KR20230097312A - Porous copper three-dimensional current collector and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20230097312A
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박남우
김희연
김중곤
박장우
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주식회사 나노신소재
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a porous copper three-dimensional current collector and a porous copper three-dimensional current collector manufactured therefrom. The method includes the following steps of: (a) producing ink by dissolving polymer resin in a mixture solvent comprising water, an aqueous miscible polar solvent miscible with water, having a boiling point below 100℃ and a vapor pressures of no less than 10 ㎪ at 25℃, and a non-aqueous miscible non-polar solvent dissolved in water to no more than 5 g/L, having a boiling point above 100℃ and having a vapor pressure of less than 10 ㎪ at 25℃; (b) forming a nonconductive structure by coating the ink on copper foil, and then drying the ink; (c) electrolytically copper-plating the surface of the copper foil on which the nonconductive structure has been formed; and (d) manufacturing a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure by removing the nonconductive structure. Therefore, the present invention is capable of improving productivity by enabling process automation and mass production.

Description

다공성 구리 입체집전체 및 이의 제조 방법 {Porous copper three-dimensional current collector and manufacturing method thereof}Porous copper three-dimensional current collector and manufacturing method thereof {Porous copper three-dimensional current collector and manufacturing method thereof}

본 발명은 다공성 구리 입체집전체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous copper three-dimensional current collector and a method for manufacturing the same.

이차전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치로 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰이며, 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 (NiMH), 리튬이온(Li-ion) 전지, 리튬이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다.A secondary battery is a device that converts external electrical energy into chemical energy and stores it to generate electricity when needed. There are lead acid batteries, nickel-cadmium batteries (NiCd), nickel hydrogen (NiMH), lithium ion (Li-ion) batteries, and lithium ion polymer batteries (Li-ion polymer).

리튬이차전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어 리튬이온의 원활한 이동을 가능하여 하며, 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때 일어나는 전기화학적 산화, 환원 반응에 의하여 발생하는 전자가 전기에너지를 생성하는 전지를 말한다. A lithium secondary battery uses a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions as an anode and a cathode, and inserts an organic electrolyte or a polymer electrolyte solution between the anode and the cathode to enable smooth movement of lithium ions. /A battery in which electrons generated by electrochemical oxidation and reduction reactions that occur when desorbed generate electrical energy.

리튬이차전지는 현재 상용화되어 있는 이차전지 가운데 가장 성능이 우수한 전지이며, 주로 스마트폰, 노트북 등 제한된 부피와 가벼운 무게가 요구되는 큰 제품, 즉 휴대용 제품에 주로 사용되고 있으며, 최근에는 대용량화 기술이 발전함에 따라 전기자동차 및 에너지 저장 시스템에 적용되어 고출력 에너지원으로 사용되고 있는 중이다.Lithium secondary battery is the battery with the best performance among commercially available secondary batteries, and is mainly used for large products that require limited volume and light weight, such as smartphones and laptops, that is, portable products. Accordingly, it is applied to electric vehicles and energy storage systems and is being used as a high-output energy source.

한편, 집전체는 리튬이온 이차전지(LIB)의 활물질 소재(음극 및 양극 소재)에서 발생한 전자를 수집하여 외부회로로 전달하는 동시에 전극활물질의 전극 매트릭스 역할을 하므로 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 등과 같은 중대형 전자기기에 사용되는 리튬이온 이차전지의 급속 충전 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 핵심 구성 요소이다.On the other hand, the current collector collects electrons generated from the active material (anode and cathode material) of the lithium ion secondary battery (LIB) and transfers them to the external circuit, and at the same time serves as an electrode matrix for electrode active materials, so it is used in electric vehicles and energy storage systems (ESS). It is a key component that can dramatically improve the rapid charging performance of lithium-ion secondary batteries used in mid- to large-sized electronic devices.

이차전지 음극 집전체로는 전해동박과 압연동박이 있으며, 1990년 초까지는 압연동박이 사용되었으나 이후 특성이 우수한 전해동박이 개발되어 현재까지 이차전지 음극 집전체로 사용되고 있다.There are electrodeposited copper foils and rolled copper foils as current collectors for the negative electrode of secondary batteries. Rolled copper foils were used until the early 1990s, but since then, electrodeposited copper foils with excellent characteristics have been developed and used as current collectors for negative electrodes of secondary batteries.

전해동박은 전기도금 방식에 의해 제조되어 결정구조가 수직방향을 가지는 반면, 압연동박은 용융사출(롤러/서냉)에 의해 제조되어 결정구조가 수평방향을 가진다는 점에서 차이가 있다. 이에 따라, 전해동박은 두께 조절이 용이하고, 가격이 저렴하며, 폴리이미드와의 접착력이 높다는 장점이 있으나, 낮은 굴곡성과 다양한 응용이 어렵다는 단점이 있다. 압연동박의 경우 결정구조가 치밀하고 높은 굴곡성을 가진다는 장점이 있으나, 가격이 비싸고 거칠기를 만들기 위한 산화처리 공정이 필요하며 1/2 Oz 이하의 얇은 두께를 가지는 동박의 제조가 어렵다는 단점이 있다. Electrolytic copper foil is manufactured by electroplating and has a vertical crystal structure, whereas rolled copper foil is manufactured by melting injection (roller/slow cooling) and has a horizontal crystal structure. Accordingly, the electrodeposited copper foil has advantages such as easy thickness control, low price, and high adhesive strength with polyimide, but has disadvantages such as low flexibility and difficulty in various applications. In the case of rolled copper foil, it has the advantage of having a dense crystal structure and high flexibility, but has the disadvantage of being expensive, requiring an oxidation treatment process to create roughness, and making it difficult to manufacture a copper foil having a thin thickness of 1/2 Oz or less.

또한, 전해동박은 압연동박 대비 생산되는 폭이 넓고 두께 및 물성 조정 등이 수월하여 경제성이 높아 각종 소재로의 활용이 확대되고 있다. 그러나, 집전체에서 발생하는 전자의 효율적인 전달에 의해 급속 충전 성능을 큰 폭으로 향상시킬 수 있음에도 불구하고 아직까지 집전체에 대한 급속 충전 기술의 연구개발 및 상업화는 미흡한 상태이다. In addition, electrodeposited copper foil has a wide range of production compared to rolled copper foil and is easy to adjust thickness and physical properties, so it is economically viable and its use as various materials is expanding. However, although rapid charging performance can be greatly improved by efficient transfer of electrons generated in the current collector, research and development and commercialization of fast charging technology for the current collector are still insufficient.

리튬이차전지용 집전체로 사용되는 전해동박의 핵심 특성은 두께와 표면 거칠기이며, 특히 동박의 두께를 줄이는 것이 중요하다고 할 수 있는데, 금속판의 두께를 줄이게 되면 그만큼 활물질을 코팅할 수 있는 두께가 증가하여 배터리 용량이 증가되기 때문이다. 전해동박의 두께를 줄일 때 극복해야 될 핵심과제는 기계적 강도와 주름이 생기는 변형 문제이며 최근 이차전지용 전해동박의 두께는 6 마이크로미터까지 개발되어 있는 상황이다.The core characteristics of electrodeposited copper foil used as a current collector for lithium secondary batteries are thickness and surface roughness, and it can be said that it is especially important to reduce the thickness of copper foil. Because the capacity is increased. Key challenges to be overcome when reducing the thickness of electrodeposited copper foil are mechanical strength and wrinkle deformation problems, and recently, the thickness of electrodeposited copper foil for secondary batteries has been developed up to 6 micrometers.

따라서, 입체 구조 집전체 개발 및 적용은 집전체-활물질 간 접촉 면적과 결착력을 증대시킴으로써 계면에서의 저항을 최소화시킬 수 있으며, 이를 통해 급속 충전 성능에 영향을 미치는 긴 리튬이온 확산 거리, 낮은 전자 전달 문제를 극복할 수 있다.Therefore, the development and application of a three-dimensional current collector can minimize the resistance at the interface by increasing the contact area and binding force between the current collector and the active material, and through this, long lithium ion diffusion distance and low electron transfer, which affect rapid charging performance problem can be overcome.

실제 센서, 촉매 등의 응용 분야에 적용되기 위해서는 나노 크기의 기공을 가지는 필름 형태의 폼 구조체가 요구되고 있으나, 기존의 폼을 제조하는 방법으로는 박막 형태로 나노 크기의 기공을 가지는 금속 폼을 제조하기에 부적합하다.A foam structure in the form of a film with nano-sized pores is required to be applied to applications such as actual sensors and catalysts. unsuitable for

최근에는, 이와 같은 기존의 금속 폼 제조법의 한계를 극복하기 위해 전해 도금법을 이용하여 다공성 박막을 제조하고자 하는 시도가 계속되고 있으며, 전해도금 시 구리의 전착과 동시에 수소 발생 반응이 수반되는 높은 과전압을 인가하여 전해 도금법으로 구리 폼을 제조하는 등 다양한 시도가 이루어지고 있다.Recently, attempts have been made to manufacture a porous thin film using an electrolytic plating method in order to overcome the limitations of the conventional metal foam manufacturing method, and during electroplating, high overvoltage accompanied by copper electrodeposition and hydrogen generation reaction Various attempts have been made, such as manufacturing copper foam by an electrolytic plating method by applying copper.

이러한 연구의 일환으로 대한민국 특허등록공보 제10-2032265호에는 폴리우레탄 폼의 유기 다공체를 사용하여 무전해 도금, 전해도금, 열처리로 유기 다공체 제거(불안전 연소-산화-소결 열처리), 부분 동도금 혹은 겹침 압연, 최종 압연을 통해 제조된 다공성 구리가 제시되어 있으나, 제조 공정의 복잡성, 높은 공정 온도 및 자동화가 불가능하여 생산성이 좋지 않은 문제점이 있다.As part of this research, Korean Patent Registration Publication No. 10-2032265 discloses organic porous bodies of polyurethane foam using electroless plating, electrolytic plating, heat treatment to remove organic porous bodies (unsafe combustion-oxidation-sintering heat treatment), partial copper plating or overlapping Porous copper produced through rolling and final rolling has been proposed, but there are problems in productivity due to complexity of the manufacturing process, high process temperature, and inability to automate.

또한, 대한민국 특허등록공보 제10-2176482호에는 구리 표면에 도금을 이용한 발포 형성 방법을 통해 다공성 구리를 형성하는 방법이 제시되어 있으나, 도금 시 구리표면구조체의 산화특성이 발생하여 추가적인 높은 온도와 위험한 수소가스를 사용해야 하는 환원공정이 필요하여 이 역시 대량생산이 어렵다는 문제점이 있다.In addition, Korean Patent Registration Publication No. 10-2176482 suggests a method of forming porous copper through a foaming method using plating on the copper surface, but oxidation characteristics of the copper surface structure occur during plating, resulting in additional high temperature and dangerous A reduction process that requires the use of hydrogen gas is required, and this also has a problem in that mass production is difficult.

따라서 현재 균일하게 다공성이 형성된 음극용 다공성 구리 입체집전체를 대량으로 확보할 수 있는 제조 방법이 시급히 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is an urgent need for a manufacturing method capable of securing a large amount of a porous copper three-dimensional current collector for a negative electrode having uniform porosity.

대한민국 특허등록공보 제10-2032265호 (2019.10.08)Republic of Korea Patent Registration No. 10-2032265 (2019.10.08) 대한민국 특허등록공보 제10-2176482호 (2020.11.03)Republic of Korea Patent Registration No. 10-2176482 (2020.11.03)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 균일한 다공성을 가지며, 대량 생산이 가능한 다공성 구리 입체집전체 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a porous copper three-dimensional collector and a method for manufacturing the same, which have uniform porosity and can be mass-produced.

다만 상기 목적은 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, the above purpose is exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 a) 물, 물과 완전히 혼화(miscible)되며, 끓는점이 100℃ 미만이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 이상인 수혼화성 극성 용매, 및 물에 5 g/L 이하로 용해되며, 끓는점이 100℃ 초과이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 미만인 비수혼화성 비극성 용매로 이루어진 혼합 용매에 고분자 수지 용해시켜 잉크를 제조하는 단계; b) 동박 상에 상기 잉크를 코팅한 후 건조시켜 비전도성 구조체를 형성하는 단계; c) 상기 비전도성 구조체가 형성된 동박의 표면을 전해동도금 하는 단계; 및 d) 상기 비전도성 구조체를 제거하여 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체를 제조하는 단계;를 포함하는, 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object is a) water, a water-miscible polar solvent that is completely miscible with water, has a boiling point of less than 100 ° C, and has a vapor pressure of 10 kPa or more at 25 ° C., and 5 Preparing an ink by dissolving a polymer resin in a mixed solvent composed of a non-water miscible non-polar solvent having a boiling point of greater than 100 ° C and a vapor pressure of less than 10 kPa at 25 ° C.; b) forming a non-conductive structure by coating the ink on a copper foil and then drying the ink; c) electroplating the surface of the copper foil on which the non-conductive structure is formed; and d) manufacturing a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure by removing the non-conductive structure.

상기 일 양태에 있어, 상기 수혼화성 극성 용매는 아세톤이며, 상기 비수혼화성 비극성 용매는 톨루엔인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In the above aspect, the water-miscible polar solvent may be acetone, and the water-miscible non-polar solvent may be toluene.

상기 일 양태에 있어, 상기 물 : 수혼화성 극성 용매 : 비수혼화성 비극성 용매의 중량비는 1 : 2 내지 5 : 0.5 내지 1.5일 수 있다.In the above aspect, the weight ratio of water: water-miscible polar solvent: non-water-miscible non-polar solvent may be 1:2 to 5:0.5 to 1.5.

상기 일 양태에 있어, 상기 고분자 수지는 잉크 총 중량 중 0.5 내지 5 중량%로 용해될 수 있다.In the above aspect, the polymer resin may be dissolved in an amount of 0.5 to 5% by weight of the total weight of the ink.

상기 일 양태에 있어, 상기 b)단계는 Ÿ‡(wet) 코팅 두께 300 ㎛ 이하로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the above aspect, step b) may be characterized in that the (wet) coating is coated with a thickness of 300 μm or less.

또한, 본 발명의 다른 일 양태는 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure.

상기 다른 일 양태에 있어, 상기 딤플의 평균 직경 크기는 10 내지 300 ㎛일 수 있다.In the other aspect, the average diameter of the dimples may be 10 to 300 μm.

본 발명에 따른 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법은 잉크로 동박을 표면처리한 후 전해동도금 하는 간단한 방법을 통해 균일한 딤플 구조의 표면 구조를 가지는 다공성 구리 입체집전체를 효과적으로 제조할 수 있으며, 이에 따라 공정 자동화 및 대량생산이 가능해져 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.The manufacturing method of the porous copper three-dimensional current collector according to the present invention can effectively manufacture a porous copper three-dimensional current collector having a uniform dimple structure surface structure through a simple method of surface treatment of copper foil with ink and then electrolytic copper plating. It has the advantage of improving productivity by enabling process automation and mass production.

또한, 이를 통해 제조되는 딤플 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체는 집전체와 활물질 간 접촉 면적과 결착력이 증대되어 계면에서의 저항을 최소화시킬 수 있으며, 이를 통해 급속 충전 성능에 영향을 미치는 긴 리튬이온 확산 거리, 낮은 전자 전달 문제를 극복할 수 있다.In addition, the porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure manufactured through this can increase the contact area and binding force between the current collector and the active material to minimize resistance at the interface, thereby affecting fast charging performance It can overcome the problems of long lithium ion diffusion distance and low electron transport.

도 1은 본 발명에 따른 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법을 간략하게 나태난 제조 공정도이다.
도 2는 딤플 구조의 표면 형상을 가진 다공성 구리 입체집전체 표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 잉크 코팅 전후의 동박의 실사진이다.
도 4는 비전도성 구조체의 SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 3와 비교예 1의 구리 집전체를 각각 사용하여 제조된 이차전지의 급속 충전 성능 평과 결과이다.
1 is a manufacturing process diagram briefly showing a manufacturing method of a porous copper three-dimensional current collector according to the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure.
3 is a real picture of copper foil before and after ink coating.
4 is a SEM image of a non-conductive structure.
5 is a rapid charging performance evaluation result of secondary batteries manufactured using the copper current collectors of Example 3 and Comparative Example 1, respectively.

이하 본 발명에 따른 다공성 구리 입체집전체 및 이의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, a porous copper three-dimensional current collector and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily obscure are omitted.

본 발명의 일 양태는 a) 물, 물과 완전히 혼화(miscible)되며, 끓는점이 100℃ 미만이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 이상인 수혼화성 극성 용매, 및 물에 5 g/L 이하로 용해되며, 끓는점이 100℃ 초과이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 미만인 비수혼화성 비극성 용매로 이루어진 혼합 용매에 고분자 수지 용해시켜 잉크를 제조하는 단계; b) 동박 상에 상기 잉크를 코팅한 후 건조시켜 비전도성 구조체를 형성하는 단계; c) 상기 비전도성 구조체가 형성된 동박의 표면을 전해동도금 하는 단계; 및 d) 상기 비전도성 구조체를 제거하여 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체를 제조하는 단계;를 포함하는 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention is a) water, a water-miscible polar solvent that is completely miscible with water, has a boiling point of less than 100 ° C, and a vapor pressure at 25 ° C of 10 kPa or more, and dissolves in water to 5 g / L or less preparing an ink by dissolving a polymer resin in a mixed solvent composed of a non-water-miscible non-polar solvent having a boiling point of greater than 100° C. and a vapor pressure of less than 10 kPa at 25° C.; b) forming a non-conductive structure by coating the ink on a copper foil and then drying the ink; c) electroplating the surface of the copper foil on which the non-conductive structure is formed; and d) manufacturing a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure by removing the non-conductive structure.

이처럼, 본 발명에 따른 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법은 잉크로 동박을 표면처리한 후 전해동도금 하는 간단한 방법을 통해 균일한 딤플 구조의 표면 구조를 가지는 다공성 구리 입체집전체를 효과적으로 제조할 수 있으며, 이에 따라 공정 자동화 및 대량생산이 가능해져 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.As such, the method for manufacturing a porous copper three-dimensional current collector according to the present invention can effectively manufacture a porous copper three-dimensional current collector having a uniform dimple structure surface structure through a simple method of surface treatment of copper foil with ink and then electrolytic copper plating, As a result, process automation and mass production are possible, which has the advantage of improving productivity.

이하, 본 발명의 일 예에 따른 다공성 구리 입체집전체 제조 방법의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, each step of the method for manufacturing a porous copper three-dimensional current collector according to an example of the present invention will be described in detail.

먼저, a) 물, 물과 완전히 혼화(miscible)되며, 끓는점이 100℃ 미만이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 이상인 수혼화성 극성 용매, 및 물에 5 g/L 이하로 용해되며, 끓는점이 100℃ 초과이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 미만인 비수혼화성 비극성 용매로 이루어진 혼합 용매에 고분자 수지 용해시켜 잉크를 제조하는 단계를 수행할 수 있다.First, a) water, a water-miscible polar solvent that is completely miscible with water, has a boiling point of less than 100 ° C, and has a vapor pressure of 10 kPa or more at 25 ° C., and dissolves in water at 5 g / L or less and has a boiling point A step of preparing an ink may be performed by dissolving a polymer resin in a mixed solvent composed of a non-water miscible non-polar solvent having a vapor pressure of less than 10 kPa at 25 °C and higher than 100 °C.

이와 같이 물, 수혼화성 극성 용매 및 비수혼화성 비극성 용매로 이루어진 혼합 용매를 사용함으로써 고분자 수지를 잘 용해시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동박 상에 코팅 및 건조시킨 후 미세하면서도 균일한 표면 패턴을 가진 비전도성 구조체를 형성할 수 있다.In this way, by using a mixed solvent composed of water, a water-miscible polar solvent, and a water-miscible non-polar solvent, the polymer resin can be well dissolved, and after coating and drying on the copper foil, a non-conductive surface having a fine and uniform surface pattern structure can be formed.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 수혼화성 극성 용매는 물에 잘 용해되면서도 쉽게 휘발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 동박 상에 잉크를 코팅한 후 건조시키면 수혼화성 극성 용매가 잘 휘발되어 동박의 표면에 마이크론 수준의 크기를 가지는 비전도성 구조체가 형성될 수 있다.In one example of the present invention, it is preferable to use a water-miscible polar solvent that is easily volatilized while being well soluble in water. Through this, when the ink is coated on the copper foil and then dried, the water-miscible polar solvent is well volatilized, and a non-conductive structure having a size of a micron level can be formed on the surface of the copper foil.

구체적인 일 예시로, 상기 수혼화성 극성 용매는 물과 완전히 혼화(miscible)되며, 끓는점이 100℃ 미만이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 이상인 것일 수 있으며, 보다 좋게는 끓는점이 40~80℃이고, 25℃에서의 증기압이 15~50 ㎪인 것일 수 있고, 더욱 좋게는 끓는점이 50~60℃이고, 25℃에서의 증기압이 25~40 ㎪인 것일 수 있다. 이를 만족하는 바람직한 수혼화성 극성 용매는 아세톤일 수 있다. 이를 사용함으로써 실온에서 적당한 속도로 아세톤이 휘발되어 보다 균일한 미세 패턴을 가진 비전도성 구조체를 형성할 수 있다.As a specific example, the water-miscible polar solvent is completely miscible with water, has a boiling point of less than 100 ° C, and may have a vapor pressure of 10 kPa or more at 25 ° C., and more preferably a boiling point of 40 to 80 ° C. , The vapor pressure at 25 ° C. may be 15 to 50 kPa, and more preferably, the boiling point may be 50 to 60 ° C., and the vapor pressure at 25 ° C. may be 25 to 40 kPa. A preferred water-miscible polar solvent that satisfies this may be acetone. By using this, it is possible to form a non-conductive structure having a more uniform fine pattern by volatilizing acetone at an appropriate rate at room temperature.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 비수혼화성 비극성 용매는 물에 잘 섞이지 않으면서 고분자 수지를 잘 용해시킬 수 있으며, 낮은 휘발성을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 동박 상에 잉크를 코팅한 후 수혼화성 극성 용매가 휘발 제거되면 동박의 표면에 마이크론 수준의 크기를 가지는 비전도성 구조체가 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, it is preferable to use the water-miscible, non-polar solvent that is not miscible with water, can dissolve the polymer resin well, and has low volatility. Through this, after coating the ink on the copper foil, when the water-miscible polar solvent is volatilized and removed, a non-conductive structure having a size of a micron level can be formed on the surface of the copper foil.

구체적인 일 예시로, 상기 비수혼화성 비극성 용매는 물에 5 g/L 이하로 용해되며, 끓는점이 100℃ 초과이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 미만인 것일 수 있으며, 보다 좋게는 물에 3 g/L 이하로 용해되며, 끓는점이 105℃ 초과이고, 25℃에서의 증기압이 6 ㎪ 미만인 것일 수 있고, 더욱 좋게는 물에 0.1~1 g/L로 용해되며, 끓는점이 105~140℃이고, 25℃에서의 증기압이 1~3.5 ㎪인 것일 수 있다. 이때, 상기 물에 대한 용해도는 20℃에서 측정된 값을 기준으로 한 것일 수 있다. 이를 만족하는 바람직한 비수혼화성 비극성 용매는 톨루엔일 수 있다. 이를 사용함으로써 특히 폴리스티렌을 효과적으로 용해시킬 수 있으며, 균일한 미세 패턴을 가진 비전도성 구조체를 형성할 수 있다.As a specific example, the non-water miscible non-polar solvent is soluble in water at 5 g/L or less, has a boiling point greater than 100°C, and may have a vapor pressure at 25°C of less than 10 kPa, and more preferably 3 g in water. /L or less, boiling point greater than 105 ° C, vapor pressure at 25 ° C may be less than 6 kPa, more preferably soluble in water at 0.1 to 1 g / L, boiling point 105 to 140 ° C, It may have a vapor pressure of 1 to 3.5 kPa at 25 ° C. In this case, the solubility in water may be based on a value measured at 20 ° C. A preferred water-miscible non-polar solvent that satisfies this may be toluene. By using this, polystyrene can be effectively dissolved, and a non-conductive structure having a uniform fine pattern can be formed.

아울러, 고분자 수지의 용해성 향상과 비전도성 구조체의 패턴이 보다 균일하며 미세한 크기를 가지도록 하기 위해서는 혼합 용매 내 물, 수혼화성 극성 용매 및 비수혼화성 비극성 용매의 비율이 특히 중요하다. 혼합 용매 내 비수혼화성 비극성 용매의 비율이 너무 낮으면 고분자 수지가 완전히 용해되지 않아 패턴의 모양 및 크기가 불규칙해질 수 있으며, 비수혼화성 비극성 용매의 비율이 너무 높으면 혼합 용매의 휘발 속도가 너무 늦어짐에 따라 원하는 미세패턴을 가진 비전도성 구조체가 형성되지 않을 수 있으며, 최종적으로 딤플 구조의 표면 형상을 가진 다공성 구리 입체집전체의 제조가 어려울 수 있다.In addition, the ratio of water, water-miscible polar solvent, and water-non-water-miscible non-polar solvent in the mixed solvent is particularly important in order to improve the solubility of the polymer resin and to have a more uniform and fine-sized pattern of the non-conductive structure. If the ratio of the non-polar solvent, which is miscible with water in the mixed solvent, is too low, the polymer resin is not completely dissolved, and the shape and size of the pattern may become irregular. Accordingly, a non-conductive structure having a desired micropattern may not be formed, and finally, it may be difficult to manufacture a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure.

바람직한 일 예시로, 상기 물 : 수혼화성 극성 용매 : 비수혼화성 비극성 용매의 중량비는 1 : 2 내지 5 : 0.5 내지 1.5일 수 있으며, 보다 좋게는 상기 물 : 수혼화성 극성 용매 : 비수혼화성 비극성 용매의 중량비는 1 : 3 내지 4 : 0.8 내지 1.2일 수 있다. 이와 같은 범위에서 원하는 미세패턴을 가진 비전도성 구조체가 효과적으로 형성되어 차후 딤플 구조의 표면 형상을 가진 다공성 구리 입체집전체를 제조할 수 있다.As a preferred example, the weight ratio of water: water-miscible polar solvent: non-water-miscible non-polar solvent may be 1: 2 to 5: 0.5 to 1.5, more preferably the water: water-miscible polar solvent: non-water-miscible non-polar solvent. The weight ratio of may be 1: 3 to 4: 0.8 to 1.2. In this range, a non-conductive structure having a desired micropattern is effectively formed, so that a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure can be manufactured later.

한편, 본 발명의 일 예에 있어, 상기 고분자 수지는 비수혼화성 비극성 용매에 잘 용해되면서 전기가 통하지 않아 전해도금 되지 않는 비도금성 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적인 일 예시로 폴리스티렌을 사용하는 것이 전해동도금 시 10 내지 300 ㎛의 평균 직경 크기를 가지는 딤플 구조를 형성함에 있어 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 폴리스티렌은 중량평균분자량 10,000 내지 150,000 g/mol인 것일 수 있다.On the other hand, in one example of the present invention, it is preferable to use a non-platable material that is not electrolytically plated because the polymer resin dissolves well in a non-water miscible non-polar solvent and does not conduct electricity, and as a specific example, polystyrene is used. During electrolytic copper plating, it is preferable to form a dimple structure having an average diameter of 10 to 300 μm. More specifically, the polystyrene may have a weight average molecular weight of 10,000 to 150,000 g/mol.

이와 같은 상기 고분자 수지는 잉크 총 중량 중 0.5 내지 5 중량%로 용해될 수 있으며, 보다 좋게는 1 내지 4 중량%, 더욱 좋게는 2 내지 3 중량%로 용해될 수 있다. 이와 같은 범위에서 수혼화성 극성 용매가 휘발되고 난 후 남은 잉크가 적정한 점도를 가져 원하는 미세패턴을 가진 비전도성 구조체가 효과적으로 형성될 수 있으며, 전해동도금 시 10 내지 300 ㎛의 평균 직경 크기를 가지는 딤플 구조를 형성할 수 있다.The polymer resin may be dissolved in 0.5 to 5% by weight of the total weight of the ink, more preferably 1 to 4% by weight, and more preferably 2 to 3% by weight. In this range, after the water-miscible polar solvent is volatilized, the remaining ink has an appropriate viscosity, so that a non-conductive structure having a desired micropattern can be effectively formed, and a dimple structure having an average diameter of 10 to 300 μm during electrolytic copper plating. can form

다음으로, b) 동박 상에 상기 잉크를 코팅한 후 건조시켜 비전도성 구조체를 형성하는 단계를 수행할 수 있다.Next, b) coating the ink on the copper foil and then drying it to form a non-conductive structure may be performed.

보다 구체적인 일 예시로, 상기 b)단계는 Ÿ‡(wet) 코팅 두께 300 ㎛ 이하로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이를 통해 원하는 미세패턴을 가진 비전도성 구조체를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 Ÿ‡(wet) 코팅 두께는 0.1 내지 300 ㎛, 보다 좋게는 0.3 내지 200 ㎛, 더욱 좋게는 0.5 내지 100 ㎛, 특히 좋게는 1 내지 50 ㎛일 수 있다.As a more specific example, step b) may be characterized in that the (wet) coating is coated with a thickness of 300 μm or less. Through this, it is possible to form a non-conductive structure having a desired micropattern. More specifically, the (wet) coating thickness may be 0.1 to 300 μm, more preferably 0.3 to 200 μm, more preferably 0.5 to 100 μm, and particularly preferably 1 to 50 μm.

이때, 상기 잉크를 코팅하는 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정하지 않으며, 구체적으로 예를 들면 바 코팅, 스프레이 코팅, 초음파 스프레이 코팅, 콤마 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로그라비아 코팅, 슬릿다이 코팅, 롤러 코팅, 잉크젯 프린팅, 패드 프린팅, 스크린 인쇄, 로타리 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 리버스 옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 디스펜싱 코팅 및 에어로젤 증착 등에서 선택되는 하나 이상의 방법을 사용할 수 있다.At this time, the method of coating the ink is not particularly limited as long as it is a method commonly used in the art, and specifically, for example, bar coating, spray coating, ultrasonic spray coating, comma coating, gravure coating, microgravure coating, slit die One or more methods selected from coating, roller coating, inkjet printing, pad printing, screen printing, rotary screen printing, gravure printing, gravure offset printing, reverse offset printing, flexographic printing, dispensing coating, and airgel deposition may be used.

다음으로, c) 상기 비전도성 구조체가 형성된 동박의 표면을 전해동도금 하는 단계를 수행할 수 있으며, 전해동도금 방법은 통상적인 방법에 따라 수행될 수 있다.Next, c) electrolytic copper plating of the surface of the copper foil on which the non-conductive structure is formed may be performed, and the electrolytic copper plating method may be performed according to a conventional method.

바람직한 일 예시로, CuSO45H2O 20 ~ 80 g/ℓ(Cu 기준), 황산(H2SO4) 120 ~ 140 g/ℓ, 염산(HCl) 10 ~ 30 ppm 및 젤라틴계 첨가제 1 ~ 5 ppm을 포함하는 동도금욕에 상기 비전도성 구조체가 형성된 동박을 침지시킨 후 1 내지 10 A의 전류를 1 내지 10분 동안 인가하여 전해동도금을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 6 A의 전류를 2 내지 5분 동안 인가하여 전해동도금을 수행할 수 있다. 이와 같은 범위로 전해동도금을 수행함으로써 원하는 딤플 구조의 표면 형상을 가지면서도 인장강도가 20 kgf/㎟ 이상인 다공성 구리 입체집전체를 제조할 수 있다.As a preferred example, CuSO 4 5H 2 O 20 ~ 80 g / ℓ (based on Cu), sulfuric acid (H 2 SO 4 ) 120 ~ 140 g / ℓ, hydrochloric acid (HCl) 10 ~ 30 ppm and gelatin additives 1 ~ 5 After immersing the copper foil on which the non-conductive structure is formed in a copper plating bath containing ppm, electrolytic copper plating may be performed by applying a current of 1 to 10 A for 1 to 10 minutes, preferably a current of 3 to 6 A Electrolytic copper plating may be performed by applying for 2 to 5 minutes. By performing the electrolytic copper plating within this range, it is possible to manufacture a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a desired dimple structure and having a tensile strength of 20 kgf/mm 2 or more.

이후, d) 상기 비전도성 구조체를 제거하여 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체를 제조하는 단계를 수행할 수 있다. Thereafter, d) manufacturing a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure by removing the non-conductive structure may be performed.

상기 비전도성 구조체는 용매를 사용하여 제거될 수 있으며, 이때 용매는 앞서 사용된 고분자 수지를 잘 용해시켜 제거할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면 상기 용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등의 알코올계 용매, 톨루엔, 자일렌 등의 아로마틱 탄화수소계 용매 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The non-conductive structure may be removed using a solvent. At this time, the solvent may be used without particular limitation as long as it can be removed by dissolving the previously used polymer resin. Specifically, for example, the solvent may be any one or two or more selected from the group consisting of alcohol-based solvents such as methanol, ethanol, and isopropanol, and aromatic hydrocarbon-based solvents such as toluene and xylene, but are not necessarily limited thereto. .

또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법으로부터 제조된 다공성 구리 입체집전체에 관한 것으로, 상세하게는 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a porous copper three-dimensional current collector prepared from the method of manufacturing a porous copper three-dimensional current collector described above, and in detail, to a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure it's about

앞서 제조 방법에서 설명한 바와 같이, 전술한 제조 방법을 통해 제조되는 딤플 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체는 집전체와 활물질 간 접촉 면적과 결착력이 증대되어 계면에서의 저항을 최소화시킬 수 있으며, 이를 통해 급속 충전 성능에 영향을 미치는 긴 리튬이온 확산 거리, 낮은 전자 전달 문제를 극복할 수 있다.As described in the manufacturing method above, the porous copper three-dimensional current collector having a dimple structure surface shape manufactured through the above manufacturing method increases the contact area and binding force between the current collector and the active material, thereby minimizing resistance at the interface, , it can overcome the problems of long lithium ion diffusion distance and low electron transfer that affect fast charging performance.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 다공성 구리 입체집전체에 있어, 상기 딤플의 평균 직경 크기는 10 내지 300 ㎛일 수 있으며, 이는 코팅 방법에 의해 조절될 수 있다.More specifically, in the porous copper three-dimensional current collector according to one embodiment of the present invention, the average diameter of the dimples may be 10 to 300 μm, which may be controlled by a coating method.

또한, 상기 다공성 구리 입체집전체의 인장강도는 20 kgf/㎟ 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로는 20 내지 50 kgf/㎟, 더욱 구체적으로는 25 내지 35 kgf/㎟일 수 있다. 나아가, 상기 다공성 구리 입체집전체의 표면조도(Rz)는 4 ㎛ 이하, 보다 좋게는 3 ㎛ 이하, 더욱 좋게는 2 ㎛ 이하일 수 있으며, 연신율은 3% 이상, 보다 좋게는 4% 이상, 더욱 좋게는 5% 이상일 수 있고, 평판 집전체(아무 처리되지 않은 동박 기재) 대비 비표면적 증가율은 5% 이상, 보다 좋게는 10% 이상, 더욱 좋게는 15% 이상일 수 있다.. 이와 같은 범위에서 이차전지의 음극 집전체로 활용할 시 더욱 우수한 전지 성능을 구현할 수 있다. 이때, 상기 표면조도의 하한은 0 초과일 수 있으며, 연신율의 상한은 10%일 수 있고, 비표면적 증가율의 상한은 30%일 수 있다.In addition, the tensile strength of the porous copper three-dimensional current collector may be 20 kgf/mm 2 or more, more specifically 20 to 50 kgf/mm 2 , and more specifically 25 to 35 kgf/mm 2 . Furthermore, the surface roughness (Rz) of the porous copper three-dimensional current collector may be 4 μm or less, more preferably 3 μm or less, and even more preferably 2 μm or less, and the elongation is 3% or more, more preferably 4% or more, still more may be 5% or more, and the specific surface area increase rate compared to the flat current collector (copper foil base material that has not been treated) may be 5% or more, more preferably 10% or more, and even more preferably 15% or more. Within this range, the secondary battery When used as an anode current collector for a battery, better battery performance can be realized. In this case, the lower limit of the surface roughness may be greater than 0, the upper limit of the elongation rate may be 10%, and the upper limit of the specific surface area increase rate may be 30%.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 다공성 구리 입체집전체 및 이의 제조 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a porous copper three-dimensional current collector and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only one reference for explaining the present invention in detail, but the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is merely to effectively describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. In addition, the unit of additives not specifically described in the specification may be % by weight.

[실시예 1] [Example 1]

에이스클린(염기탈지제/OKUNO chemical) 40 중량부를 물 1000 중량부에 녹인 용액에 동박을 침지시킨 후 50℃에서 2분간 탈지시킨 후 수세한 다음, 탑산(산탈지제/OKUNO chemical) 75 중량부를 물 1000 중량부에 녹인 용액으로 실온에서 1분간 세척 후 수세하고 60℃에서 수분을 건조시켜 동박을 준비하였다.After immersing the copper foil in a solution of 40 parts by weight of Ace Clean (base degreaser/OKUNO chemical) dissolved in 1000 parts by weight of water, degreased at 50°C for 2 minutes, washed with water, and then 75 parts by weight of top acid (acid degreaser/OKUNO chemical) 1000 parts by weight of water. Copper foil was prepared by washing with a solution dissolved in parts by weight for 1 minute at room temperature, washing with water, and drying water at 60 ° C.

별도로, 물 100 중량부에 대하여 아세톤 550 중량부 및 톨루엔 100 중량부를 혼합하여 혼합 용매를 제조한 후, 이 혼합 용매에 폴리스티렌(중량평균분자량 31,200 g/mol(n=300)) 30 중량부를 용해시켜 비전도성 잉크를 준비하였다.Separately, a mixed solvent was prepared by mixing 550 parts by weight of acetone and 100 parts by weight of toluene with respect to 100 parts by weight of water, and then 30 parts by weight of polystyrene (weight average molecular weight 31,200 g/mol (n = 300)) was dissolved in the mixed solvent. A non-conductive ink was prepared.

상기 전처리된 동박 상에 상기 비전도성 잉크를 Ÿ‡(wet) 코팅 두께 16 ㎛가 되도록 바코팅한 후 80℃ 오븐에서 20분간 건조시켜 비전도성 구조체를 형성하였다.The non-conductive ink was bar-coated on the pretreated copper foil to have a wet coating thickness of 16 μm, and then dried in an oven at 80° C. for 20 minutes to form a non-conductive structure.

다음으로, CuSO45H2O 50 g/ℓ(Cu 기준), 황산(H2SO4) 130 g/ℓ, 염산(HCl) 20 ppm 및 젤라틴 3 ppm을 포함하는 동도금욕에 상기 비전도성 구조체가 형성된 동박을 침지시킨 후 4 A의 전류를 3분 동안 인가하여 전해동도금을 수행한 후 수세하고 건조하였다.Next, the non-conductive structure is placed in a copper plating bath containing 50 g/ℓ of CuSO 4 5H 2 O (based on Cu), 130 g/ℓ of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), 20 ppm of hydrochloric acid (HCl), and 3 ppm of gelatin. After immersing the formed copper foil, electrolytic copper plating was performed by applying a current of 4 A for 3 minutes, followed by washing with water and drying.

끝으로, 톨루엔 및 에탄올로 비전도성 구조체를 용해시켜 제거하여 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체를 제조하였다.Finally, a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure was prepared by dissolving and removing the non-conductive structure with toluene and ethanol.

[실시예 2 내지 12][Examples 2 to 12]

혼합 용매 및 폴리스티렌 수지의 첨가량을 하기 표 1에 기재된 바와 같이 달리한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.All processes were performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of the mixed solvent and the polystyrene resin was changed as shown in Table 1 below.

[비교예 1][Comparative Example 1]

에이스클린(염기탈지제/OKUNO chemical) 40 중량부를 물 1000 중량부에 녹인 용액에 동박을 침지시킨 후 50℃에서 2분간 탈지시킨 후 수세한 다음, 탑산(산탈지제/OKUNO chemical) 75 중량부를 물 1000 중량부에 녹인 용액으로 실온에서 1분간 세척 후 수세하고 60℃에서 수분을 건조시켜 동박을 준비하였다.After immersing the copper foil in a solution of 40 parts by weight of Ace Clean (base degreaser/OKUNO chemical) dissolved in 1000 parts by weight of water, degreased at 50°C for 2 minutes, washed with water, and then 75 parts by weight of top acid (acid degreaser/OKUNO chemical) 1000 parts by weight of water. Copper foil was prepared by washing with a solution dissolved in parts by weight for 1 minute at room temperature, washing with water, and drying water at 60 ° C.

[비교예 2][Comparative Example 2]

수혼화성 극성 용매로 에탄올(증기압 7.9 ㎪ at 25℃)을 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.All processes were performed in the same manner as in Example 1 except that ethanol (vapor pressure 7.9 kPa at 25 ° C.) was used as a water-miscible polar solvent.

[비교예 3][Comparative Example 3]

비수혼화성 비극성 용매로 클로로포름(물에 대한 용해도 8.09 g/L at 20℃, 증기압 25.9 ㎪ at 25℃)을 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.All processes were performed in the same manner as in Example 1 except that chloroform (water solubility: 8.09 g/L at 20 °C, vapor pressure: 25.9 kPa at 25 °C) was used as the non-water miscible, non-polar solvent.

중량부parts by weight water 수혼화성 극성용매water miscible polar solvent 비수혼화성 비극성용매Non-water miscible non-polar solvent 폴리스티렌polystyrene 아세톤acetone 에탄올ethanol 톨루엔toluene 클로로포름chloroform 실시예 1Example 1 100100 550550 -- 100100 -- 3030 실시예 2Example 2 100100 550550 -- 100100 -- 5555 실시예 3Example 3 100100 550550 -- 100100 -- 7878 실시예 4Example 4 120120 550550 -- 100100 -- 7878 실시예 5Example 5 154154 550550 -- 100100 -- 7878 실시예 6Example 6 165165 550550 -- 100100 -- 7878 실시예 7Example 7 100100 100100 -- 100100 -- 7878 실시예 8Example 8 100100 350350 -- 100100 -- 7878 실시예 9Example 9 100100 670670 -- 100100 -- 7878 실시예 10Example 10 100100 670670 -- 3030 -- 7878 실시예 11Example 11 100100 670670 -- 5353 -- 7878 실시예 12Example 12 100100 670670 -- 8989 -- 7878 비교예 1Comparative Example 1 -- -- -- -- -- -- 비교예 2Comparative Example 2 100100 -- 550550 -- 100100 7878 비교예 3Comparative Example 3 100100 -- 550550 -- 100100 7878

[특성 평가][Attribute evaluation]

1) 딤플 구조 분석: 딤플 구조의 형성 유무는 주사전자현미경(SEM)을 통해 확인하였으며, 평균 직경은 SEM 이미지 내 20개의 딤플의 직경을 랜덤으로 측정하여 그 평균 값을 하기 표 2에 나타내었다.1) Dimple structure analysis: The presence or absence of the dimple structure was confirmed through a scanning electron microscope (SEM), and the average diameter was randomly measured by measuring the diameters of 20 dimples in the SEM image, and the average values are shown in Table 2 below.

2) 인장강도: 제조된 다공성 구리 입체집전체(두께: 0.015 ㎜, 폭:15 ㎜)를 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 속도 50 ㎜/분, 표점거리 61.94 ㎜의 조건으로 인장시험 시의 인장강도(kgf/㎟)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.2) Tensile strength: When a tensile test was performed on the manufactured porous copper three-dimensional current collector (thickness: 0.015 mm, width: 15 mm) using a universal testing machine (UTM) under conditions of a speed of 50 mm/min and a gauge length of 61.94 mm Tensile strength (kgf/mm2) was measured, and the results are shown in Table 2 below.

중량부parts by weight 딤플 구조
형성 유무
dimple structure
presence or absence of formation
딤플 평균 직경
(㎛)
dimple mean diameter
(μm)
인장강도
(kgf/㎟)
tensile strength
(kgf/㎟)
실시예 1Example 1 32.332.3 26.226.2 실시예 2Example 2 35.835.8 26.426.4 실시예 3Example 3 44.544.5 27.627.6 실시예 4Example 4 67.367.3 26.326.3 실시예 5Example 5 84.784.7 28.128.1 실시예 6Example 6 120.3120.3 27.527.5 실시예 7Example 7 134.8134.8 26.226.2 실시예 8Example 8 156.3156.3 26.726.7 실시예 9Example 9 189.7189.7 27.327.3 실시예 10Example 10 211.2211.2 26.426.4 실시예 11Example 11 245.6245.6 25.925.9 실시예 12Example 12 280.3280.3 26.726.7 비교예 1Comparative Example 1 XX -- 25.925.9 비교예 2Comparative Example 2 XX -- 26.026.0 비교예 3Comparative Example 3 XX -- 26.126.1

상기 표 1 및 2를 참조하면, 물, 아세톤 및 톨루엔을 적정 비율로 혼합할 시 딤플 구조의 표면 형상을 가지는 구리집전체를 제조할 수 있었으며, 혼합 용매의 비율을 조절하여 딤플 크기를 조절할 수 있음을 알 수 있었다.Referring to Tables 1 and 2, when water, acetone, and toluene were mixed in appropriate ratios, a copper current collector having a dimple structure surface shape could be manufactured, and the dimple size could be adjusted by adjusting the ratio of the mixed solvent And it was found.

반면, 혼합 용매 대비 고분자 수지의 함량이 적거나, 아세톤 대비 톨루엔의 혼합량이 너무 적은 경우 딤플 구조가 제대로 형성되지 않았다.On the other hand, when the content of the polymer resin is small compared to the mixed solvent or the mixing amount of toluene is too small compared to acetone, the dimple structure is not properly formed.

3) 이차전지 급속 충전 성능 평가:3) Secondary battery fast charging performance evaluation:

음극집전체로 실시예 3과 비교예 1의 구리집전체를 각각 사용하였으며, 구리집전체 상에 인조 흑연 97 중량%와 바인더 3 중량%를 배합하여 음극 전극을 형성하여 이차전지의 급속 충전 성능을 평가하였다.The copper current collectors of Example 3 and Comparative Example 1 were used as the negative current collector, respectively, and a negative electrode was formed by mixing 97% by weight of artificial graphite and 3% by weight of a binder on the copper current collector to improve the fast charging performance of the secondary battery. evaluated.

도 5에서 확인 되는 바와 같이, 기존 평판 구리 호일(REF)인 비교예 1의 구리집전체와 대비하여 실시예 3의 딤플 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체(test sample)를 사용한 경우, C-rate 특성이 보다 우수하였으며, 특히 0.5 C 이상에서는 약 10% 이상 C-rate 특성이 향상됨을 확인할 수 있었다.As confirmed in FIG. 5, in the case of using a porous copper three-dimensional current collector (test sample) having a surface shape of a dimple structure of Example 3 compared to the copper current collector of Comparative Example 1, which is an existing flat copper foil (REF), The C-rate characteristics were more excellent, and in particular, it was confirmed that the C-rate characteristics were improved by about 10% or more at 0.5 C or higher.

이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. Although the present invention has been described through specific details and limited examples as described above, this is only provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above examples, and the present invention belongs Various modifications and variations from these descriptions are possible to those skilled in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and it will be said that not only the claims to be described later, but also all modifications equivalent or equivalent to these claims belong to the scope of the present invention. .

Claims (12)

a) 물, 물과 혼화(miscible)되며, 끓는점이 100℃ 미만이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 이상인 수혼화성 극성 용매, 및 물에 5 g/L 이하로 용해되며, 끓는점이 100℃ 초과이고, 25℃에서의 증기압이 10 ㎪ 미만인 비수혼화성 비극성 용매로 이루어진 혼합 용매에 고분자 수지 용해시켜 잉크를 제조하는 단계;
b) 동박 상에 상기 잉크를 코팅한 후 건조시켜 비전도성 구조체를 형성하는 단계;
c) 상기 비전도성 구조체가 형성된 동박의 표면을 전해동도금 하는 단계; 및
d) 상기 비전도성 구조체를 제거하여 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체를 제조하는 단계;
를 포함하는, 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법.
a) water, water-miscible polar solvents miscible with water, boiling point less than 100°C, vapor pressure at 25°C greater than 10 kPa, and water-soluble at less than 5 g/L, boiling point greater than 100°C preparing an ink by dissolving a polymer resin in a mixed solvent composed of a water-non-miscible non-polar solvent having a vapor pressure of less than 10 kPa at 25° C.;
b) forming a non-conductive structure by coating the ink on a copper foil and then drying the ink;
c) electroplating the surface of the copper foil on which the non-conductive structure is formed; and
d) manufacturing a porous copper three-dimensional current collector having a surface shape of a dimple structure by removing the non-conductive structure;
A method for producing a porous copper three-dimensional current collector comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 수혼화성 극성 용매는 아세톤이며, 상기 비수혼화성 비극성 용매는 톨루엔인 것을 특징으로 하는, 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법.
According to claim 1,
The water-miscible polar solvent is acetone, and the water-miscible non-polar solvent is toluene.
제 1항에 있어서,
상기 물 : 수혼화성 극성 용매 : 비수혼화성 비극성 용매의 중량비는 1 : 2 내지 5 : 0.5 내지 1.5인, 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법.
According to claim 1,
The weight ratio of the water: water-miscible polar solvent: non-water-miscible non-polar solvent is 1: 2 to 5: 0.5 to 1.5, a method for producing a porous copper three-dimensional current collector.
제 1항에 있어서,
상기 고분자 수지는 잉크 총 중량 중 0.5 내지 5 중량%로 용해되는, 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법.
According to claim 1,
The polymer resin is dissolved in 0.5 to 5% by weight of the total weight of the ink, a method for producing a porous copper three-dimensional current collector.
제 1항에 있어서,
상기 b)단계는 Ÿ‡(wet) 코팅 두께 300 ㎛ 이하로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 다공성 구리 입체집전체의 제조 방법.
According to claim 1,
The step b) is a method for manufacturing a porous copper three-dimensional current collector, characterized in that the coating is coated with a Ÿ‡ (wet) coating thickness of 300 μm or less.
제1항의 제조 방법에 따라 제조되며, 딤플(dimple) 구조의 표면 형상을 가지는 다공성 구리 입체집전체.A porous copper three-dimensional current collector manufactured according to the manufacturing method of claim 1 and having a surface shape of a dimple structure. 제 6항에 있어서,
상기 딤플의 평균 직경 크기는 10 내지 300 ㎛인, 다공성 구리 입체집전체.
According to claim 6,
The average diameter of the dimples is 10 to 300 ㎛, the porous copper three-dimensional current collector.
제 6항에 있어서,
상기 다공성 구리 입체집전의 인장강도는 20 kgf/㎟ 이상인, 다공성 구리 입체집전체.
According to claim 6,
The tensile strength of the porous copper three-dimensional current collector is 20 kgf / ㎟ or more, the porous copper three-dimensional current collector.
제 6항에 있어서,
상기 다공성 구리 입체집전의 표면조도(Rz)는 4 ㎛ 이하인, 다공성 구리 입체집전체.
According to claim 6,
The surface roughness (Rz) of the porous copper three-dimensional current collector is 4 μm or less, the porous copper three-dimensional current collector.
제 6항에 있어서,
상기 다공성 구리 입체집전의 연신율은 3% 이상인, 다공성 구리 입체집전체.
According to claim 6,
The elongation of the porous copper three-dimensional current collector is 3% or more, the porous copper three-dimensional current collector.
제 6항에 있어서,
상기 다공성 구리 입체집전체는 평판 구리 집전체 대비 비표면적 증가율이 5% 이상인, 다공성 구리 입체집전체.
According to claim 6,
The porous copper three-dimensional current collector has a specific surface area increase rate of 5% or more compared to the flat copper current collector.
제 6항의 다공성 구리 입체집전체를 포함하는 이차전지.A secondary battery comprising the porous copper three-dimensional current collector of claim 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102032265B1 (en) 2019-07-02 2019-10-16 주식회사 풍산 Method for producing porous copper for a negative electrode current collector of a lithium secondary battery, and porous copper produced therefrom, and a negative electrode current collector of a lithium secondary battery
KR102176482B1 (en) 2020-08-28 2020-11-09 한국자동차연구원 Manufacturing method of three dimensional current collector for lithium secondary battery of cathode and cathode using the same

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