KR100333483B1 - 리튬 고분자 2차 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 고분자전지의 성능과 제조 공정을 개선하기 위한 것으로 종래의 리튬 2차전지가 양극판, 음극판, 전해질 막을 각각 제조하여 이들을 적층한 후 lamination하여 전지를 구성하는 것과는 달리 전해질 막을 제조하지 않고 제작한 고분자 전해질 슬러리에 전극판(양극판, 음극판)을 함침시킴으로써 전해막이 형성되게 하고 이들을 적층, 열간 압착하여 전지를 구성하면 종래의 전해막과 극판 계면의 문제점을 줄일 수 있어 전지의 성능이 개선되며 전해막 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.

Description

리튬 고분자 2차 전지 및 그 제조방법{Lithium polymer secondary battery and manufacturing method thereof}

본 발명은 양전극, 음전극, 전해질로 구성되는 리튬 고분자 2차 전지의 제조방법에 관한 것으로 특히, 전지의 성능과 수명을 향상시키고 전지 제작 공정을 개선하기 위하여 리튬 고분자 전해막을 제작하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 리튬 고분자 2차전지는 양극, 음극 전해질로 구성되며, 그 제작 공정은 양극판과 음극판 전해질 막을 각기 제작하고 이를 적층한 후 라미네이션(lamination)에 의해 열간 압착시켜 전지를 구성하였다.

이와 같은 방식에 의하여 생성되는 리튬 고분자 2차전지의 단면 구성은 첨부한 도 1에 도시되어 있는 바와 같으며, 첨부한 도 1에 도시되어 있는 리튬 고분자 2차전지의 제작공정에 관련한 선행 기술로는 대한민국 특허 등록번호 0194615호와 0194616호 및 0237374호 등 다수의 특허기술이 존재한다.

이중, 대한민국 특허 등록번호 0194615호에 기재되어 있는 기술을 첨부한 도 2와 도 3을 참조하여 간략히 살펴보면, 첨부한 도 2는 첨부한 도 1에 도시되어 있는 리튬 고분자 2차전지에 사용되는 고분자 전해막의 개략적인 제조공정을 나타낸 것으로, PTFE 지지체 위에 고분자 전해질의 슬러리를 캐스팅하는 과정을 나타낸 공정도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, PTFE 지지체 필름이 위치하는 언와인딩 롤(unwinding roll)로부터 PTFE 지지체 필름(12)이 풀려나간 다음, PTFE필름(12)이 도포 롤(coating roll)(13) 위를 지나가면서 백롤(backroll)(14)에 의해 두께가 조절된PVDF의 고분자 전해질 슬러리가 PTFE 필름(12) 상에 캐스팅된다.

다음에, 건조기(15)를 통과하면서 PTFE 필음 상의 고분자 전해질이 고체화되어 고분자 전해막이 형성되고, 제조된 고분자전해막은 가이드 롤(guide roll)(16)을 지나 와인딩 롤(winding roll)(17)에 말려지게 된다.

또한, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 고분자 2차전지의 개략적인 제조공정을 나타낸 것으로, PTFE 고분자 전해막으로부터 고체 고분자 전해질을 분리함과 동시에 전극과 캘린더링하여 리튬 고분자 2차전지의 단위 셀을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.

첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 공정을 거쳐 제작된 고분자 전해막 필름 롤은 언와인딩 롤(17a)에 장착되고 PTFE 지지체(12)는 풀려나가 가이드 롤(18a)을 거쳐 와인딩 롤(19a)에 감기게 된다.

이와 동시에, 고분자 전해질(20)은 가이드 롤(18c)을 거쳐 캘린더링 롤(22)에 도착한다.

양 전극이 감긴 롤은 언와인딩 롤(17b)에 장착되어 여기서부터 풀려나간 양 전극 필름(21)은 가이드 롤(18b)을 거쳐 캘린더링 롤(22)에서 상기한 고분자 전해질과 만나 서로 접합이 이루어진 다음, 접합된 2중층의 전극/전해막(23)은 가이드 롤(18d)을 거쳐 와인더(19b)에 감기게 된다.

그 후, 상기한 과정에서 얻어진 전극/전해막 롤은 다시 언와인딩 롤(17a)에 장착되고 음 전극이 감긴 롤은 또 다른 언와인딩 롤(17b)에 장착되어, 상기한 과정과 동일한 과정을 거쳐 풀리면서 캘린더링 롤(22)에서 접합이 이루어져 3층의 단위 셀이 형성되게 된다.

그러나, 상술한 상기의 제조 방식에 의해 전지를 구성하면 전극판과 전해질막 사이가 열간 압착에 의해 접착되었기 때문에 전극 반응 시 전극판과 전해질 막 간의 계면에서의 많은 문제점이 발생하여 전지의 성능과 수명을 단축시키는 주요 원인이 되었다.

또한, 다른 선행 특허기술에서도 역시 롤을 사용하는 가운데 전지의 성능과 수명을 단축시키는 각종 원인들이 발생되는 문제점을 내포하고 있었다.

상술한 선행 기술의 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 전해질 막을 제조하지 않고 제작한 고분자 전해질 슬러리에 전극판(양극판, 음극판)을 함침시킴으로써 전해막이 형성되게 하고 이들을 적층, 열간 압착하여 전지를 구성하도록 하는 리튬 고분자 2차전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 방법에 의해 제작한 리튬 고분자 2차전지

도 2는 종래 기술에서의 전해막 제조 방법을 설명하기 위한 개략 예시도

도 3은 종래 기술에서 도 2에 도시되어 있는 고분자 전해막 제조 방법을 적용한 리튬 고분자 2차전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략 예시도

도 4는 본 발명에 따른 리튬 고분자 2차전지 제작공정 및 그 구조를 살펴보기 위한 예시도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

7 : 고분자 전해막 1, 111 : 양극용 알루미늄 집전체

2, 112 : 양극물질 슬러리 113, 116 : 고분자 전해질

4, 114 : 음극물질 슬러리 5, 115 : 음극 구리 집전체

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 고분자 2차 전지의 특징은, 양극용 알루미늄 집전체의 양면에 양극물질 슬러리를 도포한 후 그 주변을 고분자 전해질로 둘러 쌓여진 형상의 양전극과, 음극용 구리 집전체의 양면에 음극물질 슬러리를 도포한 후 그 주변을 고분자 전해질로 둘러 쌓여진 형상의 음전극으로 구성되며, 상기 양전극과 음전극이 열간 압착되어 구성되는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 고분자 2차 전지 제조방법의 특징은, 양극용 알루미늄 집전체위에 양극물질 슬러리를 도포하여 양전극을 형성시키는 제 1단계와, 음극용 구리 집전체위에 음극물질 슬러리를 도포하여 음전극을 형성시키는 제 2단계와, 상기 제 1단계와 제 2단계를 통해 형성되어진 전극 주변을 고분자 전해질이 둘러싸도록 하는 제 3단계, 및 상기 제 3단계를 통해 고분자 전해질로 둘러 쌓여진 형상의 음전극과 양전극을 적층한 후 열간 압착하는 제 4단계를 포함하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 고분자 2차 전지 제조방법의 부가적인 특징으로 상기 제 3단계는 전극판을 전해질 슬러리에 딥코팅(dip coating), 함침 및 통과 등의 방법을 적용하는 데 있다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에서 적용하고자 하는 기술적 사상은 종래 기술 혹은 선행 특허에서 문제점이 발생되는 주요 요부가 전극판과 전해질 막 사이가 열간 압착에 의해 접착된다는 부분이므로, 본 발명의 기본적인 사상은 전해질 막을 인위적으로 형성시키지 않으면서도 자연적으로 전해질 막이 형성되도록 한다면, 종래 기술에서 인위적으로 형성되어 있는 전극판과 전해질 막간의 열간 압착시 발생되는 문제점이 해소될 수 있을 것이라는데 착안한 것이다.

따라서, 본 발명에서 제안한 리튬 2차전지의 제작 공정 중 양극판과 음극판을 제작하는 공정은 종래의 공정과 동일한 공정이 적용되므로, 그 상세한 설명은생략하지만 간략히 설명하면, 그리드형 금속 포일인 양극용 알루미늄 집전체(111)위에 양극물질 슬러리(112)를 도포하여 양전극을 형성시키며, 이와 마찬가지로 그리드형 금속 포일인 음극용 구리 집전체(115)위에 음극물질 슬러리(114)를 도포하여 음전극을 형성시킨다.

이후, 양극물질 슬러리(112)가 도포되어 있는 양극용 알루미늄 집전체(111) 주변에 고분자 전해질(113)을 둘러싸고, 역시 음극물질 슬러리(114)가 도포되어 있는 음극용 구리 집전체(115) 주변에 고분자 전해질(116)을 둘러싼다.

즉, 상기 양극판과 음극판을 딥 코터(dip coater) 등을 이용하여 전극판 주위를 전해질 슬러리로 코팅하거나 콘베이어 장치 등을 이용하여 전극판이 고분자 전해질 슬러리가 담겨 있는 용기를 지나게 하면 도 4와 같이 고분자 전해질이 둘러싸인 전극판이 형성된다.

이후, 상기의 전극판을 용도에 맞게 원하는 대로 적층한 후 프레스 등을 이용하여 열간 압착하면 전지가 구성된다.

상기와 같이 구성된 전지는 종래의 전지와는 달리 전극판 위에 전해질 슬러리가 접촉되어 전해막이 전극계면을 따라 형성되므로 종래의 전지와는 달리 전극판과 전해막 사이의 계면의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 전극판과 전해막 간의 이온의 이동도 개선되어 전지의 성능과 수명을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 과정을 통해 형성되는 리튬 고분자 2차 전지 및 그 제조방법을 제공하면, 종래의 전지를 구성함에 있어서 전극판과 고분자 전해막을 별도로 제작하고 이를 열간 압착함으로써 발생하는 전극판과 고분자 전해막 사이의 계면의 접촉이 열간 압착에 의해 되므로 충방전이 거듭됨에 따라 부반응들이 발생하거나 전해막과 전극사이의 저항이 증가하는 현상이 발생하여 전지의 성능과 수명을 단축시키는 단점을 해결할 수 있어 전지의 성능과 수명을 개선시킬 뿐 아니라 전지 제작 공정 중 전해막을 제작하고 이를 전극판 사이에 적층하고 열간 압착하는 공정을 전해질 슬러리를 제작하는 공정과 열간 압착하는 공정으로 단순화 할 수 있어 공정 개선을 통한 경제적 효과가 있다.

Claims (3)

1. 양극용 알루미늄 집전체(111)의 양면에 양극물질 슬러리(112)를 도포한 후 그 주변을 고분자 전해질(113)로 둘러 쌓여진 형상의 양전극과;

   음극용 구리 집전체(115)의 양면에 음극물질 슬러리(114)를 도포한 후 그 주변을 고분자 전해질(116)로 둘러 쌓여진 형상의 음전극으로 구성되며;

   상기 양전극과 음전극이 열간 압착되어 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 고분자 2차 전지.
2. 양극용 알루미늄 집전체위에 양극물질 슬러리를 도포하여 양전극을 형성시키는 제 1단계와;

   음극용 구리 집전체위에 음극물질 슬러리를 도포하여 음전극을 형성시키는 제 2단계와;

   상기 제 1단계와 제 2단계를 통해 형성되어진 전극 주변을 고분자 전해질이 둘러싸도록 하는 제 3단계; 및

   상기 제 3단계를 통해 고분자 전해질로 둘러 쌓여진 형상의 음전극과 양전극을 적층한 후 열간 압착하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 고분자 2차 전지 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제 3단계는 전극판을 전해질 슬러리에 딥코팅(dip coating), 함침 및 통과 등의 방법을 적용하는 것을 특징으로 하는 리튬 고분자 2차 전지 제조 방법.