KR20200009652A - 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 (S1) 집전체; 상기 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성되며 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층; 및 상기 집전체 시트의 폭 방향을 기준으로 일측 단부로부터 소정 폭을 갖는 무지부;를 포함하는 음극용 시트를 제공하는 음극 시트 제공 단계; (S2) 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부에 윤활유가 도포되는 윤활유 도포 단계; 및 (S3) 상기 무지부를 절삭날을 이용하여 제거하는 무지부 제거 단계; 상기 무지부는 상기 음극 활물질층이 형성되지 않고 상기 집전체의 표면이 외부로 노출된 부분이며, 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부는 상기 무지부를 제거하기 위한 절삭날이 적용되는 절삭 기준선으로 제공되는 것이고, 상기 (S1) 내지 (S3) 단계는 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 수행되는 것인,리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법은 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층 및 무지부의 경계부에 윤활유를 도포한 후 상기 무지부를 절단함에 따라 버 발생이 억제된 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

리튬 금속 전지용 음극의 제조방법{MANUFACTURING METHOD AN ANODE FOR LITHIUM METAL BATTERY}
본 발명은 리튬 금속 전지 등의 전기화학소자에 이용될 수 있는 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구 개발로 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 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 대표적으로 리튬 금속 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 이 중 리튬 금속 전지는 리튬 금속 또는 리튬 합금을 음극으로 사용한다. 이 중 리튬 금속은 가장 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있어 지속적인 연구가 이루어지고 있다.
여기서, 리튬 이차전지는 사용되는 분야 등을 고려하여 다양한 크기로 제조되는데, 이를 위해 소정의 크기로 재단하는 공정이 필수적이다.
특히, 리튬을 음극으로 포함하는 리튬 금속 전지는, 리튬 금속이 연성이 좋고 무른 특성을 가지기 때문에 음극 제조 과정에서 음극 커팅용 절삭기 절삭날에 리튬 금속이 묻어 나오거나, 버(Burr) 등의 잔류물이 남아 안전성과 공정성을 저해하는 문제가 있다.
또한, 음극 절삭 시에 집전체와 리튬 금속을 동시에 타발해야 하므로 절삭날의 강도를 고려해야 하며, 리튬 금속이 절삭날에 달라붙는 문제도 고려해야 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 레이져로 절삭하거나, 절삭 후 표면을 롤링하는 공정이 추가되기도 하였지만, 레이저 절삭은 레이저에 의한 리튬 금속의 비산(飛散) 문제가 있고, 롤링 공정을 추가하는 경우 별도 공정이 추가되어 비용적, 시간적 측면 등에서 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법에서, 리튬 금속이 무른 연성을 가짐에 따라 발생하는 문제점을 방지하는 것이다.
이 외의 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 하기 구현예들에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.
제1 구현예는,
(S1) 집전체; 상기 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성되며 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층; 및 상기 집전체 시트의 폭 방향을 기준으로 일측 단부로부터 소정 폭을 갖는 무지부;를 포함하는 음극용 시트를 제공하는 음극 시트 제공 단계;
(S2) 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부에 윤활유가 도포되는 윤활유 도포 단계; 및
(S3) 상기 무지부를 절삭날을 이용하여 제거하는 무지부 제거 단계;
상기 무지부는 상기 음극 활물질층이 형성되지 않고 상기 집전체의 표면이 외부로 노출된 부분이며,
상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부는 상기 무지부를 제거하기 위한 절삭날이 적용되는 절삭 기준선으로 제공되는 것이고,
상기 (S1) 내지 (S3) 단계는 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 수행되는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 무지부 제거 단계(S3)는 상기 음극용 시트가 소정 길이를 갖는 단위 음극 구간으로 구획되고 상기 각 단위 음극 구간에 포함된 무지부에 전극 탭 영역이 설정되며, 상기 탭 영역을 제외한 무지부의 나머지 부분이 절삭되어 제거됨에 따라 단위 음극 구간마다 전극 탭이 형성되는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제3 구현예는, 제2 구현예에 있어서,
상기 음극용 시트는 전극 탭 형성 후 단위 음극 길이로 절삭되어 단위 음극을 형성하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제4 구현예는, 제1 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 롤투롤 공정 속도는 10 내지 100 m/min인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제5 구현예는, 제1 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 롤투롤 공정은 롤투롤 설비에 의해 수행되며, 상기 롤투롤 설비는 언와인더 및 리와인더를 포함하고,
상기 언와인더 및 리와인더는 상기 음극용 시트 상에 소정의 장력을 부여하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제6 구현예는, 제5 구현예에 있어서,
상기 장력의 크기는 10 내지 200N인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제7 구현예는, 제1 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 (S1) 단계에서 집전체에 음극 활물질층을 도포하는 방법은 압연, 전해 도금, 또는 증착 방식에 의한 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제8 구현예는, 제1 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 집전체는 스테인리스스틸; 알루미늄; 니켈; 티타늄; 구리; 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면 처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴 합금; 니켈이 표면 처리된 구리; 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제9 구현예는, 제1 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 윤활유는 폴리카보네이트(polycarbonate), 노네인(nonane), 도데케인(dodecane), 운데센(undecene), 도데센(dedecene), 실리콘 수지, 유동 파라핀, 또는 불소 수지 중 어느 하나 또는 이들 중 2이상의 혼합물을 포함하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제10 구현예는, 제1 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 절삭날의 재질은 초경 합금 또는 서멧(cermet)인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
제11 구현예는, 제1 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 절삭날의 강도는 1500 내지 2500 (kg/mm2인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법은 음극 활물질층이 형성되지 않고 집전체의 표면이 외부로 노출된 부분인 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계선 부분에 윤활유를 도포한 후 상기 무지부를 절삭함에 따라 버 발생이 억제된 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 음극의 타발 전/후를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 음극 타발 후의 단면을 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 음극 타발 전/후를 광학 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 타발 공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 타발 후를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 타발 전/후를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7a 내지 도 7 b는 집전체가 없는 리튬 금속 자체를 사용한 경우에 따른 음극 타발 후 단면을 나타낸 것이다.
도 7c 내지 도 7d는 집전체가 없는 리튬 금속 자체를 사용한 경우에 따른 음극 타발 후 단면을 나타낸 것이다.
도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 비교예에 따른 음극 타발 후 단면을 나타낸 것이다.
도 8c 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 타발 후 단면을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
본 발명은 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법에 관한 것이다.
리튬 금속 또는 리튬 합금을 음극으로 사용하는 리튬 금속 전지는 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다.
이러한 리튬 금속 전지는 리튬 금속을 음극 활물질로서 포함하며, 상기 리튬 금속은 연성이 좋고 무른 특성을 가지기 때문에 제조 과정에서 절삭기 절삭날에 리튬 금속이 묻어 나오거나, 버(Burr) 등의 잔류물이 남아 안전성과 공정성을 저해하는 문제가 있다.
또한, 전극 절삭 시에 집전체와 리튬 금속을 동시에 타발해야 하므로 절삭날의 강도를 고려해야 하며, 리튬 금속이 절삭날에 달라붙는 문제도 고려해야 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법은 (S1) 집전체; 상기 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성되며 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층; 및 상기 집전체의 시트의 폭 방향을 기준으로 일측 단부로부터 소정 폭을 갖는 무지부;를 포함하는 음극용 시트를 제공하는 음극 시트 제공 단계; (S2) 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계선 부분에 윤활유가 도포되는 윤활유 도포 단계; 및 (S3) 상기 무지부를 절삭날을 이용하여 제거하는 무지부 제거 단계;를 포함하며, 여기에서 상기 무지부는 상기 음극 활물질층이 형성되지 않고 상기 집전체의 표면이 외부로 노출된 부분이며, 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부는 상기 무지부를 제거하기 위한 상기 절삭날이 적용되는 절삭 기준선으로 제공되는 것이고, 상기 (S1) 내지 (S3) 단계는 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 수행된다.
본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법의 전 공정은 롤투롤(roll to roll) 공정에 의해 연속적으로 수행되는 것이다.
롤투롤 공정은 롤(roll) 형태의 필름(film) 또는 웹(web) (이하, 본 발명에서는 시트라고 통칭하기로 한다.)에 다양한 종류의 공정을 수행하는 장치를 의미한다.
상기 롤투롤 공정은 시트에 대한 다양한 공정이 수행되는 시트 공정부와, 롤 형태로 권취된 시트를 풀러 시트 공정부로 시트를 공급하거나 시트 공정부로부터 공정을 마친 시트를 다시 롤 형태로 감아 회수하는 시트 이송부를 포함한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법은 집전체에 음극 활물질층이 도포된 음극용 시트에 연속적인 공정이 가능하며, 단위 음극 구간마다 전극 탭을 형성할 수 있다.
이하, 각 단계별로 본 발명에 따른 리튬 금속 전지용 음극의 제조방법을 살펴보겠다.
먼저, 집전체; 상기 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성되며 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층; 및 상기 집전체의 시트의 폭 방향을 기준으로 일측 단부로부터 소정 폭을 갖는 무지부;를 포함하는 음극용 시트를 제공한다(S1).
본 발명은 음극용 시트에 있어서, 음극용 시트에 존재하는 무지부를 절삭함으로써, 단위 음극 구간마다 전극 탭을 형성하기 위한 것으로, 롤투롤 설비를 이용해 연속적으로 수행된다.
상기 음극 활물질층은 리튬 금속을 포함하는 것이다. 따라서, 상기 음극용 시트는 리튬 금속 전지용 음극으로 사용될 수 있으며, 에너지 밀도가 높은 리튬 금속 전지를 제공할 수 있다.
상기 (S1) 단계에서, 음극용 시트는 예를 들어 다음과 같은 방법에 따라 준비될 수 있으나, 다만 이에 제한되는 것은 아니다:
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 도포 방법은, 집전체의 적어도 일면에 리튬 금속을 도포한 후 물리적 가압 방식, 전기화학 도금 방식, 또는 증착 방식에 의한 것일 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 집전체는 스테인리스스틸; 알루미늄; 니켈; 티타늄; 구리; 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면 처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴 합금; 니켈로 표면 처리된 구리 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 집전체의 두께는 6 내지 20 ㎛ 일 수 있다. 본 발명에서 집전체의 두께가 상기 수치범위와 같을 때, 부착이 견고하게 되는 효과가 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 음극 활물질층의 두께는 이에 한정되는 것은 아니나, 용량 측면에서 1 내지 20 ㎛ 일 수 있다.
본 발명에서 음극 활물질층의 두께가 상기 수치범위와 같을 때, 리튬 금속 전지로서 사용하기에 적합하다.
상기 무지부는 음극 활물질층이 형성되지 않고 상기 집전체의 표면이 외부로 노출된 부분인 것이다. 한편, 상기 무지부는 상기 집전체의 시트의 폭 방향 기준으로 일측 단부로부터 소정 폭을 갖는 것이다.
구체적으로, 상기 폭은 10 내지 40 mm 일 수 있다. 상기 무지부의 폭은 추후 전극 탭의 길이가 되는 부분이다.
다음으로, 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부에 윤활유가 도포된다(S2).
본 발명에서 윤활유는 음극용 시트 절단 시 버의 발생을 방지하는 것이다. 구체적으로, 절삭날을 이용해 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층과 무지부의 경계면을 절단하는 경우, 절단시 음극 활물질층이 절삭날에 의해 밀리거나 잡아당겨져 발생한 버가 절삭날 표면에 달라붙는 문제가 발생하거나, 절단하더라도 매끄러운 표면을 갖는 음극을 제조하기 힘든 문제가 있다. 본 발명은 음극 활물질층과 무지부의 경계선 부분에 먼저 윤활유를 도포함으로써 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것이다.
특히, 상기 윤활유가 음극 활물질층과 무지부에 흡수되지 않고, 경계선 부분에 젖어있는 상태로 코팅되도록 하기 위해, 윤활유 도포 직후 곧바로 절삭 공정이 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부는 추후 상기 무지부를 제거하기 위한 절삭날이 적용되는 절삭 기준선으로 제공되는 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 실제 절삭은 상기 절삭 기준선을 중심으로 1 내지 10 um의 범위 내에서 이루어질 수 있다.
상기 음극 활물질층은 오차 범위 내에서 절삭이 이루어지며, 음극 활물질층과 절삭날이 접하는 경우, 예를 들어, 절삭날이 음극 활물질층을 수직으로 관통하게 되는 경우 버가 발생할 수 있는데, 본 발명과 같이 윤활유를 도포하게 되면 버 발생을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 음극 활물질층과 무지부의 경계면에 윤활유를 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 사용가능한 방법이면 제한없이 사용 가능하다. 예를 들어, 스프레이 방법, 또는 딥 코팅 방식으로 도포할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 윤활유는 폴리카보네이트(polycarbonate), 노네인(nonane), 도데케인(dodecane), 운데센(undecene), 도데센(dedecene), 실리콘 수지, 유동 파라핀, 또는 불소 수지 중 어느 하나 또는 이들 중 2이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
특히, 상기 폴리카보네이트, 노네인, 도데케인, 운데센, 도데센, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리튬 금속 표면의 마찰 저항을 최소화하고 건조가 용이하도록 하여, 최종적으로 리튬 금속 표면 상에 손상을 최소화할 수 있다.
다음으로, 상기 무지부를 절삭날을 이용하여 제거하는 무지부 제거 한다(S3).
본 발명은 윤활유가 도포된 음극용 시트에서 무지부를 제거함으로써, 전극 탭을 형성하는 것으로서, 기존과 달리 무지부가 제거된 음극 활물질층의 경계 단면에서 버 발생이 감소되어 매끄러운 단면을 갖는 리튬 금속 전지용 음극을 제조할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 무지부의 제거 전에 상기 음극용 시트가 소정 길이를 갖는 단위 음극 구간으로 구획되고 상기 각 단위 음극 구간에 포함된 무지부에 전극 탭 영역이 설정된다. 그 후, 탭 영역으로 설정된 부분을 제외한 무지부의 나머지 부분이 절삭되어 제거됨에 따라 단위 음극 구간마다 전극 탭이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 음극용 시트는 전극 탭 형성 후 단위 음극 길이로 절삭되어 단위 음극을 형성할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 절삭기의 재질은 초경 합금, 또는 서멧(cermet) 등일 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 절삭기의 강도는 비커스 경도 기준으로 1500 내지 2500 kg/mm2일 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 비교예로서, 윤활유를 도포하지 않고, 음극용 시트를 절단한 경우를 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 1과 같이 리튬을 포함하는 음극 활물질층과 집전체를 포함하는 음극용 시트에서 음극 활물질층과 무지부의 경계부에 윤활유를 도포하지 않고곧바로 타발 또는 절단하는 경우에는, 음극용 시트 절삭 단면에 요철 또는 버가 발생하게 된다. 도 2는 음극용 시트 타발 후에 버 발생으로 인해 절삭기 금형 틈에 리튬 금속이 달라붙는 문제점을 나타낸 사진이다. 도 3은 본 발명의 비교예로서 윤활유를 도포하지 않고 음극용 시트를 타발한 경우, 음극 외곽 부분의 리튬 금속이 밀려나면서 커팅된 단면을 나타낸 사진이다.
반면, 본 발명은 음극 활물질층 상에 윤활유를 도포하여 이러한 문제를 해결하고자 한다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극용 시트의 타발 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 리튬 금속 전지용 음극은 롤투롤 공정에 의해 진행되지만, 최종적으로 제조된 음극용 시트는 전극 탭 형성 후에 단위 음극으로 절삭되어 단위 음극을 형성할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극용 시트의 타발 공정 전/후를 나타낸 것으로, 도 4 및 도 6에서와 같이 무지부와 음극 활물질층의 경계부에 윤활유를 도포한 후에 타발하므로 절단된 표면이 매끄러우며 버 발생이 억제될 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이, S1 내지 S3 단계들은 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 수행되는 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 롤투롤 공정은 롤투롤 설비에 의해 수행되며, 상기 롤투롤 설비는 언와인더와 리와인더를 포함한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 언와인더는 시트 공정부와 인접하게 위치하며, 상기 시트를 연속적으로 풀어주어 상기 시트 공정부로 상기 시트를 공급하는 부분을 의미하는 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 리와인더는 상기 시트 공정부에서 공정을 마친 후 공급되는 시트를 연속적으로 감아주는 부분을 의미하는 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 언와인더 및 리와인더는 상기 리튬 금속 전지용 음극에 소정의 장력을 부여하는 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 장력의 크기는 10 내지 200 N, 또는 4 내지 10 N 일 수 있다.
본 발명에서는 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층이 집전체 상에 존재하므로, 상기 수치 범위 내의 장력에서 보다 빠른 속도로 롤투롤 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 롤투롤 공정의 공정 속도는 10 내지 200 m/min 일 수 있다.
롤투롤 공정 속도가 10 내지 200 m/min 수치범위와 같을 때, 양산성 개선의 효과가 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1
1) 음극용 시트의 제조
음극 집전체로서 두께 10㎛의 구리 호일 양면에 두께 20㎛의 리튬 금속 호일을 100℃, 0.5 Mpa에서 적층시켜 집전체의 표면에 형성된 음극 활물질층이 도포된 음극용 시트를 제조하였다.
상기 음극용 시트를 롤투롤 설비에 개재시킨 후, 음극 활물질층 상에 윤활유인 도데케인(dodecane)을 스프레이 도포 방식으로 1.2 mg/mm2 도포하였다.
이 후, 상기 윤활유가 도포된 음극용 시트를 절삭기(유진社, 커터)를 이용하여 절단하였다.
이 때, 상기 롤투롤 공정 속도는 100 m/min 이었으며, 상기 절삭기의 나이프 재질은 초경 합금이었다. 상기 초경 합금의 강도는 1750 kg/mm2이었다. 또한, 상기 롤투롤 공정 설비의 장력은 80N으로 제어하였다.
비교예 1
윤활유를 도포하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 금속 전지용 음극을 제조하였다.
비교예 2
집전체 없이 리튬 금속으로만 이루어진 두께 40 um의 음극용 시트를 준비하였다.
상기 음극용 시트를 롤투롤 설비에 개재시킨 후, 음극 활물질층 상에 윤활유인 도데케인(dodecane)을 스프레이 도포 방식으로 1.2 mg/mm2 도포하였다.
이 후, 상기 윤활유가 도포된 음극용 시트를 절삭기(유진社, 커터)를 이용하여 절단하였다.
이 때, 상기 롤투롤 공정 속도는 100 m/min 이었으며, 상기 절삭기의 나이프 재질은 초경 합금이었다. 또한, 상기 롤투롤 공정 설비의 장력은 80N으로 제어하였다.
비교예 3
윤활유를 도포하지 않은 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 리튬 금속 전지용 음극을 제조하였다.
실험예
버 두께 측정 방법
상기 실시예 및 비교예에서 버 두께는 3D 광학 현미경(Bruker社, Contour Elite K)를 이용하여 절삭 단면을 스캔하여 측정하였다.
실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따른 버 두께 측정 결과를 표 1, 도 7a 내지 7d, 도 8a 내지 도 8d에 나타내었다.
횟수 평균(um) 표준편차(um) Capability
(평균-min)/3sigma
실시예 1 20 12.8 3.4 0.47
비교예 1 20 25.2 3.6 0.44
비교예 2 7 20.14 6.3 1.42
비교예 3 11 46.5 13.6 0.52
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 집전체를 사용하며, 윤활유를 도포한 실시예 1의 경우 버 두께의 평균이 12.8um로 가장 적은 버 발생을 나타내었다.
반면, 집전체를 사용한 경우라도, 윤활유를 도포하지 않은 비교예 1의 경우 25.2um로 실시예 1에 비해 약 49% 높은 버 발생율을 보였다.
한편, 비교예 2 및 비교예 3은 집전체를 사용하지 않고 오로지 리튬 금속만으로 음극용 시트를 제조한 경우로서, 실시예 1에 비해 높은 버 발생율을 보였다. 특히 비교예 3의 경우, 실시예 1에 비해 약 72% 높은 버 발생율을 보였다.
도 7a 및 도 7b는 비교예 3에 따른 음극용 시트 타발 후를 나타낸 것으로, 가장 많은 버 발생을 보였다.
도 7c 및 도 7d는 비교예 2에 따른 음극용 시트 타발 후를 나타낸 것으로, 비교예 3에 비해서는 낮은 버 발생을 보였지만, 본 발명에 따른 실시예 1에 비해서는 약 36% 높은 버 발생율을 보였다.
도 8a 및 도 8b는 비교예 1에 따른 음극용 타발 후를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 실시예 1에 약 49% 높은 버 발생율을 보였다.
도 8c 및 도 8d는 실시예 1에 따른 음극용 타발 후를 나타낸 것으로, 가장 낮은 버 발생율을 나타내었다.

Claims (11)

  1. (S1) 집전체; 상기 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성되며 리튬 금속을 포함하는 음극 활물질층; 및 상기 집전체 시트의 폭 방향을 기준으로 일측 단부로부터 소정 폭을 갖는 무지부;를 포함하는 음극용 시트를 제공하는 음극 시트 제공 단계;
    (S2) 상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부에 윤활유가 도포되는 윤활유 도포 단계; 및
    (S3) 상기 무지부를 절삭날을 이용하여 제거하는 무지부 제거 단계;
    상기 무지부는 상기 음극 활물질층이 형성되지 않고 상기 집전체의 표면이 외부로 노출된 부분이며,
    상기 무지부와 상기 음극 활물질층의 경계부는 상기 무지부를 제거하기 위한 절삭날이 적용되는 절삭 기준선으로 제공되는 것이고,
    상기 (S1) 내지 (S3) 단계는 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 수행되는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무지부 제거 단계(S3)는 상기 음극용 시트가 소정 길이를 갖는 단위 음극 구간으로 구획되고 상기 각 단위 음극 구간에 포함된 무지부에 전극 탭 영역이 설정되며, 상기 탭 영역을 제외한 무지부의 나머지 부분이 절삭되어 제거됨에 따라 단위 음극 구간마다 전극 탭이 형성되는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음극용 시트는 전극 탭 형성 후 단위 음극 길이로 절삭되어 단위 음극을 형성하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 롤투롤 공정 속도는 10m/min 내지 100 m/min인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 롤투롤 공정은 롤투롤 설비에 의해 수행되며, 상기 롤투롤 설비는 언와인더 및 리와인더를 포함하고,
    상기 언와인더 및 리와인더는 상기 음극용 시트 상에 소정의 장력을 부여하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 장력의 크기는 10N 내지 200N인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (S1) 단계에서 집전체에 음극 활물질층을 도포하는 방법은 압연, 전해 도금, 또는 증착 방식에 의한 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는 스테인리스스틸; 알루미늄; 니켈; 티타늄; 구리; 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면 처리된 스테인리스스틸; 또는 알루미늄-카드뮴 합금; 니켈이 표면 처리된 구리; 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 윤활유는 폴리카보네이트(polycarbonate), 노네인(nonane), 도데케인(dodecane), 운데센(undecene), 도데센(dedecene), 실리콘 수지, 유동 파라핀, 또는 불소 수지 중 어느 하나 또는 이들 중 2이상의 혼합물을 포함하는 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절삭날의 재질은 초경 합금 또는 서멧(cermet)인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절삭날의 강도는 1500kg/mm2 내지 2500kg/mm2인 것인, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법.
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