KR20160036998A - 이차전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차전지 및 제조 방법은 양극 집전체에 도포된 양극 활물질층을 갖는 양극 합제 전극과 음극 집전체에 도포된 음극 활물질층을 갖는 음극 합제 전극 그리고 상기 양극 합제 전극과 상기 음극 합제 전극의 사이에 구성되는 분리막과 전해질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층이 도포되는 상기 양극 집전체의 도포면 또는 상기 음극 활물질층이 도포되는 상기 음극 집전체의 도포면 중 적어도 하나는 거칠기 성형 공정을 통해서 거칠기 성형된다. 본 발명의 이차 전지 및 그 제조 방법에 따르면 이차전지의 합제 전극을 구성하는 집전체에 음각 또는 양각으로 거칠기 성형을 함으로서 집전체 위에 도포되는 활물질층과의 접촉면적을 증가시켜서 전지 용량을 증가시킬 수 있으며, 이와 더불어 집전체와 활물질층과의 접착성을 증가시켜서 활물질층이 집전체에서 탈리되어 발생되는 이차전지의 성능 저하를 방지함으로서 이차전지의 성능을 보다 향상 시킬 수 있다.

Description

이차전지 및 그 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지의 합제 전극을 구성하는 집전체에 거칠기 성형을 하여 그위에 도포되는 활물질층과의 접촉면적을 증가함과 아울러 접착성을 증가시켜서 이차전지의 성능을 보다 향상 시킬 수 있는 새로운 이차전지와 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 전기 자동차 등 전지를 사용하는 전자기구의 급속한 보급에 수반하여 소형 경량이면서도 상대적으로 고용량인 이차전지의 수요가 급속히 증대되고 있다. 이에 따라, 이차전지의 성능과 수명 향상을 위한 연구 개발 노력이 활발하게 진행되고 있으며, 전지의 안전성에 대한 중요도가 높아지고 있다. 이차전지란 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 활물질층을 갖는 음극과 양극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시킨 상태에서 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 전지를 말한다. 일반적으로 이차전지의 전극은 집전체와 활물질층을 포함한다. 활물질층은 집전체의 한 면 또는 양 면에 활물질이 포함된 합제 슬러리를 도포하고 건조시킨 후, 프레스 성형에 의해 형성된다.

그런데 집전체와 활물질과의 계면접착성 및 활물질 간의 낮은 밀착성으로 코팅된 전극을 제품 폭에 맞게 재단 공정할 경우, 집전체에 프레싱되어 붙어있는 전극 활물질이 집전체로부터 박리, 탈락하고, 이로 인해 공칭 전압의 저하나 전지용량의 불규칙성을 일으키게 된다. 전지가 충ㅇ방전 사이클을 반복함에 따라 전극의 수축, 팽창에 의한 전극 활물질의 박리, 탈락을 유발시킬 수도 있다. 이러한 박리, 탈락의 결과 충ㅇ방전을 거듭할수록 집전체로부터 전극 활물질의 탈락이 가속화되고, 그로 인해 전지의 용량 저하를 초래하게 된다.

이를 해결하기 위해서 집전체와 전극 활물질과의 계면접착성 및 전극 활물질 간의 밀착성을 높이기 위하여 활물질층 제조 시 바인더를 첨가한다. 바인더는 활물질을 서로 잘 부착시키고, 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 또한 바인더를 함유하면 충방전에 의한 체적 팽창에 추종한 집전체로부터의 박리나 활물질의 분리의 발생을 억제할 수 있다. 하지만, 바인더로 주로 쓰이는 폴리불화비닐리덴은 결정화도가 크기 때문에 활물질 총 중량에 대하여 6 중량% 이상 첨가하여야 제단이나 펀칭과 같은 공정시 활물질의 탈리 등이 발생하지 않는다. 이러한 활물질 총 중량당 바인더 비율은 활물질 비율의 감소를 가져오며, 전체 전지의 용량을 저하시키는 원인이 된다. 더욱이 과충전과 같은 고전압화나 이로 인한 온도상승의 결과 폴리불화비닐리덴의 분해로 불화수소의 발생을 야기하며, 이러한 불화수소의 발생은 집전체 표면에서의 활물질이나 미량의 석출 금속 리튬과 부반응을 일으킬 우려가 있다.

이에 특허공개번호 제2003-0061239호 "리튬 이차전지용 음극조성물 및 이를 포함하는 리튬 이차전지"에서는 스티렌-부타디엔계 결착제 및 아크릴계 고분자 증점분산제를 사용하여 음극 내 결착제의 함량을 줄임으로써 전지의 성능, 및 용량을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지용 음극 조성물을 제공하고 있다. 하지만 활물질은 미세 분말의 형태로 집전체에 도포되어 활물질층을 형성하고 그 상태에서 전해액과 상호 작용을 하기 때문에, 미세 입자들이 형성하는 미세 기공이나 미세 입자들 사이의 상호작용 등이 전지의 성능에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 목적은 이차전지의 합제 전극을 구성하는 집전체에 거칠기 성형을 하여 그위에 도포되는 활물질층과의 접촉면적을 증가하여 전지 용량을 증가하며 이와 더불어 집전체와 활물질층과의 접착성을 증가시켜서 이차전지의 성능을 보다 향상 시킬 수 있는 새로운 이차전지와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 이차 전지는: 양극 집전체에 도포된 양극 활물질층을 갖는 양극 합제 전극과 음극 집전체에 도포된 음극 활물질층을 갖는 음극 합제 전극 그리고 상기 양극 합제 전극과 상기 음극 합제 전극의 사이에 구성되는 분리막과 전해질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층이 도포되는 상기 양극 집전체의 도포면 또는 상기 음극 활물질층이 도포되는 상기 음극 집전체의 도포면 중 적어도 하나는 거칠기 성형 공정을 통해서 거칠기 성형된다.

일 실시예에 있어서, 상기 거칠기 성형 공정은 상기 양극 집전체 또는 상기 음극 집전체의 도포면에 음각 또는 양각으로 성형하여, 상기 양극 활물질층 또는 상기 음극 활물질층과의 접촉면적을 증가함과 아울러 접착성을 증가시키다.

본 발명의 다른 일면에 따른 이차 전지의 제조 방법은: 활물질에 바인더와 도전재를 혼합하여 합제 슬러리를 제조하는 단계; 집전체의 도포면을 거칠기 성형하는 단계; 상기 슬러리 형태로 믹싱된 합제 슬러리를 상기 집전체에 도포하여 합제 전극을 제조하는 단계; 및 상기 합제 전극을 압연을 통하여 일정한 두께로 가공하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 거칠기 성형하는 단계는 상기 집전체의 도포면에 음각 또는 양각으로 성형하여 상기 활물질층과의 접촉면적을 증가함과 아울러 접착력을 증가시킨다.

본 발명의 이차 전지 및 그 제조 방법에 따르면 이차전지의 합제 전극을 구성하는 집전체에 음각 또는 양각으로 거칠기 성형을 함으로서 집전체 위에 도포되는 활물질층과의 접촉면적을 증가시켜서 전지 용량을 증가시킬 수 있으며, 이와 더불어 집전체와 활물질층과의 접착성을 증가시켜서 활물질층이 집전체에서 탈리되어 발생되는 이차전지의 성능 저하를 방지함으로서 이차전지의 성능을 보다 향상 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 계층 구조를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 집전체를 거칠기 성형하기 위한 거칠기 성형기의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 거칠기 성형 공정 후 집전체 위에 활물질층이 도포된 것을 보여주는 부분 단면도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 계층 구조를 보여주는 개략적인 단면도이다.

도 1을 참고하여, 본 발명의 이차전지(10)는 양극 합제 전극(11), 음극 합제 전극(12), 분리막(13)과 전해질층(14)이 케이스(15)에 수용되어 구성된다. 케이스(15)의 구조는 다양한 구조를 가질 수 있는데 예를 들어, 원통형, 각형, 파우치형 등이 있을 수 있다. 양극 합제 전극(11)은 양극 집전체(11a)와 그의 일면에 양극 활물질층(11b)이 구성된다. 음극 합제 전극(12)은 음극 집전체(12a)와 그의 일면에 음극 활물질층(12b)이 구성된다. 본 발명의 이차전지(10)는 양극 활물질층(11b)이 도포되는 양극 집전체(11a)의 도포면 또는 음극 활물질층(12b)이 도포되는 음극 집전체(12a)의 도포면 중 적어도 하나는 거칠기 성형 공정을 통해서 거칠기 성형된 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 먼저, 단계 S10에서 활물질층을 구성하기 위하여 각기 극성에 따른 활물질에 필요한 바인더와 도전재를 혼합하여 합제 슬러리를 제조한다. 단계 12에서 집전체의 도포면을 거칠기 성형한다. 거칠기기 성형은 후술하는 바와 같이 거칠기 성형기를 이용하여 수행된다. 이어 단계 S14에서 슬러리 형태로 믹싱된 합제 슬러리를 집전체에 도포한다. 그리고 단계 S16에서는 집전체에 합제 슬러리가 도포된 합제 전극을 압연을 통하여 일정한 두께를 갖도록 가공한다. 이와 같은 공정을 통하여 양극 또는 음극용 합제 전극이 제조된다. 이후 합제 전극은 이차전지의 형태에 따라 적합한 형태로 제단되고 분리막과 전해액을 포함하여 케이스에 수용되어 조립되어 이차전지로 완성된다.

도 3은 집전체를 거칠기 성형하기 위한 거칠기 성형기의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하여, 거칠기 성형기(20)는 외주면에 음각 또는 양각으로 거칠기 성형을 할 수 있는 돌기(23) 또는 홈(25)이 형성된 성형 롤러(22)와지지 롤러(24)가 구비된다. 성형 롤러(22)와 지지 롤러(24)의 사이로 시트 형상의 집전체(30)가 진행하면서 음각 또는 양각으로 거칠기 성형이 이루어진다. 성형 롤러(22)와지지 롤러(24)의 전반적인 동작은 성형기 구동 수단(26)에 의해 제어된다. 이와 같은 거칠기 성형 방식은 롤러를 이용한 가압 성형 방식을 사용한 예를 예시하였으나 평판형 구조의 가압 성형 방식도 사용이 가능하다. 또한 집전체(30)의 일면을 성형하는 예를 예시하고 있으나 양면을 동시 성형하는 것도 가능하다.

도 4 및 도 5는 거칠기 성형 공정 후 집전체 위에 활물질층이 도포된 것을 보여주는 부분 단면도이다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 거칠기 성형기(20)의 성형 롤러(22) 통해서 집전체(30)가 음각으로 거칠기 성형이 이루어지고 나면 집전체(30)의 도포면에는 음각의 성형 홈(32)이 형성된다. 그럼으로 집전체(30)의 도포면의 면적은 증가하게 되어 전지 용량을 증가할 수 있게 된다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 후속되는 공정에서 활물질층(34)이 집전체(30)에 도포된다. 이때, 집전체(30)에 음각으로 형성된 성형 홈(32)에도 활물질층(34)이 매입되면서 접착력이 증가된다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 거칠기 성형기(20)의 성형 롤러(22) 통해서 집전체(30)가 양각으로 거칠기 성형이 이루어지고 나면 집전체(30)의 도포면에는 양각의 성형 돌기(35)이 형성된다. 그럼으로 집전체(30)의 도포면의 면적은 증가하게 되어 전지 용량을 증가할 수 있게 된다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 후속되는 공정에서 활물질층(34)이 집전체(30)에 도포된다. 이때, 집전체(30)에 양각으로 형성된 성형 돌기(32)를 활물질층(34)이 감싸는 구조가 되면서 접착력이 증가된다.

이상에서 설명된 본 발명의 이차전지 및 그 제조 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 이차전지 11: 양극 합제 전극
11a: 양극 집전체 11b: 양극 활물질층
12: 음극 합제 전극 12a: 음극 집전체
12b: 음극 활물질층 13: 분리막
14: 전해질층 15: 케이스
20: 거칠기 성형기 22: 성형 롤러
23: 돌기 24: 지지 롤러
25: 홈 26: 성형기 구동 수단
30: 집전체 32: 성형 홈
34: 활물질층 35: 성형 돌기

Claims (4)

1. 양극 집전체에 도포된 양극 활물질층을 갖는 양극 합제 전극과 음극 집전체에 도포된 음극 활물질층을 갖는 음극 합제 전극 그리고 상기 양극 합제 전극과 상기 음극 합제 전극의 사이에 구성되는 분리막과 전해질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층이 도포되는 상기 양극 집전체의 도포면 또는 상기 음극 활물질층이 도포되는 상기 음극 집전체의 도포면 중 적어도 하나는 거칠기 성형 공정을 통해서 거칠기 성형된 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 거칠기 성형 공정은
   상기 양극 집전체 또는 상기 음극 집전체의 도포면에 음각 또는 양각으로 성형하여,
   상기 양극 활물질층 또는 상기 음극 활물질층과의 접촉면적을 증가함과 아울러 접착성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 이차전지의 제조 방법에 있어서,
   활물질에 바인더와 도전재를 혼합하여 합제 슬러리를 제조하는 단계;
   집전체의 도포면을 거칠기 성형하는 단계;
   상기 슬러리 형태로 믹싱된 합제 슬러리를 상기 집전체에 도포하여 합제 전극을 제조하는 단계;
   상기 합제 전극을 압연을 통하여 일정한 두께로 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 거칠기 성형하는 단계는
   상기 집전체의 도포면에 음각 또는 양각으로 성형하여 상기 활물질층과의 접촉면적을 증가함과 아울러 접착력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.

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