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KR20100127983A - 경량화된 2차전지용 음극집전체 - Google Patents

경량화된 2차전지용 음극집전체 Download PDF

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Publication number
KR20100127983A
KR20100127983A KR1020090046360A KR20090046360A KR20100127983A KR 20100127983 A KR20100127983 A KR 20100127983A KR 1020090046360 A KR1020090046360 A KR 1020090046360A KR 20090046360 A KR20090046360 A KR 20090046360A KR 20100127983 A KR20100127983 A KR 20100127983A
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KR
South Korea
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negative electrode
current collector
electrode current
copper
thickness
Prior art date
Application number
KR1020090046360A
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English (en)
Inventor
양점식
양하영
Original Assignee
양점식
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 양점식 filed Critical 양점식
Priority to KR1020090046360A priority Critical patent/KR20100127983A/ko
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Abstract

본 발명은 알루미늄박으로 이루어진 기재 양면에 구리가 코팅된 구리층을 형성하여 2차전지의 음극집전체를 제작함으로써 음극집전체의 무게를 줄일 수 있도록 하는 경량화된 2차전지용 음극집전체에 관한 것으로, 충방전시 분리막(130)을 경계로 전해액(160)을 통하여 전자를 주고 받는 양극활물질(120) 및 음극활물질(140)과, 상기 양극활물질(120) 및 음극활물질(140)과 접촉하여 외부 전자기기(200)와 전기를 주고 받는 양극집전체(110) 및 음극집전체(150)가 구비된 2차전지에 있어서, 음극집전체(150)는 알루미늄박(151)을 기재로 하고, 이 알루미늄박(151) 기재 양면에 구리가 코팅된 구리층(152)이 형성되어 이루어짐으로써, 종래 구리박만으로 이루어졌던 음극집전체에 비하여 경량화를 이룰 수 있으며, 구리의 사용량을 줄이고 구리보다 저렴한 알루미늄을 기재로 사용함으로써 2차전지의 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
2차전지, 충전, 방전, 음극집전체, 양극집전체, 알루미늄박, 구리박

Description

경량화된 2차전지용 음극집전체 {Negative Current Collector for Secondary Battery with Reduced Weight}
본 발명은 2차전지용 음극집전체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄박으로 이루어진 기재 양면에 구리가 코팅된 구리층을 형성하여 음극집전체를 제작함으로써 음극집전체의 무게를 줄일 수 있도록 하는 경량화된 2차전지용 음극집전체에 관한 것이다.
2차전지(secondary cell)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치로서, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방전과 역방향인 충전과정을 통하여 반복 사용이 가능한 전지이다. 이러한 2차전지로는 납축 전지(Lead_Acid), 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 니켈 수소(Ni-MH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 등이 있는데, 2차전지는 휴대전화, 노트북, 모바일 전자기기, HEV(Hybrid electric vehicle ; 하이브리드 전기자동차) 등 다양한 분야에서 널리 쓰이고 있다.
도 1은 이러한 종래 2차전지의 일반적인 구조를 나타낸 개념도로서, 2차전지는 양극집전체(110), 양극활물질(120), 분리막(130), 음극활물질(140), 음극집전체(150), 전해액(160)이 케이스(100)를 통하여 밀폐되어 구성된다.
상기 양극활물질(120)과 음극활물질(140)은 분리막(130)을 경계로 전해액(160)을 통하여 전자를 주고 받으며 기전력을 발생시키게 되는데, 발생하는 기전력은 양극집전체(110)와 음극집전체(150)를 통하여 전자기기(200)에 공급되게 된다. 즉, 양극활물질(120)에서 음극활물질(140)로 전자가 이동하는 경우 충전이 수행되고 음극활물질(140)에서 양극활물질(120)로 전자가 이동하는 경우 방전이 수행된다. 상기 양극집전체(110) 및 음극집전체(150)는 방전시 음극활물질(140)에서 양극활물질(120)로의 전자 이동에 따라 발생하는 전기를 전자기기(200)에 공급하거나 충전시 외부의 충전기에 의해 공급되는 전기를 양극활물질(120) 및 음극활물질(140)로 공급하는 역할을 수행하게 되는데, 통상 양극집전체(110)는 알루미늄박으로 제작되고 음극집전체(150)는 구리박으로 제작된다.
상기 음극집전체(150)인 구리박은 통상 6㎛∼25㎛의 두께로 제작되는데, 이러한 구리박을 제조하는 방법으로는 잉곳(Ingot) 구리를 반복적으로 압연시켜 제조하는 압연법과, 구리이온을 전기분해로 환원시켜 제조하는 전기도금법이 있다. 상기 압연법은 고온 연신율이 우수하여 고용량 전지에 많이 사용되고 있으나, 구리박을 얇게 만드는데에는 한계가 있어 얇은 구리박 제조가 어려운 문제점 있다. 또한, 상기 전기도금법은 최근 전해동박의 제조기술 발달에 따라 고온에서 연신율이 우수한 전해박을 생산할 수 있도록 하고 있는데, 이러한 전기도금법은 구리박을 얇게 만드는 데는 유리하나 두께가 10㎛ 이상 두꺼워지면 많은 전력 소모가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 음극집전체(150)인 구리박은 비중이 8.9 g/㎤로 무거워서, 이러한 구리박이 음극집전체(150)로 사용되는 2차전지 또한 무게는 많이 나가는 문제점이 있다. 특히, HEV에 사용되는 2차전지의 무게는 자동차 대당 수십 ㎏ 내지 수백 ㎏에 이르고 있는데, 이 HEV용 2차전지 무게의 약 30％를 음극집전체(150)가 차지하고 있다.
따라서, 종래의 방법으로 제작되는 2차전지는 구리박인 음극집전체(150)의 제조에 많은 전력 소모를 가져와 2차전지의 제작 비용을 상승시키는 원인이 되고 있으며, 이렇게 제작된 2차전지는 중량이 무거운 문제점 있으며, 이러한 2차전지가 HEV 등에 사용되는 경우 HEV의 전력 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 2차전지에 사용되는 음극집전체의 중량을 줄이고 제조시 전력 사용량을 줄여 2차전지의 제작 비용을 절감할 수 있도록 하는 경량화된 2차전지의 음극집전체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차전지의 음극집전체는 충방전시 분리막을 경계로 전해액을 통하여 전자를 주고 받는 양극활물질 및 음극활물질과, 상기 양극활물질 및 음극활물질과 접촉하여 외부 전자기기와 전기를 주고 받는 양극집전체 및 음극집전체가 구비된 2차전지에 있어서, 상기 음극집전체는 알루미늄박을 기재로 하고, 이 알루미늄박 기재 양면에 구리가 코팅된 구리층이 형성되어 이루어진다.
상기 음극집전체는 4 ㎛ 내지 70 ㎛ 범위의 두께로 형성되고, 상기 알루미늄박은 3 ㎛ 내지 65 ㎛ 두께로 형성되며, 상기 구리층은 각각 0.1 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 구리층은 전기도금법, 무전해 도금법, 스퍼터링법, 이온증착법, 플라즈마 증착법 중 적어도 어느 하나 이상의 방법을 통하여 알루미늄박의 양면에 구리가 코팅되어 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 2차전지용 음극집전체는 알루미늄박 기재 양면에 구리를 얇게 코팅하여 음극집전체를 제작함으로써 종래 구리박으로만 제작되던 음극집전체에 비해 무게가 가벼워 2차전지의 경량화를 이룰 수 있으며, 이러한 2차전지를 HEV에 적용하는 경우 HEV의 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 다른 2차전지의 음극집전체는 종래 구리박으로만 제작된 음극집전체에 비해 구리 사용량을 줄이고 구리보다 저렴한 알루미늄을 기재로 사용함으로써 2차전지의 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2차전지용 음극집전체의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차전지용 음극집전체(150)는 양극집전체(110)로 사용되는 알루미늄박(151)을 기재(Substate)로 하여, 이 알루미늄박(151)의 양면에 구리를 코팅하여 구리층(152)을 형성함으로써 이루어진다.
상기 음극집전체(150)의 기재로 사용되는 알루미늄박(151) 비중은 2.9g/㎤로 8.9g/㎤인 구리 비중의 약 30％ 수준에 불과하고, 가격 또한 대체로 동일 무게일 경우 구리 가격의 30％에 불과하다. 따라서, 구리보다 가볍고 가격이 저렴한 알루미늄박(151)을 음극집전체(150)의 기재로 사용하게 되면 음극집전체(150)는 종래 구리박으로만 구성된 음극집전체에 비해 가볍고 제작 비용이 적게 소요될 수 있다.
이러한 알루미늄박(150)의 양면에 구리를 코팅하여 구리층(152)을 형성하는 방법으로는 전기도금법, 무전해 도금법, 스퍼터링(Sputtering)법, 이온증착(Ion Plating)법, 플라스마 증착법 등이 적용될 수 있다. 상기 전기도금법은 전해액 속에 잠겨 있는 소재와 도금재료 사이의 전위차에 의해 야기되는 전해작용을 이용하여 소재를 피복시키는 방법이며, 무전해 도금법은 외부전원의 사용없이 자기 촉매적 화학반응을 통하여 이루어지는 도금법이다. 상기 스퍼터링법은 플라즈마를 사용하여 플라즈마 내에서 생성된 이온들로 하여금 증착 대상 웨이퍼 표면에 코팅되도록 하는 증착법이며, 이온증착법은 진공챔버내에 아르곤 등의 가스를 주입하여 고진공 상태에서 플라즈마를 일으켜 증착물질과 가스를 이온화하여 증착될 물체에 증착하는 진공증착법이며, 상기 플라스마 증착법은 플라즈마를 이용하여 막을 생성하는 증착법이다. 이러한 증착 방법은 종래 기술을 이용하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 음극집전체(150)의 전체 두께는 4㎛ ∼ 70㎛ 범위로 이루어지는데, 이 중 음극집전체(150)의 기재인 알루미늄박(151)의 두께는 3㎛ ∼ 65 ㎛ 범위로 이루어지고, 알루미늄박(151)의 양면에 코팅되는 구리층(152)의 두께는 각각 0.1㎛ ∼ 3.0㎛ 범위로 이루어진다. 상기 알루미늄박(151)의 경우 두께가 3㎛ 미만으로 얇아지면 전지제조 공정에서 강도가 너무 낮아져 취급시에 찢 어지거나 주름이 발생하는 등 전지제조가 곤란해지는 문제점이 있으며, 65㎛ 이상이 되면 음극집전체의 두께가 너무 두꺼워져 전지의 경량화와 소형화가 어려워지게 된다. 또한, 상기 구리층(152)의 경우 두께가 0.1㎛ 이하가 되면 알루미늄박(151)을 완전히 코팅하기 어렵고 외부의 작은 충격으로도 코팅된 구리층(152)의 파괴를 가져와 기재인 알루미늄박(151)의 부식을 야기할 수 있으며, 구리층(152)의 두께가 3㎛ 이상이 되는 경우 코팅 비용이 상승하고 무게가 많이 나가기 때문에 경량화를 이루기 어려운 문제점이 있으므로 구리층(152)의 두께는 적어도 0.1㎛ 이상 3㎛ 미만 두께로 알루미늄박(151)에 코딩되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서 음극집전체(150)의 기재로 알루미늄박(151)이 사용되는 이유는 알루미늄박(151)의 전기전도성이 우수하고 값이 저렴한 재료이기 때문으로, 알루미늄박(151)보다 가볍고, 전기전도성이 우수한 재료는 찾아보기 어렵다.
종래의 집전체는 양극집전체(110)에서는 알루미늄박을 사용하며, 음극집전체(150)에서는 구리박을 사용하는데, 도전체인 알루미늄박과 구리박의 표면으로 전류가 흐르기 때문에 전류의 이동시 집전체 두께의 전체 단면적이 필요하지는 않지만, 일정한 두께가 필요한 이유는 음극활물질(140)과 양극활물질(120)을 코팅하는 공정 및 전지제조 공정에서 집전체가 일정한 강도를 유지해야 하기 때문이다. 따라서 종래 음극집전체(150)인 구리박을 본 발명에서와 같이 구리층(152)이 코팅된 알루미늄박(151)으로 대체하는 경우 표면의 코팅된 구리층(152)이 표피효과를 가져와 종래 구리박과 동일한 기능을 수행할 수 있게 된다.
이하에서는 상기의 구성으로 이루어진 음극집전체(150)의 제작 실시예에 대하여 설명한다.
< 실시예 1 >
두께 7㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 스퍼터링법으로 각각 0.5㎛ 두께의 구리층(152)을 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 8㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 2 >
두께 6㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 무전해 도금법으로 각각 1.0㎛ 두께를 구리층(152)을 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 8㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 3 >
두께 9㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 0.5㎛ 두께의 구리층(152)을 피로인산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 10㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 4 >
두께 8㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 1.0㎛ 두께의 구리층(152)을 시안화구리동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 10㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 5 >
두께 7㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 1.5㎛ 두께의 구리층(152)을 황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 10㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 6 >
두께 19㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 0.5㎛ 두께의 구리층(152)을 피로인산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 20㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 7 >
두께 18㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 1.0㎛ 두께의 구리층(152)을 황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 20㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 8 >
두께 17㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 1.5㎛ 두께의 구리층(152)을 황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 20㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 9 >
두께 28㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 1.0㎛ 두께의 구리층(152)을 황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 30㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 10 >
두께 27㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 1.5㎛ 두께의 구리층(152)을 황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(151)의 전체 두께가 30㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 11 >
두께 26㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 0.5㎛ 두께의 구리층(152)을 피로인산동 도금액에서 코팅한 후, 그 위에 1.5㎛ 두께의 구리층(152)을 황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 50㎛가 되도록 하였다.
< 실시예 12 >
두께 46㎛인 알루미늄박(151) 기재 양면에 각각 0.5㎛ 두께의 구리층(152)을 피로인산동 도금액에서 코팅한 후, 그 위에 1.5㎛ 두께의 구리층(152)을 시안화구리동 도금액을 이용한 전기도금법으로 코팅하여 음극집전체(150)의 전체 두께가 50㎛가 되도록 하였다.
상기 실시예를 통하여 제작된 음극집전체(150)의 무게와 비교하기 위하여 다음의 비교예와 같이 종래 방법을 이용하여 음극집전체를 제작하였다.
< 비교예 1 >
황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 두께 8㎛의 구리박을 만들어 2차전지용 음극집전체로 이용한다.
< 비교예 2 >
황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 두께 10㎛의 구리박을 만들어 2차전지용 음극집전체로 이용한다.
< 비교예 3 >
황산동 도금액을 이용한 전기도금법으로 두께 20㎛의 구리박을 만들어 2차전지용 음극집전체로 이용한다.
< 비교예 4 >
순도 99.9％의 무산소동 잉곳(Ingot)을 반복적으로 압연하여 두께 50㎛의 구리박을 만들어 2차전지용 음극집전체로 이용한다.
다음의 표 1은 상기 비교예에 의해 제작된 음극집전체의 무게를 기준으로 상기 실시예를 통하여 제작된 음극집전체(150)의 무게 감소율을 나타낸 비교표이다.
Figure 112009031870462-PAT00001
상기 표 1에서, 무게감소율(％) = {(비교예 무게 - 전체 무게)/비교예 무게}×100 이다.
상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 실시예에 따라 알루미늄박(151) 기재 양면에 구리층(152)이 코팅되어 이루어지는 음극집전체(150)는 동일한 두께의 구리박으로 이루어진 음극집전체에 비해 그 무게가 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 음극집전체(150)는 종래 구리박만으로 이루어진 음극집전체에 비해 가격이 비싼 구리의 사용이 현저히 줄어들고 줄어든 만큼 가격이 저렴한 알루미늄박을 이용하므로 제작 비용이 절감될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 경량화된 2차전지용 음극집전체는 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 이러한 종래 2차전지의 일반적인 구조를 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 2차전지용 음극집전체의 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 케이스 110 : 양극집전체
120 : 양극활물질 130 : 분리막
140 : 음극활물질 150 : 음극집전체
151 : 알루미늄박 152 : 구리층
160 : 전해액 200 : 전자기기

Claims (5)

  1. 충방전시 분리막(130)을 경계로 전해액(160)을 통하여 전자를 주고 받는 양극활물질(120) 및 음극활물질(140)과, 상기 양극활물질(120) 및 음극활물질(140)과 접촉하여 외부 전자기기(200)와 전기를 주고 받는 양극집전체(110) 및 음극집전체(150)가 구비된 2차전지에 있어서,
    상기 음극집전체(150)는 알루미늄박(151)을 기재로 하고, 이 알루미늄박(151) 기재 양면에 구리가 코팅된 구리층(152)이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차전지용 음극집전체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 음극집전체(150)는 4 ㎛ 내지 70 ㎛ 범위의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차전지용 음극집전체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 음극집전체(150)의 기재인 알루미늄박(151)은 3 ㎛ 내지 65 ㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차전지용 음극집전체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄박(151)의 양면에 코팅되는 구리층(152)은 각각 0.1 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차전지용 음극집전체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구리층(152)은 전기도금법, 무전해 도금법, 스퍼터링법, 이온증착법, 플라즈마 증착법 중 적어도 어느 하나 이상의 방법을 통하여 알루미늄박(151)의 양면에 구리가 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 형성하는 것을 특징으로 하는 2차전지용 음극집전체.
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