KR100450178B1 - 리튬폴리머계열전지의제조방법 - Google Patents

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Abstract

리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 양극 및 음극 활물질 조성물을 양극 및 음극 집전체에 직접 양면 도포하고, 상기 집전체를 펀칭하여 양극 및 음극 극판을 제조한 후 상기 양극 극판, 전해질 필름, 상기 음극 극판을 차례로 적층한 후 절단하여 리튬 폴리머 계열 전지를 제조한다. 이 제조 방법은 양극 극판과 음극 극판, 폴리머 전해질을 컨베이어 시스템에 의해 연속적으로 적층하여 리튬 폴리머 계열 전지를 빠른 속도로 대량 생산할 수 있다. 또한, 극판의 일정 부위를 펀칭하여 적층 후 절단할 때 절단 부위의 음극과 양극이 접촉되어 단락이 발생함으로 인한 불량을 발생하는 문제점을 개선할 수 있다.

Description

리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법
[산업상 이용 분야]
본 발명은 리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 빠른 시간에 대량으로 전지를 제조할 수 있는 리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
[종래 기술]
최근 카메라 일체형 VTR, 오디오, 랩탑형 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 전화기 등의 새로운 포터블 전자기기의 소형화 및 경량화 추세와 관련하여, 이들 기기의 전원으로 사용되는 전지의 성능을 고성능화하고, 대용량화하는 기술이 필요하게 되었으며, 특히 경제적인 측면에서 이들 전지의 제조 원가를 절감하는 기술 개발 노력이 진행되고 있다. 일반적으로 전지는 망간 전지, 알카리 전지, 수은 전지, 산화은 전지 등과 같이 일회용으로 사용하는 1차 전지와 납축전지, 금속수소화물을 음극 활물질로 하는 Ni-MH(니켈-메탈하이드라이드) 전지, 밀폐형 니켈-카드뮴 전지와 리튬-금속 전지, 리튬-이온 전지(LIB: Lithium Ion Battery), 리튬-폴리머 전지(LPB: Lithium Polymer Battery)와 같은 리튬군 전지 등과 같이 재충전하여 사용할 수 있는 2차 전지, 그리고 연료 전지, 태양 전지 등으로 구분할 수 있다.
이 중 1차 전지는 용량이 적고, 수명이 짧으며, 재활용이 되지 않으므로 환경 오염을 일으키는 문제점이 있는데 반하여, 2차 전지는 재충전하여 사용할 수 있어 수명이 길며, 전압도 1차 전지보다 월등히 높아 성능과 효율성 측면에서 우수하며, 폐기물의 발생도 적어 환경 보호 측면에서도 우수하다.
상기한 전지 중 일반적인 리튬 이차 전지는 음극으로 알카리 금속인 리튬 또는 탄소를 사용하고, 양극으로 전이 금속 산화물(transition metal oxide) 및 산화물 고용체(LiMxCo1-xO2, LiMxCo1-xO2, M=Ni, Co, Fe, Mn, Cr, ···)를 사용하며, 전해질로는 이온염(ionic salt)을 사용하는 전지이다. 상기한 리튬 이차 전지는 재충전이 가능하여 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등의 보조 전원 장치로 주로 사용되고 있다.
종래의 리튬 폴리머 계열 전지는 양극 극판, 음극 극판 및 폴리머 전해질을 각각 절단한 후 적층하여 제조하거나 음극 극판에 전해질을 코팅 또는 라미네이션하고 양극 극판을 절단 후 적층함으로써 컨베이어 시스템에 의한 연속적인 제조가 어려웠다. 따라서 생산 속도가 떨어지고 연속적으로 적층후 절단할 경우 절단 부위의 음극과 양극이 접촉되어 단락이 생겨 불량이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 컨베이어 시스템으로 연속적으로 전지를 제조할 수 있어서 생산 속도가 빠르고, 음극과 양극이 접촉되어 단락이 발생하는 현상을 방지할 수 있는 리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 리튬 폴리머 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2a는 본 발명의 방법에 따라 제조된 양극 극판을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2b는 본 발명의 방법에 따라 제조된 음극 극판을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 음극 극판, 폴리머 전해질, 양극 극판이 적층된 형태를 개략적으로 나타낸 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 양극 극판
3: 양극의 전류 집전체
5: 도포된 양극 활물질
7, 7': 잘려나간 부분
13: 음극의 전류 집전체
15: 도포된 음극 활물질
20: 폴리머 전해질
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기한 목적을 만족하기 위하여, 본 발명은 양극 및 음극 활물질 조성물을 양극 및 음극 집전체에 직접 양면 도포하고; 상기 집전체를 펀칭하여 양극 극판 및 음극 극판을 제조한 후; 상기 양극 극판, 전해질 필름 및 상기 음극 극판을 차례로 적층한 후 상기 집전체의 펀칭면에 대하여 절단하는 공정을 포함하는 리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법은 다음과 같다.
양극 및 음극 활물질 조성물을 양극 및 음극 집전체에 직접 양면 도포한 후, 상기 집전체를 펀칭하여 양극 극판 및 음극 극판을 제조한다. 이어서 이 양극 극판, 전해질 필름 및 상기 음극 극판을 차례로 적층한 후 상기 집전체의 펀칭면에 대하여 절단하는 공정으로 리튬 폴리머 계열 전지를 제조한다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 활물질 조성물을 집전체의 상부에 1∼10㎜, 하부 1∼10㎜는 제외하고 도포하는 것이 탭(tab)을 형성하고 활물질이 도포되지 않은 부위로 전류 집전체를 컨베이어 시스템으로 운송할 수 있는 연결 고리를 형성할 수 있어서 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 펀칭 공정은 집전체의 일부, 즉 2∼10㎜ 폭을 펀칭한다. 상기한 바와 같이, 집전체의 일부를 펀칭하면 절단 공정시 양극 극판과 음극 극판이 접촉되어 단락이 생기는 현상을 방지할 수 있어 바람직하다.
상기한 제조 방법에 있어서, 상기 집전체는 개구율이 20∼70%인 퍼포레이티드 포일 또는 그리드를 사용하는 것이 바람직하다. 상기한 집전체로 개구율이 20%보가 작거나 70%보다 큰 퍼포레이티드 포일 또는 그리드를 사용하면, 집전체 양면에 코팅된 활물질의 이용도가 낮으며, 가소제 제거 공정이 오래 걸리는 문제점이 있다.
계속하여 충전, 방전이 가능한 2차 전지인 리튬 폴리머 전지는 양극, 음극, 폴리머 전해질로 구성되어 있고 음극이 리튬 금속인 리튬 금속 폴리머 전지와 리튬이 삽입, 탈리가 가능한 탄소 등의 층간화합물로 구성된 리튬 이온 폴리머 전지가 있다.
양극 극판은 활물질로 리튬 전이금속 산화물, 도전제로 카본 블랙, 바인더로 폴리머 그리고 가소제로 디부틸프탈레이트를 아세톤 또는 N-메틸피롤로리돈(N-methylpyrrolidone: NMP) 등의 유기 용매상에서 혼합하여 양극 집전체인 퍼포레이티드(perforated) 알루미늄 포일(foil) 또는 구리 그리드(gird)에 양면으로 도포된 상태로 구성된다.
폴리머 전해질은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아클릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드 등의 폴리머메트릭스에 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 등의 유기 용매와 리튬염이 혼합 또는 함침된 필름 형태로 구성된다.
본 발명은 이러한 양극 극판과 음극 극판, 폴리머 전해질을 연속적으로 적층하여 도 1과 같은 폴리머 전지를 연속적으로 대량 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
음극 극판을 도 2의 (b)와 같이 상하에 일정 부분은 물질이 도포되지 않게 남기고 도포 건조후 도 3의 7'과 같이 일정 부분을 펀칭하여 제거한다. 양극 극판을 도 2의 (a)와 같이 상하에 일정 부분은 물질이 도포되지 않게 남기고 도포 건조 후 도 3의 7과 같이 일정 부분을 펀칭하여 제거한다. 펀칭된 부위의 상하에 남은 전류집전체가 컨베이어 시스템으로 운송할 수 있는 연결고리가 되는 것이다.
폴리머 전해질 필름을 도 3과 같이 음극과 양극 사이에 겹쳐 놓고 라미네이션한 후 펀칭된 부분의 가운데 부분을 수직으로 잘라내면 연속적으로 단위 전지의 제작이 가능하게 된다.
[실시예]
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
활물질로 흑연 30g을 도전제인 카본 블랙 1g과 분말상태로 혼합하였다. 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 5g을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone) 50g에 용해시키고 여기에 가소제로 디부틸프탈레이트 10g을 첨가하였다. 얻어진 물질을 음극 집전체(13)인 퍼포레이티드 구리 포일(두께: 18㎛)에 도 2의 (b)와 같이 상부에 10㎜ 하부에 2㎜를 남기고 양면으로 도포하였다. 건조한 후 도 2의 7'과 같이 일정 부분을 폭 3㎜로 펀칭하여 제거하여 음극 극판을 제조하였다.
활물질로 이산화 리튬 코발트(LiCoO2) 또는 사산화 리튬 망간(LiMn2O4) 50g을 도전제인 카본 블랙 4g과 분말상태로 혼합하였다. 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 7g을 N-메틸피롤리돈 100g에 용해시키고 여기에 가소제로 디부틸프탈레이트 10g을 첨가하였다. 이 혼합 조성 용액을 분말혼합물에 첨가하고 균일한 반죽상태의 물질이 얻어질 때까지 혼합한다. 얻어진 물질을 양극 집전체(3)인 퍼포레이티드 알루미늄 포일(두께: 20㎛)에 도 2의 (a)와 같이 상부에 2㎜, 하부에 10㎜를 남기고 양면으로 도포하였다. 건조 후 도 2의 7과 같이 일정 부분을 폭 3㎜로 펀칭하여 제거하여 양극 극판을 제조하였다.
폴리비닐리덴플루오라이드(Kynar2801, elf Atochem) 30g을 아세톤 300㎖에 용해시키고 녹인 후 디부틸프탈레이트 40g을 첨가하였다. 실리카 분말 20g을 첨가하고 균일한 상태까지 혼합하여 닥터 브레이드로 캐스팅하여 두께 50㎛의 폴리머 전해질 필름(20)을 제조하였다. 얻어진 필름을 도 3과 같이 음극 극판(10)과 양극 극판(1) 사이에 겹쳐 놓고 섭씨 130도 롤러속에서 연속적으로 라미네이션하여 붙인 후 80 × 30㎜ 크기로 절단하여 리튬 이온 폴리머 전지의 극판군을 제조하였다.
상기 극판군을 에테르 용액에 담그어 디부틸프탈레이트를 추출한 후 리튬 이온 폴리머 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
상기한 실시예 1과 같은 방법으로 제조된 한 장의 음극 극판, 두 장의 양극 극판과 두 장의 폴리머 전해질 필름을 준비하여 양극/전해질/음극/전해질/양극의 순으로 적층하여 도 1과 같은 구조의 이온 폴리머 전지를 상기한 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(비교예 1)
활물질로 흑연 30g을 도전제인 카본 블랙 1g과 분말상태로 혼합하였다. 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 5g을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrolidone) 50g에 용해시키고 여기에 가소제로 디부틸프탈레이트 10g을 첨가하였다. 얻어진 물질을 음극 집전체인 구리(두께: 18㎛)에 도 2의 (b)와 같이 상부에 10㎜ 하부에 2㎜는 남기고 양면으로 도포하였다. 건조한 후 80 × 30㎜ 크기로 잘라 음극 극판을 제조하였다.
활물질로 이산화 리튬 코발트(LiCoO2) 또는 사산화 리튬 망간(LiMn2O4) 50g을 도전제인 카본 블랙 4g과 분말상태로 혼합하였다. 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 7g을 N-메틸피롤리돈 100g에 용해시키고 여기에 가소제로 디부틸프탈레이트 10g을 첨가하였다. 이 혼합 조성 용액을 분말혼합물에 첨가하고 균일한 반죽상태의 물질이 얻어질 때까지 혼합한다. 얻어진 물질을 양극 집전체인 알루미늄(두께: 20㎛)에 양면으로 도포하였다. 건조 후 80 × 30㎜ 크기로 절단하여 양극 극판을 제조하였다.
폴리비닐리덴플루오라이드(Kynar2801, elf Atochem) 30g을 아세톤 300㎖에 용해시키고 녹인 후 디부틸프탈레이트 40g을 첨가하였다. 실리카 분말 20g을 첨가하고 균일한 상태까지 혼합하여 닥터 브레이드로 캐스팅하고 절단하여 두께 50㎛, 크기 84 × 34㎜의 폴리머 전해질 필름을 제조하였다. 얻어진 필름을 제조된 음극 극판과 양극 극판 사이에 겹쳐 놓고 섭씨 130도 롤러속에서 연속적으로 라미네이션하여 붙여 리튬 이온 폴리머 전지의 극판군을 제조하였다.
에테르 용액에 담궈 디부틸프탈레이트를 추출한 후 리튬 이온 폴리머 전지를 제조하였다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 양극 극판과 음극 극판, 폴리머 전해질을 컨베이어 시스템에 의해 연속적으로 적층하여 리튬 폴리머 계열 전지를 빠른 속도로 대량 생산할 수 있다. 또한, 극판의 일정 부위를 펀칭하여 적층 후 절단할 때 절단 부위의 음극과 양극이 접촉되어 단락이 발생함으로 인한 불량을 발생하는 문제점을 개선할 수 있다.

Claims (5)

  1. 양극 및 음극 활물질 조성물을 양극 및 음극 집전체의 상부에 1∼10mm, 하부 1∼10mm는 제외하고 상기 양극 및 음극 집전체에 직접 양면 도포하고;
    상기 집전체를 펀칭하여 양극 및 음극 극판을 제조한 후;
    상기 양극 극판, 전해질 필름, 상기 음극 극판을 차례로 적층한 후 상기 집전체의 펀칭면에 대하여 절단하는;
    공정을 포함하는 리튬 폴리머 계열 전지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 활물질 조성물을 집전체의 상부에 1∼10㎜, 하부 1∼10㎜는 제외하고 활물질을 도포하는 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 펀칭 공정은 집전체의 2∼10㎜ 폭을 펀칭하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체는 퍼포레이티드 포일 또는 그리드인 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 퍼포레이티드 포일 또는 그리드의 개구율은 20∼70%인 제조 방법.
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