KR20190124039A - 리튬 금속 전극의 제조 방법 - Google Patents

리튬 금속 전극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 금속 전극의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 리튬 금속 전극 제조방법에 따르면 고효율 및 저비용으로 용량 특성이 우수한 리튬 금속 전극을 대면적으로 제조할 수 있다.

Description

리튬 금속 전극의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR LITHIUM METAL ELECTRODE}
본 발명은 대면적 제조가 가능한 리튬 금속 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
전자, 통신, 컴퓨터 산업의 급속한 발전에 따라 캠코더, 휴대폰, 노트북, PC, 나아가 전기 자동차까지 에너지 저장 기술의 적용 분야가 확대되고 있다. 이에 따라 가볍고 오래 사용할 수 있으며 신뢰성이 높은 고성능의 이차전지 개발이 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 높아 각광을 받고 있다.
리튬 이차전지는 통상적으로 양극, 음극, 이들 사이에 개재되는 분리막 및 전해질로 구성된다. 최근, 가장 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있는 음극으로서 리튬 금속 자체를 활물질로 하는 리튬 금속 전극이 주목 받고 있으며, 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
한편, 자동차용 전지 등 대형 전지에 사용되기 위해서는 리튬 금속 전극의 대면적화가 필요하다. 통상 리튬 금속 전극은 집전체에 리튬 금속 박막을 합지시켜 제조되는데, 이러한 방법의 경우 대면적의 전극을 균일한 품질로 제작하는 것이 기술적으로 어렵고, 리튬 금속 박막 자체가 대면적이어야 하므로 제조 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.
이에, 리튬 금속 없이 집전체 자체를 음극으로 하여 전지를 조립하고, 충방전에 의하여 음극 집전체에 리튬을 도금시킴으로써 리튬 금속 전지를 구현하는 방법이 개발되었으나, 이 경우 음극에 리튬 금속의 함량이 적으므로 추가로 리튬이 공급되지 않는 경우 사이클 성능이 매우 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 대면적의 리튬 금속 전지를 제조할 수 있는, 경제적이고 공정성이 우수한 리튬 금속 전극의 제조방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 대면적 전극 제조 시에도 균일한 품질의 구현이 가능하며, 공정성 및 경제성이 우수한 리튬 금속 전극의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
집전체 상에, 집전체의 적어도 일 변에 이격하여 리튬 금속층을 형성하여, 리튬 금속층이 형성된 활물질부 및 리튬 금속층이 형성되지 않은 무지부를 포함하는 집전체 유닛을 제조하는 단계;
상기 집전체 유닛을 2 이상 준비하고, 집전체 유닛의 무지부끼리 연결하는 단계를 포함하는, 활물질부 및 무지부를 포함하는 리튬 금속 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 집전체 유닛의 활물질부는, 리튬 금속의 증착, 도금, 또는 리튬 금속 박막의 합지로 형성되는 것일 수 있다.
상기 집전체 유닛의 무지부끼리 연결하는 단계는, 무지부의 융접, 압접 및 접착제를 이용한 접착 중 1 이상의 방법으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 압접은 초음파 압접일 수 있으며, 상기 접착제는 저항 10-6 내지 10-3 Ω·cm 의 전도성 접착제일 수 있다.
상기 집전체 유닛의 활물질부 면적은 집전체 면적의 80 내지 95 %일 수 있다.
상기 집전체 유닛의 무지부 폭은 3 내지 10 mm일 수 있다.
상기 리튬 금속 전극의 무지부는 전극 면적의 1 내지 20 %일 수 있다.
본 발명에 따르면 고효율 및 저비용으로 용량 특성이 우수한 리튬 금속 전극을 대면적으로 제조할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 집전체 유닛의 구현예이다.
도 4는 본 발명의 집전체 유닛의 연결 방법을 도식화한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 금속 전극을 도시한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명하기 위하여 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 일 구현예로써, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다. 이때 도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 집전체 상에, 집전체의 적어도 일 변에 이격하여 리튬 금속층을 형성하여, 리튬 금속층이 형성된 활물질부 및 리튬 금속층이 형성되지 않은 무지부를 포함하는 집전체 유닛을 제조하는 단계;
상기 집전체 유닛을 2 이상 준비하고, 집전체 유닛의 무지부끼리 연결하는 단계를 포함하는, 활물질부 및 무지부를 포함하는 리튬 금속 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는 목적하는 크기의 리튬 금속 전극을 제조하기 위하여, 활물질부 및 무지부를 포함하는 집전체 유닛을 제조하고, 이러한 집전체 유닛을 2 이상 연결하여 리튬 금속 전극을 제조한다. 따라서, 대면적의 리튬 금속 전극 제조 시에도 대면적 리튬 금속 박막을 필요로 하지 않고, 리튬 금속층을 증착, 도금 등의 방법으로 형성하는 경우에도 비교적 작은 단위 면적 내에만 증착 또는 도금하게 되므로 균일한 품질의 구현이 가능하며, 제조 비용 절감 및 공정성 확보가 가능하다.
또한, 이와 같이 제조되는 리튬 금속 전극은 무지부와 함께 리튬 금속을 포함하는 활물질부를 포함하므로, 집전체만으로 구성된 전극에 비하여 우수한 용량 특성을 나타내며, 전지에 적용 시 현저히 향상된 사이클 성능을 나타낼 수 있다.
상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 통상 리튬 금속 전극의 집전체로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 집전체의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용 가능하나, 본 발명의 효과를 확보하기 위해서는 필름, 시트, 호일 등 평면형 집전체가 바람직하다. 일례로, 상기 음극 집전체로는 구리 호일(Copper foil)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 집전체의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니나, 집전체 유닛 간의 연결 용이성 및 대면적 전극 제조 용이성 측면에서 직사각형이 바람직하다.
상기 활물질부는 통상적인 리튬 이차전지용 음극에서의 음극 활물질을 포함하는 활물질층에 대응하는 것으로서, 본 발명에서는 활물질로 리튬 금속을 사용하는 바, 활물질부는 리튬 금속층이 형성된 부분을 의미한다.
상기 무지부는 활물질층, 즉, 리튬 금속층이 형성되지 않은 부분을 의미하는 것으로서, 집전체가 외부로 노출되어 있는 부분을 의미한다. 즉, 상기 무지부는 집전체에 존재하는 빈 공간으로, 본 발명에서는 집전체 유닛 간의 연결부로 역할할 수 있다.
본 발명에서는 집전체 유닛 제조 시, 집전체의 적어도 일 변에 이격하여 리튬 금속층을 형성하여 집전체 상에 활물질부 및 무지부를 형성시킨다. 따라서, 본 발명의 집전체 유닛은 적어도 일 변에 접하는 무지부를 1 이상 포함한다. 이와 같이 집전체 유닛이 외주부에 적어도 하나 이상의 무지부를 포함함에 따라 집전체 유닛 간의 무지부를 통한 연결이 가능하게 되며, 대면적의 리튬 금속 전극을 손쉽게 제조할 수 있다. 이때, 집전체의 외주부가 아닌 부분에도 무지부가 형성될 수는 있으나, 이 경우 전극에 활물질량이 충분하지 않아 용량 저하가 일어날 우려가 있으므로 무지부는 외주부에만 형성되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따라 제조된 집전체 유닛의 일 예를 도시한 것이다. 도 1의 집전체 유닛(100)은 활물질부(12) 및 무지부(11)가 각각 1개씩 형성된 가장 기본적인 형태의 집전체 유닛이며, 도 2는 1 개의 활물질부(12) 및 이의 마주보는 양 변에 위치하는 2 개의 무지부(11)를 갖는 집전체 유닛(101)이다. 또한, 도 3은 집전체의 외주면이 모두 무지부(11)로 된 집전체 유닛(102)을 예시한 것이다. 이들 집전체 유닛(100, 101, 102)은 각각의 무지부(11)를 통하여 다른 집전체 유닛과 연결될 수 있다.
상기 집전체 유닛에서 활물질부가 차지하는 면적은 집전체 전체 면적의 80 내지 95 %가 바람직하고, 또는 90 내지 93 %가 바람직하다. 만일, 활물질부의 면적이 95 %를 초과하면 무지부 폭이 좁아져 집전체 유닛 간 연결이 어려울 수 있고, 반대로 80 % 미만으로 너무 작으면 전극의 로딩량이 적어질 수 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.
또한, 집전체 유닛의 무지부 폭은 3 내지 10 mm, 또는 3 내지 5 mm 범위가 바람직하다. 이때, '폭'이라 함은 도 1에 도시된 바와 같이 활물질와 무지부의 경계점에서 집전체 외주까지의 길이를 의미한다. 집전체 유닛의 무지부 폭이 3 mm 미만이면 무지부 간의 연결이 어렵고 섬세한 작업이 요구되므로 공정성을 해칠 수 있고, 10 mm를 초과하여 너무 넓으면 상대적으로 활물질량이 적어져 전지 용량 저하를 초래할 수 있으므로 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 융접이나 압접에 의하여 집전체 유닛을 연결하는 경우에는 무지부 폭이 너무 좁으면 연결 과정에서 발열로 인해 활물질층의 리튬 금속을 산화시키거나 녹일 수 있고, 이를 방지하기 위한 과정에서 원활한 공정 진행을 저해할 수 있으므로 무지부 폭이 5 mm 이상인 것이 바람직하다. 반면, 접착제를 사용하는 경우는 발열 문제가 발생하지 않으므로 3 mm 폭의 무지부도 손쉽게 연결이 가능하다.
집전체 상에 활물질부를 형성하는 단계는 통상 알려진 리튬 금속층의 형성방법에 의할 수 있다. 구체적으로 집전체 상에 직접 리튬 금속을 증착, 도금하는 방법이 가능하며, 또는 리튬 금속 박막을 합지시키는 방법이 사용될 수 있다. 이 중, 리튬 금속 박막을 합지시키는 방법을 사용하는 것이 무지부 형성 용이성 측면에서 바람직하다. 이때, 상기 리튬 금속 박막은 시판되는 것을 사용할 수 있으며, 이를 집전체의 일 변에 이격하여 배치하고, 롤 프레스, 판상 프레스 등의 방법으로 합지시켜 집전체 상에 활물질부 및 무지부를 형성하여 집전체 유닛을 제조할 수 있다.
집전체 유닛의 연결 단계는 도 4에 도시된 것과 같이 2 이상의 집전체 유닛을 무지부끼리 연결하는 단계이다. 무지부의 연결 방법은 다양할 수 있으며 통상 금속의 연결 방법으로 사용되는 방법이 제한 없이 사용 가능하나, 구체적으로 융접, 압접 등의 용접법, 및 접착제를 이용한 접착방법 중 1 이상의 방법이 사용될 수 있다.
상기 융접은 금속 재료를 녹여 가공물을 접합하는 가공 방식으로, 고온에서 집전체 유닛의 무지부, 즉, 리튬 금속층이 형성되지 않은 집전체의 노출된 부분을 용융시켜 연결하는 방법이다. 융접 방식은 가스 용접, 아크 용접 등의 방식이 제한 없이 사용 가능하다.
또한, 상기 압접은 재료를 녹이지 않고 강한 압력을 가하여 접합시키는 가공 방식으로, 가열 압접 또는 비가열 압접이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 집전체 유닛의 무지부끼리 겹친 다음 진동과 약 0.01 MPa 내지 1 MPa의 압력을 가하여 금속 간의 확산 현상을 이용하여 결합시키는, 초음파를 이용한 비가열식 압접 방식이 사용될 수 있다.
집전체 유닛의 연결에 사용 가능한 접착제의 종류는 특별히 제한되지 않으나 Li 금속과 반응의 우려가 있어 수용성 접착제는 사용할 수 없다. 예를 들어 합성고무 접착제, 순간접착제, 에폭시접착제, UV 경화형 접착제, 전도성 접착제 등의 접착제가 사용 가능하다. 이 중, 금속간 전자 이동을 가능하게 하여 전지의 저항을 줄일 수 있는 점에서, 저항이 10-6 내지 10-3 Ω·cm 범위 또는, 10-5 내지 10-4 Ω·cm 범위인 전도성 접착제가 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 0.0007 Ω·cm 의 저항을 갖는 MG chemicals 사의 Silver Conductive Epoxy 8330S가 사용될 수 있다.
상기 각 금속의 연결 방법은 각각 장단점이 있으므로, 이를 보완하기 위하여 2 이상의 방법이 조합하여 사용될 수 있다.
일례로, 압접만을 사용하는 경우는 접착제 등으로 인한 저항이 없어 우수한 셀 성능을 확보할 수 있으나, 발열로 인하여 화재의 위험성이 있고, 리튬 금속의 산화를 야기할 수 있으며, 집전체 유닛의 길이가 긴 경우 설비를 구성하기 어려워 압접 공정 시 집전체 유닛의 위치를 적절히 조절하면서 연결하여야 하므로, 연결 단계의 공정성이 확보되기 어려운 문제가 있다. 반면, 접착제를 이용한 방법은 융접 및 압접에 비하여 간편하고, 화재 위험이나 리튬 금속의 산화 위험이 없어 폭 5 mm 미만의 좁은 무지부를 갖는 집전체 유닛의 연결도 가능하며, 연결부가 매끄럽게 되는 장점이 있으나, 전기 전도성이 떨어질 수 있다. 따라서 이를 보완하기 위하여, 접착제를 주로 사용하여 무지부를 연결하되, 일부분, 예를 들어 탭 방향을 동일하게 하여야 할 경우 탭 부분과 같은 일부 부분은 압접으로 연결할 수 있다. 이 경우 공정성, 안정성과 전극 성능을 모두 확보할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 방법으로 제조된 리튬 금속 전극은 최종적으로 2 이상의 집전체 유닛이 연결된 연결부인 무지부 및 활물질부를 갖는다. 이때, 상기 리튬 금속 전극의 무지부는 전극 면적의 1 내지 20 %, 또는 1 내지 7 %, 또는 1 내지 3 % 범위인 것이, 전극의 로딩량을 확보하고, 전지의 사이클 특성을 확보할 수 있어 바람직하다. 리튬 금속 전극의 무지부는 집전체 유닛의 연결로 인하여 발생하는 부분이므로, 무지부와 달리 집전체의 일 변에 반드시 접하고 있을 필요는 없다. 상기 무지부는 전지의 충방전에 따라 양극으로부터 리튬이 증착되어 점차 채워지게 되므로, 상기 전극을 사용할 경우 전지의 용량 저하 없이 우수한 사이클 성능을 나타낼 수 있다. 그러나 만일 무지부 면적이 전극 면적의 20 %를 초과하여 너무 넓게 되면 사이클이 반복됨에 따라 용량이 급격히 저하될 수 있으므로, 무지부 면적은 상기 범위를 만족함이 바람직하다.
상술한 본 발명의 리튬 금속 전극의 제조방법에 따르면 대면적의 리튬 금속 전극을 간편하고 효율적인 공정으로 손쉽게 제조할 수 있다. 또한, 리튬 금속층의 대면적화가 필요하지 않으므로, 제조 비용을 절감할 수 있으며 균일한 품질 및 우수한 성능을 나타내는 리튬 금속 전지를 제조할 수 있어 바람직하다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1
음극 집전체로서, 길이 100 mm, 너비 70 mm, 두께 10 μm의 구리 호일을 준비하고, 음극 활물질로서 길이 100 mm, 너비 50 mm, 두께 20 μm의 리튬 호일을 준비하였다. 수분이 제어된 환경에서, 상기 구리 호일 및 리튬 호일의 길이방향 및 너비 방향을 일치하게 하고, 구리 호일의 일 변(길이 방향 변)에서 3 mm, 반대측 변에서 17 mm만큼 이격하여 리튬 호일을 위치시키고, 이를 40 kg/cm²의 압력으로 상온에서 롤 프레싱하여 폭 3 mm의 무지부, 폭 50 mm의 활물질부 및 폭 17 mm의 무지부를 형성하였다. 17 mm의 무지부는 탭 부분만을 남기고 타발하여 버려졌으며, 이에 따라 최종적으로 도 1의 형상과 유사한, 일 변에 폭 3 mm의 무지부를 갖는 집전체 유닛이 제조되었다.
상기 집전체 유닛을 2개 제조한 다음, 각 유닛의 무지부를 맞닿게 하여 초음파 금속 압접기(㈜에코소닉, EMC 35 제품 사용)의 소노트로드(sonotrode)와 앤빌(anvil) 사이에 위치시키고 초당 20000 내지 35000번의 진동 및 약 0.1 MPa의 압력을 주어 압접하여, 무지부가 전극 중앙에 위치하고, 무지부의 면적이 전극 면적의 2.9 %에 해당하는 리튬 금속 전극을 제조하였다.
실시예 2
집전체 유닛 제조 시, 구리 호일의 일 변에서 5 mm, 반대측 변에서 15 mm만큼 이격하여 리튬 호일을 위치시키고 롤 프레싱, 타발하여 폭 5 mm의 무지부를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전극을 제조하였다. 제조된 리튬 금속 전극의 무지부 면적은 전극 면적의 4.8 %에 해당하였다.
실시예 3
집전체 유닛 제조 시, 구리 호일의 일 변에서 7 mm, 반대측 변에서 13 mm만큼 이격하여 리튬 호일을 위치시키고 롤 프레싱, 타발하여 폭 7 mm의 무지부를 갖도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전극을 제조하였다. 제조된 리튬 금속 전극의 무지부 면적은 전극 면적의 6.5 %에 해당하였다.
실시예 4
집전체 유닛의 연결에 전도성 접착제 및 압접을 동시에 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전극을 제조하였다. 집전체 유닛의 연결방법은 다음과 같은 방법으로 수행되었다.
집전체 유닛을 도 5와 같이 무지부의 탭 방향을 같게 배열하고 전도성 접착제(MG chemicals 사의 Silver Conductive Epoxy 8330S)를 이용하여 무지부끼리 겹치도록 연결하였다. 이때, 탭의 끝 부분에는 접착제를 사용하지 않았으며, 초음파 금속 압접기(㈜에코소닉, EMC 35 제품 사용)의 소노트로드(sonotrode)와 앤빌(anvil) 사이에 탭 부분을 위치시키고 초당 20000 내지 35000번의 진동 및 약 0.1 MPa의 압력을 주어 압접하여 리튬 금속 전극을 제조하였다.
실시예 5
실시예 4의 집전체 유닛 연결 방식을 이용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 금속 전극을 제조하였다.
실시예 6
실시예 4의 집전체 유닛 연결 방식을 이용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 리튬 금속 전극을 제조하였다.
비교예 1
음극 집전체로서, 길이 100 mm, 너비 65 mm, 두께 10 μm의 구리 호일을 준비하고, 음극 활물질로서 길이 100 mm, 너비 50 mm, 두께 20 μm의 리튬 호일을 준비하였다. 시판품으로는 너비 50 mm 이상의 리튬 호일을 입수할 수 없어, 대면적의 리튬 금속 음극 제조는 불가능하였다.
수분이 제어된 환경에서, 상기 구리 호일 및 리튬 호일의 길이방향 및 너비 방향을 일치하게 하고, 구리 호일의 일 변에서 15 mm만큼 이격하여 리튬 호일을 위치시킨 다음 이를 40 ton 의 압력으로 상온에서 롤 프레싱하였다. 그런 다음, 15 mm의 무지부를 탭 부분만을 남기고 타발하여 제거하여, 무지부를 포함하지 않는 리튬 금속 음극을 제조하였다.
제조예: 리튬 이차전지의 제조
상기 실시예 및 비교예의 각 전극을 음극으로 하는 리튬 이차전지를 각각 하기의 방법으로 제조하였다.
양극 활물질로서 LiNi1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2, 도전재로서 수퍼 P 및 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 각각 95 중량%, 2.5 중량% 및 2.5 중량%로 포함하는 양극 활물질 슬러리를 제조하고, 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 집전체상에 도포한 후, 건조함으로써 양극을 제조하였다.
상기 제조된 양극과 음극의 사이에, 세퍼레이터(폴리에틸렌 다공성 고분자 기재의 양면에, 알루미나와 PVdF 바인더의 혼합물로 형성된 다공성 코팅층을 형성)를 개재시킨 전극 조립체를 파우치형의 전지케이스에 삽입한 후, 상기 전지케이스에 비수 전해액(1M LiPF6, 비닐렌카보네이트(VC) 1 중량%, 플루오로에틸렌카보네이트(FEC):에틸메틸카보네이트(EMC)=3:7(부피비))을 주입하였으며, 이후 완전히 밀봉함으로써 리튬 이차전지를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예의 음극을 적용한 각 전지에 대하여 초기 용량 및 사이클 특성 평가를 수행하였다.
초기 용량(mAh)은 방전 용량을 기준으로 하였으며 0.1 C로 정전류/정전압(CC/CV) 조건에서 4.25 V까지 충전한 다음 방전은 정전류(CC) 조건에서 3 V까지 0.1C 로 진행하였다(온도 25℃). 같은 충방전 조건으로 1 내지 100 사이클로 반복 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예1 실시예1 실시예2 실시예 3 실시예4 실시예 5 실시예 6
압접적용 X O O O O O O
접착체 적용 X X X X O O O
집전체 유닛의 무지부 폭(mm) 0 3 5 7 3 5 7
무지부 면적/전극 면적(%) 0 2.9 4.8 6.5 2.9 4.8 6.5
초기 용량(mAh) 159 315 310 294 315 310 294
양극 전극 면적(cm2) 48.5 105 103 101 105 103 101
사이클 retention(@ 100cycle) 83% 80% 77% 75% 82% 80% 79%
상기 표 1을 참조하면 실시예 1 내지 6의 전지는 대면적의 리튬 금속 음극을 사용하여 고용량을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 6의 전지는 무지부를 포함하나, 무지부를 포함하지 않는 비교예 1의 전지와 동등한 수준의 사이클 특성을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 6의 용량 및 사이클 특성을 비교하면, 전극 무지부의 폭이 좁을수록 활물질량이 충분하여 우수한 성능을 나타내는 것으로 확인되었다. 특히, 전극의 무지부 면적이 3 % 미만인 경우는 무지부가 전혀 없는 비교예와 비교하여서도 동등한 수준의 사이클 특성을 나타내었다. 다만, 이러한 전극은 제조 시 집전체 유닛의 무지부 폭이 3 mm로 좁아서 압접만으로 연결한 실시예 1의 경우 공정성이 다소 떨어졌으며, 실시예 4와 같이 접착제 및 압접을 동시 사용하는 방식이 대량 생산에 적합한 것으로 나타났다.
이로부터, 본 발명에 따르면 간편하고 공정성 높은 방법으로 리튬 금속 음극의 대면적화가 가능하며, 따라서 리튬 금속 전지의 대용량화가 가능함을 확인할 수 있다.
100, 101, 102: 집전체 유닛
11: 무지부
12: 활물질부

Claims (8)

  1. 집전체 상에, 집전체의 적어도 일 변에 이격하여 리튬 금속층을 형성하여, 리튬 금속층이 형성된 활물질부 및 리튬 금속층이 형성되지 않은 무지부를 포함하는 집전체 유닛을 제조하는 단계;
    상기 집전체 유닛을 2 이상 준비하고, 집전체 유닛의 무지부끼리 연결하는 단계를 포함하는, 활물질부 및 무지부를 포함하는 리튬 금속 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 유닛의 활물질부는, 리튬 금속의 증착, 도금, 또는 리튬 금속 박막의 합지로 형성되는 것인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 유닛의 무지부끼리 연결하는 단계는, 무지부의 융접, 압접 및 접착제를 이용한 접착 중 1 이상의 방법으로 수행되는 것인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압접은 초음파 압접인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 접착제는 저항 10-6 내지 10-3 Ω·cm 의 전도성 접착제인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 유닛의 활물질부 면적은 집전체 면적의 80 내지 95 %인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 유닛의 무지부 폭은 3 내지 10 mm인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 금속 전극의 무지부는 전극 면적의 1 내지 20 %인, 리튬 금속 전극의 제조방법.
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