KR100359613B1 - 이차전지의 집전체와 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

이차전지의 집전체와 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 활물질층이 그 표면에 형성되어 극판을 이루는 이차전지의 집전체와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 집전체를 복수개 제조가능한 폭을 가지는 집전체 원소재를 준비하고, 집전체 원소재를 탈지하고, 집전체 원소재의 표면에 개구공 패턴부와 분할 패턴부를 형성시키고, 집전체 원소재에 개구공과 복수개의 단위 집전체 원소재로 분할가능하도록 에칭하고, 각 단위 집전체 원소재를 각각 완성하는 것을 포함한다.

Description

이차전지의 집전체와 이의 제조방법{Current collector and the fabrication method thereof for secondary battery}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 집전체를 가공하여 다수개의 집전체로 분할이 가능하도록 방법이 개선된 이차전지의 집전체 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 이차전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지나, 리튬이차전지등이 있다. 이중에서, 리튬이차전지는 다른 전지에 비하여 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 전지의 성능이 우수하다고 할 수 있다. 이러한 리튬이차전지는 액체전해질을 사용하는 리튬이온전지와, 고분자전해질을 사용하는 리튬폴리머전지로 분류할 수 있다.

리튬폴리머전지는 양극판과, 양극판으로부터 인출되는 양극 탭과, 음극판과, 음극판으로부터 인출되는 음극 탭과, 양극 및 음극 탭과 각각 접속되는 양극 단자와, 음극 단자와, 양극판과 음극판사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어진 전지부와, 이 전지부가 수용되는 케이스를 포함한다.

이러한 양극판과 음극판은 양극 집전체(positive current collector)나 음극집전체(negative current collector)가 마련되고, 이 집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이나 음극 활물질층이 라미네이팅되어 완성된다.

도 1은 이러한 집전체의 원소재(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 원소재(10)는 스트립 형태로서 예컨대 릴 장치에 감겨져 일 방향으로 공급가능하다. 상기 원소재(10)는 양극 집전체일 경우에는 알루미늄 호일을 사용하고, 음극 집전체일 경우에는 구리 호일을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 원소재(10)에는 추후 활물질층이 그 표면에 라미네이팅되는데, 이 활물질층과 결착력을 향상시키고, 활물질층에 함유된 가소제의 추출이 원할하게 하기 위하여 다수개의 개구공(11)이 형성된다.

종래의 기술에 따른 집전체 원소재(10)를 이용한 단위 집전체를 제조하는 공정을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

우선, 릴 장치로부터 일방향으로 공급되는 원소재(10)상에 다수개의 개구공(11)을 형성시킨다. 상기 개구공(11)을 형성시키기 위해서는 여러 가지 방법이 있을 수 있는데, 여기서는 에칭에 의한 방법을 기술하고자 한다.

상기 원소재(10)의 표면에 감광성 필름이나 잉크를 도포하고, 통상적인 포토리소그래피 공정에 의하여 상기 개구공(11)과 상응하는 패턴을 가진 포토 마스크를 이용하여 노광, 현상, 에칭 및 박리등에 의하여 소망하는 형상을 가진 개구공(11)을 형성시킨다.

개구공(11)이 형성된 집전체 원소재(10)는 전지의 성능이나 형태에 따라서금형을 이용한 펀칭으로 적정 크기의 제1,2,3,4 단위 집전체(12)(13)(14)(15)순으로 절단하게 된다. 이에 따라, 각 단위 집전체가 완성될 수 있다.

그런데, 종래의 집전체 제조방법은 다음과 같은 문제점이 도출된다.

상기 집전체 원소재(10)는 하나의 단위 집전체의 길이에 해당되는 폭을 가지고 있는 경우에는 일렬상에 배치된 다수개의 단위 집전체만을 제조가능하므로 생산효율이 저하된다. 이에 따라, 집전체 원소재(10)의 폭을 상대적으로 확대시켜 다수렬상에 배치된 다수개의 단위 집전체를 제조할 수 있다.

그러나, 이 경우에도 상기 집전체 원소재(10)에 다수개의 개구공(11)을 형성시킨 후에 원소재(10)의 길이 방향으로 집전체 원소재를 분할가능하게 절단해야 하는 추가적인 공정이 들어가게 되므로, 유리하다고 볼 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 하나의 집전체 원소재를 다수개의 집전체 원소재로 공히 분할 가능하도록 분할 패턴부가 형성된 이차전지의 집전체와 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 집전체 원소재를 도시한 개략적인 평면도,

도 2는 통상적인 리튬폴리머전지를 일부 확대 도시한 분리사시도,

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체 원소재에 패턴부가 형성된 상태를 도시한 사시도,

도 3b는 도 3a의 패턴부가 에칭된 이후의 상태를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 집전체 원소재를 확대하여 도시한 사시도,

도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10,30,40...집전체 원소재 11,300,400...개구공

20...이차전지 21...전지부

22...양극판 23...세퍼레이터

24...음극판 25...양극탭

26...음극탭 27...양극단자

28...음극단자 31...제1 집전체 원소재

32..제2 집전체 원소재 200...케이스

210...상부케이스 220...하부케이스

330,410...인식부 340...개구공 패턴부

350...분할 패턴부 360...인식 패턴부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 집전체의 제조방법은,

활물질층이 그 표면에 형성되어 극판을 이루는 이차전지의 집전체 제조방법에 관한 것으로,

집전체를 복수개 제조가능한 폭을 가지는 집전체 원소재를 준비하는 단계;

상기 집전체 원소재를 탈지하는 단계;

상기 집전체 원소재의 표면에 패턴형성용 물질을 이용하여 개구공 패턴부와, 상기 집전체 원소재를 단위 집전체 원소재로 분할 가능한 위치에 분할 패턴부를 형성하는 단계;

상기 집전체 원소재에 개구공을 형성시키고, 복수개의 단위 집전체 원소재로 분할가능하도록 에칭하는 단계; 및

상기 각 단위 집전체 원소재를 각각 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 개구공 패턴부와 분할 패턴부를 형성하는 단계에서는,

상기 집전체 원소재가 각 단위 집전체 원소재로 분할되는 위치에 인접하게 집전체 원소재의 길이 방향으로 다수개의 인식 패턴부가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 개구공과 각 단위 집전체 원소재로 분할되는 단계에서는,

상기 인식 패턴부가 각 집전체가 동일한 개구율을 가지도록 인식장치로 인식가능하게 소정 깊이를 가지는 홈형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 집전체의 제조방법에 관하여 상세하게 설명하고자 한다.

도 2를 참조하면, 리튬폴리머전지(20)는 전지부(21)와, 이를 수용하는 케이스(200)를 포함한다.

상기 전지부(21)에는 양극판(22)과, 세퍼레이터(23)와, 음극판(24)이 순차적으로 다수장 적층되어 있는 것을 구비하고 있다.

상기 양극판(22)은 박막의 알루미늄 호일로 된 양극 집전체(22a)와, 상기 양극 집전체(22a)의 적어도 일면에 형성되는 양극 활물질층(22b)을 포함한다. 상기 양극 활물질층(22b)은 리튬 산화물을 주성분으로 하여 도전재, 가소제, 바인더등이 함유되어 있다.

상기 음극판(24)은 박막의 구리 호일로 된 음극 집전체(24a)와, 상기 음극 집전체(24a)의 적어도 일면에 형성되는 음극 활물질층(24b)을 포함한다. 상기 음극 활물질층(24b)은 탄소재를 주성분으로 하여 도전재, 가소제, 바인더등이 함유되어 있다.

상기 양극 및 음극 집전체(22a)(24a)의 일 가장자리에는 양극 탭(25)과, 음극 탭(26)이 각각 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극 탭(25)(26)은 극판별로 집합된 상태에서 대략 V자 형태로 구부려져 있다. 이러한 탭(25)(26)들은 그 단부에 양극 단자(27)와, 음극 단자(28)가 각각 용접되어 있다.

한편, 상기 케이스(200)는 파우치 형태를 이루고 있다. 상기 케이스(200)에는 상부 케이스(210)와, 상기 상부 케이스(210)의 일변을 따라 접합되고 다른 세 변은 상호 분리가능한 하부 케이스(220)로 이루어져 있다. 상기 하부 케이스(220)에는 상기 전지부(21)가 수용가능하도록 공간부(220a)가 형성되어 있다.

여기서, 상기 양극 및 음극 집전체(22a)(24a)에는 그 전면에 걸쳐서 다수개의 개구공(230)이 형성되어 있다. 상기 개구공(230)은 집전체의 표면에 라미네이팅되는 양극 및 음극 활물질층들끼리의 결착력을 향상시키고, 활물질층에 포함된 가소제가 원할하게 추출될 수 있도록 그 통로를 제공하고, 전지 반응중 이온을 집전시키는 역할을 한다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 양극 및 음극 집전체(22a)(24a)는 동시에 다수개로 분할가능한데에 있다.

보다 상세하게 설명하면 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같다.

도 3a는 본 발명에 따른 집전체 원소재(30)에 패턴이 형성된 상태를 도시한 것이고, 도3b는 도 3a의 패턴을 에칭한 이후의 상태를 도시한 것이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 스트립 형태로 공급되는 집전체 원소재(30)가 마련된다. 상기 집전체 원소재(30)는 양극판일 경우에는 알루미늄 호일이고, 음극판일 경우에는 구리 호일을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 집전체 원소재(30)는 릴 장치에 감겨져서 일방향으로 공급가능하게 설치되어 있다. 그리고, 상기 집전체 원소재(30)는 추후 제조공정시 복수개의 제1 집전체 원소재(31)와, 제2 집전체 원소재(32)로 분할가능한 폭을 가지고 있다.

즉, 상기 집전체 원소재(30)의 폭은 각각의 원소재에 형성되는 단위 집전체의 전체 길이에 해당되는 값을 수용가능한 치수라고 할 수 있다. 도면에서는 복수개로 분할되는 집전체 원소재를 도시하였지만, 집전체를 그 이상으로 공히 형성시키고자 하면 단위 집전체의 전체 길이에 상응한 폭을 가지는 집전체 원소재를 마련하면 될 것이다.

상기 집전체 원소재(30)의 전면에는 펀칭을 하거나 에칭에 의하여 다수개의 개구공(300)이 형성되는데, 본 발명에서는 에칭에 의하여 개구공(300)을 형성시키는 경우를 기술하고 있다.

또한, 상기 집전체 원소재(30)에는 상기 제1 및 제2 집전체 원소재(31)(32)로 분할되는 부분에 그 길이 방향을 따라 인식부(330)가 형성되어 있다. 상기 인식부(330)는 각 단위 집전체가 동일한 간격으로 절단이 가능하도록 등간격을 유지하면서 다수개 형성되어 있다.

상술한 집전체 원소재를 이용하여 분할된 각 집전체 원소재를 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 양극 및 음극 집전체를 제조하는데 사용되는 박막의 알루미늄이나 구리 호일로 된 집전체 원소재(30)를 준비한다. 상기 집전체 원소재(30)가 준비된 다음에는 알루미늄이나 구리 호일을 탈지하여 그 표면에 부착될 가능성이 있는 수분이나 기름이나 먼지등과 같은 불순물을 제거하게 된다.

이어서, 상기 집전체 원소재(30)의 표면에 개구공(300)과 상응한 패턴을 가진 마스크를 이용하여 패턴형성용 잉크를 도포하여 개구공 패턴부(340)를 형성시킨다. 패턴형성용 잉크대신에 상응한 패턴을 가진 드라이 필름을 부착시킬 수도 있을 것이다.

이때, 상기 집전체 원소재(30)의 중앙부에는 제1 집전체 원소재(31)와, 제2 집전체 원소재(32)로 분할이 가능하도록 상기 원소재(30)의 길이 방향을 따라 분할 패턴부(350)를 동시에 형성시킨다.

또한, 상기 분할 패턴부(350)의 인접한 위치에는 각 원소재로부터 단위 집전체로 절단시 균일한 위치에서 절단이 가능하도록 인식 패턴부(360)가 다수개 형성되어 있다. 상기 인식 패턴부(360)는 분할 패턴부(350)와 마찬가지로 집전체 원소재(30)의 길이 방향으로 등간격을 유지하면서 형성되어 있다.

이렇게, 상기 집전체 원소재(30)에는 개구공 패턴부(340)를 형성시킬시, 이와 동시에 분할 패턴부(350)를 형성시킨다. 또한, 상기 인식 패턴부(360)는 단위 집전체를 동일한 위치에서 절단가능하도록 동시에 형성시킬 수도 있고, 추후 공정에서 별도로 형성시킬 수 있을 것이다.

이러한 패턴이 형성되고 나면, 상기 집전체 원소재(30)는 적정 온도에서 건조를 시키게 된다.

패턴형성용 잉크의 건조가 완료되면, 상기 집전체 원소재(30)의 전면에 에칭액을 균일하게 도포하여 상기 패턴부를 패턴화시키는 에칭 공정을 수행하게 된다.

이에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 집전체 원소재(30)는 그 전면에 형성된 개구공 패턴부(340)로부터 개구공(300)이 형성되고, 원소재(30)의 중앙부에 형성된 분할 패턴부(350)에 의하여 그 부분이 없어지게 되어 제1 집전체 원소재(31)와, 제2 집전체 원소재(32)로 분할이 된다.

또한, 상기 분할된 제1 및 제2 집전체 원소재(31)(32)의 일 측면을 따라서 그 길이 방향으로는 등간격을 하면서 인식 패턴부(360)로부터 인식부(330)가 형성된다.

상기 제1 및 제2 집전체 원소재(31)(32)상에 제1 및 제2 개구공(310)(320)이 형성되면, 상기 집전체 원소재(30) 상에 잔류하는 패턴형성용 잉크를 용해시켜 제거하게 된다.

이때, 상기 제1 및 제2 집전체 원소재(31)(32)는 상기 하나로 된 집전체 원소재(30)가 감겨진 릴 장치와는 별도로 각각의 원소재(31)(32)가 감겨지도록 복수개의 릴 장치가 마련되어 각각 감겨지게 된다.

이러한 집전체 원소재에 형성된 인식부는 도 4 및 도 5를 참고로 하여 설명을 하고자 한다.

도 4는 상술한 방법에 의하여 단위 집전체 원소재(40)로 분할된 것을 도시한것이고, 도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 집전체 원소재(40)에는 전면에 걸쳐서 다수개의 개구공(400)이 형성되어 있다. 상기 원소재(40)는 일방향으로 공급되면서 그 전면에 활물질층이 라미네이팅 된 상태에서 적정 크기의 제1 단위 집전체(41), 제2 단위 집전체(42) 순으로 절단되게 된다.

이때, 상기 각 단위 집전체는 동일한 개구율을 가지도록 절단하는 것이 전지 성능의 균일성을 가져올 수 있어서 바람직하다고 할 수 있다.

이를 위하여, 상기 집전체 원소재(40)의 일 가장자리에는 홈 형태의 인식부(410)가 형성되어 있다. 상기 인식부(410)는 상기 집전체 원소재(40)가 동일한 크기로 절단되어 각 단위 집전체에 실질적으로 동일한 수의 개구공이 포함될 수 있도록 등간격으로 형성되어 있다.

상기 집전체 원소재(40)로부터 각 단위 집전체(41)(42)로 절단하게 될 때에 상기 인식부(410)가 등간격으로 형성되어 있으므로 비전 장치와 같은 인식 수단으로 이를 인식한 상태에서 금형으로 펀칭을 하게 된다. 이에 따라, 각 단위 집전체에는 면적당 실질적으로 동일한 개수의 개구공(400)의 형성이 가능하다고 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 이차전지의 집전체와 이의 제조방법은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

하나의 집전체 원소재를 다수개의 집전체 원소재로 분할가능하도록 각 단위 집전체 크기를 수용하는 폭을 가진 위치에 분할 패턴부를 형성하고, 이를 에칭함으써 다수개의 집전체 원소재로 분할하는 것이 가능하게 됨에 따라 제조 공정수가 줄어들고, 생산 효율이 크게 향상된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 활물질층이 그 표면에 형성되어 극판을 이루는 이차전지의 집전체 제조방법에 관한 것으로,

   집전체를 복수개 제조가능한 폭을 가지는 집전체 원소재를 준비하는 단계;

   상기 집전체 원소재를 탈지하는 단계;

   상기 집전체 원소재의 표면에 패턴형성용 물질을 이용하여 개구공 패턴부와, 상기 집전체 원소재를 단위 집전체 원소재로 분할 가능한 위치에 분할 패턴부를 형성하는 단계;

   상기 집전체 원소재에 개구공을 형성시키고, 복수개의 단위 집전체 원소재로 분할가능하도록 에칭하는 단계; 및

   상기 각 단위 집전체 원소재를 각각 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 개구공 패턴부와 분할 패턴부를 형성하는 단계에서는,

   상기 집전체 원소재가 각 단위 집전체 원소재로 분할되는 위치에 인접하게 집전체 원소재의 길이 방향으로 다수개의 인식 패턴부가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전체의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 개구공과 각 단위 집전체 원소재로 분할되는 단계에서는,

   상기 인식 패턴부가 각 집전체가 동일한 개구율을 가지도록 인식장치로 인식가능하게 소정 깊이를 가지는 홈형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전체의 제조방법.