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KR20180100815A - 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지 - Google Patents

리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지 Download PDF

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KR20180100815A
KR20180100815A KR1020170027083A KR20170027083A KR20180100815A KR 20180100815 A KR20180100815 A KR 20180100815A KR 1020170027083 A KR1020170027083 A KR 1020170027083A KR 20170027083 A KR20170027083 A KR 20170027083A KR 20180100815 A KR20180100815 A KR 20180100815A
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KR
South Korea
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electrode
polymer
transfer film
ceramic
pressure
Prior art date
Application number
KR1020170027083A
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English (en)
Inventor
홍연숙
정재빈
김지우
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Publication date
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Abstract

본 발명은 이차 전지의 고온 안정성을 강화하기 위하여 전극 상에 세라믹 코팅층을 형성함에 있어서 다공성의 전극 및/또는 분리막이 막히는 현상을 해결하기 위한 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지을 제공하는 것으로 내부 발열, 과충전 또는 내부 단락과 같은 위험상황에서 세라믹 코팅층에 의한 다공성 전극 및/또는 분리막이 막히는 현상을 배제할 수 있는 효과가 있다.

Description

리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지{Electrode for lithium secondary battery and Lithium secondary battery comprising the same}
본 발명은 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지의 고온 안정성을 강화하기 위하여 전극 상에 세라믹 코팅층을 형성함에 있어서 다공성의 전극 및/또는 분리막이 막히는 현상을 해결하기 위한 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품 뿐 만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이차 전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이 셀(Bicell) 또는 풀 셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극 조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태의 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다. 이러한 이차 전지는 통상 분리막이 개재된 상태에서 양극판과 음극판이 순차적으로 적층되어 있는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 외장재인 전지 케이스를 포함하여 이루어진다. 이 때, 전극 조립체에는 복수개의 양극판으로부터 연장되어 있는 복수개의 양극 탭과, 복수개의 음극판으로부터 연장되어 있는 복수개의 음극 탭이 형성되어 있으며, 이러한 복수개의 양극 탭 및 복수개의 음극 탭은 각각 양극 리드 및 음극 리드와 초음파 용접기에 의해 용접 결합된다. 여기서, 복수개의 양극 탭과 복수개의 음극 탭이 전극 탭을 구성하고, 양극 리드와 음극 리드가 전극 리드를 구성하게 된다.
리튬 이차전지용 양극 활물질은 층상구조의 LiCoO2이다. LiCoO2는 수명특성 및 충방전 효율이 우수하여 가장 많이 사용되고 있지만, 구조적 안정성이 낮아 전지의 고용량화 기술에 적용되기에는 한계가 있다. 이를 대체하기 위한 양극 활물질로서, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li(NixCoyMnz)O2 등의 다양한 리튬 전이금속 산화물이 개발되었다. 이중, LiNiO2의 경우 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내는 장점이 있으나, 간단한 고상반응으로는 합성이 어렵고, 열적 안정성 및 사이클 특성이 낮은 문제점이 있다. 또, LiMnO2, 또는 LiMn2O4 등의 리튬 망간계 산화물은 열적안전성이 우수하고, 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 용량이 작고, 고온 특성이 낮은 문제점이 있다. 특히, LiMn2O4의 경우 저가격 제품에 일부 상품화가 되어 있으나, Mn3 +로 인한 구조변형(Jahn-Teller distortion) 때문에 수명특성이 좋지 않다. 또한, LiFePO4는 낮은 가격과 안전성이 우수하여 현재 하이브리드 자동차(hybrid electric vehicle, HEV)용으로 많은 연구가 이루어지고 있으나, 낮은 전도도로 인해 다른 분야에 적용은 어려운 실정이다.
이 같은 사정으로 인해, LiCoO2의 대체 양극 활물질로 최근 가장 각광받고 있는 물질은 Li(NixCoyMnz)O2 (이때, 상기 x, y, z는 각각 독립적인 산화물 조성 원소들의 원자분율로서, 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1, 0<x+y+z≤1임)이다. 이 재료는 LiCoO2보다 저가격이며 고용량 및 고전압에 사용될 수 있는 장점이 있으나, 율 특성(rate capability) 및 고온에서의 수명특성이 좋지 않은 단점을 갖고 있다.리튬 이차전지를 전기 자동차 등의 구동원으로 사용하기 위해서는 고에너지, 높은 출력과 더불어 안전성인 장기 수명유지가 요구된다. 높은 출력과 더불어 안정적인 장기 수명유지가 요구된다. 팩, 모듈 단위의 다량의 셀의 충방전 시, 발생되는 발열 또는 과충전, 내부 단락과 같은 환경에서의 안정성을 확보하기 위해 분리막에 세라믹 파우더를 고분자 바인더와 함께 코팅하는 분리막을 사용하고 있으나, 130℃ 이상에서는 열수축율이 높아 여전히 내부단락의 위험이 존재한다.
한국 공개특허공보 제2015-0145046호에서는 리튬 이차 전지용 리튬 전극의 표면 보호막으로, 상기 보호막은 상기 리튬 이차 전지의 전해액 내에서 해리되어 음전하를 띄는 음이온 기능기를 함유한 고분자로 이루어진 이온 교환성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 리튬 전극의 표면 보호막이 개시되어 있다. 다만, 필름 종류, 슬러리 배합비 구성은 개시되지 않았다.
일본 공개특허공보 1996-250110호에서는 금속기판면에 활물질층을 형성해 비수전해액 이차전지용 전극판을 제조하는 방법에 있어서 상기 활물질층을 전사성 활물질층이 형성되어 있는 전사필름에서 금속기판면으로 전사시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 비수전해액 이차전지용 전극판의 제조 방법이 개시되어 있다. 다만, PP 또는 PET 필름상에 세라믹 파우더 슬러리 코팅 후, 100℃ 이상 고온 고압에서 양극에 코팅층 전사시키는 구성은 개시되지 않았다.
한국 공개특허공보 제2005-0041661호에서는 리튬 금속 또는 리튬 합금의 음극 활물질 층; 및 상기 음극 활물질 층에 형성된 보호막을 포함하고, 상기 보호막은 3차원적으로 가교된 고분자 네크워크 매트릭스에 선형의 고분자가 침투되어 있는 구조를 가지는 리튬 금속 전지용 음극를 개시하고 있다. 다만, PP 또는 PET 필름상에 세라믹 파우더 슬러리 코팅 후, 100℃ 이상 고온 고압에서 양극에 코팅층 전사시키는 구성은 개시되지 않았습니다.
일본 등록특허공보 제4873281호에서는 리튬 함유 금속상에 무기 고체 전해질 박막을 형성하는 공정과 상기 전해질 박막을 형성 후, 즉시 전해질 박막 상을 가요성 보호 시트로 덮는 공정을 갖추어, 무기 고체 전해질 박막 형성 공정과 보호 시트의 피복 공정을 연속하는 진공 실내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지 음극의 제조 방법이 개시되어 있다. 다만, PP 또는 PET 필름상에 세라믹 파우더 슬러리 코팅 후, 100℃ 이상 고온 고압에서 양극에 코팅층 전사시키는 구성은 개시되지 않았다.
이와 같이, 세라믹 파우더를 고분자 바인더와 함께 코팅한 분리막을 적용하여 안전성을 확보하고자 하나, 고온에서 분리막의 열수축율이 높아 내부 단락등의 전지 성능에 문제를 일으키는 바, 이에 대한 근본적인 해결을 위하여 필름상에 코팅된 세라믹 층을 전극상을 고압으로 전사시킨 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지 기술은 제시된 바가 없다.
한국 공개특허공보 제2015-0145046호 일본 공개특허공보 1996-250110호 한국 공개특허공보 제2005-0041661호 일본 등록특허공보 제4873281호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 이차 전지의 고온 안정성을 강화하기 위하여 전극 상에 세라믹 코팅층을 형성함에 있어서 다공성의 전극 및/또는 분리막이 막히는 현상을 해결하기 위한 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 고온에서 분리막이 수축되더라도 양극과 음극의 접촉에 의한 내부단락을 방지할 수 있는 안정성이 개선된 이차전지를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 세라믹층이 형성된 고분자 전사 필름을 이용하여 소정 온도 및/또는 압력에서 상기 세라믹 파우더 층을 전사하여 형성된 전극을 제공한다.
또한, 상기 세라믹층은 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 전사 필름은 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 고온 고압 조건은 60 내지 180℃ 의 온도에서, 0.1 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2 의 압력에서 진행될 수 있다.
또한, 상기 전사는 필름 피딩롤에 감겨있던 상기 고분자 전사 필름과 피딩 롤에 감겨있던 전극을 풀어서 합지하는 방식으로 압연하는 공정을 수행한 후 와인딩 롤에 권취하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
또한, 합지되어 투입되는 상기 고분자 전사 필름과 상기 전극에 열 및/또는 압력을 인가하여 상기 고분자 전사 필름의 세라믹층을 전극상에 전사시켜 세라믹층을 형성시키는 압연롤을 포함하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 디바이스 일 수 있다.
또한, 상기 이차전지 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지 디바이스일 수 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소정 혼합비의 세라믹 파우더, 고분자 바인더 및 용매를 이용하여 세라믹 슬러리를 제조하는 제1단계; 상기 세라믹 슬러리를 고분자 전사 필름 상에 코팅하는 제2단계; 상기 세라믹 슬러리가 코팅된 상기 고분자 전사 필름과 전극을 소정 온도 및/또는 압력의 라미네이팅 롤에 삽입하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 형성된 전극을 포함하는 전지 조립 후 전해액을 주입하는 제4단계; 를 포함하는 이차 전지 제조 방법일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 파우더는 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬러리는 상기 세라믹 파우더 10 내지 20 중량부, 고분자 바인더 0.5 내지 5 중량부, 용매 5 내지 15중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소정 온도 및/또는 압력은 60 내지 180 ℃의 온도에서, 0.1 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2 의 압력에서 진행될 수 있다.
또한, 상기 전사는 필름 피딩롤에 감겨있던 상기 고분자 전사 필름과 피딩 롤에 감겨있던 전극을 풀어서 합지하는 방식으로 압연하는 공정을 수행한 후 와인딩 롤에 권취하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
또한, 합지되어 투입되는 상기 고분자 전사 필름과 상기 전극에 열 및/또는 압력을 인가하여 상기 고분자 전사 필름의 세라믹층을 전극상에 전사시켜 세라믹층을 형성시키는 압연롤을 포함하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 전극 및 이를 구비한 이차전지에 의하면, 내부 발열, 과충전 또는 내부 단락과 같은 위험상황에서 세라믹 코팅층에 의한 다공성 전극 및/또는 분리막이 막히는 현상을 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 분리막의 열수축에 따른 내부단락을 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전사를 이용하여 전극상에 세라믹층을 형성함으로써 내부발열등을 배제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹층을 포함하는 전사필름을 이용하여 전극에 세라믹층을전사하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압연롤에 의해 세라믹층을 포함하는 전사필름에 세라믹층이 전사되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전사를 통해 형성된 파우치셀의 안정성 실험결과이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전사를 통해 형성된 전극의 상대용량 실험결과이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전사를 통해 형성된 세라믹층이 형성된 단면 및 양면전극의 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹층을 포함하는 전사필름을 이용하여 전극에 세라믹층을전사하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 세라믹층을 형성하기 위한 전극 압연 장치는 필름 피딩롤, 전극 피딩롤, 가열기, 압연롤, 리와인더, 필름회수롤로 구성될 수 있다. 필름 피딩롤과 전극 피딩롤은 전사필름 및 전극이 주행선을 따라 주행할 수 있도록 안내한다. 전사필름 및 전극은 가열기를 거치면서 가열되고, 가열된 전사필름 및 전극은 압연롤들에 의해 압연된다.
리와인더는 필름 피딩롤과 전극 피딩롤과 연동하여 세라믹층이 압연된 전극을 권취한다.
또한, 필름 회수롤은 세라믹층을 전사한 후의 필름을 권취한다. 상기 가열기는 780 나노미터 내지 3 마이크로미터 범위의 근적외선을 방출하고, 근적외선에 의해 전사필름 및 전극은 섭씨 60 도 내지 섭씨 70 도까지 가열된다. 압연되기 쉬운 상태로 가열된 전사필름 및 전극은 압연 롤들에 의해 상대적으로 작은 압연 하중인 40kN 내지 60kN 범위의 압연 하중으로 압연된다.
세라믹층이 형성된 고분자 전사 필름을 이용하여 소정 온도 및/또는 압력에서 상기 세라믹 파우더 층을 전사하여 형성된 전극을 제공한다.
상기 전사는 전극의 한면 또는 양면에 세라믹층을 형성할 수 있다.
상기 전극은 양극 및/또는 음극 일 수 있다. 바람직하게는 양극 일 수 있다.
또한, 상기 세라믹층은 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 전사 필름은 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 고온 고압 조건은 60 내지 180℃ 의 온도에서, 0.1 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2 의 압력에서 진행될 수 있다. 상기 고온 고압 조건은 바람직하게는 80 내지 120℃ 의 온도에서, 0.2 kgf/cm2 내지 10 kgf/cm2 의 압력에서 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게는 90℃ 의 온도에서, 0.3 kgf/cm2 의 압력에서 수행될 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 필름상에 세라믹 파우더가 양극에 전사율이 낮아진다.
또한, 상기 전사는 필름 피딩롤에 감겨있던 상기 고분자 전사 필름과 피딩 롤에 감겨있던 전극을 풀어서 합지하는 방식으로 압연하는 공정을 수행한 후 와인딩 롤에 권취하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
또한, 합지되어 투입되는 상기 고분자 전사 필름과 상기 전극에 열 및/또는 압력을 인가하여 상기 고분자 전사 필름의 세라믹층을 전극상에 전사시켜 세라믹층을 형성시키는 압연롤을 포함하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 디바이스 일 수 있다.
또한, 상기 이차전지 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지 디바이스일 수 있다. 상기 전자기기는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북일 수 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소정 혼합비의 세라믹 파우더, 고분자 바인더 및 용매를 이용하여 세라믹 슬러리를 제조하는 제1단계; 상기 세라믹 슬러리를 고분자 전사 필름 상에 코팅하는 제2단계; 상기 세라믹 슬러리가 코팅된 상기 고분자 전사 필름과 전극을 소정 온도 및/또는 압력의 라미네이팅 롤에 삽입하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 형성된 전극을 포함하는 전지 조립 후 전해액을 주입하는 제4단계; 를 포함하는 이차 전지 제조 방법일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 파우더는 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬러리는 상기 세라믹 파우더 10 내지 20 중량부, 고분자 바인더 0.5 내지 5 중량부, 용매 5 내지 15중량부를 포함할 수 있다. 상기 슬러리는 바람직하게는 상기 세라믹 파우더 12 내지 18 중량부, 고분자수지 1 내지 3 중량부, 용매 8 내지 12중량부를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 세라믹 파우더 16중량부, 고분자수지 2 중량부, 용매 9중량부를 포함할 수 있다. 상기 혼합비를 벗어나면 고분자 전사 필름상에 코팅이 원활하게 이뤄지지 않는다.
상기 세라믹은 산화알루미늄, 상기 고분자수지는 PVDF, 상기 용매는 아세톤일 수 있다.
또한, 상기 소정 온도 및/또는 압력은 60 내지 180℃ 의 온도에서, 0.1 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2 의 압력에서 진행될 수 있다.
또한, 상기 전사는 필름 피딩롤에 감겨있던 상기 고분자 전사 필름과 피딩 롤에 감겨있던 전극을 풀어서 합지하는 방식으로 압연하는 공정을 수행한 후 와인딩 롤에 권취하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
또한, 합지되어 투입되는 상기 고분자 전사 필름과 상기 전극에 열 및/또는 압력을 인가하여 상기 고분자 전사 필름의 세라믹층을 전극상에 전사시켜 세라믹층을 형성시키는 압연롤을 포함하는 전극 압연장치에서 수행될 수 있다.
(실시예1)
양극에 세라믹 파우더 슬러리가 필름 상에 코팅 한 후 이를 전사한 양극을 사용하여 제작된 파우치 셀을 제작하였다. 통상적인 천연흑연을 사용하여 제조한 음극 및 PE 분리막을 사용하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 세라믹 파우더는 산화알루미늄을 사용하였고 세라믹 슬러리는 산화알루미늄 16중량부, PVDF 2중량부, 아세톤 9중량부로 제조하였다. 상기 세라믹 슬러리를 사용하여 PET 필름 상에 코팅 후, 이를 양극 상에 전사시켜 양극을 제조하였다. 상기 양극, 분리막, 음극을 사용한 전극조립체를 알루미늄 파우치에 밀봉하여 전지셀을 제조 후 전해액을 주액하여 셀 안정성 성능을 평가하고자 하였다.
안정성 평가 조건은 상온 저항 평가로 SOC50에서 3C 펄스를 10초 인가시 전압변화를 확인하였으며, Hot 박스 평가로 4.2V 만충전 상태의 전지셀을 5/min으로 승온 챔버에 150℃까지 상승시킨 후 60분간 유지 보관 후 상태를 확인하였다.
(비교예1)
실시예1의 세라믹 파우더가 적용되지 않은 부분에서 차이가 있으며 일반적인 양극, PE분리막, 음극을 사용하여 조립된 파우치 셀을 제작하였다.
(비교예2)
실시예1의 세라믹 파우더가 적용되지 않은 일반적인 양극, 세라믹 파우더 슬러리가 코팅된 PE분리막, 음극을 사용하여 조립된 파우치 셀을 제작하였다. 상기 세라믹 파우더는 산화알루미늄을 사용하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전사를 통해 형성된 파우치셀의 안정성 실험결과이다.
실험결과 비교예1 및 2의 경우 내부 단락이 발생한 것을 확인할 수 있으며 실험 종료 전압도 비교예1의 경우, 0.21V, 비교예2의 경우, 2.3V로 실시예1의 4.115V와 차이를 나타냈다.
(실시예2)
실시예1과 같은 조건을 세라믹층이 전사된 양극을 제조하며, Li-metal과 코인 반전지를 제작 후, 0.3mA/cm2 정전류로 4.25V까지 도달한 후 전류값이 0.06mA/cm2에 이를 때까지 정전압을 유지시켜 만충전한 후 이를 0.3mA/cm2 정전류로 3V에 이를 때까지의 용량을 기준으로 충전한다. 이어 0.3, 0.6, 1.5, 3mA/cm2 순으로 방전용량을 확인하여 기준 용량 대비 상대 용량을 %로 확인하고자 하였다.
(비교예3)
실시예2의 세라믹 파우더가 적용되지 않은 부분에서 차이가 있으며 일반적인 양극, PE분리막, 음극을 사용하여 조립된 코인 반전지을 제작하였다.
실험결과를 살펴보면, 0.3, 0.6, 1.5, 3mA/cm2 순으로 상대용량이 비교예3이 실시예2에 비하여 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에 서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
100 : 필름 피딩롤
110 : 고분자 전사필름
120 : 세라믹 파우더층
200 : 전극 피딩롤
210 : 전극
211 : 전극판
212 : 전극활물질층
300 : 가열기
400a, 400b : 압연롤
500 : 리와인더
600 : 필름 회수롤

Claims (14)

  1. 세라믹층이 형성된 고분자 전사 필름을 이용하여 소정 온도 및/또는 압력에서 상기 세라믹 파우더 층을 전사하여 형성된 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹층은 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 전사 필름은 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 고압 조건은 60 내지 180℃ 의 온도에서, 0.1 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2 의 압력에서 진행되는 것을 특징으로 하는 전극.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전사는 필름 피딩롤에 감겨있던 상기 고분자 전사 필름과 피딩 롤에 감겨있던 전극을 풀어서 합지하는 방식으로 압연하는 공정을 수행한 후 와인딩 롤에 권취하는 전극 압연장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극.
  6. 청구항 5에 있어서,
    합지되어 투입되는 상기 고분자 전사 필름과 상기 전극에 열 및/또는 압력을 인가하여 상기 고분자 전사 필름의 세라믹층을 전극상에 전사시켜 세라믹층을 형성시키는 압연롤을 포함하는 전극 압연장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른,
    상기 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 디바이스.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 이차전지 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지 디바이스.
  9. 소정 혼합비의 세라믹 파우더, 고분자 바인더 및 용매를 이용하여 세라믹 슬러리를 제조하는 제1단계;
    상기 세라믹 슬러리를 고분자 전사 필름 상에 코팅하는 제2단계;
    상기 세라믹 슬러리가 코팅된 상기 고분자 전사 필름과 전극을 소정 온도 및/또는 압력의 라미네이팅 롤에 삽입하는 제3단계; 및
    상기 제3단계에서 형성된 전극을 포함하는 전지 조립 후 전해액을 주입하는 제4단계;
    를 포함하는 이차 전지 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 세라믹 파우더는 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 슬러리는 상기 세라믹 파우더 10 내지 20 중량부, 고분자 바인더 0.5 내지 5 중량부, 용매 5 내지 15중량부를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 소정 온도 및/또는 압력은 60 내지 180℃ 의 온도에서, 0.1 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2 의 압력에서 진행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 전사는 필름 피딩롤에 감겨있던 상기 고분자 전사 필름과 피딩 롤에 감겨있던 전극을 풀어서 합지하는 방식으로 압연하는 공정을 수행한 후 와인딩 롤에 권취하는 전극 압연장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    합지되어 투입되는 상기 고분자 전사 필름과 상기 전극에 열 및/또는 압력을 인가하여 상기 고분자 전사 필름의 세라믹층을 전극상에 전사시켜 세라믹층을 형성시키는 압연롤을 포함하는 전극 압연장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
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