JP2012238582A - 極板およびこれを含む二次電池並びに極板の製造方法 - Google Patents

極板およびこれを含む二次電池並びに極板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】極板、これを含む二次電池およびその極板の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は極板、これを含む二次電池およびその極板の製造方法に関し、前記極板は、導電性電極集電体の少なくとも一面以上に形成された活物質コーティング部と前記電極集電体で活物質コーティング部を除いた無地部とを備えた極板であって、前記無地部は６．５ないし７．２μｍの粒子サイズを有する金属薄板であることを特徴とする。また、前記電極集電体はアルミニウムであることを特徴とする。更に、前記無地部は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、極板およびこれを含む二次電池並びに極板の製造方法に関する。
二次電池は正極板、負極板およびセパレータが巻き取られた電極組立体をケースに挿入した後、キャップ組立体で密封されて形成される。前記正極板または負極板（以下、‘極板’という）は、アルミニウムまたは銅薄膜に活物質スラリーがコーティングされた活物質コーティング部とコーティングされていない無地部とで構成される。
前記活物質コーティング部は、電極集電体との接着性が増加し活物質の容量密度が増加するように、圧延工程が含まれる。前記圧延された極板は乾燥後、一定の幅のカッターを通過して所定の大きさに切断されて用いられる。
本発明の一実施例は、少なくとも一面が活物質コーティング部と無地部とで構成される電極集電体において、無地部を誘導加熱処理することで極板が曲がることを防止する極板およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明の一実施例は、極板の無地部を誘導加熱して作られた良質の極板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施例による極板は、導電性電極集電体の少なくとも一面以上に形成された活物質コーティング部と前記電極集電体で活物質コーティング部を除いた無地部とを備えた極板であって、前記無地部は６．５ないし７．２μｍの粒子サイズを有する金属薄板であることを特徴とする。
また、前記電極集電体はアルミニウムであることを特徴とする。
また、前記無地部は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする。
また、前記電極集電体は３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする。
また、前記無地部は引張強度が１６７ないし１７１Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする。
また、本発明の一実施例による極板を含む二次電池は、第１極板と第２極板との間に介在するセパレータを備えた電極組立体と、前記電極組立体を収容し、上端開口部が形成されたカンと、前記電極組立体に電気的に連結される電極端子と、前記カンの上端開口部を密封し、前記電極端子を外部に露出させるキャッププレートとを含み、前記第１極板および第２極板のうち、少なくとも一つの極板は、導電性電極集電体の少なくとも一面以上に形成された活物質コーティング部と前記電極集電体で活物質コーティング部を除いた無地部とを備え、前記無地部は６．５ないし７．２μｍの粒子サイズを有することを特徴とする。
また、前記電極集電体はアルミニウムであることを特徴とする。
また、前記無地部は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする。
また、前記電極集電体は３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする。
また、前記無地部は引張強度が１６７ないし１７１Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする。
また、本発明の一実施例による極板の製造方法は、アルミニウム薄板からなる電極集電体が提供される電極集電体を用意する段階と、前記電極集電体の少なくとも一面以上に正極または陰極活物質がコーティングされる活物質コーティング段階と、前記活物質コーティング段階で活物質がコーティングされていない無地部が誘導加熱される無地部の誘導加熱段階と、前記コーティングされた活物質および電極集電体が加圧される加圧段階と、前記コーティングされた活物質を乾燥させる乾燥段階と、前記乾燥後、電池に挿入される大きさに切断するスリッティング段階とからなり、前記方法で製造された極板の無地部の粒子サイズが６．５ないし７．２μｍであることを特徴とする。
また、前記無地部の誘導加熱段階において電極集電体と誘導加熱部材との距離は１ないし２ｍｍとし、前記誘導加熱部材の出力電圧は６ｋＷないし１０ｋＷであり、前記誘導加熱部材は無地部の温度が３００ないし６００℃になるように誘導加熱し、前記電極集電体の移送速度は２ｍ/ｍｉｎないし１０ｍ/ｍｉｍであることを特徴とする。
また、前記電極集電体を用意する段階において電極集電体の硬度は３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２であり、前記無地部の誘導加熱段階において誘導加熱された無地部の硬度は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする。
本発明の一実施例は、少なくとも一面が活物質コーティング部と無地部とからなる電極集電体において、無地部を誘導加熱することによって、誘導加熱されない電極集電体と無地部との硬度差が発生する。前記無地部は誘導加熱されない電極集電体より硬度が低くなり、加圧段階で極板が曲がることを防止することができる。
また、本発明の一実施例は極板の無地部を誘導加熱することによって、良質の極板を作ることができ、且つその極板を含む二次電池の性能および安定性を向上させる効果がある。
本発明の実施例による極板の製造工程を示すフローチャートである。 図１の誘導加熱された極板の一部を拡大して示す斜視図である。 本発明の実験例による誘導加熱された無地部の粒子を測定した写真である。 本発明の実験例による誘導加熱された無地部の粒子を測定した写真である。 本発明の実験例による誘導加熱された無地部の粒子を測定した写真である。 本発明の実験例による誘導加熱された無地部の粒子を測定した写真である。 図１の極板を含む二次電池を示す分解図である。 図１による極板の製造方法を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して本発明の極板およびその製造方法について、より詳しく説明する。
図１は、本発明の実施例による極板の製造工程を示すフローチャートである。図２は、図１の誘導加熱された極板の一部を拡大して示す斜視図である。図３ａないし３ｄは、本発明の実験例による誘導加熱された無地部の粒子を測定した写真である。図４は、図１の極板を含む二次電池を示す分解図である。図５は、図１による極板の製造方法を示すフローチャートである。
本発明の一実施例による極板は、活物質コーティング部および無地部を含む。前記極板はアルミニウム金属薄板からなる。前記アルミニウム金属薄板は少なくとも一面以上に正極活物質がコーティングされて正極板に形成されることができる。
また、前記アルミニウム金属薄板の少なくとも一面以上に陰極活物質がコーティングされて負極板に形成されることができる。前記陰極活物質としては、リチウム金属、リチウムと合金化可能な金属物質、遷移金属酸化物、リチウムをドープおよび脱ドープすることのできる物質、リチウムと可逆的に反応して化合物を形成することができる物質、またはリチウムイオンの可逆的な挿入/脱離が可能な物質などを使用することができる。前記リチウムと合金化可能な金属物質としては、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｔｉ、Ａｇ、Zｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉおよびこれらの組み合わせからなる群より選択される物質が用いられる。また、前記遷移金属酸化物、リチウムをドープおよび脱ドープすることのできる物質、またはリチウムと可逆的に反応して化合物を形成することができる物質としては、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物、Ｓｉ、ＳｉＯｘ（０<ｘ<２）、シリコン含有金属合金、Ｓｎ、ＳｎＯ２、すず合金複合体などが挙げられる。前記正極活物質および陰極活物質の材質は、これらに限定されるものではない。
前記正極板および負極板はコーティングされる活物質により区分されるものであるので、下記では正極板１１３の活物質コーティング部１１６および無地部１１７について説明する。
前記正極板１１３は、図１、図２および図５を参照すれば、電極集電体の用意段階Ｓ１００、活物質コーティング段階Ｓ２００、誘導加熱段階Ｓ３００、加圧段階Ｓ４００、乾燥段階Ｓ５００およびスリッティング段階Ｓ６００を含む製造方法で形成される。
前記電極集電体の用意段階Ｓ１００では、導電性金属薄板からなるアルミニウム材質の電極集電体１１１を提供する。前記電極集電体１１１は巻取ロール１０から複数個のガイドロール１１、１２を通じて一定の張力が保持されるように供給される。前記電極集電体１１１は、硬度が３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする。
前記活物質コーティング段階Ｓ２００では、溶液バインダー（ｂｉｎｄｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）に正極および導電剤を混合して正極活物質２１を製造した後、前記正極活物質２１を電極集電体１１１に一定の厚さでコーティングする。前記電極集電体１１１には正極活物質２１がコーティングされる領域である活物質コーティング部１１６と正極活物質２１がコーティングされていない無地部１１７とが形成される。このとき、前記正極活物質２１がコーティングされる面を電極集電体１１１の一面または両面に形成することができる。
前記正極活物質２１としては、カルコゲン化合物が用いられる。前記カルコゲン化合物としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉ１-ｘＣｏｘＯ２（０<ｘ<１）、ＬｉＭｎＯ２などの複合金属酸化物が用いられる。また、前記正極活物質としては、ＮＣＭ系正極活物質のＬｉ[ＮｉＣｏＭｎ]Ｏ２またはＮＣＡ系正極活物質のＬｉ[ＮｉＡｌＣｏ]Ｏ２またはＬＦＰ系正極活物質のＬｉＦｅＰＯ４が用いられる。
前記誘導加熱段階Ｓ３００においては、無地部１１７が誘導加熱される。前記無地部１１７と誘導加熱部材３０との距離は１ないし２ｍｍとする。前記誘導加熱部材３０は出力電圧が６ｋＷないし１０ｋＷであり、前記出力電圧が流れて発熱する誘導コイルが形成された発熱装置に形成されることができる。前記誘導加熱部材３０は、無地部１１７の温度を３００℃ないし６００℃まで上昇させる。この場合、前記無地部１１７は誘導加熱部材３０を２ｍ/ｍｉｎないし１０ｍ/ｍｉｍの速度で移動する。
図３ａないし図３ｄは、前記無地部１１７の粒子サイズを測定した写真である。前記無地部１１７は、ＡＳＴＭ Ｅ-１１２を基準にデジタル映像分析ソフトウェアのＩｍａｇｅ-Ｐｒｏ Ｐｌｕｓを利用して測定したものである。前記ソフトウェアは各ライン別に切片長さの平均、最大、最小および標準偏差によって粒子サイズを測定する。また、全体的な切片長さの平均、最大、最小および標準偏差を測定する。
以下で説明する表１は、前記無地部１１７の粒子サイズを測定したものである。下記表１の実験例１ないし４は同じ位置の無地部１１７で反復測定したものである。ただし、実験例１ないし２は誘導加熱後の無地部１１７の粒子サイズを測定したものであり、実験例３ないし４は活物質コーティング部１１６の加圧後の無地部１１７の粒子サイズを測定したものである。前記実験例１ないし２および実験例３ないし４は、電極集電体の少なくとも一面の活物質がコーティングされていない無地部１１７の粒子サイズを測定したものである。また、この場合、無地部１１７は電極集電体１１１の長さ方向（活物質がコーティングされる方向）から選択した任意の位置に現れる粒子サイズを測定したものである。以下、本発明の望ましい実験例および比較例を記載する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
上記表１の実験例１ないし２による誘導加熱後の無地部１１７の粒子サイズは、実験例３ないし４と比較して、数値の変化があまりない。したがって、前記誘導加熱された無地部１１７の粒子サイズは６．６ないし７．２μｍであることが確認された。
また、実験例５ないし７では前記無地部１１７の硬度、引張強度および伸び率を測定した。
［実験例５］
前記誘導加熱された無地部１１７は、誘導加熱前と比較するために電極集電体の用意段階Ｓ１００における活物質がコーティングされていない領域の硬度を測定した。
実験例５では誘導加熱段階Ｓ３００で誘導加熱された無地部１１７に所定の圧力を加えて硬度を測定した。
比較例１では電極集電体の用意段階Ｓ１００における電極集電体１１１の硬度を測定し、比較例２では活物質コーティング段階Ｓ２００における活物質がコーティングされた活物質コーティング部１１６の電極集電体１１１の硬度を測定した。前記比較例１は誘導加熱段階Ｓ３００前で測定されたものであるから、前記電極集電体１１１は誘導加熱されていないものである。また、前記誘導加熱段階Ｓ３００では活物質がコーティングされていない無地部１１７にだけ誘導加熱するため、比較例２における活物質がコーティングされた活物質コーティング部１１６の電極集電体１１１もなお誘導加熱されていないものである。
上記表２から誘導加熱された無地部１１７は誘導加熱前より硬度が低くなることがわかる。また、前記誘導加熱された無地部１１７は活物質がコーティングされた活物質コーティング部１１６の電極集電体１１１の硬度より低いことを確認した。前記硬度テストは、金属の硬度測定に利用されているビッカース硬度で測定することもできる。
［実験例６］
実験例６は、前記無地部１１７の試片の大きさおよび位置に本発明が限定されるものではないが、誘導加熱された無地部１１７を引っ張って切れる直前の強度を測定したものである。前記実験例６で測定した誘導加熱後の無地部１１７の引張強度は１６７ないし１７１Ｎ/ｍｍ２であることを確認した。
前記加圧段階Ｓ４００では前記誘導加熱Ｓ３００の後、活物質コーティング部と電極集電板との接着力が増加するようにプレス機で圧着される。前記プレス機では、上部および下部ローラで加圧されることもできる。
前記乾燥段階Ｓ５００では活物質に含まれている溶媒を除去し、工程中に混入した水分を除去して、バインダーの微細結晶形成現象および充放電の際の活物質の膨張現象を抑制するために、互いに異なる温度範囲で所定の時間、乾燥を行う。
前記スリッティング段階Ｓ６００では、加圧段階Ｓ４００で加圧された正極板１１３を二次電池の規格に応じて切断する。また、前記スリッティング段階Ｓ６００では、前記二次電池の形状および種類によって電極板をパンチングすることもできる。一方、前記二次電池の大きさまたは形態によってスリッティングおよびパンチング段階のいずれも省略することができる。
次に、本発明の一実施例による二次電池１００について説明する。
図４は、本発明の一実施例による二次電池１００の分離斜視図である。図４は二次電池の一例として角型電池を示しているが、本発明は角型に限定されず、円筒形およびパウチ型のように多様な形態の二次電池に適用可能である。
前記二次電池１００は電極組立体１１２、電極組立体収容部のカン１１０、電極端子１３０およびキャッププレート１４０を含む。
前記電極組立体１１２には互いに異なる極性の極板（第１極板、第２極板）およびセパレータ１１４が形成される。前記極板は正極板１１３と負極板１１５とからなる。前記正極板１１３では電極集電体１１１に正極活物質がコーティングされ、負極板１１５では陰極活物質がコーティングされる。前記正極板１１３は無地部に正極タップ１１９が連結され、負極板１１５の無地部には負極タップ１１８が連結される。また、前記正極タップ１１９は電極端子１３０と電気的に連結される。
前記電極集電体１１１は、二次電池１００の設計によってアルミニウムおよび銅からなる。本実施例ではアルミニウム材質の電極集電体１１１が正極板１１３および負極板１１５に形成される。前記アルミニウム材質の電極集電体１１１は二次電池１００の設計によって正極板１１３に形成されることができ、また正極板１１３および負極板１１５のいずれにも形成されることができる。前記正極活物質がコーティングされた電極集電体１１１は、３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする。
したがって、前記正極板１１３または負極板１１５の形状および機能が同じであるので、以下、正極板１１３について説明する。前記正極板１１３は、図１および図５に示された工程によって製造される。前記正極板１１３は、図２を参照すれば、電極集電体１１１の少なくとも一面以上に形成された活物質コーティング部１１６と無地部１１７とを含む。
前記無地部１１７は、粒子サイズが６．５ないし７．２μｍであり、硬度が１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする。また、前記無地部は、引張強度が１６７ないし１７１Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする。
その結果、前記正極板１１３は極板の製造工程での不良が最小化され、性能が向上した二次電池１００を提供することができる。
前記カン１１０は、一般に金属材のアルミニウムまたはその合金材質からなり、ディップドローイング方式によって製作される。前記カン１１０の下面１１０ｂは、一般に、ほぼ平面形状からなる。前記カン１１０そのものが端子の役割を兼ねることができる。前記カン１１０は上部が開口されて、上端開口部１１０ａが形成される。前記上端開口部１１０ａを通じて電極組立体１１２が収容される。
前記キャッププレート１４０は別途の絶縁ケース１７０と結合し、カン１１０の上端開口部１１０ａに結合してカン１１０を密封することになる。前記キャッププレート１４０には電極端子１３０が挿入されるように貫通ホール１４１が形成される。前記貫通ホール１４１と電極端子１３０との間にはガスケット１４６が形成されて密封される。また、前記キャッププレート１４０は電解液注入口（図示せず）、栓１４２ａおよび安全ベント１４２ｂを含む。
また、前記キャッププレート１４０は下部に絶縁プレート１５０およびターミナルプレート１６０を含む。前記絶縁プレート１５０には、キャッププレート１４０の貫通ホール１４１に対応する位置に第１の端子通孔１５１が形成される。前記絶縁プレート１５０はガスケット１４６と同じ絶縁物質からなる。
前記ターミナルプレート１６０は絶縁プレート１５０の下面に装着される。前記ターミナルプレート１６０は、一般にニッケル合金からなることができる。前記ターミナルプレート１６０は、第１の端子通孔１５１に対応する位置に第２の端子通孔１６１が形成される。前記電極端子１３０は貫通ホール１４１、第１の端子通孔１５１および第２の端子通孔１６１を貫通して結合し、前記ターミナルプレート１６０は一側に負極タップ１１８が連結される。また、前記正極タップ１１９はキャッププレート１４０の下面に連結される。連結する方法の一例としては溶接があり、溶接方法としては抵抗溶接、レーザー溶接などが使用されるが、通常、抵抗溶接が使用される。
以上説明したように、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な形態で実施し得ることはもちろんのことであり、このような変更は本請求の範囲内にあるとみなされる。
１１１ 電極集電体
１１３ 正極板
１１５ 負極板
１１６ 活物質コーティング部
１１７ 無地部

Claims (13)

  1. 導電性電極集電体の少なくとも一面以上に形成された活物質コーティング部と、前記電極集電体で活物質コーティング部を除いた無地部と、を備えた極板において、
    前記無地部は６．６ないし７．２μｍの粒子サイズを有する金属薄板であることを特徴とする極板。
  2. 前記電極集電体はアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の極板。
  3. 前記無地部は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする請求項１に記載の極板。
  4. 前記活物質コーティング部の電極集電体は３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする請求項１に記載の極板。
  5. 前記無地部は引張強度が１６７ないし１７１Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の極板。
  6. 第１極板と第２極板との間に介在するセパレータを備えた電極組立体と、
    前記電極組立体が収容される電極組立体収容部と、を含み、
    前記第１極板および第２極板のうち、少なくとも一つの極板は、導電性電極集電体の少なくとも一面以上に形成された活物質コーティング部と前記電極集電体で活物質コーティング部を除いた無地部とを備え、
    前記無地部は６．５ないし７．２μｍの粒子サイズを有することを特徴とする二次電池。
  7. 前記電極集電体はアルミニウムであることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
  8. 前記無地部は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
  9. 前記活物質コーティング部の電極集電体は３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２の硬度であることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
  10. 前記無地部は引張強度が１６７ないし１７１Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
  11. 電極集電体が提供される電極集電体の用意段階と、
    前記電極集電体の少なくとも一面以上に正極または陰極活物質がコーティングされる活物質コーティング段階と、
    前記活物質コーティング段階で活物質がコーティングされていない無地部が誘導加熱される無地部の誘導加熱段階と、
    前記コーティングされた活物質および前記電極集電体が加圧される加圧段階と、
    前記コーティングされた活物質を乾燥させる乾燥段階と、
    前記乾燥後、電池に挿入される大きさに切断するスリッティング段階と、からなり、
    前記方法で製造された極板の無地部は粒子サイズが６．５ないし７．２μｍであることを特徴とする極板の製造方法。
  12. 前記無地部の誘導加熱段階は、
    前記電極集電体と前記誘導加熱部材との距離を１ないし２ｍｍとし、
    前記誘導加熱部材の出力電圧は６ｋＷないし１０ｋＷであり、前記誘導加熱部材は前記無地部の温度が３００ないし６００℃になるように誘導加熱し、
    前記電極集電体の移送速度は２ｍ/ｍｉｎないし１０ｍ/ｍｉｍであることを特徴とする請求項１１に記載の極板の製造方法。
  13. 前記電極集電体の用意段階で前記電極集電体の硬度は３２ないし３９Ｎ/ｍｍ２であり、
    前記無地部の誘導加熱段階で誘導加熱された前記無地部の硬度は１６ないし１９Ｎ/ｍｍ２であることを特徴とする請求項１１に記載の極板の製造方法。
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