KR20230012439A - 전극 - Google Patents

전극 Download PDF

Info

Publication number
KR20230012439A
KR20230012439A KR1020220087346A KR20220087346A KR20230012439A KR 20230012439 A KR20230012439 A KR 20230012439A KR 1020220087346 A KR1020220087346 A KR 1020220087346A KR 20220087346 A KR20220087346 A KR 20220087346A KR 20230012439 A KR20230012439 A KR 20230012439A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
electrode
material layer
insulating layer
composition
Prior art date
Application number
KR1020220087346A
Other languages
English (en)
Inventor
이응주
양승기
정예은
윤성필
박효석
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to US18/272,093 priority Critical patent/US20240145722A1/en
Priority to PCT/KR2022/010348 priority patent/WO2023287240A1/ko
Priority to JP2023539040A priority patent/JP2024500503A/ja
Publication of KR20230012439A publication Critical patent/KR20230012439A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/10—Storage, supply or control of liquid or other fluent material; Recovery of excess liquid or other fluent material
    • B05C11/1002—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves
    • B05C11/1005—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves responsive to condition of liquid or other fluent material already applied to the surface, e.g. coating thickness, weight or pattern
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H01M4/623—Binders being polymers fluorinated polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 출원은 전극, 전극의 제조 방법 및 전극의 용도를 제공할 수 있다. 본 출원에서는, 전극의 집전체층에서 활물질층과 중첩되어 형성되는 절연층이 전극에서 요구되는 절연성을 효과적으로 확보하면서, 상기 펫 엣지 부위를 형성하지 않는 전극을 제공할 수 있다. 또한, 본 출원에서는, 전극 설계 모델이 변경되는 경우에도 해당 변경에 유연하게 대처하여 전술한 전극을 제조할 수 있는 제조 방법도 제공할 수 있다. 또한, 본 출원은 상기 전극의 용도를 제공할 수 있다.

Description

전극{Electrode}
본 출원은 2021년 7월 15일자 출원된 대한민국 특허 출원 제10-2021-0092788호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 전극, 전극의 제조 방법 및 상기 전극의 용도에 관한 것이다.
모바일 기기 또는 전기 자동차 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 2차 전지의 수요가 증가하고 있다.
이에 따라 상기 수요에 부응할 수 있도록 많은 연구가 진행되고 있다.
2차 전지는, 일반적으로 양극 및 음극이 세퍼레이터(separator) (분리막)를 사이에 두고 적층된 전극 조립체와 전해질을 포함하고, 상기 전극 조립체와 전해질은 외장재에 수납된다.
2차 전지는 외장재의 형상에 따라 캔형, 각형 및 파우치형으로 구분될 수 있다.
2차 전지에서 주요한 연구과제 중 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 2차 전지의 안전성과 관련된 사고는 다양한 요인으로 발생하는데, 그 중 대표적인 요인은 상기 양극과 음극 사이에서 발생하는 단락 현상이다.
정상 상황에서는 상기 양극와 음극 사이에 세퍼레이터가 전기적 절연을 달성한다. 그런데, 2차 전지의 과충전이나 과방전, 전극 재료의 수지상 성장(dendritic growth), 이물에 의해 내부 단락 또는 못 등의 예리한 물체가 전지를 관통하는 등의 비정상적인 상황에서는 세퍼레이터에 의한 전기적 절연이 손상되고, 이에 의해 안정성의 문제가 발생한다.
예를 들면, 2차 전지가 고온에 노출되면, 상기 세퍼레이터의 수축 등으로 단락 현상이 발생할 수 있다. 또한, 일반적으로 2차 전지의 제조를 위해서는, 여러 장의 양극과 음극이 적층되는데, 상기 적층 과정에서 양극과 음극의 가장 자리의 예리한 부분에 의해서 미세한 내부 단락이 발생할 수 있다.
이러한 점을 고려하여 2차 전지의 내부 또는 외부 문제로 인한 양극 및 음극 사이의 단락을 방지하여, 안전성을 확보하기 위한 다양한 시도가 존재한다.
예를 들어, 특허문헌 1은, 집전체층상의 활물질층과 일부 영역에서 중첩되도록 절연층을 형성한 전극을 사용하여 절연성을 확보하는 방법을 개시하고 있다.
그런데, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 활물질층과 절연층을 일부 영역에서 중첩시키는 경우에 상기 중첩 부위의 두께가 상기 활물질층의 두께 대비 두꺼워지는 현상이 자주 발생하고, 이러한 경우에 상기 중첩 부위는 소위 팻 엣지(fat edge)라고도 불린다.
이러한 팻 엣지가 존재하면, 전극의 제조 과정 중 압연 공정에서 집전체층에 손상이 발생되고, 이로 인해 안전상의 문제가 발생될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 양극과 음극을 복수 적층하는 과정이나 양극과 음극을 분리막을 사이에 두고 적층하는 과정에서 상기 팻 엣지 부위는 다른 전극이나 분리막에 손상을 줄 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 절연층을 가급적 얇게 형성하는 방법을 생각할 수 있다. 그렇지만, 이러한 경우에 절연층에 의한 절연 효과가 크게 저하된다. 또한, 절연층을 얇게 형성하는 경우에 절연층과 활물질층의 중첩 부위에서 집전체층이 노출될 수도 있다. 또한, 절연층과 활물질층의 두께 편차가 지나치게 커지면 압연 공정에서의 효율도 저하될 수 있다.
따라서, 절연성을 확보할 수 있는 적절한 두께를 가지면서도 상기 팻 엣지 부위를 형성하지 않도록 전극의 절연층이 구성될 필요가 있다.
집전체층 상에 형성되는 활물질층의 말단은 통상 소위 슬라이딩 부위라고 불리는, 경사면이 존재하고, 절연층은 상기 경사면과 중첩되는 경우가 많기 때문에, 요구되는 절연층의 두께는 활물질층과 절연층의 중첩되는 영역에 영향을 받을 수 있다. 활물질층의 두께는 활물질층용 조성물(슬러리)의 로딩양에 따라서도 변하기 때문에, 이에 따라 요구되는 절연층의 두께도 변하게 된다.
다양한 수요로 인해 전극 설계 모델이 수시로 변경되는 경우가 많아서, 공정별로 활물질층용 조성물의 로딩양도 달라진다. 따라서, 공정별로 적절한 절연층의 두께를 확보하는 것은 쉽지 않은 과제이다.
국제공개공보 제WO2014/142458호
본 출원은 전극, 전극의 제조 방법 및 전극의 용도를 제공할 수 있다. 본 출원에서는, 전극의 집전체층에서 활물질층과 중첩되어 형성되는 절연층이 전극에서 요구되는 절연성을 효과적으로 확보하면서, 상기 펫 엣지 부위를 형성하지 않는 전극을 제공할 수 있다. 또한, 본 출원에서는, 전극 설계 모델이 변경되는 경우에도 해당 변경에 유연하게 대처하여 전술한 전극을 제조할 수 있는 제조 방법도 제공할 수 있다.
또한, 본 출원은 상기 전극의 용도를 제공할 수 있다.
본 출원에서 용어 상온은 가열 및 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 또는 약 15℃이상, 약 18℃이상, 약 20℃이상 또는 약 23℃이상이면서, 약 27℃이하인 온도 또는 약 25℃를 의미할 수 있다. 본 출원에서 언급하는 물성 중 측정 온도가 그 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 물성이고, 특별히 달리 규정하지 않는 한 본 출원에서의 온도의 단위는 섭씨(℃)이다.
본 출원에서 용어인 상압은 가압 및 감압되지 않은 자연 그대로의 압력을 의미하고, 통상 약 1 기압(atm) 정도의 압력을 의미할 수 있다. 또한, 본 출원에서 언급하는 물성 중 측정 압력이 그 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상압에서 측정한 물성이다.
본 출원에서 다수 측정되었다는 것의 의미는 통계적으로 유의미한 데이터를 도출하기 위해서 적어도 3회 이상, 4회 이상, 5 회 이상, 6 회 이상, 7 회 이상, 8 회 이상, 9 회 이상 또는 10 회 이상으로 어떤 물성 내지 관계가 측정된 것을 의미할 수 있다. 또한, 다수 측정은 통계적으로 유의미한 데이터를 도출하기 위해서 측정 대상(예를 들면, 층의 두께 및 중첩 영역의 길이 등)을 변경하여 가면서 측정을 수행한 것을 의미할 수 있다.
본 출원에서 통계적으로 유의미하다는 것은 측정 결과(데이터)로 추세선(또는 추세 곡선)을 그렸을 때 R2 값이 0.9 이상, 0.91 이상, 0.92 이상, 0.93 이상, 0.94 이상, 0.95 이상, 0.96 이상, 0.97 이상 또는 0.98 이상인 경우를 의미할 수 있다. 본 출원에서 상기 R2 값(R squared value)은 통계 분석 시 사용하는 결정 계수(coefficient of determination)이다.
본 출원은 전극에 대한 것이다. 본 출원에서 상기 전극은 소위 음극(anode)이거나, 양극(cathode)일 수 있다.
본 출원의 전극은, 집전체층, 전극 활물질층(단순히 활물질층이라고 호칭할 수 있다.) 및 절연층을 포함할 수 있다.
상기 활물질층 및/또는 절연층은, 상기 집전체층의 일면 상에만 형성되거나, 상기 집전체층의 양면 모두에 형성될 수 있다.
상기에서 집전체층으로는, 특별한 제한 없이 통상적으로 양극 또는 음극용의 집전체층으로 사용되는 것을 사용할 수 있다.
상기 양극 집전체층은 2차 전지 등 적용 장치에서 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 그 종류, 크기 및 형상 등이 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 양극 집전체층으로는 예를 들면, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 양극용 집전체층의 표면에 미세한 요철을 형성함으로써 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 또한, 상기 양극용 집전체층은, 통상 3μm 내지 500 μm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
상기 음극 집전체층도 2차 전지 등 적용 장치에서 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 그 종류, 크기 및 형상 등이 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 음극 집전체층으로는 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. 또한, 양극 집전체층과 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극용 집전체층은, 통상 3μm 내지 500 μm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
상기 활물질층은 활물질층용 조성물로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 활물질층은, 상기 조성물에 포함되는 성분을 포함할 수 있다.
상기 활물질층용 조성물 또는 활물질층은 전극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 전극 활물질의 구체적인 종류에는 특별한 제한은 없고, 통상 양극 또는 음극을 형성하는 물질을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 활물질층이 양극 활물질층인 경우에는, 상기 활물질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3 또는 LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, 또는 Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표시되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 리튬 니켈 코발트 망간(NCM) 복합 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 알루미늄(NCMA) 복합 산화물 및 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등이 예시될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활물질층이 음극 활물질층인 경우에는, 상기 활물질은, 예를 들면, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si 합금, Sn 합금 또는 Al 합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 탄소 재료로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화 탄소(soft carbon) 및 경화 탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 활물질은 활물질층용 조성물에서 상기 조성물 전체 중량 대비 약 80 중량% 내지 99.5 중량%의 범위 내 또는 88 중량% 내지 99 중량%의 범위 내로 포함될 수 있지만, 함량이 상기에 제한되는 것은 아니다.
상기 활물질층용 조성물 또는 활물질층은 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 상기 바인더는 활물질 간의 부착 및 활물질층용과 집전체층 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 활물질용 바인더의 예는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 스타이렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 카르복실 메틴 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butylate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethyl polyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethyl sucrose), 플루란(pullulan), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리아릴레이트(polyarylate) 및 분자량10,000g/mol 이하의 저분자 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되어 사용될 수 있다.
통상적으로 폴리비닐리덴플로라이드나 스타이렌부타디엔 고무 등이 사용될 수 있다.
상기 활물질용 바인더가 폴리비닐리덴플로라이드를 포함하는 경우, 상기 폴리비닐리덴플로라이드는 전술한 활물질층과의 접착력 향상 및 목적하는 점도 확보 측면에서 중량평균분자량이 400,000 g/mol 내지 1,500,000 g/mol 또는 600,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol의 범위 내일 수 있다. 여기서, 중량평균분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 상기 폴리비닐리덴플로라이드는 용해도 향상을 위해 녹는점이 150℃내지 180℃또는 165℃내지 175℃일 수 있다. 여기서, 녹는점은 시차 주사 열량 분석기(DSC)를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 활물질용 바인더는 상기 활물질 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 10 중량부 또는 0.5 중량부 내지 5 중량부의 범위 내로 포함될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 활물질층용 조성물 또는 활물질은 도전재를 추가로 포함할 수 있다. 상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브(CNT) 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 도전재는 활물질 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 20 중량부 또는 0.3 중량부 내지 10 중량부 내로 포함될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 활물질층용 조성물은 분산 용매를 추가로 포함할 수 있다. 분산 용매는 전극의 제조 과정에서 건조에 의해 대부분 제거되기 때문에, 활물질층에는 포함되지 않거나, 소량으로 포함된다. 상기 분산 용매로는 통상적인 종류를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 이소프로필 알콜, N-메틸피롤리돈(NMP) 및/또는 아세톤 등을 사용할 수 있다.
상기 전극에서 상기 전극 활물질층과 상기 절연층은, 상기 집전체층의 표면 법선 방향에 수직한 방향을 따라서 나란히 형성되어 있으면서, 서로 중첩되는 부위를 형성하고 있을 수 있다.
즉, 상기 절연층은 활물질층과 적어도 일부 영역에서 중첩되어 형성될 수 있다. 이러한 중첩 부위의 형성을 통해서 집전체층의 노출을 최소화하고, 양극과 음극이 접촉하여 발생하는 단락 현상 등을 방지하여, 전극 및 그를 포함하는 전지 등의 품질과 안정성을 개선시킬 수 있다.
상기 절연층은 절연층용 조성물을 사용하여 형성할 수 있다.
따라서, 상기 절연층은 상기 조성물에 포함되는 성분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 절연층용 조성물 또는 절연층은, 바인더를 포함할 수 있다. 상기 절연층용 바인더는 절연층용 조성물 전체 중량 대비 약 30 중량% 내지 70 중량% 또는 약 40 중량% 내지 60 중량% 범위 내로 포함될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 절연층용 바인더는 예를 들면 절연층과 집전체층 및/또는 활물질층과 결착성을 부여하는 성분일 수 있다. 상기 절연층용 바인더로는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 스타이렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber), 스타이렌부타디엔 라텍스(styrene butadiene latex), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 카르복실 메틴 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butylate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethyl polyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethyl sucrose), 플루란(pullulan), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리아릴레이트(polyarylate) 및 분자량 10,000g/mol 이하의 저분자 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층에 적용되는 바인더로는, 접착성, 내화학성 및 전기화학적 안정성 측면과 후술하는 두께 관계의 절연층을 형성하기 효율적이라는 측면에서 스타이렌부타디엔 고무 및/또는 스타이렌부타디엔 라텍스 등을 사용할 수 있다.
상기 절연층용 바인더가 스타이렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber) 및/또는 스타이렌부타디엔 라텍스(styrene butadiene latex)를 포함하는 경우, 전술한 활물질층과의 접착력 향상 및 목적하는 점도 확보 측면에서 시차 주사 열량 분석법에 의한 이들의 유리전이온도가 -40℃이상, -37.5℃이상, -35℃이상, -32.5℃이상 또는 -30℃이상일 수 있고, 다른 예시에서 상기 유리전이온도는 -5℃이하, -7.5℃이하 또는 -10℃이하일 수 있다. 상기 유리전이온도는 시차 주사 열량 분석기(DSC)를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 절연층용 바인더로는 상기 활물질층용 바인더와 동일한 화합물을 사용할 수도 있다. 이 경우, 활물질층 및 절연층의 중첩 영역에서 결착력이 더욱 향상될 수 있고, 이로 인해 제품의 안정성, 접착력과 밀착력 및 공정성이 향상될 수 있다.
일 예시에서 상기 절연층용 조성물 또는 절연층은 착색제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 절연층에 포함되는 착색제는 분산 염료, 안료 및 유기 형광체로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 것일 수 있다. 상기 착색제는 검출 장치를 통해 절연층 형성 또는 정렬 위치를 확인하기 위해서, 상기 절연층 내에 포함될 수 있다.
상기 착색제는 상기 절연층용 바인더 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 10 중량부 또는 0.5 중량부 내지 5 중량부 내로 포함될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분산 염료는 특별히 한정되지 않고 공지된 것을 사용할 수 있다. 분산 염료로는 벤젠 아조계(모노아조, 디스아조), 헤테로 고리 아조계(티아졸 아조, 벤조티아졸 아조, 피리돈아조, 피라졸론아조, 티오펜 아조 등), 안트라퀴논계 및 축합계(퀴노프탈론, 스티릴, 쿠마린 등) 등이 예시될 수 있다.
하나의 예시에서 본 출원에 적용되는 분산 염료는 하기와 같이 예시될 수 있다.
C.I.Disperse Yellow 3, 4, 5, 7, 9, 13, 24, 30, 33, 34, 42, 44, 49, 50, 51, 54, 56, 58, 60, 63, 64, 66, 68, 71, 74, 76, 79, 82, 83, 85, 86, 88, 90, 91, 93, 98, 99, 100, 104, 114, 116, 118, 119, 122, 124, 126, 135, 140, 141, 149, 160, 162, 163, 164, 165, 179, 180, 182, 183, 186, 192, 198, 199, 202, 204, 210, 211, 215, 216, 218, 224 등의 황색 염료; C.I.Disperse Orange 1, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 20, 21, 25, 29, 30, 31, 32, 33, 37, 38, 42, 43, 44, 45, 47, 48, 49, 50, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 61, 66, 71, 73, 76, 78, 80, 89, 90, 91, 93, 96, 97, 119, 127, 130, 139, 142 등의 주황색 염료; C.I.Disperse Red 1, 4, 5, 7, 11, 12, 13, 15, 17, 27, 43, 44, 50, 52, 53, 54, 55, 56, 58, 59, 60, 65, 72, 73, 74, 75, 76, 78, 81, 82, 86, 88, 90, 91, 92, 93, 96, 103, 105, 106, 107, 108, 110, 111, 113, 117, 118, 121, 122, 126, 127, 128, 131, 132, 134, 135, 137, 143, 145, 146, 151, 152, 153, 154, 157, 159, 164, 167, 169, 177, 179, 181, 183, 184, 185, 188, 189, 190, 191, 192, 200, 201, 202, 203, 205, 206, 207, 210, 221, 224, 225, 227, 229, 239, 240, 257, 258, 277, 278, 279, 281, 288, 289, 298, 302, 303, 310, 311, 312, 320, 324, 328 등의 적색 염료; C.I.Disperse Violet 1, 4, 8, 23, 26, 27, 28, 31, 33, 35, 36, 38, 40, 43, 46, 48, 50, 51, 52, 56, 57, 59, 61, 63, 69, 77 등의 보라색 염료; C.I.Disperse Green 6:1, 9 등의 녹색 염료; C.I.Disperse Brown 1, 2, 4, 9, 13, 19 등의 갈색 염료; C.I.Disperse Blue 3, 7, 9, 14, 16, 19, 20, 26, 27, 35, 43, 44, 54, 55, 56, 58, 60, 62, 64, 71, 72, 73, 75, 79, 81, 82, 83, 87, 91, 93, 94, 95, 96, 102, 106, 108, 112, 113, 115, 118, 120, 122, 125, 128, 130, 139, 141, 142, 143, 146, 148, 149, 153, 154, 158, 165, 167, 171, 173, 174, 176, 181, 183, 185, 186, 187, 189, 197, 198, 200, 201, 205, 207, 211, 214, 224, 225, 257, 259, 267, 268, 270, 284, 285, 287, 288, 291, 293, 295, 297, 301, 315, 330, 333 등의 청색 염료; C.I.Disperse Black 1, 3, 10, 24 등의 흑색 염료 등을 사용할 수 있다.
상기 안료는 특별히 한정되지 않고 공지된 것을 사용할 수 있다. 유기안료로는 예를 들면 용성 아조안료, 불용성 아조안료, 축합 아조안료 등의 아조안료, 키나크드린 안료, 페릴렌 안료, 펠리논 안료, 이소인돌리논 안료, 이소인돌린 안료, 디옥사진 안료, 티오인디고 안료, 안트라퀴논 안료, 퀴노프탈론 안료, 금속 착체 안료, 디케토피롤로피롤 안료 등의 다환식 안료, 프탈로시아닌 안료 등을 들 수 있다. 또한 무기 안료로는 카본 블랙, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 황화물, 금속 페로시안화물, 금속염화물 등을 들 수 있어 또한 카본 블랙으로는 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 아세틸렌 블랙, 채널 블랙 등을 들 수 있다.
본 출원에 사용할 수 있는 안료는 하기와 같이 예시될 수 있다.
C.I.Pigment Red 7, 9, 14, 41,48:1,48:2,48:3,48:4,81:1,81:2,81:3, 122, 123, 146, 149, 168, 177, 178, 179, 187, 200, 202, 208, 210, 215, 224, 254, 255, 264 등의 적색 안료; C.I.Pigment Yellow 1, 3, 5, 6, 14, 55, 60, 61, 62, 63, 65, 73, 74, 77, 81, 93, 97, 98, 104, 108, 110, 128, 138, 139, 147, 150, 151, 154, 155, 166, 167, 168, 170, 180, 188, 193, 194, 213 등의 황색 안료; C.I.Pigment Orange 36, 38, 43 등의 주황색 안료; C.I.Pigment Blue 15,15:2,15:3,15:4,15:6, 16, 22, 60 등의 청색 안료; C.I.Pigment Green 7, 36, 58 등의 녹색 안료; C.I.Pigment Violet 19, 23, 32, 50 등의 보라색 안료; C.I.Pigment Black 7 등의 흑색 안료를 들 수 있다. 이들 중(안)에서도 C.I.Pigment Red 122, C.I.Pigment Yellow 74, 128, 155, C.I.Pigment Blue 15:3,15:4,15:6, C.I.Pigment Green 7, 36, C.I.Pigment Violet 19, C.I.Pigment Black 7 등을 사용할 수 있다.
상기 유기 형광체는 예를 들면 카복실기 및/또는 포스페이트기를 갖는 유기 형광체일 수 있다.
상기 유용성 염료로는 벤즈이미다졸론(benzimidazolone)계 화합물, 아조(azo)계 화합물, 퀴노프탈론(quinophthalone)계 화합물, 퀴나크리돈(quinacridone)계 화합물, 프탈로시아닌(phthalocyanine)계 화합물, DPP(Diketo-Pyrrolo-Pyrrole)계 화합물, 이들의 2 이상의 조합 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 인식성 향상 측면에서 벤즈이미다졸론계 화합물, 아조계 화합물, 이들의 2 이상의 조합 등을 사용할 수 있다.
상기 착색제는 금속 이온을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 착색제는 금속 이온과 착염(complex salt) 구조를 형성한 분산 염료, 안료 및/또는 유기 형광체를 포함할 수 있다. 상기 분산 염료, 안료 및/또는 유기 형광체는 상기 금속 이온과 착염된 구조를 가짐으로써, 용매에 대한 용해성 또는 분산성을 높이고, 내광 안정성 및 내열성을 향상시킬 수 있다.
상기 금속 이온은 착염 구조를 형성할 수 있는 금속 이온이라면 특별하게 제한되지 않으며, 예를 들면 구리, 코발트, 크롬, 니켈 및/또는 철의 이온, 바람직하게는 크롬 이온을 포함할 수 있다.
상기 절연층용 조성물 또는 절연층은 세라믹 물질(세라믹)을 포함할 수 있다. 일 예시에서 상기 세라믹은 상기 바인더와 함께 포함될 수 있다. 이러한 경우, 상기 세라믹 물질은 상기 절연층용 바인더 100 중량부 대비 50 중량부 내지 200 중량부 또는 75 중량부 내지 150 중량부 또는 85 중량부 내지 150 중량부 또는 95 중량부 내지 150 중량부의 범위 내로 포함될 수 있다.
상기 세라믹 물질을 사용하는 것에 의해서 절연층은 우수한 내열성을 확보할 수 있다. 상기 세라믹 물질은 예를 들면, 금속(metal) 산화물, 준금속(metalloid) 산화물, 금속 불화물 및 금속 수산화물로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, AlO(OH), Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3 및 Mg(OH)2으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 물질은 적절한 예시에서 보헤마이트(AlO(OH))일 수 있다.
상기 절연층용 조성물 또는 절연층은 상기 세라믹 물질의 분산성 확보를 위해서 세라믹 물질을 위한 분산제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 세라믹 물질 분산제는, 예를 들면, 세라믹 물질 100 중량부 대비 0.01 중량부 내지 5 중량부 또는 0.1 중량부 내지 1 중량부 내로 포함될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분산제로는 예를 들면, 탄닌산(tannic acid)을 사용할 수 있다.
절연층용 조성물은 분산 용매를 추가로 포함할 수 있다. 상기 용매는 전극 제조 과정에서 건조 등에 의해 제거될 수 있기 때문에, 최종 전극에서 절연층 내에는 존재하지 않거나, 소량으로 존재할 수 있다.
상기에서 상기 분산 용매로는 당업계에 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 이소프로필 알콜, N-메틸피롤리돈(NMP) 및/또는 아세톤 등을 사용할 수 있다.
본 출원의 전극은 하기의 방법으로 제조할 수 있다.
예들 들면, 상기 전극은, 상기 집전체상에 상기 전극 활물질층용 조성물을 도포하는 단계; 및 상기 집전체상에 상기 절연층용 조성물을 도포하는 단계를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다. 이 때 상기 전극 활물질층용 조성물과 절연층용 조성물의 도포 순서에는 선후는 없으나, 통상적으로 절연층용 조성물이 나중에 도포된다.
상기 조성물들은, 전술한 전극 구조를 형성할 수 있도록 도포되며, 따라서 상기 전극 활물질층과 절연층이 상기 집전체의 표면 법선 방향과 수직한 방향으로 따라서 나란히 형성되면서, 서로 중첩되는 부위를 형성할 수 있도록 상기 전극 활물질층용 조성물과 절연층용 조성물이 도포될 수 있다.
따라서, 예를 들어, 본 출원에서는, 집전체층(10) 상에 활물질층용 조성물이 우선 도포되고, 상기 활물질층용 조성물의 적어도 일부와 중첩 영역을 갖도록 상기 절연층용 조성물을 도포할 수 있다.
통상 활물질층용 조성물을 집전체층상에 도포하면, 상기 도포된 활물질층용 조성물의 말단은, 소위 슬라이딩 부위라고 불리는 경사면을 가진 채 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 경사면의 적어도 일부상에 상기 절연층용 조성물이 도포되면서 상기 활물질층용 조성물과 절연층용 조성물이 접촉하는 중첩 영역이 발생할 수 있다. 이와 같이 도포된 조성물들은, 건조되면서 활물질층의 경사면의 적어도 일부와 중첩되도록(즉, 상기 중첩 영역이 형성된 채로), 상기 절연층(30)이 형성될 수 있다.
도 1은, 집전체층(10)상에 형성된 전극 활물질층(20)과 절연층(30)을 포함하는 전극의 예시로서, 상기 전극 활물질층(20)과 절연층(30)이 서로 중첩 영역(AOL)을 형성하고 있고, 이 영역(AOL)은, 전극 활물질층(20)의 경사면 상에 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 구조에서 절연층(30)이 활물질층(20) 대비 두꺼운 경우에는 압연 과정 또는 전극 조립체의 제조 과정에서 집전체층(10) 또는 세퍼레이터 등에 손상이 발생될 수 있다. 또한 절연층(30)이 활물질층(20) 대비 두껍지 않아도, 상기 중첩 부위(AOL)에서 절연층(30)의 표면이 활물질층(20)의 표면보다 높은 위치에 있으면 상기와 동일한 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라서 본 출원의 하나의 예시에 따른 상기 제조 방법에서는, 상기 절연층의 최대 평균 두께를 결정하는 과정이 수행될 수 있고, 상기 제조 과정에서 절연층용 조성물의 도포 두께가 상기 최대 평균 두께와 같거나 그보다 작도록 제어될 수 있다.
본 출원에서 상기 절연층의 최대 평균 두께는, 전극에서 상기 펫 엣지 부위가 발생하지 않을 수 있는 절연층의 허용 가능한 최대 평균 두께를 의미한다.
따라서, 본 출원의 일 예시에 따른 전극의 제조 방법에서는 절연층용 조성물의 도포 두께는 하기 식 4를 만족할 수 있다.
[식 4]
TL≤Tmax
식 4에서, Tmax는 상기 절연층의 최대 평균 두께이고, TL은, 상기 절연층용 조성물의 도포 두께이다.
이러한 관계를 만족하도록 절연층용 조성물의 코팅 두께를 제어함으로써 상기 펫 엣지 부위가 발생하지 않는 전극을 효과적으로 형성할 수 있다.
다양한 수요로 인해 전극 설계 모델이 수시로 변경되어 활물질층(20)을 형성하기 위한 활물질층용 조성물의 로딩양이 고정되어 있지 않고, 이에 따라 절연층(30)의 두께의 상한의 예측이 요구된다.
본 출원의 전극의 제조 방법은 절연층(30)의 최대 평균 두께를 고려함으로써, 단락을 방지하여 안정성을 확보하고 전지의 손상을 방지할 수 있고, 전극 설계 모델의 변경에도 유연하게 대처할 수 있다.
이에 따라서 본 출원의 일 예시에 따른 전극의 제조 방법은 상기 절연층의 최대 평균 두께를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원에서 용어 평균 두께는 임의의 층(100)을 측면에서 바라보았을 때 가로 방향 기준으로 양 끝단 중 어느 한 지점으로부터 전체 가로 길이의 20%(P20%), 30%(P30%), 40%(P40%), 50%(P50%), 60%(P60%), 70%(P70%) 및 80%(P80%)가 되는 부분에서 측정된 두께들의 산술 평균을 의미할 수 있다. 도 2를 참조하면 상기 층(100)을 측면에서 바라본 모습이 나타나 있다. 도 2를 참조하면 전체 가로 길이(L)가 500 mm인 임의의 층(100)이 있는 경우, 상기 층(100)을 측면에서 바라보았을 때 양 끝단 중 어느 한 점(P)을 선택하고, 상기 한 점(P)으로부터 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250mm, 300 mm, 350 mm 및 400 mm 지점의 두께를 각각 측정(D20%, D30%, D40%, D50%, D60%, D70% 및 D80%)하여 이들을 평균 낸 값을 평균 두께라고 할 수 있다. 상기 각 지점의 두께는 당업계에서 일반적으로 사용하는 두께 측정기를 사용하여 측정할 수 있다. 또한, 특별한 언급이 없는 한 본 출원에서 용어 두께는 상기 평균 두께를 의미할 수 있다.
본 출원에서 용어인 최대 평균 두께의 의미는 전술한 바와 같다.
본 출원에서 상기 절연층(30)의 최대 평균 두께는, 전극 활물질층의 평균 두께 및/또는 최대 중첩 영역을 고려하여 결정할 수 있다.
상기에서 전극 활물질층의 평균 두께는, 실제 전극에서의 전극 활물질층의 두께이거나, 전극 제조 전 설계자가 의도하는 전극 활물질층의 두께일 수 있다. 후자의 경우, 상기 전극 활물질층의 두께는 미리 정해진 전극 활물질층의 두께라고 불릴 수 있다.
본 명세서에서 용어 중첩 영역의 길이는, 전극 활물질층과 절연층의 중첩 영역을 측면에서 바라보았을 때의 전체 길이이다. 도 1에서 전극 활물질층(20)과 절연층(30)의 중첩 영역(AOL)을 측면에서 바라보았을 때의 상기 전체 길이는 L'으로 표시되어 있다.
또한 용어 중첩 영역의 최대 길이는, 전극에서 상기 펫 엣지 부위가 발생하지 않을 수 있는 중첩 영역의 허용 가능한 최대 길이를 의미한다.
본 출원에서 상기 전극 활물질층의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 통상 50 μm 이상, 52.5 μm 이상, 55 μm 이상, 57.5 μm 이상, 60 μm 이상, 62.5 μm 이상, 65 μm 이상, 67.5 μm 이상, 70 μm 이상, 72.5 μm 이상, 75 μm 이상, 77.5 μm 이상 또는 80μm 이상일 수 있다. 또한, 상기 평균 두께의 상한에는 특별한 제한은 없으나, 상기 평균 두께는 통상 300 μm 이하, 275 μm 이하, 250 μm 이하, 225 μm 이하 또는 200 μm 이하일 수 있다. 상기 전극 활물질층의 평균 두께는 전술한 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 있을 수 있다.
또한, 본 출원의 전극에서 상기 중첩 영역의 길이 또는 상기 중첩 영역의 최대 길이는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 통상 0.001 mm 이상, 0.005mm 이상, 0.01mm 이상, 0.05 mm 이상, 0.1 mm 이상, 0.2 mm 이상, 0.3 mm 이상, 0.4 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.6 mm 이상, 0.7 mm 이상, 0.8 mm 이상, 0.9 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있다. 상기 상기 중첩 영역의 길이 또는 상기 중첩 영역의 최대 길이는 또한 2 mm 이하, 1.9 mm 이하, 1.8 mm 이하, 1.7 mm 이하, 1.6 mm 이하, 1.5 mm 이하, 1.4 mm 이하, 1.3 mm 이하 또는 1.2 mm 이하, 1 mm 이하 또는 0.5 mm 이하 정도일 수 있다. 상기 중첩 영역의 길이 또는 상기 중첩 영역의 최대 길이는, 상기 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 중첩 영역의 길이 또는 상기 중첩 영역의 최대 길이가 상기 범위 내에 있는 경우에는, 전지의 용량를 극대화하면서도, 적절한 절연성을 확보하여, 양극과 음극의 단락 현상 등을 방지할 수 있다. 상기에서 중첩 영역의 길이, 즉 실제 형성된 중첩 영역의 길이는, 상기 중첩 영역의 최대 길이와 같거나 이보다 작을 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법은 상기 미리 정해진 활물질층의 평균 두께와 미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이가 상기 범위를 만족하는 경우 적합할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법에서, 상기 절연층(30)의 최대 평균 두께를 결정하는 단계는, 상기 활물질층(20)의 평균 두께(Ta)와 상기 중첩 영역에서 절연층(30)으로부터 활물질층(20)의 방향에 대한 거리에 따른 상기 활물질층(20)의 두께(Tax)의 비율(Tax/Ta) 데이터인 두께 프로파일 데이터 얻는 단계를 포함할 수 있다. 상기 절연층(20)의 최대 평균 두께는, 미리 정해진 상기 중첩 영역의 최대 길이에 해당하는 두께 프로파일(profile) 데이터에서, 상기 중첩 영역에서 절연층(30)으로부터 전극 활물질층(20)의 방향에 대한 거리에 따른 상기 활물질층의 두께(Tax)로 결정할 수 있다.
상기 두께 프로파일 데이터는 가로 축을 절연층(30)으로부터 활물질층(20)의 방향에 대한 거리로 하고, 세로 축을 상기 비율(Tax/Ta)로 하였을 때, 지수 함수 형태로 표현될 수 있다.
상기 두께 프로파일 데이터는 통계적으로 유의미한 데이터일 수 있다. 따라서, 상기 데이터에서 상기 함수 형태의 추세선(또는 추세 곡선)의 R2값은 0.9 이상, 0.91 이상, 0.92 이상, 0.93 이상, 0.94 이상, 0.95 이상, 0.96 이상, 0.97 이상 또는 0.98 이상이다.
도 6은 본 출원에 따른 전극의 제조 방법으로 제조된 전극의 일 예에 관하여, 활물질층(20)과 절연층(30)의 중첩 영역을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 6에 따르면, 중첩 영역에서 절연층(30)으로부터 활물질층(20)의 방향은 +X로 나타나고, 상기 중첩 영역이 시작되는 지점을 X0 및 종료되는 지점을 Xn으로 나타내고 있다. X0에서 Xn에 따른 활물질층(20)의 두께는 전술한 경사면에 해당하는 두께로서, Tax로 나타내고 있고, 활물질층(20)의 평균 두께는 Ta로 나타내고 있다.
상기 미리 정해진 활물질층(20)의 평균 두께(Ta)와 중첩 영역에서 절연층(30)으로부터 활물질층(20)의 방향에 따른 상기 활물질층(20)의 두께(Tax)의 비율(Tax/Ta) 데이터인 두께 프로파일 데이터 얻는 단계는, 도 6에서 나타나는 바와 같이 X0에서 Xn에 따른 Tax 및 Ta의 비율(Tax/Ta)을 측정하고, 상기 측정 결과를 그래프로 나타냄으로써, 함수 형태의 데이터로 얻을 수 있다.
도 7을 참조하면, 절연층(30)에서 활물질층(20)으로의 방향(즉, 도 6에서 X0에서 Xn로 이르는 방향)에 따라 상기 Tax 및 Ta의 비율(Tax/Ta)을 측정하여, 그 결과를 나타낸 그래프의 예시를 확인할 수 있다.
본 출원의 하나의 예시에서 도 7과 같은 그래프를 토대로 Tax/Ta 값을 도출하고, 상기 미리 정해진 활물질층의 평균 두께(Ta)를 상기 도출된 Tax/Ta 값에 대입함으로써 얻어지는 Tax값을 상기 절연층(20)의 최대 평균 두께(식 4의 Tmax)로 결정할 수 있다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, y가 상기 Tax/Ta이고, x가 X0(=0 mm) 내지 Xn(=10 mm)의 거리라고 할 때, 여러 데이터(X0 내지 Xn 사이의 일 지점이 해당하는 Tax/Ta 값의 데이터)를 통해 형성된 추세 곡선으로 y=a5+a6×exp(a7×x)(a5, a6 및 a7은 상수)의 함수를 얻을 수 있다. 최대 평균 두께를 구하기 위해서 상기 식의 결과를 1에서 차감한 식(1-y)이 활용될 수 있다. 예를 들어, 상기 중첩 영역의 최대 길이가 1 mm라고 하면, 상기 식의 Tax/Ta값은 a5+a6×exp(a7×1mm)인데, 상기를 1로부터 차감한 결과(1- a5+a6×exp(a7×1mm))에 활물질층(20)의 평균 두께(Ta)를 곱하여 얻어지는 값을 상기 절연층(30)의 최대 평균 두께(식 4의 Tmax)로 결정할 수 있다.
따라서, 일 예시에서 상기 식 4의 Tmax는 하기 식 5에 따라 정해질 수 있다.
[식 5]
Tmax=Ta×{a×exp(b×L)-c}
식 5에서 Ta는 활물질층의 평균 두께이고, L은 중첩 영역의 최대 길이이다.
식 5에서 Ta는, 상기 활물질층의 평균 두께이고, L은 상기 중첩 영역의 최대 길이이다.
식 5에서 Ta의 단위는 μm이고, L의 단위는 mm이다.
식 5에서 a, b 및 c는, 임의의 상수이다. 상기 a, b 및 c의 각각의 범위에는 특별한 제한은 없다.
일 예시에서 상기 a는, 0.55 이상, 0.6 이상, 0.7 이상 또는 0.75 이상일 수 있다. 또한 상기 a는, 0.95 이하, 0.9 이하, 0.85 이하, 0.8 이하 또는 0.76 이하 정도일 수도 있다. 상기 a의 범위는 상기 기술한 하한 중 어느 하나와 상기 기술한 상한 중 어느 하나가 조합된 범위 내일 수 있다.
일 예시에서 상기 b는, -0.8 이상, -0.75 이상, -0.7 이상, -0.65 이상, -0.6 이상, -0.55 이상 또는 -0.5 이상일 수 있다. 상기 b는, -0.2 이하, -0.25 이하, -0.3 이하, -0.35 이하, -0.4 이하, -0.45 이하 또는 -0.49 이하일 수도 있다. 상기 b의 범위는 상기 기술한 하한 중 어느 하나와 상기 기술한 상한 중 어느 하나가 조합된 범위 내일 수 있다.
일 예시에서 상기 c는, 0.001 이상, 0.0015 이상 또는 0.002 이상일 수 있다. 상기 c는, 0.004 이하, 0.0035 이하, 0.003 이하, 0.0025 이하 또는 0.0022 이하일 수도 있다. 상기 c의 범위는 상기 기술한 하한 중 어느 하나와 상기 기술한 상한 중 어느 하나가 조합된 범위 내일 수 있다.
상기 a, b 및 c의 범위를 적용하여 상기 식 5에 따라 식 4의 Tmax를 결정하는 것에 의해서 보다 효율적으로 본 출원의 목적에 적합한 전극을 제조할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법에서, 절연층의 최대 평균 두께를 결정하는 단계는, 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층의 두께 데이터를 포함하는 로딩 데이터를 얻는 단계; 및 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터를 얻는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 절연층의 최대 평균 두께를 결정하는 단계는 상기 로딩 데이터에서 활물질층이 미리 정해진 활물질층의 평균 두께를 가질 수 있는 로딩양을 도출하고, 상기 도출된 활물질층용 조성물의 로딩양과 미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이를 상기 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터에 적용하여 상기 절연층의 최대 평균 두께를 도출함으로써 이루어질 수도 있다.
상기 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층의 두께 데이터를 포함하는 로딩 데이터를 얻는 단계는 하기 활물질층용 조성물을 도포하는 단계의 설명을 참조할 수 있다. 상기 로딩 데이터를 토대로 활물질층이 미리 정해진 활물질층의 평균 두께를 가질 수 있는 로딩량을 도출할 수 있다. 예를 들면, 도 3을 참조하여 미리 정해진 활물질층(20)의 평균 두께에 맞는 활물질층용 조성물의 로딩양을 상기 함수를 통해 역산하여 계산할 수 있다.
상기 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터에서, 상기 절연층의 특정 두께는 절연층 조성물을 도포한 후 절연층을 형성하였을 때, 형성된 절연층의 목적하는 두께를 의미한다.
여기서, 상기 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터는 통계적으로 유의미할 수 있다. 또한, 상기 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터는 가로 축을 활물질층용 조성물의 단위 면적 당 로딩량으로 하고 세로 축을 중첩 영역의 최대 길이로 하였을 때, 로그 함수 형태로 표현될 수 있다.
즉, 본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법은 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터를 토대로, 특정 두께를 가지는 절연층과 미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이를 고려하여 절연층의 최대 평균 두께를 결정할 수 있다.
여기서, 상기 중첩 영역의 길이는 활물질층(20)의 말단에 경사면 부분에서 절연층(30)과 중첩된 영역의 가로 길이를 의미할 수 있다. 또한, 상기 경사면 부분은 활물질층(20)의 말단 부분에서, 평균 두께보다 작으면서 경사진 부분을 의미한다. 도 4를 참조하면, 활물질층(20)의 말단 부분에서 평균 두께(Ta)보다 작으면서 경사진 부분(ASL)이 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 경사면 부분(ASL)에서 절연층(30)과 중첩된 영역을 포함하여, 가로 방향으로 상기 경사진 부분(ASL)의 길이인 Ls가 중첩 영역의 최대 길이일 수 있다.
즉, 본 명세서에서 중첩 영역의 최대 길이는, 전극 활물질층(20)의 말단 부분에서 상기 전극 활물질층의 평균 두께(Ta)보다 얇은 부분(ASL)의 길이를 의미할 수 있다.
절연층(30)은 활물질층(20)의 경사면 부분(ASL)에서 적어도 일부가 중첩되어 있는데, 상기 절연층(30)은 활물질층(20)의 평균 두께(Ta)에 비해 같거나 낮게 위치해야 있으므로 최대로 중첩 가능한 영역은 결국 도 4의 경사면 부분(ASL)이고, 이들의 가로 방향 길이인 LS가 중첩 영역의 최대 길이일 수 있다.
도 5를 참조하면, 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터의 예시를 확인할 수 있다. 상기 중첩 영역의 최대 길이 데이터는 절연층의 각 두께 별로 활물질층용 조성물의 단위 면적 당 로딩양에 따른 활물질층(20)의 말단에 경사면 부분의 길이를 측정하고, 상기 측정 결과를 그래프로 나타냄으로써, 함수 형태의 데이터를 얻을 수 있다.
도 5를 참조하면, y가 중첩 영역의 최대 길이고 x가 활물질층용 조성물의 단위 면적 당 로딩양(이 때, 상기 단위 면적은 25 cm2임)이라고 할 때, P1 μm의 평균 두께를 가지는 절연층(30)을 얻으려는 경우, 여러 데이터를 통해 형성된 추세 곡선으로 y=a3ln(x)+a4(a3 및 a4는 상수)라는 함수를 얻을 수 있고, 절연층(30)의 평균 두께가 P1 μm이 아닌 P2 μm 또는 P3 μm 등(이에 한정하지 않고 더 추가될 수 있음)인 경우(상기 P1, P2 및 P3 등은 각각 서로 다른 상수임)에도, 상기 방식과 마찬가지로 하여 상기와 같은 함수를 얻을 수 있다.
상기 여러 데이터로 얻어진 복수의 추세 곡선이 있는 데이터에서, 상기 도출된 활물질층용 조성물의 로딩양에 해당하는 지점의 상수 함수(즉, x=로딩양에 해당하는 함수)와 상기 미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이에 해당하는 지점의 상수 함수(즉, y=미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이에 해당하는 함수)가 서로 만나는 지점을 지나는 상기 추세 곡선을 도출하고, 이 때 상기 추세 곡선에서의 절연층(30)의 평균 두께를 본 출원의 일 예에 따른 절연층(30)의 최대 평균 두께로 결정할 수 있다.
예를 들어, 도 8을 참조하여 설명하자면, 도출된 활물질층용 조성물의 로딩량이 약 200 mg/25cm2이고 미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이가 약 0.5 mm인 경우, 도 5에 해당하는 데이터에서 x=200 및 y=0.5인 상수 함수를 각각 도시하고 이들이 서로 만나는 지점(점선 원 참조)을 도출할 수 있다. 여기서, 상기 지점을 지나는 추세 곡선은 절연층의 평균 두께가 P3 μm일 때인 것이고, 상기 P3 μm를 절연층(30)의 최대 평균 두께로 결정할 수 있다. 도 8은 절연층의 최대 평균 두께를 결정하는 일 예를 나타낸 것으로, 도출된 활물질층용 조성물의 로딩량이 약 200 mg/25cm2이고 미리 정해진 중첩 영역의 최대 길이가 약 0.5 mm인 경우를 예시하고 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법에서, 활물질층용 조성물을 도포하는 단계는, 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층(20)의 두께 데이터를 포함하는 로딩 데이터를 얻는 단계를 추가로 포함하고, 상기 로딩 데이터에서 활물질층(20)이 미리 정해진 활물질층(20)의 평균 두께를 가질 수 있는 로딩양만큼 상기 활물질층용 조성물을 도포하는 방식으로 수행될 수 있다.
여기서, 상기 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층(20)의 두께 데이터는 통계적으로 유의미할 수 있다. 또한, 상기 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층(20)의 두께 데이터는 1차 함수 형태로 표현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층(20)의 두께 데이터의 예시를 확인할 수 있다. 상기 활물질층(20)의 두께 데이터는 활물질층용 조성물의 단위 면적 당 로딩양에 따라 형성되는 활물질층(20)의 평균 두께를 다수 측정하고, 상기 측정 결과를 그래프로 나타냄으로써, 함수 형태의 데이터를 얻을 수 있다. 도 3에 따르면, y가 활물질층의 평균 두께고 x가 활물질층용 조성물의 단위 면적 당 로딩양(이 때, 단위 면적은 25 cm2임)이라고 할 때, 여러 데이터를 통해 형성된 추세선으로 y=a1x+a2(a1 및 a2 상수임)라는 함수를 얻을 수 있고, 미리 정해진 활물질층(20)의 평균 두께에 맞는 활물질층용 조성물의 로딩양을 상기 함수를 통해 역산하여 계산할 수 있다.
즉, 본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법은 활물질층용 조성물의 단위 면적 당 로딩양에 따른 활물질층(20)의 두께 데이터를 토대로 미리 정해진 활물질층(20)의 평균 두께를 달성하기 위해 활물질층용 조성물의 로딩양을 특정할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법은 상기 방식을 통해 전극 설계 모델이 변경되어, 요구되는 활물질층의 두께 및/또는 중첩 영역의 길이가 변경되더라도 용이하게 대응할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법에서 집전체층(10) 상에 활물질층용 조성물 및 절연층용 조성물을 도포하는 방식은 당업계에서 일반적으로 사용하는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 각각 독립적으로 슬롯 다이 코팅, 슬라이드 코팅 및 커튼 코팅 중 하나를 이용할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법은 집전체층(10) 상에 도포된 활물질층용 조성물 및 절연층용 조성물을 건조하여 활물질층(20) 및 절연층(30)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 건조 방식은 당업계에서 사용하는 일반적으로 사용하는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 열풍 방식, 적외선 조사 방식 및 유도 가열 방식 중 하나를 이용할 수 있다. 상기 건조 온도는 상기 활물질층용 조성물 및 절연층용 조성물을 충분히 건조시킬 수 있으면 특별히 제한되지 않으나 50℃ 내지 200℃일 수 있고, 건조 시간은 약 1 분 내지 10분일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극의 제조 방법에서 건조 후에 압연 공정을 수행하여 전극을 제조할 수 있다. 상기 압연 공정을 통해서 활물질의 용량 밀도를 높이고 집전체층(10)와 활물질층(20), 집전체층(10)와 절연층(30) 및 활물질층(20)과 절연층(30) 사이의 접착력을 높일 수 있다. 또한, 상기 압연 공정에서 사용하는 압연 방식은 당업계에서 사용하는 일반적으로 사용하는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 상기 건조된 활물질층(20) 및 절연층(30)이 형성된 집전체층(10) 전체를 압연 부재로 압축하는 공정일 수 있으며, 상기 압연 부재는 압연 롤러 또는 압연 지그를 사용할 수 있다.
본 출원은 또한 전극에 대한 것이다.
본 출원의 전극은 하나의 예시에서 상기 기술한 제조 방법으로 제조한 것일 수 있다.
일 예시에서 상기 전극은, 집전체층; 상기 집전체층상에 형성된 전극 활물질층; 및 상기 집전체층상에 형성된 절연층을 포함할 수 있다.
상기 기술한 바와 같이, 상기 전극에서 상기 전극 활물질층과 상기 절연층은, 상기 집전체층의 표면 법선 방향에 수직한 방향을 따라서 나란히 형성되어 있으면서, 서로 중첩되는 부위를 형성하고 있을 수 있다.
상기에서 절연층은, 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다.
[식 1]
TL≤TS×{a×exp(b×L)-c}
식 1에서 TL은 상기 절연층의 두께이고, TS는 상기 활물질층의 두께이며, L은 상기 중첩되는 부위의 길이이다.
식 1에서 TL 및 TS의 단위는 μm이고, L의 단위는 mm이다.
상기 절연층의 두께는 상기 언급한 평균 두께일 수 있으며, 상기 활물질층의 두께도 상기 활물질층의 평균 두께일 수 있다.
또한 상기 L은, 상기 중첩되는 부위의 실제 길이(예를 들면, 도 1의 L')이거나, 혹은 상기 기술한 중첩 영역의 최대 길이, 즉 전극에서 상기 펫 엣지 부위가 발생하지 않을 수 있는 중첩 영역의 허용 가능한 최대 길이일 수 있다. 상기에서 중첩 영역의 최대 길이는, 전술한 바와 같이 전극 활물질층(20)의 말단 부분에서 상기 전극 활물질층의 평균 두께(Ta)보다 얇은 부분(ASL)의 길이(도 4의 Ls)를 의미할 수 있다.
상기 식 1의 관계는 전술한 식 5의 내용에 따라 절연층용 조성물의 도포 두께를 제어하여 형성한 절연층이 나타내는 두께 관계이고, 이는 실험적으로 확인되었다.
식 1에서 a, b 및 c는, 임의의 상수이다. 상기 a, b 및 c의 각각의 범위에는 특별한 제한은 없다.
일 예시에서 상기 a는, 0.55 이상, 0.6 이상, 0.7 이상 또는 0.75 이상일 수 있다. 또한 상기 a는, 0.95 이하, 0.9 이하, 0.85 이하, 0.8 이하 또는 0.76 이하 정도일 수도 있다. 상기 a의 범위는 상기 기술한 하한 중 어느 하나와 상기 기술한 상한 중 어느 하나가 조합된 범위 내일 수 있다.
일 예시에서 상기 b는, -0.8 이상, -0.75 이상, -0.7 이상, -0.65 이상, -0.6 이상, -0.55 이상 또는 -0.5 이상일 수 있다. 상기 b는, -0.2 이하, -0.25 이하, -0.3 이하, -0.35 이하, -0.4 이하, -0.45 이하 또는 -0.49 이하일 수도 있다. 상기 b의 범위는 상기 기술한 하한 중 어느 하나와 상기 기술한 상한 중 어느 하나가 조합된 범위 내일 수 있다.
일 예시에서 상기 c는, 0.001 이상, 0.0015 이상 또는 0.002 이상일 수 있다. 상기 c는, 0.004 이하, 0.0035 이하, 0.003 이하, 0.0025 이하 또는 0.0022 이하일 수도 있다. 상기 c의 범위는 상기 기술한 하한 중 어느 하나와 상기 기술한 상한 중 어느 하나가 조합된 범위 내일 수 있다.
식 1의 관계를 만족시키는 것에 의해서 상기 펫 엣지 부위가 존재하지 않으면서, 우수한 절연성이 확보되는 절연층 내지 전극을 형성할 수 있다.
상기 전극은, 하기 식 2를 추가로 만족시킬 수 있다.
[식 2]
0.1×TS≤TL
식 2에서 TL 및 TS는 각각 식 1의 TL 및 TS와 같다.
식 2에서 TL은, 다른 예시에서 0.15×TS 이상 또는 0.2×TS 이상일 수도 있다.
식 2의 관계를 만족시키는 것에 의해서 절연층에 의한 절연성이 안정적으로 확보되고, 절연층과 활물질층의 두께의 편차가 지나치게 커지는 현상이 방지되며, 절연층과 활물질층의 경계에서 집전체층이 노출되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 상기 전극은, 하기 식 3을 추가로 만족할 수 있다.
[식 3]
TS=d×LD+e
식 3에서 TS는 식 1의 TS와 같고, LD는 활물질층의 로딩양(단위: mg/25cm2)이고, d는 0.1 내지 0.2의 범위 내의 수이며, e는 10 내지 16의 범위 내의 수이다.
식 3은 도 3에 나타난 관계식에 실험적으로 도출된 활물질층(또는 활물질층용 조성물)의 로딩량과 활물질층의 두께와의 관계이다.
식 3에서 d는 다른 예시에서 0.12 이상 또는 0.14 이상이거나, 0.18 이하 또는 0.16 이하 정도일 수도 있다.
식 3에서 e는 다른 예시에서 11 이상 또는 12 이상이거나, 15 이하, 14 이하 또는 13 이하 정도일 수도 있다.
전술한 바와 같이 상기 식 1 내지 3에서 상기 전극 활물질층의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 통상 50 μm 이상, 52.5 μm 이상, 55 μm 이상, 57.5 μm 이상, 60 μm 이상, 62.5 μm 이상, 65 μm 이상, 67.5 μm 이상, 70 μm 이상, 72.5 μm 이상, 75 μm 이상, 77.5 μm 이상 또는 80μm 이상일 수 있다. 또한, 상기 평균 두께의 상한에는 특별한 제한은 없으나, 상기 평균 두께는 통상 300 μm 이하, 275 μm 이하, 250 μm 이하, 225 μm 이하 또는 200 μm 이하일 수 있다. 상기 전극 활물질층의 평균 두께는 전술한 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 있을 수 있다.
상기 식 1에서 중첩되는 부위의 길이 L은, 0.001 mm 이상, 0.005mm 이상, 0.01mm 이상, 0.05 mm 이상, 0.1 mm 이상, 0.2 mm 이상, 0.3 mm 이상, 0.4 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.6 mm 이상, 0.7 mm 이상, 0.8 mm 이상, 0.9 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있고, 2 mm 이하, 1.9 mm 이하, 1.8 mm 이하, 1.7 mm 이하, 1.6 mm 이하, 1.5 mm 이하, 1.4 mm 이하, 1.3 mm 이하 또는 1.2 mm 이하, 1 mm 이하 또는 0.5 mm 이하 정도일 수 있다. 상기 길이 범위는 상기 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 있을 수 있다.
상기 길이 L은, 전극에서의 실제 중첩 영역의 길이이거나, 혹은 상기 기술한 중첩 영역의 최대 길이일 수 있다.
상기 길이를 상기 하한 이상으로 하여서 절연층과 활물질층의 중첩 부위에서 집전체층이 노출되거나, 절연층과 활물질층의 두께 편차가 지나치게 커져서 압연 공정에서의 효율이 저하되는 것을 방지하고, 적절한 절연성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 길이를 상기 상한 이하로 하여서, 전지의 용량을 극대화하면서, 펫 엣지 부위가 발생하는 경우를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 집전체층, 절연층 및 활물질층의 구체적인 소재는 각각 제조 방법의 항목에서 기술한 바와 같다.
본 출원은 또한, 상기 전극을 포함하는 전극 조립체 또는 2차 전지를 제공할 수 있다.
공지된 바와 같이 전극 조립체는, 음극; 양극; 및 세퍼레이터를 포함하고, 상기 음극과 양극이 상기 세퍼레이터를 사이에 두고 적층되어 있는 구조를 가지는데, 상기 음극 또는 양극 중 어느 하나로 본 출원의 전극을 사용할 수 있다.
상기 2차 전지는 리튬 이온 전지일 수 있다. 또한, 상기 2차 전지는 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함한다. 이 때, 상기 2차 전지는 상기 양극, 음극, 세퍼레이터의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 당업계에서 일반적으로 사용하는 세퍼레이터라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 특히 전해질의 이온 이동에 대해 저저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 중합체, 프로필렌 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프 탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
상기 전해질은 당업계에서 일반적으로 사용하는 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 겔형 고분자 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해질의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
또한, 상기 2차 전지는 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야에 적용될 수 있다.
본 출원은 전극, 전극의 제조 방법 및 전극의 용도를 제공할 수 있다. 본 출원에서는, 전극의 집전체층에서 활물질층과 중첩되어 형성되는 절연층이 전극에서 요구되는 절연성을 효과적으로 확보하면서, 상기 펫 엣지 부위를 형성하지 않는 전극을 제공할 수 있다. 또한, 본 출원에서는, 전극 설계 모델이 변경되는 경우에도 해당 변경에 유연하게 대처하여 전술한 전극을 제조할 수 있는 제조 방법도 제공할 수 있다.
또한, 본 출원은 상기 전극의 용도를 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 예시에 따른 전극의 측면도이다.
도 2는 본 출원에서 사용하는 평균 두께를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 두께 데이터의 예시이다.
도 4는 중첩 영역의 최대 길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 절연층의 두께 별 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터의 예시이다.
도 6은 본 출원의 일 예시에 따른 전극의 측면도이다.
도 7은 절연층으로부터 활물질층의 방향에 대한 거리에 따라 상기 Tax 및 Ta의 비율(Tax/Ta)을 측정한 결과의 예시이다.
도 8은 절연층의 최대 평균 두께를 결정하는 일 예시에 대한 그래프이다.
도 9는 실시예 1의 전극에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 10은 비교예 1의 전극에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 출원의 내용을 상세히 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용으로 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 전극 활물질층용 조성물
리튬 니켈 코발트 망간 알루미늄(NCMA) 복합 산화물(NCMA), 바인더(PVDF, Poly(vinylidene fluoride))(KF9700, Kureha社제, 중량평균분자량(Mw): 8.8×105 g/mol) 및 도전재(탄소나노튜브, CNT)를 97:1.5:1.5(NCMA:PVDF:CNT)의 중량 비율로 혼합하고, 고형분 함량이 약 70중량%가 되도록 N-메틸 피롤리돈(NMP)에 분산시켜서 양극 활물질층용 조성물(슬러리)을 제조하였다.
제조예 2. 절연층용 조성물
바인더(B1)로 SBR(styrene butadiene rubber)(BM-L302, ZEON社), 세라믹 물질(B2)인 보헤마이트(AlO(OH), 제품명: AOH60), 분산제(B3)로 탄닌산(tannic acid) 및 유기 염료(B4)로 Yellow 081(제조사: BASF社)를 50:49:0.1:0.9(B1:B2:B3:B4)의 중량 비율로 혼합하고, 고형분 함량이 약 15 중량%가 되도록 N-메틸피롤리돈(NMP)에 첨가하여 절연층용 조성물을 제조하였다.
시험예 1. 로딩양에 따른 활물질층의 두께 데이터
면적이 25 cm2인 알루미늄 집전체층의 일면에 상기 양극 활물질층용 조성물을 약 100 mg 내지 700 mg의 범위 내의 로딩량으로 도포한 후, 약 130℃의 열풍으로 1분 정도 건조하여 활물질층을 형성하고, 상기 활물질층의 평균 두께(집전체층 두께는 제외)를 측정하였다.
상기 작업을 반복하여, 양극 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 활물질층의 평균 두께 관계의 그래프를 작성하였다. 이 그래프는 도 3에 나타나 있다. 상기 관계는, 도 3의 1차 함수 그래프인 y=a1x+a2로 도시(추세선에 의한 함수)되었다. R2가 0.98 이상에서 상기 a1은 약 0.1516이였고, a2는 약 12.62였다.
시험예 2. 중첩 영역의 최대 길이 데이터
면적이 25 cm2인 알루미늄 집전체층상에 상기 양극 활물질층용 조성물을 약 100 mg 내지 700 mg의 범위 내의 어느 한 로딩량으로 도포하고, 다시 상기 절연층용 조성물을 도 1에 나타난 것과 같이 활물질층(20)과 절연층(30)이 집전체층(10)상에 형성되도록 도포하였다. 이어서, 약 130℃의 열풍으로 1분 정도 건조하여 활물질층과 절연층(평균 두께: P1μm)을 형성하였다.
상기 상태에서 활물질층의 말단에 형성된 경사면 부분의 길이(도 4의 Ls)(중첩 영역의 최대 길이)를 측정하였다. 양극 활물질층용 조성물의 로딩량을 약 100 mg 내지 700 mg의 범위 내에서 변경하여 가면서 상기 과정을 반복하여 절연층의 평균 두께가 상기 P1 μm일 때, 단위 면적 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터를 얻었다. 이 결과는 도 5에 나타나 있다. 도 5의 결과는 상기 방법으로 데이터를 얻되, 절연층의 평균 두께를 P1 μm, P2 μm 및 P3 μm (P1, P2 및 P3는 서로 상이한 상수)로 다르게 설정하고, 동일한 방식으로 얻은 데이터이다. 각각의 절연층의 평균 두께에서 상기 데이터는 로그 함수인 y=a3ln(x)+a4(a3 및 a4는 상수)의 형태로 나타났다(추세 곡선에 의한 함수). 구체적으로 상기 절연층의 평균 두께 P1이 15인 경우, a3은 약 +1.5686이며, 약 a4는 -6.786이고, P2가 20인 경우, a3은 약 +1.5725이며, a4는 약 -7.379이고, P3가 25인 경우, a3은 약 +1.5748이며, a4는 약 -7.836이다. 상기 모든 데이터에서 R2은 0.98 이상이다. 도 5의 데이터는 절연층의 두께를 P1 μm, P2 μm 및 P3 μm로 설정한 경우를 대표하여 나타낸 것으로, 절연층의 특정 두께 별 단위 면적 당 당 활물질층용 조성물의 로딩양에 따른 중첩 영역의 최대 길이 데이터는 절연층의 최대 평균 두께를 결정하기 위해 상기 절연층의 두께가 P1 μm, P2 μm 및 P3 μm와 다른 두께에서의 데이터도 동일하게 얻을 수 있다.
시험예 3. 활물질층의 평균 두께(T a )와 중첩 영역에서 절연층으로부터 활물질층의 방향을 따른 거리에 따른 활물질층의 두께(T ax )의 비율(T ax /T a ) 데이터
면적이 25 cm2인 알루미늄 집전체층 상에 상기 양극 활물질층용 조성물을 도포하고, 약 130℃열풍으로 1 분간 건조하여 활물질층을 형성하였다.
상기 활물질층의 양 끝단 중 하나의 지점에서, 높이가 0인 곳(활물질층이 시작되는 곳)을 원점(X0)으로 지정하고, 활물질층의 중앙으로 향하는 방향으로 상기 원점에서의 거리에 따른 활물질층의 두께(Tax)의 활물질층의 평균 두께(Ta)에 대한 비율(Tax/Ta)를 측정하였다.
양극 활물질층용 조성물의 로딩량을 변경하여 가면서 상기 측정을 반복하였고, 그 결과를 그래프로 작성하였다(추세곡선에 의한 함수).
도 7에 관련 결과가 나타나 있고, 상기 그래프는 지수 함수인 y=a5+a6×exp(a7×x)(a5, a6 및 a7은 상수) 형태로 도시되었다. 상기에서 a5는 약 +1.00219이고, a6은 약 -0.7514이며, a7은 약 -0.49972이고, R2은 0.98 이상이었다.
이 결과를 감안하면, 상기 식 5는 하기 식 A와 같이 도출될 수 있다.
[식 A]
Tmax=Ta×{a×exp(b×L)-c}
식 A에서 Ta는 활물질층의 평균 두께이고, L은 중첩 영역의 최대 길이이며, a는 약 0.7514이며, b는 약 -0.4992이고, c는 약 0.00219이다.
실시예 1.
절연층의 최대 평균 두께 결정
활물질층의 평균 두께는 약 93 μm이고, 중첩 영역의 최대 길이는 0.5 mm가 되는 전극을 설계하였다. 시험예 1의 결과에 따를 때 상기 평균 두께 93 μm를 확보하기 위한 단위 면적(25 cm2)당 활물질층용 조성물의 로딩량은 약 530 mg 수준이다.
시험예 3에서 얻어진 결과인 식 A에 L로서, 0.5mm를 대입하고, Ta로서 93 μm를 대입하여 계산하면 절연층의 최대 평균 두께(Tmax)는 약 54.2 μm 정도로 확인된다.
전극의 제조
위 설계된 내용에 따라 전극을 제조하였다. 전술한 바와 같이, 시험예 1과 도 3의 결과를 고려할 때에 두께 93 μm을 확보하기 위한 활물질층용 조성물의 로딩양은 약 530 mg/25cm2 정도이다.
집전체층인 약 20 μm 두께의 알루미늄 호일(foil)에 상기 로딩양으로 활물질층용 조성물을 도포하였다. 이어서 절연층용 조성물을 상기 활물질층용 조성물과 중첩 영역의 길이가 약 0.5 mm 이하이면서 절연층의 평균 두께(TL)가 약 20 μm 정도가 되도록 도포하였다.
이어서 도포된 활물질층용 조성물 및 절연층 조성물을 약 130℃열풍으로 1분간 건조하고, 압연 공정을 통해 양극을 제조하였다. 도 9는 이와 같이 형성된 양극의 SEM 이미지(스케일 바의 크기: 50 μm, 가속전압: 2.0 kV, Working distance: 8.1 mm 및 배율: ×400)이고, 활물질층의 평균 두께가 약 93 μm 정도인 것을 알 수 있다. 또한, 이 전극에서 중첩 영역의 실제 길이는 약 0.2 mm 내지 0.3 mm 수준이었다.
또한, 위 과정을 거친 전극을 검사한 결과, 압연 후에도 집전체층의 손상을 발생하지 않았고, 절연층과 활물질층의 경계 영역에 안정적으로 중첩되어 집전체층의 노출 부위도 확인되지 않았다.
실시예 2.
절연층의 최대 평균 두께 결정
활물질층의 평균 두께는 약 46 μm이고, 중첩 영역의 최대 길이는 0.5 mm가 되는 전극을 설계하였다. 시험예 1의 결과에 따를 때 상기 평균 두께 46 μm를 확보하기 위한 단위 면적(25 cm2)당 활물질층용 조성물의 로딩량은 약 220 mg 수준이다.
이어서 시험예 2의 방식에 따라서 절연층의 최대 평균 두께를 결정하였다. 구체적으로 시험예 2에서 얻은 도 5의 결과에서 x값으로 220을 대입하고, y값으로 0.5를 대입하면, 절연층(30)의 최대 평균 두께(Tmax)는, 약 25 μm 이상 40 μm 미만의 범위 내로 확인된다.
전극의 제조
위 설계된 내용에 따라 전극을 제조하였다. 전술한 바와 같이, 시험예 1과 도 3의 결과를 고려할 때에 두께 46 μm을 확보하기 위한 활물질층용 조성물의 로딩양은 약 220 mg/25cm2 정도이다.
집전체층인 약 20 μm 두께의 알루미늄 호일(foil)에 상기 로딩양으로 활물질층용 조성물을 도포하였다. 이어서 절연층용 조성물을 상기 활물질층용 조성물과 중첩 영역의 길이가 약 0.5 mm 이하이면서 절연층의 평균 두께(TL)가 약 20 μm 정도가 되도록 도포하였다.
이어서 도포된 활물질층용 조성물 및 절연층 조성물을 약 130℃열풍으로 1분간 건조하고, 압연 공정을 통해 양극을 제조하였다.
또한, 위 과정을 거친 전극을 검사한 결과, 압연 후에도 집전체층의 손상을 발생하지 않았고, 절연층과 활물질층의 경계 영역에 안정적으로 중첩되어 집전체층의 노출 부위도 확인되지 않았다.
비교예 1.
절연층용 조성물을 절연층의 평균 두께(TL)가 60 μm가 되도록 도포한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로 양극을 제조하였다. 비교예 1에 따라 제조한 양극의 중첩 영역을 포함하는 부분을 도 10에 나타내었다(SEM 이미지(스케일 바의 크기: 50 μm, 가속전압: 2.0 kV, Working distance: 8.1 mm 및 배율: ×400)). 도 10을 참조하면, 중첩 영역에 해당하는 부분에서 활물질층(약 93 μm)보다 중첩된 활물질층과 절연층의 합산 두께(약 121 μm)가 두꺼운 팻 엣지(fat edge) 현상이 발생한 것을 알 수 있다.
비교예 1의 전극의 경우, 압연 공정 후에 집전체층의 손상이 심하게 발행하였다. 이를 통해 비교예 1은 전지 특성의 감소 및 안전성의 문제가 발생하였다.
비교예 2.
절연층용 조성물을 절연층의 평균 두께(TL)가 9 μm가 되도록 도포한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로 양극을 제조하였다. 이러한 경우에 절연층과 활물질층의 중첩 영역이 효과적으로 형성되지 않았고, 경계에서 집전체층이 노출되어 안정성 측면에서 매우 불리한 점을 확인하였다.
10: 집전체층
20: 전극 활물질층
30: 절연층

Claims (18)

  1. 집전체층;
    상기 집전체층상에 형성된 전극 활물질층; 및
    상기 집전체층상에 형성된 절연층을 포함하고,
    상기 전극 활물질층과 상기 절연층은, 상기 집전체층의 표면 법선 방향에 수직한 방향을 따라서 나란히 형성되어 있으면서, 서로 중첩되는 영역를 형성하고,
    상기 절연층의 두께는 하기 식 1의 관계를 만족하는 전극:
    [식 1]
    TL≤TS×{a×exp(b×L)-c}
    식 1에서 TL은 상기 절연층의 두께이고, TS는 상기 활물질층의 두께이며, L은 상기 중첩되는 영역의 길이이고, a는 0.55 내지 0.95의 범위 내의 수이며, b는 -0.8 내지 -0.2의 범위 내의 수이고, c는 0.001 내지 0.004의 범위 내의 수이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 하기 식 2를 추가로 만족하는 전극:
    [식 2]
    0.1×TS≤TL
    식 2에서 TL은 절연층의 두께이고, TS는 활물질층의 두께이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 하기 식 3을 추가로 만족하는 전극:
    [식 3]
    TS=d×LD+e
    식 3에서 LD는 활물질층의 로딩양(단위: mg/25cm2)이고, d는 0.1 내지 0.2의 범위 내의 수이며, e는 10 내지 16의 범위 내의 수이다.
  4. 제 1 항에 있어서, 활물질층의 두께 Ts가 50μm 내지 300μm의 범위 내에 있는 전극.
  5. 제 1 항에 있어서, 중첩되는 부위의 길이가 0.01 mm 내지 2mm의 범위 내에 있는 전극.
  6. 제 1 항에 있어서, 활물질층은 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하고, 절연층은, 바인더로서, 스타이렌부타디엔 고무 또는, 스타이렌부타디엔 라텍스를 포함하는 전극.
  7. 제 1 항에 있어서, 활물질층은 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하고, 절연층은, 바인더로서, 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하는 전극.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 절연층은 세라믹을 추가로 포함하는 전극.
  9. 제 8 항에 있어서, 세라믹은, AlO(OH), Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3 및 Mg(OH)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 전극.
  10. 집전체층상에 전극 활물질층용 조성물을 도포하는 단계; 및
    집전체층상에 절연층용 조성물을 도포하는 단계를 포함하는 전극의 제조 방법으로서,
    상기 전극 활물질층용 조성물과 절연층용 조성물은, 전극 활물질층과 절연층이, 상기 집전체층의 표면 법선 방향과 수직한 방향으로 따라서 나란히 형성되면서, 서로 중첩되는 영역를 형성하도록 도포되고,
    상기 절연층용 조성물은, 하기 식 4를 만족하는 두께로 도포되는 전극의 제조 방법:
    [식 4]
    TL≤Tmax
    식 4에서, Tmax는 절연층의 최대 평균 두께이고, TL은, 상기 절연층용 조성물의 도포 두께이다.
  11. 제 10 항에 있어서, 절연층의 최대 평균 두께를 전극 활물질층의 평균 두께 및 최대 중첩 영역에 따라 결정하는 전극의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 식 4의 Tmax는 하기 식 5에 따라 정해지는 전극의 제조 방법:
    [식 5]
    Tmax=Ta×{a×exp(b×L)-c}
    식 5에서 Ta는 활물질층의 평균 두께이고, L은 중첩 영역의 최대 길이이며, a는 0.55 내지 0.95의 범위 내의 수이며, b는 -0.8 내지 -0.2의 범위 내의 수이고, c는 0.001 내지 0.004의 범위 내의 수이다.
  13. 제 10 항에 있어서, 활물질층용 조성물은 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하고, 절연층용 조성물은, 바인더로서, 스타이렌부타디엔 고무 또는, 스타이렌부타디엔 라텍스를 포함하는 전극의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 활물질층용 조성물은 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하고, 절연층용 조성물은, 바인더로서, 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하는 전극의 제조 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 절연층용 조성물은 추가로 세라믹을 포함하는 전극의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 세라믹은, AlO(OH), Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3 및 Mg(OH)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 전극의 제조 방법.
  17. 음극; 양극; 및 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 음극과 양극이 상기 세퍼레이터를 사이에 두고 적층되어 있으며,
    상기 음극 및 양극 중 적어도 하나가 제 1 항에 따른 전극인 전극 조립체.
  18. 제 1 항의 전극을 포함하는 2차 전지.
KR1020220087346A 2021-07-15 2022-07-15 전극 KR20230012439A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/272,093 US20240145722A1 (en) 2021-07-15 2022-07-15 Electrode
PCT/KR2022/010348 WO2023287240A1 (ko) 2021-07-15 2022-07-15 전극
JP2023539040A JP2024500503A (ja) 2021-07-15 2022-07-15 電極

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210092788 2021-07-15
KR20210092788 2021-07-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230012439A true KR20230012439A (ko) 2023-01-26

Family

ID=85110651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220087346A KR20230012439A (ko) 2021-07-15 2022-07-15 전극

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4261914A1 (ko)
KR (1) KR20230012439A (ko)
CN (1) CN116830350A (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117276518A (zh) * 2023-11-13 2023-12-22 云南坤天新能源有限公司 一种锡基合金硬碳复合材料及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014142458A1 (ko) 2013-03-11 2014-09-18 주식회사 엘지화학 양극 탭 상에 절연층을 포함하는 양극 및 이를 포함하는 이차 전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014142458A1 (ko) 2013-03-11 2014-09-18 주식회사 엘지화학 양극 탭 상에 절연층을 포함하는 양극 및 이를 포함하는 이차 전지

Also Published As

Publication number Publication date
CN116830350A (zh) 2023-09-29
EP4261914A1 (en) 2023-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102274362B1 (ko) 리튬 이차전지용 절연층 형성용 조성물 및 이를 이용한 리튬 이차전지용 전극의 제조방법
KR102264738B1 (ko) 리튬 이차전지용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102227313B1 (ko) 이차전지용 양극재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102135284B1 (ko) 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102533811B1 (ko) 이차전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지
US11189827B2 (en) Method for preparing positive electrode active material for secondary battery, positive electrode active material thus prepared and lithium secondary battery including the same
KR20210060191A (ko) 음극 및 이를 포함하는 이차전지
EP4261914A1 (en) Electrode
KR20210146521A (ko) 리튬 이차전지의 퇴화 원인 진단 방법
KR20200118767A (ko) 이차전지용 양극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20230064477A (ko) 부착 증진층이 코팅된 양극 집전체의 제조방법 및 그로부터 제조된 부착 증진층이 코팅된 양극 집전체, 리튬 이차 전지용 양극의 제조방법 및 그로부터 제조된 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102568566B1 (ko) 이차전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20210136842A (ko) 수분과의 반응성이 완화된 고-니켈 전극 시트 및 이의 제조방법
KR102646711B1 (ko) 높은 결정화도를 가지는 바인더를 포함하는 이차전지용 다층 전극
US20240145722A1 (en) Electrode
KR102172154B1 (ko) 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 이차전지
KR20210093641A (ko) 리튬 이차전지용 전극 활물질의 퇴화 진단 방법
KR20210034984A (ko) 전지 시스템, 이의 사용방법, 및 이를 포함하는 전지 팩
KR102535228B1 (ko) 음극 및 리튬 이차전지
EP4310942A1 (en) Lithium secondary battery allowing easy state estimation
EP4328993A1 (en) Electrode and electrode manufacturing method
US20240194872A1 (en) Positive Electrode and Lithium Secondary Battery Manufactured Using Same
US20240145682A1 (en) Lithium secondary battery having improved stability
KR102288295B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 리튬 이차 전지
KR20230047548A (ko) 리튬 이차 전지용 음극, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지