KR20090070140A - 이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재 - Google Patents

이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재

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KR20090070140A
KR20090070140A KR1020070138038A KR20070138038A KR20090070140A KR 20090070140 A KR20090070140 A KR 20090070140A KR 1020070138038 A KR1020070138038 A KR 1020070138038A KR 20070138038 A KR20070138038 A KR 20070138038A KR 20090070140 A KR20090070140 A KR 20090070140A
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Abstract

충전과 방전을 거듭하며 사용할 수 있는 이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재가 개시된다. 활물질로 제공되는 흑연분말과, 전도도 증가를 위한 도전재와, 흑연분말과 도전재를 이차전지의 전류집전체에 결합시키기 위한 결합재와, 결합재를 용해시키기 위한 유기용매;를 포함하여, 전류집전체에 코팅되는 코팅재에 있어서, 흑연분말은 플라즈마 처리된 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재의 점도를 낮춰 가공이 용이하다.
전류집천체, 이차전지, 흑연분말 및 플라즈마

Description

이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재{COATING MATERIAL FOR CURRENT COLLECTOR IN SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재에 관한 것으로서, 점도를 낮춰 코팅 가공을 용이하게 하고 코팅 품질을 향상시키는 이차전지의 전류집천체에 코팅되는 코팅재에 관한 것이다.
최근 전자, 정보통신 산업의 발전은 전자기기의 휴대화, 소형화, 경량화, 고성능화를 통하여 급속한 성장을 보이고 있으며, 이들 휴대용 전자기기의 전원으로 고성능의 리튬이차전지로 채용되고 있다. 이차전지는 충전과 방전을 거듭하며 사용할 수 있어 정보통신을 위한 휴대용 전자기기나 전기자동차 등의 전원으로 필수적이다. 이러한 전지에 요구되는 특성은 충방전 특성, 수명, 고율 특성과 고온에서의 안정성 등 여러 가지 측면이 있으며 가장 많이 사용되고 있는 것이 리튬 이차전지다.
리튬 이차전지는 양극(cathode or positive electrode), 음극(anode or negative electrode), 전해질(electrolyte), 격리막(separator), 외장재 등으로 주로 구성된다. 양극은 전류집전체에 양극 활물질, 도전재와 바인더(binder) 등의 혼합물이 결착되어 구성된다. 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬 전이금속 화합물이 주로 사용된다. 이들 물질들은 결정구조 내로 리튬이온이 삽입/탈리(intercalation/deintercalation)가 되면서 진행되는 전기화학적 반응 전위가 높다. 음극 활물질은 리튬금속, 탄소 또는 흑연 등이 주로 사용되며 양극 활물질과는 반대로 전기화학적 반응 전위가 낮다. 전해질은 주로 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 등의 극성 유기용매에 LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiN(SO2C2F5)2 등의 리튬이온을 포함하는 염을 용해시켜 사용한다. 양극과 음극을 전기적으로 절연시키며 이온의 통로를 제공해주는 역할을 하는 격리막은 다공성 폴리에틸렌 등 폴리올레틴계 폴리머를 주로 사용한다. 전지의 내용물을 보호하며 전지외부로 전기적 통로를 제공하는 외장재로는 금속캔 또는 알루미늄과 몇 겹의 폴리머층으로 구성된 포장재를 주로 사용한다.
리튬 이차전지는, 충전 및 방전의 반복적인 조작으로 직류전력을 저장하고, 필요에 따라서 외부로 직류를 공급할 수 있도록 하는 전지로서 사용되고 있다. 이러한 이차전지는 양극과 음극이 전해액을 사이에 두고 동일한 케이싱내에 위치되며, 이들 전극은 외부부하와 연결됨으로 전류의 흐름이 이루어질 수 있는 구성을 갖는다. 이와 같은 작용을 위하여 상기한 양극과 음극에는, 외부회로로 전기 에너지를 발생시켜 내보내기 위한 화학물질로서의 기능을 하는 이른바 활물질이 코팅 또는 캐스팅된다. 이러한 활물질은 전극부재에 균일하게 도포되어야 전지의 성능을 향상시킬 수 있으므로 활물질의 도포는 전지의 성능에 많은 영향을 주며 활발 한 연구가 진행되고 있다.
활물질의 점도 특성은 가공 공정에서 매우 중요하다. 구체적으로, 점도값이 크면 코팅 특성을 조절하기 위하여 다량의 용매를 사용하게 되며, 이는 비용의 상승과, 코팅 품질의 저하를 가져오게 된다.
그래서, 활물질에 사용되는 흑연분말은 흑연 코어에 피치(pitch)를 혼합하고 이를 수 차례 열처리를 하는 복잡한 가공 공정을 거쳐서 제조하고 있으나, 이는 그 공정과정이 복잡하고 비용의 상승을 가져온다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전류집전체에 코팅되는 코팅재의 점도를 낮춰 가공을 용이하게 하는 이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 활물질로 제공되는 흑연분말과, 전도도 증가를 위한 도전재와, 흑연분말과 도전재를 이차전지의 전류집전체에 결합시키기 위한 결합재와, 결합재를 용해시키기 위한 유기용매;를 포함하여, 전류집전체에 코팅되는 코팅재에 있어서, 흑연분말은 플라즈마 처리된 것을 특징으로 한다.
이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재는, 이차전지의 활물질로 제공되며, 플라즈마 처리된 흑연분말과; 전도도 증가를 위한 도전재와; 흑연분말과 도전재를 전류집전체에 결합시키기 위한 결합재와; 결합재를 용해시키기 위한 유기용매;를 포함한다.
플라즈마는 Medium Frequency 혹은 Radio Frequency 플라즈마인 것이 바람직하다.
흑연분말의 플라즈마 처리는 50torr이하의 진공상태에서 1초 내지 3분 동안 노출되는 것이 바람직하다.
본 발명의 이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재는 점도가 낮아 전류집전체에 코팅시에 별도의 용매를 추가할 필요가 없어 제조비용이 감소하고, 코팅 품질이 향상된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
플라즈마는 기체가 큰 에너지를 받아 상전이 와는 다른 이온화된 입자들, 즉 양과 음의 총 전하 수는 거의 같아서 전체적으로는 전기적인 중성을 띄는 상태로 변화한 것이며, 최근 산업적으로 많이 이용되고 있다.
이러한 플라즈마는 전기장 인가방식에 있어서 사용되는 주파수에 따라, 수 내지 60KHz의 저주파 교류 신호를 사용하는 MF(Medium Frequency)플라즈마, ISM(Industrial and Scientific and Medical) 주파수 밴드에 속하는 13.56MHz를 사용하는 RF(Radio Frequency)플라즈마, 역시 ISM 밴드에 속하는 2.45GHz를 사용하는 Microwave플라즈마가 있다.
본 발명에 사용되는 플라즈마는 MF 혹은 RF 플라즈마를 사용하며, 이차전지의 전류집전체에 코팅될 흑연분말에 직접 쏘여진다. 플라즈마에 흑연분말의 노출은 50 torr이하의 진공 상태에서 이루어지며, 노출 시간은 1초 내지 3분이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연분말의 표면처리 방법을 설명하기 위한 플라즈마 발생장치의 도면이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 발생장치(10)는 진공챔버(11), 진공챔버(11) 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 진공펌프(12), 진공챔버(11)의 내부에 이격 설치되어 플라즈마 방전을 일으키는 한 쌍의 전극(미도시), 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 RF 플라즈마 발생기(미도시), 진공챔버(11) 내부로 아르곤, 헬륨 및 질소 가스등을 공급하기 위한 가스 공급관(16)을 구비하며, 가스 공급관(16)은 가스를 저장하는 가스탱크(13)와 연결되어 있다. 이러한 플라즈마 발생장치(10)를 이용하여 흑연분말 표면에 플라즈마 처리를 하기 위한 공정은 다음과 같은 과정을 거친다.
먼저 진공펌프()를 이용하여 진공챔버(11) 내부를 50torr이하의 진공상태로 만든다. 그 후에 흑연분말 제공부(18)로부터 진공챔버(11) 내부로 흑연분말을 제공한다.
이때, 아르곤, 헬륨 및 질소 가스가 보관되어 있는 가스탱크(13)로부터 플라즈마화될 가스가 선택적으로 가스 공급관(16)을 거쳐 필터망(19)을 지나 진공챔버(11)의 내부로 제공된다. 이렇게 제공된 가스는 RF 플라즈마 발생기에 의해 플라즈마화된다. 참고로, 본 실시예에의 RF 플라즈마 발생기(15)는 13.56㎒의 주파수를 사용한다.
이렇게 플라즈마 처리된 흑연분말은 플라즈마 처리 분말 포집장치(17)에서 포집된다.
한편, 플라즈마를 생성하기 위한 기체는 아르곤, 헬륨 및 질소 가스를 사용함이 바람직하다. 플라즈마가 흑연분말에 주사되는 동안에는 진공챔버 내부의 압 력은 50Torr이하가 바람직한데, 50Torr를 초과하는 경우에는 평균자유로(mean free path)가 짧아져서 플라즈마가 형성되기 어렵기 때문에 바람직하지 않다. 이때, 노출 시간은 1초 내지 3분이다. 흑연분말을 플라즈마에 1초 이하로 노출시키면, 플라즈마에 의한 흑연분말의 표면개질 효과를 얻기 어렵고, 3분 이상 노출시킬 경우에는 플라즈마에 의해서 흑연분말에 손상을 줄 수 있다. 이에 적절한 노출 시간은 1초~3분 범위이다.
상술한 바와 같이, 플라즈마 발생장치(10)를 이용하여 흑연분말의 표면을 처리한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예와 비교예를 들어 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예에서는 전극 코팅재를 예로 들어 설명한다.
먼저, 전류집전체로는 화학변화를 일으키지 않는 전기 전도체로서 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 아무 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄, 탄소 또는 구리나 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈 티탄 또는 은을 부착처리 시킨 것 등을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 열처리하지 않은 흑연분말을 플라즈마에 노출시킨 후 흑연분말에 도전재, 결합재 및 유기용매를 혼합하여 코팅재를 제조한다.
구체적으로, 도전재로 아세틸렌 블랙과 같은 도전성 카본 블랙을 함유할 수 있으며 페이스트 형태로 제조하기 위하여 결합재를 추가할 수 있다.
결합재로는 폴리비닐(아세테이트), 폴리 비닐 알콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교 결합된 에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 에테르, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴 플루오라이드의 코폴리머(상품명 kynar), 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 이들의 유도체, 블랜드, 코폴리머 등이 사용될 수 있으나 여기서는 PVdF(polyvinylidenefluoride, 이하PVdF로 칭함)가 바람직하다.
상술한 결합재를 용해하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 이러한 유기용매는 결합재의 종류에 따라 다를 수 있으나 대체로 비양성자성 용매가 사용될 수 있다. 이러한 목적으로 사용될 수 있는 유기용매에는 N-메틸-2-피롤리돈과 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate) 등의 유기 카보네이트 용매가 있다.
이렇게 혼합 제조된 코팅재는 분산성을 좋게 하기 위하여 강한 기계적 교반이나 초음파 교반을 사용할 수 있으며, 잘 분산된 혼합물은 페이스트 형태가 되어 각종 금속 집전체 위에 도포될 수 있다. 도포하기 위하여는 단순한 페인팅이나 혹은 스핀 코팅, 바코팅등 기계적 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 코팅재가 집전체 위에 도포될 때는 불활성 가스 분위기를 유지하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 플라즈마에 흑연분말을 노출시키고 결합재, 도전재 및 유기용매를 소정의 비율로 혼합하여 구성되는 페이스트 용액을 제조하여 점도(dyne*sec/cm2)를 측정하면, 단위면적당 필요한 힘(shear stress)이 일정한 상 태에서, 속도 변화율(Shear rate)이 20 dyne*sec 에서 점도가 2400(dyne*sec/cm2), 속도 변화율(Shear rate)이 100 dyne*sec 에서 점도가 1500(dyne*sec/cm2)의 값을 나타낸다.
[비교예 1]
열처리하지 않은 흑연분말을 실시예 1의 조성과 동일한 조성의 혼합물을 혼합하여 점도를 측정하면, 단위면적당 필요한 힘(shear stress)이 일정한 상태에서 속도 변화율(Shear rate)이 20 dyne*sec 에서 점도가 3500(dyne*sec/cm2)를 나타내며, 속도 변화율(Shear rate)이 100에서 점도는 1900(dyne*sec/cm2)의 값을 나타낸다.
실험예와 비교예와 같이 플라즈마에 노출시킨 흑연분말을 포함하는 코팅재는 점도가 확연히 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 의해서 이차전지의 전류집전체에 코팅 가공이 용이하며, 점도를 낮추기 위한 별도의 용매가 필요하지 않아 제조단가의 감소와 함께, 코팅 품질의 향상을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재를 제조하기 위한 플라즈마 발생장치의 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10：플라즈마 발생장치 11：진공챔버
12：진공펌프 16：가스공급관

Claims (3)

  1. 활물질로 제공되는 흑연분말과, 전도도 증가를 위한 도전재와, 상기 흑연분말과 상기 도전재를 상기 이차전지의 전류집전체에 결합시키기 위한 결합재와, 상기 결합재를 용해시키기 위한 유기용매;를 포함하여, 상기 전류집전체에 코팅되는 코팅재에 있어서,
    상기 흑연분말은 플라즈마 처리된 것을 특징으로 하는 이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마는 Medium Frequency 혹은 Radio Frequency 플라즈마인 것을 특징으로 하는 이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흑연분말의 플라즈마 처리는 50torr이하의 진공상태에서 이루어지며,
    상기 흑연분말의 플라즈마 처리는 1초 내지 3분 동안 노출되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전류집전체에 코팅되는 코팅재.
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