하고 방향이 반대 방향인 반력을 생성한다. 따라서, 전극(10)을 회전하는 롤에 삽입하여 압연 공정을 수행하더라도, 반력이 상기 발생한 응력의 작용을 저지하여, 전극(10)이 벤딩되거나 굴곡이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 압연 공정을 수행하는 도중에는, 열과 압력이 동시에 가해지므로 전극(10)에는 팽창되는 부분과 수축되는 부분이 함께 존재할 수 있다. 그러나, 압연 공정을 수행하면 전극(10)이 압착되어, 결과적으로는 전극(10)이 수축한다. 그런데 일반적으로 전극 집전체(101)에 비해 슬러리(102)가 더 많이 수축하므로, 도 2에 도시된 바와 같이 슬러리(102)가 도포된 방향으로 벤딩되는 경우가 많다. 따라서, 벤딩 방지층(103)은 슬러리(102)가 도포된 전극 집전체(101)의 일면과 반대측 면인 전극 집전체(101)의 타면에 적층되는 것이 바람직하다.
벤딩 방지층(103)이 반력을 생성하기 위해, 벤딩 방지층(103)의 접착력이 상당히 우수할 수도 있다. 그러면, 전극 집전체(101)와 벤딩 방지층(103) 사이의 마찰 계수가 증가하여, 마찰력이 증가한다. 따라서, 전극 집전체(101)가 상기 응력에 의해 벤딩되는 것을, 상기 마찰력이 저지할 수 있다. 여기서 접착력이 상당히 우수하다는 것은, 전극 집전체(101)와 벤딩 방지층(103) 사이의 접착력이, 전극 집전체(101)와 슬러리(102) 사이의 접착력과 동일하거나 더 큰 것이 바람직하다.
또는, 벤딩 방지층(103)은 열 팽창 계수, 탄성률, 변형률 등이 모두 슬러리(102)와 동일하거나 유사할 수 있다. 즉, 벤딩 방지층(103)도 슬러리(102)와 동일한 정도로 변형되므로, 상기 발생한 응력과 크기가 동일하고 방향이 반대 방향인 반력을 생성할 수 있다. 여기서 유사하다는 것은, 차이가 10% 이내인 것이 바람직하다. 다만 이러한 경우에는, 적층되는 벤딩 방지층(103)은, 슬러리(102)와 길이, 폭, 두께 등이 동일하거나 유사하여야 한다.
다만 이에 제한되지 않고, 벤딩 방지층(103)의 열 팽창 계수, 탄성률, 변형률 등이 극히 낮아, 강성 및 경성이 전극 집전체(101), 슬러리(102)에 비해 2배 이상 높을 수도 있다. 즉, 반력이 상기 응력의 작용을 저지할 수 있다면, 벤딩 방지층(103)은 다양하게 형성될 수 있다.
한편 실험적으로, 압연 공정을 수행한 후에 더욱 많이 벤딩되거나 굴곡이 발생하는 것은 전극(10) 중에서 음극이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)은 음극인 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)의 전극 집전체(101)는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 알루미늄-카드뮴 합금 및 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면 처리한 구리 또는 스테인리스 스틸 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(10)은 양극일 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1)의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
전극(10)과 분리막(11)을 교대로 적층하여, 전극 조립체(1)를 제조할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 조립체(1)를 구성하는 전극(10) 중 적어도 일부는 벤딩 방지층(103)을 포함한다. 따라서, 벤딩되거나 굴곡이 발생하지 않는 전극(10)을 포함하는 전극 조립체(1)를 제조할 수 있다.
이하, 도 5에 도시된 흐름도의 각 단계에 대한 내용을, 도 6 및 도 7을 참고하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극(12), 분리막(11) 및 제2 전극(10)이 적층된 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1)는, 제1 전극(12), 분리막(11), 제2 전극(10)을 포함한다. 이하, 상기 기술한 설명과 중복되는 설명은 생략한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
먼저, 제1 전극 집전체(121)의 적어도 하나의 면에 제1 슬러리(122)를 도포하여 제1 전극(12)을 형성한다(S501). 여기서, 제1 전극 집전체(121) 및 제1 슬러리(122)는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제1 전극 집전체(121)에 제1 슬러리(122)를 도포할 수 있다. 이하, 제1 전극 집전체(121) 및 제1 슬러리(122)에 대한 설명은, 상기 기술한 전극 집전체(101) 및 슬러리(102)에 대한 설명과 동일하므로 생략한다.
상기 제1 전극(12)을 복수로 형성하고, 이러한 복수의 제1 전극(12)들 사이에 분리막(11)을 게재하여 적층한다(S502). 상기 분리막(11)은 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 무기물 입자 및 고분자 바인더의 혼합물을 포함하는 슬러리가 코팅되어 다공성 코팅층이 형성됨으로써 제조된다.
다공성 고분자 기재로는 다양한 고분자로 형성된 다공성 고분자 필름 기재 또는 다공성 고분자 부직포 기재 등 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 제한되지 않고 다양한 기재를 포함한다. 예를 들어 전기화학소자 특히, 리튬 이차전지의 분리막(11)으로 사용되는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 다공성 고분자 필름이나, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유로 이루어진 부직포 등을 사용할 수 있으며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
다공성 고분자 기재의 적어도 일면에는 무기물 입자 및 고분자 바인더의 혼합물을 포함하는 슬러리가 코팅되어 다공성 코팅층이 형성된다. 무기물 입자는 전기화학적으로 안정할 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. 고분자 바인더는 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 -200 내지 200인 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.
제1 전극(12)은 양극(12a) 및 음극(12b)을 포함하며, 하나의 분리막(11)을 사이에 두고 적층되는 제1 전극(12)은 각각 양극(12a) 및 음극(12b)으로, 서로 상이한 극성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 양극/분리막/음극의 3층 구조로 적층되거나, 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층될 수도 있다. 나아가, 이에 제한되지 않고 복수의 제1 전극(12)들과 분리막(11)이 서로 교대로 적층되고, 분리막(11)을 사이에 두고 적층되는 제1 전극(12)이 서로 상이한 극성을 가진다면 다양한 층수의 적층 구조로 적층될 수 있다.
한편, 제2 전극 집전체(101)의 일면에 제2 슬러리(102)를 도포하고, 타면에 벤딩 방지층(103)을 적층하여 제2 전극(10)을 형성한다(S503). 그리고 제2 전극(10)을 회전하는 롤에 삽입하여, 압연 공정을 수행한다. 상기 기술한 바와 같이, 제2 전극(10)에 적층된 벤딩 방지층(103)은 반력을 생성하므로, 압연 공정을 수행하더라도 벤딩되거나 굴곡이 발생하지 않는다. 이를 위해, 벤딩 방지층(103)의 접착력이 상당히 우수할 수도 있다. 즉, 제2 전극 집전체(101)와 벤딩 방지층(103) 사이의 접착력이, 제2 전극 집전체(101)와 제2 슬러리(102) 사이의 접착력과 동일하거나 더 큰 것이 바람직하다. 여기서, 제2 전극 집전체(101) 및 제2 슬러리(102)는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제2 전극 집전체(101)에 제2 슬러리(102)를 도포할 수 있다. 이하, 제2 전극 집전체(101), 제2 슬러리(102) 및 벤딩 방지층(103)에 대한 설명은, 상기 기술한 전극 집전체(101), 슬러리(102) 및 벤딩 방지층(103)에 대한 설명과 동일하므로 생략한다. 한편, 하기 기술할 바, 상기 제2 전극(10)에 적층된 벤딩 방지층(103)은, 사용자가 용이하게 박리하여 제거할 수 있다. 그런데 제2 전극 집전체(101)와 벤딩 방지층(103) 사이의 접착력이 과도하게 크다면, 벤딩 방지층(103)을 박리할 때 제2 전극(10)이 손상될 수 있다. 따라서, 제2 전극 집전체(101)와 벤딩 방지층(103) 사이의 접착력은, 제2 전극 집전체(101)와 제2 슬러리(102) 사이의 접착력의 3 배를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
복수의 제1 전극(12)들과 분리막(11)의 적층이 완료되면, 상기 제2 전극(10)을, 상기 제1 전극(12) 및 분리막(11) 조립체의 양 측 최외면 중 적어도 하나에 부착한다(S504). 특히, 제2 전극(10)을 양 측 최외면에 각각 하나씩 부착하는 것이 더욱 바람직하다. 여기서, 제2 전극(10)은 제2 전극 집전체(101)의 일면과 타면에 각각 제2 슬러리(102)와 벤딩 방지층(103)이 존재한다. 이 때, 제2 슬러리(102)가 내측을 향하고 벤딩 방지층(103)이 외측을 향하도록, 제2 전극(10)을 부착하는 것이 바람직하다.
상기 기술한 바와 같이, 압연 공정을 수행한 후에 더욱 많이 벤딩되거나 굴곡이 발생하는 것은 전극(10) 중에서 음극이다. 따라서, 벤딩 방지층(103)이 적층되는 상기 제2 전극(10)은 음극인 것이 바람직하다. 따라서, 제2 전극 집전체(101)는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 알루미늄-카드뮴 합금 및 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면 처리한 구리 또는 스테인리스 스틸 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 제2 전극(10)이 제1 전극(12) 및 분리막(11) 조립체의 최외면에 부착되므로, 음극인 제2 전극(10)과 분리막(11)을 사이에 두고 적층되는 제1 전극(12)은 양극(12a)인 것이 바람직하다. 즉, 전극 조립체(1)의 제조가 완료되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 전극(음극, 10)/분리막(11)/제1 양극(12a)/분리막(11)/제1 음극(12b)/분리막(11)/제1 양극(12a)/분리막(11)/제2 전극(음극, 10)의 구조로 적층될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 제2 전극(10)은 양극일 수도 있다. 이러한 경우에는 도 6에 도시된 전극 조립체(1)에 적층된 전극(10)들의 극성이 모두 바뀐다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(10)에서 벤딩 방지층(103)을 제거하여 전극 조립체(1)의 제조를 완료한 모습을 나타낸 개략도이다.
상기 기술한 바와 같이, 제2 전극(10)을 형성하면 제2 전극(10)에 대하여 압연 공정을 수행한다. 이 때, 제2 전극 집전체(101)와 제2 슬러리(102)의 변형률 등의 차이로 인하여, 내부에서 응력이 발생할 수 있다. 이러한 응력이 작용하면 제2 전극(10)이 벤딩되거나 굴곡이 발생할 수 있다. 그러나, 벤딩 방지층(103)이 반력을 생성하여, 상기 응력을 저지한다.
그러나, 제2 전극(10)을 상기 제1 전극(12) 및 분리막(11) 조립체에 부착하기 전에, 벤딩 방지층(103)을 제거한다면, 상기 응력이 다시 작용하여 제2 전극(10)이 벤딩될 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 전극(10)을 제1 전극(12) 및 분리막(11) 조립체에 부착한 후에, 벤딩 방지층(103)을 제거한다(S505). 상기 기술한 바와 같이 벤딩 방지층(103)은 이형필름일 수 있다. 따라서, 상기 제2 전극(10)에 적층된 벤딩 방지층(103)은, 사용자가 용이하게 박리하여 제거할 수 있다. 이와 같은 과정을 통해, 전극 조립체(1)의 제조가 완료될 수 있다.
상기 제조된 전극 조립체(1)는 양극과 음극 사이의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용 될 수 있다. 전기화학셀의 대표적인 예는 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 이차전지, 연료전지, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1)는 특히 이차 전지(예를 들어, 리튬 이차전지)에 적용되는 것이 바람직하다. 즉, 전극 조립체(1)를 전지 케이스에 수납하고, 전해액을 주입한 후, 전지 케이스를 밀봉함으로써, 이차 전지를 제조할 수도 있다.
리튬 이차전지는 최근에 소형 디바이스뿐만 아니라, 중대형 디바이스에도 전원으로 사용되고 있다. 그런데 중대형 디바이스에 전원으로 사용되려면, 본 발명에 따른 이차전지를 하나의 단위 전지로 하여 전지 모듈을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지 팩은, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등에 전원으로 사용될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 전극 조립체 10, 12, 20: 전극
11: 분리막 101, 121, 201: 전극 집전체
102, 122, 202: 슬러리 103: 벤딩 방지층

Claims (15)

  1. 전극 집전체;
    상기 전극 집전체의 일면에 도포되는 슬러리; 및
    상기 전극 집전체의 타면에 적층되는 벤딩 방지층을 포함하는 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    이형 필름인, 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 집전체와 상기 벤딩 방지층 사이의 접착력은,
    상기 전극 집전체와 상기 슬러리 사이의 접착력과 동일하거나 더 큰, 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    변형률이 상기 슬러리와 차이가 10% 이내인, 전극.
  5. 제1 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 제1 슬러리가 도포된 복수의 제1 전극;
    상기 복수의 제1 전극들 사이에 게재되는 분리막; 및
    제2 전극 집전체의 일면에 제2 슬러리가 도포되고 타면에 벤딩 방지층이 적층되어 형성된 제2 전극을 포함하되,
    상기 제2 전극은,
    상기 복수의 제1 전극과 상기 분리막이 교대로 적층된 조립체의 양 측 최외면 중 적어도 하나에 부착되는, 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    이형 필름인, 전극 조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    상기 벤딩 방지층이 외측을 향하는 방향으로 부착되는, 전극 조립체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    상기 제2 전극이 상기 제1 전극 및 상기 분리막 조립체에 부착되면 제거되는, 전극 조립체.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전극 집전체와 상기 벤딩 방지층 사이의 접착력은,
    상기 제2 전극 집전체와 상기 제2 슬러리 사이의 접착력과 동일하거나 더 큰, 전극 조립체.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    변형률이 상기 슬러리와 차이가 10% 이내인, 전극 조립체.
  11. 제1 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 제1 슬러리를 도포하여 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 복수의 제1 전극들 사이에 분리막을 게재하여 적층하는 단계;
    제2 전극 집전체의 일면에 제2 슬러리를 도포하고, 타면에 벤딩 방지층을 적층하여 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 전극을 상기 제1 전극 및 상기 분리막 조립체의 양 측 최외면 중 적어도 하나에 부착하는 단계; 및
    상기 벤딩 방지층을 제거하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    이형 필름인, 전극 조립체 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전극을 부착하는 단계에서,
    상기 벤딩 방지층이 외측을 향하는 방향으로, 상기 제2 전극을 부착하는, 전극 조립체 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전극 집전체와 상기 벤딩 방지층 사이의 접착력은,
    상기 제2 전극 집전체와 상기 제2 슬러리 사이의 접착력과 동일하거나 더 큰, 전극 조립체 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 벤딩 방지층은,
    변형률이 상기 슬러리와 차이가 10% 이내인, 전극 조립체 제조 방법.
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