KR100646800B1 - 코인형 전지의 전극 부착방법 및 이에 따른 전극 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코인형 전지의 전극 부착방법 및 이에 따른 전극 조립체에 관한 것이다. 본 발명은 금속 케이스에 전극을 부착하는 코인형 전지의 전극 부착방법에 있어서, 상기 전극을 금속 케이스에 중심이 일치되도록 안착시키는 단계와; 상기 안착된 전극을 프레스로 100℃ ~ 200℃의 온도와 5톤(ton)중/㎠ ~ 20톤(ton)중/㎠의 압력으로 가압, 부착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 코인형 전지의 전극 부착방법, 및 이에 따라 조립, 제작된 전극 조립체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 금속 케이스와 전극의 부착공정이 수초이내에 이루어져 공정이 간소화되며, 부착강도가 향상되어 불량률이 작고 공정효율성이 높아져 비용절감에 유리한 효과를 갖는다. 또한, 프레스 가압, 부착에 의해 계면저항이 최소화되고 전극 충진밀도가 증대되어 내부저항 감소 및 단위 체적당 높은 용량을 가지는 등의 전기적 특성이 향상되는 효과를 갖는다.
코인형 전지, 전극, 금속 케이스, 부착, 프레스
Description
도 1은 종래 기술에 따른 코인형 전지의 가장 일반적인 구조를 보인 일부 절개 사시 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 4는 상기 도 3에 따른 공정에 의해 조립, 제작된 본 발명의 전극 조립체를 보인 단면도이다.
도 5는 상기 도 3에 보인 프레스의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 7은 상기 도 6에 따른 공정에 의해 조립, 제작된 본 발명의 전극 조립체를 보인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도 이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 금속 케이스 12 : 플레이트
14 : 측벽 20 : 전극
100 : 전극 조립체 200 : 프레스
220 : 저면부 225 : 가압돌기
L : 가압돌기의 길이
본 발명은 코인형 전지의 전극 부착방법 및 이에 따른 전극 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 케이스에 전극을 부착함에 있어서, 금속 케이스 내에 전극을 안착시킨 다음 프레스로 가압 부착함으로써 부착강도를 향상시키고 접촉저항을 줄일 수 있는 코인형 전지의 전극 부착방법, 그리고 위와 같은 부착방법에 의해 조립, 제작된 코인형 전지용 전극 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 코인형 전지(Coin-type Electric Cell)는 리튬일차전지, 리튬이차전지, 초고용량 커패시터 등으로 나눌 수 있으며, 그 용도 및 목적에 맞게 전자제품 전반에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다. 코인형 전지는 특히 그 크기가 다양하고 소형 제품에 적합하여 각종 전원을 공급하는 전자기기는 물론 전원 교체 및 차단 시 백업 전원으로도 그 활용이 다양한 필수 부품이다.
위와 같은 코인형 전지는 일반적으로 금속 케이스와, 이 금속 케이스의 내부 바닥면에 부착된 전극으로 구성된 두개의 전극 조립체를 갖는다. 이를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래 기술에 따른 코인형 전지의 가장 일반적인 구조를 보인 일부 절개 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1 및 도 2에 보인 바와 같이, 코인형 전지는 코인(coin) 형상을 갖는 것으로서, 이는 금속 케이스(4)와 전극(5)으로 구성된 전극 조립체(1)를 가지며, 일반적으로는 도 1에 도시된 바와 같이 상하부 두개의 전극 조립체(1) 사이에 세퍼레이터(separator, 6)가 개재된 다음, 전해액이 함침된 상태에서 가스켓(gasket, 7)으로 씰링된 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 내부에 양극, 음극의 두 전극(5)과, 상기 두 전극(5) 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터(6)와, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(7), 그리고 이들을 포장하는 외장재 역할과 집전체의 역할을 담당하고 있는 상하부 금속 케이스(4)로 구성된다. 또한, 위와 같이 구성된 코인 셀에는 필요에 따라 양극과 음극의 두 단자(terminal)가 조합되기도 한다. 이때, 전극 조립체(1)의 제작, 즉 금속 케이스(4)에 전극(5)이 부착되어 구성된 전극 조립체의 제작은 코인형 전지의 전기적 특성을 결정짓는 중요한 요소가 된다.
코인형 전지를 구성하는 전극(5)은 여러 가지가 있으나, 현재는 주로 금속 계, 금속산화물계 그리고 탄소계를 많이 사용하고 있다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 코인형 전지를 구성하는 상기 금속 케이스(4)는 그 형상이 원반형의 플레이트(2)로부터 연장된 원통형의 측벽(3)을 가짐에 따라 금속 케이스(4) 내부 바닥면, 즉 플레이트(2)의 표면에 전극(5)을 부착하는 방법이 그리 쉽지 않다. 이때, 금속 케이스(4)와 전극(5) 간에는 전기전도도가 우수하여야 하고, 무엇보다 넓은 접촉면적을 확보하면서 견고히 밀착 결합되어야 한다. 결합력이 약하여 들뜨거나 결합 접촉 면적이 작을 경우 코인형 전지의 정전용량, 내부저항 및 누설전류 등의 전기적 성능이 저하된다. 또한, 금속 케이스(4)의 중심과 전극(5)의 중심이 일치되어야 하며, 중심이 일치하지 않을 경우에도 코인형 전지의 전기적 성능이 저하된다.
따라서, 전극 조립체(1)의 제작, 즉 금속 케이스(4)에 전극(5)을 부착하는 것은 코인형 전지의 전기적 특성을 결정짓는 중요한 요소가 된다.
종래, 금속 케이스(4)에 전극(5)을 부착함에 있어서는 흑연계의 도전성 접착잉크(8)를 주로 사용하고 있다. 종래 기술에 따른 부착방법을 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 금속 케이스(4)를 지그(jig)에 안착시키고, 금속 케이스(4)의 내부 바닥면에 도전성 접착잉크(8)를 도포한 다음, 그 위에 재단 또는 펀칭된 원반형의 전극(5)을 안착시키고, 건조기에서 최대 48시간 동안 건조시켜 부착하였다.
그러나 위와 같은 종래 기술에 따른 전극 부착방법은 접착잉크(8)의 불균일한 도포 및 건조조건 때문에 내부저항 등 제품 특성이 불균일해지고, 금속 케이스 (4)와 전극(5)의 접촉면이 들뜨거나 떨어져 에이징 및 신뢰성 시험에서도 불량의 원인이 되는 문제점이 있었다.
또한, 도포된 접착잉크(8) 위에 전극(5)을 안착시키는 과정에서 전극(5)이 미끄러지는 현상이 발생하여 금속 케이스(4)와 전극(5)의 중심을 위치시키는데 어려움이 있으며, 건조 시 조건에 따라 금속 케이스(4)로부터 전극(5)이 이탈되는 현상이 발생하여 수율에 악영향을 끼치고 불량률을 높이는 문제점이 있었다. 그리고, 고온부하 상태로 열화특성 측정 시 전극(5)이 금속 케이스(4)와의 접촉저항이 불규칙하여 내부 가스발생시 신뢰성 불량의 원인이 되기도 하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 금속 케이스에 전극을 부착함에 있어서, 전극을 금속 케이스와 중심을 일치시킨 상태에서 프레스로 가압하여 부착함으로써, 부착강도를 향상시켜 공정 효율성을 높이고, 공정 간소화를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 전극 충진밀도를 향상시켜 내부저항을 감소시킬 수 있는 코인형 전지의 전극 부착방법 및 이에 의해 조립, 제작된 코인형 전지용 전극 조립체를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 금속 케이스에 전극을 부착하는 코인형 전지의 전극 부착방법에 있어서,
상기 전극을 금속 케이스에 중심이 일치되도록 안착시키는 단계와;
상기 안착된 전극을 프레스로 100℃ ~ 200℃의 온도와 5톤(ton)중/㎠ ~ 20톤(ton)중/㎠의 압력으로 가압, 부착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 코인형 전지의 전극 부착방법을 제공한다.
또한, 상기 프레스의 저면부에는 요철구조로서 가압돌기가 형성되는 것이 바람직하며, 이때 상기 전극은 금속계 또는 금속산화물계 전극이 좋다.
아울러, 본 발명에 따른 부착방법은 상기 금속 케이스 내부 바닥면에 도전성 접착잉크를 도포하는 단계가 더 포함되어 이루어질 수 있으며, 이 단계는 전극을 금속 케이스에 중심이 일치되도록 안착시키는 단계 이전에 진행된다. 그리고, 이때에는 탄소계 전극이 유용하게 사용된다.
또한, 본 발명은 금속 케이스에 전극이 부착되어 구성된 코인형 전지의 전극 조립체에 있어서,
상기와 같은 전극 부착방법에 의해 조립된 코인형 전지의 전극 조립체를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도시한 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 4는 상기 도 3에 따른 공정에 의해 조립, 제작된 본 발명의 전극 조립체를 보인 단면도이며, 도 5는 상기 도 3에 보인 프레스의 저면도이다. 그리고 도 6 은 본 발명의 제2실시예에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 7은 상기 도 6에 따른 공정에 의해 조립, 제작된 본 발명의 전극 조립체를 보인 단면도이다. 또한, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극 부착방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 전극 부착방법은, 적어도 금속 케이스(10)에 전극(20)을 안착시키는 단계와, 안착된 전극(20)을 프레스(200)로 가압, 부착시키는 단계를 포함한다.
상기 금속 케이스(10)는 원반형의 플레이트(12)와, 이 플레이트(12)로부터 일체로 수직 연장된 원통형의 측벽(14)으로 구성된 것으로서, SUS 304, SUS 316L 등의 SUS 합금 재질로 성형된 것을 포함한 통상의 것이 사용된다. 이러한 금속 케이스(10)를 지그(jig)에 고정한 상태에서 전극(20)의 가압, 부착이 이루어진다.
상기 전극(20)은 통상적으로 사용되고 있는 금속계, 금속산화물계 및 탄소계 전극을 포함하며, 이는 재단 또는 펀칭되어 원반형으로 가공된 다음 금속 케이스(10)에 가압, 부착된다. 상기 금속계 전극으로는 리튬(Li), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 그리고 합금으로서 리튬-알루미늄(LiAl) 등을 예로 들 수 있으며, 상기 금속산화물계 전극으로는 리튬망간 옥사이드, 리튬코발트 옥사이드, 바나듐 옥사이드, 몰리브덴 옥사이드, 리튬티탄산 옥사이드 등을 들 수 있다. 그리고, 상기 탄소계 전극으로는 활성탄, 흑연, 카본블랙 또는 이들의 혼합물을 주성분으로 한 전극활물질을 압연, 연신시켜 제조한 형태, 및 상기 전극활물질을 금속박(예, 알루미늄 에칭 호일(Aluminum etching foil))이나 부직포의 한면 또 는 양면에 코팅, 건조시켜 제조한 형태 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 금속 케이스(20)에 전극(10)을 안착시킴에 있어서는, 먼저 향상된 전기적 특성을 위해 전극(10)의 중심과 금속 케이스(20)의 중심이 일치되도록 한다. 또한, 상기 프레스(200)는 100℃ ~ 200℃의 온도를 가지며, 5톤(ton)중/㎠ ~ 20톤(ton)중/㎠의 압력으로 가압된다. 이때, 프레스(200)의 온도가 100℃ 미만일 경우에는 부착불량 현상이 나타나며, 200℃를 초과하는 경우에는 전극활물질의 바인더 변형으로 인하여 저항 증가 등 전극(10)의 전기적 특성을 떨어뜨릴 수 있다.
전극(10)으로서 특히 탄소계 전극을 사용하는 경우에는 180℃를 넘지 않는 것이 좋으며, 온도가 180℃를 초과하여 너무 높은 경우에는 전극활물질이 상변화를 일으켜 바람직하지 않다. 또한, 상기 프레스(200)의 압력이 5톤(ton)중/㎠ 미만인 경우에는 부착불량이 발생하며, 20톤(ton)중/㎠을 초과하는 경우에는 금속 케이스(10)와 전극(20)이 변형되거나 파손되어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 프레스(200) 온도를 약 140℃ ~ 160℃가 되도록 하고, 10톤(ton)중/㎠ ~ 15톤(ton)중/㎠의 압력으로 가압하는 것이 좋다.
위와 같은 온도와 압력 조건으로 수초이내, 구체적으로는 2초 이내의 시간동안 가압시키면 금속 케이스(10)와 전극(20)은 중심이 일치된 상태로 넓은 접촉면적을 가지면서 견고히 밀착 결합된다.
또한, 도 3 및 도 6에 도시한 바와 같이 상기 프레스(200)의 저면부(220)에는 요철이 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 저면부(220)에는 가압돌기(225)가 형성될 수 있으며, 이는 상기 전극(20)으로서 금속계 또는 금속산화물계 전극을 사용 하는 경우에 유용하게 적용된다. 도 3에는 가압돌기(225)가 직사각형 형상의 단면을 갖는 것을 예시하였으며, 도 6에는 가압돌기(225)가 삼각형 형상의 단면으로서 톱니형태로 형성된 모습을 예시하였다.
도 4는 상기 도 3에 보인 프레스(200)에 의해 가압, 조립된 본 발명의 전극 조립체(100)를 보인 것이며, 도 7은 상기 도 6에 보인 프레스(200)에 의해 가압, 조립된 본 발명의 전극 조립체(100)를 보인 것이다.
도 4 및 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 가압돌기(225)는 금속 케이스(10)와 전극(20)의 접합면에 요철구조를 형성시켜 결합력을 향상시킴과 동시에 접촉면적을 넓혀 우수한 전기적 특성을 갖게 한다.
상기 가압돌기(225)의 길이(L)는 0.2mm ~ 2.0mm인 것이 바람직하다. 가압돌기(225)의 길이(L)가 너무 짧으면 금속 케이스(10)와 전극(20)의 접촉면에 양호한 요철구조를 형성시키기 어려우며, 너무 길면 전극(20)과 프레스(200)의 맞닿는 면적이 작아져 바람직하지 않다. 그리고 상기 가압돌기(225)의 폭(두께)은 2.0mm를 넘지 않는 것이 좋다. 이러한 가압돌기(225)는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 도 5에는 망상 형태로 형성된 모습을 예시하였다.
또한, 도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 전극 부착방법은 상기 금속 케이스(10) 내부 바닥면에 접착잉크(30)를 도포하는 단계를 더 포함하여 이루질 수 있다.
상기 접착잉크(30) 도포 단계는 전극(20)을 금속 케이스(10)에 중심이 일치되도록 안착시키는 단계를 진행하기 이전에 진행된다. 접착잉크(30)는 도전성 및 접착성을 갖는 것이면 어떠한 것이든 사용 가능하고, 예를 들어 통상의 흑연계 접착잉크를 유용하게 사용할 수 있다. 이와 같이 접착잉크(30)를 도포하는 경우 금속 케이스(10)와 전극(20)은 좀 더 견고하게 결합되는 이점이 있으며, 접착잉크(30)는 프레스(200)의 온도와 가압력에 의해 순식간에 건조, 고착된다. 이와 같은 접착잉크(30) 도포 단계는 상기 전극(20)으로서 탄소계 전극을 사용하는 경우에 유용하게 적용된다.
한편, 본 발명의 전극 조립체(100)는 이상에서 설명한 전극 부착방법에 의해 조립, 제작된 것으로서, 이는 원반형의 플레이트(12)와, 이 플레이트(12)로부터 일체로 수직 연장된 원통형의 측벽(14)으로 구성된 금속 케이스(10)에 원반형의 전극(20)이 부착된 구조를 갖는다. 도 4 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(100)의 단면구조를 보여준다.
위와 같은 본 발명의 전극 조립체(100)는 세퍼레이터를 사이에 두고 상하로 배치되어 코인형 전지의 제작에 유용하게 사용된다.
본 발명에 따르면, 금속 케이스(10)와 전극(20)의 부착공정이 수초이내에 이루어져 공정이 간소화되며, 부착강도가 향상되어 불량률이 작고 공정효율성이 높아져 비용절감에 유리한 효과를 갖는다. 또한, 프레스(200)의 가압, 부착에 의해 계면저항이 최소화되고 전극 충진밀도가 증대되어 내부저항 감소 및 단위 체적당 높은 용량을 가지는 등의 전기적 특성이 향상되는 효과를 갖는다.
이에 더하여, 프레스(200)의 저면부(220)에 가압돌기(225)가 형성된 경우 금속 케이스(10)와 전극(20) 간의 결합력이 향상됨은 물론 접촉면적이 넓어져 전기적 특성은 더욱 향상되는 효과를 갖는다.
Claims (5)
- 금속 케이스에 전극을 부착하는 코인형 전지의 전극 부착방법에 있어서,상기 전극을 금속 케이스에 중심이 일치되도록 안착시키는 단계와;상기 안착된 전극을 프레스로 100℃ ~ 200℃의 온도와 5톤(ton)중/㎠ ~ 20톤(ton)중/㎠의 압력으로 가압, 부착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코인형 전지의 전극 부착방법.
- 제1항에 있어서, 상기 프레스의 저면부에 가압돌기가 형성되고, 상기 전극은 금속계, 금속산화물계 또는 탄소계 전극인 것을 특징으로 하는 코인형 전지의 전극 부착방법.
- 제2항에 있어서, 상기 가압돌기의 길이는 0.2mm ~ 2.0mm인 것을 특징으로 하는 코인형 전지의 전극 부착방법.
- 제1항에 있어서, 금속 케이스 내부 바닥면에 도전성 접착잉크를 도포하는 단계;를 더 포함하여 이루어지고, 상기 전극은 탄소계 전극인 것을 특징으로 하는 코 인형 전지의 전극 부착방법.
- 금속 케이스에 전극이 부착되어 구성된 코인형 전지의 전극 조립체에 있어서,상기 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 전극 부착방법에 의해 조립된 것을 특징으로 하는 코인형 전지의 전극 조립체.
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