KR20230111424A - 배터리용 전극 제조방법 - Google Patents

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KR20230111424A
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우규희
석재영
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김현태
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한국기계연구원
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Abstract

배터리용 전극 제조방법은, 기판 상에 금속 전구체를 나노로드(nano-rod) 형태로 형성하는 단계(단계 S100), 소정 면적을 가지는 면광원을 인가하여, 상기 금속 전구체를 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계(단계 S200), 및 상기 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속이 형성된 기판으로 리튬(lithium)을 증착하여 전극을 형성하는 단계(단계 S300)를 포함한다. 이를 통해, 리튬의 균일 전착을 유도함으로써 배터리의 수명과 용량을 향상시킬 수 있다.

Description

배터리용 전극 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING AN ELECTRODE OF A BATTERY}
본 발명은 배터리용 전극 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고성능 배터리에 사용되는 리튬 전극의 제조에 있어, 면광원을 이용하여 리튬의 균일 전착을 유도함으로써 배터리의 수명과 용량을 향상시킬 수 있는 배터리용 전극 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래기술에 의한 배터리용 전극의 제조방법을 도시한 공정도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에서의 배터리용 제조방법에서는, 기판(10) 상에 리튬(20)을 증착하여 전극(1)을 제조한다.
그러나, 이렇게 제조된 전극(1)의 경우, 반복적인 충방전이 수행되는 경우(cycling) 리튬이온으로부터 돌기부(21)가 가지 형태로 돌출되며 자라나는 현상(dendrite growth)이 발생한다. 이렇게 자라나는 돌기부(21)는 충방전 과정에서 쇼트(short)를 야기하여 배터리 폭발의 원인이 되며, 결과적으로 배터리의 수명이나 용량을 감소시키는 문제를 야기한다.
이에, 이러한 사이클링 과정에서의 리튬이온의 돌기 형태의 성장을 최소화하기 위해, 리튬이온을 증착하기 전에 기판 상에 금속을 성장시키는 공정이 개발되고 있다.
예를 들어, 일본국 공개특허 제2020-502723호의 경우, 리튬이온 배터리의 애노드 제작에 관한 기술로, 금속 촉매의 성장을 위해 고온 환경에 노출시키는 공정을 적용하는 것을 개시한다.
즉, 금속 촉매의 성장을 통한 금속제조에 있어, 오븐이나 핫플레이트 등을 이용하여 진공 또는 환원 분위기의 고온 환경에 장시간 노출시키는 화학적 변화 공정이 적용되어 왔는데, 이러한 화학적 변화 공정의 경우, 시간과 비용이 증가하거나, 고온 분위기를 제어하기 위한 공정 조건의 유지가 어려운 한계가 있다.
일본국 공개특허 제2020-502723호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 고성능 배터리에 사용되는 리튬 전극의 제조에 있어, 면광원을 이용하여 리튬의 균일 전착을 유도함으로써 상대적으로 제어가 용이하고 단순한 공정을 통해 배터리의 수명과 용량을 향상시킬 수 있는 배터리용 전극 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 배터리용 전극의 제조방법은, 기판 상에 금속 전구체를 나노로드(nano-rod) 형태로 형성하는 단계(단계 S100), 소정 면적을 가지는 면광원을 인가하여, 상기 금속 전구체를 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계(단계 S200), 및 상기 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속이 형성된 기판으로 리튬(lithium)을 증착하여 전극을 형성하는 단계(단계 S300)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 면광원은, 상기 금속 전구체가 형성된 기판의 면적 전체에 대하여 순간적으로 제공되는 플래쉬(flash) 광일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 연속으로 제공되며, 상기 면광원은, 연속으로 제공되는 기판에 대하여 일정 면적 단위로 순간적으로 제공되는 플래쉬(flash) 광일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 면광원은 실온의 대기 중에서 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단계 S100에서, 금속 재질을 포함하는 상기 기판을 탈이온수에 과황산암모늄(Ammonium Persulfate)과 수산화나트륨(NaOH)을 섞은 용액에 담가 화학반응을 유도할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단계 S200은, 상기 나노 로드 형태의 금속 전구체에 상기 면광원을 인가하는 단계, 상기 금속 전구체가 나노로드 형태의 산화금속으로 변화되는 단계, 상기 산화금속에 상기 면광원을 추가로 인가하는 단계, 및 상기 산화금속이 나노로드 형태의 금속으로 변화되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단계 S200은, 상기 금속 전구체가 나노 로드 형태의 산화금속으로 변화되는 단계, 상기 산화금속이 형성된 기판으로 알코올 유도체를 코팅하는 단계, 상기 알코올 유도체가 코팅된 기판으로 상기 면광원을 인가하는 단계, 및 상기 산화금속이 나노로드 형태의 금속으로 변화하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 전구체는, 수산화구리(Cu(OH)2), 수산화니켈(NiOH), 수산화티타늄(Ti(OH)4), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산화금속은 산화구리(CuxO), 산화니켈(Ni2O), 산화티타늄(TiO), 산화알루미늄(Al2O3) 중 어느 하나이고, 상기 금속은 구리(Cu), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 알코올 유도체를 코팅하는 단계는, 상기 알코올 유도체를 스핀 코팅(spin coating)할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 알코올 유도체는, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 기판 상에 나노로드 형태를 가지는 금속이나 산화금속을 형성한 상태에서, 리튬을 증착함으로써, 리튬의 균일 전착이 유도되며, 이에 따라 리튬 전극의 충방전 과정에서의 리튬 이온으로부터 별도의 돌기부가 가지 형태로 돌출되며 자라나는 현상(dendrite growth)을 최소화할 수 있다. 그리하여, 배터리의 용량을 증가시키며 안정적인 충방전 상태를 유지할 수 있다.
이 경우, 상기 나노로드 형태의 산화금속이나 금속을 형성함에 있어, 소정 면적을 가지는 면광원을 면적 단위로 기판으로 제공함으로써, 단위 면적 단위에서 일체로 산화금속이나 금속의 형성이 가능하여 공정의 편의성이 향상된다.
특히, 면광원을 실온의 대기 중에서 제공할 수 있으므로, 상기 산화금속이나 금속의 형성 공정을 보다 단순화할 수 있다. 나아가, 연속적으로 제공되는 기판에 대하여 면광원을 플래쉬 광으로 제공하여 연속 공정을 수행할 수 있으므로, 전극 생산의 효율성을 향상시키며 대량 생산이 가능할 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 배터리용 전극의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리용 전극의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2의 배터리용 전극의 제조방법을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 2의 금속 전구체를 나노 로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 금속으로 변화하는 단계를 도시한 공정도들이다.
도 6a는 금속 전구체로서 나노 로드 형태의 수산화구리를 도시한 이미지이며, 도 6b는 변화된 나노 로드 형태의 산화구리를 도시한 이미지이다.
도 7은 도 2의 금속 전구체를 나노 로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계의 다른 예를 도시한 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7의 금속으로 변화하는 단계를 도시한 공정도들이다.
도 9a는 나노 로드 형태의 산화구리를 도시한 이미지이며, 도 9b는 변화된 나노 로드 형태의 구리를 도시한 이미지이다.
도 10은 나노로드 형태가 형성되지 않은 리튬 전극, 본 실시예들에 의한 나노 로드 형태의 산화구리가 형성된 리튬 전극, 및 나노 로드 형태의 구리가 형성된 리튬 전극에 대하여, 충방전을 반복하는 경우의 충전 용량의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리용 전극의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 도 3은 도 2의 배터리용 전극의 제조방법을 도시한 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 배터리용 전극의 제조방법에서는, 우선, 기판(10) 상에 금속 전구체를 나노로드(nano-rod) 형태로 형성한다(단계 S100).
이 경우, 상기 기판(10)은 다양한 유연성(flexible) 또는 신축성(stretchable) 기판일 수 있으며, 예를 들어, 구리와 같은 금속재질의 포일(foil)일 수도 있다.
특히, 상기 기판(10)의 경우, 도 3 및 후술되는 도면을 통해서는 일정 면적을 가지는 플레이트 형상을 가지는 것으로 도시하였으나, 유연성 또는 신축성을 가지므로 변형이 용이한 것은 물론이고, 나아가, 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 연속적으로 공급될 수도 있다. 즉, 도면을 통해 도시되는 기판은 연속적으로 공급되는 기판(10)에서 소정의 공정이 수행되는 일부 면적만이 도시된 것일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 금속 전구체를 나노로드의 형상을 가지도록 형성함에 있어, 상기 금속 전구체(50, 도 5a 참조)는, 예를 들어, 수산화구리(Cu(OH)2), 수산화니켈(NiOH), 수산화티타늄(Ti(OH)4), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 중 어느 하나일 수 있다.
이 경우, 상기 금속 전구체(50)는 금속 재질을 가지는 상기 기판(10)을 소정의 용액에 담가 화학적 반응을 유도하여 나노로드 형상을 가지도록 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(10)이 앞서 설명한 바와 같이 구리재질의 포일인 경우, 상기 기판(10)을 탈이온수에 과황산암모늄(Ammonium Persulfate)과 수산화나트륨(NaOH)을 섞은 용액에 담가, 화학적 반응을 유도할 수 있다. 그리하여, 금속 전구체로서 나노로드 형상을 가지는 수산화구리(Cu(OH)2)가 형성된다.
이 때, 상기 용액은, 예를 들어, 50mL의 탈이온수에 2.5M의 수산화나트륨과 0.13M의 과황산암모늄을 혼합할 수 있으며, 상기 화학적 반응은 하기 화학식으로 설명될 수 있다.
나아가, 여타의 금속 재질에 대하여도 동일한 공정을 통해 다양한 금속 재질의 금속 전구체를 형성할 수 있다.
이 후, 상기 기판(10)에 면광원(110, 도 5b)을 인가하여, 상기 금속 전구체를 나노 로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화한다(단계 S200).
즉, 상기 기판(10) 상에 형성된 상기 금속 전구체는, 산화금속 또는 금속으로 변화하게 되는데, 이러한 공정에 대하여는 후술되는 도면을 통해 보다 상세하게 설명한다.
한편, 상기 면광원(110)은 소정 면적을 가지는 기판(10)에 대하여, 처리 대상이 되는 상기 기판(10)의 면적과 실질적으로 동일한 면적을 가지는 광이 제공되는 것으로, 상기 면광원(110)은 예를 들어, 순간적으로 제공되는 플래쉬(flash) 광일 수 있다.
즉, 상기 기판(10)이 예를 들어 사각형 형상을 가지는 단일 기판이라면, 상기 면광원(110)은 상기 단일 기판에 대하여, 산화금속 또는 금속으로의 변화 처리가 필요한 면적 전체에 대하여(이 때, 처리가 필요한 면적은 기판 전체의 면적과 동일할 수도 있으며, 기판 보다 작은 면적일 수도 있음), 동시에 동일한 광 에너지로 제공되는 광이다.
이와 달리, 상기 기판(10)이 예를 들어 연속적으로 공급되는 기판이라면, 상기 면광원(110)은 연속 공급되는 기판 중, 산화금속 또는 금속으로의 변화 처리가 필요한 면적 전체에 대하여, 동시에 동일한 광 에너지로 제공되는 광이다.
그리하여, 연속적으로 공급되는 기판에 대하여는, 소정 면적으로 면광원이 플래쉬 광 형태로 주기적으로 제공되고, 상기 면광원의 제공 주기에 부합하도록 기판이 일정 거리만큼 단속적으로 공급될 수 있다. 이에, 상기 기판은 일정 면적 단위로 플래쉬 광을 제공받게 된다.
한편, 본 실시예에서, 상기 면광원(110)은 실온의 대기 상태에서 제공되는 것으로, 이에 따라 상기 기판(10)에 대한 전술된 처리 공정 역시 실온의 대기 상태에서 수행될 수 있다.
이상과 같이, 상기 기판(10) 상에 산화금속 또는 금속이 형성되면, 상기 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속이 형성된 기판(10)으로 리튬(30, lithium)을 증착하여 전극(2)을 형성한다(단계 S300).
그리하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10) 상에는 리튬(30) 전극(2)이 형성되되, 상기 리튬(30) 전극의 내부에는 나노로드(nano-rod) 형상을 가지는 산화금속(60) 또는 금속(70)이 형성된 상태가 된다.
이에, 상기 전극(2)이 반복적인 충방전이 수행되는 경우(cycling)라 하더라도, 리튬(30) 이온으로부터 별도의 돌기부가 가지 형태로 돌출되며 자라나는 현상(dendrite growth)은 발생하지 않는다.
이는, 상기 리튬(30)의 표면부(31)가 상대적으로 균일한 형상을 가지면서 형성되므로, 충방전이 수행되더라도 상기 균일한 형상의 표면부(31)가 유지되기 때문이다.
따라서, 반복적인 충반전이 수행되더라도, 쇼트(short)가 야기되지 않으며, 배터리의 수명이나 용량이 감소하는 문제는 최소화된다.
이하에서는, 상기 산화금속(60) 또는 금속(70)을 형성하는 단계(단계 S200)를 보다 상세히 설명한다.
도 4는 도 2의 금속 전구체를 나노 로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계의 일 예를 도시한 흐름도이다. 도 5a 내지 도 5c는 도 4의 금속으로 변화하는 단계를 도시한 공정도들이다. 도 6a는 금속 전구체로서 나노 로드 형태의 수산화구리를 도시한 이미지이며, 도 6b는 변화된 나노 로드 형태의 산화구리를 도시한 이미지이다.
도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 단계 S200에서는, 우선, 나노로드 형태를 가지며 상기 기판(10) 상에 형성되는 상기 금속 전구체(50)에 상기 면광원(110)을 인가한다(단계 S210).
이 경우, 상기 면광원(110)에 대하여는 앞서 설명한 바와 같으며, 상기 면광원(110)은 별도의 광원유닛(100)을 통해 제공될 수 있다.
이상과 같이, 상기 면광원(110)이 인가되면, 상기 금속 전구체(50)는 나노 로드 형태의 산화금속(60)으로 변화한다(단계 S211).
앞서 설명한 바와 같이, 상기 금속 전구체(50)가 예를 들어, 수산화구리(Cu(OH)2), 수산화니켈(NiOH), 수산화티타늄(Ti(OH)4), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 중 어느 하나라면, 상기 면광원의 제공에 따라, 수산화구리(Cu(OH)2)는 산화구리(CuxO)로, 수산화니켈(NiOH)은 산화니켈(Ni2O)로, 수산화티타늄(Ti(OH)4)은 산화티타늄(TiO)으로, 수산화알루미늄(Al(OH)3)은 산화알루미늄(Al2O3)으로 변화한다.
즉, 도 6a를 참조하면, 예를 들어, 상기 기판(10) 상에 형성된 금속 전구체(50)로서 수산화구리(Cu(OH)2)는, 나노 로드가 다양한 길이, 형상 및 배열로 상기 기판(10) 상에 형성된 상태이다.
이에, 상기 면광원(110)이 제공되면, 광원의 제공에 따라 산화되어 전체적으로 어두운 색으로 변화하여 산화구리(CuxO)가 형성된다. 또한, 상기 산화구리(CuxO)의 경우, 나노로드 형상을 가지지만, 나노로드의 형상이 보다 다양하게 변화되거나 왜곡되는 등 그 형태가 상기 나노로드 형상의 수산화구리(Cu(OH)2)의 형태보다 더 불규칙한 형상을 가지도록 변화한다.
나아가, 상기 나노로드들은 일부가 서로 얽히거나 교차되는 형상도 가지게 된다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기판(10) 상에 산화금속이 형성된 상태에서도, 상기 리튬을 증착하는 공정(단계 S300)을 수행하여, 바로 전극(2)을 형성할 수도 있다.
즉, 상기와 같이, 나노로드 형상들이 서로 얽히거나 교차되는 형상을 가진 상태에서, 리튬이 증착되는 경우, 리튬과의 친화성이 향상되어 상기 리튬(30)과의 전착이 보다 균일하게 수행될 수 있으며, 이에 따라 리튬(30)의 충방전 과정에서도 균일한 표면부를 형성하여 별도의 돌기부가 가지 형태로 돌출되며 자라나는 현상(dendrite growth)은 발생하지 않게 된다.
이와 달리, 도 4 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 나노로드 형태를 가지며 상기 기판(10) 상에 형성되는 상기 산화금속(60)에 상기 면광원(110)을 추가로 인가할 수 있다(단계 S212).
그리하여, 상기 면광원(110)이 추가로 인가되면, 상기 산화금속(60)은 나노 로드 형태의 금속(70)으로 변화한다(단계 S223).
앞서 설명한 바와 같이, 상기 산화금속(60)이 예를 들어, 산화구리(CuxO), 산화니켈(Ni2O), 산화티타늄(TiO), 산화알루미늄(Al2O3) 중 어느 하나라면, 상기 산화구리(CuxO)는 구리(Cu)로, 산화니켈(Ni2O)은 니켈(Ni)로, 산화티타늄(TiO)은 티타늄(Ti)으로, 산화알루미늄(Al2O3)은 알루미늄(Al)으로 변화한다.
이 경우, 상기 면광원(110)의 추가 제공에 따라, 상기 기판(10) 상에 형성되는 금속의 실제 이미지에 대하여는 도 9b를 참조하여 후술한다.
나아가, 이상과 같이, 상기 기판(10) 상에 나노 로드 형태를 가지는 금속(70)이 형성된 후, 상기 리튬을 증착하는 공정(단계 S300)을 수행하여, 상기 전극(2)을 형성하게 된다.
한편, 상기 단계 S200의 다른 예에 대하여 설명하면 하기와 같다.
도 7은 도 2의 금속 전구체를 나노 로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계의 다른 예를 도시한 흐름도이다. 도 8a 내지 도 8c는 도 7의 금속으로 변화하는 단계를 도시한 공정도들이다. 도 9a는 나노 로드 형태의 산화구리를 도시한 이미지이며, 도 9b는 변화된 나노 로드 형태의 구리를 도시한 이미지이다.
즉, 도 7 및 도 8a를 참조하면, 상기 단계 S200에서는, 우선, 나노로드 형태를 가지며 상기 기판(10) 상에 형성되는 상기 금속 전구체(50)를 나노 로드 형태를 가지는 산화금속(60)으로 변화시킨다(단계 S220).
이 경우, 상기 금속 전구체(50)를 상기 산화금속(60)으로 변화시키는 방법으로는, 앞서 설명한 상기 면광원(110)을 제공하는 방법 외에도 다른 공정이 적용될 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 전구체(50) 상에 면광원 외에, 레이저 광이나 여타의 광을 인가할 수 있으며, 소정의 온도나 열을 제공할 수도 있다.
이 후, 도 7 및 도 8b를 참조하면, 상기 기판(10) 상에 형성된 상기 산화금속(60)에 알코올 유도체(80)를 코팅한다(단계 S221).
즉, 나노로드 형상을 가지면서 상기 기판(10) 상에 형성된 산화금속(60)에 상기 알코올 유도체(80)를 균일하게 코팅한다.
이 경우, 상기 산화금속(60)은, 예를 들어, 산화구리(CuxO), 산화니켈(Ni2O), 산화티타늄(TiO), 산화알루미늄(Al2O3) 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 알코올 유도체(80)는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)일 수 있다.
또한, 상기 알코올 유도체(80)를 코팅하는 공정은, 다양한 코팅 공정이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating) 공정이 적용될 수 있다.
이 후, 도 7 및 도 8c를 참조하면, 상기 알코올 유도체(80)가 코팅된 나노로드 형태를 가지는 상기 산화금속(60)에 상기 면광원(110)을 인가하고(단계 S222), 이렇게 면광원(110)이 인가되어, 상기 기판(10) 상에는 상기 산화금속(60)이 나노로드 형태를 가지는 금속(70)으로 변화되어 형성된다(단계 S223).
이 경우, 상기 면광원(110)에 대하여는 앞서 설명한 바와 같으며, 상기 면광원(110)은 별도의 광원유닛(100)을 통해 제공될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 산화금속(60)이 예를 들어, 산화구리(CuxO), 산화니켈(Ni2O), 산화티타늄(TiO), 산화알루미늄(Al2O3) 중 어느 하나라면, 상기 산화구리(CuxO)는 구리(Cu)로, 산화니켈(Ni2O)은 니켈(Ni)로, 산화티타늄(TiO)은 티타늄(Ti)으로, 산화알루미늄(Al2O3)은 알루미늄(Al)으로 변화한다.
즉, 도 9a를 참조하면, 예를 들어, 상기 기판(10) 상에 형성된 산화금속(60)으로서 산화구리(CuxO)는, 도 6b를 참조하여 설명한 바와 같이, 나노 로드가 다양한 길이, 형상 및 배열로 상기 기판(10) 상에 형성된 상태이다.
이에, 상기 면광원(110)이 제공되면, 광원의 제공에 따라 구리(Cu)가 형성된다. 또한, 상기 구리(Cu)의 경우, 나노로드 형상을 가지지만, 나노로드의 형상이 더 다양하게 변화되거나 왜곡되는 등 그 형태가 상기 나노로드 형상의 산화구리(CuxO)의 형태보다 더 불규칙한 형상을 가지도록 변화한다. 나아가, 상기 나노로드 형상들은 서로 얽히거나 교차되는 형상을 가지게 된다.
이와 같은 나노로드 형상들이 서로 얽히거나 교차되는 형상을 가짐에 따라, 리튬이 증착되는 경우, 리튬과의 친화성이 향상되어 상기 리튬(30)과의 전착이 보다 균일하게 수행될 수 있으며, 이에 따라 리튬(30)의 충방전 과정에서도 균일한 표면부를 형성하여 별도의 돌기부가 가지 형태로 돌출되며 자라나는 현상(dendrite growth)은 발생하지 않게 된다.
즉, 상기 기판(10) 상에 나노 로드 형태를 가지는 금속(70)이 형성된 후, 상기 리튬을 증착하는 공정(단계 S300)을 수행하여, 상기 전극(2)을 형성하게 된다.
도 10은 나노로드 형태가 형성되지 않은 리튬 전극, 본 실시예들에 의한 나노 로드 형태의 산화구리가 형성된 리튬 전극, 및 나노 로드 형태의 구리가 형성된 리튬 전극에 대하여, 충방전을 반복하는 경우의 충전 용량의 변화를 도시한 그래프이다.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 나노로드(nano-rod, NR) 형태가 아닌 금속(Cu)이 형성된 기판 상에 리튬을 증착하여 전극을 형성한 경우(Li-Cu Foil)는 반복적인 충방전이 수행됨에 따라(cycling), 충전 용량이 급감하는 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 실시예에서와 같이, 나노로드(NR) 형태를 가지는 산화금속(CuO)이 형성된 기판 또는 나노로드(NR) 형태를 가지는 금속(Cu)이 형성된 기판 상에 리튬을 증착하여 전극을 형성한 경우(Li-CuO NR, Li-Cu NR)에는, 반복적인 충방전이 수행되더라도(cycling), 상대적으로 충전 용량이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
특히, 나노로드(NR) 형태를 가지는 금속(Cu)이 형성된 기판 상에 리튬을 증착하여 전극을 형성한 경우(Li-Cu NR)에는, 상기 충전 용량의 균일성이 유지되는 구간이 더욱 증가함을 확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 기판 상에 나노로드 형태를 가지는 금속이나 산화금속을 형성한 상태에서, 리튬을 증착함으로써, 리튬의 균일 전착이 유도되며, 이에 따라 리튬 전극의 충방전 과정에서의 리튬 이온으로부터 별도의 돌기부가 가지 형태로 돌출되며 자라나는 현상(dendrite growth)을 최소화할 수 있다. 그리하여, 배터리의 용량을 증가시키며 안정적인 충방전 상태를 유지할 수 있다.
이 경우, 상기 나노로드 형태의 산화금속이나 금속을 형성함에 있어, 소정 면적을 가지는 면광원을 면적 단위로 기판으로 제공함으로써, 단위 면적 단위에서 일체로 산화금속이나 금속의 형성이 가능하여 공정의 편의성이 향상된다.
특히, 면광원을 실온의 대기 중에서 제공할 수 있으므로, 상기 산화금속이나 금속의 형성 공정을 보다 단순화할 수 있다. 나아가, 연속적으로 제공되는 기판에 대하여 면광원을 플래쉬 광으로 제공하여 연속 공정을 수행할 수 있으므로, 전극 생산의 효율성을 향상시키며 대량 생산이 가능할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 리튬 전극 10 : 기판
20, 30 : 리튬 21 : 돌기부
31 : 표면부 50 : 금속 전구체
60 : 산화금속 70 : 금속
80 : 알코올 유도체 100 : 광원유닛
110 : 면광원

Claims (11)

  1. 기판 상에 금속 전구체를 나노로드(nano-rod) 형태로 형성하는 단계(단계 S100);
    소정 면적을 가지는 면광원을 인가하여, 상기 금속 전구체를 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속으로 변화하는 단계(단계 S200); 및
    상기 나노로드 형태의 산화금속 또는 금속이 형성된 기판으로 리튬(lithium)을 증착하여 전극을 형성하는 단계(단계 S300)를 포함하는 배터리용 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 면광원은,
    상기 금속 전구체가 형성된 기판의 면적 전체에 대하여 순간적으로 제공되는 플래쉬(flash) 광인 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 연속으로 제공되며,
    상기 면광원은, 연속으로 제공되는 기판에 대하여 일정 면적 단위로 순간적으로 제공되는 플래쉬(flash) 광인 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면광원은 실온의 대기 중에서 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 S100에서,
    금속 재질을 포함하는 상기 기판을 탈이온수에 과황산암모늄(Ammonium Persulfate)과 수산화나트륨(NaOH)을 섞은 용액에 담가 화학반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 S200은,
    상기 나노 로드 형태의 금속 전구체에 상기 면광원을 인가하는 단계;
    상기 금속 전구체가 나노로드 형태의 산화금속으로 변화되는 단계;
    상기 산화금속에 상기 면광원을 추가로 인가하는 단계; 및
    상기 산화금속이 나노로드 형태의 금속으로 변화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 S200은,
    상기 금속 전구체가 나노 로드 형태의 산화금속으로 변화되는 단계;
    상기 산화금속이 형성된 기판으로 알코올 유도체를 코팅하는 단계;
    상기 알코올 유도체가 코팅된 기판으로 상기 면광원을 인가하는 단계; 및
    상기 산화금속이 나노로드 형태의 금속으로 변화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 금속 전구체는,
    수산화구리(Cu(OH)2), 수산화니켈(NiOH), 수산화티타늄(Ti(OH)4), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 산화금속은 산화구리(CuxO), 산화니켈(Ni2O), 산화티타늄(TiO), 산화알루미늄(Al2O3) 중 어느 하나이고,
    상기 금속은 구리(Cu), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 알코올 유도체를 코팅하는 단계는,
    상기 알코올 유도체를 스핀 코팅(spin coating)하는 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 알코올 유도체는,
    에틸렌 글리콜(ethylene glycol)인 것을 특징으로 하는 배터리용 전극의 제조방법.
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