KR20220073525A - Resistance Gradient Three Dimensional Current Collector, Lithium Anode and Manufacturing Method For The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다공질 3차원 구조를 가지면서 두께 방향으로 전기 저항의 구배가 형성된 집전체를 제공하는 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 측면은 3차원 다공 구조를 가지는 기재와 상기 기재의 표면에 코팅된 금속층을 포함하고, 상기 금속층은 상기 기재의 적어도 일 표면으로부터 내부의 소정 깊이까지 상기 표면에서 내부로 들어갈수록 연속 또는 단속적으로 두께가 두꺼워지는 구조로 이루어져 있어, 상기 표면에서 내부로 갈수록 전기 저항이 작아지는 구조로 이루어진 이차전지용 음극 집전체를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a current collector having a porous three-dimensional structure and having a gradient of electrical resistance in the thickness direction. In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention includes a substrate having a three-dimensional porous structure and a metal layer coated on the surface of the substrate, wherein the metal layer has a predetermined depth inside from at least one surface of the substrate To provide a negative electrode current collector for a secondary battery having a structure in which the thickness increases continuously or intermittently from the surface to the inside, and the electrical resistance decreases from the surface to the inside.

Description

저항 구배형 3차원 집전체, 리튬 음극 및 이들의 제조방법 {Resistance Gradient Three Dimensional Current Collector, Lithium Anode and Manufacturing Method For The Same}Resistance Gradient Three Dimensional Current Collector, Lithium Anode and Manufacturing Method For The Same}

본 발명은 이차 전지의 음극에 사용되는 저항 구배형 3차원 집전체와, 이 집전체를 사용한 리튬 음극과, 이들의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 3차원 다공질 구조를 가지는 집전체는 적어도 일 표면에서부터 내부로 들어갈수록 연속 또는 단속적으로 전기저항이 줄어드는 구조를 가지고 있으며, 리튬 음극은 상기 집전체 상에 리튬이 전착되어 있는 구조를 가져 이를 통해 리튬 이차 전지에 적용되었을 때, 리튬의 전착/탈리 과정에 발생하는 부피 변화, 덴드라이트 성장에 의한 안전성 문제와 이로 인한 충전 속도의 제한 문제를 해소할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.The present invention relates to a resistance gradient-type three-dimensional current collector used for a negative electrode of a secondary battery, a lithium negative electrode using the current collector, and a manufacturing method thereof. In more detail, the current collector having a three-dimensional porous structure has a structure in which electrical resistance is continuously or intermittently decreased as it goes inside from at least one surface, and the lithium negative electrode has a structure in which lithium is electrodeposited on the current collector. Through this, when applied to a lithium secondary battery, it relates to a volume change that occurs during the electrodeposition/desorption process of lithium, a safety problem caused by dendrite growth, and a problem of limiting the charging speed caused by this.

흑연을 기반으로 하는 음극은 사이클 수명이 우수하고 안정성과 낮은 전기 화학 반응성 등 음극에 요구되는 특성을 구비하고 있기 때문에, 현재 상용화된 리튬이온전지의 음극재로는 주로 흑연이 음극재로 사용되고 있다. 그런데 흑연 음극은 용량이 작아 충,방전 효율이 떨어지는 한계점이 있다.Graphite-based anodes have excellent cycle life, stability and low electrochemical reactivity, which are required for anodes, so graphite is mainly used as anode materials for currently commercialized lithium-ion batteries. However, the graphite anode has a limitation in that the capacity is small and the charging and discharging efficiency is lowered.

리튬 금속은 현재까지 알려진 음극 물질 중에서 가장 높은 에너지 밀도를 가지며, 산화환원 전위가 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로서의 잠재력이 크며, 이러한 이유로 리튬 금속은 차세대 전지인 리튬금속이온전지, 리튬전고체전지, 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등에 사용이 고려되고 있는 음극 물질이다.Lithium metal has the highest energy density among anode materials known to date, and has a very low oxidation-reduction potential, so it has great potential as the most suitable material for secondary batteries that require light weight and large capacity. , lithium all-solid-state batteries, lithium-sulfur batteries, lithium-air batteries, etc. are being considered for use in negative electrode materials.

일반적으로 리튬 금속 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되며, 내부에 전해액을 주입된 구조를 갖는다. 그런데 리튬 금속을 포함하는 음극은 리튬의 전착/탈리 과정에 발생하는 큰 부피 변화로 인해 음극의 손상이 일어나기 쉽고, 고속 충전 시에는 덴드라이트 성장이 일어나 안전성 문제와 이로 인한 사이클 특성의 열화 및 충전 속도의 제한 문제가 발생하게 된다.In general, a lithium metal secondary battery has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is embedded in a battery case, and an electrolyte solution is injected therein. However, the negative electrode containing lithium metal is prone to damage to the negative electrode due to the large volume change that occurs during the electrodeposition/desorption process of lithium, and dendrite growth occurs during high-speed charging, resulting in safety issues and deterioration of cycle characteristics and charging speed limiting problem arises.

이러한 문제를 해결하기 위해 3차원 메쉬를 집전체로 사용하고자 하는 시도가 있으나 이러한 3차원 구조의 집전체에 리튬 금속을 그대로 전착하면 리튬 금속층이 표면에만 형성되고 내부에서는 표면에서 형성된 리튬 금속층으로 인해 도금액이 침투하지 못해 리튬 금속층이 형성되지 못하는 문제가 있다.To solve this problem, attempts have been made to use a three-dimensional mesh as a current collector, but when lithium metal is electrodeposited on a current collector having such a three-dimensional structure, a lithium metal layer is formed only on the surface, and the plating solution is caused by the lithium metal layer formed on the surface inside. There is a problem in that the lithium metal layer cannot be formed because this does not penetrate.

따라서, 3차원 구조의 집전체를 이용한 리튬 음극을 리튬 이차 전지에 적용하기 위해서는 상술한 문제점이 해결되어야 한다.Therefore, in order to apply a lithium negative electrode using a three-dimensional current collector to a lithium secondary battery, the above-described problem must be solved.

대한민국 공개특허공보 제2019-0112707호Republic of Korea Patent Publication No. 2019-0112707

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다공질 3차원 구조를 가지면서 두께 방향으로 전기 저항의 구배가 형성된 집전체를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a current collector having a porous three-dimensional structure and having a gradient of electrical resistance in the thickness direction.

본 발명의 다른 목적은 상기 집전체의 표면에 리튬이 전착되어 있는 리튬 음극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium negative electrode in which lithium is electrodeposited on the surface of the current collector.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 집전체 및 상기 리튬 음극의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the current collector and the lithium negative electrode.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 측면은 3차원 다공 구조를 가지는 기재와 상기 기재의 표면에 코팅된 금속층을 포함하고, 상기 금속층은 상기 기재의 적어도 일 표면으로부터 내부의 소정 깊이까지 상기 표면에서 내부로 들어갈수록 연속 또는 단속적으로 두께가 두꺼워지는 구조로 이루어져 있어, 상기 표면에서 내부로 갈수록 전기 저항이 작아지는 구조로 이루어진 이차전지용 음극 집전체를 제공하는 것이다.A first aspect of the present invention for achieving the above object includes a substrate having a three-dimensional porous structure and a metal layer coated on the surface of the substrate, wherein the metal layer extends from at least one surface of the substrate to a predetermined depth inside It is to provide a negative electrode current collector for a secondary battery having a structure in which the thickness increases continuously or intermittently from the surface to the inside, and the electrical resistance decreases from the surface to the inside.

본 발명의 제 2 측면은, 상기 리튬 이차전지용 음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 표면에 코팅된 리튬 금속층을 포함하고, 상기 기재의 표면의 리튬 금속층은 상기 기재의 내부의 리튬 금속층에 비해 얇게 형성되거나 형성되지 않은 상태인, 이차전지용 리튬 음극을 제공하는 것이다.A second aspect of the present invention includes the negative electrode current collector for a lithium secondary battery, and a lithium metal layer coated on the surface of the negative electrode current collector, wherein the lithium metal layer on the surface of the substrate is thinner than the lithium metal layer inside the substrate To provide a lithium negative electrode for a secondary battery, which is formed or not formed.

본 발명의 제 3 측면은, 3차원 다공 구조 기재의 표면을 개질하는 단계와, 상기 표면이 개질된 기재에 대해 Sn 민감화 처리를 하는 단계와, 상기 Sn 민감화 처리된 기재의 적어도 일 표면에 UV를 조사하는 단계와, 상기 UV 조사된 3차원 다공 구조 기재에 대해 활성화 처리 하는 단계; 및 상기 활성화 처리된 3차원 다공 구조 기재에 대해 무전해 도금을 수행하여 금속 도금층을 형성하는 단계를 포함하는, 이차전지용 음극 집전체의 제조방법을 제공하는 것이다.A third aspect of the present invention comprises the steps of: modifying the surface of a three-dimensional porous structure substrate; Irradiating and activating the UV-irradiated three-dimensional porous substrate; and performing electroless plating on the activated three-dimensional porous structure substrate to form a metal plating layer.

본 발명에 따른 집전체는, 리튬 음극으로 사용하기 위하여 도금법으로 리튬을 코팅하게 되면 전기 저항이 큰 표층에서 내부로 갈수록 리튬의 도금이 원활하게 이루어지기 때문에, 표층에서는 리튬의 도금이 잘 이루어지지 않아 도금 과정에 표층의 구멍이 막혀 내부에 리튬 도금이 형성되지 않는 문제점을 해결할 수 있다.In the current collector according to the present invention, when lithium is coated by a plating method for use as a lithium negative electrode, lithium plating is performed smoothly from the surface layer having a large electrical resistance to the inside, so lithium plating is not performed well on the surface layer It is possible to solve the problem that lithium plating is not formed inside due to clogging of holes in the surface layer during the plating process.

본 발명에 따른 집전체에 리튬 도금을 하여 얻어진 리튬 음극은 충분한 에너지 밀도를 확보할 수 있을 뿐 아니라, 리튬의 전착/탈리 과정에 발생하는 부피 변화, 덴드라이트 성장을 억제할 수 있어, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.The lithium negative electrode obtained by performing lithium plating on the current collector according to the present invention can not only secure sufficient energy density, but also suppress the volume change and dendrite growth that occur during the electrodeposition/desorption process of lithium, thereby improving cycle characteristics. can be improved

또한, 본 발명에 따른 집전체 및 리튬 음극 제조방법에 의하면, 간단한 공정을 통해 우수한 성능을 가지는 리튬 음극을 제조할 수 있다.In addition, according to the method for manufacturing a current collector and a lithium negative electrode according to the present invention, a lithium negative electrode having excellent performance can be manufactured through a simple process.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집전체 제조 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 섬유로 이루어진 3차원 다공질 기재의 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 리튬 음극의 표면 이미지이다.
도 4는 비교예에 따라 제조한 리튬 음극의 표면 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 리튬 음극을 사용하여 30회 충방전 시험을 수행한 후의 표면 이미지이다.
도 6은 비교예에 따라 제조한 리튬 음극을 사용하여 30회 충방전 시험을 수행한 후의 표면 이미지이다.
1 shows a current collector manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
2 is an image of a three-dimensional porous substrate made of fibers used in an embodiment of the present invention.
3 is a surface image of a lithium anode manufactured according to an embodiment of the present invention.
4 is a surface image of a lithium negative electrode prepared according to Comparative Example.
5 is a surface image after performing a charge/discharge test 30 times using a lithium negative electrode prepared according to an embodiment of the present invention.
6 is a surface image after performing a charge/discharge test 30 times using the lithium negative electrode prepared according to Comparative Example.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, when a part 'includes' a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

전술한 바와 같이 리튬 금속으로 이루어지는 음극은 높은 에너지 밀도에도 불구하고 낮은 사이클 특성, 안전성 문제, 충전 속도 제한의 문제 등으로 인해 적극적인 적용에 제한이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 다공질인 3차원 구조의 전도성 집전체에 리튬 금속층을 형성함으로써 충방전시의 수축/팽창으로 인한 전극의 손상, 덴드라이트 형성에 의한 안전성 문제 및 충방전 속도 제한 문제를 해결하고자 하지만 이를 위해서는 3차원 구조의 전도성 집전체에 균일한 리튬 금속층을 형성하는 것이 필요하다.As described above, the negative electrode made of lithium metal is limited in its active application due to low cycle characteristics, safety problems, and charging rate limitations despite its high energy density. In order to solve this problem, by forming a lithium metal layer on the conductive current collector of a porous three-dimensional structure, damage to the electrode due to contraction/expansion during charging and discharging, safety problems due to dendrite formation, and charging/discharging rate limitation problems are solved However, for this purpose, it is necessary to form a uniform lithium metal layer on the conductive current collector having a three-dimensional structure.

본 발명에서는 이러한 균일한 리튬 금속층을 형성하기 위한 3차원 구조 음극 집전체와 이로부터 만들어지는 이차전지용 리튬 음극을 제안한다. The present invention proposes a three-dimensional structure anode current collector for forming such a uniform lithium metal layer and a lithium anode for a secondary battery made therefrom.

우선 본 발명에서 제공할 수 있는 이차전지용 음극 집전체는, 3차원 다공 구조를 가지는 기재와 상기 기재의 표면에 코팅된 금속층을 포함하고, 상기 금속층은 상기 기재의 적어도 일 표면으로부터 내부의 소정 깊이까지 상기 표면에서 내부로 들어갈수록 연속 또는 단속적으로 두께가 두꺼워지는 구조로 이루어져 있어, 상기 표면으로부터 내부의 소정 두께까지 전기 저항이 갈수록 작아지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.First, the anode current collector for a secondary battery that can be provided in the present invention includes a substrate having a three-dimensional porous structure and a metal layer coated on the surface of the substrate, and the metal layer extends from at least one surface of the substrate to a predetermined depth inside. It is characterized in that it has a structure in which the thickness increases continuously or intermittently from the surface to the inside, so that the electrical resistance gradually decreases from the surface to a predetermined thickness inside.

한편, 본 발명에서 '상기 소정 깊이'는 표면으로부터 적어도 전체 두께의 1/50 이상의 깊이까지를 의미한다.Meanwhile, in the present invention, 'the predetermined depth' refers to a depth of at least 1/50 of the total thickness from the surface.

3차원 다공질 기재 상에 리튬 금속층을 전기 도금을 통해 형성하는 경우 도금액과 접하는 최표면에서 먼저 리튬 금속층이 형성되고, 이와 같이 먼저 형성된 표면의 리튬 금속층이 도금액의 지속적인 내부 진입을 방해함으로써 내부에서는 리튬 금속층 형성이 원활하게 되지 않게 된다. 이로 인해 리튬 금속층은 균일하게 집전체 전체에 형성되지 않고 표면에만 두껍게 형성됨으로써 원하는 에너지 밀도의 음극을 얻기 어렵고, 부피의 수축/팽창에 손상도 심하게 될 수 있다.When a lithium metal layer is formed on a three-dimensional porous substrate through electroplating, a lithium metal layer is first formed on the outermost surface in contact with the plating solution. formation is not smooth. For this reason, the lithium metal layer is not uniformly formed on the entire current collector but thickly formed only on the surface, so it is difficult to obtain a negative electrode having a desired energy density, and the volume contraction/expansion may be severely damaged.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 3차원 다공 구조의 기재의 적어도 일 표면에서 내부로 갈수록 전기 저항이 작아지도록 하여, 표면에서의 저항을 가장 높게함으로써 표면에서의 리튬 금속층 형성 속도를 억제하여 내부에서 먼저 리튬 금속층이 형성되고 도금액과 직접 맞닿는 표면에서는 가장 늦게 리튬 금속층이 형성되도록 함으로써 도금 진행 중에 도금액이 내부로 침투하는 것이 원활하게 되어 기재의 두께 방향으로 균일한 리튬 금속층이 형성되도록 한다.In order to solve this problem, in the present invention, the electric resistance decreases from at least one surface of the substrate having a three-dimensional porous structure toward the inside, thereby increasing the resistance at the surface to the highest, thereby suppressing the rate of formation of the lithium metal layer on the surface. First, the lithium metal layer is formed, and the lithium metal layer is formed last on the surface in direct contact with the plating solution, so that the plating solution penetrates into the inside during the plating process and a uniform lithium metal layer is formed in the thickness direction of the substrate.

이러한 3차원 다공 구조를 가지는 이차전지 음극 집전체에서 금속층은 구리 금속층일 수 있다. 구리는 전도도가 높은 금속으로 리튬 이차전지의 작동 전압 범위를 고려할 때 음극의 집전체로서 가장 적합한 금속이다.In the secondary battery negative electrode current collector having such a three-dimensional porous structure, the metal layer may be a copper metal layer. Copper is a metal with high conductivity and is the most suitable metal as a current collector of a negative electrode considering the operating voltage range of a lithium secondary battery.

또한, 3차원 다공 구조의 기재는 신축성 있는 폴리머 섬유가 불규칙하게 얽힌 부직포 형태, 직조 형태, 또는 메쉬(mesh) 형태로 이루어진 것일 수 있다. 폴리머는 예를 들어 PP(Polypropylene), PMMA(Poly(methyl metacrylate)), PE(Polyethylene), PET(Polyethylene terephthalate) 등이 될 수 있으나, 본 발명이 이러한 물질에 제한되는 것은 아니다.In addition, the base material of the three-dimensional porous structure may be in the form of a nonwoven fabric, a woven form, or a mesh form in which elastic polymer fibers are irregularly entangled. The polymer may be, for example, polypropylene (PP), poly (methyl metacrylate) (PMMA), polyethylene (PE), or polyethylene terephthalate (PET), but the present invention is not limited thereto.

신축성이 있는 폴리머를 이용함으로써 음극의 수축/팽창에 따른 부피 변화에 대응할 수 있고 기공의 크기와 형상을 다양하게 조절할 수 있게 된다. 또한, 금속과 같은 기재에 비해 음극의 제조비용 면에서도 유리하게 될 수 있다.By using a flexible polymer, it is possible to cope with the volume change caused by the contraction/expansion of the negative electrode and to control the size and shape of the pores in various ways. In addition, it may be advantageous in terms of manufacturing cost of the negative electrode compared to a substrate such as a metal.

또한, 상기 기재의 두께는 1~500 ㎛ 범위인 것이 바람직한데, 너무 얇으면 충분한 용량의 음극을 제조할 수 없게 되고, 너무 두꺼우면 내부까지 균일한 리튬 금속층을 형성하기 어렵게 될 수 있다. 더 바람직하게는 적절한 음극 용량을 생각할 때 기재의 두께는 5㎛ 이상이고, 도금액의 내부 침투 깊이를 고려할 때 200 ㎛ 이하인 것 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~100 ㎛ 범위이다. In addition, the thickness of the substrate is It is preferably in the range of 1 to 500 μm. If it is too thin, it may not be possible to manufacture an anode of sufficient capacity, and if it is too thick, it may be difficult to form a uniform lithium metal layer to the inside. More preferably, the thickness of the substrate is 5 μm or more in consideration of an appropriate negative electrode capacity, and is preferably 200 μm or less in consideration of the internal penetration depth of the plating solution, and more preferably in the range of 10 to 100 μm.

상기와 같이 표면에서 내부로 갈 수록 전기 저항이 낮아지게 되는 3차원 다공 구조의 음극 집전체를 만들기 위해 본 발명에서 제안하는 방법은, 3차원 다공질 기재의 표면을 개질하는 단계, 상기 표면이 개질된 기재에 대해 Sn 민감화 처리를 하는 단계, 상기 Sn 민감화 처리된 기재의 적어도 일 표면에 UV를 조사하는 단계, 상기 UV 조사된 3차원 다공질 기재에 대해 활성화 처리 하는 단계 및 상기 활성화 처리된 3차원 다공질 기재에 대해 무전해 도금을 수행하여 금속 도금층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.As described above, the method proposed in the present invention for making a negative electrode current collector having a three-dimensional porous structure in which electrical resistance is lowered from the surface to the inside as described above includes the steps of modifying the surface of the three-dimensional porous substrate, the surface of which is modified. Treating a substrate with Sn sensitization, irradiating UV to at least one surface of the Sn-sensitized substrate, activating the UV-irradiated 3D porous substrate, and the activation-treated 3D porous substrate It may include the step of performing electroless plating to form a metal plating layer.

일반적으로 폴리머의 표면에 무전해도금으로 금속층을 형성하기 위해서는 섬유 표면을 알칼리 용액에서 전처리하고 Sn2+이온을 포함하는 용액을 이용하여 민감화 처리한 후 여기에 팔라듐 촉매 용액을 이용하여 활성화 처리하여 표면에 Pd0시드(seed)를 형성한 후 무전해 도금을 수행하는 방법으로 금속층을 형성하게 된다.In general, in order to form a metal layer on the surface of a polymer by electroless plating, the fiber surface is pretreated in an alkali solution, sensitized using a solution containing Sn 2+ ions, and then activated using a palladium catalyst solution. A metal layer is formed by forming a Pd 0 seed and then performing electroless plating.

본 발명에서는 상기와 같은 민감화 처리와 활성화 처리 사이에 UV를 조사하는 단계를 더 포함하게 되는데 UV가 조사되면 민감화를 위해 위치하게 되는 Sn2+이온이 Sn4+로 산화됨으로써 이후 활성화 처리에서 Pd0시드가 원활하게 형성되지 못하게 되고, 최종 금속층 형성을 위한 무전해 도금 단계에서 도금이 억제된다.The present invention further includes the step of irradiating UV between the sensitization treatment and the activation treatment as described above. When UV is irradiated, Sn 2+ ions positioned for sensitization are oxidized to Sn 4+ , so that Pd 0 in the subsequent activation treatment. The seed is not smoothly formed, and plating is suppressed in the electroless plating step for forming the final metal layer.

본 발명에 따라 민감화 처리된 후 UV 조사된 3차원 다공 구조의 기재는 표면에서 UV의 조사량이 가장 많고 내부로 들어갈 수록 그 조사량은 줄어들게 됨으로써 활성화 처리 단계에서 Pd0시드층은 표면에서 가장 적고 내부로 갈수록 많아지게 된다. 이에 따라, 최종 무전해 도금 단계에서는 내부에서의 금속층의 두께가 가장 두껍고 표면에서의 금속층 두께가 가장 얇게 된다. The substrate having a three-dimensional porous structure irradiated with UV after sensitization treatment according to the present invention has the greatest amount of UV radiation from the surface and the radiation amount decreases as it goes inside . becomes more and more Accordingly, in the final electroless plating step, the thickness of the metal layer inside is the thickest and the thickness of the metal layer on the surface is the thinnest.

이러한 방법을 통해 표면에서 전기 저항이 가장 크게 만들어지는 음극 집전체에 전기도금을 통해 리튬 금속층을 형성하게 되면, 리튬 금속층 형성은 내부에서 가장 빠르고 표면에서 가장 늦게 일어나게 됨으로써 표면에서 형성되는 리튬 금속층 도금액의 집전체 내부로의 침투를 방해하지 않게 되어 기재 두께 방향으로 균일하게 리튬 금속층이 형성되도록 할 수 있게 된다.When a lithium metal layer is formed through electroplating on the anode current collector, which has the greatest electrical resistance on the surface through this method, the lithium metal layer formation occurs the fastest on the inside and the latest on the surface of the lithium metal layer plating solution formed on the surface. It is possible to form a lithium metal layer uniformly in the thickness direction of the substrate without interfering with the penetration into the current collector.

한편, 리튬 전기도금은 리튬 소스인 리튬 도금전극이 상기 금속 도금층이 형성된 기재에서 전기저항이 가장 높은 표면과 가장 가깝게 되도록 배치하여 이루어지는 것이 바람직하다. 리튬 소스인 리튬 도금전극과 가장 까가운 위치이어서 리튬의 이동 거리가 짧은 곳에 전기저항이 가장 높은 표면이 위치하도록 함으로써 리튬 이온이 가장 먼저 도달할 수 있는 표면에서 가장 늦게 리튬 금속층이 형성되도록 하여 기재 내부에서 리튬 금속층의 형성에 방해가 되지 않도록 할 수 있다. On the other hand, the lithium electroplating is preferably made by disposing the lithium plating electrode, which is the lithium source, so as to be closest to the surface of the substrate having the metal plating layer formed thereon with the highest electrical resistance. It is located closest to the lithium plated electrode, which is the lithium source, so that the surface with the highest electrical resistance is located where the movement distance of lithium is short, so that the lithium metal layer is formed last on the surface where lithium ions can reach first It can be made so as not to interfere with the formation of the lithium metal layer.

[실시예][Example]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집전체 제조 공정을 나타낸 것이다.1 shows a current collector manufacturing process according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 집전체 제조 공정은, 3차원 다공구조 기재의 표면을 개질하는 단계와, 상기 표면이 개질된 기재에 대해 Sn 민감화 처리를 하는 단계와, Sn 민감화 처리된 기재의 적어도 일 표면에 UV를 조사하는 단계와, UV 조사된 3차원 다공질 기재에 대해 활성화 처리 하는 단계 및 UV 조사된 3차원 다공 구조 기재에 대해 무전해 도금을 수행하여 금속 도금층을 형성하는 단계를 포함한다.As shown in Figure 1, the current collector manufacturing process according to the present invention, the step of modifying the surface of the three-dimensional porous structure substrate, the step of performing Sn sensitization treatment on the surface of the modified substrate, Sn sensitized The steps of irradiating UV to at least one surface of the substrate, activating the UV-irradiated three-dimensional porous substrate, and performing electroless plating on the UV-irradiated three-dimensional porous substrate to form a metal plating layer include

상기 3차원 다공 구조의 기재는 비도전성 재료로 만들어지는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예에서는, 도 2에 나타낸 것과 같이, 리튬의 전착/탈리 과정의 부피 변화를 수용하기가 용이한 비도전성 섬유가 얽힌 형태로 이루어져 불규칙한 기공이 다수 형성된 3차원 다공체인 부직포 사용하였다. 구체적으로는 3차원 다공 구조 기재를 1M KOH와 0.9M EDA 혼합용액을 사용하여 50℃에서 5분간 침지하고, 0.2M HCl 용액에 5분간 침지하는 방식으로 중성화 처리를 수행하였다.The base material of the three-dimensional porous structure is preferably made of a non-conductive material, and in an embodiment of the present invention, as shown in FIG. A nonwoven fabric, a three-dimensional porous body with many irregular pores, was used. Specifically, the three-dimensional porous structure substrate was immersed in a mixed solution of 1M KOH and 0.9M EDA at 50° C. for 5 minutes, followed by immersion in 0.2M HCl solution for 5 minutes to perform neutralization treatment.

상기 표면이 개질된 기재에 대해 Sn 민감화 처리를 하는 단계는 무전해를 위한 전단계로 SnCl2를 이용하여 실온에서 4분 동안 처리하는 공정이다.The step of performing the Sn sensitization treatment on the surface-modified substrate is a process of treating for 4 minutes at room temperature using SnCl 2 as a pre-step for electroless.

상기 UV를 조사하는 단계는 Sn 민감화 처리된 3차원 기재의 일 표면에 UV를 조사함으로써, 후속되는 무전해 도금 시에 UV가 조사된 표면에 구리 도금층이 형성되지 않거나 얇게 형성되게 하여, 소정 깊이의 내부에서 표면으로 갈수록 전기 저항이 커지는 구조로 이루어도록 하는 공정이다. UV조사는 280~350nm 파장의 UV를 약 30mW/cm2로 5~10분간 처리하였다. In the step of irradiating UV, a copper plating layer is not formed or thinly formed on the surface irradiated with UV during subsequent electroless plating by irradiating UV to one surface of the three-dimensional substrate treated with Sn sensitization, It is a process to make a structure in which the electrical resistance increases from the inside to the surface. For UV irradiation, UV of a wavelength of 280 to 350 nm was treated at about 30 mW/cm 2 for 5 to 10 minutes.

이후 팔라듐 촉매 용액을 이용하여 활성화 처리를 한 후 무전해 구리도금을 진행하였다. 무전해 구리도금 공정은 무전해 구리도금액을 사용하여 UV 조사된 3차원 기재의 표면에 구리 도금층을 형성하는 공정이다. 이때, UV 조사를 받은 3차원 기재의 일 표면으로부터 소정 깊이까지는 구리가 도금되지 않거나 매우 얇게 도금되기 때문에, 표면에는 구리 도금층이 형성되지 않는 영역을 포함하게 된다. 이와 같이 무전해 도금시에 도금액과 1차적으로 접하는 표층에서 도금층이 잘 형성되지 않기 때문에, 도금 공정 초기에 형성되는 도금층에 의해 3차원 다공 구조의 표면에만 도금이 형성되고 내부에는 도금이 형성되지 않는 것을 막을 수 있게 된다.After activation treatment using a palladium catalyst solution, electroless copper plating was performed. The electroless copper plating process is a process of forming a copper plating layer on the surface of a three-dimensional substrate irradiated with UV using an electroless copper plating solution. At this time, since copper is not plated or plated very thinly from one surface of the three-dimensional substrate subjected to UV irradiation to a predetermined depth, the surface includes a region where a copper plating layer is not formed. As such, during electroless plating, since the plating layer is not well formed in the surface layer in contact with the plating solution, plating is formed only on the surface of the three-dimensional porous structure by the plating layer formed at the beginning of the plating process, and plating is not formed inside. be able to prevent

이에 따라, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 집전체는, 그 내부에는 구리 도금층이 충분히 형성되고 표층으로 갈수록 구리 도금층이 형성되지 않아, 내부에 표면으로 갈수록 전기 저항이 커지는 구배 구조를 가지게 된다.Accordingly, in the current collector manufactured according to the embodiment of the present invention, the copper plating layer is sufficiently formed therein and the copper plating layer is not formed as it goes to the surface layer, so it has a gradient structure in which the electrical resistance increases toward the surface.

본 발명에 따른 리튬 음극의 제조 공정은, 상기한 공정으로 제조된 집전체를 음극으로 하고, 양극으로 리튬 금속을 사용하여, 양극의 리튬 금속을 상기 집전체 상에 리튬을 전착시키는 방법을 사용한다.The manufacturing process of the lithium negative electrode according to the present invention uses the current collector manufactured by the above process as the negative electrode and lithium metal as the positive electrode, and a method of electrodepositing lithium metal of the positive electrode on the current collector. .

리튬의 전착 상태는 음극의 전기 전도도에 따라 달라지게 되므로, 구리 도금층이 충분히 형성된 집전체의 내부에서부터 리튬 도금층이 형성지고, 표면으로 갈수록 리튬 도금층이 얇거나 형성되지 않는 영역이 존재하는 형태가 된다.Since the electrodeposition state of lithium varies depending on the electrical conductivity of the negative electrode, the lithium plating layer is formed from the inside of the current collector in which the copper plating layer is sufficiently formed, and the lithium plating layer is thin or there is a region where the lithium plating layer is not formed toward the surface.

도 3은 이상과 같은 과정을 통해 제조한 리튬 음극의 표면 이미지이다. 도 3에서 확인되는 것과 같이, 표면의 노출된 섬유의 상당 영역에는 리튬 도금층이 형성되어 있지 않은 것을 알 수 있다.3 is a surface image of a lithium anode manufactured through the above process. As can be seen in FIG. 3 , it can be seen that a lithium plating layer is not formed in a significant area of the exposed fibers on the surface.

[비교예][Comparative example]

비교예에서는 실시예에 따른 집전체 및 리튬 음극의 제조 공정 중에서, UV 조사 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 집전체 및 리튬 음극을 제조하였다.In Comparative Example, a current collector and a lithium negative electrode were manufactured in the same manner as in Examples, except that a UV irradiation process was not performed among the manufacturing processes of the current collector and the lithium negative electrode according to the Example.

도 4는 비교예에 따라 제조한 리튬 음극의 표면 이미지이다. 도 4에서 확인되는 것과 같이, 표면의 섬유에 두꺼운 리튬 도금층이 형성되어 있다. 한편, 도 4에 나타내지는 않았으나, 내부에는 리튬 도금층이 충분히 형성되지 않았다.4 is a surface image of a lithium negative electrode prepared according to Comparative Example. As can be seen in FIG. 4 , a thick lithium plating layer is formed on the fibers on the surface. Meanwhile, although not shown in FIG. 4 , a lithium plating layer was not sufficiently formed therein.

사이클 특성 시험Cycle Characteristics Test

본 발명의 실시예에 따른 리튬 음극과, 비교예에 따른 리튬 음극의 전지특성을 비교하기 위하여 충방전 시험을 수행하였다. A charge/discharge test was performed to compare the battery characteristics of the lithium negative electrode according to the embodiment of the present invention and the lithium negative electrode according to the comparative example.

실시예에 따라 제조된 3차원 리튬 전극을 음극과 양극에 모두 넣고 사이에 PE계 20um 두께의 분리막으로 구성된 2032 코인셀을 이용하여 대칭셀 평가를 진행하였고, 이때 충방전 시험은 5mA/cm2, 2mAh/cm2 의 조건으로 수행하였다.The three-dimensional lithium electrode prepared according to the example was put in both the negative electrode and the positive electrode, and a symmetric cell evaluation was performed using a 2032 coin cell composed of a PE-based 20um-thick separator between them, and in this case, the charge/discharge test was 5mA/cm 2 , It was carried out under the condition of 2mAh/cm 2 .

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 리튬 음극을 사용하여 30회 충방전 시험을 수행한 후의 표면 이미지이고, 도 6은 비교예에 따라 제조한 리튬 음극을 사용하여 30회 충방전 시험을 수행한 후의 표면 이미지이다.5 is a surface image after performing a charge/discharge test 30 times using a lithium negative electrode prepared according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a lithium negative electrode prepared according to a comparative example 30 times charge and discharge test This is the surface image after performing.

도 5에서 확인되는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 음극은 30 사이클 후에도 덴드라이트의 성장이 거의 관찰되지 않고 초기 상태와 유사한 상태를 유지하였다. 이에 비해, 도 6에 나타난 것과 같이, 비교예에 따른 리튬 음극은 30 사이클 후에 그 표면은 덴드라이트 조직으로 변해 있음이 관찰된다.As can be seen in FIG. 5 , in the lithium negative electrode according to the embodiment of the present invention, the growth of dendrites was hardly observed even after 30 cycles, and a state similar to the initial state was maintained. In contrast, as shown in FIG. 6 , it is observed that the surface of the lithium negative electrode according to the comparative example is changed to a dendrite structure after 30 cycles.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 리튬 음극은 비교예에 비해 에너지 밀도는 물론 사이클 특성도 우수하다.As described above, the lithium negative electrode according to the embodiment of the present invention is excellent in energy density as well as cycle characteristics compared to the comparative example.

Claims (7)

3차원 다공 구조를 가지는 기재와,
상기 기재의 표면에 코팅된 금속층을 포함하고,
상기 금속층은 상기 기재의 적어도 일 표면으로부터 내부의 소정 깊이까지 상기 표면에서 내부로 들어갈수록 연속 또는 단속적으로 두께가 두꺼워지는 구조로 이루어져 있어, 상기 표면에서 내부로 갈수록 전기 저항이 작아지는 구조로 이루어진, 이차전지용 음극 집전체.
A substrate having a three-dimensional porous structure, and
A metal layer coated on the surface of the substrate,
The metal layer has a structure in which the thickness increases continuously or intermittently from the surface to a predetermined depth inside the substrate from at least one surface of the substrate, so that the electrical resistance decreases from the surface to the inside. Anode current collector for secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 금속층은 구리를 포함하는 금속층인, 이차전지용 음극 집전체.
The method of claim 1,
The metal layer is a metal layer comprising copper, a negative electrode current collector for a secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 3차원 다공 구조의 기재는, 신축성 있는 폴리머 섬유가 불규칙하게 얽힌 부직포 형상, 직조 형상, 또는 메쉬(mesh) 형상 중에서 선택된 하나 이상으로 이루어진, 이차전지용 음극 집전체.
The method of claim 1,
The base material of the three-dimensional porous structure is made of one or more selected from a nonwoven fabric shape, a woven shape, or a mesh shape in which elastic polymer fibers are irregularly entangled, a negative electrode current collector for a secondary battery.
제 1 항에 있어서,
상기 기재의 두께는 1~500 ㎛인, 이차전지용 음극 집전체.
The method of claim 1,
The thickness of the substrate is 1-500 μm, a negative electrode current collector for a secondary battery.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따르는 이차전지용 음극 집전체와,
상기 음극 집전체의 표면에 코팅된 리튬 금속층을 포함하고,
상기 기재의 표면의 리튬 금속층은 상기 기재의 내부의 리튬 금속층에 비해 얇게 형성되거나 형성되지 않은 상태인, 이차전지용 리튬 음극.
A negative electrode current collector for a secondary battery according to any one of claims 1 to 4;
A lithium metal layer coated on the surface of the negative electrode current collector,
The lithium metal layer on the surface of the substrate is formed thinner or not formed compared to the lithium metal layer inside the substrate, a lithium negative electrode for a secondary battery.
3차원 다공 구조 기재의 표면을 개질하는 단계;
상기 표면이 개질된 기재에 대해 Sn 민감화 처리를 하는 단계;
상기 Sn 민감화 처리된 기재의 적어도 일 표면에 UV를 조사하는 단계;
상기 UV 조사된 3차원 다공 구조 기재에 대해 활성화 처리 하는 단계; 및
상기 활성화 처리된 3차원 다공 구조 기재에 대해 무전해 도금을 수행하여 금속 도금층을 형성하는 단계를 포함하는, 이차전지용 음극 집전체의 제조방법.
modifying the surface of the three-dimensional porous structure substrate;
performing Sn sensitization treatment on the surface-modified substrate;
irradiating UV to at least one surface of the Sn-sensitized substrate;
Activating the UV-irradiated three-dimensional porous substrate; and
A method of manufacturing an anode current collector for a secondary battery, comprising: forming a metal plating layer by performing electroless plating on the activated three-dimensional porous structure substrate.
제 6 항에 기재된 이차전지용 음극 집전체에 리튬 전기도금을 수행하는 단계를 포함하는, 이차전지용 리튬 음극의 제조방법.
A method of manufacturing a lithium negative electrode for a secondary battery, comprising the step of performing lithium electroplating on the negative electrode current collector for a secondary battery according to claim 6 .
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