KR20210100895A - 레이저를 이용한 클리닝 단계를 포함하는 전극 제조방법, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

레이저를 이용한 클리닝 단계를 포함하는 전극 제조방법, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행하는 클리닝 단계를 포함하는 전극 제조방법, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 전극 합재층의 미스매치를 방지하고, 경계 영역에서 슬라이딩 발생 정도를 현저히 감소시킬 수 있다.

Description

레이저를 이용한 클리닝 단계를 포함하는 전극 제조방법, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지{ELECTRODE MANUFACTURING METHOD COMPRISING CLEANING STEP USING LASER, ELECTROD MANUFACTRUED BY THE METHOD AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 레이저를 이용한 클리닝 단계를 포함하는 전극 제조방법, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로 주목받고 있다. 전기자동차의 에너지원으로 적용하기 위해서는 고출력의 전지가 필요하다.
도 1은 종래 기술에 따라 형성된 전극의 구조를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1 전극(10)은 집전체(11)의 양면에 탑 코팅된 전극 합재층(12)과 백 코팅된 전극 합재층(13)이 형성된 구조이다. 또한, 각 전극 합재층(12, 13)은 전극 합재층이 도포된 유지부와 그렇지 않은 무지부를 포함한다. 전극 합재층이 형성된 유지부 사이의 이격 거리는 무지부 폭(DG)을 의미한다. 종래에는 집전체(11)의 일면에 전극 합재층을 탑 코팅한 후, 반대면에 백 코팅하는 과정을 거쳐 전극을 제조한다. 이 과정에서, 집전체(11)를 기준으로 탑 코팅된 전극 합재층(12)과 백 코팅된 전극 합재층(13)이 서로 어긋나게 형성된 탑/백 코팅된 전극 합재층의 미스매치 영역(DM)이 발생한다. 이러한 미스매치 영역(DM)은 전극의 용량을 저하시키고, 이차전지에 적용시 안전성을 저하시키는 원인이 된다.
또한, 도 2는 종래 기술에 따라 제조된 전극 조립체의 적층 구조를 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 종래의 전극 조립체(40)는 분리막(30)을 기준으로 양면에 제1 전극(10)과 제2 전극(10)이 형성된 구조이다. 그러나, 제1 및 제2 전극(10, 20)을 각각 제조하는 과정에서, 전극 합재층의 경계 영역에서 서로 다른 슬라이딩 정도(10a, 20a)를 보이고 있다. 도 2에서는, 제1 전극 유지부 끝단의 슬라이딩 정도(10a) 보다 제2 전극 유지부 끝단의 슬라이딩 정도(20a)가 더 심한 것을 알 수 있다. 만약, 제2 전극(20)이 음극인 경우라면, 기 설정된 기준치보다 음극에 대한 양극의 로딩량이 커지면서, 해당 부위에 리튬 석출 현상이 발생하고, 이는 전지 셀의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
일본특허공개공보 제2019-029256호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 레이저를 이용한 클리닝 단계를 포함하는 전극 제조방법, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 제조방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 제조방법은, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 대하여, 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인을 따라 레이저를 조사하여 유지부의 끝단을 클리닝(cleaning)하는 단계를 포함하며, 상기 클리닝(cleaning)하는 단계는, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행한다.
하나의 예에서, 상기 클리닝하는 단계에서, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정; 및 전극 집전체의 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정은 동시에 수행한다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 클리닝(cleaning)하는 단계에서, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정; 및 전극 집전체의 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정은 어느 하나의 레이저 조사 과정을 먼저 수행한 후, 다른 하나의 레이저 조사 과정을 수행한다.
하나의 예에서, 상기 클리닝하는 단계 이전에, 전극 집전체에 전극 합재층을 탑 코팅하는 과정과 전극 합재층을 백 코팅하는 단계를 포함하며, 코팅에 의해 형성된 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층의 형성 면적은, 미리 설정된 최종 전극 합재층의 면적 대비, 각각 101 내지 105% 범위이다.
하나의 예에서, 상기 클리닝하는 단계는, 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서, 유지부 끝단의 형성 각도가 75° 이상이 되도록 수행한다.
본 발명은, 또한, 앞서 설명한 제조방법으로 제조된 전극을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극은, 전극 집전체; 탑 코팅된 전극 합재층; 및 백 코팅된 전극 합재층을 포함하며, 상기 전극 집전체를 개재한 상태로 대면하는 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층을 기준으로, 유지부의 경계 라인을 포함하지 않은 영역(중심 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 탑 코팅된 전극 합재층에 대한 백 코팅된 전극 합재층의 중량비(RWb)에 대한, 유지부의 경계 라인을 포함하는 영역(경계 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 탑 코팅된 전극 합재층에 대한 백 코팅된 전극 합재층의 중량비(RWa)의 비율(RWa / RWb)은, 0.85 내지 1.15 범위이다.
또 다른 하나의 예에서, 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서, 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층의 유지부 끝단의 형성 각도는 각각 75° 내지 90° 범위이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극을 포함하는 전극 조립체를 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체에 있어서, 상기 분리막을 개재한 상태로 대면하는 양극과 음극을 기준으로, 유지부의 경계 라인을 포함하지 않은 영역(중심 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 음극 합재층에 대한 양극 합재층의 중량비(RW1)에 대한, 유지부의 경계 라인을 포함하는 영역(경계 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 음극 합재층에 대한 양극 합재층의 중량비(RW2)의 비율(RW2 / RW1)은, 0.8 내지 1 범위이다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며, 상기 음극 활물질은, 실리콘(Si)계 활물질을 포함한다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며, 상기 음극 활물질은, 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 10~95 : 5~90 중량비로 포함한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전극 제조방법은, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행하는 클리닝 단계를 통해, 전극 합재층의 미스매치를 방지하고, 경계 영역에서 슬라이딩 발생 정도를 현저히 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 형성된 전극의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따라 제조된 전극 조립체의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 과정을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 과정을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극 조립체의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 발명에 따른 전극은, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 대하여, 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인을 따라 레이저를 조사하여 유지부의 끝단을 클리닝(cleaning)하는 단계를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 클리닝(cleaning)하는 단계는, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행한다.
본 발명은 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정을 통해 유지부의 끝단을 클리닝하게 된다. 이 때, 레이저 조사는 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행한다. 이를 통해, 본 발명은 전극 집전체를 기준으로, 탑 및 백 코팅된 전극 합재층의 유지부 끝단을 맞춤으로써, 양 전극 합재층의 미스매치(mismatch) 영역을 최소화한다. 더불어, 본 발명에서는, 양 전극 합재층의 유지부 단부의 형성 각도를 정밀하게 제어할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 클리닝하는 단계에서, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정; 및 전극 집전체의 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정은 동시에 수행한다. 또 다른 하나의 실시예에서, 상기 클리닝(cleaning)하는 단계에서, 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정; 및 전극 집전체의 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정은 어느 하나의 레이저 조사 과정을 먼저 수행한 후, 다른 하나의 레이저 조사 과정을 수행한다. 본 발명에서는 전극 집전체를 기준으로 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층을 포함하며, 상기 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 양면에 대한 레이저 조사를 동시에 하거나, 순차적으로 진행하는 것이 가능하다.
하나의 실시예에서, 상기 클리닝하는 단계 이전에, 전극 집전체에 전극 합재층을 탑 코팅하는 과정과 전극 합재층을 백 코팅하는 단계를 포함하며, 코팅에 의해 형성된 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층의 형성 면적은, 미리 설정된 최종 전극 합재층의 면적 대비, 각각 101 내지 105% 범위이다. 본 발명에서는 전극 합재층을 형성한 후, 전극 합재층의 끝단을 클리닝하는 단계를 거치게 된다. 따라서, 전극 집전체에 전극 합재층을 형성하는 과정에서, 클리닝하는 단계를 감안하여 최종 전극 합재층의 면적 대비 넓은 면적으로 전극 합재층을 형성하게 된다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 클리닝하는 단계는, 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서, 유지부 끝단의 형성 각도가 75° 이상이 되도록 수행한다. 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서 유지부 끝단의 형성 각도는 슬라이딩 각도(sliding angle)이라고도 하며, 구체적으로는 전극 집전체와 동일한 평면을 기준으로, 유지부 끝단으로부터 유지부 중심부의 평균 높이까지 도달하는 경계부의 각도를 의미한다. 본 발명에서는 유지부 끝단의 형성 각도를 매우 높은 수준, 구체적으로는 90°에 가깝도록 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에서, 유지부 끝단의 형성 각도는 75° 내지 90°, 80° 내지 90°, 75° 내지 88°, 80° 내지 85° 또는 85° 내지 90° 범위를 만족한다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 방법으로 제조된 전극을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극은, 전극 집전체; 탑 코팅된 전극 합재층; 및 백 코팅된 전극 합재층을 포함하며, 상기 전극 집전체를 개재한 상태로 대면하는 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층을 기준으로, 유지부의 경계 라인을 포함하지 않은 영역(중심 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 탑 코팅된 전극 합재층에 대한 백 코팅된 전극 합재층의 중량비(RWb)에 대한, 유지부의 경계 라인을 포함하는 영역(경계 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 탑 코팅된 전극 합재층에 대한 백 코팅된 전극 합재층의 중량비(RWba)의 비율(RWa / RWb)은, 0.85 내지 1.15 범위이다. 본 발명에서, 상기 비율(RWa / RWb)은, 유지부의 중심 영역과 경계 영역에서 전극 집전체의 양면에 형성된 전극 합재층의 균일성 내지 미스매치 정도를 비교한 것이다. 구체적으로, 상기 비율(RWa / RWb)은 0.85 내지 1.1 범위, 0.85 내지 1 범위, 0.9 내지 1.15 범위, 0.9 내지 1.1 범위, 1 내지 1.15 범위 또는 0.95 내지 1.05 범위이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전극은 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서, 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층의 유지부 끝단의 형성 각도가 각각 75° 내지 90° 범위이다. 본 발명에서는 유지부 끝단의 형성 각도를 매우 높은 수준, 구체적으로는 90°에 가깝도록 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에서, 유지부 끝단의 형성 각도는 75° 내지 90°, 80° 내지 90°, 75° 내지 88°, 80° 내지 85° 또는 85° 내지 90° 범위를 만족한다.
구체적으로, 상기 전극은 이차전지용 전극이며, 예를 들어, 양극, 음극 또는 양극과 음극 모두에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극을 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
본 발명은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 제공한다. 하나의 실시예에서, 상기 분리막을 개재한 상태로 대면하는 양극과 음극을 기준으로, 유지부의 경계 라인을 포함하지 않은 영역(중심 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 음극 합재층에 대한 양극 합재층의 중량비(RW1)에 대한, 유지부의 경계 라인을 포함하는 영역(경계 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 음극 합재층에 대한 양극 합재층의 중량비(RW2)의 비율(RW2 / RW1)은, 0.8 내지 1 범위이다.
상기 비율은(RW2 / RW1)은 양극 합재층의 로딩량에 대응하는 음극 합재층의 로딩량의 비율이 균일한 정도를 의미하며, 구체적으로는 유지부의 중심 영역과 경계 영역을 대비한 것이다. 전극 집전체 상에 전극 합재층을 토출하는 과정에서, 유지부의 끝단에서 코팅 두께의 슬라이딩(sliding)이 발생한다. 이 과정에서, 음극의 슬라이딩 정도가 양극 대비 커지게 되면, 양극과 대면하는 음극의 로딩량이 상대적으로 적은 경우가 발생하고, 이는 리튬 석출로 인한 전지셀의 성능이 저하되는 문제가 있다. 본 발명에서, 상기 비율은(RW2 / RW1)이 1인 경우는, 중심 영역과 경계 영역에서 일정한 비율로 양극 합재층과 음극 합재층이 형성된 경우이다. 상기 비율(RW2 / RW1)이 1 보다 큰 경우는, 경계 영역에서 음극 합재층이 상대적으로 적게 형성된 것을 의미한다. 구체적으로, 상기 비율은(RW2 / RW1)은 0.85 내지 1 범위, 0.9 내지 1 범위 또는 0.95 내지 1 범위이다.
하나의 실시예에서, 상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며, 상기 음극 활물질은, 실리콘(Si)계 활물질을 포함한다. 또 다른 하나의 실시예에서, 상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며, 상기 음극 활물질은, 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 10~95 : 5~90 중량비로 포함한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 이차전지는 양극; 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 상기 양극은 앞서 설명한 전극 구조이다. 예를 들어, 상기 이차전지는 리튬 이차전지이다. 구체적으로, 상기 리튬 이차전지는 예를 들어, 앞서 설명한 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 비수 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다.
양극은, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 형성된 구조이다. 하나의 예에서, 양극 합제층은 양극 활물질 외에 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 전극이 이차전지의 양극으로 적용될 경우에는, 상기 양극은 양극 집전체의 양면에 양극 합제층이 형성된 구조이다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 이차전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
하나의 실시예에서, 상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 일면 또는 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며, 상기 음극 활물질은 실리콘(Si)계 활물질을 포함한다.
상기 실리콘계 활물질은 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiOx, 0<x≤2) 및 실리콘-금속(M) 합금(여기서, 금속(M)은 Cr 및 Ti 중 1종 이상을 포함)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 예를 들어, 실리콘 성분을 함유하는 활물질은 실리콘(Si) 및 실리콘 산화물(SiOx, 0<x≤2) 중 1종 이상이다.
본 발명에서는, 상기 음극 합제층에 적용되는 활물질로 실리콘계 활물질을 적용할 수 있으며, 경우에 따라서는 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 혼합 사용할 수 있다. 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 혼합 사용하는 경우에는, 합제층을 단일층으로 형성하거나 둘 이상의 층으로 나누어 형성할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 일면 또는 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며, 상기 음극 활물질은 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 포함한다. 본 발명에 따른 전극이 이차전지의 음극으로 적용될 경우에는, 상기 음극은 음극 집전체의 양면에 음극 합제층이 형성된 구조이다.
상기 탄소계 활물질은 저결정 탄소 및/또는 고결정성 탄소 등을 사용할 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches), 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다. 예를 들어, 상기 탄소계 활물질은 통상적으로 사용되는 흑연 성분이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 음극 활물질에서, 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질의 함량 비율은 10~95 : 5~90 중량비 범위이다. 구체적으로, 상기 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질의 함량 비율은 20~95 : 5~80 중량비, 30~80 : 20~70 중량비, 50~80 : 20~50 중량비, 70~80 : 20~30 중량비, 10~80 : 20~90 중량비, 10~50 : 50~90 중량비, 10~30 : 70~90 중량비, 30~60 : 40~70 중량비, 40~50 : 50~60 중량비 또는 40~60 : 40~60 중량비 범위이다. 탄소계 활물질 대비 실리콘계 활물질은 전지의 용량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 실리콘계 활물질은 충방전 과정에서 큰 폭으로 부피 변화를 유발한다. 이러한 부피 변화는 전극의 퇴화 내지 전지의 수명 열화를 가속화하는 문제가 있다. 또한, 실리콘계 활물질은 실리콘계 성분의 수명 향상을 위해 바인더 내지 도전재를 다량으로 혼합하여야 하는 한계가 있다. 그러나, 본 발명에서는 탄소계 활물질을 혼합 사용함으로써 충방전시 부피 변화를 일정 수준 낮출 수 있고, 바인더 내지 도전재의 함량을 줄일 수 있다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 전해액은 비수 전해액을 포함하는 비수계 전해질을 사용할 수 있다. 상기 비수 전해액으로는 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다. 그러나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 리튬 이차전지 분야에서 사용되는 다수의 전해액 성분들이 적절한 범위 내에서 가감될 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 이차전지를 포함하는 디바이스를 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 디바이스는 모바일 기기, 웨어러블 디바이스, 노트북 및 자동차 중 1종 이상이다. 예를 들어, 상기 자동차는 하이브리드 또는 전기 자동차이다.
이하, 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(제1 실시 형태)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 과정을 도시한 모식도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극은 전극 집전체(110)의 양면에 탑 코팅된 전극 합재층(120)과 백 코팅된 전극 합재층(130)이 형성된 구조이다. 본 발명에서는 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인을 따라 레이저 조사(141, 142)를 통해 유지부의 끝단을 클리닝(cleaning)하는 단계(100)를 거쳐 전극을 제조한다. 상기 레이저 조사(141, 142)를 통해 전극 합재층(120, 130)의 끝단에 슬라이딩된 경사가 발생하는 것을 방지한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 과정을 도시한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 클리닝 단계(200)에서, 전극 집전체(210)의 탑 코팅된 전극 합재층(220)과 백 코팅된 전극 합재층(230)에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체(210)에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행한다. 이를 통해, 전극 집전체(210)를 기준으로 탑 코팅된 전극 합재층(220)과 백 코팅된 전극 합재층(230)의 형성 면적 및 위치가 서로 정확히 대응되며, 미스매치된 영역이 발생하지 않는다.
(제2 실시 형태)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 구조를 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제1 전극(300)은 집전체(310)의 양면에 탑 코팅된 전극 합재층(320)과 백 코팅된 전극 합재층(330)이 형성된 구조이다. 또한, 각 전극 합재층(320, 330)은 전극 합재층이 도포된 유지부와 그렇지 않은 무지부를 포함한다. 전극 합재층이 형성된 유지부 사이의 이격 거리는 무지부 폭(DG')을 의미한다. 본 발명에서는, 레이저 조사를 통한 클리닝 단계에서, 전극 집전체(310)의 탑 코팅된 전극 합재층(320)과 백 코팅된 전극 합재층(330)에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체(310)에 수직하는 방향으로 서로 대응된다. 따라서, 전극 집전체(310)를 기준으로 탑 코팅된 전극 합재층(320)과 백 코팅된 전극 합재층(330)이 서로 어긋나게 형성된 탑/백 코팅된 전극 합재층의 미스매치 영역이 발생하지 않는다.
(제3 실시 형태)
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전극 조립체의 적층 구조를 도시한 단면도이다. 도 6을 참조하면, 전극 조립체(400)는 분리막(430)을 기준으로 양면에 제1 전극(410)과 제2 전극(410)이 형성된 구조이다. 제1 및 제2 전극(410, 420)을 각각 제조하는 과정에서, 전극 합재층의 경계 영역에서 서로 다른 슬라이딩 정도(410a, 420a)를 보이는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에서는 레이저 조사를 통해 클리닝 단계를 거치면서 제1 및 제2 전극(410, 420)의 전극 합재층이 경계 영역에서 거의 유사하거나 동등한 슬라이딩 정도(410a, 420a)를 보이게 된다. 이를 통해, 전극 합재층의 가장자리 경계 영역에서도, 음극 합재층에 대응되는 양극 합재층의 로딩 비율을 동등하게 유지하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 300, 410: 제1 전극
10a, 410a: 제1 전극 유지부 끝단의 슬라이딩 정도
11, 110, 210, 310: 전극 집전체
12, 120, 220, 320: 탑 코팅된 전극 합재층
13, 130, 230, 330: 백 코팅된 전극 합재층
20, 420: 제2 전극
20a, 420a: 제2 전극 유지부 끝단의 슬라이딩 정도
30, 430: 분리막
100, 200: 클리닝 단계
141, 142, 241, 242, 251, 252: 레이저 조사
40, 400: 전극 조립체
DG: 무지부 폭
DM: 탑/백 코팅된 전극 합재층의 미스매치 영역

Claims (11)

  1. 전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 대하여, 무지부와 접하는 유지부의 경계 라인을 따라 레이저를 조사하여 유지부의 끝단을 클리닝(cleaning)하는 단계를 포함하며,
    상기 클리닝(cleaning)하는 단계는,
    전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 라인이 전극 집전체에 수직하는 방향으로 서로 대응하도록 수행하는 것을 특징으로 하는 전극 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클리닝하는 단계에서,
    전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정; 및
    전극 집전체의 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정은 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 전극 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 클리닝(cleaning)하는 단계에서,
    전극 집전체의 탑 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정; 및
    전극 집전체의 백 코팅된 전극 합재층에 레이저를 조사하는 과정은 어느 하나의 레이저 조사 과정을 먼저 수행한 후, 다른 하나의 레이저 조사 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 전극 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 클리닝하는 단계 이전에,
    전극 집전체에 전극 합재층을 탑 코팅하는 과정과 전극 합재층을 백 코팅하는 단계를 포함하며,
    코팅에 의해 형성된 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층의 형성 면적은, 미리 설정된 최종 전극 합재층의 면적 대비, 각각 101 내지 105% 범위인 것을 특징으로 하는 전극 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 클리닝하는 단계는,
    무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서, 유지부 끝단의 형성 각도가 75° 이상이 되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 전극 제조방법.
  6. 전극 집전체; 탑 코팅된 전극 합재층; 및 백 코팅된 전극 합재층을 포함하며,
    상기 전극 집전체를 개재한 상태로 대면하는 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층을 기준으로,
    유지부의 경계 라인을 포함하지 않은 영역(중심 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 탑 코팅된 전극 합재층에 대한 백 코팅된 전극 합재층의 중량비(RWb)에 대한,
    유지부의 경계 라인을 포함하는 영역(경계 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 탑 코팅된 전극 합재층에 대한 백 코팅된 전극 합재층의 중량비(RWa)의 비율(RWa / RWb)은, 0.85 내지 1.15 범위인 전극.
  7. 제 6 항에 있어서,
    무지부와 접하는 유지부의 경계 라인에서, 탑 코팅된 전극 합재층과 백 코팅된 전극 합재층의 유지부 끝단의 형성 각도가 각각 75° 내지 90° 범위인 전극.
  8. 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체에 있어서,
    상기 분리막을 개재한 상태로 대면하는 양극과 음극을 기준으로,
    유지부의 경계 라인을 포함하지 않은 영역(중심 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 음극 합재층에 대한 양극 합재층의 중량비(RW1)에 대한,
    유지부의 경계 라인을 포함하는 영역(경계 영역)에서 선택된 단위 면적(1 cm x 1 cm) 당 음극 합재층에 대한 양극 합재층의 중량비(RW2)의 비율(RW2 / RW1)은, 0.8 내지 1 범위인 전극 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며,
    상기 음극 활물질은, 실리콘(Si)계 활물질을 포함하는 전극 조립체.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 음극은, 집전체층; 및 상기 집전체층의 양면에 형성되되, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층을 포함하며,
    상기 음극 활물질은, 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 10~95 : 5~90 중량비로 포함하는 전극 조립체.
  11. 제 8 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지.
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