KR100321264B1 - 리튬이온전지 및 그의 형성법 - Google Patents

Abstract

견고한 외상관을 사용하지 않고, 소형, 경량화, 임의 형상화가 가능하고, 구조강도가 높고 안정성이 확보된 고성능의 리튬이온전의 형성을 간소화하고, 생산성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 리튬이온 2차전지의 형성법은, 정극활물질층(32)를 정극집전체 (31)에 접합해서 된 정극(3) 및 부극활물질층(52)을 부극집전체(51)에 접합해서 되는 부극(5)과, 세퍼레이터(4)사이에, 적어도 일부에 가소성수지를 포함하는 접착성수지(6)를 부분적으로 개재시켜서 겹치는 공정과, 접착성수지(6)를 소성변형시키는 공정을 구비하는 것으로, 리튬이온 2차전지의 형성을 간소화하고, 생산성 향상시킬 수가 있다.

Description

리튬이온전지 및 그의 형성법{LITHIUM ION BATTERY AND METHOD FOR FORMING THE SAME}

휴대전자기기의 소형, 경량화에의 요망은 대단히 크다.

그 실현은 전지의 성능향상에 크게 의존한다.

이에 대응하도록 전지의 개발, 개량이 진행되어있다.

전지에 요구되고 있는 특성은, 고전압, 고에너지밀도, 안전성, 형상의 임의성등이 있다.

리튬이온전지는 지금까지의 전지중에서도 가장 고전압 또는 고에너지밀도가 실현되는 것이 기대되는 2차전지이고, 현재도 그 개량이 왕성하게 진행되고있다.

현재 실용에 제공되고 있는 리튬이온 전지에서는, 정극에는 리튬코발트 산화물 등의 분말로 된 활물질을 집전체에 도포하고, 판상으로 한 전극, 부극에는 마찬가지로 탄소계재료의 분말로 된 활물질을 집전체에 도포해서 판상으로 한 전극이 사용되고 있다.

이들 전극을 리튬이온전지로서, 기능시키기 위해서는 양극간에 리튬이온이 이동할 수 있고, 전자도성이 없는 이온전도층이 존재하는 것이 필요하다.

일반적으로 이 이온전도층에는 폴리에틸렌 등의 다공질필름의 세퍼레이터를 비수계의 전해액으로 충만시킨 것이 사용되고있다.

또, 도 7에 표시한 바와 같이, 금속 등으로 된 강직한 광체(1)가, 정극(3), 부극(5) 및 전해액등을 함유하는 세퍼레이터(4)를 보존하기 위해 사용되고있다.

광체(1)가 없으면 전극(3),(5)과 세퍼레이터(4)간의 접합을 유지하기가 곤란하고, 접합부가 박리함으로써 전지특성이 열화해 버린다.

이 광체(1)가 있기 때문에, 전지의 중량이 무거워지고, 또 임의 형상의 형성이 곤란했었다.

경량화, 박형화때문에 현재, 광체(1)을 필요로하지않는 전지의 연구가 진행되고있다.

광체(1)가 필요없는 전지의 개발의 과제의 하나는, 어떻게해서 정극(3), 부극(5)라는 이들의 전극에 끼워지는 세퍼레이터(4)를 접합해서 외부에서 힘을 걸지않아도 그 상대를 유지할 수 있는가 라는 것이다.

이 접합에 관한 방법으로서 가소제를 혼합한 중합체로부터 적어도 한부분의 가소제를 전해액으로 치환함으로써 정극과 부극에 끼워진 이온전도층을 형성하는 방법이 미국특허 5,460,904호에 개시되어있다.

이 미국특허 5,640,904호 개시되어있는 방법에서는, 이온전도층을 형성하기 위해 유기용제에 의한 처리가 필요하고, 이 유기용제의 제거를 위한 공정이 필요하게 된다.

또, 유기용제 처리설비가 필요하므로, 생산방법으로는 바람직하지 못하다.

또, 실용적인 박형리튬이온전지의 실현미는 정극과 부극을 접합하는 데 있어서, 생산성이 높고, 전지로서의 구조강도, 안전성이 충분히 얻어지는 전지 및 그 형성법의 개발이 필요하다.

(발명의 개시)

본 발명에 관한 제1의 리튬이온전지의 형성법은, 정극활물질층을 형성한 정극 부극활물질층을 형성한 부극 및 세퍼레이터를 구성요소에 포함하고, 이 구성요소에 전해액을 함침한 리튬이온전지의 형성법에서, 정극과 세퍼레이터간 및 부극과 세퍼레이터간에 적어도 일부에 가소성수지를 포함하는 접착성수지를 부분적으로 개재시켜서 겹쳐주는 공정과, 상기 접착성수지를 변형시키는 공정을 구비한 것이다.

본 발명에 관한 제2의 리튬이온전지의 형성법은, 상기 제1의 리튬이온전지의 형성법에서, 상기 접착성수지의 변형을 상기 가소성수지가 소정변형할 수 있는 이상의 압력을 가함으로서 실시하는 것이다.

상기 제1 및 제2의 형성법에 의하면, 접착성수지가 적어도 일부에 가소성수지를 포함하므로 정극, 북극과 세퍼레이터의 겹쳐줄 때마다의 건조, 또는 겹치는 상태 유지를 위한 보존치구를 필요로 하지 않는것 및 접착성수지를 변형시키는 공정은 축차적으로 할 필요가 없이 일괄적으로 할 수 있고, 제조설비의 간소화등에 의해 생산성이 대단히 좋아지는 동시에 접착성수지를 변형시키는 공정에 의해 접착성수지와 정극 및 부극이나 세퍼레이터의 접촉면적을 크게하고, 접착력을 증강시켜 완성된 전지강도를 실용에 견딜 수 있도록 충분히 크게할 수가 있다.

본 발명에 관한 제3의 리튬이온전지의 형성법은, 상기 제1의 리튬이온전지의 형성법에서, 상기 가소성수지를 열가소성수지로 관한 것이다.

이 형성법에 의하면 접착성이 적어도 일부에 열가소성수지를 포함하므로 가온에 의해 열가소성수지를 변형시켜서 열가소성수지와 정극 및 부극이나 세퍼레이터와의 접촉면적을 크게하고, 접착력을 증강시켜 완성한 전지강도를 실용에 견딜수있게 충분히 크게 할 수 있다.

본 발명에 관한 제4의 리튬이온전지의 형성법은, 상기 제3의 리튬이온전지의 형성법에서 열가소성수지가 유동하는 이상의 온도로 가온함으로써 상기 접착성수지를 변형하는 것이다.

이 형성법에 의하면, 열가소성수지의 유동에 의해 접착력을 발현하기 때문에 수지와, 세퍼레이터 또는 정극 및 부극표면과의 접촉면적이 크게될 뿐 아니라, 표면의 미세공에 수지가 유입해서 생기는 앵커효과도 함께 얻어지고, 접착강도가 높은 실용적인 리튬이온전지가 얻어진다.

본 발명에 관한 제5의 리튬이온전지의 형성법은, 상기 제3의 리튬이온전지의 형성법에서 상기 열가소성수지를 활물질층중에 침투시키는 것이다.

본 발명에 관한 제6의 리튬이온전지의 형성법은, 상기 제3의 리튬이온전지의형성법에서 가온함으로써, 상기 열가소성수지를 활물질층중에 침투시키는 것이다.

이 제5및 제6의 형성법에 의하면, 단락등의 이상에 의해 발열한 경우에, 열가소성수지가 용해해서 전류를 차단하므로 안전성이 높은 리튬이온전지가 얻어진다.

본 발명에 관한 제7의 리튬이온전지의 형성법은, 상기 제3의 리튬이온전지의 형성법에서, 가압하면서 초음파를 조사해서, 상기 접착성수지를 변형하는 것이다.

이 형성법에 의하면 초음파에 의해 수지의 변형이 효율좋게 일어나고, 압력 또는 가열온도가 낮은 상태에서도 접착이 가능해진다.

또, 초음파에 의해 열가소성수지의 표면부분만이 선택적으로 가열되므로 효율좋게 접착이 된다.

본 발명에 관한 제1의 리튬이온전지는, 정극활물질층을 정극집전체에 접합해서 되는 정극과, 부극활물질층을 부극집전체에 접합해서 된 부극과, 상기 정극활물질층과, 상기 부극활물질층사이에 배치되는 세퍼레이터와, 상기 각 활물질층과, 상기 세퍼레이터사이를 연통하는 공극을 형성하도록 상기 각 활물질층과, 상기 세퍼레이터간에 배치된 적어도 일부에 가소성수지를 포함하는 접착성수지를 갖는 전극적층체를 구비한 것이다.

이 리튬이온전지에 의하면 접착성수지가 적어도 일부에 가소성수지를 포함하므로 제조설비의 간소화등에 의해 생산성이 대단히 좋아지는 동시에, 수지를 변경시키는 공정에 의해 수지와, 정극 및 부극이나 세퍼레이터와의 접촉면적을 크게하고, 접착력을 증강시켜 완성된 전지강도를 실용에 이겨내도록 충분히 크게할 수가있다.

본 발명에 관한 제2의 리튬이온전지의 형성법은 리튬이온전지에서, 상기 가소성수지가 열가소성수지인 것이다.

이 리튬이온전지에 의하면, 열가소성수지의 유동에 의해 접착력을 발현하기 위해, 수지와 세퍼레이터 또는 정극 및 부극표면의 접촉면적이 커질뿐 아니라, 미세한 구멍에 침투하는데서 생기는 앵커효과도 함께 얻어져 접착강도가 높은 리튬이온전지가 얻어진다.

본 발명에 관한 제3의 리튬이온전지는, 상기 제2의 리튬이온전지에서, 열가소성수지가 활물질중에 침투한 것이다.

이로써, 단락등의 이상에 의해 발열한 경우에 열가소성수지가 용해해서 전류를 차단하므로 안전성이 높은 리튬이온전지가 얻어진다.

본 발명에 관한 제4의 리튬이온전지는, 상기 제1의 리튬이온전지에서 공극부의 면적이 각 활물질층과 세퍼레이터가 대향하는 각 대향면의 전면적의 30% 내지 90%인 것이다.

이로써, 정극 및 부극과 세퍼레이터간에 형성되는 공극부에 전해액을 보존한 경우의 정극 및 부극과, 세퍼레이터사이의 이온전도저항을 충분히 작아지고, 고부하율에서의 사용이 가능해지는 동시에 실용에 견디는 접착강도가 얻어진다.

본 발명에 관한 제5의 리튬이온전지는, 상기 제1의 리튬이온전지에서 각 활물질층과 세퍼레이터사이의 거리가 30㎛ 이하인 것이다.

이로써, 정극 및 부극과 세퍼레이터사이에 형성되는 공극부에 전해액을 보존하고 있는 경우의 정극 및 부극과 세퍼레이터간의 이온전도저항은 충분히 작아지고, 고부하율에서의 사용이 가능해진다.

본 발명에 관한 제6의 리튬이온전지는, 상기 제1의 리튬이온전지에서, 다수의 전극적층체를 구비한 것이다.

이로써 콤팩트하고 안정되는 또 큰 전지용량의 리튬이온전지를 얻을 수가 있다.

본 발명은, 리튬이온전지에 관한 것이다.

상세하게는 박형등 임의의 형태를 취할 수 있는 고성능의 2차전지 및 그 형성법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 리튬이온전지의 전지구조를 표시하는 단면모식도

도 2는 본 발명의 한 실시의 형태에 관한 코터법에 의한 접착성수지의 도포방법을 표시하는 모식도

도 3은 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 리튬이온전지를 표시하는 단면모식도

도4∼도6은 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 리튬이온전지의 전지구조를 표시하는 단면모식도

도 7은 종래의 리튬이온전지를 표시하는 단면모식도

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명은 정극 및 부극과 이들 정극 및 부극사이에 이온전도층이 배치되는구조의 전지에 적층되는 것이다.

아래의 실시의 형태는 주로 정극, 이온전도층 및 부극의 단일전극적층체로 된 단층전극형전지에 대해 설명되나, 단일의 전극적층체를 쌓아올린 적층전극형 전지에도 적용된다.

도 1은 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 리튬이온전지의 전지구조, 즉 전극적층체의 구조를 표시하는 단면모식도이고, 도면에서 3은 정극활물질층(32)을 정극집전체(31)에 접합해서 되는 정극, 5는 부극활물질층(52)을 부극집전체(51)에 접합해서 되는 부극, 4는 정극(3)과 부극(5)의 사이에 배치된 세퍼레이터로, 리튬이온을 포함하는 비수계의 전해액을 보유함으로써 이온전도층으로 기능하는 것이다.

6은 정극활물질층(32)및 부극활물질층(52)과 세퍼레이터(4)와의 대향면간에 점상, 선상 또는 격자상과 같이 부분적으로 배치되고, 각활물층(32),(52)가 세퍼레이터(4)를 접합하는 가소성수지를 적어도 1부에 포함하는 접착성수지이다.

7은 정극활물질층(32) 및 부극활물질층(52)와, 세퍼레이터(4)와의 사이를 연통하는 공급부이다.

이 공극부(7), 세퍼레이터(4) 및 활물질층(32),(52)에 리튬이온을 포함하는 비수계의 전해액이 보존된다.

가소성수지는 상온에서 고체이고, 점착성을 갖고, 또 가열 또는 가압에 의해 변형되는 수지이다.

상기와 같이 구성된 리튬이온전지는 예를들면 아래의 방법에 의해 형성된다.

본 발명의 전지형성법은, 접착성수지(6)를 정극(3)과, 세퍼레이터(4)간, 부극(5)과 세퍼레이터(5)간에 부분적으로 개재시켜, 또 하기에 표시한 가압, 가열등의 방법으로 접착성수지(6)를 변형시켜서 전극(3),(5)와, 세퍼레이터(4)의 공극부 (7)를 감속해서 공극부(7)의 깊이 L를 일정치로 하는 것도 있다.

본 발명에서 사용하는 접착성수지(6)는 전해액에 용해하지않은 것이면 사용가능하다.

접착성수지(6)에 포함하는 가소성수지는 특히 한정하는 것은 아니다.

폴리오레핀류, 폴리글리콜류, 실리콘류등이 사용 가능한 것이다.

접착성수지(6)에는 무기 또는 유기의 분말파이버등을 함유하여도 된다.

부분적으로 배치된 접착성수지(6)에 의해 형성된 공극부(7)의 면적은 활물질층(32),(52)와 세퍼레이터(4)가 대향하는 각 대향면의 전면적의 30% 내지 90%로 하는 것이 바람직하고, 60%정도로 하는 것이 가장 바람직하다.

30% 미만에서는 전극활물질층(32),(52)과 세퍼레이터(4)사이의 전기적접합이 불충분해져 전극간(3),(5)의 이온전도항이 크게 되므로, 충분한 전지특성을 얻는 것이 곤란해진다.

또, 90%를 초과하면 전극(3),(5)와 세퍼레이터(4)간의 밀착성이 불충분해져 박리가 일어난다.

또, 활물질층(32),(52)와, 세퍼레이터(4)사이에 형성되는 공극부(7)의 깊이 즉 활물질층(32),(52)와 세퍼레이터(4)의 사이의 거리 L는, 전해액의 이온전도도에 의해 다르나 통상 사용되는 10^-2S/cm정도인 경우에는 30㎛이하이면, 활물질층(32),(52)과 세퍼레이터(4)사이의 이온전도저항은 작아지고, 종래의 외장관을 사용한 전지에 뒤지지않는 고부하율에서의 사용이 가능해지므로, 30㎛이하로 하는 것이 바람직하다.

또, 공극부(7)의 깊이 L를 10㎛이하로 함으로써, 반응종의 확산이 보다 쉽게 진행되고, 이온전도저항의 더 한층의 저감을 할 수가 있으므로 10㎛ 이하로 조정하는 것이 보다 바람직하다.

또, 전극반응이 일어나는 물질(32),(52)의 표면에는 수㎛의 확산층이 존재한다고들하며, 공극부(7)의 깊이 L를 이 이하로 조정함으로써, 리튬이온의 확산이 가장 용이하게 진행된다고 생각되므로, 공극부(7)의 깊이 L를 수 ㎛이하로 하는 것이 가장 바람직하다.

정극(3)과, 부극(5)사이에 접착성수지(6)를 부분적으로 개재시키는 방법은, 분말상, 실상, 망상, 도통공을 갖는 막상태등의 형상의 수지를 정극(3), 부극(5), 세퍼레이터(4)의 표면중, 전지형성시에 대향하는 면의 편면, 또는 양면에 전면을 모두 덮지않도록 분포함으로써 실시한다.

구체적으로는, 예를들어 코터법이 사용되고, 이는 도 2에 사시도(a)및 측면도(b)에 표시하는 바와 같이, 용융수지(6)을 정상의 패인곳(21a)을 갖는 회전롤 (21)로 긁어내어 이를 시트(예를들면 시트상 세퍼레이터(6))에 전사하는 도포법을 적용한다.

이외에 스프레이법, 용융수지를 롤의 미세공에서 주출시켜서 도포하는 롤법등이 적용가능하고 특히 한정되는 것은 아니다.

전면을 모두 덮는 일이 없도록 분포시킴으로써, 전극(3),(5)와 세퍼레이터 (4)사이에 액체전해질을 보존하는 것이 가능한 공극부(7)를 형성할 수가 있다.

이 공극부(7)에 액체전해질을 보존함으로써, 전극(3),(5)간의 이온전도저항을 종래의 외장관을 사용한 전지정도로 할 수가 있고, 다시 전극(3),(5)와 세퍼레이터(4)사이를 접착하고 있으므로 외장관없이 전극(3),(5)와 세퍼레이터(4)를 밀착시키는 것이 가능해진다.

여기서의 접착은, 접착성수지(6)를 부분적으로 도포하고, 겹쳐진 정극(3), 세퍼레이터(4) 및 부극(5)에 대해 접착성수지(6)가 소성변형할 수 있는 이상의 압력을 가하는 공정으로 실시한다.

이 압력을 가하는 공정은 모두 겹치기가 종료된 후에 언제라도 좋다.

이 공정은, 접착성수지(6)와 전극(3),(5)나 세퍼레이터(4)와의 접촉면적을 크게하고, 접착성수지(6)의 접착력을 증강시켜 완성된 접지강도를 실용에 이겨낼 수 있도록 충분히 크게하는 효과가 있다.

전극(3),(5)또는 세퍼레이터(4)표면의 미세공에 접착성수지(6)가 들어가서 생기는 앵커효과에 의한 것이 강도가 커서 바람직하나, 접착성수지(6)의 접착성에 의한 것이라도 접착성수지(6)과, 전극(3),(5)표면의 접촉면적이 충분히 크면 전지를 형성하는 데 충분한 강도가 얻어진다.

또, 이공정은 전극(3),(5)간에 개재하는 수지(6)의 두께를 제어하는 데도 필요하다.

수지(6)의 두께가 크면, 전지의 충전용량이 작아져 바람직하지않고, 접착력이 유지되면 얇을수록 좋다.

이 방법으로 접착을 함으로써 전극(3),(5)과 세퍼레이터(4)의 겹치기마다의 건조, 또는 겹치기의 상태유지를 위한 보존치구를 필요로 하지 않는 것 및 수지가 소성변형할 수 있는 이상의 압력을 가하는 공정은 축차적으로 할 필요가 없이 일괄해서 할 수있고, 또 용제의 사용도 저감할 수가 있으므로 제조설비의 간소화등에 의해 생산성이 대단히 좋아진다.

가압,접착후 건조해서 형성한 전극적층체(8)에 집전탭(33),(53)을 스포트용접등으로 접속하고, 다시 통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름(22)에 삽입하고, 전해액을 주입하고 알루미라미네이트 필름(22)을 함구처리해서, 단일의 전극적층체를 갖는 리튬이온전지를 형성한다(도 3참조).

이온전도체로 사용하는 전해액에 사용하는 액체전해질로는 종래의 전지에 사용되고있는 리튬이온을 포함하는 비수계의 액체전해질이 사용가능하다.

구체적으로는 액체전해질의 용제로서, 탄산에틸렌, 탄산프로필렌, 탄산디메틸, 탄산디에틸등의 에스텔계 용제나 디메토옥시에탄, 디에톡시에탄, 디에틸에텔, 디메틸에텔등의 에텔용제의 단독액 및 상술한 동일계통의 용제끼리 또는 이종계통의 용제로 된 2종이상의 혼합액이 사용가능하다.

또, 액체전해질에 사용하는 전해질염은, LiPF₆, LiAsF₆, LiclO₄, LiBF₄, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂, LiC(CF₃SO₂)₃, LiN(C₂F₅SO₂)₂등이 사용가능하다.

활물질층(32),(52)를 형성하는데는 정극 및 부극활물질분말 각각을 바인더수지와 혼합해서 페이스트상으로 하고, 이 페이스트를 정극 및 부극집전체(31),(51)각각에 도포 건조한다.

활물질을 전극화하기 위해 사용되는 바인더수지로는 전해액에 용해하지않고, 전지내부에서 전기화학반응을 일으키지 않는 것이면 사용가능하다.

구체적으로는 불화비닐리덴, 불화에틸렌, 아크리로니트릴, 에틸렌옥사이드등의 단독 중합체 또는 공중합체, 에틸렌프로필렌디아민고무 등이 사용가능한 것이다.

활물질로서, 정극(3)에서는 예를들면 리튬과 코발트, 니켈, 망강등의 천이금속과의 복합산화물, 리튬을 포함하는 칼코겐화합물 또는 이들의 복합산화물, 또 상기한 복합산화물, 리튬을 포함하는 칼코겐화합물 또는 이들의 복합산화물에 여러가지원소를 미량첨가한 것 등이 사용되고, 이들 물질에 전자전도체로 흑연이 가해진 것이 사용된다.

또, 부극(5)에서는 흑연, 이흑연타소, 난흑연탄소, 폴리아센, 폴리아세틸렌등의 탄소계화합물, 피렌, 페리렌등의 아센구조를 포함하는 방향족 탄화수소화합물이 바람직하게 사용되나 이것에 한정되는 것은 아니고, 전지동작때문에 필요한 리튬이온을 흡장, 방출할 수 있는 물질이면 다른 것도 사용가능하다.

또, 이들의 물질은 입자상의 것이 사용되고, 입경으로는 0.3㎛ 내지 20㎛의 것이 사용가능하고, 특히 바람직하게는 0.3㎛ 내지 5㎛의 것이다.

또, 부극활물질(52)로는 탄소섬유도 사용할 수가 있다.

입경이 너무 작을때에는 접착시의 접착제에 의한 활물질표면의 피복면적이너무 커져 방충전시의 리튬이온의 도프, 탈도프가 효율좋게 되지않고 전지특성이 저하해 버린다.

입경이 너무 클때 박막화가 쉽지않고, 또 충전밀도가 저하하므로 좋지않다.

또, 집전체(31),(51)은 전지내부에서 안정한 금속이면 사용가능하나, 정극 (3)에서는 알루미늄, 부극(5)에서는 동이 바람직하게 사용된다.

집전체(31),(51)의 형상으로는 박상, 망상, 엑스밴드메탈 등이 사용가능하나, 전극의 평활성을 얻기위해 박상의 것이 자주 사용된다.

세퍼레이터(4)는 절연성의 다공막, 망, 부직포등으로 충분한 강도가 있으면 어느 것이나 사용가능하고, 특히 한정하는 것은 아니나, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등으로 된 다공질막의 사용이 접착성, 안전성의 확보의 관점에서 바람직하다.

이온전도성을 확보하기위해, 관통공을 갖을 필요가 있으나, 관통공의 전체의 면적에 대한 비율은 적어도 10%, 바람직하게는 30% 이상있는 것이 바람직하다.

상기 방법에서는 접착성수지를 소성변형함으로써 접착하였으나 열가소성수지를 포함하는 접착성수지(6)를 사용해서 이 열가소성수지가 용이하게 변형하는 온도이상으로 가열하는 공정으로 접착해도 된다.

이 경우의 가열은 핫플레이트, 오븐, 적외선히터등 수법을 가리지 않는다.

열가소성수지가 유동하는 온도까지 가열해도 된다.

이 경우, 수지와 세퍼레이터(4) 또는 전극(3),(5)표면과의 접촉면적이 커질뿐 아니라, 표면의 미세공에 수지가 들어가 생기는 앵커효과도 함께 얻어진다.

열가소성수지의 점도가 높은 경우에는 가열시에 압력을 가하는 쪽이 바람직할때도 있으나 필수적인 것은 아니다.

열가소성수지를 포함하는 접착성수지(6)를 활물질층(32),(52)중에 함침시킴으로써 전지의 단락등의 이상에 의해 온도가 상승한 경우에 수지가 용융해서 전류를 차단하는 효과를 부여할 수 있다.

또, 열가소성수지를 포함하는 접착성수지(6)를 활물질층(32),(52)중에 함침시키는 데는 가압에 의해서도 가온에 의해서도 좋다.

여기서, 사용하는 열가소성수지는 융점 200℃ 이하의 것으로, 전해액에 불용인 것이면 어느 것이나 사용가능하다.

가열시의 유동성을 억제하지 않으면, 고융점성분, 무기물등이 혼입해 있어도 사용가능하다.

일반적으로 사용되는 바와 같은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌으로 된 세퍼레이터는 가열한 경우에는 세퍼레이터가 용해해서 눈막힘을 일으키므로 세퍼레이터 자체에 과잉의 열이 걸리지 말아야 한다.

이런 세퍼레이터를 사용하는 경우에는 열가소성수지의 유동성이 생기는 온도가 낮은 것을 선택하거나, 열가소성수지를 전극에 도포하고, 전극에만 가열한 후 맞부치는 방법이 바람직하다.

또, 열가소성수지를 포함하는 접착성수지(6)을 사용하는 경우, 압력을 가하면서 초음파를 조사해서 접착을 해도 된다.

초음파에 의해 수지의 변형이 효율좋게 일어나고, 압력 또는 접착시의 온도가 낮은 상태에서도 접착이 가능해진다.

초음파를 조사한 경우에는 열가소성수지의 전극표면에 접혀있는 부분이 선택적으로 가열되는 효과가 있다.

이 때문에 대단히 효율좋게 접착이 된다.

가온시기는 모든 겹치기가 종료된 후이면 언제라도 좋다.

이 공정은 완성한 전지의 내열성을 충분히 크게 하는 효과가 있다.

상기 실시의 형태에서는 단일전극적층체(8)로 된 전지에 대해 설명하였으나, 다수의 전극적층체를 갖는 적층전극형 전지에도 적용되는 것이고, 적층전극형전지함으로써 콤팩트하고, 안정되고 또 큰전지용랑의 리튬이온전지를 얻을 수가 있다.

예를들면, 도 4에 표시하는 바와 같은 다수의 분리된 세퍼레이터(4)간에 정극(3)과, 부극(5)을 교호로 배치한 다수의 전극적층체를 갖는 구조, 제5도 및 제6도에 표시하는 바와 같은 감아올려진 띠모양의 세퍼레이터(4)간에 정극(3)과, 부극(5)를 교호로 배치한 다수의 전극적층체를 갖는 구조외에 도시하지 않았으나, 접혀진 띠모양의 세퍼레이터(4)간에 정극(3)과, 부극(5)를 교호로 배치한 다수의 전극적층체를 갖는 구조에 의해 적층전극형 전지가 얻어진다.

도 4, 도 5 및 도 6에 표시한 적층전극형전지의 제조방법에 대해서는 하기 실시예에서 상세하게 설명한다.

아래에 실시예를 표시하고, 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 물론 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

LiCoO₂를 87중량%, 흑연분을 8중량%, 이들의 바인더수지로 폴리불화비닐리덴을 5중량%로 조정해서 혼합한 정극활물질페이스트를, 두께 20㎛의 알루미박으로 된 집전체상에 닥터브레이드 법으로 두께 약 100㎛으로 도포해서 정극을 형성하였다.

메소페이즈마이크로비즈카본(오사카가스(주)제)로 95중량% 바인더수지로서 폴리불화비닐리덴을 5중량%로 조정하고, 혼합한 부극활물질페이스트를 두께 12㎛의 동박으로 된 집전체상에 닥터브레이드법으로 두께 약 100㎛으로 도포해서 부극을 형성하였다.

정극 및 부극을 5㎝ x 4㎝의 장방형으로 절단하고, 절단한 정극 및 부극 각각에 집전용단자(텝)을 부착하였다.

이 정극 및 부극에 S1S 타입의 핫멜트 접착제(AK-1. 가네보 NSC(주)제, 연화점은 약 100℃)를 스프레이로 도포함으로써 핫멜트 접착제를 부분적으로 도포하였다.

이때의 접착제의 도포량은 1㎡당 약 8g였다.

이 접착제를 도포한 정극과 부극사이에 세퍼레이터(훽스트세라니즈사제, 셀가드 #2400)을 끼고 겹쳤다.

핫멜트 접착제의 접착성에 의해, 정극, 세퍼레이터 부극은 접착되었다.

정극과 세퍼레이터간 부극과, 세퍼레이터간은 핫멜트 접착제가 개재함으로써 약 50㎛의 두께의 공간이 생겼다. 이것을 진공건조로 충분히 건조시켰다.

건조후, 실온에서 1㎠당 5g의 압력을 가해 접착제층을 눌러뭉개고, 정극과세퍼레이터간의 공간, 부극과 세퍼레이터간의 공간을 작게하였다.

건조후, 통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고, 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로서 에틸렌카보네이트와 1,2-디메톡시에탄을 사용하고 전해질로서 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 주입후 알리미라미네이트 필름을 함구해서 전지를 완성시켰다.

이렇게해서 제작한 전지의 전지특성은 중량에너지밀도로 전류치 1C에서 70wh/kg의 값이 얻어졌다.

전류치 c/2로 200회의 충반전을 한후에도 충전용량은 약 90%로 높은 값이 유지되었다.

실시예 2

실시예 1과 같이 제작한 집전단자가 붙은 정극 및 부극에, 폴리부텐-폴리프로필렌 공중합체(니이다제라틴제, 연화점 84℃)를 코터(MELTEX사.제, cp3000)로 도포하였다.

공중합체는 점상으로 도포되고 도포량은 1㎡당 약 9g였다.

이후 정극과, 부극사이에 세퍼레이터를 겹쳐 80℃로 5g/㎠의 압력으로 1분간 눌러줌으로써 맞부쳤다.

다음, 통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고 충분히 건조한후, 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로서 에틸렌카보네이트와 1,2-디메톡시에탄을 사용하고 전해질에는 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 주입한후, 알루미라미네이트 필름을 함구해서 전지를 완성시켰다.

이렇게해서 제작한 전지의 전지특성은, 중량에너지밀도로 전류치 1C에서 70wh/kg의 값이 얻어졌다.

전류치 c/2에서 200회의 충방전을 한 후에도, 충전용량을 초기의 약 80%가 확보되었다.

실시예 3

실시예 1과 같이 제작한 집전단자가 붙은 정극 및 부극에 폴리부텐-폴리프로필렌공중합체(니이다제라틴(주)제 연화점 84℃)를 코터(MELTEX사 제, cp3000)으로 도포하였다.

공중합체는 점상으로 도포되고, 도포량은 1㎡당 약 15g였다.

이 접착제를 도포한 정극과 부극간에 세퍼레이터(훽스트세라니즈사제. 셀가드#2400)을 끼고 겹쳐서, 그 형상을 유지하면서 90℃로 3분간 가열해서 냉각함으로써 맞부쳤다.

그후, 접착한 전극을 통형으로 가공한 알루미네이트 필름에 삽입하고, 충분히 건조한후, 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로 에틸렌카보네이트와, 1,2-디메톡시에탄을 사용하고 전해질로 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 주입후, 알루미라미네이트 필름을 함구해서 전지를 완성시켰다.

이렇게해서 제작한 전지의 전지특성은, 중량에너지밀도로 전류치 1C에서 64wh/kg의 값이 얻어졌다.

전류치 c/2에서 200회의 충방전을 한후에도, 충전용량을 초기의 약 80%가 확보되었다.

실시예 4

실시예 1과 같이해서 제작한 집전단자가 붙은 정극 및 음극에 에틸렌-메타클리레이트-무수말레인산 공중합체(스미도모 카가꾸코교(주)제, 본다인, 연화점 100℃)를 코터(MELTEX사제. (cp3000))으로 도포하였다.

공중합체는 점상으로 도포되고, 도포량은 1㎡ 당 약 8g였다.

그후, 이들 정극과 부극사이에 세퍼레이터(훽스트세라니즈제 셀가드 #2400)을 겹쳐 80℃로 20g/㎠의 압력으로 1분간 눌러줌으로써 맞부쳤다.

통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고, 충분히 건조한 후, 전해액을 주입하였다.

전해액에는, 용매로서 에틸렌카보네이트와, 1,2-디메톡시에탄을 사용하고, 전해질로 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 주입한후, 70℃로 가열한 오븐중에서 약 1시간 가열하였다.

이 가열에 의해 정극과 세퍼레이터간의 공간, 부극과 세퍼레이터간의 공간은 좁아지고, 각 공간의 두께는 약 10㎛이 되었다.

알루미라미네이트 필름을 함구해서 전지를 완성시켰다.

이렇게해서 제작한 전지의 전지특성은, 중량에너지밀도로, 전류치 1C에서 78wh/kg의 값이 얻어졌다.

전류치 c/2로 200회의 충방전을 한 후에도 충전용량은 초기의 약 80%가 확보되었다.

실시예 5

실시예 1과 같이 제작한 집전단자가 붙은 정극 및 부극에 에틸렌-메틸메타클리레이트-무수말레인산공중합체(스미토모카가꾸코교(주)제 본다인, 연화점 100℃)를 코더(MELTEX사제, cp3000)으로 도파하였다.

공중합체는 점상으로 도포되고, 도포량은 1㎡당 약 8g였다.

이후, 양전극을 110℃의 오븐에서 1분간 가열하였다.

이들 정극과 부극사이에 세퍼레이터(훽스트세라니즈제 셀가드#2400)을 겹쳐주므로서 접착하였다.

그후, 접착한 전극을 통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고 충분히 건조한후, 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로서 에틸렌카보네이트와 1,2-디메톡시에탄을 사용하고, 전해질로서 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 주입한후, 알루미라미네이트 필름을 봉함해서 전지를 완성시켰다.

이렇게해서 제작한 전지의 전지특성은, 중량에너지밀도로 전류치 1C에서76wh/kg의 값이 얻어졌다.

전류치 c/2로 200회의 충방전을 한후에도, 충전용량은 초기의 약 80%가 확보되었다.

실시예 6

실시예 1과 같이 제작한 집전단자가 붙은 5cm x 4cm의 장방형의 전극을 사용하였다.

정극상에, 폴리에틸렌 분말을 1㎡당 10g정도가 되도록 균일하게 뿌렸다.

이위에 세퍼레이터(훽스트세라니즈제 셀가드#2400)을 겹쳐주고, 또 폴리에틸렌분말을 1㎡당 10g 정도가 되도록 균일하게 뿌렸다.

이후, 부극을 그 위에 겹쳐, 초음파용착기를 사용해서 일체로 맞부쳤다.

초음파는 전극을 파괴하지않도록 단위면적당의 출력을 가능한한 작게되도록 주의 하였다.

통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고, 충분히 건조한후 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로서 에틸렌카보네이트와 1,2-디메톡시에탄을 사용하고 전해질로서 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 넣은후, 알루미라미네이트 필름을 봉함해서 전지를 완성하였다.

이렇게해서, 제작한 전지의 전지특성은 중량에너지밀도로, 전류치 1C에서 62wh/kg의 값이 얻어졌다.

전류치 c/2로 100회의 층방전을 한후에도, 충전용량은 초기의 약 80%가 확보되었다.

형성한 전지의 전지특성은 중량에너지밀도로 60wh/kg가 얻어졌다.

전류치 c/2로 100회의 충방전을 한후에도 충전용량은 초기의 60%가 확보되었다.

실시예 7

본 실시예는 도 4에 표시한 평판상 적층구조 전지체를 갖는 리튬이온전지의 형성방법이다.

실시예 1기재와 같은 재료 및 방법으로 정극 및 부극을 제작한후, 세퍼레이터재로서 롤상으로 겹처진 폭 12cm, 두께 25㎛의 다공성폴리프로필렌시트(훽스트사제, 상품명. 셀가드 #2400) 2매를 인출해 각각의 한쪽면에 접착성수지로서 상품번호:H-6825(니따제라틴(주)제)를 코터법에 의해 점상으로 도착하였다.

다음 여러개의 정극(또는 부극)을 2개의 세퍼레이터의 도착면에 끼워서 임시로 고정되고, 이 세퍼레이터간에 임시로 고정한 정극(또는 부극)을 일정크기로 잘라내어, 세퍼레이터의 한쪽면에 코터법으로 상기 접착성수지를 점상으로 도착해서, 이 도착면에 부극(또는 정극)을 겹쳐 또 다른 정극(또는 부극)을 임시고정한 세퍼레이터의 도착면을 겹쳐서 이 세퍼레이터의 미도포면에 코터법으로 상기 접착성수지를 점상으로 도착하고, 이 도착면에 부극(또는 정극)을 겹쳐주었다.

이 공정을 반복해서 다수의 전극적층체를 층상으로 형성하였다.

이 다수의 전극적층체를 층상으로 형성한 전지체에, 1㎠당 100g의 압력을 가했다.

통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고, 충분히 건조한후 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로써 에틸렌카보네이트와 1,2-디메톡시에탄을 사용하고, 전해질로서 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액을 주입한후, 알루미라미네이트 필름을 봉함해서 전지를 완성시켰다.

실시예 8

본 실시예는 도 5에 표시한 평판상 권형구조 전지체를 갖는 리튬이온 2차전지의 형성방법이다.

실시예 1과 같이, 정극 및 부극을 제작하고, 각각의 단부에 집전단자를 스팟용접에 의해 부착하였다.

세퍼레이터(훽스트세라니즈제, 셀가드 #2400)의 한쪽면 및 반대면의 일단에 AK-1(가네보 SNC(주)제, 연화점은 약 100℃)를 스프레이를 도포하였다.

이때의 접착제의 도포량은 1㎡당 약 10g였다.

다음에 세퍼레이터의 일단을 일정량구부려, 이 구부린부분에 하나의 정극(또는 부극)을 끼고, 이 정극(또는 부극)에 대향하도록 구부린 부분의 도착면에 부극9또는 정극)을 겹쳐서, 이 부극(또는 정극)을 세퍼레이터로 감았다.

계속해, 먼저수지를 도착한 세퍼레이터면의 반대측면에 수지를 코터법에 의해 점상으로 도착하면서, 정극(또는 부극)과 부극(또는 정극)을 교호로 대향하도록 겹쳐주면서 세퍼레이터를 장원상태로 감아갔다.

감아올린 장원상의 전지체에 1㎠당 약 100g의 압력을 가해 접착하고, 도 5에 표시하는 바와 같은 평판상권형 적층구조 전지체를 얻었다.

이 평판상 적층구조 전지체의 정극 및 부극(31),(51)각각의 단부에 접속한 집전탭을 정극끼리, 부극끼리 스팟용접함으로써, 적층구조전지체를 전기적으로 병렬로 접속하였다.

계속해, 이 적층구조전지체를 통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고, 충분히 건조한후 전해액을 주입하였다.

전해액에는 용매로서, 에틸렌카보네이트와, 1,2-디메톡시에탄을 사용해 전해질로 6불화린산 리튬을 사용하였다.

전해액 주입후에, 알루미라미네이트 필름을 열융착에 의해 함구처리를 함으로서 리튬이온 2차전지가 완성되었다.

실시예 9

상기 실시예 9에서는 세퍼레이터(4)를 감아올리는 예를 표시했으나, 정극(또는 부극)을 사이에 접합한 띠모양의 세퍼레이터(4)를 접고, 부극(또는 정극)을 맞부치면서 세퍼레이터를 접는 공정을 반복해서 평판상 접는형 적층구조전지체로 해도 된다.

실시예 10

본 실시예는 도 6에 표시한 평판상권형적층구조 전지체를 갖는 리튬이온 2차전지의 제조방법이고, 상기 실시의 예 11과 달리, 각 전극 및 세퍼레이터를 동시에 감아올리는 예이다.

실시예 8과 같은 재료 및 방법으로, 정극 및 부극을 제작한후, 세퍼레이터재 (4)로서 롤상으로 겹쳐진 폭 12cm, 두께 25㎛의 다공성 폴리프로필렌시트(훽스트사제, 상품명 셀가드 #2400)을 2개 인출해, 각각 편면에 접착성수지로 상품번호: H-6825(니따제라틴(주)제)를 코터법에 의해 점상으로 도착하였다.

수지의 도포량은 실시예 8과 같게했다.

디음, 하나의 정극(또는 부극)을 2개의 세퍼레이터의 도포면간에 겹쳤다.

이 세퍼레이터부 정극(또는 부극)의 양측의 세퍼레이터면에도 코터법으로 접착성수지를 도포하였다.

다음, 띠모양의 부극(또는 정극)을 세퍼레이터부착 정극(또는 부극)의 한쪽에 일정량 돌출시켜서 배치하였다.

돌출한 부극(또는 정극)을 구부려서 세퍼레이터부착한 정극(또는 부극)을 싸주듯이해서 맞부쳐, 계속해서 세퍼레이터부착정극(또는 부극)을 구부려서 부극(또는 정극)을 싸주듯이해서 겹쳐주고, 구부린 부극(또는 정극)을 싸주듯이 세퍼레이터부착정극(또는 부극)을 장원상태로 감았다.

그후, 가열롤러 전체를 융착시킴으로써, 제6도에 표시한바와 같은 권형적층구조전지체를 얻었다.

이 권형적층구조전지체의 정극 및 부극집전체(31),(51)각각의 단부에 접속한 집전탭을 정극끼리, 부극끼리 스팟용접함으로써 적층구조전지체를 전기적으로 병렬로 접속하였다.

계속해서, 이 적층구조전지체를 통형으로 가공한 알루미라미네이트 필름에 삽입하고, 충분히 건조한후, 전해액을 주입하였다.

전해액에는, 용매로서 에틸렌카보네이트와, 1,2-디메톡시에탄을 사용하고, 전해질로서 6불화 린산리튬을 사용하였다.

전해액 주입후에, 알루미라미네이트 필름을 열융축에 의해 봉함처리를 함으로써 리튬이온 2차전지가 완성되었다.

또, 상기 각 실시예에서는 세퍼레이터 또는 활물질층(32),(52)에 접착성수지를 도착한 경우에 설명하였으나, 세퍼레이터와 활물질층의 양쪽에 도착해도 된다.

휴대퍼스컴, 휴대전화등 휴대용전자기기에 사용되고, 소형경량화, 임의 형상화가 가능하고, 구조강도가 높고 안전성이 확보된 고성능의 2차전지의 형성이 간소화되고, 생산성이 향상된다.

Claims (13)

1. 정극활물질층을 형성한 정극, 부극활물질층을 형성한 부극 및 세퍼레이터를 구성요소에 포함하고, 이 구성요소에 전해액을 함침한 리튬이온전지의 형성법에서, 정극과 세퍼레이터간 및 부극과 세퍼레이터간에 적어도 일부에 가소성수지를 포함하는 접착성수지를 부분적으로 개재시켜서 겹치는 공정과, 상기 접착성수지를 변형시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 형성법.
2. 상기 접착성수지의 변형을 상기 가소성수지가 소성변형할 수 있는 이상의 압력을 가함으로써 실시하는 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제1항 기재의 리튬이온전지의 형성법.
3. 상기 가소성수지를 열가소성수지로 한 것을 특징으로 하는 청구범위 제1항 기재의 리튬이온전지의 형성법.
4. 열가소성수지가 유동하는 이상의 온도로 가온함으로써 상기 접착성수지를 변형하는 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제3항기재의 리튬이온전지의 형성법.
5. 상기 열가소성수지를 활물질층에 침투시키는 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제3항기재의 리튬이온전지의 형성법
6. 가온함으로써, 상기 열가소성수지를 활물질층중에 침투시키는 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제3항기재의 리튬이온전지의 형성법.
7. 가압하면서 초음파를 조사해서, 상기 접착성수지를 변형하는 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제3항기재의 리튬이온전지의 형성법.
8. 부극활물질층을 부극집전체에 접합해서 되는 부극과,

   상기 정극활물질층과, 상기 부극활물질층의 사이에 배치되는 세퍼레이터와,

   상기 각 활물질층과, 상기 세퍼레이터사이를 연통하는 공극을 형성하도록 상기 각 활물질층과,

   상기 세퍼레이터사이에 배치된 적어도 일부에 가소성수지를 포함하는 접착성수지를 갖는 전극적층체를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
9. 상기 가소성수지가 열가소성수지인 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제8항기재의 리튬이온전지.
10. 상기, 열가소성수지가 활물질층중에 침투한 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제9항기재의 리튬이온전지.
11. 공극부의 면적이, 각 활물질층과 세퍼레이터가 대향하는 각 대향면의 전면적의 30% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제8항기재의 리튬이온전지.
12. 각 활물질층과 세퍼레이터간의 거리가 30㎛이하인 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제8항기재의 리튬이온전지.
13. 다수의 전극적층체를 구비한 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제8항기재의 리튬이온전지.