KR101678813B1 - 두께가 두꺼운 구조의 무지부를 포함하는 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 두께가 두꺼운 구조의 무지부를 포함하는 전극에 관한 것으로서, 상세하게는, 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서,
전극 활물질이 도포되어 있는 코팅부; 및 상기 전극 활물질이 도포되어 있지 않고, 코팅부의 길이 방향을 따라 코팅부의 일측 또는 양측에 위치하며, 집전체의 두께가 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 구조의 무지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극에 관한 것이다.

Description

두께가 두꺼운 구조의 무지부를 포함하는 전극 {Electrode Comprising Active-Material-Non-Coated Portion with thick thickness}
본 발명은 두께가 두꺼운 구조의 무지부를 포함하는 전극으로서, 상기 전극을 제조하기 위한 압연 과정에서 무지부상에 발생할 수 있는 불규칙적인 주름 또는 접힘, 및 이로 인한 전극의 파괴를 방지할 수 있는 구조의 전극에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되는 형태로 제조된다. 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 구조체로서, 제조 방법에 따라 스택형, 폴딩형 및 스택-폴딩형 등으로 구분된다.
전극조립체의 양극과 음극을 제조하기 위해서는 금속 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 도포하고, 건조하여 전극 시트를 제조한 후, 전극 시트를 압연하고, 단위 전극 간격으로 슬릿팅(slitting)하는 과정이 필요하다. 이와 관련하여, 상기 과정들의 간략한 모식도가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 집전체(11)는 전극 활물질(14)이 코팅될 코팅 예정부(12), 및 상기 코팅 예정부(12)의 길이 방향을 따라 코팅 예정부(12)의 양측에 위치하고 전극 활물질이 도포되지 않는 무지부(13)로 이루어져 있고, 집전체(11)의 코팅 예정부(12)에는 전극 활물질(14)이 도포되며, 도포된 전극 활물질(14)은 소망하는 두께로 압연된다.
이 때, 압연 과정은 일반적으로 원통형의 프레싱 롤을 사용하여 전극 시트를 연속적으로 압연하며, 소망하는 전극 두께 및 전극 밀도를 위해 반복적으로 수행된다.
그러나, 종래 집전체의 무지부는, 도 1에서 볼 수 있듯이 두께가 매우 얇으므로 전극 시트의 압연 과정에서 프레싱 롤의 높은 압력에 의해 무지부에 불규칙적인 주름 또는 접힘 현상이 발생하는 문제가 있다.
또한, 이러한 불규칙적인 주름 또는 접힘은, 슬리팅 과정에서 무지부의 단선을 야기하고, 이는 나아가 전극 활물질 층에까지 크랙을 발생시킬 수 있는 바, 상기 무지부의 주름 또는 접힘 현상 및 단선 문제는 전극의 품질 하락의 주요한 원인으로 밝혀져 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술의 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 무지부의 두께가 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 집전체를 사용하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 전극은,
시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서,
전극 활물질이 도포되어 있는 코팅부; 및 상기 전극 활물질이 도포되어 있지 않고, 코팅부의 길이 방향을 따라 코팅부의 일측 또는 양측에 위치하며, 집전체의 두께가 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 구조의 무지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전극은 무지부의 두께를 코팅부의 집전체 두께보다 두껍게하여, 두께가 얇은 무지부에서 빈번하게 발생하는 불규칙적인 주름 또는 접힘 현상을 상당히 억제할 수 있고, 결과적으로, 무지부로부터 야기되는 전극의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있으므로, 양질의 전극을 제조할 수 있다.
이후 도면을 참조하여 더욱 자세하게 설명하겠지만, 본 발명에서 정의하는 무지부의 두께는, 그 자체로서 두껍게 형성되는 것을 의미하고, 무지부에 다른 물질을 코팅한다거나, 무지부를 구부리거나, 접는 등의 무지부의 형태 변형을 의미하는 것이 아니다.
본 발명과 달리, 무지부의 형태를 변형하는 경우에는, 추가적인 공정이 더해져 공정이 복잡해질 뿐 아니라, 변형 부분에 응력이 집중됨에 따라 오히려 무지부의 찢어짐 현상이 나타나고, 이로부터 야기된 집전체 금속 파편에 의해 전극이 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 반면에, 본 발명에 따른 집전체는 그 자체로서 두껍게 형성되므로, 추가적인 공정이 필요없고, 응력 집중으로 인한 상기 문제점이 나타나지 않는 장점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 활물질은 집전체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있으나, 상세하게는 고용량의 전극을 제조하기 위해 집전체의 양면에 도포될 수 있다.
한편, 상기 전극 활물질의 도포에 의해 형성되는 상기 무지부는 코팅부의 길이 방향을 따라 코팅부의 일측 또는 양측에 형성될 수 있고, 상세하게는 전극 시트의 양측 단부에 형성될 수 있다. 여기서, 코팅부의 길이 방향이란, 전극 활물질이 시트형 집전체에 코팅되는 방향을 의미한다.
상기 무지부의 집전체는, 용량 및 전지 크기 등을 고려한 코팅부의 폭에 따라 그 크기가 정해지는데, 구체적으로, 그 폭이 너무 짧은 경우에는 전극 탭의 형성이 용이하지 않고, 너무 긴 경우에는 상대적으로 코팅부가 감소하여 도포되는 전극 활물질 양이 감소하는 바, 비경제적이므로, 상기 무지부의 집전체 폭은, 상세하게는 5 mm 내지 30 mm일 수 있고, 더욱 상세하게는, 5 mm 내지 20 mm일 수 있다.
이 때, 상기 폭은 전극의 길이 방향으로의 크기를 의미한다.
상기 무지부의 집전체 두께는 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼워야 하므로, 무지부의 집전체 두께 또한, 코팅부의 집전체의 두께에 따라 정해질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 코팅부의 집전체 두께는 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터일 수 있고, 따라서, 상기 무지부의 집전체 두께는 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 범위에서 5 마이크로미터 내지 1500 마이크로미터일 수 있으며, 상세하게는, 코팅부의 집전체 두께의 2배 내지 3배일 수 있다.
상기 무지부 집전체 두께가 코팅부 집전체 두께와 비교하여 상기 범위로 두껍지 않은 경우에는 외력에 취약할 수 밖에 없고, 따라서, 이에 따른 불규칙한 주름 또는 접힘 현상이 유발될 수 있는 바, 슬리팅 과정에서 단선이 발생하는 문제가 있고, 상기 범위를 벗어나 더욱 두껍게 형성되는 경우에는 비활용 공간으로 인해 용량 대비 전지 크기가 커므로 바람직하지 않다.
이 때, 상기 두께는 압연 방향으로의 크기를 의미한다.
이와 관련하여, 전극 활물질 층을 포함하는 코팅부의 높이는, 한정되지는 아니하나, 상기와 같이 비활용 공간을 최소화하기 위해서, 무지부의 높이와 동일하거나, 무지부의 높이보다 높은 것이 바람직하다.
상기 코팅부의 높이가 무지부의 높이보다 높은 경우, 하나의 구체적인 예에서, 상기 코팅부의 높이는 무지부의 높이의 101% 내지 120%의 범위일 수 있다.
한편, 상기 무지부의 집전체 형상은 그 두께가 코팅부의 집전체보다 두꺼운 형태라면 한정되지 아니하나, 압연시 그 압력을 견디기 용이한 형상인 것이 바람직하고, 상세하게는, 두께 방향의 수직 단면상으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상일 수 있다.
상기 무지부의 집전체 형상이 사다리꼴 형상일 경우, 상면의 면적과 하면의 면적의 비율이 한정되지는 아니하나, 압연 공정에서 프레싱 롤의 하중을 효과적으로 견디기 위해, 상세하게는, 상면의 면적이 하면의 면적의 60% 이상일 수 있고, 더욱 상세하게는, 상면의 면적이 하면의 면적의 80% 내지 100%일 수 있다.
상기 이차전지용 전극을 제조하는 방법은, 본 발명에 따른 집전체를 사용하는 것을 제외하면, 종래 전극의 제조방법과 유사하다.
구체적으로, 상기 전극은,
(a) 전극 활물질이 도포될 코팅 예정부, 및 상기 코팅 예정부의 길이 방향을 따라 코팅 예정부의 일측 또는 양측에 위치하고 전극 활물질이 도포되지 않으며 두께가 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 무지부를 포함하는 집전체를 준비하는 과정;
(b) 상기 코팅 예정부에 전극 활물질을 도포하고 건조시켜 전극 시트를 준비하는 과정;
(c) 상기 전극 시트를 압연하여 코팅부와 무지부를 포함하는 전극을 제조하는 과정; 및
(d) 상기 압연된 전극 시트를 소망하는 크기로 슬릿팅(slitting) 하는 과정;
을 포함하여 제조된다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
이 때, 상기 전극은 양극 또는 음극일수 있으며, 상기 이차전지는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질을 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 둘 이상 포함하는 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 이차전지의 기타 성분들 및 전지모듈과 전지팩의 제조방법은 당업계에 공지되어 있는 바, 본 명세서에서는 이에 대한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은, 무지부의 낮은 기계적 강성을 보강하기 위해, 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 구조의 무지부를 포함함으로써, 전극을 제조하기 위한 압연 과정에서 무지부상에 발생할 수 있는 불규칙적인 주름 또는 접힘, 이로 인한 슬리팅 과정에서의 단선, 및 이로부터 야기되는 전극의 파괴를 상당히 억제할 수 있고, 궁극적으로, 전극의 불량률을 개선하여 양질의 전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 전극의 제조공정 일부의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 제조공정 일부의 모식도이다;
도 3은 도 2의 압연 후 전극의 또 다른 형태의 모식도이다;
도 4는 본 발명에 따른 전극의 무지부의 또 다른 형상을 나타내기 위한 전극의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 제조공정 일부가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 집전체(100)는 전극 활물질(110)이 도포될 코팅 예정부(101), 및 코팅 예정부(101)의 길이 방향을 따라 코팅 예정부(101)의 양측에 위치하고 전극 활물질(110)이 도포되지 않은 무지부(102)로 이루어져 있고, 이 때, 무지부(102)의 폭(w1)은 5 mm 내지 30 mm일 수 있고, 상세하게는, 5 mm 내지 20 mm일 수 있다.
이러한 집전체(100)의 코팅 예정부(101) 일면에는 전극 활물질(110)이 고르게 도포되어 코팅부(121)를 형성하고, 전극 활물질(104)이 도포되지 않은 집전체(100)의 양측 일부는 무지부(122)가 된다. 이 때, 이후 압연 공정의 용이성을 위해 전극 활물질(110)은 무지부(122)의 집전체 두께(T2)에서 코팅부(121)의 집전체 두께(T1)를 뺀 두께(T2-T1)보다 두껍게 도포된다.
무지부(122)의 집전체 두께(T2)는 코팅부(121)의 집전체 두께(T1)보다 두껍고, 구체적으로, 코팅부(121)의 집전체 두께(T1)는 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터일 수 있고, 상기 무지부(122)의 집전체 두께(T2)는 코팅부(121)의 집전체 두께(T1)보다 두꺼운 범위에서 5 마이크로미터 내지 1500 마이크로미터일 수 있으며, 상세하게는, 코팅부(121)의 집전체 두께(T1)의 2배 내지 3배일 수 있다.
도 2에서는 전극 활물질(110)이 코팅 예정부(101)의 일면에만 도포된 구성을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 양면에 도포될 수도 있다. 이 때, 무지부(122)의 집전체는 코팅부(121)의 집전체 두께(T1)보다 두껍게 형성되는 경우라면 어떠한 형태라도 한정되지 아니하므로, 도 2에서와 같이 일면으로만 볼록한 형태로 형성될 수도 있으나, 양면으로 볼록한 형태도 본 발명의 범주에 포함됨은 물론이다.
상기와 같이 전극 활물질(110)이 도포된 후에는 건조 과정을 거치고, 압연 과정을 거치는데, 이 때, 압연 후의 전극은 전극 활물질(110) 층이 압연에 의해 압축되어 도 2에서와 같이 코팅부(121)의 높이와 무지부(122)의 높이가 동일할 수 있으나, 비활용 공간이 문제가 되지 않을 정도의 범위라면 이에 한정되지 않는다.
이와 관련하여, 도 3에는 도 2의 압연 후 전극의 또 다른 형태가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 상기 코팅부(121)의 높이(H1)는 무지부(122)의 높이(H2)보다 높고, 이 때, 코팅부(121)의 높이(H1)는 무지부(122)의 높이(H2)의 101% 내지 120%의 범위일 수 있다.
또한, 무지부(122)의 집전체 형상은 도 2에서와 같이, 두께 방향의 수직 단면상으로 직사각형일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하고, 압연시 그 압력을 견디기 용이한 형상이면 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
도 4는 무지부(122)의 또 다른 형상을 나타내기 위해 압연 후 전극을 모식적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 무지부(122)의 집전체 형상은 두께 방향의 수직 단면상으로 사다리꼴 형상이고, 이 때, 상면의 면적(S1)과 하면의 면적(S2)의 비율은 한정되지는 아니하나, 압연 공정에서 프레싱 롤의 하중을 효과적으로 견디기 위해, 상세하게는, 상면의 면적(S1)이 하면의 면적(S2)의 60% 이상일 수 있고, 더욱 상세하게는, 80% 내지 100%일 수 있다.
이후, 도 2에 도시하지는 않았으나, 슬릿팅 공정으로 소망하는 크기로 다수의 전극을 제조할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 집전체를 사용하여 전극을 제조하는 경우, 무지부의 집전체 두께는 코팅부의 집전체 두께와 비교하여 두꺼우므로, 압연 과정에서 주름 또는 접힘 현상의 발생 빈도를 현저히 감소시킬 수 있는 바, 슬릿팅 시, 주름 또는 접힌 부분으로부터 무지부가 단선되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 평평한 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서,
    전극 활물질이 도포되어 있는 코팅부; 및
    상기 전극 활물질이 도포되어 있지 않고, 코팅부의 길이 방향을 따라 코팅부의 일측 또는 양측에 위치하며, 집전체의 두께가 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 구조의 무지부;
    를 포함하고 있으며,
    상기 무지부의 집전체 두께는, 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 범위에서 5 마이크로미터 내지 1500 마이크로미터이며, 별도의 추가 가공없이 일체의 집전체 상에서 그 자체로 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 무지부는 코팅부의 양측에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 무지부의 집전체 폭은 5 mm 내지 20 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅부의 집전체 두께는 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 무지부의 집전체 형상은 두께 방향의 수직 단면상으로 직사각형 또는 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 무지부의 집전체 형상은 두께 방향의 수직 단면상으로 사다리꼴 형상이고, 상면의 면적이 하면의 면적의 60% 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 무지부의 집전체 형상은 두께 방향의 수직 단면상으로 사다리꼴 형상이고, 상면의 면적이 하면의 면적의 80% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅부의 높이는 무지부의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅부의 높이는 무지부의 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 코팅부의 높이는 무지부의 높이의 101% 내지 120%의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (a) 전극 활물질이 도포될 코팅 예정부, 및 상기 코팅 예정부의 길이 방향을 따라 코팅 예정부의 일측 또는 양측에 위치하고 전극 활물질이 도포되지 않으며 두께가 코팅부의 집전체 두께보다 두꺼운 무지부를 포함하는 집전체를 준비하는 과정;
    (b) 상기 코팅 예정부에 전극 활물질을 도포하고 건조시켜 전극 시트를 준비하는 과정;
    (c) 상기 전극 시트를 압연하여 코팅부와 무지부를 포함하는 전극을 제조하는 과정; 및
    (d) 상기 압연된 전극 시트를 소망하는 크기로 슬릿팅(slitting) 하는 과정;
    을 포함하는 특징으로 하는 이차전지용 전극의 제조방법.
  13. 제 1 항에 따른 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전극은 양극인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 13 항에 따른 이차전지를 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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