KR100514215B1

KR100514215B1 - 다열 접착을 이용한 적층형 리튬이차전지의 제조방법

Info

Publication number: KR100514215B1
Application number: KR10-2003-0026290A
Authority: KR
Inventors: 노환진
Original assignee: 주식회사 에너랜드
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2005-09-13
Also published as: KR20040092106A

Abstract

복수의 음극판과 복수의 양극판이 격리막을 사이에 두고 서로 대면되게 형성된 적층형 리튬이차전지의 제조방법이 제공된다. 상기 방법은 a) 격리막의 홀수열의 한면에 복수의 제1 전극판을 서로 인접하게 접착하는 단계, b) 격리막의 짝수열에 상기 제1 전극판이 부착된 반대면에 복수의 제2 전극판을 서로 인접하게 접착하는 단계, c) 격리막의 중앙을 지그재그로 접어 격리막의 다수열을 서로 겹치게 한 후 전극판 사이에 형성된 접음선을 따라 한 방향으로 순차 접어 적층체를 제조하는 단계, 및 d) 상기 적층체를 외장재에 넣고 전해액을 주입한 후 포장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기한 방법은 적층체를 제조하기 위해 전극판을 접는 단계를 정해진 한 방향으로 수행함에 따라 지그재그 형태로 접는 방식에 비해 접는 공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전극판이 차지하는 길이를 최소화하여 전극판의 부착공정에 사용되는 장치를 소형화할 수 있다. 더 나아가, 지그재그로 접는 방식에 비해 격리막을 보다 팽팽하게 할 수 있으며, 이로 인해 충방전 특성이 향상되어 전지의 수명이 보다 향상된다는 장점을 갖는다.

Description

다열 접착을 이용한 적층형 리튬이차전지의 제조방법{FABRICATION OF STACKED TYPE LITHIUM SECONDARY BATTERY WITH MULTIPLE ROW ATTACHMENT}

본 발명은 리튬이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수의 음극판과 복수의 양극판이 격리막을 사이에 두고 서로 대면하게 형성된 적층형 리튬이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전지는 전기화학적 반응에 의해 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서, 이들은 크게 일차 전지와 이차 전지로 구분된다. 충방전이 가능한 이차전지 중 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 갖고 있는 리튬이차전지가 현재 가장 주목받고 있다.

종래의 리튬이차전지의 제조방법의 한 예가 도 7에 도시되어 있다. 상기 방법에 따른 리튬이차전지는 그리드 형태의 음극 집전체(11), 매트릭스 필름 형태의 음극(12), 매트릭스 필름 형태의 격리막(13), 매트릭스 필름 형태의 양극(14), 그리드 형태의 양극 집전체(15)를 순차 적층한 후 라미네이터를 통과시켜 상기 요소들을 일체화시킨 후, 다시 지그-재그 형태로 접어 원하는 형태의 구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 한다. 이러한 방법의 예로는 미국특허 제5,460,904호를 참조하기 바란다. 상기한 방법에 의해 제조된 리튬이차전지(이하 "일체형 리튬이차전지"라 칭함)는 전극이 일체화되어 있어 접는 공정에서 전극의 손상, 즉 접히는 가장자리(edge)에서 전극활물질이 전류집전체로부터 탈락되는 현상이 종종 발생한다는 문제점을 갖고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 복수의 음극판 및 복수의 양극판을 사용한 예가 한국특허 제309604호 및 제336396호, 그리고 일본공개특허공보 평9-320637호에 개시되어 있다. 도 8은 상기 한국특허 제309604호에 따른 복수의 음극판과 양극판의 격리막 상에서의 배치를 보여주는 단면도이다. 상기 한국특허 제309604호 및 336396호는 격리막(21)의 한면에 복수의 음극판(22)을 소정의 간격(적어도 전극판 하나가 삽입될 수 있는 간격)을 두고 접착시키고, 다른 쪽 면에 복수의 양극판(23)을 소정의 간격(적어도 전극판 하나가 삽입될 수 있는 간격)을 두고 접착시킨 후 이들을 지그재그 형태로 접어 복수의 음극판(22)과 양극판(23)이 서로 교대로 적층된 구조의 리튬이차전지(이하, "적층형 리튬이차전지"라 함)를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 미설명된 도면 부호 24는 접착제층이다. 상기한 적층형 리튬이차전지는 일체형의 단점, 즉 접음 공정에서 초래되는 전극의 손상을 방지할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 상기한 방법은 지그재그 형태로 접음에 따라 접는 공정이 복잡할 뿐만 아니라 격리막을 팽팽하게 유지하기가 곤란하여 전극과 격리막 사이에 틈이 생기게 된다. 전극과 격리막 사이에 생기는 틈은 충방전 특성을 나쁘게 하여 전지의 수명을 단축시키게 된다. 특히, 전극의 면적이 커질수록 전극과 격리막 사이에 틈이 생길 확률이 커지게 되어 균일한 전기적 특성을 가진 전지의 제조가 어려운 단점이 있다. 더 나아가, 양극판과 음극판의 폭 길이 만큼에 해당되는 간격을 두고 전극판이 접착됨으로 인해, 전극판이 부착되는 격리막의 길이가 길어져서 전극판의 부착 공정에 사용되는 장치의 대형화를 유발하여 대규모의 작업 공간이 요구된다.

본 발명자에 의한 한국공개특허공보 제2002-93781호는 격리막의 한면에 음극판과 양극판을 일정한 순서로 배열한 후 지그재그 형태가 아니라 일정한 방향으로 접어 리튬이차전지를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기한 방법은 지그재그 형태의 문제점을 해결할 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나, 상기한 방법은 음극판과 양극판이 서로 인접하게 배열됨에 따라 전기적 쇼트가 발생할 우려가 있어 전기적 쇼트가 발생하지 않도록 세심한 주의를 기울어야 한다. 그리고, 전극판이 접착된 부분의 길이가 길어 전극판의 부착공정에 사용되는 장치의 대형화를 유발하여 대규모의 작업 공간이 요구된다는 단점이 있다.

따라서, 지그재그 형태로 접음에 따른 단점들(접음공정의 불편함과 전극의 수명단축)을 해결함과 아울러 전기적 쇼트의 발생 위험을 방지할 수 있는 새로운 적층형 리튬이차전지 및 그 제조방법이 요구되어 왔다.

따라서, 본 발명의 목적은 지그재그 형태로 접는 것이 아니라 일정한 한 방향으로 접음을 반복함과 아울러, 쇼트의 위험이 없는 새로운 적층형 리튬이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전극판이 차지하는 길이를 최소화하여 전극판의 부착 공정에 요구되는 장치를 소형화할 수 있는 새로운 적층형 리튬이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 대용량의 전지를 간단하게 제조할 수 있는 리튬이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 쇼트의 위험이 없을 뿐만 아니라 전지의 충방전 특성이 향상된 적층형 리튬이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 리튬이차전지의 제조방법은 a) 격리막의 홀수열의 한면에 복수의 제1 전극판을 서로 인접하게 접착하는 단계, b) 격리막의 짝수열에 상기 제1 전극판이 부착된 반대면에 복수의 제2 전극판을 서로 인접하게 접착하는 단계, c) 격리막의 중앙을 지그재그로 접어 격리막의 다수열을 서로 겹치게 한 후 전극판 사이에 형성된 접음선을 따라 한 방향으로 순차 접어 적층체를 제조하는 단계, 및 d) 상기 적층체를 외장재에 넣고 전해액을 주입한 후 포장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기한 방법은 적층체를 제조하기 위해 전극판을 접는 단계를 일정한 한 방향으로 수행함에 따라 지그재그 형태로 접는 방식에 비해 접는 공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전극판이 차지하는 길이를 최소화하여 전극판의 부착공정에 사용되는 장치를 소형화할 수 있다. 그리고, 격리막을 팽팽하게 유지할 수 있어 전지의 수명특성을 향상시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 격리막 상에서 전극판의 배치를 보여주는 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 격리막(200)의 제1열(200')에는 복수의 음극판(100a)이 제1열의 상부면에 서로 인접하게 접착되어 있으며, 격리막의 제2열(200")의 하부면에는 복수의 양극판(100b)(이하, 음극판과 양극판을 합쳐 전극판(100)이라 함)이 서로 인접하게 배치되어 있다. 본 명세서에서 "인접하다"라는 것은, 전극판(100)이 서로 물리적으로 접촉한다는 것을 의미하는 것이 아니라, 전극판(100) 사이에 형성된 접음선(300)을 따라 접었을 때 전극판(100)이 서로 겹쳐질 수 있음을 말한다. 격리막(200) 상에서 전극판(100)의 배열은 서로 인접하게 배치된다는 조건 외에도, 접음선(300)을 따라 접음을 반복하였을 때, 음극판(100a)의 탭(103a)은 음극판(100a)끼리, 양극판(100b)의 탭(103b)은 양극판(100b)끼리 서로 중첩된다는 조건을 만족하여야 한다. 서로 중첩된 탭(103b)은 적절한 리드선(예를 들면, 각각 니켈과 알루미늄 리드선)에 의해 초음파 융착으로 서로 연결된다.

이 때, 안쪽에서 접혀지는 전극판(100)은 바깥쪽에서 접혀지는 전극판(100)보다 서로 인접한 두 전극사이의 간격이 약간 좁게 설정된다. 그 이유는 안쪽에서 접혀짐에 따라 접히는 부분의 길이가 작아지기 때문이다. 전극판(100)의 부착은 당해 분야에서 널리 공지된 방법으로 행해진다. 예를 들면, 격리막(200) 상에 전극판(100)이 부착될 부분을 접착제로 코팅하거나, 또는 전극판(100)에 접착제를 코팅하여 격리막(200)에 부착할 수 있다. 사용될 수 있는 접착제의 바람직한 예로는 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리우레탄, 폴리메타메틸 아크릴레이트, 폴리시아노 아크릴레이트, 폴리에틸렌 아크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플로필렌 플루오라이드 및 폴리에틸렌 옥사이드 수지, 또는 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 이온전도성 폴리머를 들 수 있다. 이들은 적절한 유기용매에 용해되어 격리막(200) 또는 전극판(100)에 도포된다. 사용 가능한 유기용매로는, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, 테트라히드로푸란, 아세톤, 메틸에틸 케톤 등을 들 수 있다.

도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 전극판(100)의 바람직한 일예를 보여주는 사시도이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 상기한 전극판(100)은 전류집전체(101)에 전극활물질을 함유하는 용액을 코팅하여 전류집전체(101) 상에 전극활물질의 코팅층(102)을 형성하고, 이들을 일정한 크기로 절단하여 얻어진다. 전극판(100)의 형태는, 탭(103)을 갖는다는 조건하에, 특별히 제한되지 아니하며, 사각형 또는 원형 등 요구되는 전지의 최종 형태에 따라 다양하게 변형시킬 수 있다. 즉, 절단기 또는 펀칭기의 틀의 형태를 적절히 변경시킴으로써 원하는 형태를 갖는 전극판(100)을 대량으로 생산할 수 있다. 전류집전체(101)에 코팅되는 전극활물질(구체적으로는 양극활물질 및 음극활물질)의 예로는 특별히 제한되지 아니하며, 리튬이차전지에 사용되는 통상의 물질이 널리 사용될 수 있다. 양극 활물질 및 음극활물질의 바람직한 예들은 미국특허 제5,837,015호, 제5,635,151호 및 제5,501,548호 등에 자세히 기재되어 있다. 양극활물질은 리튬이온의 삽입/탈리가 가능한 물질이면 특별히 제한되지 아니하며, 구체적 예로서는, LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiMnO₂ 등의 리튬 전이금속 산화물을 들 수 있다. 또한 음극활물질의 예로는 리튬 금속 또는 리튬합금이나, 탄소 또는 흑연과 같이 리튬 이온의 삽입/탈리가 가능한 물질을 들 수 있으며, 바람직하게는 탄소 또는 흑연이다. 양극활물질은 결정구조 내로 리튬이온이 삽입과 탈리가 되면서 진행되는 전기화학적 반응 전위가 높으며, 반대로 음극활물질은 양극활물질보다 반응전위가 낮다. 상기한 음극활물질 및 양극활물질은 적당한 용매에 분산된 후 전류집전체(101)에 코팅된 후 일정한 크기로 절단하여 음극판(100a) 및 양극판(100b)을 각각 형성한다. 상기 전극활물질은 전류집전체(101)의 한면에 코팅될 수 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 양면에 코팅되는 것이 바람직하다. 양면에 코팅함으로써 전지의 체적당 방전용량을 증가시킬 수 있다는 이점이 있다. 전류집전체(101)로 사용될 수 있는 금속의 예로는 특별히 제한되지 아니하며, 상기한 미국특허 제5,837,015호, 제5,635,151호 및 제5,501,548호에 자세히 기재되어 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에서는 알루미늄 박판 및 구리 박판을 각각 양극용 및 음극용 전류집전체(101)로 사용하였다. 한편, 상기한 전극활물질은 일반적으로 전도성을 향상시키는 도전재 및 상기 전극활물질과 도전재를 전류집전체(101)에 접착시키는 결합제와 함께 전류집전체(101)에 피복된다. 상기한 도전재 및 결합제의 선택은 사용되는 전극활물질의 종류에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 이러한 사항은 전지 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 공지되어 있다. 필요할 경우, 기타의 첨가제(예를 들면, 산화방지제, 난연제 등)가 추가될 수 있다.

음극판(100a)과 양극판(100b)의 개수는 음극활물질의 종류, 양극활물질의 종류, 전해질의 종류, 전지의 방전 용량 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 음극판(100a)의 개수는 양극판(100b)의 개수에 비해 한 개 더 사용되는 것이 일반적이다. 음극판(100a)의 개수가 100개를 넘어설 경우 접는 공정이 너무 복잡해질 우려가 있어, 2-100개의 범위내에서 조절될 수 있다. 바람직하게는 3-50개, 보다 바람직하게는 3-20개, 가장 바람직하게는 4-15개이다.

도 2는 격리막의 제1열과 제2열을 음극판(100a)과 양극판(100b) 사이에 형성된 중앙선 A-A'를 따라 접었을 때의 단면도와 평면도를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명에 따라 한 방향으로 순차 접어 얻어진 적층체의 단면도이다. 도 2A 및 도 2B에 도시된 바와 같이, 음극판(100a)이 부착된 제1 격리막(200')과 양극판(100b)이 부착된 제2 격리막(200")은 서로 겹쳐진다. 그 후, 지그재그 형태로 접는 것이 아니라 정해진 한 방향으로 순차 접어, 도 3에 도시된 바와 같이 음극판(100a)과 양극판(100b)이 교대로 서로 대면하게 형성되고, 이들이 격리막(200)에 의해 분리된 적층체(400)가 제조된다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 적층체(400)는 복수의 음극판(100a)과 양극판(100b)이 격리막(200)을 사이에 두고 교대로 서로 대면하게 형성된다. 음극판(100a)과 양극판(100b)은 격리막(200)에 의해 완전히 차단되어 있어 쇼트의 발생 위험이 완전히 제거된다. 이 때, 격리막(200)은 정해진 하나의 방향으로 순차 접혀지므로, 탭이 형성된 면의 반대면에서 연결된 두겹의 필름이 안쪽에서 바깥쪽으로 한쪽 방향으로 순차 접혀진 형태를 취하게 된다. 구체적으로는, 상기 격리막(200)은, 통상의 일체형 전지에서 나타나는 한겹의 필름이 순차 접혀진 형태{일명, 나선형(spiral)형태}를 갖는 것이 아니라, 탭이 형성된 면의 반대면에서 연결된 두겹의 필름이 안쪽에서 바깥쪽으로 일정한 방향으로 순차 접혀진 형태를 취하며, 두겹의 필름 사이에 형성된 공간에 음극판(100a)과 양극판(100b)이 교대로 서로 대면하게 된다. 본 발명에 따른 격리막(200)의 구조는 연결된 두 겹의 필름이 안쪽에서 바깥쪽으로 일정한 방향으로 접혀짐에 따라 격리막(200)은 형태를 갖는다. 여기서, 격리막(200)은 음극판(100a)과 양극판(100b)을 전기적으로 절연시키며 이온의 통로를 제공해주는 역할을 한다. 격리막(200)의 바람직한 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀 필름, 폴리비닐리덴플루오라이드, 헥사프로필렌플루오라이드 및 폴리에틸렌옥사이드 필름을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 폴리에틸렌 필름이 격리막(200)으로서 가장 일반적으로 사용되고 있다. 상기한 격리막(200)은 또한 두 가지 이상의 다공성 필름이 겹쳐진 형태로 사용될 수도 있다.

일반적으로, 최종적인 전지는 외장재의 홈(pouch)에 상기 적층체(400)를 넣고 전해질을 함침시킨 후 외장재의 3면을 진공 상태에서 열융착함으로써 얻어지게 된다. 외장재로는 철 또는 알루미늄 금속으로 이루어진 캔 형태 또는 알루미늄박과 폴리머층들로 구성된 외장재 등 다양하게 적용할 수 있다. 전해질은 액체형 전해질, 젤형 폴리머 전해질 또는 고체형 폴리머 전해질이 널리 사용될 수 있다. 본 발명의 구체예에서는, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 등의 극성 유기용매에 리튬염, 예를 들면, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)_2,LiPF₆, LiBF₄, LiClO_4, LiN(SO₂C₂F₅)₂를 용해하여 얻어진 전해액을 사용하였다.

본 발명에 따른 방법은 도 1 내지 도 2에 도시된 2열 접착 뿐만 아니라 다열 접착이 가능하다. 도 5는 다열 접착된 격리막 상에서의 전극배치를 보여주는 사시도이다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 음극판(100a)은 격리막(200)의 홀수열의 한면에, 양극판(100b)은 격리막(200)의 짝수열에 상기 음극판(100a)이 접착된 반대면에 접착된 후지그재그로 접혀진다. 그 후, 정해진 한 방향으로 순차 접어 복수의 음극판(100a)과 양극판(100b)이 격리막을 사이에 두고 교대로 서로 대면하는 구조의 적층체가 얻어진다. 이러한 다열 접착은 접음 공정의 횟수를 현저히 줄이게 된다. 예를 들면, 전극판을 1열 접착할 때, 즉 음극판과 양극판을 한면에 접착할 때 접음 공정의 횟수는 전극판의 개수에 대응되나, 2열 접착시 접음공정의 횟수는 1/2, 4열 접착시 접음공정의 횟수는 1/4로 줄어들게 된다. 그리고, 음극판(100a)과 양극판(100b)가 교대로 대면하는 적층체를 얻기 위한 접음 공정이 지그재그 형태로 이루어지는 것이 아니라 한쪽 방향으로만 순차 접음을 반복함으로써 격리막을 팽팽하게 유지할 수 있다. 도 5와 동일한 방식으로 6열 접착, 8열 접착 등 다열 접착을 통해 접음 공정의 횟수를 현저히 감소시킬 수 있게 된다.

본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조되는 적층형 리튬이차전지에 관한 것으로서, 상기 적층형 리튬이차전지는 복수의 음극판과 복수의 양극판이 격리막을 사이에 두고 교대로 서로 대면하게 형성된다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 복수의 음극판, 복수의 양극판, 상기 음극판과 양극판을 분리시키는 격리막, 및 전해질을 포함하는 적층형 리튬이차전지에 있어서, 상기 격리막은 탭이 형성된 반대면에서 연결된 두 겹의 필름이 안쪽에서 바깥쪽으로 지그재그 형태가 아니라 일정한 한 방향으로 접혀진 형태를 가지며, 두겹의 필름 사이에 형성된 공간에 음극판과 양극판이 교대로 대면하는 적층형 리튬이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 적층형 리튬이차전지는 복수의 음극판과 양극판이 격리막을 사이에 두고 교대로 서로 대면하게 형성되고, 음극판의 탭은 음극판끼리, 양극판의 탭은 양극판끼리 서로 중첩되고, 상기 격리막은 탭이 형성된 반대면에서 연결된 두 겹의 필름이 안쪽에서 바깥쪽으로 일정한 방향으로 접혀진 형태를 가지며, 전해질이 양극판과 격리막 그리고 격리막과 음극판 사이에 충진된 구조를 갖는다. 상기한 구조를 갖는 적층형 리튬이차전지는 양극판과 음극판의 비바람직한 연결에 의한 쇼트의 발생위험이 없다. 더 나아가, 상기 적층형 리튬이차전지는 일정한 방향으로 접어져서 얻어지기 때문에 충방전 특성이 향상된다. 구체적으로는, 한국특허 제309604호 및 제336396호에 개시된 지그재그 형태로 제조되는 리튬이차전지와 달리, 상기한 구조의 리튬이차전지는 일정한 방향으로 접어서 제조됨에 따라 격리막이 팽팽하게 유지되고, 충방전 특성의 향상 및 전지 수명의 연장을 달성할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 위해 제시되는 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 보완 및 변경이 가능하다.

실시예

실시예 1: 전극판의 제조

양극판 및 음극판은 널리 공지되어 있는 방법으로 제조하였다. 양극활물질로서 분말상태의 LiCoO₂100g, 도전제로서 카본 블랙 5g, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 5g을 균일하게 혼합하고, 이들 혼합물을 N-메틸피롤리돈(NMP) 100ml에 첨가하여 페이스트를 제조한 후, 전류집전체인 두께 15㎛의 알루미늄 호일 양면에 균일하게 도포한 후 건조하였다. 압착에 의해 150㎛의 두께의 양극판 전구체를 제조하였다. 음극활물질로서 분말상태의 흑연 100g, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 10g을 균일하게 혼합하고, 이들 혼합물을 N-메틸피롤리돈(NMP) 100ml에 첨가하여 페이스트를 제조한 후, 집전체인 두께 10㎛의 구리 호일 양면에 도포하고 건조하였다. 압착에 의해 두께 150㎛의 음극판 전구체를 제조하였다. 얻어진 양극판 및 음극판 전구체를 절단하여, 도 4에 도시된, 0.5 cm × 0.5cm 크기의 탭이 형성된 3cm×5cm 크기의 음극판 및 양극판을 각각 제조한 후 카세트에 적재하였다.

실시예 2: 전지의 제조

아세토니트릴(알드리치사)과 폴리에틸렌옥사이드(알드리치사, 평균분자량 1,000,000)를 중량비로 100:3 의 비율로 균일하게 혼합하여 폴리머 용액을 제조하였다.

2열로 나뉘어진 다공성 폴리에틸렌 필름(엔텍사 제 Tecklon, 두께: 25㎛, 폭: 126mm)을 권출하면서, 제1열의 한면에 상기 폴리머 용액을 액체 정량 토출장치를 이용하여 두께 2㎛로 연속적으로 도포한 후, 상기 카세트에 적재된 음극판을 순차적으로 취출하여 음극판을 부착시켰다. 그 후, 제2열에는 상기 음극판이 부착된 면의 반대면에 상기 폴리머 용액을 동일한 방식으로 도포한 후 양극판을 부착시켜 도 1에 도시된 형태를 얻었다. 이어서 중앙선(A-A')를 따라 접어 2열 접착된 격리막을 서로 겹친 후 한쪽방향으로 순차 접어 양극판과 음극판이 격리막을 사이에 두고 대면하는 적층체를 도 3과 같이 제조하였다. 돌출된 양극판과 음극판의 탭들은 각각 니켈과 알루미늄 리드선을 추가하여 초음파로 융착하여 연결하였다. 전지에 사용되는 외장재인 알루미늄을 성형하여 홈을 만들어 상기 적층체를 넣고, LiPF₆이 1.2몰 농도이고 용매가 에틸렌 카보네이트와 에틸메틸 카보네이트 부피비로 1:1인 전해액 3ml를 첨가한 후, 외장재의 3면은 진공 상태에서 열융착하여 전지 두께 3.8mm, 폭 35mm, 길이 62mm의 적층형 리튬이차전지를 제조하였다.

비교예 1: 전지의 제조

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 2에서 음극판과 음극판 사이에, 그리고 양극판과 양극판 사이에 소정의 간격(3.3 cm)을 두고 상기 격리막이 지그재그 형태로 연속적으로 접혀진 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 적층형 리튬이차전지를 제조하였다.

아래의 표 1은 상기 실시예 2와 비교예 1를 비교한 결과를 요약한 것이다.

시험예 1: 전지의 수명특성 비교

상기 실시예 2에서 제조된 전지와 상기 비교예 1에서 제조된 전지를 연속적으로 충전과 방전을 거듭하여 수명 시험을 실시하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 실시예 2에서 제조된 전지는 150 싸이클 이상이 진행되어도 방전 용량이 92 % 이상으로 유지되면서 평탄한 기울기를 가짐으로써 수명특성이 매우 우수함에 비해, 비교예 1에서 제조된 전지는 방전 용량이 88 % 이하로 떨어지고 계속해서 감소하는 경향이 더욱 커짐을 알 수 있다.

실시예 3

실시예 2에서, 음극판과 양극판을 도 5에 도시된 바와 같이 4열 접착하는 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 수행하여 음극판의 개수 11개 양극판의 개수가 10개인 전지를 제조하였다. 얻어진 전지의 방전용량은 2배로 증가되었으며, 수명특성을 조사한 결과 150 사이클 이상으로 진행되어도 방전용량이 약 91%의 수준으로 유지되었다.

본 발명에 따른 리튬이차전지의 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다. 먼저, 음극판과 양극판이 서로 인접하게 배치되는 것이 아니라 격리막에 의해 명확하게 분리됨으로써, 음극판과 양극판의 비바람직한 전기적 연결에 의한 쇼트의 발생 위험을 제거할 수 있다. 그리고, 접음 공정이 지그재그 형태로 진행되는 것이 아니라 일정한 방향으로 진행됨으로써, 지그재그 형태로 접을 때 발생할 수 있는 문제점, 예를 들면, 공정의 불편함과, 격리막을 팽팽하게 유지하기가 곤란하여 전극과 격리막 사이에 틈이 생겨 전지의 수명이 단축됨을 해결할 수 있다. 상기한 이점 외에도, 음극판과 음극판 그리고 양극판과 양극판이 서로 인접하게 배치되기 때문에, 한국특허 제309604호, 제336396호 및 한국공개특허공보 제2002-93781호에 비해 전극판(100)이 접착된 부분의 길이가 2열 접착시 1/2, 4열 접착시 1/4로 줄어들어 접음 공정에 사용되는 장치가 소형화될 수 있으며, 작업 공간의 효율적 운영이 가능해진다. 더 나아가, 한국특허 제309604호, 제336396호 및 한국공개특허공보 제2002-93781호에 비해, 접는 횟수를 현저히 감소시킬 수 있어 작업의 효율이 현저히 향상된다. 그리고, 상기 공정으로 제조된 본 발명의 리튬이차전지는 격리막을 팽팽하게 유지하여 연속적으로 감으면서 접음으로써 격리막을 사이에 두고 음극판과 양극판이 평면적으로 상호 대면하는 안정한 계면 구조를 이루게 되어 충방전 특성이 우수하게 된다. 그리고 음극판과 양극판이 격리막에 의해 완전히 분리되어 있으므로 쇼트의 발생이 차단된다.

도 1은 본 발명에 따른 격리막 상에서 전극판의 배치를 보여주는 사시도이다.

도 2A 및 도 2B는 도 1에 따른 격리막이 상호 겹쳐진 상태를 보여주는 단면도 및 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따라 한 방향으로 순차 접어 얻어진 적층체의 단면도이다.

도 4는 전류집전체에 전극활물질을 함유하는 용액을 코팅한 후 일정한 크기로 절단하여 얻어진 탭을 갖는 전극판을 보여준다.

도 5는 격리막 상에서의 다열 접착된 전극배치를 보여주는 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 리튬이차전지의 방전 용량을 나타낸 수명 곡선이다.

도 7은 종래의 방법에 따른 일체형 리튬이차전지의 제조방법을 보여준다.

도 8은 한국특허 제309604호에 따른 복수의 음극판과 양극판의 격리막 상에서의 배치를 보여주는 단면도이다.

Claims

a) 격리막의 홀수열의 한면에 복수의 제1 전극판을 서로 인접하게 접착하는 단계,

b) 격리막의 짝수열에 상기 제1 전극판이 부착된 반대면에 복수의 제2 전극판을 서로 인접하게 접착하는 단계,

c) 지그재그로 접어 격리막의 다수열을 서로 겹치게 한 후 이웃한 2개의 전극판 사이에 형성된 접음선을 따라 정해진 한쪽 방향으로 순차 접어 제1 전극판과 제2 전극판이 격리막을 사이에 두고 교대로 서로 대면하게 위치하고, 음극판의 탭은 음극판끼리, 양극판 탭은 양극판끼리 서로 중첩되는 적층체를 제조하는 단계, 및

d) 상기 적층체를 외장재에 넣고 전해액을 주입한 후 포장하는 단계를 포함하는 다열접착에 의한 적층형 리튬이차전지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극판 및 제2 전극판이 각각 전극활물질이 전류집전체의 한면 또는 양면에 코팅된 것임을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 제1 전극판이 음극판이고, 전극활물질이 금속성 리튬, 리튬 합금, 탄소 또는 흑연이고, 상기 제2 전극판이 양극판이고 전극활물질이 리튬 전이금속 산화물이고, 상기 격리막이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 헥사프로필렌플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 다공성 필름이고, 상기 전해질이 액체형 전해질, 젤형 폴리머 전해질 또는 고체형 폴리머 전해질인 것을 특징으로 하는 방법.
복수의 음극판과 양극판이 격리막을 사이에 두고 교대로 서로 대면하게 형성되고, 음극판의 탭은 음극판끼리, 양극판의 탭은 양극판끼리 서로 중첩되고, 상기 격리막은 탭이 형성된 반대면에서 연결된 두 겹의 필름이 안쪽에서 바깥쪽으로 정해진 한쪽방향으로 순차 접혀진 형태를 가지며, 전해질이 양극판과 격리막 그리고 격리막과 음극판 사이에 충진된 구조를 갖는 적층형 리튬이차전지.
제4항에 있어서, 상기 제1 전극판 및 제2 전극판이 각각 전극활물질이 전류집전체의 한면 또는 양면에 코팅된 것임을 특징으로 하는 리튬이차전지.
제5항에 있어서, 상기 제1 전극판이 음극판이고, 전극활물질이 금속성 리튬, 리튬 합금, 탄소 또는 흑연이고, 상기 제2 전극판이 양극판이고 전극활물질이 리튬 전이금속 산화물이고, 상기 격리막이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 헥사프로필렌플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 다공성 필름이고, 상기 전해질이 액체형 전해질, 젤형 폴리머 전해질 또는 고체형 폴리머 전해질인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.