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WO2014196843A1 - 전극, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 전지 - Google Patents

전극, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 전지 Download PDF

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WO2014196843A1
WO2014196843A1 PCT/KR2014/005051 KR2014005051W WO2014196843A1 WO 2014196843 A1 WO2014196843 A1 WO 2014196843A1 KR 2014005051 W KR2014005051 W KR 2014005051W WO 2014196843 A1 WO2014196843 A1 WO 2014196843A1
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conductive
nonwoven
current collector
electrode
active material
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PCT/KR2014/005051
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French (fr)
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김창현
최민규
신이현
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Jenax Inc
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Jenax Inc
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to battery technology, and more particularly, to a nonwoven current collector, a method for manufacturing a battery using the same, and a manufacturing system thereof.
  • lithium ion batteries as a power source of portable electronic devices such as mobile communication terminals and laptop computers have been extensively performed.
  • the demand for energy-saving technology is rapidly increasing in order to cope with environmental problems such as energy depletion and greenhouse effect, and as a result, it is a medium to large size that can be applied not only to the portable electronic device-related industry but also to electric vehicles, hybrid cars or power grids.
  • batteries for such applications nickel-metal hydride (Ni-MH) batteries and lithium secondary batteries are mainly studied. Since the dual lithium secondary battery uses lithium, which is the lightest metal among the metals known in nature, and has the lowest standard reduction potential, the lithium secondary battery not only has a high energy density but also can manufacture a battery of high voltage and high output.
  • the current collector should improve internal resistance and irreversibility to improve battery performance.
  • the current collector must be able to obtain a high yield in order to have a manufacturing economy.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a current collector having not only high energy density but also excellent charge / discharge efficiency, charge / discharge rate and cycle characteristics, and achieve high yield and manufacturing economy.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a battery that is reproducible and reliable by using a nonwoven current collector having the aforementioned advantages.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a battery manufacturing system having the above-described advantages.
  • An electrode according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes a conductive nonwoven sheet including a network of conductive fibers and including pores communicating therefrom from the major surface. On the main surface of the conductive nonwoven sheet is provided a nonwoven current collector having conductive patterns partially blocking the pores.
  • the conductive patterns may be disposed in the stress concentration portion of the electrode packaging structure.
  • the conductive patterns may be parallel to a transfer direction of the nonwoven current collector for forming the electrode.
  • the conductive patterns may include line patterns spaced at regular intervals.
  • the line patterns cross the major surface of the conductive nonwoven sheet to be parallel to the winding, folding or bending axis of the electrode packaging structure.
  • the conductive patterns may extend onto an edge of the conductive nonwoven sheet.
  • a method of manufacturing an electrode which includes preparing a nonwoven current collector and a slurry including a precursor of an electrical active material or a dispersion solvent thereof. Impregnating the electrically active material inside the nonwoven current collector by passing through the bath. Thereafter, the nonwoven current collector may be dried out of the tank, and the nonwoven current collector impregnated with the electrical active material may be pressurized.
  • Impregnation of the electrical active material may be performed by passing the nonwoven current collector through the gap of the processing roller having a gap disposed inside the bath.
  • the surface of the treatment roller may have a surface pattern that includes irregularities.
  • excess electrical active material on the surface of the nonwoven current collector that comes out of the bath may be swept.
  • the step of adjusting the impregnation amount of the electrical active material by pressing the surface of the non-woven fabric collector coming out of the tank may be further performed.
  • coupling the battery tab or lead onto at least some of the conductive patterns of the nonwoven current collector may be further performed.
  • the conductive patterns are disposed in the stress concentration portion of the electrode packaging structure.
  • the conductive patterns may be parallel to a transfer direction of the nonwoven current collector for forming the electrode.
  • the conductive patterns may include line patterns spaced at regular intervals.
  • the battery according to an embodiment of the present invention for solving the another problem may be a secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, and a separator between the negative electrode and the positive electrode. At least one of the negative electrode and the positive electrode may include an electrode including the aforementioned nonwoven current collector. In some embodiments, the conductive patterns may be disposed in the stress concentration portion of the electrode.
  • the battery based on the excellent electrical properties and the flexibility and texture of the fiber by using a conductive nonwoven sheet having a network of conductive fibers, the battery with the effect of reducing the internal resistance between the current collector and the electrical active material and increase the interface
  • the battery with improved charge and discharge speed, charge and discharge efficiency, and cycle characteristics.
  • mechanical tensile strength is improved to prevent an increase in internal resistance due to deformation of the nonwoven current collector that may occur during battery packaging such as a jelly roll or a continuous process using an unwinding device. It improves the yield by improving the failure by the yield, and facilitates the battery tab or lead forming process.
  • FIG. 1A is a perspective view illustrating a nonwoven current collector according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a partial view of a nonwoven current collector according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 1C is another embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows the nonwoven fabric collector according.
  • FIGS. 2A and 2B are perspective views illustrating nonwoven current collectors according to other embodiments of the present invention.
  • 3A and 3B are perspective views sequentially illustrating a method of manufacturing an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a manufacturing system of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of an electrode including a nonwoven current collector according to another embodiment of the present invention.
  • 6A-6D are perspective views each illustrating tension reinforcement layers according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 7 illustrates a manufacturing system of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A to 8D are perspective views illustrating an electrode assembly of a battery using a nonwoven current collector according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view illustrating a battery including an electrode using a nonwoven current collector according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1A is a perspective view illustrating a nonwoven current collector 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a partial view of a nonwoven current collector 100 ′ according to another embodiment of the present invention
  • the nonwoven current collector 100 includes a conductive nonwoven sheet 10.
  • the conductive nonwoven sheet 10 may include conductive fibers 10W as shown in the partial enlarged view M.
  • the conductive fibers 10W function as a transfer path of electrons, so that the conductive nonwoven sheet 10 can be used as a current collector made of a three-dimensional conductive network unlike a conventional two-dimensional metal current collector foil. Since the conductive nonwoven fabric sheet 10 itself functions as a current collector, a conventional metal current collector foil can be replaced.
  • the conductive fibers 10W have a nonwoven structure randomly entangled with each other. As shown in the partial enlarged view M, the plurality of conductive fibers 10W have a generally curved irregular shape and are electrically connected through physical contact with each other to form a single conductive network that is energized over the entire volume. do. Since the conductive network is formed by bending or bending the conductive fibers 10W to be tangled with each other and contacting or bonding with each other, the conductive network can move while having pores therein, and thus adaptability to volume changes during charging and discharging of the electrical active material to be charged therein. Because of this large and fibrous property, the nonwoven current collector 100 may have flexibility. In addition, the electrolyte may easily invade through the pores, and transfer mobility of positive ions such as lithium ions for battery chemical reaction may be improved, thereby improving charging and discharging efficiency.
  • the plurality of conductive fibers 10W may be metal filaments, carbon fibers, conductive polymer fibers, polymer fibers coated with a metal layer or conductive polymer layer (eg, metal coated polyolefin fibers), or hollow Metal fibers (e.g., fibers made of a carbon fiber or a polymer fiber and coated with a metal layer on the sacrificial core and then removed by oxidizing or burning the sacrificial core to leave the metal layer), preferably Preferably, they are metal filaments.
  • a metal layer or a conductive polymer layer may be further formed on the plurality of conductive fibers 10W to reduce the contact resistance and improve the bonding strength between the conductive fibers 10W.
  • a conductive polymer layer or metal layer may be further coated on conductive fibers of carbon fibers or metal filaments.
  • a suitable reaction interface layer or buffer layer may be formed between the metal layer or the conductive polymer layer and the surfaces of the plurality of conductive fibers 10W to improve the bonding force therebetween.
  • the metal filaments may be copper, titanium, stainless steel, nickel, platinum, gold, silver, ruthenium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, zinc, beryllium, molybdenum or alloys thereof, It may be a fiber body including the above-described electrical active material, or a solid solution thereof.
  • aluminum filament may be used for the positive electrode and copper or nickel filament may be used for the negative electrode.
  • these materials may have a laminated structure in which the aforementioned metals are listed sequentially, and may include layers or interlayer compounds that have been partially oxidized by heat treatment.
  • the metal filaments may be formed of different kinds of metals, so that the conductive nonwoven sheet 10 may be provided by heterogeneous metal filaments.
  • the metal filaments may have a thickness in the range of 1 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the thickness of the metal filaments is less than 1 ⁇ m, it is difficult to form filaments having uniform physical properties, for example, uniform resistance, and coating of an electrical active material is also difficult.
  • the thickness of the metal filaments exceeds 200 ⁇ m, the surface area per volume of the metal filaments is reduced, making it difficult to obtain an improvement in battery performance due to the increase of the surface area, and the energy density is also reduced, and impregnated into the nonwoven current collector 100.
  • the binding effect of the prepared electrical active material is lowered, and the cycle characteristics of the battery may be deteriorated because the electrical active material is dropped from the conductive filament during repeated charging and discharging.
  • the metal filament may have a thickness of 2 ⁇ m to 20 ⁇ m. This translates to a 4 ⁇ 10 5 (1 / m) to 2 ⁇ 10 6 (1 / m) ratio of surface area / volume per unit length (eg 4 / diameter if it has a circular cross section).
  • conventional current collectors using metal foils have a thickness of approximately 20 ⁇ m.
  • Metal filaments having a thickness of 2 ⁇ m to 20 ⁇ m compared to conventional current collectors using 20 ⁇ m thick foils have an increased surface area of about 4 to 40 times.
  • the surface area of the current collector means the surface area of the conductive network per electrode volume of the metal filaments 10W forming the reaction interface with the electrical active material and the electrolyte solution, respectively, thereby maximizing the energy, thereby obtaining a battery with significantly improved energy density.
  • the average length of the metal filaments may have a length in the range of 5 mm to 1000 mm, in which case the average aspect ratio of the metal filaments is in the range of 25 to 10 6 .
  • the metal filaments may be segmented to have a length of about 5 cm to 8 cm to form a nonwoven structure.
  • any one or more of the length and thickness of the metal filaments constituting the conductive network may be different.
  • a nonwoven fabric current collector can be formed by mixing a long filament and a short filament.
  • the length ratio of the short filament to the long filament may be in the range of 1% to 50%.
  • Long filaments determine the overall conductivity and mechanical strength of the nonwoven current collector, and short filaments can determine the internal resistance of the cell by improving the electron transfer path between the active material and the long filament or the electrical connection between the long filaments.
  • the metal filaments have the advantages of being capable of fiber manufacturing processes such as nonwoven processing while having relatively good heat resistance, plasticity and electrical conductivity compared to other materials possessed by the metal.
  • such material advantages can be maintained substantially over the entire length range of 5 mm or more, such as the carbon fibers listed above, or conductive polymer fibers, polymer fibers coated with a conductive material, and the like.
  • the process burden of the entanglement process or the thermal process is small, and the manufacturing process window can obtain a relatively wide advantage.
  • a conductive material may be coated on the plurality of conductive fibers 10W, for example metal filaments.
  • the conductive material may be precoated onto the plurality of conductive fibers 10W or post coated with a suitable dispersing solvent thereafter in a subsequent process prior to nonwoven fabric formation.
  • the conductive material may be fine carbon such as carbon black, acetylene black, ketjen black and ultra fine graphite particles, nano metal particle paste, indium tin oxide (ITO) paste, carbon nano tube, or a large specific surface area and high resistance. Other low nanostructures, but the present invention is not limited thereto.
  • the conductive material is dropped from the conductive fibers (10W) due to the volume change caused by the charge and discharge of the battery, or the physical contact between the conductive fibers (10W) is weak. Prevents increase of internal resistance and deterioration of battery life which can occur when it
  • a binder may be precoated or postcoated with the conductive material to secure the conductive material on the plurality of conductive fibers 10W.
  • the binder not only fixes the conductive material on the plurality of conductive fibers 10W, but also serves to fix the plurality of conductive fibers 10W or to fix the impregnated electrical active material.
  • the binder may include polyvinylidene fluoride (PVDF), styrenebutadiene rubber (SBR), polyimide, polyurethane polymer, polyester polymer, and ethylene propylene diene copolymer. It may be a polymer binder such as (ethylene-propylenediene copolymer: EPDM).
  • the nonwoven current collector 100 ′ having the conductive nonwoven sheet according to another embodiment may further include linear binders 30W dispersed together with the plurality of conductive fibers 10W.
  • the linear binders 30W may comprise a polymeric material in which fiberization is advantageous.
  • the linear binders 30W are, for example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene terephthalate (PPT), nylon, polyethylene naphthalate (PEN).
  • the linear binders 30W may comprise other suitable mechanical or heat resistant functional polymeric materials such as high strength, high elasticity, self shrinking fibers. In terms of manufacturing, the nonwoven fabric structure may be obtained through random mixing of the linear binders 30W with the conductive fibers 10W, or through a fiber blending process.
  • Electrically active materials (not shown) in the nonwoven current collectors 100 and 100 'shown in FIGS. 1A and 1B are impregnated through the pores in the form of slurry or powder, or coated and coated on the conductive fibers 10W.
  • the conductive fibers 10W itself may function as an electrical active material by making the conductive fibers 10W from the electrical active material.
  • the electrical active material may be precoated on the conductive fibers, or the electrical active material may be further impregnated through the pores of the conductive fibers formed of the electrical active material.
  • the electrical active material may be a material such as LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiFePO 4, and LiV 2 O 5 , which may be filled into the conductive nonwoven sheet in the manner described above.
  • the positive electrode active material is a two-component or more oxide containing lithium, nickel, cobalt, chromium, magnesium, strontium, vanadium, lanthanum, cerium, iron, cadmium, lead, titanium, molybdenum or manganese. ), Phosphate, sulfide, fluoride or combinations thereof.
  • the compound may be a three-component or higher compound such as Li [Ni, Mn, Co] O 2 .
  • the electrical active material is a carbon material (soft carbon or hard carbon, low crystalline carbon / natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, liquid crystal pitch-based carbon fiber (mesophase) KetjenBlack including high temperature calcination such as pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, Mesophase pitches, petroleum or coal tar pitch derived cokes ) / Acetylene black / Metallic lithium / Silicon-based compound such as silicon (Si) or silicon oxide / Tin (Sn), alloy thereof or Sn-based compound such as SnO 2 / Bismuth (Bi) or compound thereof / Lead (Pb) or thereof Compound / antimony (Sb) and compound / zinc (Zn) and compound / iron (Fe) and compound / cadmium (Cd) and compound / aluminum (Al) or compound thereof.
  • a carbon material soft carbon or hard carbon, low crystalline carbon / natural graphite, Kish graphite, pyrolytic
  • the electrical active material may be other metals, metalloids, base metals, or other metals capable of intercalation / deintercalation, or alloying / dealloying of lithium. It may also include compounds such as oxides, nitrides, fluorides, and at least one of sodium, or other oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and teleniumides suitable for NaS cells.
  • PVdF polyvinylidenefluoride
  • SBR styrenebutadiene rubber
  • EPDM ethylene-propylenediene copolymers
  • fine carbon such as carbon black, acetylene black, ketjen black and ultrafine graphite particles, nano metal particle paste, or indium tin oxide (ITO) paste carbon nanotube, or specific surface area
  • ITO indium tin oxide
  • conductive patterns 10P_1 may be formed on the surface of the main surface of the conductive nonwoven fabric sheet 10 (hereinafter, referred to as a main surface) to partially block pores.
  • the conductive pattern 10P_1 may be formed only on one main surface of the conductive nonwoven fabric sheet 10 or on both main surfaces.
  • the surface of the conductive nonwoven sheet 10 in which the conductive patterns 10P_1 are disposed is occluded with pores exposed on the surface, unlike the adjacent surface area of the other exposed conductive nonwoven sheet.
  • the degree of occlusion may include a case where pores are completely eliminated or the porosity is reduced to 30% or less according to the method of forming the conductive patterns 10P_1.
  • the surface area of the conductive nonwoven sheet 10 in which the conductive patterns 10P_1 are formed may enhance mechanical strength or improve the mechanical strength of the entire nonwoven current collector compared to other exposed surfaces 10E in which the conductive patterns 10P_1 are not formed. Tensile strength can be strengthened. This feature will be described later in detail.
  • the conductive pattern 10P_1 may be formed by partially fusion of the conductive fibers 10W on the surface of the conductive nonwoven sheets 10. The partial fusion may be performed by ultrasonic welding, thermal welding or soldering processes.
  • the conductive pattern 10P_1 may be provided by coating or fusing a conductive film such as a metal pattern layer on the surface of the conductive nonwoven sheet 10. Such a coating may be provided by forming and patterning a conductive film over the major surface of the conductive nonwoven sheet 10 or by laminating the patterned conductive film onto the conductive nonwoven sheet 10.
  • the remaining surfaces 10E of the conductive nonwoven sheet 10 may communicate with the surface and the inside of the conductive nonwoven sheet 10 by exposed pores. .
  • a dropping process of the electrical active material may be performed, except for the region masked by the conductive pattern 10_1, the dropped electrical active material may be a conductive nonwoven sheet ( The nonwoven fabric collector of 10) can be uniformly filled from the surface to the inside.
  • the conductive pattern 10P_1 may be exposed by wiping the surface of the nonwoven fabric current collector filled with the electrical active material.
  • the nonwoven current collector filled with the electrical active material may undergo a pressing process for controlling the density and thickness of the electrode.
  • the conductive pattern 10P_1 may include line patterns spaced apart by a predetermined interval to expose pores on the surface of the nonwoven fabric collector 10.
  • the line patterns may have a shape that crosses the main surface of the conductive nonwoven sheet 10 as shown in FIG. 1A. In this case, the line patterns may extend to the edge of the conductive nonwoven sheet 10.
  • the arrow x direction refers to the conveying direction (P direction, B direction) of the conductive nonwoven sheet 100 during the continuous process of electrode manufacturing as described below with reference to FIGS. 4 and 7, and the arrow y direction is shown in FIGS. 8A to 8.
  • the line patterns illustrate alignment in a direction parallel to the folding axis or the winding axis of the nonwoven current collector.
  • the direction of these line patterns may be parallel to the conveying direction of the conductive nonwoven sheet 100.
  • the transfer direction of the conductive nonwoven fabric sheet 100 and the folding and winding axes of the nonwoven fabric current collector are described as orthogonal to each other, but this is only an example, and their directions may be parallel to each other.
  • the conductive patterns 10P_1 ′ of the nonwoven current collector 100 ′′ may include a fusion portion extending from one surface of the conductive nonwoven sheet 10 to an opposite main surface thereof.
  • the conductive fibers may be fused to each other in the depth direction of the conductive nonwoven fabric sheet 10.
  • the fusion in the depth direction may be applied during an ultrasonic welding, a thermal welding, or a soldering process. By controlling parameters such as energy, etc.
  • the conductive nonwoven sheet is wavy as shown. It can be modified.
  • FIGS. 2A and 2B are perspective views illustrating nonwoven current collectors 100A and 100B according to other embodiments of the present invention.
  • the conductive pattern 10P_2 may include line patterns spaced apart by a predetermined interval so as to expose pores on the surface of the nonwoven fabric current collector 10.
  • the line patterns may have a shape that crosses a major surface of the conductive nonwoven sheet 10. As described above, the line patterns may be aligned in the x direction parallel to the conveying direction of the conductive nonwoven fabric sheet 100. In addition, the line patterns may be formed at the edge of the nonwoven fabric current collector 10 or may be locally formed only at the edge.
  • the conductive pattern 10P_3 may include a grid pattern formed on the main surface of the conductive nonwoven sheet 10.
  • the grid pattern may have a grid pattern extending in the arrows x and y directions.
  • the grating pattern may be formed on both the top surface 10U and the bottom surface 10B of the conductive nonwoven sheet 10.
  • the features illustrated in FIG. 2B may be applied to the conductive patterns 10P_1 and 10P_2 described with reference to FIGS. 1A through 2A.
  • conductive patterns 10P_1 may be formed on both major surfaces of the conductive nonwoven sheet 10 of FIG. 1A.
  • the above-described conductive patterns may have a form combined with each other.
  • line patterns may be formed on the upper surface 10U of the conductive nonwoven fabric sheet 10, and a lattice pattern may be formed on the lower surface 10B.
  • line patterns are formed on the upper surface 10U and the lower surface 10B of the conductive nonwoven sheet 10, respectively, and these line patterns may be orthogonal to each other in the x direction and the y direction.
  • the conductive patterns may further extend in the depth direction on one surface of the conductive nonwoven sheet 10 as described with reference to FIG. 1C.
  • the above-mentioned conductive patterns improve the tensile strength of the conductive nonwoven sheet 10 in its extending direction, the x direction or the y direction, or are concentrated in a specific area of the nonwoven current collector during folding and winding of the nonwoven current collector during battery packaging.
  • the conductive nonwoven sheet 10 is mechanically strengthened to mitigate deformation or fracture caused by stress.
  • the surface of the conductive patterns may provide a clean conductive surface that is not interfered by the electrically active material, thereby functioning as a lead or tab site for connection with an external circuit.
  • 3A and 3B are perspective views sequentially illustrating a method of manufacturing an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the filling process of the electrically active material may be performed on the conductive nonwoven fabric sheet 10 having the conductive patterns 10P formed therein.
  • the electrically active material may be loaded into the conductive nonwoven sheet 10 as indicated by arrow G in the form of a slurry or powder.
  • the dropping of the electrical active material may be performed by a suitable injection device, such as a slit die or spray device (not shown).
  • a suitable injection device such as a slit die or spray device (not shown).
  • the electrically active material is impregnated into the conductive nonwoven sheet 10 through the pores of the exposed surface 10E of the conductive nonwoven sheet 10 in the form of a slurry or powder.
  • the pressure applied to the injection device the amount and dispersion uniformity of the impregnated electrical active material can be controlled.
  • the conductive patterns 10P function as a mask with respect to the electrically active material dropped into the conductive nonwoven sheet 10. Except for the portion occluded by the conductive patterns 10P, the remaining surfaces 10E may communicate with the interior of the conductive nonwoven sheet 10 by exposed pores. As a result, the electrically active material dropped can be uniformly filled from the surface of the conductive nonwoven fabric sheet 10 to the inside.
  • the nonwoven fabric current collector 100 filled with the electrical active material EA may be manufactured.
  • the electrically active material EA on the surface of the exposed conductive patterns 10P is removed, a clean surface of the conductive patterns 10P may be exposed, and the surfaces of the conductive patterns 10P may be formed of a battery tab or The lead Tb becomes a seat. Since the battery tab or lead Tb can be soldered or fused to the conductive patterns 10P without interference by the electrically active material filled in the conductive nonwoven sheet 10, the battery tab or lead Tb is substantially connected to the network of conductive fibers inside the nonwoven current collector. Low resistance contact is possible, and battery tabs or leads for the nonwoven current collector 100 'are easily formed.
  • the battery tab or lead Tb is preferably formed at the edge of the nonwoven current collector 100 ′.
  • the conductive patterns 10P may extend to the edge of the conductive nonwoven sheet 10.
  • the conductive nonwoven sheet 10 may undergo a pressing process as indicated by arrow H for controlling the density and thickness of the electrode.
  • the pressing process may be performed before or after the formation of the battery tab or lead Tb, but the present invention is not limited thereto.
  • the process of filling the electrically active material with the conductive nonwoven fabric sheet 10 may be performed by a method of filling the electrically active material while continuously supplying the conductive nonwoven fabric sheet 10 through a suitable winding roll or transfer means as described below. have.
  • FIG. 4 is a manufacturing system FS1 of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • an electrode manufacturing system FS1 is a device for forming an electrode by filling an electrically active material in a conductive nonwoven fabric sheet 10L that is continuously provided.
  • the manufacturing system FS1 may include a plurality of roller members RT_1 to RT_8 as a supply apparatus or a conveying means for continuously supplying the conductive nonwoven fabric sheet 10L.
  • the first conveying roller RT_1 of the roller members may be an unwinding device for supplying the conductive nonwoven fabric sheet 10L.
  • the conductive nonwoven fabric sheet 10L unwound from the unwinding apparatus RT_1 has a bath in which the electrically active material SS is dissolved or dispersed after passing through the second feed roller RT_2 for changing the direction or maintaining a proper tensile stress. (bath; BA).
  • the second feed roller RT_2 is exemplary and may be omitted or used in combination or in combination by other known means.
  • the electrical active material SS in the bath BA may be a slurry, a powder in a dry state, or a low viscosity liquid.
  • the electrical active material SS may be coated in a film form on the conductive fibers constituting the conductive nonwoven fabric sheet 10L.
  • the conductive nonwoven fabric sheet 10L moves at a constant speed in the P direction while overcoming the frictional force and resistance caused by the pores due to the contact between the electrically active material SS and the conductive conductive nonwoven fabric sheet 10L having pores.
  • the third and fourth conveying rollers RT_3 and RT_4 may be provided to allow the use. These third and fourth conveying rollers RT_3 and RT_4 are illustrative only and other known conveying means may be applied.
  • a supply means may be provided in the bath BA to facilitate the impregnation of the electrically active material SS therein through the pores of the exposed surface of the conductive nonwoven sheet 10L.
  • the supply means may include a first processing roller RP_1 capable of applying a constant pressure.
  • the first treatment rollers RP_1 may be arranged opposite to each other to define a gap of a predetermined size, and may rotate in opposite directions to each other.
  • the electrically active material SS is pressurized while the conductive nonwoven fabric sheet 10L passes through the gap, and the electrical active material SS is press-fitted inward from the surface of the conductive nonwoven fabric sheet 10L.
  • the first treatment rollers RP_1 may be two or more pairs for controlling uniform filling, closest filling and / or impregnation amount of the electrical active material SS, but the present invention is not limited thereto.
  • the supply means for example the first treatment roller RP_1, has a surface pattern such as unevenness suitable for attracting the peripheral electrically active material SS to a surface in contact with the conductive nonwoven sheet 10L. It may be.
  • the first processing roller RP_1 described above as the supply means is merely exemplary, and the present invention is not limited thereto.
  • the supply means may be modified to a bar type, flat type or a combination thereof for controlling uniform filling, close filling and / or impregnation amount.
  • the nonwoven fabric electrode 100L comes out of the bath BA.
  • an excess of the active material may be buried on the surface of the nonwoven fabric electrode 100L.
  • a sweeping member such as a blade BL wipes the surface of the nonwoven fabric collector 100L to remove excess electrical active material, and conductive patterns formed on the surface of the nonwoven fabric collector 100L (FIG. 1A). (See 10P_1) may be exposed.
  • a guide roll such as a second processing roller RP_2 may be provided to apply a constant pressure to control the impregnation amount of the electrical active material in the nonwoven current collector 100L outside the bath BA.
  • the manufacturing system FS may include the fifth to seventh roller members RT_1 to RT_8 as a conveying means.
  • the nonwoven current collector 100L filled with the electrical active material may be post-processed while passing through a drying device such as a hot air device or a heat treatment device HZ. Thereafter, the nonwoven current collector post-processed by the third processing roller RP_3 capable of applying pressure as indicated by arrow H may be pressurized. Through this pressing process, the thickness of the nonwoven fabric electrode and thus the energy density of the electrode can be controlled.
  • the manufactured nonwoven fabric electrode can be continuously output through the manufacturing system FS1 and can be stored by the winding apparatus RT_8.
  • the stored nonwoven fabric electrode may be appropriately cut and used as a negative electrode or a positive electrode of a battery.
  • the manufactured nonwoven electrodes are not housed separately and may undergo subsequent back processes such as tab forming processes, separator stacking processes, stacking for packaging, jelly roll processes or electrolyte impregnation.
  • the nonwoven current collector may be stretched by 20% or more due to the stress applied to the nonwoven current collector in a continuous process by the above-described transfer method.
  • the change in porosity and the nonuniformity in the nonwoven current collector are increased, so that continuous delivery and processing using a roller are practically impossible.
  • extreme defects such as excessive stretching or severe breakage may occur, and even if this is not the case, when the nonwoven current collector is stretched, the electrical contact between the conductive fibers and the electrical contact between the surface of the conductive fibers and the electrical active material deteriorate. As such, control and suppression of the elongation rate are required.
  • the tension of the nonwoven current collector can be reinforced by the conductive patterns formed on the conductive nonwoven sheet
  • the tensile elongation of the nonwoven current collector is controlled to 20% or less, preferably 0.1% to Since it can be controlled within the range of 10%, a continuous process by a conveying means such as a roller is possible at the same level as a battery manufacturing process using a current collector of a conventional metal foil, and continuous as well as electrochemical properties of the nonwoven current collector The process benefits can be maximized.
  • FIG 5 is a perspective view of an electrode including a nonwoven current collector 100 ′′ according to another embodiment of the present invention.
  • the nonwoven current collector 100 ′′ may include an upper conductive nonwoven sheet 10A and a lower conductive nonwoven sheet 10B.
  • the upper conductive nonwoven sheet 10A and the lower conductive nonwoven sheet ( 10B) may be a conductive nonwoven sheet (10 in Fig. 1A) as described above.
  • Conductive fibers 10W are electron transfer paths and may be used as current collectors.
  • Top conductive nonwoven sheet 10A and bottom conductive On the surface of at least one of the nonwoven sheets 10B, pores may be partially formed in the conductive patterns 10P.
  • the conductive patterns 10P may include the upper conductive nonwoven sheet 10A and the lower conductive nonwoven sheet 10B.
  • a fusion may be included over the entire thickness or a portion of the depth (see 10P_1 in Fig. 1B) The fusion may be limited to the upper conductive nonwoven sheet 10A or the lower conductive nonwoven sheet 10B.
  • a tension reinforcing layer 20 may be disposed between the upper conductive nonwoven sheet 10A and the lower conductive nonwoven sheet 10B.
  • the nonwoven current collector 100 " may comprise a single conductive nonwoven sheet, and the tension reinforcing layer 20 may be formed on either one major surface or both major surfaces of the conductive nonwoven sheet.
  • the nonwoven current collector may be a laminate in which a conductive nonwoven sheet having a tension reinforcing layer bonded thereto is laminated at least twice.
  • the tension reinforcing layer 20 may improve the tensile strength of the entire nonwoven current collector 100 ′′.
  • the tensile strength includes tension reinforcement in a direction parallel to the main surface of the nonwoven current collector 100.
  • Tension reinforcement in a direction parallel to the main surface of 100 may include improving tensile strength in all parallel directions with respect to the main surface of the nonwoven current collector 100, that is, radially.
  • the tension enhancement in a direction parallel to the main surface of the nonwoven current collector 100 ′′ may be controlled to appear only in a predetermined direction selected from directions parallel to the main surface of the nonwoven current collector 100 ′′.
  • a predetermined direction selected from directions parallel to the main surface of the nonwoven current collector 100 ′′.
  • the direction of the tension strengthening May be defined in a direction perpendicular to the rotation axis of the roller or the sound reduction axis of the jelly roll used in these processes.
  • FIG. 8A Although will be described with reference to Fig. 8D, it may be formed in a direction parallel to the winding axis or the bending axis (I).
  • the tension reinforcing layer 20 is shown to maintain a clear layer structure within the nonwoven current collector 100 ′′, but this is for convenience of description only, and the present invention is limited thereto.
  • the upper conductive nonwoven sheet 10A and the lower conductive nonwoven sheet 10B are substantially integrated with a tension reinforcing layer 20 embedded therein.
  • the tension reinforcing layer 20 may not be clearly distinguished by the naked eye. Such a feature may vary depending on the embodiments of the tension reinforcing layers 20A to 20D described below with reference to FIGS. 5B to 6C.
  • the bond between the upper conductive nonwoven sheet 10A and the lower conductive nonwoven sheet 10B may be mediated by the tension reinforcing layer 20.
  • the upper conductive nonwoven sheet 10A and the lower conductive nonwoven sheet 10B are bonded to the upper surface 20U and the lower surface 20D of the tension reinforcing layer 20, respectively, so that the upper conductive nonwoven sheet 10A and Bonding of the lower conductive nonwoven sheet 10B can be achieved.
  • the tension reinforcing layer 20 may include a binder or a separate binder may be used for such bonding.
  • the bond between the tension reinforcement layer 20 and the conductive nonwoven sheets 10A, 10B is such that any one of the tension reinforcement layer 20 and the conductive nonwoven sheets 110A, 10B is heated, infrared, ultraviolet, It may be achieved by melting a part by energy such as an electron beam or ultrasonic wave and bonding them, or all of them may be partially melted and bonded between them. This process has the advantage that the environmental load is reduced because the binder is not used.
  • the top conductive nonwoven sheet 10A and the bottom conductive nonwoven sheet 10B may be entangled with each other through the tension reinforcing layer 20 using their fibrous properties.
  • the conductive fibers constituting the upper conductive nonwoven sheet and / or the lower conductive nonwoven sheet 10A, 10B form a bridge BR through the tension reinforcing layer 20, thereby forming the upper conductive nonwoven sheet ( 10A) and the lower conductive nonwoven sheet 10B may be mechanically coupled to each other to be integrated.
  • the nonwoven fabric is also electrically coupled.
  • the whole 100 can provide a single conductive network for current collector or electron transfer of a cell.
  • the bridge BR may be formed through a bridge forming process described below even when a single conductive nonwoven sheet and a tension reinforcing layer are combined.
  • the formation of the bridge BR may be performed by mechanical bonding by a needle punch method, a spun lace method, a stitch bond or another suitable method.
  • the needle punch method entangles the conductive fibers 10W of the upper conductive nonwoven sheet and the lower conductive nonwoven sheet with each other by repeatedly inserting and removing a plurality of needles with hooks into the conductive nonwoven sheet vertically.
  • the spunlace method is a method of interlacing the conductive fibers 10W of the upper conductive nonwoven sheet and the lower conductive nonwoven sheet using water of a high speed jet instead of a needle, and is also referred to as a water flow interaction method.
  • the stitch bonding method is to sew along the nonwoven current collector.
  • the nonwoven fabric current collector 100 formed according to the above embodiments is integrated by interlocking the conductive fibers 10W, reducing the amount of the conductive fibers 10W can make a product having a large pore while being flexible and soft. have.
  • reducing the amount of the conductive fibers 10W can make a product having a large pore while being flexible and soft. have.
  • the conductive fibers (10W) to increase the porosity, it is possible to ensure the mechanical strength of the entire nonwoven current collector by the conductive patterns and the tension reinforcement layer, the nonwoven fabric It is easy to control the porosity of the current collector.
  • the conductive fibers of the conductive nonwoven sheet are in physical contact, and the tensile strength is improved only in a direction horizontal to the main surface of the nonwoven current collector, the conductive fibers in the direction perpendicular to the upper and lower surfaces of the nonwoven current collector.
  • Shrinkage expansion or absorption of the internal volume change within a limited volume is easy to flexibly respond to the volume change of the electrode that may occur during charging and discharging.
  • irreversibility such as cracking of the electrode at the time of charging and discharging of the battery can be alleviated, and the life of the battery can be improved.
  • 6A-6D are perspective views illustrating tension reinforcement layers 20A, 20B, 20C, and 20D, respectively, in accordance with various embodiments of the present invention.
  • the tension reinforcing layer 20A of FIG. 6A may have a nonwoven structure composed of a plurality of fibers 20W.
  • the nonwoven structure of the tension reinforcing layer 20A is distinguished from the conductive nonwoven sheet in that the plurality of fibers 20W are bonded to each other, such as heat fusion or foam structure, so that the tension has a stronger tensile stress than the conductive nonwoven sheet. .
  • the tension reinforcing layer 20B of FIG. 6B has a weave structure in which a plurality of fibers are woven with weft yarns 20W_1 and warp yarns 20W_2.
  • the woven structure is an exemplary plain weave, and in other embodiments, may have other woven structures, such as twill or satin weave, or may have a suitable structure that can selectively increase the tensile strength in a given direction.
  • the tension reinforcing layer 20C may have a mesh structure 20M as shown in FIG. 2C.
  • the tension reinforcing layer 20D may include a plurality of fibers 20W deployed in a predetermined direction with a gap S, as shown in FIG. 2D.
  • the direction in which the plurality of fibers 20W are deployed is a roller used in a roll process required in a battery manufacturing process such as slurry impregnation or compression process or a jelly roll forming process for packaging (RT_1, RT_2 in FIG. 4). ), Or a direction perpendicular to the center axis of the jelly roll (eg, arrow B direction in FIG. 8A).
  • the tension reinforcing layer may have a structure in which two or more structures are combined in the aforementioned nonwoven structure, woven structure, net structure, or structures deployed in a predetermined direction.
  • the deformed tension reinforcing layer has the nonwoven structure shown in FIG. 6A while simultaneously being shown in FIG. 6D. It may have a structure in which a plurality of fibers deployed in a direction perpendicular to the rotation axis of the roller is mixed.
  • the tension reinforcing layers 20A-20D all have pores S.
  • the pores S may be provided by the adjacent plurality of fibers 10W or meshes (S in FIG. 2C) that make up the tension reinforcing layers 20A-20D.
  • the pores S communicate between the upper conductive nonwoven sheet and the lower conductive nonwoven sheet.
  • the entanglement of the conductive wires 10W for coupling the upper conductive nonwoven sheet and the lower conductive nonwoven sheet described above may be performed through the pores S of the tension reinforcing layers 20A-20D.
  • the transfer of ions for the battery reaction through the pores (S) of the tension reinforcing layers (20A-20D) is smoothly made in the nonwoven fabric collector 100, it can be secured to conduct electricity.
  • the average size of the pores S of the tension reinforcing layers 20A-20D may be equal to or larger than the average size of the pores of the conductive nonwoven sheets 10A, 10B having a nonwoven structure.
  • the electrode is impregnated with the electrically active material particles in the entire nonwoven fabric collector 100, if the pores S of the tension reinforcing layers 20A-20D are sufficiently large, the upper conductive nonwoven sheet or the lower conductive nonwoven sheet The electrically active material dropped through any one surface of may be uniformly impregnated into the entire nonwoven current collector without interference by the tension reinforcing layer.
  • the tension reinforcing layers 20A-20D may include a polymer material, a metal, or a combination thereof.
  • the material of the tension reinforcing layers 20A-20D may be the same material as the nonwoven current collector or include a different material.
  • the polymer material may include, for example, a polymer material in which fiberization is advantageous.
  • polyethylene polyethylene
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PPT polypropylene terephthalate
  • PAN polyacrylonitrile
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PES polyethersulfone Derivatives
  • PES polyether ether ketone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the tension reinforcing layer 20 may include other suitable mechanical or heat resistant functional polymeric materials such as high strength, high elasticity, self shrinking fibers.
  • the binder may be another polymer material having conductivity, petroleum pitch, coal tar, if necessary.
  • the present invention is not limited to these examples, and a material having stability and having a predetermined binding force under an electrochemical reaction without dissolving in an electrolyte may be applied.
  • the metal may include, for example, copper, aluminum, stainless steel, nickel, or an alloy thereof.
  • FIG. 7 shows a manufacturing system FS_2 of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • steps of providing an upper conductive nonwoven sheet, providing a lower conductive nonwoven sheet, and providing a tension reinforcing layer are respectively performed for fabrication of an electrode. Thereafter, the step of bonding the upper conductive nonwoven sheet and the lower conductive nonwoven sheet through the tension reinforcing layer is performed. These steps can be performed continuously.
  • the upper conductive nonwoven sheet 10A_L and the lower conductive nonwoven sheet 10B_L may be provided by the first and second unwinding devices 10P_1 and 10P_2, respectively, for a continuous process.
  • the tension reinforcing layer 20_L may also be provided by the third unwinding device 20P.
  • the first to third unwinding devices 10P_1, 10P_2, and 20P are arranged in the same order so as to correspond to the stacking order such that the tension reinforcing layer 20_L is disposed between the upper conductive nonwoven sheet 10A_L and the lower conductive nonwoven sheet 10B_L. Can be.
  • alignment members are provided for aligning the conductive nonwoven sheets 10A_L, 10B_L and the tension reinforcing layer 20_L side-by-side so as to be suitable for lamination, that are released from the first to third unwinding devices 10P_1, 10P_2, 20P.
  • the alignment member may be roller members 30.
  • a guide member such as a blade may be provided with or in place of the roller members 30.
  • the conductive nonwoven sheets 10A_L and 10B_L and the tension reinforcing layer 20_L arranged side by side are joined to each other by the coupling device 40.
  • the coupling device 40 may be an energy applying device such as a heater, an infrared ray, an ultraviolet ray, an electron beam, or an ultrasonic wave for fusion bonding, depending on the kind of the tension reinforcing layer 20_L.
  • the bonding device 40 may be a fiber bonding processing device, such as a needle punch, spunlace or stitch bond device, for interlocking the upper conductive nonwoven sheet 10A_L and the lower conductive nonwoven sheet 10B_L to each other.
  • the nonwoven current collector 100_L manufactured by the coupling device 40 has tensile stress strengthened by the conductive pattern on the surface and the tension reinforcing layer.
  • the manufactured nonwoven fabric collector 100_L may be accommodated by a separate winding device (not shown).
  • the nonwoven current collector 100_L is pressed by a pressing device, such as a pressure roller member, before being housed in a winding device, or after passing through a drying device, such as a hot air device, to prevent moisture or impurities. You may also go through a refining process for removal.
  • the manufactured nonwoven fabric collector 100_L may undergo a charging step of an electrical active material, a post-treatment step of the electrical active material, and a pressing step of an electrode.
  • a charging process that is not received by the above-described winding device and continuously fills the electrical active material for forming the positive electrode or the negative electrode may be performed.
  • the charging process of the electrical active material may be performed by a process of loading the electrical active material in a slurry or powder form as described above with reference to FIG. 3A.
  • dropping of the electrical active material may be performed by the slit die 50.
  • the electrical active material is impregnated into the nonwoven current collector 100_L through pores exposed on the surface of the nonwoven current collector 100_L in a slurry or powder form.
  • the dropping process of the electrically active material may be filled by a spray device such as a spray.
  • the conductive patterns formed on the surface of the conductive nonwoven fabric sheet serve as a masking role.
  • a guide roll 60 may be provided to apply a constant pressure to adjust the amount of impregnation of the electrically active material.
  • the amount of impregnation of the electrical active material may be controlled by sweeping the surface of the nonwoven current collector with the blade or directly.
  • the electrical active material may be provided coated on the conductive fibers of the nonwoven current collector (100_L).
  • a plating bath may be provided for electrolytic plating or electroless plating.
  • the electrical active material may be coated on the conductive fibers as the metal ions are reduced or precipitated.
  • the electrically active material may be physical vapor deposition by sputtering and electron beam evaporation on the conductive fibers of the nonwoven current collector 100_L, or chemical vapor deposition using a suitable vapor precursor.
  • a suitable atmospheric or vacuum chamber may be provided. The above-mentioned forming system of the electrically active material may be used in combination with each other.
  • the nonwoven fabric electrode 100_L 'filled with the electrical active material may be post-processed while passing through a drying device such as a hot air device or a heat treatment device 70. Thereafter, as shown by the arrow, the post-processed nonwoven fabric electrode 100_L 'is pressed through the roller member 80 capable of applying pressure, thereby controlling the thickness and the corresponding electrode density.
  • a drying device such as a hot air device or a heat treatment device 70.
  • the manufactured nonwoven fabric EL may be continuously output through the manufacturing system 200 as indicated by arrow B, and may be received by a winding device (not shown).
  • the accommodated nonwoven fabric EL may be appropriately cut and used for battery packaging.
  • the manufactured nonwoven fabric EL is not separately stored, and may also undergo a post-stage process such as a tab forming process, a separator stacking process, a stacking or jelly roll process for electrolyte impregnation or packaging.
  • the tensile elongation can be limited to 20% or less, so that the continuous using the roller The process by transfer becomes substantially possible.
  • no extreme defects such as fracture appear, and even if the nonwoven current collector is stretched to some extent, electrical contact between the conductive fibers and deterioration of the electrical contact between the surface of the conductive fibers and the electrical active material can be prevented.
  • the current collector of the conventional metal foil is controlled by the tension reinforcing layer because the tensile elongation of the nonwoven current collector can be controlled to 20% or less, preferably within the range of 0.1% to 10%.
  • the process is performed at the same level as the battery manufacturing process used, and it is possible to fully enjoy the process advantages of the nonwoven fabric current collector.
  • FIGS. 8A to 8D are perspective views illustrating an electrode assembly of a battery using a nonwoven current collector according to various embodiments of the present disclosure.
  • an electrode assembly includes one electrode 100A of a cathode and an anode, and another electrode 100B and an electrode stack 300A of a separator 500 for electrical separation therebetween.
  • the electrode 100A may be an anode and the electrode 100B may be a cathode.
  • At least one of the electrodes 100A and 100B may be a nonwoven current collector filled with an electrical active material therein.
  • the electrode stack 300A including the nonwoven current collector may have a configuration in which the electrode laminate 300A is squarely wound around a direction parallel to the winding axis I direction. Since the deformation rate of the corner area SA is large when the square is closed, the conductive pattern 10P having a line pattern in the winding axis I direction is formed in the corner area SA, thereby resisting the stress concentrated in the corner area SA. Deterioration of the battery due to excessive deformation can be prevented.
  • the electrode stack 300B including the nonwoven current collector may have a round wound configuration.
  • the conductive pattern 10P parallel to the winding axis I direction mechanical properties of the electrode including the nonwoven current collector can be strengthened against deformation occurring during packaging or when charging or discharging the battery.
  • the electrode stacks 300C, 300D may have a folded or bent configuration.
  • the conductive pattern 10P in a portion where stress is concentrated by folding or bending parallel to the folding or bending axis I direction, the mechanical properties of the electrode can be improved with respect to deformation occurring during packaging or charging / discharging of the battery. Can be.
  • the electrode laminate may be wound, bent, and laminated in various ways using the flexibility of the conductive nonwoven fabric sheet, and the conductive pattern 10P is locally formed at a portion where stress is generated by the electrode packaging method. As a result, mechanical properties and lifespan can be improved.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view illustrating a battery 1000 including electrodes 100A and 100B using a nonwoven current collector according to an embodiment of the present invention.
  • the battery 1000 may be a cylindrical battery.
  • the electrode assembly may have a jelly roll structure in which the positive electrode 100A and the negative electrode 100B using the nonwoven fabric current collector are laminated with the separator 500 interposed therebetween, and then wound.
  • this is merely exemplary, and only one electrode of the positive electrode and the negative electrode may be configured as a nonwoven current collector. It may also be made of other coin-type cells, square cells, or flexible cells of various shapes using fibers.
  • the nonwoven current collector may include conductive nonwoven sheets 10A and 10B and a conductive pattern 10P formed on a main surface thereof.
  • the nonwoven current collector may include a tension reinforcing layer.
  • the electrically active material may be bound in the form of particles inside the conductive nonwoven sheets 10A and 10B or coated on the conductive fibers of the nonwoven current collector.
  • Tabs or leads Tb_A and Tb_B may be formed on the sides of the positive and negative electrodes 100A and 100B.
  • the number of tabs or leads Tb_A and Tb_B may have an appropriate number to reduce internal resistance.
  • the tabs or leads Tb_A and Tb_B are electrically coupled by fusion or soldering on the conductive pattern of the nonwoven current collector.
  • the tabs or leads Tb_A and Tb_B may be internally fastened to the positive electrode 600 and the negative electrode 700 of the battery 1000 in the housing 800, respectively.
  • the separator 500 between the positive electrode 100A and the negative electrode 100B may be, for example, a polymer microporous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, a ceramic, an intrinsic solid polymer electrolyte membrane, a gel solid polymer electrolyte membrane, or a combination thereof.
  • the intrinsic solid polymer electrolyte membrane may include, for example, a linear polymer material or a crosslinked polymer material.
  • the gel polymer electrolyte membrane may be, for example, a combination of any one of a plasticizer-containing polymer containing a salt, a filler-containing polymer, or a pure polymer.
  • the solid electrolyte layer is, for example, polyethylene, polypropylene, polyimide, polysulfone, polyurethane, polyvinyl chloride, polystyrene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polybutadiene, cellulose, carboxymethyl cellulose, nylon, polyacryl Ronitrile, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene, vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene Copolymers of polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polyethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl acrylate, polybutyl methacrylate, polyvinylacetate, and polyvinyl alcohol Made of any one or a combination thereof It may include a polymer matrix, additive
  • the materials listed with respect to the separator 500 described above are exemplary, and are easy to change shape as the separator 500, and excellent in mechanical strength, so as not to be torn or cracked even in deformation of the electrodes 100A and 100B, and any suitable Materials having electronic insulation and good ion conductivity can be selected.
  • the separator 500 may be a single layer film or a multilayer film, and the multilayer film may be a laminate of the same monolayer film or a stack of monolayer films formed of different materials.
  • the laminate may have a structure including a ceramic coating film on the surface of a polymer electrolyte film such as polyolefin.
  • the thickness of the separator 500 may be 10 to 300, preferably 10 to 40, and more preferably 10 to 25, in consideration of durability, shutdown function, and battery safety.
  • a suitable aqueous electrolyte solution comprising salts such as potassium hydroxide (KOH), potassium bromide (KBr), potassium chloride (KCL), zinc chloride (ZnCl 2 ), and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is provided with an electrode structure (
  • the battery 1000 may be completed by being absorbed by the 100A, 100B) and / or the separator 500.
  • the battery 1000 may be a non-aqueous electrolyte such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate including a lithium salt such as LiClO 4 or LiPF 6 , but the present invention is limited thereto. no.
  • a suitable cooling device or battery management system for controlling stability and / or power supply characteristics during use of the battery 1000 may additionally be combined.
  • the electrode using the aforementioned nonwoven fabric current collector is easy to change shape, and since the electrical active material and the conductive network are substantially uniformly mixed in the entire volume of the electrode structure, the thickness of the electrode for controlling the capacity of the battery is increased. Even if it is increased, there is no deterioration in battery performance as shown in a conventional battery structure obtained by coating an active material layer on a metal foil, and the volume can be variously selected.
  • the fibrous electrode structure can be arranged three-dimensionally in a manner such as bending and winding in addition to the jelly roll type, and is not a cylindrical battery, but also a fiber product such as a bag, a pouch or a clothes and a bag. It can have a variety of volumes and shapes that are integrated into it, while being mechanically strengthened to have a strong resistance to deformation by the conductive pattern, and can have excellent suitability for manufacturing processes by continuous transfer.
  • the aforementioned electrode structures can be applied to either or both of the cathode and anode electrodes in one cell.
  • the nonwoven current collectors described above may be applied not only to lithium ion batteries but also to lithium metal batteries, lithium air batteries, or nickel-hydrogen batteries, and NaS batteries, which are illustrative only, and those skilled in the art can understand that the present invention is not limited thereto. will be.

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Abstract

본 발명은 부직포 집전체, 이를 이용한 전지의 제조 방법 및 이의 제조 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극은, 도전성 섬유들의 네트워크를 포함하고, 주 표면으로부터 내부를 연통시키는 기공을 포함하는 도전성 부직포 시트; 및 상기 도전성 부직포 시트의 상기 주 표면 상의 기공을 부분적으로 폐색하는 도전성 패턴들을 포함하는 부직포 집전체를 포함한다.

Description

전극, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 전지
본 발명은 전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 부직포 집전체, 이를 이용한 전지의 제조 방법 및 이의 제조 시스템에 관한 것이다.
지난 20년간 반도체 제조 기술 및 통신 기술이 비약적으로 발전함에 따라 이동 통신 단말기 및 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대형 전자 장치의 전력원으로서 리튬 이온 전지에 대한 연구와 상용화가 광범위하게 이루어져 왔다. 최근에는, 에너지 고갈과 온실 효과와 같은 환경 문제의 대응을 위해 에너지 절감 기술의 요구가 급격히 증가하고 있으며, 그 결과, 휴대용 전자 장치 관련 산업뿐만 아니라, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 전력 그리드에 적용 가능한 중대형 전지에 관한 관심과 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 용도의 배터리로서 니켈-금속 수소(Ni-MH) 전지와 리튬 이차 전지가 주로 연구되고 있다. 이중 리튬 이차 전지는, 자연계에 알려진 금속 중 가장 가볍고, 표준 환원 전위가 가장 낮은 리튬을 이용하기 때문에, 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 고전압과 고출력의 전지를 제조할 수 있다.
이러한 전지 성능을 구현하는데 있어, 적합한 집전체의 개발은 중요하다. 집전체는 전지 성능을 향상시키기 위해 내부 저항과 비가역성을 개선하여야 한다. 또한, 상기 집전체는 제조 경제성을 갖추기 위해 높은 수율을 얻을 수 있어야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 충방전 효율, 충방전 속도 및 사이클 특성이 우수하고, 높은 수율을 달성하여 제조 경제성을 갖는 집전체를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 부직포 집전체를 이용하여 재현성과 신뢰성이 있는 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 전지의 제조 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극은, 도전성 섬유들의 네트워크를 포함하고, 주 표면으로부터 내부를 연통시키는 기공을 포함하는 도전성 부직포 시트를 포함한다. 상기 도전성 부직포 시트의 상기 주 표면 상에는 상기 기공을 부분적으로 폐색하는 도전성 패턴들이 형성된 부직포 집전체가 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 도전성 패턴들은 전극 패키징 구조의 응력 집중 부분에 배치될 수 있다. 또한, 상기 도전성 패턴들은 상기 전극 형성을 위한 상기 부직포 집전체의 이송 방향에 평행할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 도전성 패턴들은 일정 간격으로 이격된 라인 패턴들을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 라인 패턴들은 전극 패키징 구조의 감음, 접힘 또는 굽힘 축에 평행하도록 상기 도전성 부직포 시트의 상기 주 표면을 가로지른다. 또한, 상기 도전성 패턴들은 상기 도전성 부직포 시트의 가장자리 상으로 연장될 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 방법은, 전술한 부직포 집전체를 준비하고, 상기 부직포 집전체를 전기적 활물질의 전구체 또는 그 자체의 분산 용매를 포함하는 슬러리가 담긴 조(bath) 내부로 경과시켜 상기 부직포 집전체 내부에 상기 전기적 활물질을 함침시키는 단계를 포함한다. 이후, 상기 조 밖으로 나온 부직포 집전체를 건조시키고, 상기 전기적 활물질이 함침된 부직포 집전체를 가압할 수 있다.
상기 전기적 활물질을 함침시키는 것은 상기 조 내부에 배치되고 갭을 갖는 처리 롤러의 상기 갭으로 상기 부직포 집전체가 통과함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 처리 롤러의 표면은 요철을 포함하는 표면 패턴을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 분산 용매를 건조시키는 단계 이전에, 상기 조 밖으로 밖으로 나온 상기 부직포 집전체의 표면 상의 잉여 전기적 활물질이 스위핑될 수 있다. 또한, 상기 분산 용매를 건조시키는 단계 이전에, 상기 조 밖으로 밖으로 나온 상기 부직포 집전체의 표면을 가압하여 상기 전기적 활물질의 함침량을 조절하는 단계가 더 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 부직포 집전체의 상기 도전성 패턴들 중 적어도 일부 상에 전지 탭 또는 리드를 결합하는 단계가 더 수행될 수 있다. 상기 도전성 패턴들은 전극 패키징 구조의 응력 집중 부분에 배치된다. 또한, 상기 도전성 패턴들은 상기 전극 형성을 위한 상기 부직포 집전체의 이송 방향에 평행할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 도전성 패턴들은 일정 간격으로 이격된 라인 패턴들을 포함할 수 있다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는, 음극, 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이의 분리막을 포함하는 이차 전지일 수 있다. 상기 음극 및 양극 중 적어도 하나는 전술한 부직포 집전체를 포함하는 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 도전성 패턴들은 상기 전극의 응력 집중 부분에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도전성 섬유들의 네트워크를 갖는 도전성 부직포 시트를 사용함으로써 우수한 전기적 특성과 섬유의 유연성과 조직성에 기초하여, 집전체와 전기적 활물질 사이의 내부 저항 감소와 계면 증가의 효과로 전지의 에너지 밀도가 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 속도, 충방전 효율 및 사이클 특성이 개선된 전지를 얻을 수 있다. 또한, 상기 도전성 부직포 시트 상에 도전성 패턴을 형성하여, 기계적 인장 강도가 향상되어 권출 장치를 이용한 연속 공정 또는 젤리 롤과 같은 전지 패키징시 발생할 수 있는 부직포 집전체의 변형에 따른 내부 저항의 증가를 방지하고, 항복에 의한 불량을 개선하여 수율을 향상시키며, 전지 탭 또는 리드 형성 공정을 용이하게 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 부직포 집전체를 이용한 전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 부직포 집전체를 이용한 전지의 제조 시스템이 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 부직포 집전체를 도시하는 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부직포 집전체의 부분도이며, 도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부직포 집전체를 도시하는 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 부직포 집전체들을 도시하는 사시도들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 방법을 순차대로 도시하는 사시도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 시스템이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부직포 집전체를 포함하는 전극의 사시도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 장력 보강층들을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 제조 시스템을 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 부직포 집전체를 이용한 전지의 전극 조립체를 도시하는 사시도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 부직포 집전체를 이용한 전극을 포함하는 전지를 도시하는 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 부직포 집전체(100)를 도시하는 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부직포 집전체(100')의 부분도이며, 도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부직포 집전체(100")를 도시하는 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 부직포 집전체(100)는 도전성 부직포 시트(10)를 포함한다. 도전성 부직포 시트(10)는 부분 확대도(M)에 도시된 바와 같이 도전성 섬유들(10W)을 포함할 수 있다. 도전성 섬유들(10W)은 전자의 전달 경로로서 기능하여, 도전성 부직포 시트(10)는 종래의 이차원적 금속 집전 포일과 달리 3차원의 도전성 네트워크로 이루어진 집전체로서 사용될 수 있다. 도전성 부직포 시트(10) 자체가 집전체로서 기능하기 때문에, 종래 금속 집전체 포일을 대체할 수 있다.
도전성 섬유들(10W)은 랜덤하게 서로 엉킨 부직포 구조를 갖는다. 부분 확대도(M)에 도시된 바와 같이, 복수의 도전성 섬유들(10W)은 대체적으로 구부러진 불규칙한 형태를 가지면서 서로 물리적 접촉을 통하여 전기적으로 접속되어 전 부피에 걸쳐 통전되는 단일한 도전성 네트워크를 형성한다. 상기 도전성 네트워크는 도전성 섬유들(10W)이 휘어지거나 꺾여 서로 엉키고 접촉 또는 결합하여 형성되기 때문에, 내부에 기공을 가지면서도 움직임이 가능하여 내부에 충전될 전기적 활물질의 충방전시의 부피 변화에 대한 적응성이 크며, 섬유적 특성 때문에 부직포 집전체(100)는 가요성(flexibility)을 가질 수 있다. 또한, 상기 기공들을 통해 전해액이 쉽게 침습되고, 전지 화학 반응을 위한 리튬 이온과 같은 양 이온의 전달 이동도가 향상되어 충·방전 효율이 향상될 수 있다.
복수의 도전성 섬유들(10W)은, 금속 필라멘트들, 카본 파이버들, 도전성 폴리머 파이버들, 금속층 또는 도전성 폴리머층이 코팅된 폴리머 파이버들(예를 들면, 금속이 코팅된 폴리올레핀 파이버), 또는 중공형 금속 파이버들(예를 들면, 카본 파이버 또는 폴리머 파이버로 희생 코어를 제조하고 상기 희생 코어 상에 금속층을 코팅한 후, 상기 희생 코어를 산화 또는 연소시킴으로써 제거하여 금속층을 잔류시킨 파이버들)이며, 바람직하게는, 금속 필라멘트들이다.
일부 실시예에서, 복수의 도전성 섬유들(10W) 상에는 도전성 섬유들(10W) 사이의 접촉 저항의 감소와 결합력 향상을 위해 금속층 또는 도전성 폴리머층이 더 형성될 수 있다. 예를 들면, 카본 파이버들 또는 금속 필라멘트들로 된 도전성 섬유들 상에 도전성 폴리머층 또는 금속층이 더 코팅될 수 있다. 또한, 상기 금속층 또는 도전성 폴리머층과 복수의 도전성 섬유들(10W)의 표면 사이에는, 이들 사이의 접합력을 향상을 위한 적합한 반응 계면층 또는 버퍼층이 형성될 수도 있다.
상기 금속 필라멘트들은, 구리, 타이타늄, 스텐인레스 스틸, 니켈, 백금, 금, 은, 루테늄, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 아연, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금, 전술한 전기적 활물질, 또는 이들의 고용체를 포함하는 섬유체일 수 있다. 예를 들면, 양극의 경우 알루미늄 필라멘트가 사용되고, 음극의 경우 구리 또는 니켈 필라멘트가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 이들 재료들은 전술한 금속들이 순차 나열된 적층 구조를 가질 수도 있으며, 열처리에 의해 부분적으로 산화된 층이나 층간 화합물을 포함할 수도 있다. 또한, 금속 필라멘트들은 서로 다른 종류의 금속으로 형성되어, 이종의 금속 필라멘트들에 의해 도전성 부직포 시트(10)가 제공될 수도 있다.
상기 금속 필라멘트들은, 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 상기 금속 필라멘트들의 두께가 1 ㎛ 미만에서는, 균일한 물성, 예를 들면, 균일한 저항을 갖는 필라멘트들의 성형이 어렵고 전기적 활물질의 코팅도 어렵다. 또한, 금속 필라멘트들의 두께가 200 ㎛를 초과하면, 금속 필라멘트들의 체적당 표면적이 감소하여 표면적 증가에 따른 전지 성능의 향상을 얻기 어렵고 에너지 밀도도 감소될 뿐만 아니라, 부직포 집전체(100) 내부에 함침된 전기적 활물질의 속박 효과가 저하되어, 반복적인 충·방전 중에 전기적 활물질이 도전성 필라멘트로부터 탈락됨으로써 전지의 사이클 특성이 열화될 수 있다.
일부 실시예에서, 바람직하게는, 금속 필라멘트는 2 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 이를 단위 길이당 표면적/부피의 비(예로 원형 단면을 갖는 경우, 4/직경)로 환산하면, 4×105 (1/m) 내지 2×106 (1/m)에 해당된다. 일반적으로 금속 포일을 사용하는 종래의 집전체는 대략 20 ㎛의 두께를 갖는다. 20 ㎛ 두께의 포일을 사용하는 종래의 집전체 대비 2 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 갖는 금속 필라멘트는 약 4 배에서 40 배로 증가된 표면적을 갖는다. 집전체의 표면적은 전기적 활물질 및 전해질액과 각각 반응 계면을 형성하는 금속 필라멘트들(10W)의 전극 부피당 도전성 네트워크의 표면적을 의미하는 것이어서, 이를 최대화함으로써 에너지 밀도가 비약적으로 향상된 전지를 얻을 수 있다.
일부 실시예에서, 금속 필라멘트들의 평균 길이는 5 mm 내지 1000 mm 범위 내의 길이를 가질 수 있으며, 이 경우, 상기 금속 필라멘트들의 평균 종횡비는 25 내지 106 범위 내이다. 필요에 따라, 상기 금속 필라멘트들은 5 cm 내지 8 cm 정도의 길이를 갖도록 세그먼트화되어 부직포 구조를 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도전성 네트워크를 이루는 금속 필라멘트들의 길이 및 두께 중 어느 하나 이상이 서로 다를 수도 있다. 예를 들면, 긴 필라멘트와 짧은 필라멘트를 혼용하여 부직포 집전체를 형성할 수 있다. 긴 필라멘트에 대한 짧은 필라멘트의 길이 비율은 1 % 내지 50 % 범위 내 일 수 있다. 긴 필라멘트는 부직포 집전체의 전체 도전률과 기계적 강도를 결정하고, 짧은 필라멘트는 활물질과 긴 필라멘트 사이의 전자 전달 경로 또는 긴 필라멘트들 사이의 전기적 연결을 향상시킴으로써 전지의 내부 저항을 결정할 수 있다.
상기 금속 필라멘트들은, 금속이 갖는 다른 재료에 비해 상대적으로 우수한 내열성, 가소성 및 전기 전도성을 가지면서, 부직포 가공과 같은 섬유 제조 공정이 가능한 이점을 동시에 갖는다. 따라서, 상기 금속 필라멘트를 이용하면, 실질적으로 5 mm 이상의 전 길이 범위에서 이러한 재료적 이점이 그대로 유지될 수 있으므로, 상기 열거된 카본 파이버들, 또는 도전성 폴리머 파이버들, 도전재가 코팅된 폴리머 파이버들와 같은 다른 재료들에 비해 교락 공정이나 열 공정의 공정 부담이 작고, 제조 공정 윈도우가 상대적으로 넓은 이점을 얻을 수 있다.
일부 실시예에서는, 복수의 도전성 섬유들(10W), 예를 들면, 금속 필라멘트들 상에 도전재가 코팅될 수 있다. 상기 도전재는, 부직포 형성 이전에, 복수의 도전성 섬유들(10W) 상에 프리코팅(precoating)되거나 그 이후의 후속 공정에서 적합한 분산 용매를 이용해 포스트코팅(post coating)될 수도 있다. 상기 도전재는, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙 및 초미세 그라파이트 입자와 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트, ITO(indium tin oxide) 페이스트, 탄소 나노 튜브, 또는 비표면적이 크고 저항이 낮은 다른 나노 구조체일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 부직포 집전체(100)를 이용한 전극에서, 상기 도전재는 전지의 충·방전시 초래되는 부피 변화에 의해 도전성 섬유들(10W)로부터 전기적 활물질이 탈락되거나 도전성 섬유들(10W) 사이의 물리적 접촉이 약해질 때 발생할 수 있는 내부 저항의 증가와 전지의 수명 열화를 방지한다.
일부 실시예에서는, 상기 도전재를 복수의 도전성 섬유들(10W) 상에 고정하기 위해 결착재(binder)가 상기 도전재와 함께 프리코팅 또는 포스트코팅될 수 있다. 상기 결착재는 상기 도전재를 복수의 도전성 섬유들(10W) 상에 고정시킬 뿐만 아니라, 복수의 도전성 섬유들(10W) 사이를 고정하거나, 함침된 전기적 활물질을 고정하는 역할을 한다. 예를 들면, 상기 결착재는, 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride: PVdF), 스틸렌부타디엔 고무(styrenebutadiene rubber: SBR), 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄계 폴리머, 폴리에스테르계 폴리머, 및 에틸렌프로필렌디엔 공중합체(ethylene-propylenediene copolymer: EPDM)와 같은 고분자 결착재(binder)일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 도전성 부직포 시트를 갖는 부직포 집전체(100')는 복수의 도전성 섬유들(10W)과 함께 분산된 선형 결착재들(30W)을 더 포함할 수 있다. 선형 결착재들(30W)은, 섬유화가 유리한 고분자 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 선형 결착재들(30W)은, 예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 나일론, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페니렌설파이드(PPS), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF), 이들의 공중합체와 같은 유도체 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 선형 결착재들(30W)은 고강도, 고탄성, 자기 수축성 섬유와 같은 다른 적합한 기계적 또는 내열성이 있는 기능성 고분자 재료를 포함할 수도 있다. 제조 측면에서, 선형 결착재들(30W)을 도전성 섬유들(10W)와 랜덤하게 섞은 후에 교락 등의 공정을 통해 부직포 구조를 얻거나, 섬유 혼방 공정을 통해 이들의 결합 구조가 얻어질 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 부직포 집전체(100, 100') 내에 전기적 활물질들(미도시)은, 슬러리 또는 분말 형태로 상기 기공을 통하여 함침되거나, 도전성 섬유들(10W) 상에 코팅되어 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기적 활물질로 도전성 섬유들(10W)을 제조함으로써 도전성 섬유들(10W) 자체가 전기적 활물질로서 기능할 수도 있다. 선택적으로는, 전기적 활물질이 상기 도전성 섬유들 상에 프리코팅되거나, 전기적 활물질로 형성된 도전성 섬유들의 기공을 통하여 전기적 활물질이 추가적으로 함침될 수도 있다.
예를 들면, 양극의 경우, 상기 전기적 활물질은, LiNiO2, LiCoO2, LiMnO2, LiFePO4 및 LiV2O5와 같은 물질일 수 있으며, 이들은 전술한 방식으로 도전성 부직포 시트 내에 충전될 수 있다. 이들 재료는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 양극용 전기적 활물질은, 리튬, 켈, 코발트, 크롬, 마그네슘, 스트론튬, 바나듐, 란탄, 세륨, 철, 카드뮴, 납, 티타늄, 몰리브데늄 또는 망간을 포함하는 2 성분계 이상의 산화물(oxide), 인산염(phosphate), 황화물(sulfide), 불화물(fluoride) 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, Li[Ni, Mn, Co]O2와 같은 3 성분계 이상의 화합물일 수 있다.
음극의 경우, 상기 전기적 활물질은, 탄소 재료(연화 탄소 또는 경화 탄소인 저결정 탄소/ 천연 흑연(natural graphite), 키시 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소 섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소 구체(meso-carbon microbeads), 중간상 피치(Mesophase pitches), 석유 또는 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes)와 같은 고온 소성를 포함하는 고결정 탄소/ 캐첸 블랙(KetjenBlack)/ 아세틸렌블랙/ 금속 리튬/ 실리콘(Si) 또는 실리콘 산화물과 같은 실리콘계 화합물/ 주석(Sn), 이의 합금 또는 SnO2와 같은 Sn계 화합물/ 비스무스(Bi) 또는 이의 화합물/ 납(Pb) 또는 이의 화합물/ 안티몬(Sb) 및 이의 화합물/아연(Zn) 및 이의 화합물/ 철(Fe) 및 이의 화합물/ 카드뮴(Cd) 및 이의 화합물/ 알루미늄(Al) 또는 이의 화합물을 포함할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 전기적 활물질은 리튬의 흡장(intercalation) / 방출(deintercalation), 또는 합금화(alloying) / 탈합금화(dealloying)가 가능한 다른 금속, 준금속, 비금속, 또는 이들의 산화물, 질화물, 불화물과 같은 화합물을 포함할 수도 있다. 또한, NaS 전지에 적합한 나트륨, 또는 다른 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀레늄화물 및 텔레늄화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서는, 도전성 부직포 시트(10)의 기공 내에 입자 형태로 전기적 활물질이 충전된 경우, 충전된 상기 전기적 활물질과 도전성 섬유 사이의 속박을 위하여 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride: PVdF), 스틸렌부타디엔 고무(styrenebutadiene rubber: SBR), 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄계 폴리머, 폴리에스테르계 폴리머, 및 에틸렌프로필렌디엔 공중합체(ethylene-propylenediene copolymer: EPDM)와 같은 고분자 결착재(binder)가 첨가될 수 있다. 또한, 상기 결착재와 함께, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙 및 초미세 그라파이트 입자와 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트, 또는 ITO(indium tin oxide) 페이스트 탄소 나노 튜브, 또는 비표면적이 크고 저항이 낮은 다른 나노 구조체인 도전재가 더 외첨될 수도 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 도전성 부직포 시트(10)의 주면의 표면(이하, 주 표면이라 함) 상에는 기공을 부분적으로 폐색하는 도전성 패턴들(10P_1)이 형성될 수 있다. 도전성 패턴(10P_1)은 도전성 부직포 시트(10)의 어느 일 주면에만 형성되거나 양 주면에 형성될 수 있다.
도전성 패턴들(10P_1)이 배치되는 도전성 부직포 시트(10)의 표면은 다른 노출된 도전성 부직포 시트의 인접 표면 영역과 달리 표면 상에 노출된 기공들이 폐색된다. 상기 폐색의 정도는, 도전성 패턴들(10P_1)의 형성 방법에 따라 실질적으로 완전히 기공들이 다 없어진 상태이거나 기공률의 크기가 30% 이하로 작아지는 경우를 포함한다. 도전성 패턴들(10P_1)이 형성된 도전성 부직포 시트(10)의 표면 영역은 도전성 패턴들(10P_1)이 형성되지 않은 다른 노출된 표면들(10E)에 비해 기계적인 강도를 강화시키거나 부직포 집전체 전체의 인장 강도를 강화시킬 수 있다. 이러한 특징에 관하여는 상세히 후술하도록 한다.
일부 실시예에서, 도전성 패턴(10P_1)은 도전성 부직포 시트들(10)의 표면의 도전성 섬유들(10W)을 서로 부분 융착시켜서 형성될 수 있다. 상기 부분 융착은 초음파 용접, 열 용접 또는 솔더링 공정에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 도전성 패턴(10P_1)은 금속 패턴층과 같은 도전성 막을 도전성 부직포 시트(10)의 표면에 코팅하거나 융착시킴으로써 제공될 수도 있다. 이러한 코팅은 도전성 부직포 시트(10)의 주 표면에 전면적으로 도전성 막을 형성하고 패터닝함으로써 제공되거나 패터닝된 도전성 막을 도전성 부직포 시트(10) 상에 라미네이팅함으로써 형성될 수 있다.
도전성 패턴(10P_1)에 의해 폐색된 부분을 제외하고는, 도전성 부직포 시트(10)의 나머지 표면들(10E)은 노출된 기공에 의해 도전성 부직포 시트(10)의 표면과 내부가 서로 연통될 수 있다. 도전성 부직포 시트(10)의 노출된 표면의 기공들을 통하여, 전기적 활물질의 적하 공정이 수행될 수 있으며, 도전성 패턴(10_1)에 의해 마스킹된 영역을 제외하고는, 적하되는 전기적 활물질은 도전성 부직포 시트(10)의 부직포 집전체의 표면에서 내부까지 균일하게 충전될 수 있다. 이러한 적하 공정이 완료된 후, 전기적 활물질이 충전된 부직포 집전체의 표면을 닦아내면 도전성 패턴(10P_1)이 노출될 수 있다. 선택적으로는, 전기적 활물질이 충전된 부직포 집전체는 전극의 밀도 및 두께 제어를 위한 압착 공정을 겪을 수도 있을 것이다.
도전성 패턴(10P_1)은 부직포 집전체(10)의 표면 상에 기공을 노출시킬 수 있도록 소정의 간격만큼 이격된 라인 패턴들을 포함할 수 있다. 상기 라인 패턴들은 도 1a에 도시된 바와 같이 도전성 부직포 시트(10)의 주 표면을 가로지르는 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 라인 패턴들은 도전성 부직포 시트(10)의 가장자리까지 연장될 수 있다.
화살표 x 방향은 도 4 및 도 7을 참조하여 후술하는 바와 같이 전극 제조를 연속 공정시 도전성 부직포 시트(100)의 이송 방향 (P 방향, B 방향)을 지칭하며, 화살표 y 방향은 도 8a 내지 도 8d를 참조하여 후술하는 바와 같은 전지 패키징시 부직포 집전체의 접힘 및 감음과 같은 패키징 공정에서의 접힘 축 또는 감음 축 I에 평행한 방향을 지칭한다. 도 1a의 실시예에서, 상기 라인 패턴들은 부직포 집전체의 접힘 축 또는 감음 축에 평행한 방향으로 정렬된 것을 예시한다. 그러나, 이러한 라인 패턴들의 방향은 도전성 부직포 시트(100)의 이송 방향에 평행할 수도 있다. 또한, 전술한 실시예에서는, 도전성 부직포 시트(100)의 이송 방향과 부직포 집전체의 접힘 및 감음 축이 서로 직교하는 것으로 설명하고 있지만, 이는 예시일 뿐, 이들의 방향은 서로 평행할 수도 있다.
도 1c를 참조하면, 부직포 집전체(100")의 도전성 패턴들(10P_1')은 도전성 부직포 시트(10)의 일 표면으로부터 내부로 확장되어 반대 주면까지 연장된 융착부를 포함할 수도 있다. 상기 융착부는, 도전성 패턴들(10P_1')이 형성될 때 도전성 부직포 시트(10)의 깊이 방향으로 도전성 섬유들이 서로 융착되어 제공될 수 있다. 깊이 방향의 융착은 초음파 용접, 열 용접 또는 솔더링 공정시 가해지는 에너지와 같은 변수를 조절하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이와 같이, 도전성 부직포 시트의 표면을 지나 깊이 방향으로 도전성 섬유들(10W) 사이의 융착이 일어나면, 도전성 부직포 시트는 도시된 바와 같이 물결 모양으로 변형될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 부직포 집전체들(100A, 100B)을 도시하는 사시도들이다.
도 2a를 참조하면, 도전성 패턴(10P_2)은 부직포 집전체(10)의 표면 상에 기공을 노출시킬 수 있도록 소정의 간격만큼 이격된 라인 패턴들을 포함할 수 있다. 상기 라인 패턴들은 도전성 부직포 시트(10)의 주 표면을 가로지르는 형상을 가질 수 있다. 상기 라인 패턴들은, 전술한 바와 같이 도전성 부직포 시트(100)의 이송 방향과 평행한 x 방향으로 정렬될 수 있다. 또한, 상기 라인 패턴들은 부직포 집전체(10)의 가장자리에 형성되거나, 가장자리에만 국부적으로 형성될 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 도전성 패턴(10P_3)은 도전성 부직포 시트(10)의 주 표면 상에서 형성된 격자 패턴을 포함할 수도 있다. 상기 격자 패턴은 화살표 x 및 y 방향으로 연장된 격자 패턴을 가질 수 있다. 일부 실시예에서는, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 격자 패턴이 도전성 부직포 시트(10)의 상부 표면(10U)과 하부 표면(10B)에 모두 형성될 수도 있다. 도 2b에 도시된 특징들은, 도 1a 내지 도 2a를 참조하여 설명된 도전성 패턴들(10P_1, 10P_2)에 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 1a의 도전성 부직포 시트(10)의 양 주 표면들 상에 도전성 패턴들(10P_1)이 형성될 수도 있다.
전술한 도전성 패턴들은 서로 조합된 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 도전성 부직포 시트(10)의 상부 표면(10U)에는 라인 패턴들이 형성되고, 하부 표면(10B)에는 격자 패턴이 형성될 수도 있다. 또한, 도전성 부직포 시트(10)의 상부 표면(10U)과 하부 표면(10B)에 각각 라인 패턴들이 형성되고, 이들 라인 패턴들은 서로 x 방향 및 y 방향으로 직교할 수 있다. 또한, 도전성 패턴들은 도 1c를 참조하여 설명한 바와 같이 도전성 부직포 시트(10)의 일 표면에서 깊이 방향으로 더 확장될 수도 있다.
전술한 도전성 패턴들은 그 연장 방향인 x 방향 또는 y 방향으로 도전성 부직포 시트(10)의 인장 강도를 향상시키거나, 전지 패키징시 부직포 집전체의 접힘 및 감음 공정에서 부직포 집전체의 특정 영역에 집중되는 응력에 의한 변형 또는 파단을 완화하도록 도전성 부직포 시트(10)를 기계적으로 강화한다. 또한, 상기 도전성 패턴들의 표면은 전기적 활물질에 의해 간섭되지 않는 깨끗한 도전 표면을 제공하여 외부 회로와의 연결을 위한 리드 또는 탭 자리로서 기능할 수도 있다. 이러한 특징들 및 이점들은 관련 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 방법을 순차대로 도시하는 사시도들이다.
도 3a를 참조하면, 도전성 패턴들(10P)이 형성된 도전성 부직포 시트(10)에 대하여 그 내부에 전기적 활물질의 충전 공정이 수행될 수 있다. 상기 전기적 활물질은 슬러리 또는 분말 형태로 화살표 G로 나타낸 바와 같이 도전성 부직포 시트(10)의 내부로 적하(loading)될 수 있다. 예를 들면, 상기 전기적 활물질의 적하는 슬릿 다이 또는 분무 장치(미도시)와 같은 적합한 주입 장치에 의해 수행될 수 있다. 상기 슬릿 다이를 통해 전기적 활물질은 슬러리 또는 분말 형태로 도전성 부직포 시트(10)의 노출된 표면(10E)의 기공을 통해 도전성 부직포 시트(10)의 내부로 함침된다. 상기 주입 장치에 인가되는 압력을 적절히 제어함으로써 함침되는 전기적 활물질의 양과 분산 균일도를 제어할 수 있다.
도전성 부직포 시트(10)의 내부로 적하되는 전기적 활물질에 대하여 도전성 패턴들(10P)은 마스크로서 기능한다. 도전성 패턴들(10P)에 의해 폐색된 부분을 제외하고는, 나머지 표면들(10E)은 노출된 기공에 의해 도전성 부직포 시트(10)의 내부로 연통될 수 있다. 그 결과, 적하되는 전기적 활물질은 도전성 부직포 시트(10)의 표면에서 내부까지 균일하게 충전될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 이러한 적하 공정이 완료된 후, 전기적 활물질(EA)이 충전된 부직포 집전체(100)가 제조될 수 있다. 노출된 도전성 패턴들(10P)의 표면 상에 있는 전기적 활물질(EA)을 제거하면, 도전성 패턴들(10P)의 깨끗한 표면이 노출될 수 있으며, 이러한 도전성 패턴들(10P)의 표면은 전지 탭 또는 리드(Tb) 자리가 된다. 전지 탭 또는 리드(Tb)는 도전성 부직포 시트(10)에 충전된 전기적 활물질에 의한 간섭 없이 도전성 패턴들(10P)에 솔더링 또는 융착될 수 있기 때문에, 부직포 집전체 내부의 도전성 섬유들의 네트워크와 실질적으로 저저항 콘택이 가능하고, 부직포 집전체(100')를 위한 전지 탭 또는 리드 형성이 쉬워진다.
감음 또는 접힘과 같은 전지 패키지 방식을 고려할 때, 전지 탭 또는 리드(Tb)는 부직포 집전체(100')의 가장자리에 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 도전성 패턴들(10P)은 도전성 부직포 시트(10)의 가장자리까지 연장될 수 있다.
선택적으로는, 전기적 활물질을 적하한 후에, 전극의 밀도 및 두께 제어를 위해 화살표 H로 나타낸 바와 같이 도전성 부직포 시트(10)는 압착 공정을 겪을 수도 있다. 이러한 압착 공정은 전지 탭 또는 리드(Tb)의 형성 이전 또는 이후에 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도전성 부직포 시트(10)로 전기적 활물질을 충전하는 공정은 후술하는 바와 같이 적합한 권취롤 또는 이송 수단을 통하여 연속적으로 도전성 부직포 시트(10)를 공급하면서 전기적 활물질을 충전하는 방식에 의해 수행될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 시스템(FS1)이다.
도 4를 참조하면, 전극의 제조 시스템(FS1)은 연속적으로 제공되는 도전성 부직포 시트(10L)에 전기적 활물질을 충전하여 전극을 형성하는 장치이다. 제조 시스템(FS1)은 도전성 부직포 시트(10L)를 연속적으로 공급하기 위한 공급 장치 또는 이송 수단으로서 복수의 롤러 부재들(RT_1 ~ RT_8)을 포함할 수 있다.
상기 롤러 부재들 중 제 1 이송 롤러(RT_1)는 도전성 부직포 시트(10L)를 공급하기 위한 권출 장치일 수 있다. 권출 장치(RT_1)로부터 풀려진 도전성 부직포 시트(10L)는 방향 전환 또는 적정한 인장 응력을 유지하도록 하기 위한 제 2 이송 롤러(RT_2)를 경과한 후 내부에 전기적 활물질(SS)이 용해 또는 분산된 조(bath; BA)를 경과할 수 있다. 제 2 이송 롤러(RT_2)는 예시적이며, 생략되거나 다른 공지의 수단에 의해 대체되거나 조합되어 사용될 수 있다.
조(BA) 내부의 전기적 활물질(SS)은 슬러리, 건조 상태의 분말이거나 점성이 낮은 액체일 수도 있다. 점성이 낮은 액상의 전기적 활물질의 경우, 도전성 부직포 시트(10L)를 구성하는 도전성 섬유들 상에 상기 전기적 활물질(SS)은 막 형태로 코팅될 수도 있다. 조(BA) 내부에는, 전기적 활물질(SS)과 기공을 갖는 도전성 부직포 시트(10L) 사이의 접촉에 따른 마찰력 및 기공에 의한 저항력을 극복하면서 도전성 부직포 시트(10L)가 P 방향으로 일정한 속도로 이동할 수 있도록 하는 제 3 및 제 4 이송 롤러(RT_3, RT_4)가 제공될 수 있다. 이들 제 3 및 제 4 이송 롤러(RT_3, RT_4)는 예시적일 뿐 다른 공지의 이송 수단이 적용될 수도 있다.
일부 실시예에서, 조(BA) 내에는, 도전성 부직포 시트(10L)의 노출된 표면의기공을 통하여 그 내부로 전기적 활물질(SS)의 함침을 촉진하기 위한 공급 수단이 제공될 수 있다. 상기 공급 수단은 도 4에 도시된 바와 같이, 일정한 압력을 인가할 수 있는 제 1 처리 롤러(RP_1)를 포함할 수 있다. 제 1 처리 롤러(RP_1)는 일정 크기의 갭을 정의하도록 서로 대향 배열되고, 서로 반대 방향으로 회전할 수 있다. 상기 갭을 통하여 도전성 부직포 시트(10L)가 경과하면서 전기적 활물질(SS)이 가압되어, 전기적 활물질(SS)이 도전성 부직포 시트(10L)의 표면으로부터 내부로 압입된다. 제 1 처리 롤러(RP_1)는 전기적 활물질(SS)의 균일한 충전, 최밀 충전 및/또는 함침량을 조절을 위하여 2 쌍 이상일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예에서, 상기 공급 수단, 예를 들면, 제 1 처리 롤러(RP_1)는 도전성 부직포 시트(10L)와 접하는 표면에 주변의 전기적 활물질(SS)을 끌어오기 위한 적합한 요철과 같은 표면 패턴을 가질 수도 있다. 상기 공급 수단으로서 전술한 제 1 처리 롤러(RP_1)는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 공급 수단은 균일한 충전, 최밀 충전 및/또는 함침량을 조절을 위하여 바아 형, 평판 형 또는 이들의 조합으로 변형 실시될 수도 있다. 이러한 공정은 도전성 부직포 시트(10L)의 기공을 통해 침습된 전기적 활물질이 도전성 부직포 시트(10L)의 내부에 트랩될 수 있기 때문에, 조를 이용하여 전기적 활물질의 효율적인 함침 공정이 가능하며, 이러한 조 내에서의 끌기에 의한 전기적 활물질의 함침 공정은 종래의 금속 포일 집전체에서는 수행되기 어렵다.
전기적 활물질(SS)이 도전성 부직포 시트(10L)에 충전되어 부직포 전극(100L)이 되면, 부직포 전극(100L)은 조(BA) 밖으로 나온다. 조(BA)에서 부직포 전극(100L)의 표면 상에는 잉여의 전기적 활물질이 묻어 있을 수 있다. 이를 제거하기 위해, 블레이드(BL)와 같은 스위핑 부재가 부직포 집전체(100L)의 표면을 닦음으로써 잉여의 전기적 활물질이 제거되고, 부직포 집전체(100L)의 표면 상에 형성된 도전성 패턴들(도 1a의 10P_1 참조)의 표면이 노출될 수 있다.
일부 실시예에서는, 조(BA) 밖에서도 부직포 집전체(100L) 내의 전기적 활물질의 함침량 조절을 위해 일정한 압력을 가하기 위한 제 2 처리 롤러(RP_2)와 같은 가이드 롤이 제공될 수 있다. 이와 같이, 전기적 활물질의 함침 공정이 완료되면, 부직포 집전체(100L)는 후속 공정으로 이송된다. 이를 위해 제조 시스템(FS)은 이송 수단으로서 제 5 내지 제 7의 롤러 부재들(RT_1 ~ RT_8)을 포함할 수 있다.
전기적 활물질이 충전된 부직포 집전체(100L)는 열풍 장치와 같은 건조 장치 또는 열처리 장치(HZ)를 통과하면서 후처리될 수 있다. 이후, 화살표 H로 나타낸 바와 같이 압력 인가가 가능한 제 3 처리 롤러(RP_3)에 의해 후처리된 부직포 집전체는 가압될 수 있다. 이러한 가압 공정을 통해 부직포 전극의 두께와 그에 따른 전극의 에너지 밀도가 제어될 수 있다.
제조된 부직포 전극은 제조 시스템(FS1)를 통하여 연속적으로 출력될 수 있으며, 권취 장치(RT_8)에 의해 수납될 수 있다. 수납된 부직포 전극은 적절히 커팅되어 전지의 음극 또는 양극으로 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제조된 부직포 전극은 별도로 수납되지 않고, 연속적으로 탭 형성 공정, 분리막 적층 공정, 패키징을 위한 스택킹, 젤리 롤 공정 또는 전해질 함침과 같은 후단 공정을 겪을 수 있다.
도전성 섬유들의 물리적 결착만으로 이루어진 부직포 집전체의 경우, 그 섬유적 특성 때문에, 전술한 이송 방식에 의한 연속 공정에서 부직포 집전체에 인가되는 응력으로 인해 부직포 집전체는 20% 이상 신장될 수 있다. 이 경우, 기공률의 변화와 부직포 집전체 내의 불균일도가 증가하게 되어 롤러를 이용한 연속 전달 및 공정은 실질적으로 불가능하다. 또한, 과도한 연신 또는 심한 경우 파단과 같은 극단적 불량이 나타날 수 있으며, 이에 이르지 않더라도, 부직포 집전체가 신장되는 경우, 도전성 섬유들 사이의 전기적 콘택 및 도전성 섬유들의 표면과 전기적 활물질 사이의 전기적 콘택이 열화될 수 있으므로, 신장률의 제어 및 억제가 요구된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 도전성 부직포 시트 상에 형성된 도전성 패턴들에 의해 부직포 집전체의 장력이 보강될 수 있으므로, 부직포 집전체의 인장 신장률이 20% 이하로 제어되고, 바람직하게는 0.1 % 내지 10 %의 범위 내로 제어될 수 있기 때문에 종래의 금속 포일의 집전체를 이용한 전지 제조 공정과 동일한 수준에서 롤러와 같은 이송 수단에 의한 연속 공정이 가능하게 되고, 부직포 집전체의 전기 화학적 특성뿐만 아니라 연속 공정상의 이점을 최대한 확보할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부직포 집전체(100")를 포함하는 전극의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 부직포 집전체(100")는 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)를 포함할 수 있다. 한다. 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)는 전술한 바와 같은 도전성 부직포 시트(도 1a의 10)일 수 있다. 도전성 섬유들(10W)은 전자의 전달 경로이며, 집전체로서 사용될 수 있다. 상부 도전성 부직포 시트(10A) 및 하부 도전성 부직포 시트(10B) 중 적어도 어느 하나의 표면 상에는 기공을 부분적으로 도전성 패턴들(10P)이 형성될 수 있다. 도전성 패턴들(10P)은 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)의 전 두께 또는 일부 깊이에 걸친 융착부(도 1b의 10P_1 참조)를 포함할 수도 있다. 상기 융착부는 상부 도전성 부직포 시트(10A) 또는 하부 도전성 부직포 시트(10B)에만 국한될 수도 있다.
상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B) 사이에는 장력 보강층(20)이 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 부직포 집전체(100")는 단일 도전성 부직포 시트를 포함할 수 있으며, 장력 보강층(20)은 도전성 부직포 시트의 어느 일 주 표면 또는 양 주면에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 부직포 집전체는 장력 보강층이 결합된 도전성 부직포 시트가 적어도 2 회 이상 적층된 적층체일 수도 있다.
장력 보강층(20)은 부직포 집전체(100") 전체의 인장 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 인장 강도는 부직포 집전체(100)의 주면에 평행한 방향의 장력 강화를 포함한다. 부직포 집전체(100)의 주면에 평행한 방향의 장력 강화는 부직포 집전체(100)의 주면에 대하여 모든 평행한 방향, 즉, 방사상으로 인장 강도 향상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 부직포 집전체(100")의 주면에 평행한 방향의 장력 강화는 부직포 집전체(100")의 주면에 대하여 평행한 방향 중 선택된 소정 방향에서만 나타나도록 제어될 수도 있다. 예를 들면, 슬러리 함침이나 압착 공정과 같은 전지 제조 공정을 연속적으로 수행하기 위한 롤러 이송, 또는 부직포 집전체(100)에 변형을 유발하는 젤리 롤 또는 적층과 같은 패키징 공정에서, 상기 장력 강화의 방향은 이들 공정에서 사용되는 상기 롤러의 회전축 또는 젤리 롤의 감음축에 수직한 방향으로 한정될 수 있다. 그에 따라, 상기 롤러의 회전에 의한 권출 또는 권취 과정/ 또는 젤리 롤 형성과 같은 패키징 공정 중에, 부직포 집전체(100")의 변형이 억제되고, 파단이나 항복이 저지될 수 있다. 또는, 도 8a 내지 도 8d를 참조하여 설명될 것이지만, 감음 축이나 굽힘 축(I)에 평행한 방향으로 형성될 수도 있다.
도 5에 도시된 실시예에서는, 장력 보강층(20)이 부직포 집전체(100") 내에서 명확한 층 구조를 유지하는 것으로 도시되어 있지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 실제 제조된 부직포 집전체(100")에서는, 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)가 실질적으로 일체화되고 그 내부에 장력 보강층(20)이 매립되어, 장력 보강층(20)은 육안으로 명확히 구분되지 않을 수 있다. 이러한 특징은, 도 5b 내지 도 6c를 참조하여 후술되는 장력 보강층들(20A - 20D)의 실시예들마다 그 정도가 서로 다르게 나타날 수도 있을 것이다.
장력 보강층(20)에 의해 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B) 사이의 결합이 매개될 수 있다. 일 실시예에서, 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)는 각각 장력 보강층(20)의 상부 표면(20U)과 하부 표면(20D)에 접착됨으로써 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)의 결합이 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 결합을 위해 장력 보강층(20)이 결합재를 포함하거나 별도의 결합재가 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 장력 보강층(20)과 도전성 부직포 시트들(10A, 10B) 사이의 상기 결합은 장력 보강층(20)과 도전성 부직포 시트들(110A, 10B) 중 어느 하나가 가열, 적외선, 자외선, 전자빔 또는 초음파와 같은 에너지에 의해 일부가 용융에 되어 이들 사이가 접착됨으로써 달성되거나, 이들 모두가 부분적으로 용융되어 이들 사이가 접착됨으로써 달성될 수도 있다. 이러한 공정은 결합재가 사용되지 않아 환경 부하가 감소되는 이점이 있다.
다른 실시예에서, 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)는 이들의 섬유적 특성을 이용하여 장력 보강층(20)을 통해 서로 교락되어 결합될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 상부 도전성 부직포 시트 및/또는 하부 도전성 부직포 시트(10A, 10B)를 구성하는 도전성 섬유들이 장력 보강층(20)을 통해 브릿지(BR)를 형성함으로써, 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)는 서로 기계적으로 결합되어 일체화될 수 있다. 실시예들에서, 장력 보강층(20)을 매개로 결합된 상부 도전성 부직포 시트(10A)와 하부 도전성 부직포 시트(10B)는 서로 브릿지(BR)에 의해 접촉 연결되기 때문에, 전기적으로도 결합되어 부직포 집전체(100)는 전지의 집전체 또는 전자 전달을 위한 단일한 도전성 네트워크를 제공할 수 있다. 브릿지(BR)는 단일한 도전성 부직포 시트와 장력 보강층이 결합되는 경우에도 후술하는 브릿지 형성 공정을 통해 형성될 수도 있다.
브릿지(BR)의 형성은, 니들 펀치법, 스펀 레이스법, 스티치 본드 또는 다른 적합한 방법에 의한 기계적 접착에 의해 수행될 수 있다. 상기 니들 펀치법은 훅(hook)이 부착된 많은 침들(needles)을 수직으로 도전성 부직포 시트에 넣었다 빼는 것을 반복함으로써, 상부 도전성 부직포 시트와 하부 도전성 부직포 시트의 도전성 섬유들(10W)을 서로 교락시키는 것이며, 상기 침의 형상을 적절하게 설계하여, 벨루어(velours)의 부직포를 만들 수 있다. 상기 스펀 레이스법은 침 대신에 고속 제트(jet)의 물을 이용하여 상부 도전성 부직포 시트와 하부 도전성 부직포 시트의 도전성 섬유들(10W)을 서로 교락시키는 방법이며, 수류교락법이라고도 한다. 상기 스티치 본드법은 상기 부직포 집전체를 따라 재봉하는 것이다.
전술한 실시예들에 따라 형성된 부직포 집전체(100)는 도전성 섬유들(10W)끼리 교락됨으로써 일체화되기 때문에, 도전성 섬유들(10W)의 양을 감소시키면 기공이 크면서도 유연하고 부드러운 제품을 만들 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 기공률의 증가를 위해 도전성 섬유들(10W)의 양을 적게 사용하면서도, 도전성 패턴들과 장력 보강층에 의해 부직포 집전체 전체의 기계적 강도를 확보할 수 있기 때문에, 부직포 집전체의 기공률의 제어가 용이하다.
또한, 상기 도전성 부직포 시트의 도전성 섬유들이 물리적 접촉을 이루고 있고, 부직포 집전체의 주면에 수평한 방향으로만 인장 강도를 향상시킴을 고려하면, 부직포 집전체의 상부 및 하부 표면에 수직한 방향으로의 수축 팽창이나 한정된 부피 내에서 내부 부피 변화의 흡수가 용이하여 충·방전시 발생할 수 있는 전극의 부피 변화에 유연하게 대응할 수 있다. 이로써, 전지의 충·방전시 전극의 크랙과 같은 비가역성이 완화될 수 있어, 전지의 수명이 향상될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 장력 보강층들(20A, 20B, 20C, 20D)을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 6a의 장력 보강층(20A)은 복수의 섬유들(20W)로 이루어진 부직포 구조를 가질 수 있다. 장력 보강층(20A)의 부직포 구조는 복수의 섬유들(20W)이 서로 열융착이나 폼 구조와 같이 서로 결합되어 장력이 도전성 부직포 시트에 비하여 더 강화된 인장 응력을 갖는 점에서 도전성 부직포 시트와 구별된다.
도 6b의 장력 보강층(20B)은 복수의 섬유들이 위사(20W_1)와 경사(20W_2)로 직조된 직조 구조를 갖는다. 상기 직조 구조는 예시적인 평직이며, 다른 실시예에서, 능직, 또는 수자직과 같은 다른 직조 구조를 갖거나 소정 방향의 인장 강도를 선택적으로 증가시킬 수 있는 적합한 구조를 더 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 장력 보강층(20C)은 도 2c에 도시된 바와 같은 그물 구조(20M)를 가질 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 장력 보강층(20D)는 도 2d에 도시된 바와 같이, 갭(S)을 가지면서 일정 방향으로 전개된 복수의 섬유들(20W)을 포함할 수 있다. 복수의 섬유들(20W)이 전개된 방향(화살표 E)은 슬러리 함침이나 압착 공정과 같은 전지 제조 공정에서 요구되는 롤 공정 또는 패키징을 위한 젤리 롤 형성 공정에서 사용되는 롤러(도 4의 RT_1, RT_2)의 회전축, 또는 젤리 롤의 중심축에 수직한 방향(예를 들면, 도 8a의 화살표 B 방향)일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 장력 보강층은 전술한 부직포 구조, 직조 구조, 그물 구조 또는 일정 방향으로 전개된 구조들에서 2 이상의 구조가 조합된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 전지 제조 공정 중에 활용되는 롤러의 회전축에 수직한 방향으로 부직포 집전체의 인장 강도를 증가시키기 위해, 변형된 장력 보강층은 도 6a에 도시된 부직포 구조를 가지면서 동시에 도 6d에 도시된 상기 롤러의 회전축에 수직한 방향으로 전개된 복수의 섬유들이 혼방된 구조를 가질 수도 있다.
전술한 실시예들에 따른 장력 보강층들(20A-20D)은 모두 기공들(S)을 갖는다. 기공들(S)은 장력 보강층들(20A-20D)을 구성하는 인접하는 복수의 섬유들(10W) 또는 메시들(도 2c의 S)에 의해 제공될 수 있다. 기공들(S)을 통해서 상부 도전성 부직포 시트와 하부 도전성 부직포 시트 사이가 연통된다. 이에 의해, 전술한 상부 도전성 부직포 시트와 하부 도전성 부직포 시트의 결합을 위한, 예를 들면, 도전성 와이어들(10W)의 교락은 장력 보강층들(20A-20D)의 기공들(S)을 통해서 수행될 수 있다. 또한, 장력 보강층들(20A-20D)의 기공들(S)을 통해 전지 반응을 위한 이온들의 전달이 부직포 집전체(100) 내부에서 원활하게 이뤄지고, 통전도 확보될 수 있다.
일부 실시예에서, 장력 보강층들(20A-20D)의 기공들(S)의 평균 크기는 부직포 구조를 갖는 도전성 부직포 시트들(10A, 10B)의 기공들의 평균 크기와 같거나 더 클 수 있다. 전극 제조를 위해, 부직포 집전체(100) 내부 전체로 전기적 활물질 입자의 함침이 이뤄지는 경우, 장력 보강층들(20A-20D)의 기공들(S)이 충분히 크면, 상부 도전성 부직포 시트 또는 하부 도전성 부직포 시트의 어느 일면을 통하여 적하되는 전기적 활물질이 장력 보강층에 의한 간섭을 받지 않고 부직포 집전체 내부 전체로 균일하게 함침될 수 있다.
장력 보강층들(20A-20D)은 고분자 소재, 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 장력 보강층들(20A-20D)의 재료는 상기 부직포 집전체와 동일한 재료이거나 다른 재료를 포함할 수 있다. 상기 고분자 소재는, 예를 들면, 섬유화가 유리한 고분자 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 나일론, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페니렌설파이드(PPS), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF), 또는 이들의 공중합체와 같은 유도체가 장력 보강층용 고분자 재료로 사용될 수 있다. 이러한 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 장력 보강층(20)은 고강도, 고탄성, 자기 수축성 섬유와 같은 다른 적합한 기계적 또는 내열성이 있는 기능성 고분자 재료를 포함할 수도 있다. 또는, 필요에 따라 상기 결착재는 도전성을 갖는 다른 폴리머계 재료, 석유 피치, 콜타르일 수도 있다. 이들 예들로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 전해질에 용해되지 않으면서 전기화학적 반응 하에서 소정의 결합력을 가지면서 안정성을 갖는 재료가 적용될 수 있다. 상기 금속은, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 스테인레스스틸, 니켈 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 제조 시스템(FS_2)을 도시한다.
도 7을 참조하면, 전극의 제조를 위해 상부 도전성 부직포 시트를 제공하는 단계, 하부 도전성 부직포 시트를 제공하는 단계, 및 장력 보강층을 제공하는 단계가 각각 수행된다. 이후, 상기 장력 보강층을 매개로 상기 상부 도전성 부직포 시트와 상기 하부 도전성 부직포 시트를 결합시키는 단계가 수행된다. 이들 단계들은 연속적으로 수행될 수 있다.
연속적인 공정을 위해 상부 도전성 부직포 시트(10A_L)와 하부 도전성 부직포 시트(10B_L)는 각각 제 1 및 제 2 권출 장치(10P_1, 10P_2)에 의해 제공될 수 있다. 또한, 장력 보강층(20_L)도 제 3 권출 장치(20P)에 의해 제공될 수 있다. 상부 도전성 부직포 시트(10A_L)와 하부 도전성 부직포 시트(10B_L) 사이에 장력 보강층(20_L)이 배치되도록 제 1 내지 제 3 권출 장치(10P_1, 10P_2, 20P)는 그 적층 순서에 부합되도록 동일 순서로 배치될 수 있다.
일부 실시예에서는, 제 1 내지 제 3 권출 장치(10P_1, 10P_2, 20P)로부터 풀려진 도전성 부직포 시트들(10A_L, 10B_L)과 장력 보강층(20_L)이 적층에 적합하도록 나란히 정렬하기 위한 정렬 부재들이 제공될 수 있으며, 상기 정렬 부재는 롤러 부재들(30)일 수 있다. 다른 실시예에서, 롤러 부재들(30)과 함께 또는 이를 대체하여 블레이드(blade)와 같은 가이드 부재가 제공될 수도 있다.
나란히 정렬된 도전성 부직포 시트들(10A_L, 10B_L)과 장력 보강층(20_L)은 결합 장치(40)에 의해 서로 결합된다. 결합 장치(40)는, 장력 보강층(20_L)의 종류에 따라, 용융 접착을 위한 히터, 적외선, 자외선, 전자빔 또는 초음파와 같은 에너지 인가 장치일 수 있다. 다른 실시예에서, 결합 장치(40)는 상부 도전성 부직포 시트(10A_L)와 하부 도전성 부직포 시트(10B_L)를 서로 교락시키기 위한 니들 펀치, 스펀 레이스 또는 스티치 본드 장치와 같은 섬유 결합 공정 장치일 수도 있다.
결합 장치(40)에 의해 제조된 부직포 집전체(100_L)는 표면 상의 도전성 패턴과 장력 보강층에 의해 강화된 인장 응력을 갖게 된다. 제조된 부직포 집전체(100_L)는 별도의 권취 장치(미도시)에 의해 수납될 수 있다. 일부 실시예에서는, 부직포 집전체(100_L)는 권취 장치에 수납되기 이전에, 가압 롤러 부재와 같은 가압 장치에 의해 부직포 집전체(100_L)가 압착되거나 열풍 장치와 같은 건조 장치를 경과하여 수분 또는 불순물 제거를 위한 정련 공정을 겪을 수도 있다. 제조된 부직포 집전체(100_L)는 전기적 활물질의 충전 단계, 상기 전기적 활물질의 후처리 단계 및 전극의 압착 단계를 겪을 수 있다.
다른 실시예에서는, 도 7에 도시된 결합 장치(40) 후단의 공정에서와 같이, 전술한 권취 장치에 의해 수납되지 않고, 연속적으로 양극 또는 음극 형성을 위한 전기적 활물질을 채우는 충전 공정이 수행될 수 있다. 상기 전기적 활물질의 충전 공정은 도 3a를 참조하여 전술한 바와 같이 슬러리 또는 분말 형태로 전기적 활물질을 적하(loading)하는 공정에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 전기적 활물질의 적하는 슬릿 다이(50)에 의해 수행될 수 있다. 슬릿 다이(50)를 통해 전기적 활물질은 슬러리 또는 분말 형태로 부직포 집전체(100_L)의 표면 상에 노출된 기공을 통해 부직포 집전체(100_L)의 내부로 함침된다. 슬릿 다이(50)로 인가되는 압력을 적절히 제어함으로써 함침되는 전기적 활물질의 양과 균일도를 제어할 수 있다. 다른 실시예에서, 전기적 활물질의 적하 공정은, 스프레이와 같은 분무 장치에 의해 충전될 수도 있다.
적하되는 전기적 활물질에 대하여, 도전성 부직포 시트의 표면 상에 형성된 도전성 패턴들은 마스킹 역할을 한다. 일부 실시예에서는, 전기적 활물질의 함침량을 조절하기 위해, 일정한 압력을 가할 수 있는 가이드 롤(60)이 제공될 수도 있다. 다른 실시예에서는, 블레이드 또는 바로 부직포 집전체의 표면을 스위핑함으로써 전기적 활물질의 함침량이 조절될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 전기적 활물질은 부직포 집전체(100_L)의 도전성 섬유들 상에 코팅되어 제공될 수 있다. 도전성 섬유들 상에 전기적 활물질을 코팅하기 위해, 전해 도금 또는 비전해 도금을 위해 도금조(plating bath)가 제공될 수도 있다. 상기 도금조 내의 전해액 또는 금속 이온 용액으로 부직포 집전체(100_L)가 경과하면서, 금속 이온의 환원 또는 석출이 수반되면서 상기 전기적 활물질이 도전성 파이버들 상에 코팅될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 전기적 활물질은 부직포 집전체(100_L)의 도전성 파이버들 상에 스퍼터링 및 전자빔 증발법에 의해 물리적 기상 증착되거나, 적합한 기상 전구체를 이용해 화학 기상 증착될 수도 있다. 이를 위하여, 적합한 상압 또는 진공 챔버가 제공될 수도 있다. 전술한 전기적 활물질의 형성시스템은 서로 조합되어 사용될 수도 있다.
전기적 활물질이 충전된 부직포 전극(100_L')은 열풍 장치와 같은 건조 장치 또는 열처리 장치(70)를 통과하면서 후처리될 수 있다. 이후, 화살표로 나타낸 바와 같이 압력 인가가 가능한 롤러 부재(80)를 통해 후처리된 부직포 전극(100_L')압착됨으로써 두께와 그에 따른 전극 밀도가 제어될 수 있다.
제조된 부직포 전극(EL)은 화살표 B로 나타낸 바와 같이 제조 시스템(200)을 통하여 연속적으로 출력될 수 있으며, 권취 장치(미도시)에 의해 수납될 수 있다. 수납된 부직포 전극(EL)은 적절히 커팅되어 전지 패키징에 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제조된 부직포 전극(EL)은 별도로 수납되지 않고, 연속적으로 탭 형성 공정, 분리막 적층 공정, 전해질 함침 또는 패키징을 위한 스택킹 또는 젤리 롤 공정과 같은 후단 공정을 겪을 수도 있다.
도전성 패턴 및/또는 장력 보강층에 의해 전술한 롤러 부재(10P1, 20P, 10P2, 30)를 이용한 연속 공정에서 인가되는 응력에도 불구하고, 인장 신장률은 20% 이하로 제한될 수 있어, 롤러를 이용한 연속 이송에 의한 공정이 실질적으로 가능해진다. 또한, 파단과 같은 극단적 불량이 나타나지 않고, 부직포 집전체가 어느 정도 신장되더라도, 도전성 섬유들 사이의 전기적 콘택 및 도전성 섬유들의 표면과 전기적 활물질 사이의 전기적 콘택의 열화가 방지될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 장력 보강층에 의해 부직포 집전체의 인장 신장률이 20% 이하로 제어되고, 바람직하게는 0.1 % 내지 10 %의 범위 내로 제어될 수 있기 때문에 종래의 금속 포일의 집전체를 이용한 전지 제조 공정과 동일한 수준에서 공정이 수행되고, 부직포 집전체의 공정상의 이점을 최대한 향유할 수 있게 된다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 부직포 집전체를 이용한 전지의 전극 조립체를 도시하는 사시도들이다.
도 8a를 참조하면, 전극 조립체는 음극 및 양극 중 어느 하나의 전극(100A) 및 다른 하나의 전극(100B)과 이들 사이의 전기적 분리를 위한 분리막(500)의 전극 적층체(300A)를 포함한다. 예를 들면, 전극(100A)는 양극이고, 전극(100B)는 음극일 수 있다. 전극(100A, 100B) 중 적어도 어느 하나는 내부에 해당 전기적 활물질이 충전된 부직포 집전체일 수 있다.
상기 부직포 집전체를 포함하는 전극 적층체(300A)는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 감음 축 I 방향에 평행한 방향을 중심축으로 하여 사각 감음된 구성을 가질 수 있다. 사각 감음시 모서리 영역(SA)의 변형률이 크기 때문에, 모서리 영역(SA)에 감음 축 I 방향으로 라인 패턴을 갖는 도전성 패턴(10P)을 형성함으로써, 모서리 영역(SA)에 집중되는 응력에 대하여 내력을 갖도록 하여 과도한 변형에 따른 전지의 열화를 방지할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 부직포 집전체를 포함하는 전극 적층체(300B)는 둥근 감음된 구성을 가질 수도 있다. 감음 축 I 방향에 평행한 도전성 패턴(10P)을 형성함으로써, 패키징시 또는 전지의 충·방전시 발생하는 변형에 대하여, 부직포 집전체를 포함하는 전극의 기계적 특성을 강화할 수 있다.
도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같이, 전극 적층체들(300C, 300D)은 접힘 또는 굽힘 구성을 가질 수도 있다. 접힘 또는 굽힘 축 I 방향에 평행하도록 접힘 또는 굽힘에 의해 응력이 집중되는 부분에 도전성 패턴(10P)를 형성함으로써 패키징시 또는 전지의 충·방전시 발생하는 변형에 대하여, 전극의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
전술한 전극 적층체들의 감음, 접힘 또는 굽힘 구조는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 전극 적층체는 소형화를 위하여, 도전성 부직포 시트가 갖는 가요성을 이용해 다양한 방식으로 감음, 굽힘, 적층될 수 있으며, 해당 전극 패키징 방식에 의해 응력이 발생하는 부분에 도전성 패턴(10P)을 국부적으로 형성함으로써 기계적 특성과 수명을 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 부직포 집전체를 이용한 전극(100A, 100B)을 포함하는 전지(1000)를 도시하는 분해 사시도이다.
도 9를 참조하면, 전지(1000)는 원통형 전지일 수 있다. 전극 조립체는, 부직포 집전체를 이용한 이용한 양극(100A) 및 음극(100B)을 분리막(500)을 사이에 두고 적층한 후 감는 젤리 롤 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 양극과 음극 중 어느 하나의 전극만을 부직포 집전체로 구성할 수 있다. 또한, 다른 코인형 전지, 각형 전지, 또는 섬유를 이용한 다양한 형상의 플렉시블 전지로 제조될 수도 있을 것이다.
상기 부직포 집전체는, 전술한 바와 같이, 도전성 부직포 시트(10A, 10B) 및 이의 주 표면에 형성된 도전성 패턴(10P)을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 부직포 집전체는 장력 보강층을 포함할 수도 있다. 전기적 활물질은 도전성 부직포 시트(10A, 10B) 내부에 입자 형태로 속박되거나 부직포 집전체의 도전성 섬유들 상에 코팅될 수 있다.
양극 및 음극들(100A, 100B)의 측부에는 탭 또는 리드(Tb_A, Tb_B)가 형성될 수 있다. 탭 또는 리드(Tb_A, Tb_B)의 개수는 내부 저항을 감소시키기 위해 적절한 개수를 가질 수 있다. 탭 또는 리드(Tb_A, Tb_B)는 부직포 집전체의 도전성 패턴 상에 융착 또는 솔더링에 의해 전기적으로 결합된다. 탭 또는 리드(Tb_A, Tb_B)는 하우징(800) 내부에서 전지(1000)의 양극(600)과 음극(700)에 각각 내부 체결될 수 있다.
양극(100A)과 음극(100B) 사이의 분리막(separator; 500)은, 예를 들면, 폴리머계 미세다공막, 직포, 부직포, 세라믹, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고체 고분자 전해질막 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 진성 고체 고분자 전해질막은, 예를 들면, 직쇄 폴리머 재료, 또는 가교 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질막은, 예를 들면, 염을 포함하는 가소제 함유 폴리머, 필러 함유 폴리머 또는 순 폴리머 중 어느 하나 이들의 조합일 수 있다. 상기 고체 전해질층은, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 및 폴리비닐알콜 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 고분자 메트릭스, 첨가제 및 전해액을 포함할 수 있다. 전술한 분리막(500)에 관하여 열거한 재료들은 예시적이며, 분리막(500)으로서 형상 변화가 용이하고, 기계적 강도가 우수하여 전극(100A, 100B)의 변형에도 찢어지거나 균열되지 않으며, 임의의 적합한 전자 절연성을 가지면서도 우수한 이온 전도성을 갖는 재료가 선택될 수 있다.
분리막(500)은 단층막 또는 다층막일 수 있으며, 상기 다층막은 동일 단층막의 적층체이거나 다른 재료로 형성된 단층막의 적층체일 수 있다. 예를 들면, 상기 적층체는 폴리올레핀과 같은 고분자 전해질막의 표면에 세라믹 코팅막을 포함하는 구조를 가질 수도 있다. 분리막(500)의 두께는 내구성, 셧다운 기능 및 전지의 안전성을 고려하면, 10 내지 300 이고, 바람직하게는, 10 내지 40이며, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 일 수 있다.
하우징(800) 내에서는 수산화칼륨(KOH), 브롬화칼륨(KBr), 염화칼륨(KCL), 염화아연(ZnCl2) 및 황산(H2SO4)과 같은 염을 포함하는 적합한 수계 전해액이 전극 구조(100A, 100B) 및/또는 분리막(500)에 흡습되어, 전지(1000)가 완성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전지(1000)는 LiClO4 또는 LiPF6와 같은 리튬염을 포함하는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트와 같은 비수계 전해액일 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도시하지는 않았지만, 전지(1000) 사용 중의 안정성 및/또는 전력 공급 특성을 제어하기 위한 적합한 냉각 장치 또는 전지 운영 시스템(battery managing system)이 추가적으로 결합될 수 있다.
전술한 부직포 집전체를 이용한 전극은 그 섬유적 특성 때문에, 형상 변화가 용이하고, 전기적 활물질과 도전성 네트워크가 전극 구조의 전 부피 내에서 실질적으로 균일하게 혼합되어 있기 때문에, 전지의 용량 조절을 위해 두께를 증가시켜도, 금속 포일 상에 활물질층을 코팅하여 얻어지는 종래의 전지 구조에서 나타나는 것과 같은 전지 성능의 열화가 없어 그 부피가 다양하게 선택될 수 있다.
또한, 섬유상의 전극 구조가 갖는 성형 용이성 때문에, 젤리 롤 타입 외에 굽힘 및 감음과 같은 방법으로 3 차원적으로 배열될 수 있으며, 전술한 원통형 전지가 아닌 각형, 파우치형 또는 옷 및 가방과 같은 섬유 제품에 일체화되는 다양한 부피와 형상을 가질 수 있으면서, 도전성 패턴에 의해 변형에 대한 강한 내성을 갖도록 기계적으로 강화되고, 연속 이송에 의한 제조 공정에 우수한 적합성을 가질 수 있다.
또한, 또한, 전술한 전극 구조들은 하나의 전지에서 캐소드와 애노드 전극 중 어느 하나 또는 이들 모두에 적용될 수 있음을 이해하여야 한다. 전술한 부직포 집전체들은 리튬 이온 전지뿐만 아니라 리튬 메탈 전지, 리튬 에어 전지, 또는 니켈 수소 전지, NaS 전지에도 적용될 수 있으며, 이는 예시적일 뿐, 당업자라면, 본 발명이 이에 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (29)

  1. 도전성 섬유들의 네트워크를 포함하고, 주 표면으로부터 내부를 연통시키는 기공을 포함하는 도전성 부직포 시트; 및
    상기 도전성 부직포 시트의 상기 주 표면 상의 기공을 부분적으로 폐색하는 도전성 패턴들을 포함하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 전극 패키징 구조의 응력 집중 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 전극 형성을 위한 상기 부직포 집전체의 이송 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 일정 간격으로 이격된 라인 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 라인 패턴들은 전극 패키징 구조의 감음, 접힘 또는 굽힘 축에 평행하도록 상기 도전성 부직포 시트의 상기 주 표면을 가로지르는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 도전성 부직포 시트의 가장자리상으로 연장된 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 도전성 섬유들의 상기 주 표면에서의 부분 융착에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 주 표면에서 상기 도전성 부직포 시트의 깊이 방향으로 확장된 융착부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 주 표면에 형성된 도전성 막에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 도전성 막은 금속층 또는 도전성 폴리머층을 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들 중 적어도 일부 상에 전지 탭 또는 리드가 결합되는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유들은 카본 파이버들, 도전성 폴리머 파이버들, 금속층 또는 도전성 폴리머층가 코팅된 폴리머 파이버들, 또는 중공형 금속 파이버들을 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유들 상에 코팅된 전기적 활물질, 상기 도전성 섬유들 사이에 충전된 입자 형태의 전기적 활물질 또는 이들의 조합을 포함하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
  14. 제 1 항 기재의 부직포 집전체를 제공하는 단계;
    상기 부직포 집전체를 전기적 활물질의 전구체 또는 그 자체의 분산 용매를 포함하는 슬러리가 담긴 조(bath) 내부로 경과시켜 상기 부직포 집전체 내부에 상기 전기적 활물질을 함침시키는 단계;
    상기 조 밖으로 나온 부직포 집전체를 건조시키는 단계; 및
    상기 전기적 활물질이 함침된 부직포 집전체를 가압하는 단계를 포함하는 전극의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전기적 활물질을 함침시키는 단계는 상기 조 내부에 배치되고 갭을 갖는 처리 롤러의 상기 갭으로 상기 부직포 집전체가 통과함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리 롤러의 표면은 요철을 포함하는 표면 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 분산 용매를 건조시키는 단계 이전에,
    상기 조 밖으로 밖으로 나온 상기 부직포 집전체의 표면 상의 잉여 전기적 활물질을 스위핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 분산 용매를 건조시키는 단계 이전에,
    상기 조 밖으로 밖으로 나온 상기 부직포 집전체의 표면을 가압하여 상기 전기적 활물질의 함침량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 부직포 집전체의 상기 도전성 패턴들 중 적어도 일부 상에 전지 탭 또는 리드를 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 전극 패키징 구조의 응력 집중 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 전극 형성을 위한 상기 부직포 집전체의 이송 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 일정 간격으로 이격된 라인 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 라인 패턴들은 전극 패키징 구조의 감음, 접힘 또는 굽힘 축에 평행하도록 상기 도전성 부직포 시트의 상기 주 표면을 가로지르는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 도전성 부직포 시트의 가장자리상으로 연장된 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  25. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 도전성 섬유들의 상기 주 표면에서의 부분 융착에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 주 표면에서 상기 도전성 부직포 시트의 깊이 방향으로 확장된 융착부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  27. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 주 표면에 형성된 도전성 막에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  28. 음극, 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이의 분리막을 포함하는 이차 전지로서,
    상기 음극 및 양극 중 적어도 하나는 제 1 항 기재의 전극을 포함하는 이차 전지.
  29. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴들은 상기 전극의 응력 집중 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 부직포 집전체를 포함하는 전극.
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