KR20230098079A - 전극 및 전극의 제조방법 - Google Patents

전극 및 전극의 제조방법 Download PDF

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박성빈
김성환
이석경
조우형
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 위치하는 전극층과 전극층이 없는 무지부를 포함하고, 상기 전극층의 수직 단면이 상기 전극층 중앙부와 상기 전극층 중앙부의 양측에서 각각 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 높이가 감소하면서 상기 집전체에 맞닿게 되는 단부를 구비하고, 상기 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°이며, 상기 단부 경사도는 상기 전극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점이 상기 단부와 접하는 접선과 상기 전극층에 대면하는 집전체의 일면이 이루는 각도를 의미하는 것을 특징으로 하는 전극 및 이의 제조방법이 제시된다.

Description

전극 및 전극의 제조방법{Electrode and Method for preparing the same electrode}
본 발명은 전극 및 전극의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 장기 수명 및 급속충전에 유리한 전극 및 전극의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
이러한 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해액으로 크게 구분될 수 있으며, 첫 번째 충전에 의해 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 음극 활물질 내에 삽입되고 이 후 방전시 다시 탈리되면서 양 전극을 왕복한다. 이러한 과정을 통해 에너지를 변환함으로써 충방전이 가능하도록 한다.
일반적으로 리튬 이차전지의 전극은 활물질 및 바인더 등을 분산시켜 활물질 슬러리를 제조한 후 집전체의 일면 상에 활물질층을 코팅하여 제조된다. 활물질 슬러리를 집전체의 일면 상에 코팅할 때에는 활물질 슬러리가 퍼지게 되는 슬라이딩 현상이 발생하게 된다. 이로 인해 활물질층의 끝단은 중앙부에 비해 얇은 두께를 갖는 슬라이딩부가 형성된다. 구체적으로, 상기 슬라이딩부는 중앙부의 양단에서 연장되어 활물질층의 끝단으로 갈수록, 즉 활물질층의 중앙부에서 활물질층이 형성되지 않은 무지부의 방향으로 갈수록 점차 얇아지는 부분을 의미할 수 있다. 이러한 슬라이딩 현상으로 인해, 활물질층의 양 끝단의 로딩양이 중앙부의 로딩양에 비해 낮게 형성되므로, 이차전지의 설계 용량 대비 낮은 용량이 구현되는 문제가 있다.
나아가, 전술한 전극 단부의 무지부쪽에 발생한 슬라이딩부로 인해 전극의 무지부(탭 부분)에서 양극과 음극의 비율이 역전될 수 있으며, 물리적 이격이 발생 할 수 있고, 또한, 슬라이딩부의 제어가 어려워 안정적인 전극 품질의 유지가 곤란할 수 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 장기 수명 및 급속충전에 유리한 전극 및 이러한 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 하기 구현예들의 전극 및 전극의 제조방법을 제공한다.
제1 구현예에 따르면,
집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 위치하는 전극층과 전극층이 없는 무지부를 포함하고,
상기 전극층의 수직 단면이 상기 전극층 중앙부와 상기 전극층 중앙부의 양측에서 각각 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 높이가 감소하면서 상기 집전체에 맞닿게 되는 단부를 구비하고,
상기 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°이며,
상기 단부 경사도는 상기 전극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점이 상기 단부와 접하는 접선과 상기 전극층에 대면하는 집전체의 일면이 이루는 각도를 의미하는 것을 특징으로 하는 전극이 제공된다.
제2 구현예에 따르면, 제1 구현예에 있어서,
상기 전극층의 단부 경사도가 85° 내지 90°일 수 있다.
제3 구현예에 따르면, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 전극층이 10mm 이하의 단부 길이를 가지고,
이때, 상기 단부 길이는 경사 개시점의 상기 집전체로의 수직 아래 대향점과 상기 전극층의 단부가 집전체와 접하는 경계점 사이의 거리를 의미하고,
상기 경사 개시점은 상기 전극층 중앙부의 연장선과 상기 중앙부에서 연장되어 있는 단부를 따라 단부 상의 접선이 이루는 예각을 측정할 때, 상기 예각이 최초로 10°이상이 되는 단부 상의 위치일 수 있다.
제4 구현예에 따르면,
전극 집전체의 적어도 일면 상에 상기 집전체의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 무지부가 형성되도록 전극층용 슬러리를 도포 및 건조하여 전극층을 형성하는 단계;
상기 전극층이 형성된 전극 집전체를 압연하는 단계; 및
상기 압연 후 무지부와의 경계부에 형성된 전극층의 슬라이딩(sliding)부를 제거하는 단계;를 포함하는 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예의 전극의 제조방법이 제공된다.
제5 구현예에 따르면, 제4 구현예에 있어서,
상기 슬라이딩부를 레이저 어블레이션(laser ablation)를 이용하여 제거할 수 있다.
제6 구현예에 따르면, 제5 구현예에 있어서,
상기 레이저 어블레이션이 팸토초 레이저(FEMTOSECOND LASER)를 이용할 수 있다.
제7 구현예에 따르면, 제4 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전극층의 슬라이딩(sliding)부의 제거를 압연 후에, 또는 압연 및 노칭 후에 실시할 수 있다.
제8 구현예에 따르면, 제4 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전극층의 슬라이딩(sliding)부를 무지부 경계로부터 10 mm 이내까지 제거할 수 있다.
제9 구현예에 따르면,
제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지가 제공된다.
제10 구현예에 따르면, 제9 구현예에 있어서,
상기 이차전지가 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 전극층의 습식 코팅에 의한 슬러리 퍼짐 현상으로 전극 양 단부인 무지부쪽에 발생하는 전극의 슬라이딩부를 제거함으로써, 양극과 음극의 용량 균형(N/P balance)의 역전 현상을 방지할 수 있다. 그 결과, 종래 슬라이딩부에서 생기는 Li 석출 현상을 억제하고, 이러한 전극을 채용한 이차전지의 사이클 특성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 양극층과 음극층의 물리적 거리가 감소하여, 양극과 음극 사이의 리튬이온의 농도 구배, 즉 전해액 농도 분극 현상이 방지되어 과전압 현장이 감소될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전극의 모식도이다.
도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 전극의 압연 전 및 후에 있어서 전극층의 길이 대비 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 제조 공정의 모식도이다.
도 4는 도 3의 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 압연 전 및 후에 있어서 전극층의 길이 대비 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 단부 경사도의 정의를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 단부 길이의 정의를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 제조 공정의 모식도이다.
도 8은 종래 기술에 따른 전극조립체의 단면의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극조립체의 단면의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 11은 종래 기술에 따른 전극의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 12는 실시예 1과 비교예 1의 사이클 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
종래의 전극의 경우 집전체 상에 습식 코팅을 하기 때문에 슬러리의 퍼짐 현상에 의해 습식 코팅된 전극층의 양 단부에 슬라이딩부(sliding)가 필연적으로 발생하게 되며, 이는 이러한 슬라이딩부가 형성된 전극을 채용한 전기화학소자에서 양극과 음극간의 용량 밸런스(N/P balance)의 역전 현상을 수반하게 되어, Li이 석출되고, 전기화학소자의 퇴화가 진행될 수 있었다.
본 발명은 종래 전극의 이러한 문제점을 해결하고자,
집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 위치하는 전극층과 전극층이 없는 무지부를 포함하고,
상기 전극층의 수직 단면이 상기 전극층 중앙부와 상기 전극층 중앙부의 양측에서 각각 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 높이가 감소하면서 상기 집전체에 맞닿게 되는 단부를 구비하고,
상기 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°이며,
상기 단부 경사도는 상기 전극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점이 상기 단부와 접하는 접선과 상기 전극층에 대면하는 집전체의 일면이 이루는 각도를 의미하는 것을 특징으로 하는 전극이 제공된다.
즉, 본 발명의 전극은, 양극과 음극간의 용량 밸런스의 역전 현상 등 이차전지의 여러 성능 저하를 초래하는 전극의 슬라이딩부가 제거되어 전극층의 중심부와 단부의 높이, 단위면적당 용량의 차이가 최소화된 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전극의 모식도이고, 도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 전극의 압연 전 및 후에 있어서 전극층의 길이 대비 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전극(10)은 집전체(11)의 일면 상에 단부에 슬라이딩부(S)를 구비한 전극층(12)과 전극층이 구비되어 있지 않고 집전체의 표면이 노출된 무지부(13)를 구비하고 있다.
도 2를 참조하면, 이러한 종래 기술에 따른 전극(10)의 압연 전 및 후의 전극층의 단부에서부터 길이에 따른 전극층이 두께를 살펴보면, 압연 전 전극층의 중심부의 높이가 감소하면서 전극층의 단부로 이어지는 전극층의 길이(A)가, 압연 후 전극층의 중심부의 높이가 감소하면서 전극층의 단부로 이어지는 전극층의 길이(B)로 어느 정도 감소하나, 여전히 B의 길이가 상당히 유지되고 있음을 알 수 있다. 이러한 B의 길이에 해당되는 전극층 영역이 슬라이딩부가 되고 이차전지의 여러 성능 저하를 일으키는 원인이 될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 제조 공정의 모식도이고, 도 4는 도 3의 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 압연 전 및 후에 있어서 전극층의 길이 대비 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3에서 본 발명의 일 구현예에 따른 전극(20)은 종래 기술에 따른 전극(10)의 슬라이딩부(S)를 후술하는 방법으로 제거한 결과, 집전체(21)의 일면 상에 슬라이딩부가 제거된 전극층(22) 및 무지부(23)를 구비하게 된다.
이렇게 슬라이딩부가 제거된 전극층(22)을 구비하는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극(20)은 도 4를 참조하면, 압연 전과 비교하여 압연 후 전극층의 중심부의 높이가 감소하면서 전극층의 단부로 이어지는 전극층의 길이가 거의 존재하지 않게 된다. 즉, 슬라이딩부가 없이 중심부 높이에서 거의 수직으로 전극층의 단부로 이어지게 된다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 단부 경사도의 정의를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 구현예의 전극(20)은 집전체(21); 및 상기 집전체(21)의 적어도 일면 상에 위치하는 전극층(22)과 전극층이 없는 무지부(23)를 포함하고, 상기 전극층(22)의 수직 단면이 상기 전극층 중앙부(22a); 및, 상기 전극층 중앙부(22a)의 양측에서 각각 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 높이가 감소하면서 상기 집전체에 맞닿게 되는 단부(22b, 22c);를 구비한다.
이때, 상기 단부 경사도(θ)는 상기 전극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점(24)이 상기 단부와 접하는 접선(L)과 상기 전극층(22)에 대면하는 집전체(21)의 일면이 이루는 각도를 의미한다.
또한, 본 발명의 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°이고, 일 구현예에 따르면, 상기, 또는 전극층의 단부 경사도가 85 내지 90°일 수 있다.
이와 같이 상기 전극층의 단부 경사도가 이러한 범위를 만족하는 경우에 양극과 음극의 용량 균형(N/P balance)의 역전 현상을 방지할 수 있고, 슬라이딩부에서 생기는 전해액 농도를 계산하여 Li 석출 현상을 억제하고, 이러한 전극을 채용한 이차전지의 과전압 및 사이클 특성을 개선할 수 있으며, 단부쪽 전극과 분리막의 접착력을 개선할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 구현예의 전극(20)은 집전체(21); 및 상기 집전체(21)의 적어도 일면 상에 위치하는 전극층(22)과 전극층이 없는 무지부(23)를 포함하고, 상기 전극층(22)의 수직 단면이 상기 전극층 중앙부(22a)와 상기 전극층 중앙부(22a)의 양측에서 각각 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 높이가 감소하면서 상기 집전체에 맞닿게 되는 단부(22b, 22c)를 구비한다.
이때, 상기 전극층의 단부 길이(d)는 경사 개시점(A)의 집전체(21)로의 수직 아래 대향점(B)과 상기 전극층의 단부가 집전체와 접하는 경계점(C) 사이의 거리를 의미하고, 상기 경사 개시점(A)는 상기 전극층 중앙부의 연장선(X)과 상기 중앙부에서 연장되어 있는 단부를 따라 단부 상의 접선(Y)이 이루는 예각(α)을 측정할 때, 상기 예각(α)이 최초로 10°이상이 되는 단부 상의 위치이다. 즉, 상기 중앙부에서 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 보다 높이가 감소하기 시작하는 단부 상의 임의의 위치에서부터 경계점(C) 방향을 따라서, 상기 전극층 중앙부의 연장선(X)과, 단부 상의 임의의 위치에서의 접선(Y)이 이루는 예각(α)을 측정할 때, 상기 예각(α)이 최초로 10°이상이 되는 단부 상의 위치를 의미할 수 있다. 상기 단부의 수직단면의 외곽선이 곡선형태를 가지면서 전극층 높이가 감소하여 집전체에 맞닿게 될 때는 상기 단부 상의 임의의 위치를 연속적으로 변화시키면서 상기 예각(α)이 최초로 10°이상이 되는 단부 상의 위치를 확인할 수 있다, 반면에서 상기 단부의 수직단면의 외곽선이 10°이상이 일정 각도를 갖는 사선 또는 수직선형태를 가지면서 전극층 높이가 감소하여 집전체에 맞닿게 될 때에는 그 사선 또는 수직선 형태가 시작하는 점이 예각(α)이 최초로 10°이상이 되는 단부 상의 위치가 될 수 있다.
본 발명의 전극층의 단부 길이는 10mm 이하고, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극층 단부 길이는 4 내지 10mm, 또는 4 내지 7mm, 또는 7 내지 10mm일 수 있다.
이와 같이 상기 전극층의 단부가 이러한 범위를 만족하는 경우에 양극과 음극의 용량 균형(N/P balance)의 역전 현상을 방지할 수 있고, 슬라이딩부에서 생기는 전해액 농도를 계산하여 Li 석출 현상을 억제하고, 이러한 전극을 채용한 이차전지의 과전압 및 사이클 특성을 개선할 수 있으며, 단부쪽 전극과 분리막의 접착력을 개선할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극은 양극 또는 음극일 수 있고, 상기 전극층은 양극 활물질층 또는 음극 활물질층일 수 있다.
예를 들어, 상기 전극이 양극인 경우, 양극 활물질층에 포함되는 활물질은 양극 활물질로서, 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 리튬 함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixFePO4(0.5<x<1.3), LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2) 및 LixCoPO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될수 도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 전극이 음극인 경우, 활물질층에 포함되는 음극 활물질로는, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0≤x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SiO, SiO/C, SiO2 등의 실리콘계 산화물; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전극은, 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치하며, 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 활물질 슬러리가 적층되어 형성되는 영역인 활물질층 및 상기 활물질층이 미적층된 영역인 무지부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극은 양극일 수 있고, 활물질은 양극 활물질일 수 있다. 이 경우, 양극 집전체는 일반적으로 약 3 내지 50 ㎛의 두께로 만들 수 있다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 또한, 본 발명에서 제1 활물질층 및 제2 활물질층에 포함되는 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%로 첨가된다. 이러한 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, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 활물질층에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 슬러리 전체 중량을 기준으로 0.2 내지 5 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
예를 들어, 상기 전극이 음극인 경우, 상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 또한, 활물질층에 포함되는 상기 도전재 및 바인더는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
전극 집전체의 적어도 일면 상에 상기 집전체의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 무지부가 형성되도록 전극층용 슬러리를 도포 및 건조하여 전극층을 형성하는 단계;
상기 전극층이 형성된 전극 집전체를 압연하는 단계; 및
상기 압연 후 무지부와의 경계부에 형성된 전극층의 슬라이딩(sliding)부를 제거하는 단계를 포함하는 전술한 본 발명의 전극의 제조방법이 제공된다.
도 3을 참조하여 전극의 제조방법에 대해서 이하 설명한다.
먼저, 전극 집전체(11)의 적어도 일면 상에 상기 집전체(11)의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 무지부(13)가 형성되도록 전극층용 슬러리를 도포 및 건조하여 전극층(12)을 형성한다. 상기 전극층(12)은 무지부(13)와 연결되는 영역에 전극층(12)의 높이가 중심부의 높이보다 감소하여 무지부와 맞닿게 되는 전극층의 단부로 이어지는 슬라이딩부(S)를 구비한다.
이후, 상기 전극층이 형성된 전극 집전체를 압연한다. 이때, 압연 공정은 통상의 전극에서 실시하는 공정이라면 제한없이 적용할 수 있다. 이러한 압연 공정을 통해서 전극층의 두께를 원하는 수준으로 제어할 수 있다.
다음으로, 상기 압연 후 무지부, 즉 전극층이 형성되지 않은 집전체 부분과의 경계부에 형성된 전극층의 슬라이딩부(S)를 제거한다. 상기 슬라이딩부는 상기 전극층의 중앙부의 양단에서 연장되어 있고, 전극층이 형성되지 않은 무지부의 방향으로 갈수록 두께가 점차 얇아지는 부분, 즉 경사부를 의미한다.
상기 슬라이딩부는 집전체와 잔존하는 전극층에 물리적 화학적 변형을 일으키지 않는한 통상적으로 실시되는 다양한 식각 방법을 적용하여 제거될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 레이저 어블레이션(laser ablation)를 이용하여 제거할 수 있다.
이때, 레이저 어블레이션(Ablation)이란 고출력 펄스 레이저를 이용하여 레이저 빔을 시료에 집광하여 집광된 부위를 제거하는 것을 의미 한다, 도 3을 참조하면, 이러한 레이저 어블레이션을 수행하여 슬라이딩을 제거 할 수 있다.
상기 레이저 어블레이션이 팸토초 레이저(FEMTOSECOND LASER)를 이용할 수 있다.
상기 펨토초 레이저는 수백fs(10-15초)의 아주 짧은 펄스를 갖는 레이저를 말한다. 펨토초 레이저의 짧은 펄스폭과 높은 첨두 출력 특성을 레이저 가공에 이용하면, 가공재료의 열확산 시간보다 조사되는 레이저 펄스의 시간이 짧아 물질의 열적 변성이 없는 비열 가공이 가능해진다. 또한 펨토초 레이저는 기존의 연속파 또는 나노초 레이저보다 상대적으로 적은 에너지로도 큰 첨두 출력을 내기 때문에 가공되는 전극에 가해지는 충격이 적어 고품질의 초정밀 미세 가공이 가능하기 때문에 전극의 미세 크랙이나 burr 형성을 제거할 수 있다. 또한, 충격파 및 표면 왜곡이 없다.
상기와 같이 전극의 품질 및 기능 저하를 방지하기 위해 상기 레이저 어블레이션시 레이저 광의 출력파장은 500㎚ 내지 1080㎚, 또는 800nm 내지 1030nm일 수 있다. 또한 레이저 빔의 반복율이 300kHz 내지 1000 kHz, 출력이 10W 내지 100W일 수 있다. 이러한 범위를 초과하는 경우에, 공정제어가 어려워 전극 집전체를 용해 시킬 수 있으며, 미만일 경우 슬라이딩부의 전극층을 식각할 수 없게 되는 문제가 방지될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극층의 슬라이딩부의 제거를 압연 후에, 또는 압연 및 노칭 후에 실시할 수 있다.
즉, 전술한 전극층의 슬라이딩부 제거는 집전체 상에 전극층용 슬러리를 도포 및 건조하여 전극층을 형성하고, 이후 소정의 전극층 높이를 수득하고자 압연 공정을 거친 후에 실시할 수도 있고, 이러한 압연 공정후 무지부를 탭부로 형성하는 노칭 단계를 거친 후에도 실시할 수 있다.
도 7을 참조하면, 종래 기술의 전극(10)은 전극 집전체(11)의 적어도 일면 상에 상기 집전체(11)의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 무지부(13)가 형성되도록 전극층용 슬러리를 도포 및 건조하여 슬라이딩부(S)를 구비한 전극층(12)을 형성한다. 이때, 무지부(13)는 노칭에 의해 탭부로 형성될 수 있다. 이후 레이저 어블레이션 등의 식각 공정을 통해서 집전체(11)의 일면에 전극층의 슬라이딩부가 제거된 전극층(22)과, 무지부이면서 탭부(13)가 더 연장되어 형성된 전극(20)을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극층의 슬라이딩부 제거시에, 슬라이딩부는 제거전 슬라이딩부의 단부와 무지부의 경계로부터 슬라이딩부인 전극층의 10 mm 이내까지 제거될 수 있다.
상기 슬라이딩부가 제거전 슬라이딩부의 단부와 무지부의 경계로부터 슬라이딩부인 전극층의 10 mm 이내까지 제거된 결과, 단부쪽 전극과 분리막의 접착력을 개선할 수 있다.
상기 슬라이딩부를 레이저 어블레이션으로 제거 결과, 상기 전극층의 중심부와 단부의 두께 차이가 3㎛ 이하이거나, 또는 상기 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°이고, 상기 단부 경사도가 상기 전극층의 단부가 집전체와 접하는 경계점과 상기 중심부의 높이가 감소하여 단부로 이어지기 시작하는 변곡점을 이은 직선이 집전체의 표면과 이루는 각도로 정의된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 레이저 어블레이션(레이저 식각) 처리된 후 전극층의 단부 등에 식각 잔류물이 존재하는 경우에, 상기 슬라이딩부를 레이저 어블레이션를 이용하여 제거한 이후에, 이러한 식각 잔류물을 제거하는 단계를 더 실시할 수 있다. 예를 들어, 컴프레서(compressor) 등을 이용하여 전극층의 단부 영역에 공기를 불어주면서 식각 잔류물을 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는, 양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 상기 양극 또는 음극은 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 전극이다.
본 발명의 전극과 함께 적용될 분리막으로는 특별히 제한되지 않는다. 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 양극과 음극을 분리하고, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 통상 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 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, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다.
또한, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 무기물 입자, 바인더 고분자, 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물이 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다. 아울러, 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
도 8은 종래 기술에 따른 전극조립체의 단면의 개략도이고, 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극조립체의 단면의 개략도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 종래 기술에 따른 전극조립체(30)은 전극층의 슬라이딩부(S)를 구비한 양극(31) 및 음극(32) 사이에 분리막(33)이 개재되어 있다. 한편, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극조립체(40)은 전극층의 슬라이딩부가 제거되어 상기 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°인 양극(41) 및 음극(42) 사이에 분리막(43)이 개재되어 있다.
도 8과 대비하여 도 9에서 슬라이딩이 개선되어 분리막과 전극 사이의 접착력이 개선되며, 양극과 음극의 용량 균현(N/P balance) 역전 현상이 억제되며, 과전압이 억제되어 단층부 또는 상단부의 석출 및 부반응을 억제 할 수 있다.
특히, 과전압 억제는 전극과 분리막의 밀착도 향상으로 인해 양극/음극의 물리적 거리가 감소하여 나타나는 현상이며, 양극과 음극 사이의 리튬이온의 농도구배가 발생하고, 리튬이온 농도가 감소하면 이온전도도가 감소하여 저항이 커지면서 과전압이 발생한다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극의 단면을 나타낸 모식도이고,
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극(50)은 집전체(51) 상에 위치하는 전극층(51)을 구비하고, 상기 전극층의 단부(52e)는 80° 내지 90의 단부 경사도를 구비한다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극층의 단부(52e)는 레이저 어블레이션(레이저 식각)을 이용하여 제거되어 평편한 면(식각면)이 필수적으로 구비할 수 있다.
한편, 도 11은 종래 기술에 따른 전극의 단면을 나타낸 모식도이다. 종래 전극의 단부의 슬라이딩부를 제거하는 기술로는 테이프를 붙여서 뜯어내는 등과 같이 기계적인 힘을 가하는 방식으로 제거하고 있다. 즉, 종래 기술에 따른 전극(60)은 집전체(61) 상에 위치하는 전극층(61)을 구비하나, 상기 전극층의 단부(62e)의 슬라이딩부를 제거하기 위하여 테이프의 접착력을 이용하여 전극층의 단부를 뜯어내는 방법을 적용한 결과, 전극층의 단부(62e)에 뜯겨지고 남은 활물질의 형상이 그대로 반영되어 요철을 필수적으로 구비하게 된다.
본 발명에 있어서 상기 이차전지는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차 전지일 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1
LiCoO2를 양극활물질로 하고, 카본블랙, PVDF를 중량비로 98:1:1의 비율로 NMP에 넣고 혼합(mixing)하여 양극 슬러리를 준비하고, 이를 알루미늄 호일의 집전체에 18.7 mg/cm2의 로딩량(건조 후 기준)이 되도록 도포하고 건조하여 양극층을 형성하고, 양극층이 형성된 집전체를 전극밀도 4.0 g/cc로 압연하였다. 상기 압연 후 (팸토초 레이저) 장치를 이용하여 (파장 1030㎚, 반복율 200kHz, 출력 3W) 조건에서 무지부와의 경계부에 형성된 전극층의 슬라이딩(sliding)부를 제거하고, 상기 슬라이딩부 제거 결과, 상기 양극층의 단부 경사도가 87°인 양극을 제조하였다. 이때, 상기 양극층의 단부 경사도는 양극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점이 상기 단부와 접하는 접선과 상기 음극층에 대면하는 집전체의 일면이 이루는 각도를 의미한다.
음극활물질로서 인조흑연 96 중량부, 도전재로서 아세틸렌 블랙 0.5 중량부, 증점제로서 카르복실메틸셀룰로오스(CMC) 1.0 중량부, 바인더로서 SBR 2.5 중량부를 물에 첨가 및 혼합하여 음극 슬러리를 제조한 후, 이를 구리(Cu) 집전체 상에 10.1 mg/cm2의 로딩량(건조 후 기준)이 되도록 도포 및 건조하여 도포하고 건조하여 음극층을 형성하고, 음극층이 형성된 집전체를 전극밀도 1.7 g/cc로 압연하였다. 상기 압연 후 (팸토초 레이저) 장치를 이용하여 (파장 1070㎚, 반복율 500kHz, 출력 10W) 조건에서 무지부와의 경계부에 형성된 음극층의 슬라이딩(sliding)부를 제거하고, 상기 슬라이딩부 제거 결과, 상기 음극층의 단부 경사도가 87°인 음극을 제조하였다. 이때, 상기 음극층의 단부 경사도는 음극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점이 상기 단부와 접하는 접선과 상기 음극층에 대면하는 집전체의 일면이 이루는 각도를 의미한다.
이후, 상기 전극을 분리막과 함께 적층하여 파우치형 전지 외장재에 넣고 전해액을 주액하여 전지를 제조하였다. 상기 전해액은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 에틸 프로피오네이트, 및 프로필 프로피오네이트를 중량비 2:1:2.5:4.5로 혼합하고 LiPF6 1.2M 농도로 투입된 것이다.
비교예 1
LiCoO2를 양극활물질로 하고, 카본블랙, PVDF를 중량비로 98:1:1의 비율로 NMP에 넣고 혼합(mixing)하여 양극 슬러리를 준비하고, 이를 알루미늄 호일의 집전체에 18.7 mg/cm2의 로딩량(건조 후 기준)이 되도록 도포하고 건조하여 양극층을 형성하고, 양극층이 형성된 집전체를 전극밀도 4.0 g/cc로 압연하여 양극을 제조하였다. 이때, 상기 양극층의 단부 경사도는 60°이었다.
음극활물질로서 인조흑연 96 중량부, 도전재로서 아세틸렌 블랙 0.5 중량부, 증점제로서 카르복실메틸셀룰로오스(CMC) 1.0 중량부, 바인더로서 SBR 2.5 중량부를 물에 첨가 및 혼합하여 음극 슬러리를 제조한 후, 이를 구리(Cu) 집전체 상에 10.1 mg/cm2의 로딩량(건조 후 기준)이 되도록 도포 및 건조하여 도포하고 건조하여 양극층을 형성하고, 양극층이 형성된 집전체를 전극밀도 1.7 g/cc로 압연하여 음극을 제조하였다. 이때, 상기 음극층의 단부 경사도는 60°이었다.
이후, 상기 전극을 분리막과 함께 적층하여 파우치형 전지 외장재에 넣고 전해액을 주액하여 전지를 제조하였다. 상기 전해액은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 에틸 프로피오네이트, 및 프로필 프로피오네이트를 중량비 2:1:2.5:4.5로 혼합하고 LiPF6 1.2M 농도로 투입된 것이다.
<상온 사이클 특성 평가>
각 실시예 1 내지 비교예 1의 전지에 대해서 충전은 2.0C의 정전류(CC)로 4.45V가 될 때까지 충전하고 이후 정전압(CV)으로 충전 전류가 0.005C(cut-off current)가 될 때까지 충전을 행하고, 방전은 1C의 정전류로 3V까지 진행하였다. 충방전은 500회(사이클) 반복하였으며, 각 사이클 마다의 용량 유지율을 평가하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이 실험은 상온(25℃)에서 수행되었다.
이로부터 각 전지의 용량유지율은 다음과 같이 산출하였다.
N회 사이클 후 용량 유지율(%) = (N회 사이클에서의 용량/ 초기 용량) X 100
(N은 2 내지 500)
도 12를 참조하면, 실시예 1의 전지는 500 사이클의 충방전을 진행하여도 용량 유지율이 초기 용량 대비하여 약 93% 이상으로 유지되는 우수한 사이클 특성을 나타내고, 비교예 1의 전지는 500 사이클의 충방전 이후에 85% 수준으로 용량 유지율이 저하됨을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면 상에 위치하는 전극층과 전극층이 없는 무지부를 포함하고,
    상기 전극층의 수직 단면이 상기 전극층 중앙부와 상기 전극층 중앙부의 양측에서 각각 연장되어 상기 전극층 중앙부의 전극층 높이가 감소하면서 상기 집전체에 맞닿게 되는 단부를 구비하고,
    상기 전극층의 단부 경사도가 80° 내지 90°이며,
    상기 단부 경사도는 상기 전극층의 단부가 집전체와 맞닿는 경계점이 상기 단부와 접하는 접선과 상기 전극층에 대면하는 집전체의 일면이 이루는 각도를 의미하는 것을 특징으로 하는 전극.
  2. 제1항에서,
    상기 전극층의 단부 경사도가 85° 내지 90°인 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 제1항에서,
    상기 전극층이 10mm 이하의 단부 길이를 가지고,
    이때, 상기 단부 길이는 경사 개시점의 상기 집전체로의 수직 아래 대향점과 상기 전극층의 단부가 집전체와 접하는 경계점 사이의 거리를 의미하고,
    상기 경사 개시점은 상기 전극층 중앙부의 연장선과 상기 중앙부에서 연장되어 있는 단부를 따라 단부 상의 접선이 이루는 예각을 측정할 때, 상기 예각이 최초로 10°이상이 되는 단부 상의 위치인 것을 특징으로 하는 전극.
  4. 전극 집전체의 적어도 일면 상에 상기 집전체의 일측 단부에 인접한 상단 부위에 무지부가 형성되도록 전극층용 슬러리를 도포 및 건조하여 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층이 형성된 전극 집전체를 압연하는 단계; 및
    상기 압연 후 무지부와의 경계부에 형성된 전극층의 슬라이딩부를 제거하는 단계;를 포함하는 제1항의 전극의 제조방법.
  5. 제4항에서,
    상기 슬라이딩부를 레이저 어블레이션를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  6. 제5항에서,
    상기 레이저 어블레이션이 팸토초 레이저를 이용하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전극층의 슬라이딩부의 제거를 압연 후에, 또는 압연 및 노칭 후에 실시하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 전극층의 슬라이딩부를 상기 무지부 경계로부터 10 mm 이내까지 제거하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이차전지가 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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