KR100329855B1 - 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

높은 에너지 밀도를 가질 뿐 아니라 내구성이 우수한 리튬이온 이차전지 및 이를 제조하는 방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법은, 외장재의 재질 및 구조, 외장재에 삽입되는 양극판, 음극판, 분리막을 포함한 적층체의 적층 정렬구조 등을 개량하여 두 전극의 내부 단락 및 모서리 불일치 문제를 제거할 뿐 아니라, 전지 조립성, 생산성, 전지 안정성을 높인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 특히 5㎜ 이하 두께의 박형 리튬 이차전지의 생산성 및 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킨다.

Description

리튬이온 이차전지 및 그 제조방법 {Lithium ion secondary battery and manufacturing method thereof}

본 발명은 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 에너지 밀도를 가질 뿐 아니라 내구성이 우수한 리튬이온 이차전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 5㎜ 이하 두께의 박형 리튬 이차전지의 생산성 및 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킨다.

휴대전화, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기 시장이 확대되고 다양화됨에 따라 재충전이 가능한 전원공급용 이차 전지에 대한 수요도 확대되고 있다. 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화 및 다기능화는 전력원으로 사용되는 이차 전지의 에너지 저장밀도의 계속적인 향상을 요구하고 있다. 따라서, 이를 충족하기 위한 다년간의 연구결과, 현재 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 탄소음극과 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 양극물질을 채용한 리튬이온 이차 전지가 등장하였다. 이 리튬이온 이차 전지는, 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차 전지와 비교할 경우, 단위무게당 에너지 밀도 및 충방전수명이 상대적으로 크기 때문에 최근 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원으로 급속히 기존 전지를 대치하고 있다. 그러나, 휴대용 전자기기의 급속한 발전과 다변화에 따라 더 높은 에너지 밀도와 다양한 규격의 전지 선택에 대한 요구가 급증하고 있는 바, 현재 리튬이온 이차 전지는 이와 같은 요구를 충족시켜 주지는 못하고 있는 실정이다. 특히, 전자기기의 급속한 박형화와 소형화는 얇은 두께의 박형 리튬이온 이차 전지에 대한 수요를 급속히 확대시키고 있는 반면, 기존의 원통형이나 각형 리튬이온 이차 전지의 조립방법을 그대로 채용하는 경우, 박형화에 따르는 부피당 에너지 밀도의 하락이 지나치게 큰 편이다. 따라서, 통상 5㎜ 이하의 박형 전지를 휴대전화, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 고성능 휴대용 전자기기에 채용할 경우, 충분한 구동시간을 얻기 힘든 실정이다. 따라서, 부피당 에너지 밀도가 높은 박형 리튬이온 이차 전지의 개발은 다양한 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 박형화를 이룩하는 데 필수적이라고 판단된다.

도 1a는 종래의 각형 리튬이온 이차 전지의 조립과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 각형 리튬이온 이차 전지의 음극과 양극은 우선 분리막을 사이에 두고 통상 와인딩(winding) 방식이라고 불리는 공정을 통해 감겨 일체화되는데, 이를 젤리롤(jelly roll)이라고 통칭한다. 도 1a를 참조하면, 젤리롤(102)을 각형의 캔(104)에 삽입한 뒤, 그 위에 캡(106)을 얹고 레이저 융착으로 밀봉한 구조를 가지고 있다. 이 때, 음극과 양극은 각기 구리 박판과 알루미늄 박판의 양면에 고분자 결착제와 도전성 분말 그리고 각 전극 활물질의 혼합제를 도포하여 제조하며, 통상 전극 탭의 부착을 위해 미 코팅부위(무지부)를 남기게 된다. 음극과 양극의미 코팅부에는 통상 각기 니켈과 알루미늄 재질의 전극 탭을 부착하며, 이를 이용하여 두 전극을 전지의 외부 단자로 연결한다. 이 때 미 코팅부에 부착한 전극 탭 중 하나는 젤리롤(102)이 캔(104)에 삽입될 때 캔(104)의 바닥이나 측면에 부착되고, 다른 하나의 탭은 캡(106)에 부착된다. 이와 같은 조립방식 및 구조가 주는 장점은 우선 와인딩 시 분리막에 가해지는 장력에 의하여 양극과 음극이 물리적으로 균일하게 밀착되어 있고 또한 캔(104)의 벽에 의해 물리적으로 압착되어 있으므로, 전기화학적인 반응에 의하여 전지가 충전 또는 방전될 때, 전체 전극면이 균일하게 활용될 수 있다는 것이다. 따라서, 기본적으로 전지성능이 우수하고 장기 충방전 사이클에 대해서도 높은 성능이 유지된다. 기계적인 강도가 큰 금속 재질의 캔(104)의 벽이 주는 또 한가지의 부가적인 장점은, 이 물리적 압착력으로 인하여 캔(104) 내부에 젤리롤(102)을 강하게 압착하여 충진할 수 있으며, 내부의 변형력에 의해서 발생할 수 있는 두께 변형을 최소화할 수 있다는 것으로서, 최종적인 전지의 단위 부피당 에너지 밀도 향상에 크게 기여한다. 또한, 전지 캔(104)과 캡(106)이 완전히 융착되어 전지의 내부와 외부를 완전히 단절시키고 있으므로 전지 내부물질의 유출위험과 전지 외부 이물질의 내부 침투가 방지된다.

그러나, 이와 같은 조립방법을 채용하고 동일한 전극을 사용하여 5㎜ 이하의 두께를 갖는 박형 리튬 이온 이차전지를 제조할 경우, 통상의 원통형 전지에 비해 에너지 밀도가 약 30% 가량 하락하게 된다. 또한, 두께를 더 감소시킬 경우, 이 하락폭은 더욱 급격히 증가하는 실정이다. 더욱이, 제조공정상 젤리롤의 삽입, 전해질의 주액, 전극 단자의 절연 및 분리, 레이저를 이용한 용접 등 대부분의 조립공정이 더욱 까다롭게 되므로, 수율의 하락과 제조원가의 상승이 유발된다. 낮은 에너지 밀도와 공정 수율 하락의 원인은 크게 아래의 네가지로 요약할 수 있다.

첫째, 와인딩되어 제조된 젤리롤의 형상은 완벽하게 평평하지 않고 타원형에 가까우므로, 각형 전지 내부에 빈틈없이 끼워질 수 없다. 따라서, 부득이하게 활용되지 못하는 빈 공간이 발생하게 된다. 이에 의한 에너지 밀도의 손실은, 사용되지 못하는 내부공간이 전지 전체 내부공간에서 차지하는 부피 분율에 의해 결정되기 때문에, 전지 내부공간이 상대적으로 적은 박형 전지일수록 그 손실이 급격히 증가하게 된다. 따라서, 동일한 전극을 사용하는 경우, 특히 4㎜ 이하 두께의 각형 전지는 10㎜ 두께의 각형 전지보다 통상 30% 낮은 부피당 에너지 밀도를 갖는다.

둘째, 각형 전지용 와인딩 공정에서는 원통형의 경우와 달리 전극을 납작하게 말아 감아야 하기 때문에, 젤리롤의 양단부분에서는 곡률반경이 작아져 전극이 거의 접히게 된다. 이 때, 전극이 손상되지 않도록 하기 위해 전극의 두께가 얇아져야 하거나, 전극의 유연성 및 접착력을 높이기 위해 비활성 결착제의 양을 증가시켜야 한다. 얇은 전극을 여러 번 더 감는 경우, 결국 더 많은 양의 분리막과 집전체가 전지 내에 함유되고, 결국 활성물질 대비 비활성물질의 비가 증가하여 전지의 에너지 함량을 하락시키는 문제를 유발한다. 반대로 비활성 결착제의 양을 높이는 경우 역시 활성 전극물질 대비 비활성 결착제의 함유량이 증가함에 따라 전지의 에너지 밀도는 감소하게 된다.

셋째, 통상의 각형 전지의 밀봉방식으로 레이저를 이용한 캔과 캡의 융착방법이 널리 이용되고 있다. 이는 강한 에너지의 레이저 빔을 캔과 캡의 접합부위에정확히 연속조사하는 공정이므로, 고가의 설비가 요구될 뿐 아니라 공정속도가 상당히 느리다. 또한, 공정 중 발생하는 열에 의한 전지부품의 손상 가능성도 크다.

넷째, 종래 각형 전지의 외장재인 캔은 통상 저온 연신(dip drawing)을 통해 제조되기 때문에, 알루미늄의 경우 통상 0.4㎜, 스틸(steel)의 경우 통상 0.3㎜의 두께를 각각 가지므로 원통형 전지와 코인 전지의 외장재 두께인 0.2㎜에 비해 약 1.5∼2배 정도가 된다. 이와 같이 두꺼운 외장재가 전체 전지에서 차지하는 부피 분율 및 무게 분율은 특히 5㎜ 이하의 박형 전지의 경우에는 더욱 커지게 되므로, 종래와 같은 캔의 사용은 높은 에너지 밀도의 박형 전지 제조에 큰 제약을 준다.

상기한 단점들은 각형 전지의 두께감소에 따라 더욱 심각해지며, 특히 5㎜ 이하 두께의 박형 전지의 경우 매우 심각하기 때문에, 통상의 각형 전지 조립방식으로는 휴대용 전자기기 등의 박형화 요구를 충분히 만족시킬 수 없다.

한편, 종래의 단추형 또는 코인형 전지의 조립기술을 이용하면 통상의 스테인레스 스틸 캔과 캡을 이용하고 크림핑으로 전지를 조립하여 박형 전지를 높은 생산성으로 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 전지는 밀봉특성이 우수하며, 강한 외장재에 의해 두 전극이 분리막을 마주보고 밀착되어 있으므로 균일한 전극반응이 보장되는 장점을 가진다. 그러나, 이 경우 캡과 캔을 음극과 양극 단자로 이용하기 때문에 단 한 면의 음극과 단 한 면의 양극만이 활용되어 고용량화가 불가능한 실정이다.

이와 같은 문제점을 해결하고 복수의 적층된 전극들을 일일이 전기적으로 연결하는 어려움을 해소하기 위해, 미국 특허 제4,048,397호에서는 분리막 양측에 도전성 밴드를 부착한 기술을 개시하였다. 미국 특허 제4,048,397호를 참조하면, 각 도전성 밴드는 각기 음극과 양극에 접촉되며 최종적으로 이 밴드가 각기 캡과 캔에 부착되어, 음극은 모두 분리막 한쪽 편에 위치한 밴드에 의해 연결되고, 양극은 모두 그 반대편에 부착된 밴드로 연결된다. 이와 같은 방식은 높은 생산성을 갖는 조립기술과 다중층 전극을 활용하여 에너지 밀도를 향상시키는 동시에 조립을 간편하게 만들어준다는 장점을 가진다. 그러나, 리튬 이차전지의 음극 표면에는 초기 충방전시 비전도성 부동태 피막이 형성되므로 이와 같은 단순 표면 접촉에 의해서는 전기적 접촉이 불충분하게 된다. 또한, 이 도전성 밴드는 유한한 두께를 가지므로 음극과 양극간의 리튬 이온 전달특성을 악화시켜 방전성능이 나빠질 우려가 있다. 따라서, 이 방식을 리튬 이차전지에 적용하는 것은 불가능하다.

한편, 이와 달리 일본 공개특허 제10172607호, 제11260406호, 제11260414호 및 제11260417호에서는 기존 금속 외장재보다 두께가 얇고 무게가 가벼운 포장재를 이용하고 단순 열융착 방식으로 전지를 밀봉하는 방식에 의해 박형 리튬 이차전지의 생산성을 높이는 방법을 제안하고 있다. 이러한 타입의 외장재로서 대표적인 것은 박형 알루미늄 라미네이트(laminate) 포장재인데, 이는 통상 내부에 열융착 밀봉이 가능한 고분자층과 외부물질의 침투성이 낮은 물질층, 그리고 절연성 외피로 이루어져 있다. 이와 같은 포장재는 그 특성상, 기존 금속 외장재에 비해 얇고 가벼운 장점을 가지고 있어서, 박형 전지의 두께 및 무게 상승에 큰 비중을 차지하는 금속 외장재를 대치할 경우, 전지의 무게를 낮추고 두께 에너지 밀도를 높일 수 있다. 또한, 외장재 자체가 전기 절연체이기 때문에 다층의 전극 스택(stack) 또는젤리롤을 전기적 단락의 위험 없이 삽입하기에 용이하여 코인 전지에서와 같은 적층의 곤란성이 없어서 고용량화에 적합하다. 그러나, 이 포장재는 박형이고 가볍다는 장점을 갖는 데 반해 기계적 강도가 떨어진다는 단점도 가지므로, 기존 금속 외장재에 비해 전극 스택이나 젤리롤에 가하는 기계적 압착력이 약화되어 내부 전극스택이나 젤리롤, 그리고 전지 분해 생성물에 의해 내부에서 외부로 가해지는 압력에 의해 전지형태가 쉽게 변형된다는 단점을 가진다.

이러한 압착력의 약화는 또한 음극과 분리막 그리고 양극의 밀착성을 쉽게 악화시킬 수 있고, 이는 결과적으로 전지성능을 악화를 유발하므로 기존 금속 외장재를 이용하는 리튬이온 이차전지의 우수한 성능을 유지하기 위해서는 전지 조립시 다른 방식으로 이 전극-분리막 간의 계면 압착을 향상시켜야 한다.

이와 같은 조건을 만족시키기 위해, 미국 특허 제5,296,318호에서는 이온전도성 젤(gel) 고분자를 음극, 양극 및 분리막에 적용하여 이들을 열융착함으로써, 외부의 압착력에 의존하지 않고 자체적인 밀착성을 유지하는 전지를 제안하였다. 이와 같은 타입의 전지를 리튬이온 고분자 전지 또는 약칭하여 고분자 전지라 한다. 그러나, 이 전지는 기본적으로 이온 전도성이 낮은 젤 상 고분자 전해질을 전극과 분리막의 이온 전도체로 이용하기 때문에 기존 리튬이온 전지에 비해 고속 충방전 특성이 나쁠 뿐 아니라 저온에서의 성능이 크게 저하되는 문제를 안고 있다. 이와 더불어, 그 화학적 구성에 다소 차이는 있으나 기본적으로 리튬이온 고분자 전지의 전극에는 과량의 비활성 고분자가 이용되고, 이온 전도성 분리막의 낮은 기계적 강도로 인해 분리막의 두께를 증가시켜야 하는 문제가 발생한다. 따라서, 이와 같은 전지는 비록 박형 라미네이트 포장재를 채용한 전지구조에서 안정된 성능을 발휘하기는 하나, 박형 포장재가 제시하는 고용량화의 이득을 충분히 활용하는 경우에도, 근본적으로 그 부피당 에너지 밀도는 통상의 각형 리튬이온 전지 수준에도 미치지 못하는 실정이다.

따라서, 최근 미국 특허 제5,981,107호와 국제특허조약에 의해 출원되어 공개된 WO9948162에서는 기존 리튬이온 전지의 장점을 충분히 활용할 수 있도록 고분자 젤 전해질을 활용하지 않으며, 대신 얇은 접착층을 분리막과 음극, 그리고 분리막과 양극 사이에 배치하여 두 전극과 분리막의 밀착성을 유지하는 방안을 제시하고 있다. 이와 같은 구조에서는 이온 전도성의 하락이 젤상 고분자 전해질의 경우에 비해 완화되고, 또한 비활성 고분자 젤의 함량도 크게 감소시킬 수 있기 때문에, 에너지 밀도 향상과 더불어 안정된 전지성능을 얻을 수 있으리라 기대된다. 그러나, 이 경우에도, 라미네이트 포장재가 갖고 있는 기계적 취약성에서 유발되는 문제들은 해소되지 못하게 된다. 즉, 상기한 바와 같이, 기존 금속 외장재는 내부 전극 스택 또는 젤리롤 그리고 전지 분해 생성물에 의해 내부에서 외부로 가해지는 압력에 대해 변형되지 않는 반면, 라미네이트 포장재는 이러한 내부 압력에 의해 쉽게 변형된다는 문제를 가진다. 이 문제는 라미네이트 포장재로 외장한 리튬이온 이차전지를 플라스틱 외장재의 팩으로 제조하여 두께변형을 억제하는 경우에도 발생하는데, 이 경우 플라스틱 외장재가 변형되거나 열융착으로 밀봉한 부위가 내압에 의해 파열되는 현상까지 야기될 수 있다.

한편 상기한 바와 유사한 특징을 가지는 기술로서, 최근 기존 각형 전지에이용되는 젤리롤을 단순히 알루미늄 라미네이트 포장재에 넣어 밀봉한 형태의 전지도 등장하고 있다. 이러한 전지에서는 권련형으로 감은 전극을 사용하고 추가적으로 테이프를 이용해 음극과 양극간의 밀착성을 주기 때문에 비교적 안정된 전지성능을 발휘할 수 있다. 그러나, 이 경우도 전극 스택에 비해 공간 활용 효율이 떨어지는 젤리롤을 사용하고 있으므로, 에너지 밀도의 향상에는 한계가 있다. 또한, 이러한 전지 역시 내부 압력에 의해 쉽게 두께 팽윤이 발생할 수 있고, 내압 증가시 포장재의 접합면을 통해 액상의 전해질이 유출되기 쉬운 단점을 갖는다.

상기한 전지들 중에서 얇고 가벼운 알루미늄 라미네이트 포장재를 전지의 외장재로 사용한 것은 외장재에 의한 무게 및 부피의 손실을 줄여 에너지 밀도를 향상시킨다는 장점과 단순 열융착에 의해 박형 전지의 밀봉이 이루어지므로 전지의 제조가 용이하다는 장점을 갖는다. 그 반면에, 알루미늄 라미네이트 포장재는 기존 금속 외장재에 비해 기계적인 강도가 현저히 떨어지므로 리튬이온 전지의 외장재로 이용되는 경우 아래에 나열한 세 가지 치명적인 문제가 발생할 수 있다.

첫째, 위와 같은 전지는 알루미늄 라미네이트 포장재의 최 내측 고분자 소재층의 열융착에 의해 밀봉되므로, 근본적으로 기존 각형 전지에 적용된 레이저 융착밀봉 또는 원통형 전지에서의 크림핑밀봉에 비해 밀봉강도가 낮다. 특히, 포장재 사이로 전극 탭이 빠져나오는 부분에서는 고분자층과 금속층 간의 접착성에 의하여 밀봉성이 결정되기 때문에 통상 누액과 같은 불량이 발생하기 쉬운 주요 조립부이다. 따라서, 정상적인 사용 도중에도 자연적으로 발생하는 전극의 팽창 및 가스 발생에 따른 내압 상승에 의해 이 금속 탭과 고분자 내피층으로 이루어진 밀봉부가쉽게 균열될 수 있으며, 이 균열부를 따라 전해질 누액의 위험성과 수분 등의 외부 불순물의 유입가능성이 증대되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 위험성은 전극 활물질과 전극을 따라 유입되는 불순물과 전지조립의 각 단계에서 유입되는 불순물에 의해 지속적으로 가스가 발생되는 경우 더욱 가중되므로 전지제조의 각 단계에서 불순물 유입을 더욱 엄격하게 방지해야 하며, 이로 인해 공정단가가 상승하는 문제점도 있다. 또한, 접착층 균열에 의한 누액의 위험성은, 고온에서 전지를 사용하는 경우처럼, 전지 내 부반응에 의한 가스발생 가능성이 증대되고 접착층의 접착이 유연해지는 조건에서 더 심각하다. 만일 누액이 발생할 경우에는, 그 자체로 전지의 성능에 치명적인 영향을 미치며, 더욱 심각하게는 전지가 사용되고 있는 기기의 전자회로를 오염시켜 고가의 전자기기의 수명을 단축시킬 수 있다.

둘째, 기존 각형 전지는 충분히 기계적 강도가 큰 금속 캔을 이용하기 때문에 전지 내에서 유발되는 내압상승에 의해 심각한 두께 증가가 발생되지 않으나, 알루미늄 라미네이트 포장재는 이러한 내압을 이겨내지 못하므로 전지의 두께가 팽창하게 된다. 이는 전지 팩의 변형을 유발하므로 전지 팩의 정상적인 장착을 불가능하게 하거나 외형상 불만감을 유발하게 된다. 이와 같은 문제점은 고용량화를 위하여 전지의 면적을 증가시키는 경우 더욱 심각하므로, 약 5㎜ 이하 두께의 고용량 전지를 제조하는 것을 더욱 어렵게 만든다.

셋째, 알루미늄 라미네이트 포장재의 약한 강도로 인하여 전지의 신뢰성 및 안정성이 저하되는 문제를 가진다. 최소 6개월 내지 수년간 사용되는 전지는 넓은 온도범위에서 뿐만 아니라 다양한 기계적 충격에 대해서도 우수한 내구성이 요구된다. 기존 각형 전지는 금속 캔을 외장재로 사용하고 있기 때문에 외부의 압력이나, 뾰족한 모서리에 의한 국소적 변형이나 못과 같은 예봉에 의한 손상의 가능성이 적은 반면 알루미늄 라미네이트 외장재는 재질의 두께와 강도면에서 기존 금속 외장재보다 현저히 낮기 때문에 이와 같은 외부 충격에 의해 쉽게 손상되거나 발화와 같은 안정성 문제의 발생 가능성 마저 지니고 있다. 이러한 안정성 문제는 특히 대용량을 요구하는 휴대용 컴퓨터의 경우와 전지 팩의 박형화를 위해 외장 프라스틱을 제거하거나 박형화한 경우에는 더욱 치명적이다.

이상의 고찰을 통해 본 발명자들은 기존의 다양한 전지들이 내구성과 안정성, 박형화, 용이한 제조성, 높은 에너지 밀도를 달성하는 데 많은 한계를 가지고 있음을 확인하였다.

이를 요약하자면, 기존 리튬이온 각형 전지는 그 금속 포장재와 내부 전극의 구조에 의해 높은 에너지 밀도의 박형 리튬이온 전지의 제조가 본질적으로 어렵다는 제약을 가지고 있으며, 코인전지는 다층의 전극적층이 곤란하여 고용량화가 본질적으로 어렵다. 또한, 알루미늄 라미네이트 포장재를 외장재로 사용하는 리튬이온 전지들은 그 외장재의 기계적 취약성과 고분자 내피층과 금속 탭으로 이루어진 접착면의 접착강도 부족으로 인하여 내구성, 안전성이 나쁘다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 각종 리튬 이차 전지들의 단점을 보완하고, 기존 각형 전지의 장점과 리튬이온 폴리머 전지의 장점을 결합하여 높은 에너지 밀도를 갖는 새로운 형태의 박형 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1a는 종래의 각형 리튬이온 이차 전지의 조립과정을 개략적으로 나타낸 도면;

도 1b는 종래의 각형 리튬이온 이차 전지의 단면도;

도 2는 본 발명의 이차전지의 수직단면을 개략적으로 나타낸 도면;

도 3a 및 3b는 본 발명에 사용되는 양극판 및 음극판을 만들기 위한 극판 재료의 평면도들;

도 4는 본 발명의 이차전지에 사용되는 적층체의 적층순서의 일례를 나타낸 도면;

도 5a 및 5b는 양극판 재료 및 음극판 재료에서 양극판 및 음극판을 각각 형성하기 위한 타발과정을 나타낸 도면들;

도 6a 및 6b는 타발된 음극판을 분리막과 일체형으로 만드는 과정을 설명하기 위한 도면들;

도 7a 및 7b는 본 발명의 이차전지에 사용되는 적층체를 형성하는 과정을 나타낸 도면들;

도 7c 및 7d는 본 발명의 이차전지에 사용되는 적층체의 전기적 연결과정을 나타낸 도면들;

도 8a 및 8d는 본 발명의 이차전지에 사용되는 외장재들을 나타낸 도면들;

도 9a 및 9b는 본 발명의 이차전지의 조립과정을 나타낸 단면도들이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 리튬이온 이차전지는: 양극 활물질로서 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물을 포함하는 다수의 양극판들과, 상기 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 음극활물질을 포함한 다수의 음극판들과, 상기 양극 및 음극 판들을 분리하되 비수 유기용매와 리튬염으로 이루어진 전해액을 함유하는 분리막이 각각 일체로 정렬 적층된 적층체와; 상기 음극판과 양극판들을 서로 같은 극성끼리 전기적으로 연결시키는 수단들과; 상기 적층체를 그 내부에 삽입하되, 원형, 타원형 및 그 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률 각형으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 형상을 가진 판형의 금속 캔과; 상기 금속 캔의 상부에 크림핑되어 그 내부를 밀봉하는 금속 캡을 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 리튬이온 이차전지 제조방법은, 상기한 신규구조의 이차전지를 제조하기 위한 최적화된 방법을 제공한다.

즉, 본 발명을 요약하자면, 표 1과 같이 종래기술의 장점만을 모아 종합적으로 구현한 것이라고 할 수 있다.

구분	내부구조	분리막	외장재	조립방법
기존 각형전지	와인딩	폴리 올레핀	금속 캔	레이저 융착
리튬이온폴리머 전지	적층/와인딩	젤 타입/폴리 올레핀	알루미늄 라미네이트	가열 접착
본 발명의 전지	적층	폴리 올레핀	금속 캔	크림핑

이하에, 본 발명의 특징적인 부분에 대해 집중적으로 설명한다.

[에너지 저장 밀도의 향상을 위한 내부 적층 구조]

종래의 리튬이온 각형 전지에서는 권련형인 젤리롤 형태로 양극(104)/분리막(102)/음극(103)을 와인딩(winding)하여 전극과 분리막의 일체형을 만든다. 와인딩 공정은 공정 속도가 빠른 반면 와인딩에 의해 만들어진 젤리롤의 형상 때문에 도 1b에 도시한 바와 같이 전지 외장재(100) 내부에 사용하지 못하는 공간(106; dead volume)을 발생시켜 만들어진 전지의 부피당/무게당 에너지 밀도를 전체적으로 감소시켜 왔다. 그러나, 본 발명의 리튬이온 이차전지는 적층형 구조로 되어 있어서 전지 내부공간의 활용을 최대화할 수 있다. 따라서, 상대적으로 에너지 밀도가 높은 전지를 만들 수 있다. 와인딩된 젤리롤의 회전부위(T; turning point)에서는 전극이 곡률에 따른 응력을 받기 때문에 결착제에 의해 금속 박막에 도포되어 있는 전극물질의 탈착을 야기할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 전지반응에 참여하지 않는 결착제의 전극내 분율을 증가시켜 접착력을 향상시키거나 혹은 도포되는 전극물질의 단위면적당 무게(또는 두께)를 감소시켜야만 했다.하지만, 본 발명의 적층구조 박형 전지에서는 이러한 전극물질의 탈착위험이 없으므로 전극 내 결착제의 사용을 최소화할 수 있을 뿐 아니라 단위면적당 전극물질의 무게(혹은 두께)를 최대화할 수 있으므로 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 한편, 와인딩 공정에서는 전지에 사용되는 분리막이 일정 정도 이상의 강도를 가지고 있어야 하는데, 이는 분리막의 두께를 최소화하는 데 있어서 제약이 되어 왔다. 그러나, 본 발명의 전지에서는 새로운 방식의 적층구조를 이용하기 때문에 분리막의 두께를 최소화하는 데 공정적인 제약을 받지 않아 에너지 밀도의 최대화를 이룰 수 있다.

[기계적 안정도가 향상된 금속 외장재 사용구조]

박형 전지를 만들기 위한 종래의 기술은 외장재를 금속에서 알루미늄 라미네이트 포장재로 변경하였고 사용하는 분리막의 종류에 따라, 젤 형상의 분리막(가소화된 분리막/가교된 분리막/자체가 이온 전도성을 갖는 분리막/전해액에 의해 불어나는 정도가 커서 추가적인 다공 없이 이온 전달이 가능한 분리막)을 이용하는 경우 리튬이온 폴리머 전지라고 하며, 기존 리튬이온 전지와 마찬가지로 다공성 폴리 올레핀 분리막/혹은 이의 변형된 형태의 분리막을 이용하는 경우는 NCB(New concept Battery) 혹은 ALB(Advanced Li-ion Battery)라고 통상적으로 분류한다. 이들은 공통적으로 얇고 가볍지만 강도가 약한 알루미늄 라미네이트를 외장재로 채택하고 있기 때문에 리튬이온 전지의 가장 기본적인 특성인 내구성 및 안정성 면에서 심각한 문제를 나타내고 있다. 외장재인 알루미늄 라미네이트 포장재는 자체의 강도가 약해 외부의 진동/압력/열 등에서 변형/파괴되기 쉬울 뿐 아니라 양극과 음극의 탭으로 사용되는 금속과 알루미늄 라미네이트 포장재 안쪽의 폴리머 접착층과의 불완전한 접착력으로 인해 장시간의 전지 사용시 전지의 밀봉성 및 안정성을 완전하게 확보할 수 없는 실정이다. 본 발명의 전지에서는 종래의 금속 외장재의 장점을 완전하게 살리면서도 박형 전지의 제조에 적합하도록 새로운 방식의 전극적층/양극과 음극의 전기적 연결방식/양극과 음극 그리고 분리막의 정렬방식을 이용함으로써 종래 박형 전지 기술의 내구성 및 안정성 문제를 해결하였다.

[크림핑 공정을 이용한 전지제조]

기존 각형 전지의 제조공정은 통상적으로 기존 원통형 전지의 제조공정에 비해 상당히 복잡하고 상당한 수준의 기계적, 기술적 달성도가 있어야 한다. 이는 각형 전지가 원통형 전지와는 달리 캔과 캡의 일체화를 위해 레이저 융착법을 택하고 있기 때문이다. 본 발명의 전지 제조방법에서는 박형 전지의 크림핑 기술을 통해 공정성이 향상된 박형 전지 제조기술을 개발할 수 있었다. 이와 더불어 종래 각형 전지의 캔 제조 공정인 저온 연신 방법을 일반적인 코인 전지의 캔 제조공정으로 완전히 대체함으로써 캔의 제조단가 하락, 사용되는 캔의 두께의 최소화를 이룰 수 있었다. 한편, 기존 각형 전지의 일부는 크림핑 방식으로 제조된 바도 있다. 하지만, 이는 기본적으로 곡률반경이 작아 크림핑하기에 적합하지 않은 구조였다. 본 발명에서는 캔의 깊이를 작게 하는 대신 캔의 개구부를 넓게 한 판형의 캔을 사용하여 박형 전지에 적합하면서도 크림핑 공정에서도 종래기술보다 안정적으로 캔과 캡을 조립할 수 있다.

[음극(혹은 양극)과 분리막을 일체화한 적층구조의 전지제조]

전지에 통상적으로 사용되는 다공성 폴리 올레핀 분리막은 그 강도와 이온 전도특성 등이 우수함에도 불구하고 분리막의 유연성이 커서 이를 적층구조를 갖는 전지에 적용하는 데 상당한 어려움이 있다. 따라서, 이에 대한 종래기술에서는 폴리 올레핀 분리막의 적층 곤란을 감안하여 분리막에 접착성을 부여하여(가소화된 분리막/가교된 분리막) 전극과 일체형으로 만들어서 적층을 시도하였다. 아니면, 폴리 올레핀의 우수한 기계적 특성과 이온 전도성을 그대로 이용하면서 이에 접착성이 있는 새로운 폴리머층을 추가로 도포하여 전극과의 접착성이 향상된 분리막으로 만들어 사용하기도 하였다. 그러나 이들은 모두 폴리 올레핀 분리막의 전부/혹은 일부를 이온 전도성이 상대적으로 낮은 다른 폴리머로 대체함으로써 폴리 올레핀 고유의 좋은 이온 전도성을 상당 부분 훼손하는 방법들이었다. 또한, 불필요하게 분리막의 두께를 증가시키기 때문에 전지의 부피당/무게당 에너지 밀도를 저하시켰다. 종래기술 중 일부는 이러한 단점을 해결하기 위해 폴리 올레핀만으로 구성된 분리막을 사용하기도 하였다. 하지만, 이럴 경우, 낱장의 폴리 올레핀 분리막을 적층하는 대신 기존 각형 전지에서와 같이 와인딩 방식을 이용하여 부피당/무게당 에너지 밀도에서 상당한 감소를 감수할 수 밖에 없었다. 본 발명에서 채용한 새로운 방식의 조립기술은 크게 두 가지의 핵심적인 사항으로 구성되어 있다. 첫째는 낱개의 분리막으로 적층하는 방식보다 분리막과 음극, 또는 분리막과 양극을 일체형으로 만드는 포케팅(pocketing)기술이다. 이는 낱개로 적층이 용이하지 못한 분리막을 전극과 일체형으로 만들어 줌으로써 전극과 분리막 사이의 완벽한 정렬을 기할 뿐만 아니라, 전체적으로 적층의 층 수를 감소시켜 조립 시간 및 수율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법이다. 특히, 전극의 반응 표면적 위의 분리막에는 어떠한 추가 물질이나 처리를 하지 않고 반응에 참여하지 않는 부분의 분리막 만을 분리막의 녹는점 이상으로 단시간 가열하여 접착함으로써 폴리 올레핀 분리막의 우수한 이온 전도성을 그대로 전지에 적용할 수 있다. 둘째는 이렇게 일체화된 음극(혹은 양극)과 분리막을 양극(혹은 음극)과 완전하게 정렬시키는 새로운 방식이다. 이는 전극과 분리막의 일체형을 충분한 정밀도 내에서 정렬시키도록 고안된 적층기에서 이루어진다. 즉, 전지를 구성하는 한 전극은 중앙의 전극 정렬봉을 통해 정렬되고, 다른 한 전극은 적층기의 외벽과 완전히 밀착되어 적층기에 삽입되므로 종래기술에서 나타난 적층과 정렬의 어려움을 획기적으로 개선할 수 있다.

[전극 정렬봉을 이용하여 적층, 일체화된 전극의 양극과 음극 단자 설치]

본 발명에서는 양극과 음극의 단자를 설치하기 위해 양극 전극의 소정 부위에 일정한 크기로 구멍을 뚫고, 이를 통해 음극들 간의 전기적 연결을 마무리한다. 이 때 음극들 간의 전기적 접촉을 위해서는 리벳(rivet)방식과 같은 기계적 연결 방법이 사용될 수 있다. 이렇게 서로 연결된 음극 전극은 전지의 외장재인 캡에 통상적인 방법으로 용접되어 연결될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 최 상층에 위치하는 단면 코팅 음극의 미도포된 동박과 캡 간의 물리적 접촉으로도 전기적 연결이 완결될 수 있다. 이와 같은 물리적 연결에 의한 접촉 저항이 불충분한 경우에는 캡에 미리 용접된 금속 핀이 음극 중앙 개구부에 면 밀착 되도록 하여 저항을 추가적으로 감소시킬 수 있다. 양극 전극간의 연결은 각 전극의 최소 하나의 장축 방향 말단부에 형성된 무지부들을 전기적으로 연결하고 이를 캔(혹은 캡)에 통상적인 방법으로 연결함으로써 외부 단자와 연결된다. 이때 양극 전극들끼리의 전기적 접촉방식으로는 레이저 또는 초음파를 이용한 통상적 용접 방법 또는 리벳(rivet)방식을 사용할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 이차전지의 수직단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 양극(201), 음극(203) 및 분리막(202)이 전지 외장재(200) 내에 정렬, 적층되어 있어서, 도 1b와 같이 전지 내부의 사용하지 못하는 공간이 상대적으로 적다. 따라서, 전지 내부공간을 최대한 활용할 수 있다. 도 2에서 전극간의 연결, 단자 연결 등은 후술할 것이기 때문에 도시를 생략하였다.

이어서, 본 발명의 이차전지 제조방법에 대해 먼저 설명하며, 이 과정을 통해 본 발명의 이차전지 구조에 대해서도 알아본다.

도 3a 및 3b는 본 발명에 사용되는 양극판 및 음극판을 만들기 위한 극판 재료의 평면도들이다. 도 3a를 참조하면, 양극활물질(302)이 양극판 재료(300)의 양면에 일치되게 줄무늬 형상으로 코팅되어 있다. 코팅은 통상의 코터(coater)를 통해 이루어지며, 코팅 후 기존 전지 제조공정에서 사용되는 통상의 압착기(presser)를 사용하여 코팅된 양극판 재료(300)를 압착한다. 이에 반해, 음극판 재료(310)에는, 도 3b에 도시한 바와 같이, 음극활물질(312)이 그 양면에 전체적으로 코팅된다. 다만, 적층될 전극판들 중 최외측에 위치하는 것에는 단면 코팅된 양극판 및 단면 코팅된 음극판을 사용한다. 그 이유는 최외측의 양극 또는 음극은 마주보는 반대 전극이 없기 때문에 전지의 성능을 발휘하지 못한 채 낭비되기 때문이며 동시에 금속 집전판을 노출시킴으로써 각기 캡 및 캔과 각 전극 간의 전기적 접촉을 이룰 수 있기 때문이다.

도 4는 본 발명의 이차전지에 사용되는 적층체(400)의 적층순서의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 단면 코팅된 음극(403a)이 적층체의 최상부에, 단면 코팅된 양극(404a)이 적층체의 최하부에 각각 위치하고 있다. 그 사이에는 양극판(404)과 음극판(403)이 교대로 적층되며 양극판(404)과 음극판(403)의 사이에는 분리막(402)이 놓여진다.

도 5a 및 5b는 양극판 재료 및 음극판 재료에서 양극판 및 음극판을 각각 형성하기 위한 타발과정을 나타낸 도면이다.

도 5a를 참조하면, 양극판은 양단에 무지부(N)를 포함하도록 점선을 따라서 타발된다. 이와 더불어 적층을 용이하게 하고 음극단자를 내기 위해 타발되는 양극판의 중앙 부위에 소정 크기의 구멍(H1)을 뚫는다. 이 구멍의 직경은 2∼10㎜, 더욱 바람직하게는 3∼7㎜이다. 도 5b를 참조하면, 음극판은 무지부 없이 양극판에 형성된 구멍(H1)보다 더 작은 직경의 구멍(H2)을 가지도록 타발되며, 이 때 음극판의 가로와 세로의 길이는 양극판 중 활물질이 도포된 부분의 가로와 세로의 길이보다 길어야 한다. 이는 양극에서 방출되는 리튬이온을 안정적으로 흡장시키기 위한 통상의 방법으로서, 본 발명에서는, 양극판은 장축 방향으로는 외장재로 사용되는 캔에 의해 그리고 중앙은 타발된 구멍을 이용하여 위치를 결정하고, 음극판은 단 축 방향의 측면은 외장재로 사용되는 캔에 의해, 그리고 중앙부는 후술할 전극 정렬봉에 의해 안정적으로 정렬되므로 와인딩과 같은 통상의 방법보다는 양극판과 음극판의 크기 차이를 줄일 수 있다. 양극판의 가로, 세로 길이보다 음극판의 가로, 세로 길이가 약 0.1∼0.5㎜, 더 바람직하게는 0.1∼0.3㎜ 정도 더 긴 것이 좋다. 또한, 음극판의 중앙 구멍(H2)은 음극판들끼리만의 전기적 연결에 이용되기 때문에 양극판의 중앙 구멍(H2)보다 약간 작게 형성하는데, 통상 음극판의 중앙 구멍(H2)의 직경이 5㎜보다 작은데, 더 바람직하게는 0.5∼3㎜이다.

상기와 같은 방식으로 타발된 음극판은 분리막과 일체형으로 만들기 위해 도 6a에 도시된 바와 같은 방식으로 조립된다. 조립공정을 단면으로 나타낸 도 6a를 참조하면, 도 5b에 설명된 공정에 의해 타발된 음극판(600)이 분리막(602)에 의해 둘러싸인 상태로 분리막(602)의 테두리가 고온 융착기(604)에 의해 융착되는 것을 볼 수 있다. 도 6b는 도 6a의 결과물의 평면도이다. 도 6b를 참조하면, 빗금으로 표시된 3개의 테두리 부분이 융착되고 한 테두리 부분만 개방된 상태임을 알 수 있다. 이와 같은 방식의 조립을 포케팅(pocketing)이라 하는데, 이는 유연성이 커서 정렬하기 어려운 분리막을 어느 정도의 강도를 가진 음극판과 일체형으로 만들어 줌으로써, 이후 전극 적층 공정의 속도와 수율을 높이기 위함이다. 이 때 사용되는 기기는 통상의 진공포장기와 같은 원리로 작동되는 기기이다. 이 기기는 음극판(600)을 아래, 위로 둘러싼 분리막(602)의 세 테두리에 적절한 압력과 온도를 가해 분리막(602)을 융착시킨다. 이 때 사용되는 압력은 통상 0.5㎏/㎝²이하의 어떤 압력도 사용가능하며, 온도는 분리막을 융점을 기준으로 ±20℃ 이내로 조절하는 것이 좋다. 접착시간은 통상 수 초 정도이면 충분하며 바람직하게는 0.5∼3초이다.

이때 포켓팅된 음극-분리막의 일체에서 음극의 구멍(H2)가 노출될 수 있도록 분리막에 역시 구멍(H3)을 만들 수도 있는데 이는, 음극들 간의 전기적인 접촉을 원할히 하기 위한 것이다. 이와 같은 구멍은 포켓팅 이전에 펀칭을 통해 만들거나, 혹은 포켓팅 이후에 레이저를 원형으로 주사하거나, 원형의 열선을 접촉시키는 방식으로 성형할 수 있다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 이차전지에 사용되는 적층체를 형성하는 과정을 나타낸 도면들이다.

도 7a는 적층체를 형성하는 데 사용되는 적층틀(700)의 개략적 구성도이다.

도 7a에 도시한 바와 같이, 타발된 양극판(702)과, 분리막(602)과 더불어 일체형이 된 음극판(600)은 전극판의 크기에 맞게 고안된 적층틀(700) 내에서 번갈아가며 다수 개가 적층된다. 도 7a에서는 도시의 명확성을 위하여 적층틀(700)의 높이 및 적층봉(704)의 크기와 길이가 과장되게 표시되어 있다. 또한, 분리막(602)을 분리하여 그 내부의 음극판(600)을 노출시킨 상태로 나타내었으며, 적층체에 양극판과 음극판이 각각 하나씩만 포함된 상태만 나타내었다. 양극의 단부는 적층틀(700)의 장축 내벽면과 완전히 밀착된 상태로 적층틀(700)에 삽입되며, 음극판(600)은 적층틀(700)의 중앙부위에 설치된 음극 적층봉(704)과 적층틀(700)의 측면에 의해 정렬된다.

도 7b는 두 개의 양극판(702)을 융착한 후의 적층체의 단면을 나타낸 도면이다. 도시의 명확성을 위해 각 전극의 길이와 두께는 과장되게 표시되었고, 양극 무지부의 길이와 각 전극 및 분리막의 구멍들도 실제 크기에 비해 크게 과장되게 표시되었다.

도 7b에 도시한 바와 같이, 적층된 양극판의 무지부는 통상 종래기술에서 사용하는 용접방식, 즉 레이저 용접(laser welding), 한 점 용접(spot welding), 초음파 용접(ultra-sonic welding) 등의 방법에 의해 레이저 열 전기적 저항열 또는 초음파에 의한 계면 구조 교란을 이용하여 접촉시킨다. 도 7b를 참조하면, 음극 코팅층(706a)을 가진 음극판(706)이 분리막(704)에 의해 포케팅되어 되어 있으며, 양극 코팅층(702a)을 포함한 양극판(702)이 그 상, 하부에 위치하고 있다. 또한, 양극집전판(708)으로 작용하기 위해 양극판의 무지부는 용접되어 있다.

음극판들은 양극판과 분리막의 개구부를 관통하여 전기적으로 연결된다. 이때 음극판들간의 연결은, 도 7c에 도시한 바와 같이, 음극판을 다중으로 관통하는 금속 핀에 의하여 이루어질 수 있으며, 또는 음극의 개구부를 관통하는 금속 연결봉 또는 속이 빈 리벳을 이용하여서도 이루어 질 수 있다. 도 7c에 이들의 단면 및 평면상태를 나타내었다.

이 금속 연결 핀, 또는 리벳을 음극에 관통한 후, 그 상단을 기계적으로 변형하여, 음극들 간을 강하게 기계적으로 고정시킬 수 있다. 연결봉의 경우에는 삽입체(720)에 끼워 고정한다. 도 7d에 고정상태의 단면 및 평면도를 나타내었다.

결과적으로 이와 같은 금속 연결 핀, 연결 봉 또는 리벳에 의하여 모든 음극들이 고정되기 때문에 이들은 음극들을 전기적으로 이어주는 기능 외에도, 추가로 적층 전극판들을 일체화 시키는 기능도 수행한다. 도시에서는 연결 핀, 또는 연결봉 또는 연결 리벳의 아랫 면 및 윗면이 전극면 보다 튀어나올 수 있는 것처럼 과장되어 표시되었으나, 이 부품들이 삽입되는 위치에만 양극이 타발되어 제거되었기 때문에 실제로는 음극면 및 양극면이 캔과 캡에 강하게 밀착되는 것을 방해할 정도로 돌출되지 않는다.

적층되어 일체형으로 만들어진 양극과 음극 그리고 분리막의 적층체는 도 8a에 도시된 금속 캔(800) 내에 삽입된다. 이 때 사용되는 캔의 재질은 통상 종래기술에서 사용되는 알루미늄이나 스테인레스 스틸이 사용된다. 그러나, 본 발명에서 이용하는 캔은 종래기술의 캔과는 달리 캔의 높이가 낮기 때문에 종래의 각형 전지의 캔 제조에 비하여 그 제조가 용이하며 그 제조 단가가 싸다는 장점을 갖는다. 본 발명에서는 통상 1∼7㎜, 바람직하게는 2∼6㎜, 더욱 바람직하게는 2∼4.5㎜ 정도의 캔 높이가 좋다. 따라서, 이와 같은 캔은 그 제조가 단순하며 캔의 두께를 종래기술의 경우에 비해 더 얇게 할 수 있는데, 사용되는 캔의 두께는 통상 0.1∼0.3㎜, 바람직하게는 0.1∼0.2㎜, 더욱 바람직하게는 0.15∼0.2㎜가 좋다. 도 8a를 참조하면, 캔(800)의 네 모서리가 크림핑에 적합하도록 하는 한편 크림핑 후 발생할 수 있는 누액을 방지하기 위해 적절한 정도의 곡률반경을 갖고 있다. 한편, 캔(800) 바닥의 중앙부에는 원형의 절연테이프(802)가 부착되는데, 이는 음극 정렬봉에 의하여 캔(800)과 후술할 금속 캡이 전기적으로 단락되는 것을 방지한다.도 8b는 도 8a의 A-A' 선에 따른 단면도이다.

양극의 양단부가 캔의 내벽에 완전히 밀착되는 방식으로 일체화된 전극과 분리막의 적층체를 캔에 삽입하고 전해질을 주입한 후 도 8c에 도시된 금속 캡(804)으로 캔을 덮는다. 도 8d는 도 8c의 B-B' 선에 따른 단면도이다. 그 다음 통상의 코인 전지에서와 같은 방식으로 크림핑을 한다.

더 구체적으로는 도 9a에 도시된 바와 같이, 적층체(400)가 채워진 금속 캔(800)의 상부의 테두리에 개스킷(810)을 놓고 금속 캡(804)으로 덮은 후 크림핑으로 밀봉한다. 도 9b에 크림핑 후의 결과를 도시하였다.

이와 같은 구조에서, 금속 캡은 음극의 전지단자로서, 금속 캔은 양극의 전지단자로서 각각 작용하게 된다.

이상과 같은 방식으로 만들어진 다양한 형태의 박형 전지의 성능에 대해 조사한 결과는 아래와 같다.

[타원형 각형전지]

두께 3.8㎜, 단직경 35㎜, 장직경 62㎜의 타원형으로 제조된 각형전지의 경우, 가역용량은 750mAh이었다.

[타원형 각형전지]

두께 2.0㎜, 단직경 80㎜, 장직경 90㎜의 타원형으로 제조된 각형전지의 경우, 가역용량은 1600mAh이었는데, 이는 부피당 에너지 밀도로 환산하면 410Wh/liter이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 새로운 내부구조, 외장재 및 적층방식을 통해 높은 에너지 밀도와 우수한 저온/고온 성능, 그리고 종래의 전지보다 안정성이 향상된 전지를 만들 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (11)

1. 양극 활물질로서 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물을 포함하는 다수의 양극판들과, 상기 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극활물질을 포함한 다수의 음극판들과, 상기 양극 및 음극 판들을 분리하되 비수 유기용매와 리튬염으로 이루어진 전해액을 함유하는 분리막이 각각 일체로 정렬 적층된 적층체와;

   상기 음극판과 양극판들을 서로 같은 극성끼리 전기적으로 연결시키는 수단들과;

   상기 적층체를 그 내부에 삽입하되, 원형, 타원형 및 그 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률 각형으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 형상을 가진 판형의 금속 캔과;

   상기 금속 캔의 상부에 크림핑되어 그 내부를 밀봉하는 금속 캡을 구비하는 리튬이온 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 분리막이 폴리올레핀 계열의 다공성 막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 캔 및 금속 캡의 재질이 각각 철, 철합금 및 알루미늄 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 극판들 간의 전기적 연결수단이 음극에 대해서는 상기 적층체를 관통하는 전극 정렬봉을 이용한 리벳팅 수단이며, 양극에 대해서는 이 전극의 단부의 무지부를 용접 또는 리벳팅한 수단인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 금속 캔이 그 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형이며, 상기 음극판들의 적층방식이 상기 적층체를 관통하는 상기 전극 정렬봉과 금속 캔의 측면 내벽에 의해 가이딩되며, 상기 양극판들의 적층방식이 상기 전극 정렬봉과 금속 캔의 장측 내벽에 의해 가이딩되어 각각 정렬되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
6. 제1항에 있어서, 상기 적층체의 극판들 중에서 최외측에 위치한 것은 그 일면에만 상기 활물질을 포함하며, 상기 적층체의 극판들 중의 내측에 위치한 어느 하나의 극성의 판들은 그 각각이 상기 분리막에 의해 양면이 덮인 상태에서 그 테두리의 적어도 일부가 열압착된 포케팅 구조를 가진 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
7. 제1항에 있어서, 상기 판형 금속 캔의 두께가 6㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 적층체의 전극면이 상기 금속 캔과 캡에 평행하여 전지의 외부 단자가 상기 적층체의 전극면의 위와 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
9. 양극활물질을 양극판 재료의 양면에 일치되게 줄무늬 형상으로 코팅하는 단계와;

   음극활물질을 음극판 재료의 양면에 전체적으로 코팅하는 단계와;

   최외측 극판으로 사용될 양극판 및 음극판에 양극활물질 및 음극활물질을 각각 단면 코팅하는 단계와;

   그 양단부에 무지부를 남기는 동시에 상기 양극활물질이 코팅된 부분 내에 제1 크기의 구멍이 형성되도록 상기 양극판 재료를 타발하여 내측 양극판들을 만드는 단계와;

   상기 음극판 재료를 타발하여, 상기 음극활물질이 코팅된 부분 내에 상기 제1 크기의 구멍과 그 위치는 정렬되면서 상기 제1 크기보다 더 작은 제2 크기의 구멍을 가질 뿐 아니라 상기 양극판의 코팅 넓이보다 더 넓은 내측 음극판들을 만드는 단계와;

   상기 내측 음극판들의 각각을 분리막에 의해 양면이 덮이도록 한 상태에서 그 테두리의 적어도 일부를 열압착하여 포케팅 구조체들로 만드는 단계와;

   상기 포케팅 구조체에서 양극판에 형성된 제1 구멍과 위치는 일치하되 그 크기는 더 작고, 그 위치에 일치하는 음극판에 형성된 제2 구멍의 크기보다는 작은 구멍을 상기 분리막의 일부에 형성하는 단계와;

   상기 타발된 양극판들과, 상기 포케팅 구조체들을 교대로 반복, 적층시켜 적층체를 만드는 단계와;

   상기 최외측 양극판 및 음극판 사이에 상기 적층체를 넣고, 상기 제1 및 제2 크기의 구멍들을 관통하는 전극 정렬봉을 이용하여 상기 적층체의 각 구성부분들을 정렬시키는 단계와;

   상기 양극판들의 무지부를 서로 용접시켜 상기 양극판들 사이의 전기적 접촉이 이루어지게 하는 단계와;

   상기 포케팅된 구조에서 분리막에 형성된 구멍을 통하여 노출된 음극판들을 금속 핀, 금속 연결봉 또는 금속 리벳을 이용하여 전기적으로 연결하고, 그 상단부를 변형하여 포케팅된 모든 음극들을 하나로 고정하는 단계와;

   상기 일체화된 결과물을 판형의 금속 캔에 삽입하고, 전해질을 주입하는 단계와;

   상기 금속 캔의 상부에 개스킷을 놓고 금속 캡으로 덮은 후 크림핑으로 밀봉하는 단계를 구비하는 리튬이온 이차전지 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 금속 캔, 금속 캡 및 상기 일체화된 결과물의 수평단면이 모두 동일한 형상을 가지되, 그 형상이 원형, 타원형 및 그 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률 각형으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 양극판들의 무지부를 서로 용접시키는 단계에서, 레이저 용접법, 한 점 용접법, 및 초음파 용접법으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조방법.