WO2021112418A1 - 이차 전지용 전극 및 이차 전지용 전극 제조 방법 - Google Patents

이차 전지용 전극 및 이차 전지용 전극 제조 방법 Download PDF

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팽기훈
유형균
이상면
한형석
문재원
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode for a secondary battery and a method for manufacturing an electrode for a secondary battery, and more particularly, to a rolling apparatus and a rolling method for a secondary battery that increase resistance to stress in an uncoated region.
  • the secondary battery may be formed by inserting an electrode assembly including a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator into a case and then sealing the electrode assembly.
  • a positive electrode plate or negative electrode plate (hereinafter referred to as “electrode plate”) is coated with an active material slurry to a certain thickness on a positive conductive current collector or a negative conductive current collector, respectively, and a separator is interposed between the positive conductive current collector and the negative conductive current collector
  • the electrode assembly can be formed by winding a plurality of times in the form of a jelly roll or stacking it in a plurality of layers.
  • the electrode plate may be formed of an active material coating layer coated with an active material slurry and an uncoated area.
  • the active material coating layer may include a rolling process to increase adhesion to the electrode current collector and increase the active material capacity density. After drying, the rolled electrode plate may be cut into a predetermined size by passing through a cutter having a predetermined width.
  • a rolling process of rolling the coating layer 30 and the uncoated region 40 formed on the electrode current collector 20 by the rolling roll 10 may be performed.
  • a difference occurs between the degree of stretching of the coated part 30P and the degree of stretching of the uncoated area 40 , and wrinkles are formed on the uncoated area 40 .
  • process defects such as electrode disconnection may occur in a subsequent process.
  • the electrode may be continuously subjected to a weak stress due to contraction and expansion, and may become vulnerable to fracture.
  • An object of the present invention is to provide an electrode for a secondary battery and a method for manufacturing an electrode for a secondary battery that increase the resistance to stress of a non-coated portion.
  • a method for manufacturing an electrode for a secondary battery comprises the steps of coating an active material on an electrode current collector to form a coated part and an uncoated part, and applying a compressive residual stress to the surface of the uncoated part, and , applying the compressive residual stress to the surface of the uncoated portion includes performing a peening process on the surface of the uncoated portion.
  • the step of applying the compressive residual stress to the surface of the uncoated part is performed before a roll process performed along the moving direction of the electrode current collector, and the roll process is performed between the coated part and the uncoated part of the electrode current collector. It may include at least one of a process of rolling the part and a process of notching the coated part and the uncoated part of the electrode current collector.
  • the applying of the compressive residual stress to the surface of the uncoated part may include performing a shot peening process.
  • the performing of the shot peening process may include forming an uneven portion on the surface of the uncoated portion.
  • a plastic deformation layer may be formed on the surface of the concavo-convex portion, so that the plastic deformation layer has a compressive residual stress, and the inside of the uncoated portion outside the plastic deformation layer may have a tensile residual stress.
  • the applying of the compressive residual stress to the surface of the uncoated part may include performing an ultrasonic peening process.
  • the performing the ultrasonic peening process may include forming an uneven portion on the surface of the uncoated portion.
  • the method for manufacturing an electrode for a secondary battery may further include heat-treating the electrode current collector after performing a pinning process on the surface of the uncoated portion.
  • An electrode for a secondary battery includes an electrode current collector including a coated part and an uncoated part, and an active material layer positioned on the coated part of the electrode current collector, and irregularities on the surface of the uncoated part. A portion is formed, and a plastic deformation layer is formed on the surface of the uneven portion.
  • the electrode for the secondary battery may further include a plastic deformation layer positioned on the surface of the concavo-convex portion, the plastic deformation layer may have a compressive residual stress, and an inside of the uncoated portion outside the plastic deformation layer may have a tensile residual stress. .
  • FIG. 2 is a plan view showing an electrode plate after rolling.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a rolling apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically illustrating the rolling apparatus of FIG. 3 as viewed from the front.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a notching device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the peening process of FIGS. 4 and 5 .
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a shot peening process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a state in which an uneven portion is formed by the shot peening of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating an aging process according to an embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravitational force. no.
  • planar view means when the target part is viewed from above
  • cross-sectional view means when the target part is vertically cut cross-section when viewed from the side.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a rolling apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing an electrode for a secondary battery comprises the steps of coating an active material on an electrode current collector 300 to form a coated portion 400 and an uncoated portion 500 , and and applying a compressive residual stress to the surface of the uncoated part 500 .
  • the step of applying the compressive residual stress to the surface of the uncoated part 500 includes performing a peening process on the surface of the uncoated part 500 . When the peening process is performed on the surface of the uncoated part 500 , it is preferable to minimize physical deformation on the surface of the uncoated part 500 .
  • compressive residual stress must be applied to the surface of the uncoated portion 500 by an action such as quenching through a peening process, which is different from applying a tensile force.
  • an action such as quenching through a peening process, which is different from applying a tensile force.
  • the step of applying the compressive residual stress to the surface of the uncoated part 500 is performed before the roll process performed along the moving direction of the electrode current collector 300, and the roll process is the electrode current collector 300. It may include at least one of a process of rolling the coated part 400 and the uncoated part 500 of the and notching the coated part 400 and the uncoated part 500 of the electrode current collector 300 .
  • FIG. 4 is a view schematically illustrating the rolling apparatus of FIG. 3 as viewed from the front.
  • 5 is a schematic diagram showing a notching device according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode rolling apparatus 100 includes a coated portion 300 in which a coating material is formed on the electrode current collector 300 and an uncoated portion 500 corresponding to the uncoated portion.
  • a coated portion 300 in which a coating material is formed on the electrode current collector 300 and an uncoated portion 500 corresponding to the uncoated portion.
  • the uncoated portion 500 may indicate a region excluding the coated portion 400 formed on the electrode current collector 300 .
  • the first roller 101 provides the electrode plate 250, which is an object to be rolled, to the rolling apparatus 100, and moves the electrode plate 250 in the arrow direction D1 of FIG. 4 according to the clockwise rotation.
  • the electrode plate 250 unwound by the first roller 101 passes between the rolling rolls 109 while moving along the arrow direction.
  • the rolling rolls 109 are respectively positioned on both sides with respect to the electrode plate 250 , and the electrode plate 250 passing between the two rolling rolls 109 is pressed. Thereafter, the electrode plate 250 passing between the two rolling rolls 109 is wound around the second roller 102 again.
  • the electrode plate 250 having the coated portion 300 and the uncoated portion 500 is unwound and then rolled by the rolling roll 109 peening (peening) performing the process.
  • the pinning process may be performed by the pinning apparatus PN positioned between the first roller 101 and the rolling roll 109 in the electrode rolling apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the peening process may apply a compressive residual stress to the uncoated part 500 according to the present embodiment.
  • the electrode plate 250 having the coated part 300 and the uncoated part 500 is unwound and then the upper part for notching and performing a shot peening process before being notched by the mold 210 and the lower mold 220 .
  • the pinning process may be performed by the pinning apparatus PN positioned between the first roller 201 and the notching molds 210 and 220 in the electrode notching apparatus 200 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the peening process of FIGS. 4 and 5 .
  • 7 is a perspective view illustrating a shot peening process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a state in which an uneven portion is formed by the shot peening of FIG. 7 .
  • the step of applying the compressive residual stress to the surface of the uncoated part 500 according to the present embodiment is performing a shot peening process or an ultrasonic peening process. may include steps.
  • the step of performing the shot peening process will be mainly described.
  • a shot ball 600 is thrown on the surface of the uncoated portion 500 at high speed to the surface of the uncoated portion 500 to hammer the surface of the electrode current collector 300 .
  • the short ball 600 may be formed of a steel ball such as stainless steel.
  • the shot ball 600 collides with the surface of the uncoated part 500 at high speed while the kinetic energy of the shot ball 600 instantaneously causes plastic deformation on the surface of the material, and the shot ball 600 deviates from the surface.
  • the uneven portion DP having a concave shape is formed on the surface of the uncoated portion 500 .
  • a thin plastic deformation layer PDL is formed on the surface of the concavo-convex portion DP, and the plastic deformation layer PDL may have compressive residual stress.
  • the inside of the uncoated portion 500 escaping from the plastically deformed layer PDL may have a tensile residual stress. This is because a force to maintain the stretched surface in a state before stretching is applied to the plastically deformable layer (PDL) according to the present embodiment, so that the surface and the inside of the uncoated part 500 on which the uneven part DP is formed are compressed and retained, respectively. Stress and tensile residual stress are formed and equilibrium is reached. By leaving a compressive residual stress on the surface of the uncoated part 500 by this shot peening process, when repeated tensile is applied, the compressive residual stress is gradually offset and the fatigue life can be extended until the compressive residual stress disappears.
  • the compressive residual stress and tensile residual stress described above can be interpreted as the cosine value of the residual stress measured using a residual stress instrument.
  • applying the compressive residual stress to the surface of the uncoated part 500 may include performing an ultrasonic peening process.
  • the ultrasonic device 700 is disposed on the top of the uncoated part 500 so that the ultrasonic waves collide with the surface of the uncoated part 500 at high speed to cause plastic deformation.
  • the ultrasonic peening process can control the compressive residual stress while ultrasonic energy is transferred to the uncoated part 500 surface, and can improve high and low cycle fatigue.
  • the ultrasonic peening process may be performed while controlling the elevation of the ultrasonic device 700 shown in FIG. 6 . Through such height control, the surface roughness of the uncoated part 500 may be controlled.
  • the step of performing the ultrasonic peening process may replace the step of performing the shot peening process described above.
  • the uneven portion may be formed on the surface of the uncoated portion 500, and a plastically deformed layer having a compressive residual stress is formed on the surface of the uneven portion, and the inside of the uncoated portion outside the plastically deformed layer is It can be made to have a tensile residual stress.
  • the ultrasonic peening process may have relatively little physical deformation on the surface of the uncoated part 500 .
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating an aging process according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing an electrode for a secondary battery may include a step of heat-treating the electrode current collector 300 after performing a pinning process on the surface of the uncoated part 500 .
  • the heat treatment device 800 is disposed on the top of the uncoated portion 500 so that ultrasonic waves collide with the surface of the uncoated portion 500 at high speed to cause plastic deformation. have.
  • compressive residual stress may be additionally generated on the surface of the electrode current collector 300 . Accordingly, the level of unbalanced plastic deformation caused by stress during rolling can be alleviated, thereby greatly reducing the level of tensile residual stress occurring on the surface.
  • the internal grain of the electrode current collector 300 by heat-treating the electrode current collector 300 in a state in which the fracture strength and fatigue durability are increased by applying a compressive residual stress of the electrode current collector 300 through the peening process. It is possible to manufacture an electrode for a secondary battery in which the grain is stabilized.
  • the heat treatment temperature can be set to a temperature and time within a range in which material properties do not significantly change.

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Abstract

본 발명은 이차 전지용 전극 및 이차 전지용 전극 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극은 코팅부와 미코팅부를 포함하는 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체의 코팅부 상에 위치하는 활물질층을 포함하고, 상기 미코팅부 표면에 요철부가 형성되며, 상기 요철부 표면에는 소성 변형층이 형성된다.

Description

이차 전지용 전극 및 이차 전지용 전극 제조 방법
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 12월 5일자 한국 특허 출원 제10-2019-0160898호 및 2020년 10월 30일자 한국 특허 출원 제10-2020-0143369호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차 전지용 전극 및 이차 전지용 전극 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 무지부의 스트레스에 대한 저항성을 높이는 이차 전지용 압연 장치 및 압연 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 양극판, 음극판 및 분리막으로 이루어진 전극 조립체를 케이스에 삽입한 후 밀봉되어 형성될 수 있다. 양극판 또는 음극판(이하 “전극판”이라 함)은 양극 도전 집전체 또는 음극 도전 집전체에 각각 활물질 슬러리를 일정한 두께로 코팅하고, 상기 양극 도전 집전체와 상기 음극 도전 집전체 사이에는 분리막이 개재되도록 하여 젤리롤 형태로 다수회 권취하거나 복수층으로 적층하여 전극 조립체를 형성할 수 있다.
전극판은 활물질 슬러리가 코팅된 활물질 코팅층과 코팅되지 않은 무지부로 형성될 수 있다. 상기 활물질 코팅층은 전극 집전체와 접착성이 증가되고, 활물질 용량 밀도가 증가되도록 압연 공정이 포함될 수 있다. 상기 압연된 전극판은 건조 후 일정한 폭의 커터를 통과하여 소정의 크기로 절단되어 사용될 수 있다.
상기 압연 공정은 전극판의 압연시 상기 코팅층과 상기 무지부의 두께 차이로 인해 압박 편차가 발생하는 문제가 있다. 이러한 편차에 의해 전극 집전체의 불균형한 소성 변형이 발생할 수 있고, 이에 의해 잔류 응력이 발생할 수 있다. 특히, 인장 형태의 잔류 응력은 부품의 피로 내구성 저하 및 파괴 강도 저하를 유발할 수 있다.
도 1은 종래의 압연 장치에 의한 압연 공정을 나타내는 개략도이다. 도 2는 압연 이후의 전극판을 나타내는 평면도이다.
도 1을 참고하면, 전극 집전체(20) 상에 형성된 코팅층(30)과 무지부(40)를 압연롤(10)에 의해 압연하는 압연 공정이 수행될 수 있다. 이때, 압력이 코팅층(30)에 집중되면서 도 2에 도시한 바와 같이, 코팅부(30P)의 연신 정도와 무지부(40)의 연신 정도에 차이가 발생되며, 무지부(40)에 주름이 발생할 수 있다. 압연 시 발생하는 무지부(40)의 주름 때문에 이후 공정에서 전극 단선과 같은 공정 불량이 발생할 수 있다. 특히, 코팅부(30P)와 무지부(40) 경계면에서 높은 인장 잔류 응력이 남으면서 전극의 수축 팽창으로 인해 약한 응력을 지속적으로 받으며 파괴에 취약한 상태가 될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 무지부(non-coated portion)의 스트레스에 대한 저항성을 높이는 이차 전지용 전극 및 이차 전지용 전극 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법은 전극 집전체 상에 활물질을 코팅하여 코팅부와 미코팅부를 형성하는 단계, 및 상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는 상기 미코팅부 표면에 피닝(peening) 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 상기 전극 집전체의 이동 방향을 따라 수행되는 롤(roll) 공정 이전에 수행되고, 상기 롤 공정은 상기 전극 집전체의 코팅부와 미코팅부를 압연하는 공정 및 상기 전극 집전체의 코팅부와 미코팅부를 노칭하는 공정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 쇼트 피닝(shot peening) 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 쇼트 피닝 공정을 수행하는 단계는, 상기 미코팅부 표면에 요철부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 요철부 표면에 소성 변형층이 형성되어, 상기 소성 변형층은 압축 잔류 응력을 갖고, 상기 소성 변형층을 벗어나는 상기 미코팅부 내부는 인장 잔류 응력을 갖도록 할 수 있다.
상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 초음파 피닝(ultrasonic peening) 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 초음파 피닝 공정을 수행하는 단계는, 상기 미코팅부 표면에 요철부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지용 전극 제조 방법은 상기 미코팅부 표면에 피닝 공정을 수행하는 단계 이후에, 상기 전극 집전체를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극은 코팅부와 미코팅부를 포함하는 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체의 코팅부 상에 위치하는 활물질층을 포함하고, 상기 미코팅부 표면에 요철부가 형성되며, 상기 요철부 표면에는 소성 변형층이 형성된다.
상기 이차 전지용 전극은 상기 요철부 표면에 위치하는 소성 변형층을 더 포함하고, 상기 소성 변형층은 압축 잔류 응력을 갖고, 상기 소성 변형층을 벗어나는 상기 미코팅부 내부는 인장 잔류 응력을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 전극 압연 및/또는 노칭 공정 이전에 무지부 표면에 압축 잔류 응력을 인가함으로써, 소재의 피로 내구성 및 파괴 강도를 향상시켜 스트레스에 대한 저항성을 높일 수 있다. 따라서, 전극과 무지부의 경계에서 피로 파괴(Fatigue fracture)에 의한 파단이 발생하는 것을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 압연 장치에 의한 압연 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 압연 이후의 전극판을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압연 장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 압연 장치를 정면에서 바라본 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노칭 장치를 나타내는 개략도이다.
도 6은 도 4와 도 5의 피닝(Peening) 공정을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트 피닝(Shot Peening) 가공을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 쇼트 피닝에 의해 요철부가 형성된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에이징(aging) 공정을 나타내는 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압연 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법은 전극 집전체(300) 상에 활물질을 코팅하여 코팅부(400)와 미코팅부(500)를 형성하는 단계, 및 미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계를 포함한다. 이때, 미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는 미코팅부(500) 표면에 피닝(peening) 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 미코팅부(500) 표면에 피닝 공정을 수행하는 경우, 미코팅부(500) 표면에 물리적 변형을 최소화하는 것이 바람직하다. 즉, 피닝 공정을 통해 담금질과 같은 작용에 의해 미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 부여해야 하며, 신장력을 부여하는 것과는 차이가 있다. 본 실시예에 따르면, 피닝 공정을 통해 미코팅부(500) 표면의 물리적 변화가 없거나, 물리적 변화가 있더라도 균일하게 변화가 일어날 수 있다.
미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 전극 집전체(300)의 이동 방향을 따라 수행되는 롤(roll) 공정 이전에 수행되고, 상기 롤 공정은 전극 집전체(300)의 코팅부(400)와 미코팅부(500)를 압연하는 공정 및 전극 집전체(300)의 코팅부(400)와 미코팅부(500)를 노칭하는 공정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 압연 장치를 정면에서 바라본 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노칭 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 압연 장치(100)는 전극 집전체(300) 상에 코팅 물질이 형성된 코팅부(300)와 무지부에 해당하는 미코팅부(500)를 갖는 전극판(250)을 언와인딩하는 제1 롤러(101), 전극판(250)을 와인딩하는 제2 롤러(102), 제1 롤러(101)와 제2 롤러(102) 사이에 위치하며, 전극판(250)의 이동 방향에 따라 전극판(250)의 코팅부(400) 및 미코팅부(500)를 압연하는 압연롤(109)을 포함한다. 미코팅부(500)는 전극 집전체(300) 상에 형성된 코팅부(400)을 제외한 영역을 가리킬 수 있다.
제1 롤러(101)는 압연하려는 대상인 전극판(250)을 압연 장치(100)에 제공하며, 시계 방향 회전에 따라 전극판(250)을 도 4의 화살표 방향(D1)으로 이동시킨다. 제1 롤러(101)에 의해 풀린 전극판(250)이 화살표 방향을 따라 이동하면서 압연롤(109) 사이를 통과하게 된다. 압연롤(109)은 전극판(250)을 기준으로 양 측에 각각 위치하며, 2개의 압연롤(109) 사이를 통과한 전극판(250)은 가압된다. 이후 2개의 압연롤(109) 사이를 통과한 전극판(250)은 제2 롤러(102)에 다시 감기게 된다.
본 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법은, 코팅부(300)와 미코팅부(500)를 갖는 전극판(250)이 언와인딩된 후 압연롤(109)에 의해 압연되기 전에 피닝(peening) 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 피닝 공정은 본 실시예에 따른 전극 압연 장치(100)에서 제1 롤러(101)와 압연롤(109) 사이에 위치하는 피닝 장치(PN)에 의해 수행될 수 있다. 피닝 공정은 본 실시예에 따른 미코팅부(500)에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
도 5를 참고하면, 변형 실시예로 본 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법은, 코팅부(300)와 미코팅부(500)를 갖는 전극판(250)이 언와인딩된 후 노칭을 위한 상부 금형(210)과 하부 금형(220)에 의해 노칭되기 전에 피닝(shot peening) 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 피닝 공정은 본 실시예에 따른 전극 노칭 장치(200)에서 제1 롤러(201)와 노칭 금형(210, 220) 사이에 위치하는 피닝 장치(PN)에 의해 수행될 수 있다.
도 6은 도 4와 도 5의 피닝(Peening) 공정을 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트 피닝(Shot Peening) 가공을 나타내는 사시도이다. 도 8은 도 7의 쇼트 피닝에 의해 요철부가 형성된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 쇼트 피닝(shot peening) 공정을 수행하는 단계 또는 초음파 피닝(ultrasonic peening) 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이하에서는 쇼트 피닝 공정을 수행하는 단계를 중심으로 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 미코팅부(500)의 표면에 쇼트볼(600)을 고속으로 미코팅부(500) 표면에 던져져서 전극 집전체(300) 표면을 해머링(hammering)할 수 있다. 쇼트볼(600)은 스테인리스 스틸과 같은 강구(鋼球)로 형성될 수 있다. 구체적으로, 쇼트 피닝 공정은 쇼트볼(600)이 미코팅부(500) 표면에 고속 충돌하면서 쇼트볼(600)의 운동 에너지가 순간적으로 재료의 표면에 소성 변형(plastic deformation)을 일으키고, 쇼트볼(600)은 표면에서 이탈한다. 이때, 미코팅부(500)의 표면에는 옴폭 들어간 모양을 갖는 요철부(DP)가 형성된다. 본 실시예에 따르면, 요철부(DP)의 표면에는 얇은 소성 변형층(PDL)이 형성되고, 소성 변형층(PDL)은 압축 잔류 응력을 가질 수 있다. 이에 대비하여 소성 변형층(PDL)을 벗어나는 미코팅부(500) 내부는 인장 잔류 응력을 가질 수 있다. 이것은, 본 실시예에 따른 소성 변형층(PDL)에 늘어난 표면을 늘어나기 전의 상태로 유지하려는 힘이 작용하게 되어, 요철부(DP)가 형성된 미코팅부(500) 표면과 내부에 각각 압축 잔류 응력과 인장 잔류 응력이 형성되어 평형을 이루게 된다. 이러한 쇼트 피닝 공정에 의해 미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 남게 함으로써 반복적인 인장이 작용할 때 압축 잔류 응력은 점점 상쇄되어 압축 잔류 응력이 사라지게 될때까지 피로수명을 연장할 수 있다.
위에서 설명한 압축 잔류 응력 및 인장 잔류 응력은 잔류 응력 장비를 사용하여 측정된 잔류 응력의 코사인 값으로 해석 가능하다.
도 6을 다시 참고하면, 변형예로 미코팅부(500) 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 초음파 피닝(ultrasonic peening) 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 초음파 피닝 공정은, 미코팅부(500) 상단에 초음파 장치(700)를 배치하여 초음파가 미코팅부(500) 표면에 고속 충돌하면서 소성 변형(plastic deformation)을 일으킬 수 있다. 구체적으로, 초음파 피닝 공정은, 초음파 에너지가 미코팅부(500) 표면에 전달되면서 압축 잔류 응력을 제어할 수 있으며, 높고 낮은 사이클 피로를 향상시킬 수 있다. 초음파 피닝 공정은 도 6에 도시한 초음파 장치(700)의 고도를 제어하면서 수행될 수 있다. 이러한 고도 제어를 통해 미코팅부(500)의 표면 조도(surface roughness)를 제어할 수 있다.
초음파 피닝 공정을 수행하는 단계는, 앞에서 설명한 쇼트 피닝(shot peening) 공정을 수행하는 단계를 대체할 수 있다. 초음파 피닝 공정을 수행하는 단계 역시, 미코팅부(500) 표면에 요철부를 형성할 수 있고, 요철부 표면에 압축 잔류 응력을 갖는 소성 변형층을 형성하며, 소성 변형층을 벗어나는 미코팅부 내부는 인장 잔류 응력을 갖도록 할 수 있다. 앞서 설명한 쇼트 피닝 대비하여 초음파 피닝 공정은 미코팅부(500) 표면에서 물리적 변형이 상대적으로 적을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에이징(aging) 공정을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지용 전극 제조 방법은 미코팅부(500) 표면에 피닝 공정을 수행하는 단계 이후에, 전극 집전체(300)를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 전극 집전체(300)를 열처리하는 단계는, 미코팅부(500) 상단에 열처리 장치(800)를 배치하여 초음파가 미코팅부(500) 표면에 고속 충돌하면서 소성 변형(plastic deformation)을 일으킬 수 있다. 앞에서 설명한 피닝 공정과 더불어 열처리와 같은 에이징(Aging)이 이루어지면, 전극 집전체(300) 표면에 압축 잔류 응력이 추가적으로 생성될 수 있다. 이에 따라, 압연 시 스트레스에 의한 불균형한 소성 변형이 일어나는 수준을 완화하여 표면에 발생하는 인장 잔류 응력의 수준을 크게 완화시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 피닝 공정을 통해 전극 집전체(300)의 압축 잔류 응력을 부과하여 파괴 강도 및 피로 내구성을 높인 상태에서 전극 집전체(300)를 열처리 함으로써 전극 집전체(300)의 내부 그레인(grain)이 안정화된 이차 전지용 전극을 제조할 수 있다. 이때 열처리하는 온도는 재료의 물성 변화가 크게 발생하지 않는 범위의 온도 및 시간으로 설정이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
300: 전극 집전체
400: 코팅부
500: 미코팅부
600: 쇼트볼
DP: 요철부
PDL: 소성 변형층

Claims (11)

  1. 전극 집전체 상에 활물질을 코팅하여 코팅부와 미코팅부를 형성하는 단계, 및
    상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는 상기 미코팅부 표면에 피닝(peening) 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 상기 전극 집전체의 이동 방향을 따라 수행되는 롤(roll) 공정 이전에 수행되고, 상기 롤 공정은 상기 전극 집전체의 코팅부와 미코팅부를 압연하는 공정 및 상기 전극 집전체의 코팅부와 미코팅부를 노칭하는 공정 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 쇼트 피닝(shot peening) 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 쇼트 피닝 공정을 수행하는 단계는, 상기 미코팅부 표면에 요철부를 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 요철부 표면에 소성 변형층이 형성되어, 상기 소성 변형층은 잔류 압축 응력을 갖고, 상기 소성 변형층을 벗어나는 상기 미코팅부 내부는 인장 잔류 응력을 갖도록 하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  6. 제2항에서,
    상기 미코팅부 표면에 압축 잔류 응력을 인가하는 단계는, 초음파 피닝(ultrasonic peening) 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 초음파 피닝 공정을 수행하는 단계는, 상기 미코팅부 표면에 요철부를 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 요철부 표면에 소성 변형층이 형성되어, 상기 소성 변형층은 압축 잔류 응력을 갖고, 상기 소성 변형층을 벗어나는 상기 미코팅부 내부는 인장 잔류 응력을 갖도록 하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  9. 제2항에서,
    상기 미코팅부 표면에 피닝 공정을 수행하는 단계 이후에, 상기 전극 집전체를 열처리하는 단계를 더 포함하는 이차 전지용 전극 제조 방법.
  10. 코팅부와 미코팅부를 포함하는 전극 집전체, 및
    상기 전극 집전체의 코팅부 상에 위치하는 활물질층을 포함하고,
    상기 미코팅부 표면에 요철부가 형성되며, 상기 요철부 표면에는 소성 변형층이 형성되는 이차 전지용 전극.
  11. 제10항에서,
    상기 요철부 표면에 위치하는 소성 변형층을 더 포함하고, 상기 소성 변형층은 압축 잔류 응력을 갖고, 상기 소성 변형층을 벗어나는 상기 미코팅부 내부는 인장 잔류 응력을 갖는 이차 전지용 전극.
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