KR20220113154A - 전극 적층체의 제조방법 - Google Patents

전극 적층체의 제조방법 Download PDF

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KR20220113154A
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장석훈
정수택
권순관
이병규
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은, 전극 적층체를 제조하는 방법으로서,
(a) 제1 전극 상에 PSA(pressure sensitive adhesive) 무용매 잉크를 통기성을 가지는 구조로 코팅, 경화하여 분리층을 형성하는 단계;
(b) 상기 분리층 상에 제2 전극을 적층하는 단계; 및
(c) 상기 제1 전극, 상기 분리층, 및 상기 제2 전극을 라미네이션하는 단계;
를 포함하는 전극 적층체 제조 방법을 제공한다.

Description

전극 적층체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE STACK UNIT}
본 발명은 전극 적층체의 제조방법, 구체적으로는 전극 상에 분리막을 일체로 형성하는 전극 적층체의 제조방법에 관한 것이다.
화석 연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지, 청정 에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기 화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라, 대기 오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극 또는 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 슬러리의 형태로 집전체에 코팅 및 건조하여 전극 합제층을 형성시켜 양극과 음극을 제조하고, 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재시키고, 이를 라미네이션한 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장시킴으로써 제조된다.
또한, 상기 전극조립체는 각각의 구성들을 적층 또는 폴딩하는 형태로 제조될 수도 있으나, 전극 및 분리막을 포함하는 전극 적층체로서 유닛셀을 제조하고, 이를 적층 또는 폴딩하는 형태로 제조할 수도 있다.
종래 상기 전극 적층체를 제조하는 방법(10)을 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 제1 전극(11) 상에 분리막(12)을 적층하고 분리막(12) 상에 제2 전극(13)을 적층한 후, 이를 라미네이션 장치(14)에 의해 라미네이션한 후, 커터(15)에 의해 절단함으로써, 유닛셀(16)을 제조한다. 이때, 또한 선택적으로 분리막(12)이 적층되지 않는 제1 전극(11)의 타면에도 다른 분리막(17)이 추가로 적층될 수도 있다.
즉, 종래에는, 각각의 구성으로서 제1 전극(11), 분리막(12) 제2 전극(13)이 순차적으로 별도의 부재로서 적층되고 이후 라미네이션을 통해 유닛셀을 제조하였다. 그러나, 이 경우 분리막과 전극 간의 충분한 접착력 확보를 위해 높은 열과 압력을 이용해야만 한다, 높은 열과 압력은 활물질 깨짐 등의 문제를 발생시켜 결과적으로 이차전지 성능 저하 및 쇼트 불량 등의 수율 저하를 일으키기도 하는 문제가 있다. 또한, 분리막이 충분한 내열성과 강도 등을 확보하기 위해서 분리막 기재에 유무기혼합층을 형성하는 SRS 분리막이 개발되었는데, 이러한 분리막을 별도로 제조하고 적용하는데 공정 시간이 많이 소요되고 비용이 상승하는 등의 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하여 전극과 분리막 간의 접착력 문제를 해결할 수 있으면서도, 별도의 분리막 제조 과정이 필요없는 전극 적층체 제조 기술의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극과 분리막의 라미네이션 공정에서 나타나는 라미네이션 불량에 의한 전극 틀어짐, 분리막 주름에 의한 수율 저하를 방지하기 위해 전극과 분리막으로서의 분리층이 일체화된 전극 적층체의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 물성 조절이 용이하면서도, 전극에 대한 접착력이 우수하고 충분한 내열성과 강도를 가질 수 있는 분리층을 포함하는 전극 적층체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 적층체를 제조하는 방법은,
(a) 제1 전극 상에 PSA(pressure sensitive adhesive) 무용매 잉크를 통기성을 가지는 구조로 코팅, 경화하여 분리층을 형성하는 단계;
(b) 상기 분리층 상에 제2 전극을 적층하는 단계; 및
(c) 상기 제1 전극, 상기 분리층, 및 상기 제2 전극을 라미네이션하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (a)의 PSA 무용매 잉크는, 세라믹 입자; 모노머 및 올리고머로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상; 및 개시제를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 입자는 10nm 내지 500nm의 평균 직경(D50)을 가질 수 있으며, 예를 들어, AlN, BN, BeO, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, 및 SiC로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 모노머는 단관능 모노머, 및/또는 다관능 모노머일 수 있으며, 상세하게는, BA(Butyl acrylate), 2-EHA(2-Ethyl hexyl acrylate), HEA(2-Hydroxyethyl acrylate), SA(stearyl acrylate), MMA(Methyl methacrylate), IBOA(Isobornyl acrylate), IDA(Isodecyl acrylate), LA(Lauryl acrylate), CA(Caprolactone acrylate), 및 BZA(Benzyl acrylate)의 단관능 모노머; TMPTA(Trimethylolpropane triacrylate), PETA(Pentaerythritol triacrylate), TAOEIC(Tris(2-acryloyloxy-ethyl)isocyanurate), GPTA(Glycerine (PO)3 acrylate), 및 THEICTA(Tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate)의 다관능 모노머로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 올리고머는, 예를 들어, HDDA(1,6-hexandiol diacrylate), TCDDA(Tricyclodecane dimethanol diacrylate), PEG200DA(Polyethylene glycol 400 diacrylate), TTEGDA(Tetraethylene glycol diacrylate), TPGDA(Tripropylene glycol diacrylate), DPGDA(Dipropylene glycol diacrylate), 및 TEGDA(Triethylene glycol diacrylate)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 PSA 무용매 잉크는, 세라믹 입자, 단관능 모노머, 다관능 모노머, 올리고머, 및 개시제를 포함하고,
상기 세라믹 입자 10 내지 30중량%, 상기 단관능 모노머 45 내지 65 중량%, 상기 다관능 모노머 10 내지 15중량%, 올리고머 5 내지 10 중량%, 및 개시제 0.1 내지 0.8중량%로 포함할 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 PSA 무용매 잉크는 잉크젯 프린팅에 의해 제1 전극 상에 코팅될 수 있고, 이때, 상기 PSA 무용매 잉크는 상온에서의 점도가 5 내지 100cP일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 PSA 무용매 잉크는 패턴화된 구조를 가지도록 코팅되어 패턴 구조를 가지는 분리층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 분리층은 2층 이상으로 이루어져 있고, 각 분리층은 패턴화된 구조를 가지도록 코팅되며, 각 분리층은 인접하는 분리층의 패턴 구조와 상이한 패턴 구조를 가지도록 코팅될 수 있다.
이러한 상기 분리층은 몇층으로 이루어지는지에 상관없이, 총 두께가 1 내지 5㎛일 수 있고, 총 공극률은 20 내지 60%이고, 공극의 평균 직경(D50)은 0.01 내지 1㎛일 수 있다.
한편, 이와 같이 제1 전극 상에 코팅된 PSA 무용매 잉크의 상기 경화는 LED 램프를 이용한 UV 조사에 의해 수행될 수 있다.
더 나아가, 하나의 구체적인 예에서, 단계 (a)에서 분리층이 형성되지 않는 제1 전극의 타면에는 시트형의 분리막이 적층된 상태이고, 상기 과정(c)는 상기 시트형의 분리막, 상기 제1 전극, 상기 분리층, 및 상기 제2 전극을 라미네이션하며, 상기 전극 적층체의 제조방법은 과정(c) 이후에 상기 시트형의 분리막이 제1 전극 또는 제2 전극에 대응되도록 절단되는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 적층체의 제조방법은, 전극과 분리막으로서의 분리층을 일체화시킬 수 있는 바, 전극과 분리막의 라미네이션 공정에서 나타나는 전극 틀어짐, 분리막의 접힘 등의 문제를 해결하여 전극 수율을 높일 수 있다
또한, 상기와 같이 분리층을 적용하는 경우, 분리층의 모노머, 올리고머, 세라믹 입자, 및 개시제의 종류와 함량 등을 용이하게 조절할 수 있는 바, 목적하는 분리층의 접착력, 강도, 연신율 등의 물성을 확보하기 용이하다.
또한, SRS 분리막과 같은 분리막의 제조가 별도로 필요하지 않으므로, 보다 간단한 방법으로, 전극에 대한 접착력이 우수하고 충분한 내열성과 강도를 가질 수 있는 분리층을 포함하는 전극 적층체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 종래 전극 적층체를 제조하는 방법을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전극 적층체를 제조하는 방법을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패턴 구조를 가지는 분리층을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴 구조를 가지는 분리층이 2층으로 형성된 구성을 도시한 모식도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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 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.
또한, 명세서 전체에서, 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
전극 적층체를 제조하는 방법으로서,
(a) 제1 전극 상에 PSA(pressure sensitive adhesive) 무용매 잉크를 통기성을 가지는 구조로 코팅, 경화하여 분리층을 형성하는 단계;
(b) 상기 분리층 상에 제2 전극을 적층하는 단계; 및
(c) 상기 제1 전극, 상기 분리층, 및 상기 제2 전극을 라미네이션하는 단계;
를 포함하는 전극 적층체 제조 방법이 제공된다.
즉, 종래에는 전극 상에 별도의 부재로서 분리막을 적층시키고 라미네이션 시켜 전극 적층체를 제조하였으나, 본 발명에 따르면, PSA 무용매 잉크를 제1 전극 상에 바로 코팅, 경화하는 방법으로 일체화된 전극 적층체를 제조함으로써, 접착력 향상 및 보다 간단한 방법으로 강도 있는 분리층을 제공할 수 있다.
이때, 상기 단계 (a)의 PSA 무용매 잉크는, 세라믹 입자; 모노머 및 올리고머로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상; 및 개시제를 포함할 수 있다.
상세하게는, 세라믹 입자, 모노머, 올리고머, 및 개시제를 모두 포함할 수 있고, 더욱 상세하게는, 세라믹 입자, 단관능 모노머, 다관능 모노머, 올리고머, 및 개시제를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 세라믹 입자는 10nm 내지 500nm의 평균 직경(D50)을 가질 수 있다.
상기 평균 직경(D50)은 직경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50% 지점에서의 입경으로, 구체적으로 상기 D50은 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 측정 대상 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac S3500)에 도입하여 입자들이 레이저빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다. 측정 장치에 있어서의 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50%가 되는 지점에서의 입자 직경을 산출함으로써, 측정할 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 세라믹 입자가 너무 작은 경우에는, 코팅 공정상 어려움이 있고, 너무 큰 경우에는 코팅층의 두께가 너무 두꺼워지고 코팅이 어렵고, 충분한 강도나 내열성을 확보할 수 없어 분리층으로 작용하기 어렵고, 전극에 대한 접착력이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
이러한 세라믹 입자의 종류는 무기물 입자로서 적용되는 이차 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 이온 전도도가 높고, 밀도가 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, (a) 유전율 상수가 1 이상, 5 이상, 바람직하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, (b) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자, (c) 열전도성 무기물 입자 및 (d) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상이 바람직하며, 구체적으로, AlN, BN, BeO, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, 및 SiC로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
한편, 상기 모노머는 단관능 모노머 및/또는 다관능 모노머를 모두 포함할 수 있고, 상기 모노머 및 올리고머는 상세하게는 에폭시/아크릴계 모노머 또는 올리고머일 수 있다.
상기 에폭시/아크릴레이트계 물질은 에폭시 수지의 성질을 가지므로, 강도, 유연성, 접착력, 경화성 등이 좋고 화학적 저항성이 강하며, 내열성 및 내구성이 좋기 때문에 분리층으로 사용되기 더욱 바람직하다.
상기 모노머는 예를 들어, 단관능 모노머, 및/또는 다관능 모노머일 수 있으며, 상세하게는, BA(Butyl acrylate), 2-EHA(2-Ethyl hexyl acrylate), HEA(2-Hydroxyethyl acrylate), SA(stearyl acrylate), MMA(Methyl methacrylate), IBOA(Isobornyl acrylate), IDA(Isodecyl acrylate), LA(Lauryl acrylate), CA(Caprolactone acrylate), 및 BZA(Benzyl acrylate)등의 단관능 모노머; TMPTA(Trimethylolpropane triacrylate), PETA(Pentaerythritol triacrylate), TAOEIC(Tris(2-acryloyloxy-ethyl)isocyanurate), GPTA(Glycerine (PO)3 acrylate), 및 THEICTA(Tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate) 등의 다관능 모노머에서 선택될 수 있다.
상기 올리고머는 예를 들어, HDDA(1,6-hexandiol diacrylate), TCDDA(Tricyclodecane dimethanol diacrylate), PEG200DA(Polyethylene glycol 400 diacrylate), TTEGDA(Tetraethylene glycol diacrylate), TPGDA(Tripropylene glycol diacrylate), DPGDA(Dipropylene glycol diacrylate), 및 TEGDA(Triethylene glycol diacrylate) 등에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 모노머와 올리고머의 중합을 개시하는 상기 개시제는 광경화 개시제로서, 아세토페논계 화합물, 비이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물, 옥심계 화합물, 벤조인계 화합물, 히드록시케톤계 화합물, 아미노케톤계 화합물 또는 포스핀옥시드계화합물 등과 같이, UV 등의 조사에 의해 라디칼을 발생시켜 광중합을 개시시킬 수 있는 일반적인 개시제를 제한 없이 사용할 수 있다.
이러한 개시제의 구체적인 물질은 당업계에 개시되어 있으므로, 본 발명에서 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 이러한 세라믹 입자, 모노머, 올리고머, 및 개시제의 함량 역시 상기 분리층의 물성에 영향을 주기 때문에 그 함량 역시 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 세라믹 입자는 PSA 무용매 잉크 전체 중량을 기준으로 10 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 10 중량% 미만일 경우, 모노머 및 올리고머의 함량이 지나치게 많게 되어 세라믹 입자들 사이에 형성되는 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 리튬 이온의 이동성이 저하될 수 있는 바, 분리막으로 적합하지 않고, 반대로, 30 중량%를 초과할 경우, 입자의 접착력 약화로 인해 최종 분리층의 기계적 물성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
한편, 상기 개시제는 PSA 무용매 잉크 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 0.8 중량%로 포함될 수 있다.
개시제가 상기 범위를 벗어나 너무 적은 경우, 경화가 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 너무 많이 포함되는 경우에는 접착력이 저하되는 등 소망하는 물성의 분리층을 얻을 수 없으므로, 바람직하지 않다.
더욱 구체적으로, 상기 PSA 무용매 잉크가, 세라믹 입자, 단관능 모노머, 다관능 모노머, 올리고머, 및 개시제를 포함하는 경우, 상기 세라믹 입자 10 내지 30중량%, 상기 단관능 모노머 45 내지 65 중량%, 상기 다관능 모노머 10 내지 15중량%, 올리고머 5 내지 10 중량%, 및 개시제 0.1 내지 0.8중량%로 포함될 수 있다.
상기 단관능 모노머의 경우, 분리층의 접착력과 연신율 확보를 위해 사용될 수 있고, 상기 다관능 모노머의 경우, 경화 후 분리층의 수축률과 강도를 확보하기 위해 사용될 수 있으며, 상기 올리고머는 PSA 무용매 잉크의 점도를 확보하고 분리층의 강도 및 연신율을 높이기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 상기 범위를 벗어나 단관능 모노머의 함량이 작거나, 상대적으로 다관능 모노머 및 올리고머의 함량이 너무 많은 경우에는 충분한 접착력과 연신율을 확보할 수 없고, 반면, 단관능 모노의 함량이 많고 상대적으로 다관능 모노머의 함량 또는 올리고머 함량이 너무 적은 경우에는 충분한 강도를 얻을 수 없어 바람직하지 않다.
한편, 상기 PSA 무용매 잉크는, 말 그대로 무용매 잉크이며, 별도의 상기 세라믹 입자, 모노머, 및 올리고머, 개시제 등을 분산시키기 위한 용매를 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 PSA 무용매 잉크를 제1 전극 상에 코팅하기 위한 방법이 필요하며, 이에 대해 하기에서 서술한다.
구체적으로, 상기 PSA 무용매 잉크는 제1 전극 상에 코팅되고, 경화되어 분리층을 형성하고, 이후 상기 분리층 상에 제2 전극을 적층한 후 라미네이션 함으로써 전극 적층체가 제조된다.
도 2에는 이러한 전극 적층체의 제조방법(100)을 설명하기 위한 모식도가 도시되어 있다.
하기 도 2를 참조하면, 먼저 제1 전극(110)은 커터(111)에 의해 단위 전극으로 절단되고, 이러한 절단된 제1 전극(110) 상에 PSA 무용매 잉크(121)가 코팅된다.
이때 PSA 무용매 잉크(121)를 제1 전극 상에 코팅하는 방법은 한정되지 아니하나, 적절히 PSA 무용매 잉크(121)를 코팅하기 위해, 상세하게는 잉크젯 프린팅에 의해 코팅될 수 있다.
이러한 잉크젯 프린팅의 방법을 사용하는 경우, 토출양이 수 피코리터까지 조절이가능하므로, 적층되는 분리막의 공극률 조절, 공극의 사이즈를 구현하기 용이하고, 이후 설명하는 패턴 구조의 크기 조절에도 용이하므로 바람직하다.
따라서, 이러한 잉크젯 프린팅 등의 방법으로, PSA 무용매 잉크(121)를 원활하게 토출하기 위한 PSA 무용매 잉크(121)의 점도는 상온에서의 점도가 5 내지 100cP, 상세하게는 8 내지 50cp, 더욱 상세하게는 10 내지 20cp일 수 있다.상기 점도는 상기 PSA 무용매 잉크를 25℃에서 Brookfield DV2T LV TJ10 모델 장비를 사용했으며, 해당모델의 spindle부분을 cone과 plate로 교체하여 CPA-40Z cone을 적용해 10rpm 조건에서 측정하였다.
상기 범위를 벗어나, 점도가 너무 낮은 경우에는 제1 전극 상에 적절한 양으로 코팅하는 것이 어렵고, 너무 높은 경우에는 토출이 불가한 바, 바람직하지 않다.
또한, 상기 분리층(120)은 패턴화된 구조를 가질 수 있는 바, 이러한 PSA 무용매 잉크(121)가 패턴 코팅될 수 있다. 도 3에는 이러한 패턴 구조의 일 실시예를 도시하였다.
이러한 패턴의 구조는 한정되지 아니하고 다양하게 적용될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 도트(dot)와 같은 형태의 패턴 코팅이 이루어질 수도 있고, 도 3에서 도시한 바와 같이 선형의 패턴코팅이 이루어질 수도 있다.
또한, 분리층은 2층 이상으로 이루어져 있고, 각 분리층은 패턴화된 구조를 가지며, 각 분리층은 인접하는 분리층의 패턴 구조와 상이한 패턴 구조를 가질 수 있다.
이러한 구성에 대한 이해가 용이하도록 도 4에는 2층의 분리층들(120, 120a)이 형성된 구성을 도시하였다.
도 4를 참조하면, 제1 전극(110)상에 먼저 1층의 분리층(120)이 일정한 선형의 패턴 구조를 가지도록 형성되고, 이후에 2층의 분리층(120a)이 1층의 분리층(120)과 상이하게 다른 각도로 선형의 패턴 구조를 가지도록 형성된다.
도면에는 1층 및 2층의 분리층이 형성되는 구성만 도시하였으나, 3층 이상의 분리층을 형성할 수도 있음은 물론이다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 이와 같이 잉크젯 프린팅에 의해 PSA 무용매 잉크(121)를 제1 전극(110) 상에 코팅한 후에는 경화과정을 거쳐 특성 물성을 가지는 분리층(120)을 형성한다.
상기 경화는 상기에서 설명한 바와 같이, UV 조사(122)에 의해 수행될 수 있고 구체적으로, LED 램프를 이용한 UV 조사(122)에 의해 수행될 수 있다.
상기 경화에 의해 PSA 무용매 잉크의 코팅 면적에 비해 수축이 발생하는데, 이때 원 면적 대비 수축된 면적의 비율인 수축률은 3% 미만일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 수축률이 너무 큰 경우에는 분리층의 충분한 강도를 확보하지 못할 뿐 아니라 분리층으로서의 기능을 적절히 수행하기 어려우므로 바람직하지 않다.
상기 경화 후 수축률(%)은 PSA 무용매 잉크 코팅 넓이 대비 경화 후 넓이를 측정하여 (코팅 넓이 - 경화 후 넓이)/코팅 넓이 ×100으로 계산할 수 있다.
이와 같이 형성된 분리층(120)은 그 총 두께가 1 내지 5㎛, 상세하게는 2 내지 4㎛일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 분리층이 너무 얇은 경우, 분리층으로서의 역할을 충분히 수행할 수 없고, 너무 두꺼운 경우에는 이차전지의 전체 부피가 증가할 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 분리층이 2층 이상인 경우, 각 분리층의 두께는 3㎛ 미만인 것이 바람직하다.
상기 분리층의 총 공극률은 20 내지 60%이고, 공극의 평균 직경(D50)은 0.01㎛ 내지 1㎛일 수 있다.
따라서, 2층 이상으로 분리층을 형성하는 경우에는 패턴 구조의 간격이나, 형상 등을 조절하여 상기 범위를 만족하도록 조절할 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 공극률이 너무 작거나, 공극의 평균 직경(D50)이 너무 작은 경우에는 이온 전달 능력이 떨어져 이온 전도도가 낮아지며, 공극률 또는 공극의 평균 직경(D50)이 너무 큰 경우에는 분리층의 강도가 약해질 수 있는 바, 바람직하지 않다.
상기 분리층의 공극률은 형성한 분리층의 상면을 SEM 사진으로 촬영하여, 공극이 차지하는 면적을 전체 면적으로 나눈 백분율값이며, 상기 공극의 평균 직경은, 분리층의 상면의 SEM 사진을 바탕으로, 임의로 20개의 공극의 직경을 측정하여 이의 평균을 구한 값이다.
다시 도 2를 참조하면, 이와 같이 경화까지 수행하여 특정 물성을 가지는 분리층(120)을 형성한 후에는, 분리층(120) 상에 제2 전극(130)이 커터(131)에 의해 단위 전극으로 절단된 상태로 적층된다.
이후, 제1 전극(110), 분리층(120), 및 제2 전극(130)은 라미네이션 롤(140)에 의해 라미네이션 됨으로써 전극 적층체(160)를 형성한다.
한편, 도 2에서와 같이, 분리층(120)이 형성되지 않는 제1 전극(110)의 타면에는 시트형의 분리막(170)이 적층된 상태로 제1 전극(110)이 공급될 수 있다.
이때, 상기 라미네이션은 시트형의 분리막(170), 제1 전극(110), 분리층(120) 및 제2 전극(130)이 모두에 대해서 수행될 수 있으며, 이 경우, 전극 적층체의 제조방법(100)은 라미네이션 이후에 시트형의 분리막(170)이 전극들(110, 130)에 대응되도록 커터(150)에 의해 절단되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 전극 적층체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 제1 전극 상에 PSA(pressure sensitive adhesive) 무용매 잉크를 통기성을 가지는 구조로 코팅, 경화하여 분리층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 분리층 상에 제2 전극을 적층하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 전극, 상기 분리층, 및 상기 제2 전극을 라미네이션하는 단계;
    를 포함하는 전극 적층체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)의 PSA 무용매 잉크는, 세라믹 입자; 모노머 및 올리고머로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상; 및 개시제를 포함하는 전극 적층체 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 입자는 10nm 내지 500nm의 평균 직경(D50)을 가지는 전극 적층체 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 입자는 AlN, BN, BeO, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, 및 SiC로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 전극 적층체 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 모노머는 BA(Butyl acrylate), 2-EHA(2-Ethyl hexyl acrylate), HEA(2-Hydroxyethyl acrylate), SA(stearyl acrylate), MMA(Methyl methacrylate), IBOA(Isobornyl acrylate), IDA(Isodecyl acrylate), LA(Lauryl acrylate), CA(Caprolactone acrylate), 및 BZA(Benzyl acrylate)의 단관능 모노머; TMPTA(Trimethylolpropane triacrylate), PETA(Pentaerythritol triacrylate), TAOEIC(Tris(2-acryloyloxy-ethyl)isocyanurate), GPTA(Glycerine (PO)3 acrylate), 및 THEICTA(Tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate triacrylate)의 다관능 모노머로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 전극 적층체 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 올리고머는 HDDA(1,6-hexandiol diacrylate), TCDDA(Tricyclodecane dimethanol diacrylate), PEG200DA(Polyethylene glycol 400 diacrylate), TTEGDA(Tetraethylene glycol diacrylate), TPGDA(Tripropylene glycol diacrylate), DPGDA(Dipropylene glycol diacrylate), 및 TEGDA(Triethylene glycol diacrylate) 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 전극 적층체 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 PSA 무용매 잉크는, 세라믹 입자, 단관능 모노머, 다관능 모노머, 올리고머, 및 개시제를 포함하고,
    상기 세라믹 입자 10 내지 30중량%, 상기 단관능 모노머 45 내지 65 중량%, 상기 다관능 모노머 10 내지 15중량%, 올리고머 5 내지 10 중량%, 및 개시제 0.1 내지 0.8중량%로 포함되는 전극 적층체 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 PSA 무용매 잉크는 잉크젯 프린팅에 의해 제1 전극 상에 코팅되는 전극 적층체 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PSA 무용매 잉크는 상온에서의 점도가 5 내지 100cP인 전극 적층체 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은 패턴화된 구조를 가지는 전극 적층체의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은 2층 이상으로 이루어져 있고, 각 분리층은 패턴화된 구조를 가지며, 각 분리층은 인접하는 분리층의 패턴 구조와 상이한 패턴 구조를 가지는 전극 적층체의 제조 방법.
  12. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 분리층은 총 두께가 1 내지 5㎛인 전극 적층체의 제조 방법.
  13. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 분리층의 총 공극률은 20 내지 60%이고, 공극의 평균 직경(D50)은 0.01㎛ 내지 1㎛인 전극 적층체의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 경화는 LED 램프를 이용한 UV 조사에 의해 수행되는 전극 적층체의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 분리층이 형성되지 않는 제1 전극의 타면에는 시트형의 분리막이 적층된 상태이고,
    상기 과정(c)는 상기 시트형의 분리막, 상기 제1 전극, 상기 분리층, 및 상기 제2 전극을 라미네이션하며,
    상기 전극 적층체의 제조방법은 과정(c) 이후에 상기 시트형의 분리막이 제1 전극 또는 제2 전극에 대응되도록 절단되는 단계를 더 포함하는 전극 적층체 제조 방법.
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