KR20210100890A

KR20210100890A - 리튬이온 이차전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 이용한 리튬이온 이차전지

Info

Publication number: KR20210100890A
Application number: KR1020200014816A
Authority: KR
Inventors: 박상목
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-18

Abstract

본 발명은 구조적으로 안정된 리튬이온 이차전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 이용한 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬이온 이차전지용 전극은 리튬이온 이차전지에 사용되는 전극으로서, 소정 패턴으로 형성된 복수의 천공홀이 형성된 집전체와; 상기 집전체의 양면에 코팅되는 전극코팅층을 포함하고, 상기 전극코팅층은 상기 집전체의 천공홀을 통하여 상기 집전체의 양면에 코팅된 전극코팅층이 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

리튬이온 이차전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 이용한 리튬이온 이차전지{ELECTRODE FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY USING THE SAME}

본 발명은 리튬이온 이차전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 이용한 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조적으로 안정된 리튬이온 이차전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 이용한 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

최근 리튬이온 이차전지의 전기차량 적용이 확대되고 있으며, 전기차의 1회 충전 주행거리 향상을 위해 고에너지밀도의 셀에 대한 요구가 높아지고 있다. 이에 대해 종래에는 셀의 에너지밀도를 높이기 위해 전극 적층수 및 전류밀도 증대를 위하여 셀 두께를 두껍게 설계하고, 전극 기재의 두께는 얇게 하며 탭 방향 테라스 부의 공간을 줄이는 방향으로 개발이 진행되고 있다.

한편, 리튬이온 이차전지의 내부 저항은 셀의 출력 및 효율 측면에서 최소화가 필요하며, 반복되는 충방전 시에도 내부 저항 증가를 최소화하기 위해서 전극 집전체 계면에서의 결착력을 증가시키는 기술이 필요하다. 이러한 특성을 확보하기 위하여 바인더 증량, 건조속도 조정, 전처리 기재 사용 등 여러 기술이 제안되었다.

하지만, 바인더 증량의 경우 에너지밀도를 저하시키고, 출력이 감소되는 문제점이 있으며, 코팅 공정의 건조 조정의 경우에도 생산성이 저하되는 문제가 있으며, 전처리 기재 사용의 경우에도 가격상승, 공정 문제 등으로 실제 사용에 어려움이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 제10-2018-0009129호 (2018.01.26)

본 발명은 활물질, 도전재 및 바인더로 이루어진 코팅층과 집전체의 접촉면적을 증가시켜 계면 저항을 최소하고 구조적으로 높은 접착력을 구현하여 반복적인 충방전 시에도 저항 증가를 최소화 할 수 있는 리튬이온 이차전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 이용한 리튬이온 이차전지를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬이온 이차전지용 전극은 리튬이온 이차전지에 사용되는 전극으로서, 소정 패턴으로 형성된 복수의 천공홀이 형성된 집전체와; 상기 집전체의 양면에 코팅되는 전극코팅층을 포함하고, 상기 전극코팅층은 상기 집전체의 천공홀을 통하여 상기 집전체의 양면에 코팅된 전극코팅층이 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극코팅층은, 상기 집전체의 일면에 코팅되는 제1 전극코팅층과; 상기 집전체의 타면에 코팅되는 제2 전극코팅층으로 구분되고, 상기 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층 중 어느 하나의 일부가 상기 복수의 천공홀로 침투되거나, 제1 전극코팅층의 일부 및 제2 전극코팅층의 일부가 함께 상기 복수의 천공홀로 침투되어 상기 제1 전극코팅층과 제2 전극코팅층이 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 집전체에 형성되는 천공홀의 전체 면적은, 집전체 전체 면적 대비 20 ~ 50%인 것을 특징으로 한다.

상기 집전체에 형성되는 천공홀의 직경은 상기 전극코팅층에 포함된 활물질 입자 직경의 1/2보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 집전체에 형성되는 천공홀의 직경은 3 ~ 20㎛인 것을 특징으로 한다.

상기 집전체에 형성되는 천공홀의 패턴은 정사각형의 격자 형태 또는 마름모형의 격자 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 집전체에 형성되는 천공홀의 내경 형태는 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법은 리튬이온 이차전지에 사용되는 전극을 제조하는 방법으로서, 집전체를 준비하는 집전체 준비단계와; 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 코팅 슬러리를 준비하는 코팅슬러리 준비단계와; 상기 집전체의 일면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제1 전극코팅층을 형성하는 제1 코팅단계와; 제1 전극코팅층이 형성된 집전체에 소정 패턴으로 복수의 천공홀을 형성하는 천공단계와; 천공홀이 형성된 집전체의 타면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제2 전극코팅층을 형성하는 제2 코팅단계와; 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층이 형성된 집전체의 양면을 프레스하여 상기 집전체의 천공홀을 통하여 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층을 직접 연결시키는 프레스단계를 포함한다.

상기 천공단계는 상기 제1 전극코팅층의 형성된 면의 반대면을 통하여 집전체에 복수의 천공홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 천공단계는 상기 집전체의 타면에 소정 패턴으로 레이저를 조사하여 상기 천공홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 천공단계는 조사되는 레이저의 파장은 190 ~ 360㎚ 엑시머 레이저 계열 또는 200 ~ 1100㎚ YAG 레이저 계열의 펄스 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 프레스단계에서는 프레스에 의해 상기 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층 중 어느 하나의 일부가 상기 복수의 천공홀로 침투되거나, 제1 전극코팅층의 일부 및 제2 전극코팅층의 일부가 함께 상기 복수의 천공홀로 침투되어 상기 제1 전극코팅층과 제2 전극코팅층이 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬이온 이차전지는 소정 패턴으로 형성된 복수의 양극 천공홀이 형성된 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 양면에 코팅되는 양극 코팅층 및 양극 리드를 포함하는 복수의 양극 전극부와; 소정 패턴으로 형성된 복수의 음극 천공홀이 형성된 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 양면에 코팅되는 음극 코팅층 및 음극 리드를 포함하는 복수의 음극 전극부와; 상기 양극 전극부와 음극 전극부 사이에 위치하는 복수의 분리막을 포함하고, 상기 양극 전극부의 양극 코팅층은 양극 천공홀을 통하여 상기 양극 집전체의 양면에 코팅된 양극 코팅층이 직접 연결되며, 상기 음극 전극부의 음극 코팅층은 음극 천공홀을 통하여 상기 음극 집전체의 양면에 코팅된 음극 코팅층이 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 양극 전극부, 음극 전극부 및 분리막이 내부에 수용되어 외부와 분리시키면서, 양극 리드탭과 음극 리드탭이 구비되는 케이스와; 상기 케이스의 내부에 충진되는 전해액을 더 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 집전체의 일면에 먼저 전극코팅층을 형성한 다음, 집전체의 타면을 통하여 천공홀을 형성하고, 집전체의 타면에 전극코팅층을 코팅한 후 프레스 함으로써, 안정된 구조를 갖는 전극을 구현할 수 있다.

특히, 천공홀의 형성시 레이저를 사용함으로써 집전체를 원하는 패턴으로 가공할 수 있고, 전극코팅층을 손상없이 집전체에만 천공홀을 가공할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

그리고, 종래와 같이 집전체에 천공홀을 먼저 형성한 다음 집전체의 일면에 전극코팅층을 형성하는 경우에는 천공홀을 통하여 전극코팅층을 형성하는 슬러리가 집전체의 타면으로 배출되어 코팅이 곤란하지만, 본 발명은 집전체의 일면에 먼저 전극코팅층을 형성하고, 집전체의 타면을 통하여 천공홀을 형성함으로써, 슬러리가 집전체의 타면으로 배출되는 현상을 원천적으로 봉쇄하여 전극을 제조하는 공정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 보여주는 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 전극을 보여주는 단면도이며,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 전극의 제조단계를 보여주는 단면도이고,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 다양한 천공홀의 패턴을 보여주는 도면이며,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 다양한 천공홀의 패턴이 적용되는 집전체 형상을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 보여주는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 전극을 보여주는 단면도이며, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 전극의 제조단계를 보여주는 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지는 양극 전극부(100), 음극 전극부(200) 및 분리막(300)을 포함할 수 있으며, 전해액(400) 및 케이스(500)를 더 포함할 수 있다.

양극 전극부(100)는 양극 전극(110)과 양극 리드(120)로 구분될 수 있다. 그리고, 양극 전극(110)은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 양면에 코팅되는 양극 코팅층으로 구분될 수 있다.

여기서, 양극 집전체는 도전체이고 사용범위 내에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 실시예에 따라 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있다.

그리고, 양극 코팅층은 양극 집전체의 양면상에 형성되는 층으로서, 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합되어 형성될 수 있다. 여기서 양극 활물질은 리튬을 포함하는 고용체 산화물로 형성되는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않고 전기화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.

양극 리드(120)는 양극 집전체에서 연장되면서 형성되어 양극 리드탭(510)과 접촉됨으로써 외부로 전기가 흐르도록 하는 역할을 한다.

음극 전극부(200)는 양극 전극부(100)와 마찬가지로 음극 전극(210)과 음극 리드(220)로 구분될 수 있다. 그리고 음극 전극(210)은 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 양면에 코팅되는 양극 코팅층으로 구분될 수 있다.

여기서, 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로 도전체이고 사용범위 내에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 실시예에 따라 구리, 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 음극 코팅층은 음극 집전체의 양면에 형성되는 층으로서, 음극 활물질과 바인더가 혼합되어 형성될 수 있다. 이때 음극 코팅층에도 양극 코팅층과 마찬가지로 도전재가 혼합될 수 있다. 음극 활물질은 금속계 활물질 및 탄소계 활물질을 포함할 수 있다.

이때 금속계 활물질은 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그리고, 탄소계 활물질은 탄소(원자)를 포함하고 동시에 전기 화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질로서, 흑연 활물질, 인조흑연, 천연흑연, 인조흑연 및 천연흑연의 혼합물, 인조흑연을 피복한 천연흑연 등이 적용될 수 있으나이에 한정되는 것은 아니다.

음극 리드(220)는 음극 집전체에서 연장되면서 형성되어 음극 리드탭(520)과 접촉됨으로써 외부로 전기가 흐르도록 하는 역할을 한다.

분리막(300)은 양극 전극부(100)와 음극 전극부(200) 사이에 위치하여 양극 전극부(100)와 음극 전극부(200)를 전기적으로 분리하는 역할을 하며, 양극 전극부(100)와 음극 전극부(200) 사이에 이온이 이동할 수 있는 다공성 막으로 형성될 수 있다.

케이스(500)는 상기 복수의 양극 전극부(100), 음극 전극부(200) 및 분리막(300)을 내부에 밀봉된 상태로 수용하는 수단으로서, 양극 전극부(100), 음극 전극부(200) 및 분리막(300)을 외부와 분리시킨다.

케이스(500)의 내부에는 복수의 양극 전극부(100)와 복수의 음극 전극부(200)가 복수의 분리막(300)을 사이에 두고 교대로 배치되고, 이에 따라 케이스(500)에는 복수의 양극 전극부(100)에서 연장된 복수의 양극 리드(120)와, 연결되는 양극 리드탭(510)이 구비되고, 복수의 음극 전극부(200)에서 연장된 복수의 음극 리드(220)와 연결되는 음극 리드탭(520)이 구비된다.

이때 케이스(500)는 파우치 형태로 구현될 수 있다.

한편, 케이스(500)의 내부에는 전해액(400)이 충진된다.

이하에서는 본 발명의 주요 특징인 양극 전극과 음극 전극에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 양극 전극과 음극 전극의 구조가 유사하기 때문에 양극 전극과 음극 전극을 구분하지 않고 설명하기로 한다. 따라서 극성을 나타내는 '양극'과 '음극'을 구분하는 표현을 배제하고 설명하기로 한다. 이에 따라 이하에서 설명되는 전극은 양극 전극과 음극 전극 모두에 해당된다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 전극(110, 210)은 집전체(10)와 전극코팅층(20)을 포함한다.

집전체(10)에는 소정 패턴으로 형성된 복수의 천공홀(11)이 형성된다.

그리고, 전극코팅층(20)은 활물질(21), 도전재(22) 및 바인더(23)가 혼합된 코팅 슬러리가 집전체(10)의 양면에 코팅되어 형성된다. 다만, 본 발명에서 전극코팅층(20)은 집전체(10)의 천공홀(11)을 통하여 집전체(10)의 양면에 코팅된 전극코팅층(20)이 직접 연결됨으로써, 전극코팅층(20)과 집전체(10)의 계면에서 결착력을 증대시킬 수 있다. 이에 따라 전극(110, 210)의 구조적인 안정성을 확보할 수 있다.

부연하자면, 도 3d에 도시된 바와 같이 전극코팅층(20)은 집전체(10)의 일면에 코팅되는 제1 전극코팅층(20a)과; 집전체(10)의 타면에 코팅되는 제2 전극코팅층(20b)으로 구분된다.

그리고, 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b) 중 어느 하나의 일부가 복수의 천공홀(11)로 침투되어 서로가 직접 연결될 수 있다. 또한, 제1 전극코팅층(20a)의 일부 및 제2 전극코팅층(20b)의 일부가 함께 상기 복수의 천공홀(11)로 침투되어 제1 전극코팅층(20a)과 제2 전극코팅층(20b)이 서로 직접 연결될 수 있다.

집전체(10)에 형성되는 천공홀(11)의 전체 면적은 집전체 전체 면적 대비 20 ~ 50%인 것이 바람직하다. 천공홀(11)의 전체 면적이 제시된 범위보다 작을 경우에는 제1 전극코팅층(20a)과 제2 전극코팅층(20b)이 천공홀(11)을 통하여 직접 연결되는 효과가 저감되는 문제가 있고, 천공홀(11)의 전체 면적이 제시된 범위보다 클 경우에는 집전체(10)의 단면적이 줄어들면서 전류이동 단면적이 감소하여 이차전지의 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

그리고, 집전체(10)에 형성되는 천공홀(11)의 직경은 전극코팅층(20)에 포함된 활물질(21) 입자 직경의 1/2보다 큰 것이 바람직하다. 그리고 더욱 바람직하게는 집전체(10)에 형성되는 천공홀(11)의 직경은 3 ~ 20㎛인 것이 좋다. 천공홀(11)의 직경이 제시된 범위보다 작을 경우에는 제1 전극코팅층(20a)과 제2 전극코팅층(20b)이 천공홀(11)로 압입되는 효과가 저감되는 문제가 있고, 천공홀(11)의 직경이 제시된 범위보다 클 경우에는 천공홀(11)의 전체 면적이 증가하여 집전체의 단면적이 줄어들면서 이차전지의 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 천공홀(11)의 직경은 작을 수록 활물질(21) 및 도전재(22)와의 접촉면적을 증가시킬 수 있기 때문에 제시된 범위 내에서 가급적 직경을 작게하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 전극의 제조방법에 대하여 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법은 집전체(10)를 준비하는 집전체 준비단계와; 활물질(21), 도전재(22) 및 바인더(23)를 혼합하여 코팅 슬러리를 준비하는 코팅슬러리 준비단계와; 상기 집전체(10)의 일면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제1 전극코팅층(20a)을 형성하는 제1 코팅단계와; 제1 전극코팅층(20a)이 형성된 집전체(10)에 소정 패턴으로 복수의 천공홀(11)을 형성하는 천공단계와; 천공홀(11)이 형성된 집전체(10)의 타면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제2 전극코팅층(20b)을 형성하는 제2 코팅단계와; 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b)이 형성된 집전체(10)의 양면을 프레스하여 상기 집전체(10)의 천공홀(11)을 통하여 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b)을 직접 연결시키는 프레스단계를 포함한다.

집전체 준비단계는 도전체를 이용하여 집전체(10)를 준비하는 단계로서, 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금강 등을 이용하여 얇은 박판으로 도전체를 준비한다.

코팅슬러리 준비단계는 집전체의 양면에 코팅되는 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b)을 형성하는 코팅슬러리를 준비하는 단계로서, 활물질(21), 도전재(22) 및 바인더(23)를 적정 비율로 혼합하여 준비한다. 만약 양극 전극을 형성하는 경우에는 활물질로 양극 활물질을 혼합하고, 음극 전극을 형성하는 경우에는 활물질로 음극 활물질을 혼합하여 코팅슬러리를 준비한다. 그리고 음극 전극을 형성하는 경우에는 코팅슬러리에 혼합되는 도전재를 생략할 수 있을 것이다.

이렇게 집전체(10)와 코팅슬러리이 준비가 완료되면, 제1 코팅단계를 실시한다.

제1 코팅단계는 집전체(10)의 일면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제1 전극코팅층(20a)을 형성하는 단계로서, 도 3a와 같이 집전체(10)에 천공홀(11)을 형성하기 전에 제1 전극코팅층(20a)을 형성한다. 그래서, 코팅슬러리가 집전체(10)의 타면으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

집전체(10)의 일면에 제1 전극코팅층(20a)이 형성되면, 천공단계를 실시한다.

천공단계는 제1 전극코팅층(20a)이 일면에 형성된 집전체(10)에 소정 패턴으로 복수의 천공홀(11)을 형성하는 단계로서, 도 3b와 같이 제1 전극코팅층(20a)이 형성된 면의 반대면, 즉 노출된 집전체(10)의 타면을 통하여 천공홀(11)을 형성한다.

이때 천공홀(11)을 형성하는 방법은 다양한 방법이 적용될 수 있지만, 제1 전극코팅층(20a)의 손상을 방지하면서 집전체(10)에 천공홀(11)만을 형성할 수 있도록, 집전체(10)의 타면에 소정 패턴으로 레이저를 조사하여 천공홀(11)을 형성하는 것이 바람직하다. 여기서 조사되는 레이저의 파장은 190 ~ 360㎚ 엑시머 레이저 계열 또는 200 ~ 1100㎚ YAG 레이저 계열의 펄스 형태인 것이 바람직하다.

그래서 도 3b와 같이 집전체(10)를 완전히 관통시켜 천공홀(11)을 형성하거나, 도면에 도시하지는 않았지만 집전체(10)를 완전히 관통시키지 않고 연화시킴으로써 후술되는 단계에서 프레스 압력에 의해 코팅슬러리가 연화된 천공홀(11)로 침입하도록 할 수 있다.

이렇게 집전체(10)에 천공홀(11)이 형성되었다면, 제2 코팅단계를 실시한다.

제2 코팅단계는 천공홀(11)이 형성된 집전체(10)의 타면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제2 전극코팅층(20b)을 형성하는 단계로서, 도 3c와 같이 집전체(10)에 천공홀(11)을 형성한 다음에 제2 전극코팅층(20b)을 형성한다. 그래서, 코팅슬러리를 일부가 천공홀(11)로 유입되는 것을 유도한다.

이렇게 집전체(10)의 양면에 제1 전극코팅층(20a)과 제2 전극코팅층(20b)이 형성되었다면, 프레스 단계를 실시한다.

프레스 단계는 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b)이 형성된 집전체(10)의 양면을 프레스하는 단계로서, 도 3d와 같이 프레스에 의해 집전체(10)의 천공홀(11)을 통하여 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b)을 직접 연결된다.

이때 프레스에 의해 제1 전극코팅층(20a) 및 제2 전극코팅층(20b) 중 어느 하나의 일부가 복수의 천공홀(11)로 침투되어 서로가 직접 연결될 수 있다. 또한, 제1 전극코팅층(20a)의 일부 및 제2 전극코팅층(20b)의 일부가 함께 상기 복수의 천공홀(11)로 침투되어 제1 전극코팅층(20a)과 제2 전극코팅층(20b)이 서로 직접 연결될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전극은 집전체에서 전류의 이동 경로를 최소화하여 이차 전지의 성능을 향상시키기 위하여 셀의 형상에 따라 집전체에 형성되는 천공홀의 형상 및 형성패턴을 조정할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 다양한 천공홀의 패턴을 보여주는 도면이며, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 다양한 천공홀의 패턴이 적용되는 집전체 형상을 보여주는 도면이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 천공홀(11)의 형상은 천공홀(11)의 내경 형태를 원형 또는 타원형으로 형성할 수 있다. 그리고, 천공홀(11)의 패턴은 정사각형의 격자 형태 또는 마름모형의 격자 형태로 형성할 수 있다.

예를 들어 집전체 전체 면적 대비 천공홀의 전체 면적이 동일하다는 것을 전제한다면, 도 6a와 같이 셀, 즉 집전체(10a)의 모양이 정사각형일 경우에, 도 4 및 도 5의 (A), (B) 및 (C)와 같은 천공홀(11a, 11b, 11c)의 패턴은 동일한 전류의 이동 경로를 확보할 수 있다. 이때 천공홀(11a, 11b, 11c)의 내경 형태는 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.

다만, 도 6b와 같이 셀, 즉 집전체(10b)의 모양이 평균 전류방향으로 길게 형성되는 경우에는 도 4 및 도 5의 (A) 및 (C)와 같은 천공홀(11a, 11c)의 패턴이 전류의 이동 경로를 최소화하는데 유리하다.

그리고, 도 6c와 같이 셀, 즉 집전체(10c) 모양이 평균 전류방향의 직각 방향으로 길게 형성되는 경우에는 도 4의 (B)와 같은 천공홀(11b)의 패턴이 전류의 이동 경로를 최소화하는데 유리하다.

그리고, 집전체 전체 면적 대비 천공홀의 전체 면적이 동일하다는 것을 전제한다면, 도 6b와 같이 셀, 즉 집전체(10b) 모양이 평균 전류방향으로 길게 형성되는 경우에는 도 5의 (D)와 같은 천공홀(11d)의 내경 형태는 평균 전류방향으로 길게 장축이 형성되는 타원형 형상으로 형성하는 전류 방향 단면적을 최대화하는데 유리하다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

10: 집전체 11: 천공홀
20: 전극코팅층 20a: 제1 전극코팅층
20b: 제2 전극코팅층 21: 활물지
22: 도전재 23: 바인더
100: 양극 전극부 110: 양극 전극
120: 양극 리드 200: 음극 전극부
210: 음극 전극 220: 음극 리드
300: 분리막 400: 전해액
500: 케이스 510: 양극 리드탭
520: 음극 리드탭

Claims

리튬이온 이차전지에 사용되는 전극으로서,
소정 패턴으로 형성된 복수의 천공홀이 형성된 집전체와;
상기 집전체의 양면에 코팅되는 전극코팅층을 포함하고,
상기 전극코팅층은 상기 집전체의 천공홀을 통하여 상기 집전체의 양면에 코팅된 전극코팅층이 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 전극코팅층은, 상기 집전체의 일면에 코팅되는 제1 전극코팅층과; 상기 집전체의 타면에 코팅되는 제2 전극코팅층으로 구분되고,
상기 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층 중 어느 하나의 일부가 상기 복수의 천공홀로 침투되거나, 제1 전극코팅층의 일부 및 제2 전극코팅층의 일부가 함께 상기 복수의 천공홀로 침투되어 상기 제1 전극코팅층과 제2 전극코팅층이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 집전체에 형성되는 천공홀의 전체 면적은, 집전체 전체 면적 대비 20 ~ 50%인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 집전체에 형성되는 천공홀의 직경은 상기 전극코팅층에 포함된 활물질 입자 직경의 1/2보다 큰 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 집전체에 형성되는 천공홀의 직경은 3 ~ 20㎛인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 집전체에 형성되는 천공홀의 패턴은 정사각형의 격자 형태 또는 마름모형의 격자 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 집전체에 형성되는 천공홀의 내경 형태는 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극.
리튬이온 이차전지에 사용되는 전극을 제조하는 방법으로서,
집전체를 준비하는 집전체 준비단계와;
활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 코팅 슬러리를 준비하는 코팅슬러리 준비단계와;
상기 집전체의 일면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제1 전극코팅층을 형성하는 제1 코팅단계와;
제1 전극코팅층이 형성된 집전체에 소정 패턴으로 복수의 천공홀을 형성하는 천공단계와;
천공홀이 형성된 집전체의 타면에 준비된 코팅슬러리를 코팅하여 제2 전극코팅층을 형성하는 제2 코팅단계와;
제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층이 형성된 집전체의 양면을 프레스하여 상기 집전체의 천공홀을 통하여 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층을 직접 연결시키는 프레스단계를 포함하는 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 천공단계는 상기 제1 전극코팅층의 형성된 면의 반대면을 통하여 집전체에 복수의 천공홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법.
청구항 9에 있어서,
상기 천공단계는 상기 집전체의 타면에 소정 패턴으로 레이저를 조사하여 상기 천공홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 천공단계는 조사되는 레이저의 파장은 190 ~ 360㎚ 엑시머 레이저 계열 또는 200 ~ 1100㎚ YAG 레이저 계열의 펄스 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 프레스단계에서는 프레스에 의해 상기 제1 전극코팅층 및 제2 전극코팅층 중 어느 하나의 일부가 상기 복수의 천공홀로 침투되거나, 제1 전극코팅층의 일부 및 제2 전극코팅층의 일부가 함께 상기 복수의 천공홀로 침투되어 상기 제1 전극코팅층과 제2 전극코팅층이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 전극의 제조방법.
소정 패턴으로 형성된 복수의 양극 천공홀이 형성된 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 양면에 코팅되는 양극 코팅층 및 양극 리드를 포함하는 복수의 양극 전극부와;
소정 패턴으로 형성된 복수의 음극 천공홀이 형성된 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 양면에 코팅되는 음극 코팅층 및 음극 리드를 포함하는 복수의 음극 전극부와;
상기 양극 전극부와 음극 전극부 사이에 위치하는 복수의 분리막을 포함하고,
상기 양극 전극부의 양극 코팅층은 양극 천공홀을 통하여 상기 양극 집전체의 양면에 코팅된 양극 코팅층이 직접 연결되며,
상기 음극 전극부의 음극 코팅층은 음극 천공홀을 통하여 상기 음극 집전체의 양면에 코팅된 음극 코팅층이 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
청구항 13에 있어서,
상기 복수의 양극 전극부, 음극 전극부 및 분리막이 내부에 수용되어 외부와 분리시키면서, 양극 리드탭과 음극 리드탭이 구비되는 케이스와;
상기 케이스의 내부에 충진되는 전해액을 더 포함하는 리튬이온 이차전지.