KR100473401B1 - 리튬 고분자 이차 전지 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극과 음극, 분리막으로 이루어진 리튬 고분자 이차 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 전극과 분리막의 여백을 최소화하고, 극판 전면(全面)의 응력을 균일하게 함으로써 전지의 충방전 수명을 연장시키는 것을 목적으로 한 것이다.

본 발명은 일정한 규격으로 절단된 양극판 및 음극판을 분리막에 밀착시킨 단위 셀을 회전시키되, 일정한 인장력으로 유지되는 분리막으로 감아 연속적으로 적층하여 제조함으로써 전지의 수명 연장 효과를 제공하게 된다.

Description

리튬 고분자 이차 전지 제조 방법{Producing method of lithium polymer secondary battery}

본 발명은 리튬 고분자 이차 전지의 제조 기술분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극과 음극, 분리막을 조립하는 방식으로 단위 셀을 회전축으로 하여 일정한 인장력을 유지하면서 와인딩하여 제조하는 리튬 고분자 이차 전지 제조 방법에 관한 것이다.

주지하는 바와같이 노트북 PC 및 셀룰라 폰(cellular phone)등의 포터블 기기의 급속한 확산으로 인해서 고용량, 고성능의 재충전용 이차 전지에 대한 수요가 급증하고 있다. 현재, 이차전지의 리튬이온의 흡장, 탈착이 가능한 탄소재를 활물질로 사용한 음극, 구조변형에 의해서 리튬이온의 충방전이 가능한 리튬복합산화물을 쓴 양극, 리튬이온의 매개체로 비수 전해액을 사용한 리튬이온 이차전지가 개발되어 널리 쓰이고 있다. 이러한 이온전지는 수분과의 반응성이 크고, 열적으로 불안정한 과량의 전해액을 쓰기 때문에 안전성에 대한 우려가 항상 대두되고 있다. 또한 전지 포장재로서 금속 캔 등을 사용함으로써 에너지 밀도가 떨어지고, 전지형태 변화가 자유롭지 못한 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 제시된 고분자 전해질을 사용하는 리튬 고분자 이차전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온이차전지에 비해서 누액이 적고 전지 형태가 자유로우며, 에너지밀도가 높고, 소형, 경량화 및 박형화가 가능하며 안전성이 우수한 장점을 갖고 있다. 이러한 리튬 고분자 이차전지의 예를 미국특허 제6,468,693호외 다수의 특허에 의하여 볼 수 있다.

도 1은 와인딩 방법에 의한 리튬 고분자 이차전지의 제조 방법을 보인 것으로, 상기 미국특허 제6,468,693호에서도 채용하고 있는 방법이다. 상기 인용발명에서는 젤리롤(Jelly Roll)타입으로 된 것이다.

이는 젤리롤을 각형의 캔에 삽입한 뒤, 그 위에 캡을 얹고 레이저 융착으로 밀봉한 구조를 가지고 있다. 이때, 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 양극의 미 코팅부에는 통상 각기 니켈과 알루미늄 재질의 전극 탭을 부착하며, 이를 이용하여 두 전극을 전지의 외부 단자로 연결한다. 이때 미 코팅부에 부착한 전극 탭 중 하나는 젤리롤이 캔에 삽입될 때 캔의 바닥이나 측면에 부착되고, 다른 하나의 탭은 캡에 부착된다. 이와 같이 조립방식 및 구조가 주는 장점은 우선 와인딩 시 분리막에 가해지는 장력에 의하여 양극과 음극이 물리적으로 균일하게 밀착되어 있고 또한 캔의 벽에 의해 물리적으로 압착되어 있으므로, 전기화학적인 반응에 의하여 전지가 충전 또는 방전될때, 전체 전극면이 균일하게 활용될 수 있다는 것이다. 따라서, 기본적으로 전지성능이 우수하고 장기 충방전 사이클에 대해서도 높은 성능이 유지된다. 기계적인 강도가 큰 금속 재질의 캔의 벽이 주는 또 한가지의 부가적인 장점은, 이 물리적 압착력으로 인하여 캔 내부에 젤리롤을 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, 전지캔과 캡이 완전히 융착되어 전지의 내부와 외부를 완전히 단절시키고 있으므로 전지 내부물질의 유출위험과 전지 외부 이물질의 내부 침투가 방지된다.

그러나, 이와 같은 와인딩 방법에 의한 리튬 고분자 이차전지는 감겨진 상태가 실제로는 완벽하게 평평하지 않고 변형된 타원형상에 가까우므로, 각형 전지 내부에 빈틈없이 끼워질 수 없다. 따라서 셀의 가장자리와 중앙부에는 집중되는 응력 차이가 발생하게 되며, 따라서 장기간에 걸친 충방전 과정에서 전지의 수명이 단축되는 문제가 발생된다.

또한, 미국 특허 제 4,048,397호에는 복수의 적층된 전극들이 일정 면적을 유지하면서 적층(stacking)되는 지그재그 스테킹(Zig-Zag Stacking)방법이 도시되어 있으며, 이에 의하여 제조된 셀은 평면상으로 적층하여서 된 것이므로 원인적으로 응력의 차이가 발생하지 않는다. 반면에 이러한 방식은 도 2로 도시된 바와같이 적층 공정 상에서 필연적으로 극판과 분리막의 여백이 발생한다. 이로 인하여 장기간의 충방전 과정에서 극판과 분리막의 여백 부분으로 인하여 가장자리가 부푸는 문제가 발생하며, 이에 따라 전지 수명을 단축시키는 문제점이 있는 것이다.

본 발명의 목적은 상기에 언급된 와인딩 방법과 지그재그 스테킹 방법에서 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특히 전극과 분리막의 여백을 최소화하고 극판 전면(全面)의 응력을 균일하게 함으로써 전지의 수명을 연장시킬 수 있도록 한 리튬 고분자 이차 전지 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은 일정한 규격으로 절단된 양극판 및 음극판을 분리막에 밀착시킨 단위 셀을 회전축으로 회전하되, 일정 인장력으로 유지되는 분리막으로 감아 조립하는 것을 특징으로 하는 리튬 고분자 이차 전지의 제조에 관한 것이다. 이하에서 첨부된 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 리튬 고분자 이온 이차 전지의 조립방식은 도3의(A)에 나타나 있는 바와같이 양극 활물질이 도포, 건조되어 있는 양극판(2)과 음극활물질이 도포, 건조되어 있는 음극판(3) 및 상기 전극을 절연하는 특성을 지닌 폴리올레핀으로 된 분리막(1)으로 이루어진다. 본 발명에서는 상기 단위 셀을 도3의 (B)와 (C)와 나타낸 바와같이 회전하면서 일정한 인장력으로 유지되는 분리막으로 감아 적층하는 방식으로서, 그 완성된 일례를 도 4에 나타내었다.이때 일정한 인장력으로 유지되는 분리막의 경우, 인장력은 대략 0.3∼5kgf/cm² 범위가 바람직한데, 0.3kgf/cm² 미만이거나 5kgf/cm² 초과하는 경우는 작업성에 문제가 있다.

이하 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

리튬 고분자 이차 전지의 규격은 1.3Ah 급으로 양극판(2)은 알루미늄 호일에 LiCoO₂을 박막 코팅하고 음극판은 구리 호일에 그라파이트(graphite)를 박막 코팅하여 제조된 전극으로서, 양극판(2)은 가로 46mm, 세로 50.4mm로, 음극판(3)은 가로 46.6mm, 세로 52mm이고, 분리막(1)의 폭은 53.5mm으로 펀칭하였다. 그리고, 도 3의(A)에서와 같은 과정으로 양극판(2)에 분리막을 먼저 감아 고정한 후 도 3의( B),(C) 에서 처럼 분리막(1)을 1.5kgf/Cm²의 일정한 인장력으로 유지하면서 회전시켜 적층하였다. 상기 방법에 의해 조립한 후 알루미늄 파우치 내에 삽입한 후 한 면만 남기고 각 면을 실링하였으며, 이어서 실링하지 않은 부위를 통해 1M LiPF₆/EC:PC:EMC (30:10:60) 4.7g을 주입하고 진공 하에서 실링을 한 후에 전해질을 전극에 충분히 함침시켰다.

[비교예 1]

도 1과 같은 와인딩 방식으로 조립한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

[비교예 2]

도 2와 같은 지그재그 스태킹(zig-zag stacking) 방식으로 조립한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

상시 실시예 및 비교예에서 제작된 전지를 하기 방법으로 충전하고 전지 수명을 평가하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

<충방전방법 및 전지 수명 평가>

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전지를 전지 설계용량에 대해 0.05C로 3.15V까지 0.2C로 4.2V까지 2단계로 초기충전을 하고, 전지를 안정화 과정을 거친 후 4.2V까지 1C로 정전압 정전류로 충전 후, 3.0V까지 1C로 방전하였으며, 전지 수명 평가는 충방전 테스트기(TOSCAT-3100U)로 상온에서 측정하였다.

[표 1]

상기 실시예 및 비교예에서 확인 되듯이 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 전지 전면에 균일한 응력이 가해지고 분리막과 전극의 여백을 최소화하여 장기간의 충방전 과정에서 용량 유지율이 높게 나타나므로 전지의 수명적 특성이 향상되는 유용성을 얻을 수 있다.

도 1은 와인딩 방법에 의한 리튬이차전지 제조법의 예시도이다.

도 2는 지그재그 스태킹 방법에 의한 리튬이차전지 제조법의 예시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 리튬이차전지 제조법의 예시도이다.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 리튬이차전지의 구성도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 분리막 2 : 양극판 3 : 음극판

Claims (2)

1. 일정한 규격으로 절단된 단수의 양극판(2), 단수의 음극판(3) 및 상기 전극판 사이에 삽입된 분리막(1)으로 이루어진 단위 셀을 회전축으로 회전시키되, 다수의 양극판(2) 및 다수의 음극판(3)이 일정한 인장력으로 유지된 분리막(1)에 의해 연속적으로 감기면서 적층되는 리튬 고분자 이차 전지 제조방법
2. 제 1 항에 있어서, 분리막(1)의 인장력은 0.3∼5kgf/cm² 범위에 있음을 특징으로 하는 리튬 고분자 이차 전지 제조방법.