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KR101664244B1 - 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지 Download PDF

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KR101664244B1
KR101664244B1 KR1020130132445A KR20130132445A KR101664244B1 KR 101664244 B1 KR101664244 B1 KR 101664244B1 KR 1020130132445 A KR1020130132445 A KR 1020130132445A KR 20130132445 A KR20130132445 A KR 20130132445A KR 101664244 B1 KR101664244 B1 KR 101664244B1
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active material
pattern
present
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신영준
송민선
이영환
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법은 롤러에 패턴을 형성하는 단계; 전극에 활물질을 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 전극을 상기 패턴이 형성된 롤러를 사용하여 압연 공정을 수행하는 단계;를 포함한다.

Description

전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지{METHOD FORMING ELECTRODE SURFACE PATTERN AND THE ELECTRODE MANUFACTURED BY THE METHOD AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차 전지의 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 추가적인 공정 없이 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
한편, 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는 케이스(11), 전극 조립체(12), 전극탭(13) 및 전극리드(14)를 포함한다.
케이스(11)는 후술할 전극조립체(12), 전극탭(13) 및 전극리드(14)를 수용할 수 있는 크기로 형성될 수 있다.
전극조립체(12)는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 포함한다. 전극조립체(12)는 세퍼레이터가 개재된 상태에서 양극판과 음극판이 순차적으로 적층될 수 있다. 전극조립체(12)는 대표적으로, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 세퍼레이터가 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 세퍼레이터를 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 세퍼레이터를 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bicell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
전극탭(13)은 전극조립체(12)로부터 연장된다. 예를 들어, 양극탭은 양극판으로부터 연장되고, 음극탭은 음극판으로부터 연장된다. 여기서, 전극조립체(12)가 다수의 양극판 및 다수의 음극판이 적층된 상태로 구성된 경우, 전극탭(13)은 각각의 양극판 및 음극판으로부터 연장된다. 이때, 전극탭(13)은 케이스(11)의 외부로 직접 노출되지 않고, 전극리드(14)와 같은 다른 구성요소에 연결될 수 있다.
전극리드(14)는 양극판 또는 음극판으로부터 각각 연장된 전극탭(13)들과 일부분이 전기적으로 연결되어 있다. 즉, 양극리드는 양극탭과 결합되어 서로 전기적으로 연결되고, 음극리드는 음극탭과 결합되어 서로 전기적으로 연결된다. 또한, 전극리드의 상하면 일부에는 전지 케이스와의 밀봉도를 높이고 동시게 전기적 절연 상태를 확보하기 위하여 절연필름(15)이 부착될 수 있다.
상기와 같은 종래 기술에 따른 파우치형 이차 전지는 전극 조립체를 파우치형 케이스에 투입한 후, 전해액을 주입하고 밀봉 공정, 에이징 공정, 화성 공정 등의 후처리 공정을 거쳐 하나의 완성된 이차 전지가 된다.
이때, 상기 리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-x CoxO2(0 < X < 1)등과 같이 리튬이 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물을 주로 사용하며, 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 적용되어 왔다.
이처럼 종래에는 상술한 바와 같이 전극에 활물질을 도포하거나, 전극을 형성한 이후 전극의 표면에 패턴을 형성하는 공정(예를 들어, 레이저를 이용한 패턴 형성)을 거쳐 전극의 비표면적을 넓히는 작업을 수행하였다.
하지만, 종래와 같이 활물질을 도포하여 전극의 비표면적을 넓히는 데에는 한계가 있을 뿐 만 아니라, 다른 공정을 추가적으로 수행하여 전극의 표면에 패턴을 형성할 경우 추가적인 공정비가 들어감에 따라 제품단가의 상승을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제 2012-0095122호(2012.08.28 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전극의 일반적인 제조 공정에 포함된 압연 공정시 사용되는 롤러에 패턴을 형성하여, 상기 압연 공정시 상기 롤러의 패턴에 대응되게 전극의 표면에 패턴을 형성하는 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법은, 롤러에 패턴을 형성하는 단계; 전극에 활물질을 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 전극을 상기 패턴이 형성된 롤러를 사용하여 압연 공정을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 롤러는 그 외주면에 양각의 패턴이 형성될 수 있다.
상기 압연 공정은 롤러의 외주면에 패턴을 새겨넣은 1개 이상의 롤러에 의해 수행될 수 있다.
상기 압연 공정을 수행하여 전극에 생성되는 패턴은 활물질이 도포된 전극의 표면에 생성될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극은 상술한 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지는 상술한 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 일반적인 전극의 형성 과정에 포함되는 공정인 압연 공정시 사용되는 롤러에 패턴을 형성하고, 상기 압연 공정에 따라 전극의 표면에 패턴을 형성함으로써 추가적인 공정비가 들지 않아 효과적이다.
또한, 상기 공정에 따라 코팅된 전극의 표면에 형성되는 패턴으로 인하여 전극의 비표면적을 효과적으로 넓힐 수 있어, 더 많은 전해질 이온을 저장할 수 있으므로, 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극의 단면을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법의 흐름을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압연 공정시 사용되는 롤러를 나타낸 도면,
도 5는 도 3의 롤러를 사용하여 전극의 압연 공정을 수행하는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극의 표면에 형성된 패턴을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전극의 표면에 형성된 패턴을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전극의 표면에 형성된 패턴을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극(200)의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 전극(200)은 집전층(210), 접착층(220) 및 활물질층(230)을 포함할 수 있다.
집전층(210)은 알루미늄 등의 도전성 금속에 의해 박막 형태로 형성되어 있다. 상기 집전층(210)의 재질은 알루미늄에 한정하지 않으며, 구리나 은 등의 도전성의 금속으로 형성할 수 있다.
접착층(220)은 집전층(210)과 활물질층(230) 사이에 구비되어 집전층(210)과 활물질층(230)을 접착시키는 역할을 한다. 상기 접착층(220)은 활물질층(230)에서 집전층(210)으로의 전하의 이동을 확보하기 위한 도전성의 접착제일 수 있다.
활물질층(230)은 도전재 및 결합제가 유기 용매와 혼합된 슬러리 상태로 제조되어 상기 접착층(220)의 상부에 도포되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 도포되는 활물질의 종류에 따라 양극판 또는 음극판으로서 기능할 수 있다.
상기 양극판의 활물질로는 리튬을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 사용할 수 있으며, 이 양극 활물질의 대표적인 예로는 리티에이티드 인터칼레이션 산화물로서 구체적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCoxMyO2(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이금속 산화물을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 일반적으로 리튬 이차 전지에서 양극 활물질로 사용할 수 있는 것은 어떠한 것도 사용 가능하다.
또한, 상기 음극판의 활물질로는 리튬을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 결정성 탄소, 비정질 탄소 또는 탄소 복합체의 탄소 계열 물질을 사용할 수 있고 또는 리튬 금속이나 리튬 합금을 사용할 수도 있다. 이 리튬 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다. 물론 이에 한정되는 것은 아니며 일반적으로 리튬 이차 전지에서 음극 활물질로 사용할 수 있는 것은 어떠한 것도 사용 가능하다.
본 실시 예에 따르면, 전극(200)은 활물질층(230)이 형성되어 있는 표면 즉, 전극(200)의 표면이 일정한 패턴의 형상으로 구성되어 있어 비표면적이 넓어짐에 따라 충전시 더 많은 전해질 이온을 저장할 수 있으므로, 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 전극의 표면에 구비된 패턴을 형성하는 방법은 도 3 내지 도 5를 통해 자세히 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
일반적으로, 전극은 집전층 즉, 집전체에 접착층을 도포하고 활물질 슬러리를 코팅하는 코팅 공정, 롤러를 이용하여 활물질의 용량 밀도를 높이고 집전체와 활물질 사이의 접착성을 높이는 압연 공정, 커터를 이용한 슬리팅 공정 및 건조 공정 등을 거치는 방식으로 제조된다. 이때, 본 실시 예에 따른 전극의 표면 패턴은 도 3에 도시된 바와 같은 과정을 거쳐 형성된다.
먼저, 압연 공정에 사용되어질 롤러의 외주면에 양각의 패턴을 형성하고(S310), 활물질이 코팅된 전극을 준비한다(S320).
이후, 활물질이 코팅된 전극을 롤러에 통과시켜 상기 활물질의 용량 밀도를 높이고 집전체와 활물질 사이의 접착성을 높이기 위한 압연 공정을 수행한다(S330).
이때, 전극의 표면에는 상기 롤러에 형성된 양각의 패턴에 대응되게 패턴이 형성될 수 있으며, 상기 패턴의 형상은 여러 가지 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
상술한 것처럼, 일반적인 전극의 형성 과정에 포함되는 공정인 압연 공정시 사용되는 롤러의 외주면에 양각 패턴을 형성하고 압연 공정을 진행시킴으로써, 별도로 전극에 패턴을 형성하기 위한 공정(예를 들어, 레이저를 이용하여 전극의 표면에 패턴을 형성하기 위한 공정)이 필요하지 않아 공정비 추가에 따른 제품단가의 상승을 방지할 수 있다. 또한, 상기 전극에 패턴을 형성하여 전극의 비표면적을 효과적으로 넓힐 수 있으므로 충전시 더 많은 전해질 이온을 저장할 수 있다. 즉, 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전극의 표면에 패턴을 형성하는 압연 공정은 도 4에 도시된 바와 같은 롤러를 사용하여 도 5에 도시된 바와 같이 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압연 공정시 사용되는 롤러를 나타낸 도면, 도 5는 도 4의 롤러를 사용하여 전극의 압연 공정을 수행하는 도면이다.
압연 공정은 활물질이 코팅된 전극을 회전하는 롤러 사이로 통과시킴으로써 수행할 수 있다. 상기 압연 공정은 일반적인 전극의 형성 과정에 포함되는 공정으로써 활물질의 용량 밀도를 높이고, 집전체와 활물질 사이의 접착성을 높이는 작업이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 압연 공정은 상기 공정에 사용되는 롤러(410)에 양각의 패턴(420)을 형성하고, 활물질이 코팅된 전극(500)을 상기 회전하는 롤러(410)에 통과시켜 전극(500)의 표면에 패턴(520)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 롤러(410)는 1개만 구비하여 전극(500)의 한면에만 패턴을 형성할 수도 있고, 2개를 구비하여 전극(500)의 양면에 패턴을 형성할 수도 있다. 또는, 본 발명의 실시 예에서처럼 롤러(410)를 2개 구비하되 하나의 롤러(410)에만 패턴(420)을 형성하여 활물질이 도포된 전극(500)의 면에만 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전극의 표면에 형성되는 패턴은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 한하지 않고 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면 전극의 표면에 패턴을 형성하고자 할 경우, 패턴 형성을 위한 추가적인 공정이 필요치 않아 불필요한 공정에 따른 공정비가 들지 않는다는 장점이 있다. 또한, 본 실시 예에 따른 압연 공정을 수행함으로써 효과적으로 전극의 비표면적을 넓힐 수 있어, 전지의 충전시 더 많은 전해질 이온을 저장할 수 있으므로 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.
상술한 바와 같이 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법을 포함한 일반적인 전극의 제조 공정을 통해 전극을 제조할 수 있으며 또한, 이차 전지는 본 발명의 실시 예에 따라 표면에 패턴이 형성된 상기 전극을 포함하여 형성될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
200 : 전극
210 : 집전층
220 : 접착층
230 : 활물질층
410 : 롤러

Claims (6)

  1. 롤러의 외주면에 서로 분리되어 떨어져 있는 다수의 양각 패턴을 형성하는 단계;
    접착층이 도포된 집전층에 활물질을 코팅하여 활물질층을 형성함으로써, 집전층, 접착층 및 활물질층을 포함하는 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 롤러를 사용한 압연 공정을 수행하여 상기 활물질층 상면에 패턴을 형성하여 비표면적을 증가시키고 상기 활물질층과 집전층의 접착성을 높이는 단계;를 포함하며,
    상기 접착층은 상기 활물질층에서 상기 집전층으로의 전하의 이동을 확보하기 위한 도전성의 접착제인 것을 특징으로 하는 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압연 공정은 롤러의 외주면에 패턴을 새겨넣은 1개 이상의 롤러에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020130132445A 2013-11-01 2013-11-01 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지 KR101664244B1 (ko)

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