KR20230158359A - 전극용 집전체 - Google Patents

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KR20230158359A
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김경준
조재성
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주식회사 유앤에스에너지
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체는, 베이스 필름; 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 형성되는 도전재를 포함하는 도전재층; 및 상기 도전재층의 표면에 형성되는 전극 활물질;을 포함하고, 상기 도전재층은, 상기 베이스 필름이 노출되도록 상기 도전재가 존재하지 않거나 제거되어 형성되는 필링부 및 상기 필링부의 배열 방향 또는 패턴 방향을 따라 상기 필링부 사이에 위치하는 전류 패스부를 포함할 수 있다.

Description

전극용 집전체{CURRENT COLLECTOR FOR ELECTRODE}
본 발명은 전극용 집전체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베이스 필름에 마련된 도전재 금속의 일부를 제거하거나 도전재 금속과 전극 활물질의 일부를 제거함으로써 단락 발생시 전극 활물질과 도전재가 존재하는 부분에만 단락 전류 패스가 형성되어 이차전지의 일부분으로만 단락 전류가 흐르고 나머지 부분에서는 단락 전류 패스를 차단하는 전기화학적 퓨즈 또는 물리적인 퓨즈 기능을 발휘함으로써 단락 발생시 전지의 과열 현상을 방지하고 전지의 안전성을 높일 수 있는 전극용 집전체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동전위를 나타내고, 자가방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 있다.
리튬금속 이차전지는 최초로 상용화된 이차전지로서, 리튬 금속을 음극으로 사용한다. 그러나, 리튬 금속 이차전지는 리튬금속 음극의 표면에 형성되는 리튬 수지상에 의해 셀의 부피 팽창, 용량 및 에너지 밀도의 점진적인 감소, 수지상 지속 성장에 따른 단락 발생, 사이클 수명 감소와 셀 안정성 문제(폭발 및 발화)가 있어 상용화된지 불과 몇 년만에 생산이 중단되었다. 이에, 리튬 금속 대신에 보다 안정하고 격자나 빈 공간 내에 리튬을 이온상태로 안정하게 저장할 수 있는 탄소계 음극이 사용되었으며, 상기 탄소계 음극 사용으로 인해 본격적인 리튬 이차전지의 상용화 및 보급이 진행되었다.
현재까지 리튬 이차전지는 탄소계 또는 비탄소계 음극 소재들이 주류를 이루고 있으며, 대부분의 음극재 개발은 탄소계(흑연, 하드카본, 소프트 카본 등)와 비탄소계(실리콘, 주석, 티타늄 산화물 등) 소재에 집중되어 있다.
한편, 최근에는 휴대용 전자기기 및 정보 통신 기기가 소형화됨에 따라 이들을 구동하기 위한 초소형 전원 시스템으로서 리튬 이차전지의 이용이 크게 기대되고 있다.
더욱이, 최근에는 유연성(Flexibility), 저가격, 제작 용이성 등의 장점을 이용한 고분자계 전자기기 및 소자의 개발 및 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 소형화된 기기에 사용하기 위해서는 리튬 이차전지의 에너지 밀도 또는 성능은 유지하면서도 전지의 두께 또는 무게를 줄일 필요가 있다.
또한, 리튬 이차전지의 두께 또는 무게를 줄이더라도 단락 발생시 전류 패스를 차단 또는 파괴함으로써 리튬 이차전지의 안전성을 높일 수 있어야 한다.
특히, 2Ah 이상의 에너지를 저장할 수 있는 대용량 리튬 이차전지의 경우 단락이 발생하는 경우에 단락 전류를 줄이거나 차단할 수 있는 전지 안전화 기술이 더욱더 필요한 실정이다.
본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명을 제안하게 되었다.
한국공개특허공보 제10-2006-0102745호(2006.09.28.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 금속 포일로 된 집전체와 비교하여 두께 또는 무게를 줄일 수 있으면서 동시에 내부 단락 또는 외부 단락 발생시 퓨즈의 기능을 발휘함으로써 이차전지의 과열 또는 온도 상승을 방지하고 전지의 안정성을 높일 수 있는 전극용 집전체를 제공한다.
또한, 본 발명은 대형 리튬 이차전지에 있어서 단락 발생시 단락이 발생한 부분을 다른 부분과 격리 또는 분리함으로써 전극용 집전체 전체가 단락에 반응하는 것을 방지하고 단락이 발생한 부분을 제외한 전극용 집전체의 다른 부분은 정상적으로 작동할 수 있는 전극용 집전체를 제공한다.
또한, 본 발명은 대형 리튬 이차전지에 단락이 발생할 경우 전극용 집전체 중 단락 발생 부위의 면적 또는 크기를 줄임으로써 전극용 집전체의 작은 부분에서만 에너지가 소산되게 하여 전지의 발열량을 줄일 수 있는 전극용 집전체를 제공한다.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체는, 베이스 필름; 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 형성되는 도전재를 포함하는 도전재층; 및 상기 도전재층의 표면에 형성되는 전극 활물질;을 포함하고, 상기 도전재층은, 상기 베이스 필름이 노출되도록 상기 도전재가 존재하지 않거나 제거되어 형성되는 필링부 및 상기 필링부의 배열 방향 또는 패턴 방향을 따라 상기 필링부 사이에 위치하는 전류 패스부를 포함할 수 있다.
상기 필링부는 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면이 노출된 상태로 형성되거나, 노출된 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 상기 전극 활물질이 형성된 상태로 형성되고, 상기 전류 패스부는 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 적어도 상기 도전재층은 존재하는 상태로 형성될 수 있다.
상기 필링부와 상기 전류 패스부를 연결하여 형성되는 패턴 라인에 의해 상기 도전재층의 면적 또는 상기 전극 활물질의 면적은 다수개의 반응 섹션으로 분할될 수 있다.
상기 전극용 집전체를 구비한 이차전지에 단락이 발생하는 경우에 단락 발생 지점의 주위에 위치하는 상기 전류 패스부를 통해서 단락 전류가 상기 단락 발생 지점으로 흐를 수 있다.
상기 반응 섹션 중 상기 단락 발생 지점이 위치하는 반응 섹션은 전기적 퓨즈로서 기능하는 퓨즈 섹션이 되고, 상기 퓨즈 섹션을 형성하는 상기 전류 패스부 또는 상기 퓨즈 섹션에 연결되는 상기 전류 패스부 전체가 끊어지고 상기 전류 패스부가 모두 끊어진 후에는 상기 퓨즈 섹션에 존재하는 상기 전극 활물질의 전기 화학적 반응이 유도될 수 있다.
상기 퓨즈 섹션을 형성하거나 상기 퓨즈 섹션을 둘러싸는 상기 필링부 및 상기 전류 패스부는 단락 전류에 의한 단락 반응이 상기 퓨즈 섹션에서만 발생하도록 상기 퓨즈 섹션을 상기 반응 섹션으로부터 고립시킬 수 있다.
동일 선상에 있어서 상기 필링부는 다수개가 형성되고 상기 전류 패스부는 적어도 한 개 형성되며, 동일한 선상에 위치하는 상기 필링부와 상기 전류 패스부는 길이 또는 크기가 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기 베이스 필름은 투명한 재질로 마련될 수 있다.
상기 필링부 및 상기 전류 패스부는 상기 베이스 필름의 상면 및 하면에 대칭이 되도록 형성될 수 있다.
상기 필링부 및 상기 전류 패스부는 레이저 패터닝에 의해서 상기 베이스 필름의 상면 및 하면에 대칭이 되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 집전체는 금속 포일 대신 부도체로 된 베이스 필름을 이용하고, 베이스 필름의 표면에 도전재를 코팅 또는 도금층을 형성하기 때문에 금속 포일로 된 집전체 보다 두께를 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 집전체는 단락 발생시 단락이 발생한 부분의 전극용 집전체를 다른 부분과 격리하여 단락이 발생한 부분의 전류를 차단함으로써 전극용 집전체 중 단락에 관여하는 부분을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 집전체는 분할 형성된 다수의 전극용 집전체가 리드탭과 전기적 병렬로 연결된 형태와 등가적인 구조를 가지기 때문에 단락이 발생한 해당 분할 전극용 집전체만 분리하여 전류를 차단함으로써 전극용 집전체의 다른 부분은 계속 사용할 수 있게 되어 안전성을 개선하고 사용 수명을 늘일 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 집전체는 분할 형성된 다수의 전극용 집전체 중 단락이 발생한 부분 주위의 전류 패스부만으로 단락 전류가 흐르도록 유도하고 단락이 발생하지 않은 다른 부분으로는 단락 전류가 흐르지 않도록 전류 패스를 차단하는 등 전기화학적 퓨즈 또는 물리적인 퓨즈 기능을 수행함으로써 전지의 과열 현상을 방지할 수 있고 전지의 안전성을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 전극용 집전체는 대형 리튬 이차전지에 적용되는 경우 이차전지에 단락이 발생하면, 전극용 집전체 중에서 단락 발생 부위의 면적 또는 크기를 줄임으로써 전극용 집전체의 작은 부분에서만 에너지가 소산되게 하여 전지의 발열량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체를 포함하는 전극 조립체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 전극 조립체를 도시한 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체 및 그 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 (a)에 도시된 전극용 집전체를 필링부와 직교하는 방향으로 절단하여 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체의 변형예를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체를 구비한 리튬 이차전지에 단락이 발생할 경우 전극용 집전체의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체를 포함하는 전극 조립체를 도시한 사시도, 도 2는 도 1에 따른 전극 조립체를 도시한 분해 사시도, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체 및 그 제작 과정을 설명하기 위한 도면, 도 5는 도 4의 (a)에 도시된 전극용 집전체를 필링부와 직교하는 방향으로 절단하여 도시한 단면도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체의 변형예를 도시한 도면, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체를 구비한 리튬 이차전지에 단락이 발생할 경우 양극 전극용 집전체의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 전극용 집전체는 양극 전극용 집전체 뿐만 아니라 음극 전극용 집전체를 포함하는 개념이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해서 전극용 집전체가 양극 전극용 집전체인 경우에 대해서 주로 설명한다.
도 1 및 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)를 포함하는 전극조립체(10)가 도시되어 있다. 도 1 및 도 2의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 양극 전극용 집전체로서, 전극조립체(10)에 사용되기 위해서 전극용 집전체(100)의 표면에 양극 활물질(103)이 도포되어야 한다.
한편, 음극 전극용 집전체(200)는 음극 금속포일(201)에 음극 활물질(203)이 도포되며, 길이방향의 일단측에 음극 리드탭(290)이 연결될 수 있다.
음극 전극용 집전체(200)와 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100) 사이에 분리막(300)이 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같은 상태로 분리막(300)을 사이에 두고 상하에 각각 음극 전극용 집전체(200)와 전극용 집전체(100)를 순서대로 쌓으면 도 1과 같은 전극조립체(10)를 얻을 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 전극용 집전체(100)가 양극 집전체인 경우를 중심으로 설명 한다.
도 3 내지 도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전극용 집전체(100)가 도시되어 있다. 양극 전극용 집전체(100)는 앞서 언급한 음극 전극용 집전체(200)와는 달리 금속 포일을 사용하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(current collector for electrode, 100)는, 금속 포일로 된 집전체의 저항 보다 큰 저항값을 가지기 때문에, 집전체를 흐르는 전류의 한계 전류값을 조정할 수 있고 베이스 필름의 손상에 의해 전류 흐름이 방해를 받을 수 있기 때문에 이차전지의 내부 단락 발생시 단락 전류를 저하시키거나 발열을 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)를 구비한 리튬이차전지(Lithium Secondary Battery)는 Max Current Limited Battery (MCLB)의 성격 또는 개념을 가질 수 있다. 이하에서는, MCLB의 구현을 가능하게 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 양극 전극용 집전체로서, 기존 전지의 양극 집전체 즉, 금속 포일(metal foil)로 형성된 양극 집전체의 저항 보다 높은 저항값을 가지기 때문에 한계 전류를 조정할 수 있을 뿐만 아니라 내부 단락시 전류 패스를 차단하거나 붕괴시킴으로써 단락 전류를 저하시키거나 단락시 발생하는 발열 현상을 줄여서 전지의 안전성을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 금속 포일을 사용하지 않고 베이스 필름(101)을 기본 소재로 하고, 베이스 필름(101) 위에 얇은 두께의 금속을 도포하거나 코팅하는 것을 하나의 특징으로 할 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는, 베이스 필름(101); 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 형성되는 도전재를 포함하는 도전재층(102); 및 도전재층(102)의 표면에 형성되는 전극 활물질(103);을 포함할 수 있다.
여기서, 도전재층(102)은, 베이스 필름(101)이 노출되도록 도전재가 존재하지 않거나 제거되어 형성되는 필링부(160) 및 필링부(160)의 배열 방향 또는 패턴 방향을 따라 필링부(160) 사이에 위치하는 전류 패스부(170)를 포함할 수 있다. 상기에서 도전재층(102) 중에서 도전재가 존재하지 않는 필링부(160)에 전극 활물질(103)이 코팅 또는 도포될 수도 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 집전체(100)의 기본이 되는 베이스 필름(101), 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 형성되는 도전재층(102) 및 도전재층(102)의 표면에 형성되는 전극 활물질(103)을 포함할 수 있다.
만약, 전극용 집전체(100)가 양극 전극용 집전체(current collector for positive electrode or cathode)인 경우에 도전재층(102)은 알루미늄(Al) 금속의 도전재가 도포(코팅)되어 형성되고 전극 활물질(103)은 양극 전극용 활물질이 이용될 수 있다. 반면에, 전극용 집전체(100)가 음극 전극용 집전체(current collector for negative electrode or anode)인 경우에 도전재층(102)은 구리(Cu) 금속이 도포(코팅)되어 형성되고 전극 활물질(103)은 음극 전극용 활물질이 이용될 수 있다.
도 3의 (a)는 베이스 필름(101)의 표면에 알루미늄 금속 도전재의 도전재층(102)이 형성된 상태의 양극 전극용 집전체(100)의 평면도이고, 도 3의 (b)는 (a)에 도시된 상태에서 도전재층(102)의 표면에 전극 활물질(양극 전극용 활물질)(103)이 형성된 상태의 양극 전극용 집전체(100)의 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 도 3의 (b)에 도시된 양극 전극용 집전체(100)를 그대로 사용하는 것이 아니라 도전재층(102)을 형성하는 도전재의 일부를 제거하거나 도전재와 전극 활물질(103)의 일부를 동시에 제거한 상태로 사용될 수 있다.
베이스 필름(101)은 일정한 길이는 가지도록 띠 모양으로 마련될 수 있다. 여기서, 베이스 필름(101)은 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT: Polybutylene terephthalate), 폴리이미드(PI: Polyimide), 폴리메틸펜틴(PMP: Polymethylpentene) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 등의 도전성이 없는 부도체 재질로 마련되어야 한다.
베이스 필름(101)은 50μm 이하의 두께를 가지되, 1.4μm 이상, 50μm 이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전극용 집전체(100)는 기존의 금속 포일 집전체를 사용하는 경우 보다 전지의 두께 또는 무게를 줄일 수 있는데, 두께가 1.4μm 이상, 50μm 이하인 부도체의 베이스 필름(101)을 양극 전극용 집전체(100)의 기본 구성으로 사용함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전극용 집전체(100)를 구비한 리튬이차전지의 전체적인 두께 또는 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 도 3의 (a)에 도시된 상태 즉, 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 도전재층(102)이 형성(코팅 또는 도포)된 상태에서 도전재층(102)을 형성하는 도전재의 일부를 제거하여 필링부(160)를 형성한 후 필링부(160)를 덮도록 상면에 전극 활물질(103)을 형성하거나, 도 3의 (b)에 도시된 상태 즉, 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 도전재층(102)과 전극 활물질(103)이 모두 형성되어 있는 상태에서 도전재와 전극 활물질(103)의 일부를 한꺼번에 제거하여 필링부(160, peeling part)를 형성해야 하기 때문에, 베이스 필름(101)이 7μm 이상, 50μm 이하인 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 베이스 필름(101)의 두께가 7μm 이상, 50μm 이하가 되어야 도전재층(102)의 도전재만 제거하거나 도전재와 전극 활물질(103)을 한꺼번에 제거하여 필링부(160)를 형성하는 작업(공정)시에 베이스 필름(101)이 녹거나 끊어지지 않고 원래의 형태를 유지할 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)의 베이스 필름(101)의 최적 두께에 대한 반복 실험을 수행하였고 그 결과를 다음 [표 1]과 [표 2]에 나타내었다.
전극용 집전체 사진 실험 결과





실험 1




베이스 필름 끊어짐






실험 2





베이스 필름 끊어지지 않음






실험 3





베이스 필름 끊어지지 않음
[표 1]은 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 알루미늄 도전재로 된 도전재층이 코팅 또는 도포된 양극 전극용 집전체에 대해서 레이저를 이용하여 필링부를 형성할 경우 베이스 필름이 끊어지는지 여부를 실험한 결과를 나타낸다. 베이스 필름의 두께가 5μm(실험 1), 7μm(실험 2), 12μm(실험 3)인 양극 전극용 집전체에 대해서 레이저의 파워가 60%이고 속도가 300mm/s인 조건으로 레이저로 알루미늄 도전재를 제거하여 필링부가 형성된 상태의 양극 전극용 집전체의 사진을 보여준다. [표 1]을 참조하면, 실험 1의 경우에는 필링부가 형성된 부분에서 베이스 필름이 완전히 끊어졌다. 반면에 실험 2와 3의 경우에는 필링부가 형성된 부분에서 베이스 필름이 끊어지지 않았다.
전극용 집전체 사진 필링부의 루뻬 사진









실험 2










실험 3

[표 2]는 베이스 필름의 두께가 7μm인 실험 2의 양극 전극용 집전체의 필링부의 사진, 베이스 필름의 두께가 12μm인 실험 3의 양극 전극용 집전체의 필링부의 사진을 나타낸다. 실험 2의 경우 필링부 ①과 ②를 루뻬(Loupe)로 관찰한 사진과, 실험 3의 경우 필링부 ③과 ④를 루뻬(Loupe)로 관찰한 사진을 보면, 베이스 필름이 끊어지거나 녹지 않고 연결되어 있어 양극 전극용 집전체의 형태가 유지됨을 알 수 있다.
전극용 집전체 사진 필링부의 루뻬 사진



실험 4
[표 3]의 실험 4는 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 구리 도전재의 도전재층이 코팅 또는 도포된 음극 전극용 집전체에 대해서 레이저를 이용하여 필링부를 형성할 경우 베이스 필름이 끊어지는지 여부를 실험한 결과를 나타낸다. 베이스 필름의 두께가 7μm인 음극 전극용 집전체에 대해서 레이저의 파워가 60%이고 속도가 300mm/s인 조건으로 레이저로 구리 도전재를 제거하여 필링부가 형성된 상태의 음극 전극용 집전체의 사진과, 필링부를 루뻬(Loupe)로 관찰한 사진을 보여주고 있다. 실험 4의 경우 필링부를 루뻬(Loupe)로 관찰한 사진을 보면, 베이스 필름이 끊어지거나 녹지 않고 연결되어 있어 음극 전극용 집전체의 형태가 유지됨을 알 수 있다.
[표 1] 내지 [표 3]에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)에 있어서, 베이스 필름(101)이 7μm 이상, 50μm 이하인 두께로 형성되는 경우에 레이저로 필링부를 형성하는 공정이 가능한 인장 강도를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
레이저를 사용하여 필링부를 형성하는 경우, 투명한 물질은 투과하는 레이저의 성질을 이용할 수 있어서 베이스 필름이 투명한 재질이라면 금속 및 전극부만 녹일 수 있으며 투명한 부분 즉, 투명한 재질로 된 베이스 필름은 레이저가 투과하기 때문에 녹지 않고 유지될 수 있다. 단, 금속 및 전극의 녹는 열로 인해 투명한 재질의 베이스 필름에 영향을 줄 수 있는데 베이스 필름의 두께가 얇을수록 그 경향성이 커져서 베이스 필름에 끊어짐이 발생하게 된다. 따라서, 레이저를 이용하여 필링부를 형성하는 경우는 베이스 필름은 투명한 재질을 가져야 하고 7μm 이상, 50μm 이하인 두께를 가지는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는, 베이스 필름(101) 및 베이스 필름(101)의 표면(상면 또는 하면)에 마련되는 도전재층(102, conductive material layer)을 포함할 수 있다.
전극용 집전체(100)가 양극 전극용 집전체인 경우에, 도전재층(102)은 알루미늄(Al) 금속의 도전재로 마련될 수 있다.
상기 도전재층(102)은 전극용 집전체(100)의 한계 전류 또는 최대 전류를 조절하거나 낮추도록 형성될 수 있다. 전극용 집전체(100)가 양극 전극용 집전체인 경우에, 도전재층(102)은 양극 전극용 집전체(100)의 전도성(conductivity)을 제어하기 위해 베이스 필름(101)의 표면(상면 또는 하면 중 적어도 일면)에 도금되거나 코팅되는 알루미늄 금속 도전재를 포함할 수 있다. 이하에서 도전재층(102)은 도전재를 포함하는 개념이다.
베이스 필름(101)의 표면에 도금(코팅)되거나 증착되는 도전재층(102)의 코팅량 또는 코팅 두께를 조절함으로써 전극용 집전체(100)를 흐르는 전류의 최대량을 제어 또는 낮출 수 있고, 이로 인해 리튬이차전지의 안전성을 높일 수 있고 단락시 리튬이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.
다시 말하면, 베이스 필름(101)의 표면에 형성된 도전재층(102)의 두께 또는 양에 의해서 전극용 집전체(100)를 흐르는 한계 전류 또는 최대 전류가 조절될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)의 도전재층(102)에 의해서 리튬이차전지(Lithium Secondary Battery)의 Max Current Limited Battery (MCLB)의 성격 또는 개념이 구현될 수 있다.
또한, 물리적인 내부 단락 또는 외부 단락 발생시 베이스 필름(101)이 녹을 수 있어서 급격한 전류의 발생을 방해할 수 있기 때문에 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 도전재층(102)은 다양한 방식에 의해 베이스 필름(101)의 표면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 전극용 집전체의 경우에 도전재층(102)은 알루미늄 금속 도전재를 스퍼터링(sputtering) 또는 증발코팅(evaporation coating)에 의해서 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 형성하여 얻을 수 있다. 알루미늄은 산화가 잘 되기 때문에 전해도금에 의해서 베이스 필름(101)의 표면에 도전재층(102)을 형성하는 것은 쉽지 않다.
도전재층(102)은 도전재가 코팅되는 양(무게) 또는 두께에 의해서 전극용 집전체(100)의 전도성을 제어하거나 전지의 안전성을 확보할 수 있기 때문에, 도금 또는 코팅할 때 도전재층(102)의 두께 또는 무게를 제어 내지 조절할 수 있는 방식을 사용할 필요가 있다.
도전재층(102)은 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면 중 어느 일면에만 형성되거나 양면에 모두 형성될 수도 있다. 이때, 도전재층(102)은 최소 단면 기준 0.3μm, 최대 단면 기준 2.5μm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 도전재층(102)에 의해서 전류 흐름이 가능하기 때문에 베이스 필름(101)의 표면에 도전재층(102)이 코팅된 상태가 잘 유지되어야 한다. 이를 위해서, 베이스 필름(101)의 표면 처리를 하여 도전재층(102)과 베이스 필름(101)의 결착력을 높이는 것이 바람직하다.
도전재층(102)과 베이스 필름(101) 간의 결착력이 좋지 않으면, 전해액이 주입된 상태에서 도전재층(102)이 베이스 필름(101)의 표면에서 분리 또는 이탈될 수 있기 때문에 도전재층(102)과 베이스 필름(101) 간의 결착력을 높이는 것이 중요하다.
베이스 필름(101)의 표면에는 도전재층(102)과의 접착력 또는 결착력을 높이기 위한 표면 처리가 형성될 수 있다.
도전재층(102)과 베이스 필름(101)의 결착력을 높이기 위해서 베이스 필름(101)의 표면에 코로나 처리를 하는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 외부 기기와의 전기적 연결을 위한 리드탭(190)을 구비할 수 있다.
기존의 금속 포일 집전체는 금속 포일에 직접 리드탭을 용접할 수 있지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 기존의 금속 포일에 대응하는 구성이 베이스 필름(101)이기 때문에 베이스 필름(101)에 직접 리드탭을 용접하는 것이 불가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 양면 또는 리드탭(190)이 연결되는 면에 금속편(120)을 추가적으로 위치시키고, 금속편(120)에 리드탭(190)을 용접함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.
리드탭(190)이 부착되는 면 또는 베이스 필름(101)의 양면에 금속편(120)을 위치시키고, 금속편(120)에 리드탭(190)을 용접하여 리드탭(190)을 연결할 수 있는데, 베이스 필름(101)이 리드탭(190)의 용접 온도 보다 낮은 온도에서 녹지 않으면 리드탭(190)이 결합될 수 없다. 따라서, 베이스 필름(101)은 리드탭(190)을 용접하는 과정에서 녹을 수 있는 정도의 녹는점을 가지는 것이 바람직하다.
금속편(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 베이스 필름(101)의 양면 중 어느 일면 측에만 마련되거나, 베이스 필름(101)의 양면에 모두 마련될 수 있다.
금속편(120)은 베이스 필름(101) 상에서 리드탭(190)을 용접하는 위치를 확보하는 역할을 할 수 있다. 즉, 금속편(120)은 리드탭(190)의 연결부와 같은 역할을 할 수 있다.
금속편(120)은 5μm 이상의 두께를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 금속편(120)은 5μm 이상의 두께를 가지는 금속 박막 또는 금속 포일의 형태를 가지는 것이 바람직하지만, 반드시 이러한 형태에 국한되는 것은 아니다. 즉, 금속편(120)은 박막, 포일 또는 메쉬(mesh)의 형태로 마련될 수 있다.
금속편(120)은 양극의 경우 알루미늄 포일(foil) 또는 SUS 316L 포일로 마련되는 것이 바람직하다. 음극의 경우에는 Cu, Ni, SUS 포일로 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)에 있어서, 리드탭(190)은 초음파 용접(ultrasonic welding), 레이저 용접(laser welding) 또는 스폿 용접(spot welding)에 의해서 금속편(120)에 용접될 수 있다.
베이스 필름(101)의 일면에 리드탭(190)을 연결하기 위한 금속편(120)이 마련될 수도 있다. 이때, 리드탭(190)과 금속편(120)의 사이에 도전재층(102)이 위치할 수 있다. 즉, 베이스 필름(101)의 상면 및 하면에 도전재층(102)을 먼저 도포 또는 코팅한 후에 도전재층(102)과 전기적으로 연결되도록 금속편(120)이 도전재층(102) 위에 위치하거나 금속편(120)이 도전재층(102)과 접촉하도록 마련될 수 있다.
베이스 필름(101)의 양면 중 적어도 일면에 마련된 금속편(120)에 리드탭(190)을 용접할 때, 베이스 필름(101)이 녹음으로써 베이스 필름(101)의 양면에 마련된 금속편(120)이 서로 연결되고, 그 결과 리드탭(190)이 베이스 필름(101)의 양면에 마련된 도전재층(102)과 동시에 전기적으로 연결될 수 있다.
베이스 필름(101)의 상하 양면에 금속편(120)와 도전재층(102)이 마련된 상태에서 베이스 필름(101)의 상면에 마련된 금속편(120)에 리드탭(190)을 초음파 용접, 레이저 용접 또는 스폿 용접하게 되면, 베이스 필름(101)의 일부가 녹을 수 있다. 리드탭(190)을 용접할 때 발생하는 용접열이 베이스 필름(101)의 녹는점 보다 높다면 용접 과정에서 베이스 필름(101)은 녹을 수 있다.
이처럼 베이스 필름(101)이 녹은 부분에서는 베이스 필름(101)이 존재하지 않기 때문에 상하의 금속편(120)끼리 직접 접촉할 수 있다. 이때, 금속편(120)도 용접열에 의해서 용융된 상태이기 때문에 상하의 금속편(120)끼리 접합하게 된다. 따라서, 베이스 필름(101)이 녹아서 없는 부분에서 상하의 금속편(120)끼리 직접 용융 결합되기 때문에 어느 하나의 금속편(120)에 용접되는 리드탭(190)이 상하의 금속편(120) 뿐만 아니라 베이스 필름(101)의 상하면에 형성된 도전재층(102)의 도전재와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 용접열에 의해서 베이스 필름(101)의 일부가 녹더라도 금속편(120)이 베이스 필름(101)과 연결된 상태를 유지하기 때문에 리드탭(190)을 연결하는 것이 가능하다.
다만, 경우에 따라서는 베이스 필름(101)이 녹지 않은 상태에서도 리드탭(190)을 금속편(120)에 용접할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 도전재층(102)의 표면에 전극 활물질(103)이 도포될 수 있다. 전극 활물질(103)은 도전재층(102)의 표면에 도포된 후 도전재층(102)과 전극 활물질(103)을 단단히 결합시키기 위해서 전극 활물질(103)의 표면에 프레스 가공을 진행하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 형성되는 도전재층(102)의 두께 또는 양을 조절함으로써 전극용 집전체(100)를 흐르는 전류의 최대량을 제어하거나 낮출 수 있고, 이로 인해 전극용 집전체(100)를 구비한 리튬이차전지의 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 후술하는 필링부(160) 및 전류 패스부(170)를 구비함으로써 단락 발생 부위와 단락시 온도 상승을 줄여 리튬이차전지가 폭발하는 것을 방지할 수 있다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 마련된 도전재층(102)의 도전재를 제거하여 형성된 필링부(160) 및 이웃하는 필링부(160) 사이에 위치하는 전류 패스부(170)를 포함할 수 있다.
필링부(160, peeling part)는 베이스 필름(101)의 표면에 형성된 도전재층(102)의 도전재 중 일부를 제거하여 형성되는 부분으로서, 도전재층(102)이 없기 때문에 베이스 필름(101)이 노출되는 부분이고, 전류 패스부(170)는 필링부(160) 사이에 위치하는 부분으로서 도전재(102)와 전극 활물질(103)이 원래 상태로 존재하기 때문에 베이스 필름(101)이 노출되지 않는 부분이다.
여기서, 필링부(160)는 2가지 형태로 마련될 수 있는데, 그 중 하나는 베이스 필름(101)의 표면에 형성된 도전재층(102)의 도전재만 제거되고 전극 활물질(103)은 제거되지 않는 경우이다. 즉, 베이스 필름(101)의 표면에 형성된 도전재층(102)의 도전재 일부를 제거한 후 그 상태에서 도전재층(102)의 표면에 전극 활물질(103)을 형성하는 경우이다. 이 경우 필링부(160)에 위치하는 베이스 필름(101)의 표면을 전극 활물질(103)이 덮고 있는 형태가 된다.
필링부(160)의 형태 중 다른 하나는 베이스 필름(101)의 표면에 형성된 도전재층(102)의 도전재와 전극 활물질(103)의 일부를 일체로 한꺼번에 제거한 형태이다. 이 경우 필링부(160)에 위치하는 베이스 필름(101)은 노출된 형태가 된다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 서로 연결하면 일정한 패턴(pattern)을 이루게 된다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 베이스 필름(101)의 표면에 도전재층(102)과 전극 활물질(103)이 모두 도포된 상태에서 일정한 패턴을 따라 도전재층(102)의 도전재와 전극 활물질(103)을 일체로 제거하여 필링부(160)를 형성하면, 도 4 내지 도 8에 도시된 전극용 집전체(100)를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 필링부(160)는 도전재층(102)의 도전재와 전극 활물질(103)이 한꺼번에 일체로 제거되어서 베이스 필름(101)이 노출된 상태로 형성되거나, 도전재만 제거한 후 전극 활물질(103)이 도전재가 제거된 부분까지 덮어서 베이스 필름(101)이 노출되지 않는 상태로 형성될 수 있다.
반면에, 필링부(160)의 사이에 위치하는 전류 패스부(170)에는 전극 활물질(103)과 도전재층(102)이 모두 존재하거나, 전극 활물질(103)은 존재하지 않지만 도전재층(102)은 존재하기 때문에 베이스 필름(101)이 노출되지 않는다. 즉, 전류 패스부(170)에는 적어도 도전재층(102)은 존재하기 때문에 베이스 필름(101)이 노출되지 않는다. 이러한 전극용 집전체(100)가 리튬이차전지에 사용될 때, 도전재층(102)의 도전재는 존재하지 않고 전극 활물질(103)은 존재하는 필링부(160)와, 전극 활물질(103)과 도전재가 모두 존재하지 않는 필링부(160)에는 전류가 흐르지 않고, 적어도 도전재층(102)은 존재하는 전류 패스부(170)에만 전류가 흐르게 된다.
이때, 도전재층(102)은 존재하지 않고 전극 활물질(103)만 존재하는 필링부(160)에는 전극 활물질(103)의 저항 때문에 전류가 약하게 흐를 수는 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)가 양극용 집전체인 경우에 양극 활물질의 저항이 크기 때문에 도전재층이 아닌 양극 활물질(103)을 통해서 흐를 수 있는 전류의 양은 매우 적을 수밖에 없다.
도 4의 (a)에 도시된 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 폭방향을 따라 양측에 2개의 필링부(160)가 형성되고 필링부(160) 사이에 1개의 전류 패스부(170)가 형성되어 있다. 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 연결하면 직선 모양의 패턴이 된다. 전극용 집전체(100)는 이 직선 모양의 패턴을 기준으로 양측으로 구분되는 것으로 볼 수 있다. 전극용 집전체(100)가 리튬이차전지에 사용될 경우, 전류는 전류 패스부(170)를 통해서 패턴의 양측에 흐르게 된다.
도 4의 (b)에 도시된 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 폭방향을 따라 6개의 필링부(160)가 형성되어 있고 필링부(160) 사이에 5개의 전류 패스부(170)가 형성되어 있다. 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 연결하면 직선 모양의 패턴이 된다. 마찬가지로, 전극용 집전체(100)가 리튬이차전지에 사용될 경우, 전류는 전류 패스부(170)를 통해서 패턴의 양측에 흐르게 된다. 도 4의 (b)의 경우에는 필링부(160)가 점선 형태로 형성되어 있다.
도 5에는 도 4의 (a)에 도시된 전극용 집전체(100)의 단면도가 도시되어 있다. 도 5의 (a)에는 베이스 필름(101)의 상면 및 하면에 모두 도전재층(102)과 전극 활물질(103)이 형성되어 있는 상태에서 필링부(160)가 형성된 전극용 집전체(100)의 단면이 도시되어 있다. 이 경우 도전재층(102)과 전극 활물질(103)이 모두 제거되어 필링부(160)가 형성되기 때문에, 필링부(160)의 위치에 있는 베이스 필름(101)은 노출된 상태이다.
도 5의 (b)에는 도전재층(102)은 존재하지 않고 전극 활물질(103)만 존재하는 구조의 필링부(160)가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)가 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 양극 집전체인 경우에 양극 활물질(103)의 저항이 크기 때문에 도전재층이 아닌 양극 활물질(103)을 통해서 흐를 수 있는 전류의 양은 매우 적을 수밖에 없다.
베이스 필름(101)의 상면 및 하면에 모두 도전재층(102)과 전극 활물질(103)이 형성된 경우 필링부(160)는 베이스 필름(101)에 대하여 상하에 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 도 3의(b)에 도시된 전극용 집전체(100)에 대해서 레이저를 이용하여 패터닝 공정을 수행함으로써 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 형성할 수 있다.
베이스 필름(101)의 상면과 하면에 있는 도전재층(102)과 전극 활물질(103)을 제거하기 위해서는 상면 쪽에 레이저를 조사하여 필링부(160)를 형성하고 다시 하면 쪽에 레이저를 조사해서 하면에 필링부(160)를 형성해야 한다. 즉, 베이스 필름(101)의 상면과 하면 쪽에서 각각 레이저를 조사해야 하는데, 공정 상 효율적이지 않다. 공정 효율을 높이기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)을 투명한 재질로 마련하고, 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면 중 어느 한쪽에서 레이저를 조사하면 레이저가 투명한 재질의 베이스 필름(101)을 투과하기 때문에 조사면과 반대면에 동시에 필링부(160)를 형성할 수 있다. 즉, 베이스 필름(101)이 투명하기 때문에 레이저가 베이스 필름(101)을 투과하여 베이스 필름(101)의 상하 양면에 대칭적인 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)이 투명한 재질이면서 7μm 이상, 50μm 이하의 두께를 가지기 때문에 레이저에 의해 베이스 필름(101)이 녹거나 끊어지는 등 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)의 베이스 필름(101)은 레이저가 조사되어도 녹지 않을 정도로 높은 녹는점을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)의 경우, 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 레이저 패터닝에 의해서 베이스 필름(101)의 상면 및 하면에 대칭이 되도록 형성될 수 있다. 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 베이스 필름(101)의 상면 및 하면에 대칭이 되도록 형성될 수 있다.
만약, 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면 중 어느 일면에만 도전재층(102)과 전극 활물질(103)이 형성된 경우에는 베이스 필름(101)의 한 쪽 면에만 필링부(160)와 전류 패스부(170)가 형성될 수 있다.
도 6의 (a)에 도시된 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 길이방향을 따라 필링부(160) 및 전류 패스부(170)가 형성되어 있다. 도 6의 (a)의 경우, 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 리드탭(190)이 연결되는 부분에도 형성될 수 있다.
도 6의 (b)에 도시된 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)에 도포된 전극 활물질(103)의 전체 면적에 걸쳐서 메쉬 모양으로 필링부(160)와 전류 패스부(170)가 형성되어 있다. 도 6의 (b)의 경우, 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 리드탭(190)이 연결되는 부분에도 형성될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 전극용 집전체(100)의 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 레이저 패터닝에 의해서 베이스 필름(101)의 상하면에 대칭적으로 형성될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 전극용 집전체(100)가 리튬이차전지를 구성하는 전지 요소로 사용되는 경우 전지가 작동하는데 문제가 없다. 왜냐하면 전류 패스부(170) 및 전류 패스부(170)와 연결되어 있는 전극 활물질(103) 및 도전재층(102)의 도전재를 통해서 전류가 흐르기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)가 전지 요소로 사용되는 리튬이차전지에 단락(short circuit)이 발생하는 경우, 필링부(160)와 전류 패스부(170)에 의해서 단락 발생 부위를 최소화하거나 단락이 발생하지 않은 부분을 단락 발생 부분과 차단함으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)가 전지 요소로 사용되는 리튬이차전지에 단락(short circuit)이 발생하는 경우 전극용 집전체(100)의 기능에 대해서 설명한다.
도 7의 (a)를 참조하면, 전극용 집전체(100)는 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 연결하여 형성되는 패턴 라인(직선)에 의해 도전재층(102) 또는 전극 활물질(103)의 면적은 2개의 반응 섹션(105)으로 분할될 수 있다. 즉, 도전재층(102) 또는 전극 활물질(103)은 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 연결한 패턴 라인을 기준으로 양측 2개의 반응 섹션(105)으로 구분될 수 있다. 여기서, 반응 섹션(105)은 집전체의 영역을 분할하여 형성되는 영역으로 간주할 수 있다.
도 7의 (a)에 도시된 전극용 집전체(100) 중에서 좌측 반응 섹션(105)에서 단락이 발생하게 되면, 단락 발생 지점(S) 또는 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)의 전기 저항이 작아지기 때문에 단락 발생 지점(S)이 포함된 반응 섹션(105)으로 단락 전류가 흐르게 된다.
그런데, 단락이 발생하지 않은 반응 섹션(105)에서 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)으로 흐르는 전류는 전류 패스부(170)를 지날 수밖에 없다. 즉, 전극용 집전체를 구비한 이차전지에 단락이 발생하는 경우에 단락 발생 지점(S)의 주위에 위치하는 전류 패스부(170)를 통해서 단락 전류가 단락 발생 지점(S) 내지 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)으로 흐를 수 있다.
여기서, 단락 발생 지점(S)의 주위에 위치하는 필링부(160) 및 전류 패스부(170)를 연결한 패턴 라인은 단락 발생 지점(S)을 둘러싸는 퓨즈 섹션(106)을 형성할 수 있다. 즉, 패턴 라인으로 구분되는 반응 섹션(105) 중 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)은 전기적 퓨즈로 기능하거나 작동하는 퓨즈 섹션(106)이 될 수 있다.
퓨즈 섹션(106)을 형성하는 전류 패스부(170) 또는 퓨즈 섹션(106)에 연결되는 전류 패스부(170) 전체가 끊어지게 된다. 퓨즈 섹션(106)을 형성하거나 퓨즈 섹션(106)에 연결된 모든 전류 패스부(170)가 끊어져야 퓨즈 섹션(106)이 전기적으로 단절되어 퓨즈 섹션(106)에서만 전기 화학적 반응이 진행될 수 있다. 전류 패스부(170)가 모두 끊어진 후에는 퓨즈 섹션(106)에 존재하는 전극 활물질(103)의 전기 화학적 반응이 유도되어 전기 화학적 반응이 완료될 때까지 단락 전류가 퓨즈 섹션(106)으로 흐르게 된다. 도 7의 (a)의 경우에는 단락 발생 지점(S)을 포함하는 좌측의 반응 섹션이 퓨즈 섹션(106)이 되고, 1개의 전류 패스부(170)를 향해 퓨즈 섹션(106)으로 단락 전류가 흐르게 된다. 이때, 패턴 라인의 우측에 위치하는 반응 섹션(105)은 단락에 반응하거나 관여하지 않게 된다.
퓨즈 섹션(106)에 연결된 전류 패스부(170)에 단락 전류가 집중되기 때문에 전류 패스부(170)의 온도가 올라가서 전류 패스부(170)가 끊어질 수 있다. 전류 패스부(170)가 끊어지기 때문에 전극용 집전체(100) 전체가 단락에 반응하여 많은 발열을 만들어 내어 전지가 폭발하는 등의 사고를 방지할 수 있다. 또한, 필링부(160)로 인해 퓨즈 섹션(106)만 단락에 반응하기 때문에 단락에 반응하지 않는 나머지 반응 섹션(105)은 어느 정도까지는 전지의 기능을 정상적으로 발휘할 수 있다.
도 7의 (b)에 도시된 전극용 집전체(100) 중에서 좌측 상부에 위치하는 반응 섹션(105)에서 단락이 발생하게 되면, 단락 발생 지점(S) 또는 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)과 단락된 다른 전극과의 전기 저항이 작아지기 때문에 단락 발생 지점(S)이 포함된 반응 섹션(105)으로 단락 전류가 흐르게 된다.
이때, 전극용 집전체를 구비한 이차전지에 단락이 발생하는 경우에 단락 발생 지점(S)의 주위에 위치하는 전류 패스부(170)를 통해서 단락 전류가 단락 발생 지점(S) 내지 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)으로 흐를 수 있다.
여기서, 단락 발생 지점(S)의 주위에 위치하는 필링부(160) 및 전류 패스부(170)를 연결한 패턴 라인은 단락 발생 지점(S)을 둘러싸는 퓨즈 섹션(106)을 형성할 수 있다. 즉, 패턴 라인으로 구분되는 반응 섹션(105) 중 단락 발생 지점(S)을 포함하는 반응 섹션(105)이 퓨즈 섹션(106)으로 기능하게 된다.
퓨즈 섹션(106)을 형성하는 전류 패스부(170) 또는 퓨즈 섹션(106)에 연결되는 전류 패스부(170) 전체가 끊어지게 된다. 퓨즈 섹션(106)을 형성하거나 퓨즈 섹션(106)에 연결된 모든 전류 패스부(170)가 끊어져야 퓨즈 섹션(106)이 전기적으로 단절되어 퓨즈 섹션(106)에서만 전기 화학적 반응이 진행될 수 있다. 전류 패스부(170)가 모두 끊어진 후에는 퓨즈 섹션(106)에 존재하는 전극 활물질(103)의 전기 화학적 반응이 유도되어 전기 화학적 반응이 완료될 때까지 단락 전류가 퓨즈 섹션(106)으로 흐르게 된다.
도 7의 (b)의 경우에는 단락 발생 지점(S)을 포함하는 퓨즈 섹션(106)에 연결된 2개의 전류 패스부(170)를 통해 퓨즈 섹션(106)으로 단락 전류가 흐를 수 있다. 이때, 나머지 반응 섹션(105)은 단락에 반응하거나 관여하지 않게 된다.
퓨즈 섹션(106)에 연결되거나 퓨즈 섹션(106)에 있는 모든 전류 패스부(170)에 단락 전류가 상대적으로 많이 흐르게 되어 전류 패스부(170)의 온도가 올라가서 전류 패스부(170) 전체가 끊어질 수 있다. 전류 패스부(170)가 끊어지기 때문에 전극용 집전체(100)의 전체가 단락에 반응하여 많은 발열을 만들어 내어 전지가 폭발하는 등의 사고를 방지할 수 있다. 또한, 필링부(160)로 인해 퓨즈 섹션(106)만 단락에 반응하기 때문에 단락에 반응하지 않는 나머지 반응 섹션(105)은 어느 정도까지는 전지의 기능을 정상적으로 발휘할 수 있다.
또한, 퓨즈 섹션(106)에 연결된 전류 패스부(170)가 여러 개일 경우에는, 단락 발생 지점(S)에 가까운 전류 패스부(170)에 전류가 집중되면서 전류 패스부(170)에 위치하는 도전재층(102)의 도전재가 순차적으로 또는 한꺼번에 녹아서 전류를 차단하게 되는데, 이때 단락 발생 지점(S)을 포함하는 퓨즈 섹션(106)에 연결된 모든 전류 패스부(170)의 도전재가 녹아서 전류 패스부(170)가 끊어지면서 전류를 차단할 수도 있다.
도 8의 (a)에 도시된 전극용 집전체(100)의 경우에는 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 연결한 패턴 라인이 베이스 필름(101)의 길이방향으로 배치되기 때문에 베이스 필름(101)의 폭방향을 따라서 다수개의 반응 섹션(105)이 형성될 수 있다. 도 8의 (a)의 경우, 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 리드탭(190)이 연결되는 부분에도 형성될 수 있다.
도 8의 (a)에 도시된 전극용 집전체(100)의 경우, 단락 발생 지점(S)을 포함하는 퓨즈 섹션(106)에 연결된 모든 전류 패스부(170)가 끊어지면서 퓨즈 역할을 수행할 수 있다.
도 8의 (b)에 도시된 전극용 집전체(100)의 경우에는 필링부(160)와 전류 패스부(170)를 연결한 패턴 라인이 메쉬(mesh) 모양으로 배치되기 때문에 메쉬 모양으로 다수개의 반응 섹션(105)이 형성될 수 있다. 도 8의 (b)의 경우, 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 리드탭(190)이 연결되는 부분에도 형성될 수 있다.
도 8의 (b)에 도시된 전극용 집전체(100)의 경우, 단락 발생 지점(S)을 포함하는 퓨즈 섹션(106)은 반응 섹션(105)과 거의 동일한 크기로 형성될 수 있다. 퓨즈 섹션(106)에 4개의 전류 패스부(170)가 연결되는데 4개의 전류 패스부(170)가 모두 끊어지면서 퓨즈 역할을 수행할 수 있다.
도 7과 비교하여, 도 8에 도시된 전극용 집전체(100)의 경우에는 단락 발생 지점(S)을 포함하는 퓨즈 섹션(106)의 크기가 훨씬 작다. 따라서, 필링부(160)와 전류 패스부(170)로 인해 분할되는 일부분 즉, 작은 퓨즈 섹션(106)에서만 단락 반응이 일어나기 때문에 전극용 집전체(100) 중에서 단락 전류와 반응하는 부분의 길이 또는 크기를 줄일 수 있고 전극용 집전체(100)의 전체가 아니라 일부분에서만 발열이 일어나게 할 수 있다. 또한, 퓨즈 섹션(106) 내의 전극 활물질(103)만 단락시 반응하기 때문에 소산 에너지(dissipation energy)도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 퓨즈 섹션(106)을 제외한 나머지 부분은 어느 정도까지는 정상적으로 전극용 집전체의 기능을 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는, 퓨즈 섹션(106)을 형성하거나 퓨즈 섹션(106)을 둘러싸는 필링부(160) 및 전류 패스부(170)는 단락 전류에 의한 단락 반응이 퓨즈 섹션(106)에서만 발생하도록 퓨즈 섹션(106)을 그 외의 다른 반응 섹션(105)으로부터 고립(isolation)시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는, 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에서 도전재층(102)을 형성하는 도전재만 제거하거나 도전재와 전극 활물질(103)을 한꺼번에 제거하여 형성된 필링부(160) 및 필링부(160)의 사이에 위치하는 전류 패스부(170)를 형성함으로써, 단락 반응에 참여하는 부분(퓨즈 섹션(106))을 다른 부분(반응 섹션(105))과 격리 내지 분리할 수 있고 전극용 집전체(100) 전체가 단락 반응에 참여하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8을 참조하면, 동일 선상(패턴 라인 상)에 있어서 필링부(160)는 다수개가 형성되고 전류 패스부(170)는 적어도 한 개 형성되며, 동일한 선(패턴 라인) 상에 위치하는 필링부(160)와 전류 패스부(170)는 길이 또는 크기가 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 도전재층(102)과 전극 활물질(103)을 도포한 후에 레이저 패터닝을 이용하여 도전재층(102)과 전극 활물질(103)의 일부를 한꺼번에 제거하여 필링부(160)를 형성할 수 있다.
또한, 베이스 필름(101)의 상면 또는 하면에 도전재층(102)을 도포한 후 레이저 패터닝을 이용하여 도전재의 일부를 제거한 상태에서 도전재층(102)의 표면에 전극 활물질(103)을 코팅(도포)함으로써 필링부(160)를 형성할 수 있다. 이 경우 도전재가 제거된 필링부(160)에는 베이스 필름(101)이 노출되기 때문에 필링부(160)에 위치하는 베이스 필름(101)의 표면에 전극 활물질(103)이 코팅(도포)될 수 있다.
상기한 바와 같은 필링부(160)가 형성된 결과로 전류 패스부(170)도 얻을 수 있다.
도전재층(102)의 표면에 전극 활물질(103)을 프레스 한 상태에서 도전재층(102)의 도전재와 전극 활물질(103)의 일부를 한꺼번에 레이저 패터닝으로 제거할 수도 있고, 전극 활물질(103)을 프레스 하기 전 상태에서 도전재층(102)이 도전재만 레이저 패터닝으로 제거할 수도 있다.
전극 활물질(103)을 도전재층(102)에 프레스 하지 않은 상태에서 도전재층(102)의 도전재만 레이저 패터닝으로 일부 제거한 후 도전재층(102)의 표면에 전극 활물질(103)을 프레스 하게 되면, 전극 활물질(103)이 필링부(160)에 위치하는 베이스 필름(101)의 표면에 코팅될 수 있다. 하지만, 전극의 저항이 크기 때문에 전극 활물질(103)을 통해 흐르는 전류는 도전재층(102)에 의한 전류 전달에 비하여 극히 소량이다. 따라서, 필링부(160)에 전극 활물질(103)이 코팅되는 경우에도 도전재층(102)이 단선되는 경우 전류의 흐름이 제한되어 단락 전류가 작게 형성됨으로써 열 발생을 줄일 수 있다.
이와 같이, 필링부(160) 및 전류 패스부(170)를 형성함으로써, 단락 발생시 단락 발생 지점과 가까운 전류 패스부(170)로 많은 단락 전류가 흐르게 함으로써 해당 전류 패스부(170)의 단선을 유도할 수 있고 이로 인해 전지 안전성을 확보할 수 있다. 다만, 단락 발생시 단락 발생 지점과 가까운 전류 패스부(170) 뿐만 아니라 다른 전류 패스부(170)에도 단락 전류가 흐를 수 있다. 하지만, 단락 발생 지점에 가까운 전류 패스부(170)에 훨씬 더 많은 전류가 흐르게 유도함으로써 단락에 관여하는 집전체의 부분을 최소화할 수 있다.
한편, 본 출원의 발명자들은, 전류 패스부(170)의 크기(길이)가 단락시 전류 패스부(170)를 끊어지도록 결정하는 중요한 파라미터라고 판단하였다. 이를 확인하기 위해서 전류 패스부(170)의 크기와 전류를 변화시켜 가면서 어떤 조건에서 전류 패스부가 끊어지는지에 대한 실험을 진행하였다. 실험 결과는 다음 [표 4]와 같다.
(1) 시편: 12μm Pet(베이스 필름) + 양면에 각각 0.5μm 이하의 알루미늄 도전재를 스퍼터링에 의해 코팅
(2) 레이저
- HG tech사의 LSF20D
- 30W integrated laser
- Laser wavelength: 1,064±1.0nm
- Average output power: 30±0.8W
(3) 실험 조건: 로딩 레벨(loading level) 12.5mg/cm2 기준 speed 300mm/s, power 60%
(3) 실험 방법: 파워 서플라이(power supply)를 이용하여 전류를 조금씩 높이며 절연되어 전류값이 0A 근방으로 떨어지는 지점까지 진행하고, 0A로 떨어지기 직전의 전류값을 측정 및 기록

시편		 1 2 3 4 5 6
전류(A) 전류(A) 전류(A) 전류(A) 전류(A) 전류(A)
#1 8.4 8.8 8.6 8.6 8.7 8.5
#2 4.9 4.8 5.4 5.1 6.8 5.2
#3 4.5 4.0 4.6 4.8 4.5 4.3
#4 4.0 6.4 4.4 4.4 4.4 4.9
#5 3.2 3.3 3.3 3.3 3.2 3.3
[표 4]의 실험은 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 집전체의 폭방향을 따라 다수개의 필링부(160)와 전류 패스부(170)가 교대로 형성된 양극 전극용 집전체(100)를 대상으로 수행하였다. 즉, 이러한 양극 전극용 집전체(100)를 이용하는 리튬이차전지에 대해서 실험을 수행하였다.
[표 4]에서 시편 #1은 개별 길이가 0.5mm인 전류 패스부(170)가 10개 형성된 경우, 시편 #2는 개별 길이가 1mm인 전류 패스부(170)가 5개 형성된 경우, 시편 #3은 개별 길이가 1.25mm인 전류 패스부(170)가 4개 형성된 경우, 시편 #4는 개별 길이가 2.5mm인 전류 패스부(170)가 2개 형성된 경우, 시편 #5는 길이가 5.0mm인 전류 패스부(170)가 1개 형성된 경우이다.
여기서, 전류 패스부(170)의 길이는 필링부(160)와 전류 패스부(170)가 형성하는 패턴 라인의 방향을 따라 측정한 길이이고, 각 시편에 형성된 전류 패스부(170)의 총 길이의 합은 5mm이다.
[표 4]는 전류(A)값을 상승시키며 전류 패스부(170)가 끊어지는 전류값을 기록한 것이다. 각 시편 마다총 6번씩 반복 실험을 진행하였다.
실험 결과, 전류 패스부(170)의 길이가 1mm 이상이면, 전류값이 작은 경우에도 전류 패스부가 끊어진다는 것을 확인하였다.
[표 4]에 도시된 바와 같이, 전류 패스부(170)가 작은 크기로 분할 형성되어 있으면 퓨즈 기능을 하는 전류값이 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 작은 전류에서 전류 패스부(170)가 끊어지는 것이 유리하므로 시편 #2와 같이 전류 패스부(170)의 크기를 1mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)가 양극 전극용 집전체인 경우에는 길이가 1mm 이상인 전류 패스부(170)가 한 개 또는 다수개(적어도 하나 이상) 형성되는 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 필링부(160) 및 전류 패스부(170)에 의해서 전극 활물질(103)이 도포된 영역이 다수개의 반응 섹션(105)으로 분할되고, 다수개의 반응 섹션(105)은 각각 단락시 전기적 퓨즈의 기능을 발휘할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 집전체(100)는 단락이 발생하더라도 단락 발생 지점을 포함하는 반응 섹션 내에서만 단락 반응이 일어나도록 하거나 다른 반응 섹션과 격리함으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있다. 특히, 전극용 집전체(100)가 양극 전극용 집전체인 경우, 대용량 리튬이차전지에 사용되는 경우에 단락으로 인한 전지의 화재 또는 폭발 등의 사고를 미연에 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 전극조립체 100: 전극용 집전체
101: 베이스 필름 102: 도전재층
103: 전극 활물질 120: 금속편
160: 필링부 170: 전류 패스부
190: 리드탭 200: 음극 전극용 집전체
201: 음극 금속포일 290: 음극 리드탭
300: 분리막

Claims (10)

  1. 베이스 필름;
    상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 형성되는 도전재를 포함하는 도전재층; 및
    상기 도전재층의 표면에 형성되는 전극 활물질;을 포함하고,
    상기 도전재층은, 상기 베이스 필름이 노출되도록 상기 도전재가 존재하지 않거나 제거되어 형성되는 필링부 및 상기 필링부의 배열 방향 또는 패턴 방향을 따라 상기 필링부 사이에 위치하는 전류 패스부를 포함하는, 전극용 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필링부는 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면이 노출된 상태로 형성되거나, 노출된 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 상기 전극 활물질이 형성된 상태로 형성되고,
    상기 전류 패스부는 상기 베이스 필름의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 표면에 적어도 상기 도전재층은 존재하는 상태로 형성되는, 전극용 집전체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필링부와 상기 전류 패스부를 연결하여 형성되는 패턴 라인에 의해 상기 도전재층의 면적 또는 상기 전극 활물질의 면적은 다수개의 반응 섹션으로 분할되는, 전극용 집전체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극용 집전체를 구비한 이차전지에 단락이 발생하는 경우에 단락 발생 지점의 주위에 위치하는 상기 전류 패스부를 통해서 단락 전류가 상기 단락 발생 지점으로 흐르는, 전극용 집전체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응 섹션 중 상기 단락 발생 지점이 위치하는 반응 섹션은 전기적 퓨즈로서 기능하는 퓨즈 섹션이 되고,
    상기 퓨즈 섹션을 형성하는 상기 전류 패스부 또는 상기 퓨즈 섹션에 연결되는 상기 전류 패스부 전체가 끊어지고 상기 전류 패스부가 모두 끊어진 후에는 상기 퓨즈 섹션에 존재하는 상기 전극 활물질의 전기 화학적 반응이 유도되는, 전극용 집전체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 퓨즈 섹션을 형성하거나 상기 퓨즈 섹션을 둘러싸는 상기 필링부 및 상기 전류 패스부는 단락 전류에 의한 단락 반응이 상기 퓨즈 섹션에서만 발생하도록 상기 퓨즈 섹션을 상기 반응 섹션으로부터 고립시키는, 전극용 집전체.
  7. 제6항에 있어서,
    동일 선상에 있어서 상기 필링부는 다수개가 형성되고 상기 전류 패스부는 적어도 한 개 이상 형성되며,
    동일한 선상에 위치하는 상기 필링부와 상기 전류 패스부는 길이 또는 크기가 서로 다르게 형성되는, 전극용 집전체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 필름은 투명한 재질로 마련되는, 전극용 집전체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 필링부 및 상기 전류 패스부는 상기 베이스 필름의 상면 및 하면에 대칭이 되도록 형성되는, 전극용 집전체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 필링부 및 상기 전류 패스부는 레이저 패터닝에 의해서 상기 베이스 필름의 상면 및 하면에 대칭이 되도록 형성되는, 전극용 집전체.
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