KR20190143710A - 집전체, 이를 포함하는 전극 및 리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집전체, 이를 포함하는 리튬 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체에서 분리막과 마주보는 상면과 반대편인 하면에 시드 금속을 증착시켜 상기 하면이 하면에 비해 낮은 환원 전위를 갖게 함으로써, 리튬 이온이 상기 3차원 구조 집전체의 하면으로 이동하게 하여 리튬 덴드라이트의 성장을 방지할 수 있다.

Description

집전체, 이를 포함하는 전극 및 리튬 이차전지 {Curent Collector, Electrode and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 집전체, 이를 포함하는 전극 및 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MII, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체가 적층 또는 권취된 구조로 전지케이스에 내장되며, 그 내부에 비수 전해액이 주입됨으로써 구성된다.
이때 상기 음극으로서 리튬 전극을 사용하는 경우, 일반적으로 평면상의 집전체 상에 리튬 호일을 부착시킴으로써 형성된 리튬 전극을 사용하여 왔다. 그러나, 리튬 이차전지의 고용량 및 장기 수명화가 요구됨에 따라, 리튬 이차전지의 용량을 향상시킬 수 있고, 충방전 사이클 반복시 용량 저하 현상을 억제할 수 있도록 3차원 구조의 집전체가 개발된 바 있다.
한국공개특허 제2002-0088417호는 다공성의 3차원 구조 집전체를 이용한 리튬전극에 관한 것으로, 상기 다공성의 3차원 구조 집전체의 기공 내에 리튬 또는 리튬 합금을 균일하게 분포시킴으로써, 이를 이용한 리튬 전지의 성능을 향상시킬 수 있음이 기재되어 있다.
그러나, 이와 같은 종래 3차원 구조 집전체는 리튬이 집전체 표면에서 환원되어 표면의 기공이 막히고, 이에 따라 3차원 구조 집전체의 내부를 사용하지 못하게 되어, 3차원 구조의 장점을 활용할 수 없다는 문제점이 있었다.
따라서, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체를 리튬 이차전지에 적용할 경우, 상기 3차원 구조 집전체 표면에 분포하는 기공이 막혀 리튬 덴드라이트가 성장하는 문제점을 해결할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2002-0088417호 (2002.11.27)
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체의 하면(bottom)에 시드 금속을 증착시켜 상기 3차원 구조 집전체의 상면(top)에 비해 하면이 낮은 환원 전위를 나타내도록 3차원 구조 집전체를 제조하였다. 이와 같은 3차원 구조 집전체는 상면과 하면의 환원 전위차로 인하여 리튬 이온이 상기 3차원 구조 집전체의 하면으로 움직이게 되어 리튬 덴드라이트의 성장이 방지됨을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 리튬 덴드라이트의 성장이 방지될 수 있는 집전체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 집전체를 포함하는 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 집전체를 포함하는 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 3차원 구조를 가지며, 일면에 금속이 형성된 집전체를 제공한다.
상기 금속은 금속 입자일 수 있다.
상기 금속은 Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, Si, Ca 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 금속은 상기 집전체의 일면에 증착된 것일 수 있다.
상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면 및 상기 상면의 반대편에 위치한 하면을 포함하되, 상기 금속은 상기 하면에 형성된 것일 수 있다.
상기 집전체는 Al, Cu, Zn, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 집전체의 기공도는 50 내지 90% 일 수 있다.
상기 집전체의 두께는 20 내지 200 μm 일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 집전체를 포함하는 전극을 제공한다.
본 발명은 또한, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 상기 집전체를 포함하되, 상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 금속이 형성된 것인, 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 기공이 형성된 3차원 구조 집전체에서, 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 증착된 시드 금속으로 인해, 상기 하면은 상면에 비해 낮은 환원 전위를 가지게 된다. 이에 따라 형성되는 상기 3차원 구조 집전체의 상면과 하면의 전위차로 인하여, 리튬 이온이 집전체의 하면으로 이동하게 되어 리튬 덴드라이트의 성장을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 구조 집전체에서 리튬 덴드라이트의 성장이 방지됨에 따라, 상기 3차원 구조 집전체를 리튬 이차전지에 적용시 사이클 수명과 같은 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 집전체의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지 내부의 일부 구조를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 명세서에서 사용된 3차원 구조 집전체의 상면(top)은 상기 3차원 구조 집전체의 일면으로서, 분리막과 마주보는 면을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 3차원 구조 집전체의 하면(bottom)은 상기 3차원 구조 집전체의 다른 일면으로서, 분리막과 마주보는 면, 즉, 상면의 반대면을 의미한다.
집전체
본 발명은 3차원 구조를 가지며, 일면에 금속이 형성된 집전체에 관한 것이다. 상기 3차원 구조는 기공에 의해 형성된 것일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 집전체의 모식도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 3차원 구조 집전체(10)는 양면, 즉, 상면(11)과 하면(12)을 포함하며, 하면(12)에 금속(13)이 형성될 수 있다. 이때, 상면(11)과 하면(12)은 앞서 정의한 바와 같이, 집전체(10)를 전지에 적용시 분리막과 마주보는지 여부에 따라 구분한 것이다.
금속(13)이 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)에만 형성되고, Li 이 환원되어 핵성장 시 집전체보다 금속(13)에서 생성될 때 필요한 에너지가 적음으로써, 금속(13)에서 Li이 먼저 환원되게 된다. 이때 하면에 생성된 Li과 상면과의 전위차가 발생되며, 상면(11)과 하면(12)의 전위차에 의해 리튬 이온은 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)으로 보다 이동하게 되므로, 금속(13)은 리튬 이온의 이동 및 성장을 유도하는 시드 금속이라고 할 수 있다. 예를 들어, 상기 전위차는 하면에 생성된 Li를 기준으로 할 때 3V 내지 3.5V 일 수 있다.
금속(13)은 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)에 증착된 금속 입자의 형태일 수 있다.
금속(13)은 전극 집전체에 비해 전극 활물질과의 과전압이 작은 금속; 또는 전극 활물질과 다층상(multiphase)을 갖는 금속;일 수 있다.
예컨대, 전극 활물질이 리튬 금속일 경우, 리튬 금속 형성시 Cu(집전체)에 비해 과전압이 작은 금속은 리튬 금속과 반응시 계면 에너지가 낮은 금속 또는 금속 표면에서의 Li 이온의 확산 에너지 장벽의 크기가 Li과 동등 또는 그 이하인 금속으로서, Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, In, Co, Ni, Mn 및 Si으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 리튬 금속과 다층상(multiphase)를 갖는 금속은 리튬 금속과 반응할 수 있는 사이트(site)가 복수 개인 금속으로서 Ca일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 금속(13)은 Au일 수 있다.
금속(23)은, 금속(23)이 형성된 음극(20)의 전체 중량을 기준으로 적정 중량이 포함될 수 있다. 금속(23)의 함량이 과도하게 적으면 음극(20)의 전위차를 유도할 수 없어 리튬 이온 이동에 의한 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과가 미미하고, 금속(23)의 함량이 과도하게 많으면 금속(23)에 의해 음극(20)의 기공이 막혀버려 음극(20)의 한쪽 면을 사용하기가 어려우므로 기공이 형성된 음극의 3차원 구조의 장점을 활용할 수 없을 수 있다.
본 발명에 있어서, 집전체(10)의 기공도는 50 내지 90%, 바람직하게는 60 내지 80%, 보다 바람직하게는 65 내지 75% 일 수 있다. 상기 기공도가 상기 범위 미만이면 집전체(10)를 적용한 리튬 이차전지에서 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과가 미미하고, 상기 범위 초과이면 집전체(10)의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 집전체(10)의 두께는 20 내지 200 ㎛, 바람직하게는 50 내지 150 ㎛, 보다 바람직하게는 80 내지 120 ㎛ 일 수 있다. 집전체(10)의 두께가 상기 범위 미만이면 집전체(10)의 내구성이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 전지가 두꺼워질 수 있다.
본 발명에 있어서, 집전체(10)는 전기 전도성 금속으로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 전기 전도성 금속은 Al, Cu, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 금속의 산화환원 전위에 따라 양극 집전체 또는 음극 집전체로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 집전체(10)는 Cu로 이루어진 것일 수 있다.
집전체의 제조방법
본 발명은 또한, 3차원 구조 집전체의 일면에 금속을 형성하는 단계를 포함하는 집전체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 금속은 증착에 의해 상기 집전체의 일면에 형성될 수 있으며, 구체적으로는 열 증착(thermal evaporation)법, 이-빔 증착(e-beam evaporation)법, 화학기상증착(CVD)법 및 물리기상증착(PVD)법으로 이루어진 군에서 선택되는 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
전극
본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 집전체를 포함하는 전극에 관한 것이다.
상기 집전체는 바인더와 함께 포함되어 있는 금속의 산화환원전위에 따라 양극 집전체 또는 음극 집전체로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전체가 Al 금속을 포함한다면 양극 집전체로 사용될 수 있고, 상기 집전체가 Cu 금속을 포함한다면 음극 집전체로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 집전체가 리튬 이차전지의 음극에 사용될 경우, 상기 음극은 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 리튬 금속을 포함하는 리튬 전극일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 집전체가 리튬 이차전지의 양극에 사용될 경우, 상기 양극은 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 양극은, 양극 집전체와 그의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층으로 구성될 수 있다. 상기 양극 활물질층에 포함된 양극 활물질은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi1 -x-y- zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리일 수 있다.
리튬 이차전지
본 발명은 또한, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 상기 음극은 전술한 바와 같은 집전체를 포함하되, 상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면과 반대편에 위치한 하면에 금속이 형성된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지 내부의 일부 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 양극(20)과 음극(30) 사이에 분리막(40)이 개재된 구조를 가지는 리튬 이차전지(100)에서, 음극(30)에는 전술한 바와 같이 일면에 금속(13)이 형성된 3차원 구조 집전체(10)가 포함될 수 있다.
3차원 구조 집전체(10)는 분리막(40)과 마주는 상면(11) 및 하면(12)을 포함하며, 상면(11) 및 하면(12) 중 하면(12)에 금속(13)이 형성된 것일 수 있다.
이와 같은 구조적인 특징으로 인하여, 리튬 이온이 3차원 구조 집전체(10)의 하면(12)에 형성된 금속(13)으로 이동하여 성장하므로, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 있어서, 상기 양극 및 음극은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 분리막은 다공성 기재로 이루어질 수 있으며, 상기 다공성 기재는, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈 (polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌 옥사이드 (polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌 나프탈렌 (polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 3 ㎛ 내지 50 ㎛이다, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 내지 30 ㎛ 일 수 있다. 상기 다공성 기재에 존재하는 기공의 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.001㎛ 내지 50㎛ 및 10% 내지 95%일 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들 것 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염은 LiFSI, LiPF6, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬 및 4-페닐 붕산 리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 슬러리인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리가 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.
또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, α-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.
그리고, 상기 전지케이스의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 적층형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1: 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조
(1) 일면에 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 제조
3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 일면에 Au 금속을 열 증착시켰다.
(2) 전극 제조
음극은, 상기 3차원 구조 집전체의 일면에 5 ㎛의 리튬 금속층을 증착시켜 리튬 금속 음극을 제조하였다.
양극은, 양극 활물질로서 LiCoO2 96 중량%, Denka black(도전재) 2 중량% 및 PVdF(Polyvinylidene fluoride, 결합재) 2 중량%를 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 집전체의 일면에 상기 제조된 양극 슬러리를 65㎛의 두께로 코팅하고, 이를 건조 및 압연한 후 일정크기로 펀칭하여 양극을 제조하였다.
(3)코인형 반쪽 전지 제조
전술한 바와 같이 제조된 음극 및 양극 사이에 폴리올레핀 세퍼레이터를 개재시킨 후, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(DEC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
이때, 상기 음극의 3차원 구조 집전체에서 Au 금속이 증착된 면을 하면이라고 하고, 상기 하면의 반대편을 상면이라고 했을 때, 상기 상면과 분리막이 마주보도록 배치하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.
실시예 2: 하면에 Ag 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, Au 금속 대신 Ag 금속을 사용하여 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지를 제조하였다.
실시예 3: 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 구조 집전체의 하면에 형성되는 Au 금속의 양을 감소시켜, 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지를 제조하였다.
실시예 4: 하면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 구조 집전체의 하면에 형성되는 Au 금속의 양을 증가시켜, 3차원 구조 집전체 및 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 1: 2차원 구조 Cu 집전체 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 대신 2차원 구조 Cu 집전체로서, Cu 포일을 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 2: Au 금속이 형성된 2차원 구조 Cu 집전체 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 3차원 구조 집전체 대신 2차원 구조 Cu 집전체에 Ag 금속을 형성한 후 이를 이용하여 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 3: Au금속이 형성되지 않은 3차원 구조 집전체 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체에 금속을 형성하지 않은 채 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 4: 양면에 Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 양면, 즉, 상면과 하면 모두에 Au 금속을 형성하여 반쪽 전지를 제조하였다.
비교예 5: Au 금속이 형성된 3차원 구조 집전체 및 이를 이용한 반쪽 전지 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, 3차원 폼(foam) 형태의 Cu 집전체의 상면에 Au 금속을 형성하여 반쪽 전지를 제조하였다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 집전체
11: 상면(top) 12: 하면(bottom)
13: 금속
20: 양극 30: 음극
31: 음극 활물질층
40: 분리막
100: 리튬 이차전지

Claims (10)

  1. 3차원 구조를 가지며, 일면에 금속이 형성된, 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 금속 입자인, 집전체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Zn, Mg, Ag, Al, Pt, Si, Ca 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 집전체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 상기 집전체의 일면에 증착된 것인, 집전체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면 및 상기 상면의 반대편에 위치한 하면을 포함하되,
    상기 금속은 상기 하면에 형성된 것인, 집전체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는 Al, Cu, Zn, Au, Ag, In, Mg, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 집전체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 집전체의 기공도는 50 내지 90% 인, 집전체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집전체의 두께는 20 내지 200 μm 인, 집전체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 집전체를 포함하는 전극.
  10. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 음극은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 집전체를 포함하되,
    상기 집전체는 분리막과 마주보는 상면의 반대편에 위치한 하면에 금속이 형성된 것인, 리튬 이차전지.
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