KR100647567B1

KR100647567B1 - 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100647567B1
Application number: KR1019990051291A
Authority: KR
Inventors: 김중호; 민영동
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2006-11-17
Also published as: KR20010047186A

Abstract

원통형 리튬 이온 폴리머 전지가 개시된다. 개시된 전지는 양극집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이 형성된 양극판과; 음극집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층이 형성된 음극판과; 양극판과 음극판 사이에 설치되어 이들을 절연시키며, 각 극판과 함께 롤형으로 감기어 모노셀을 이루는 코폴리머 세퍼레이터; 및 모노셀의 최내측에 감기도록 폴리머 세퍼레이터의 일단에 연결되는 폴리에틸렌 세퍼레이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

원통형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법{Cylindrical type lithium ion polymer battery and method of producing same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지를 나타낸 개략적 사시도.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 원통형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략적 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10..모노셀 11..양극판

13..음극판 15..코폴리머 세퍼레이터

17..폴리에틸렌 세퍼레이터 19..접착테이프

20..케이스 30..와인딩 코어

본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원통형 구조로 된 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 무선 기기제품과 전기 자전거, 전기자동차, 전동공구 등의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로 사용되는 전지에 대해서 중요성이 증가되고 있고, 많은 연구가 이루어지고 있다.

특히, 충, 방전이 가능한 리튬 2차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 니켈-아연전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 3배정도 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

리튬 2차 전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지, 그리고 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머전지로 구분할 수 있다.

상기 리튬 이온전지는 통상 길게 띠모양으로 만든 박판형태의 양극판과 음극판 및 폴리에틸렌 세퍼레이터(Polyethylene Separater)를 각각 1장씩 적층시키고. 이 적층구조물을 롤(roll)의 형태로 와인딩(winding)하여 형성된 모노셀(mono-cell)을 원통형 케이스 내에 수용시켜 제조하였다.

상기 리튬 이온 폴리머 전지는 양극판과 음극판 및 코폴리머 세퍼레이터(copolymer Seperator)를 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터 순으로 여러장 적층시켜 된 바이셀(bi-cell)로부터 가소재를 취출시킨 후에, 상기 바이셀을 케이스 내에 수용시키고 각 극판에 연결된 복수의 전극탭들을 용접하여 형성된 전극탭군을 외부로 노출되는 전극 단자와 연결시켜 제조하였다.

그런데, 상기 리튬 이온전지의 경우에는 양극판과 음극판 및 폴리에틸렌 세퍼레이터 각각을 밀착하지 않은 상태로 와인딩하기 때문에, 전해액이 극판 내로 충 분히 함침되지 않게 된다. 따라서, 액체상의 전해액이 전지 내에 존재하게 되어 안전성이 낮아진다. 그리고, 상기 리튬 이온 폴리머 전지는 여러장의 극판을 적층하고, 각 극판의 탭을 용접하여야 하기 때문에, 제조공정상의 어려움이 있다.

이러한 전지의 문제점을 감안하여 종래에는 양극판, 음극판, 세퍼레이터 각각에서 가소재를 먼저 추출한 후에 단순히 적층만 하여 소정의 와인더 코어(winding core)에 롤형으로 말아서 원통형의 전지셀을 만들었다. 그리고, 완성된 원통형의 전지셀을 상기 와인더 코어로부터 취출하여 원통형의 케이스에 수용시켜 원통형 리튬 이온 폴리머 전지를 제조하였다.

한편, 상기 원통형 리튬 이온 폴리머 전지는 기존의 리튬 이온 폴리머 전지에 사용되는 코폴리머(copolymer) 세퍼레이터를 사용할 경우, 이 세퍼레이터는 가소재를 추출하게 되면 접착성을 갖게 되므로 상기 와인딩 코어로부터 분리시키기 어렵기 때문에, 표면 윤활성이 좋은 기존의 리튬 이온 전지용 폴리에틸렌 세퍼레이터를 채용하여야만 하였다.

그런데, 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터는 표면 윤활성이 좋은 반면에 전해액 함침량이 적기 때문에 에너지 밀도가 떨어지는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 이종의 세퍼레이터 구조를 가지는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지는, 양극집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이 형성된 양극판과; 음극집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층이 형성된 음극판과; 상기 양극판과 음극판 사이에 설치되어 이들을 절연시키며, 상기 각 극판과 함께 롤형으로 감기어 모노셀을 이루는 코폴리머 세퍼레이터; 및 상기 모노셀의 최내측에 감기도록 상기 폴리머 세퍼레이터의 일단에 연결되는 폴리에틸렌 세퍼레이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 양극집전체는 알루니늄(Al) 호일(foil)로 이루어지며, 상기 음극 집전체는 구리(Cu) 호일(foil)로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 각 세퍼레이터는 내전해액성을 가지는 접착테이프로 연결되며, 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터는 상기 모노셀의 최내각에 적어도 한바퀴 이상 감긴 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법은, 적어도 일면에 양극 활물질 슬러리의 용액이 형성된 양극판을 제조하는 단계와; 적어도 일면에 음극 활물질 슬러리의 용액이 형성된 음극판을 제조하는 단계와; 상기 양극판과 음극판 사이에 설치되어 그 사이를 절연시키는 코폴리머 세퍼레이터의 일단에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 연결시키는 단계; 및 상기 폴리에티렌 세퍼레이터가 최내측에 위치되도록 상기 양극판과 음극판 및 상기 각 세퍼레이터를 롤형으로 감아서 모노셀을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 양극판 제조단계는 상기 양극 활물질 슬러리의 용액을 준비하는 단계와; 양극집전체의 적어도 일면에 상기 양극 활물질 슬러리의 용액을 코팅하 는 단계;를 포함하며, 상기 음극판 제조단계는 상기 음극 활물질 슬러리의 용액을 준비하는 단계와; 음극집전체의 적어도 일면에 상기 음극 활물질 슬러리의 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모노셀 제조단계는 상기 양극판과 음극판 사이에 상기 코폴리머 세퍼레이터가 개재되도록 적층시켜 적층셀을 형성하는 단계와; 상기 각 음극판과 상기 각 세퍼레이터로부터 가소재를 추출하는 단계와; 상기 적층셀을 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터부터 소정의 와인딩 코어 외주를 감싸도록 감는 단계; 및 상기 와인팅 코어에 감긴 적층셀을 분리하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법을 자세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지의 분리 사시도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지는 원통형의 모노셀(10)과, 상기 모노셀(10)이 삽입되는 공간부가 형성된 원통형의 케이스(20)를 구비한다.

상기 모노셀(10)은 하나의 양극판(11)과 음극판(13), 상기 각 극판(11)(13) 사이에 개재되는 코폴리머 세퍼레이터(copolymer separater, 15) 및 상기 코폴리머 세퍼레이터(15)의 일단에 연결되는 폴리에틸렌 세퍼레이터(polyethylene separater, 17)를 구비한다. 이러한 구성의 모노셀(10)은 상기 각 극판(11)(13)과 각 세퍼레이터(15)(17)가 롤(roll)형으로 감긴 구조를 갖는다.

상기 양극판(11)은 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극집전체의 적어도 일면에 소정 양극 활물질층이 코팅되어 형성된다. 상기 음극판(13)은 구리(Cu) 호일(foil)로 이루어진 음극집전체의 적어도 일면에 소정 음극 활물질층이 코팅되어 형성된다. 상기 코폴리머 세퍼레이터(15)는 일반적인 리튬 이온 폴리머 전지(미도시)에 사용되는 불화폴리비닐리덴/헥사플로로프로필렌(이하, PVDF/HFP) 코폴리머 세퍼레이터와 같은 것으로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(polyethyleneterephthalate, PET film) 상에 소정 조성으로 제조된 슬러리(slurry)를 닥터 블레이드(Doctor blade) 방식으로 케스팅하여 제조된다. 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)는 상기 모노셀(10)의 최내측에 감긴 상태로 위치되며, 적어도 한바퀴 이상 감겨진다. 이 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내전해액성을 가지는 폴리프로필렌과 같은 접착테이프(19)에 의해 코폴리머 세퍼레이터(15)에 연결된다.

상기과 같이 구성된 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

우선, 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리의 용액을 준비한다. 그리고, 두께가 약 20micron의 알루미늄(Al) 호일(foil)로 된 양극집전체(11a)의 양면에 양극 활물질 슬러리의 용액을 코팅하여 양극 활물질층(11b)을 형성하여 양극판(11)을 제조한다. 그리고, 두께가 약 10micron의 구리(Cu) 호일(fiol)로 된 음극집전체(13a)의 양면에 음극 활물질 슬러리의 용액을 코팅하여 음극 활물질층(13b)을 형성하여 음극판(13)을 제조한다.

상기 양극 활물질 슬러리의 용액은 엔엠피(NMP;N-Metal-2-Pyrrolidone)에 바인더 10%를 녹이고 14%의 가소제를 혼합한 바인더 용액을 제조한 후, 이 바인더 용 액과 6%의 카본 블랙(carbon black) 도전제와, 70%의 양극 활물질을 교반하여 제조한다. 여기서, 상기 엔엠피의 양은 상기 활물질 무게에 비해 약 2배정도 되는 양이 사용된다. 그리고, 상기 음극 활물질 슬러리의 용액은 음극 활물질의 무게에 비해 약 두배정도 되는 양의 엔엠피(NMP)에 바인더를 10% 녹이고 22%의 가소제를 혼합한 바인더 용액을 제조한 후, 이 바인더 용액과 3%의 카본 블랙 도전제와, 65%의 음극 활물질을 교반하여 제조한다.

또한, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(PET film) 상에 30%의 PVDF/HFP 코폴리머, 40%의 가소재, 30%의 충진재가 혼합된 슬러리를 닥터 블레이드법으로 케스팅(casting) 하여 코폴리머 세퍼레이터(15)를 제조한다. 여기서, 상기 충진재로서는 실리카(silica) 또는 글레스 울(glass wool)이 사용된다. 이와 같이 제조된 코폴리머 세퍼레이터(15)는 약 40micron의 두께를 갖게 된다. 그리고, 이와 같이 제조된 코폴리머 세퍼레이터(15)의 일단에 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)를 접착테이프(19)를 이용하여 연결시켜 긴 띠모양이 되도록 한다. 이후에, 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)만 외부로 노출되도록 코폴리머 세퍼레이터(15)의 양면 각각에 양극판(11)과 음극판(13)을 적층시켜 소위 적층셀을 형성시킨다. 상기 적층셀을 형성시킨 후에는, 상기 각 극판(11)(13)과 상기 세퍼레이터(15) 각각으로부터 가소재를 추출한다. 그리고, 도 2에 가상선으로 도시된 바와 같이, 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)부터 소정 와인딩 코어(winding core, 30)의 외주에 감기도록 상기 적층셀을 와인딩 코어(30)의 외주에 감는다. 여기서, 가소재를 추출한 코폴리머 세퍼레이터(15)는 접착성을 갖게 되므로, 이 코폴리머 세퍼레이터(15)가 와인딩 코어(30)의 외주로부터 소정 거리 이격되도록 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)를 적어도 한바퀴 이상 와인딩 코어(30)의 외주에 감는다. 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)만을 와인팅 코어(30)의 외주에 먼저 두바퀴 감는 것이 좋다. 이와 같은 방법으로 상기 적층셀을 와인딩 코어(30)에 감게 되면 도 1에 도시된 바와같은 원통형의 모노셀(10)이 형성된다. 따라서, 마지막으로 상기 모노셀(10)을 와인딩 코어(30)로부터 취출시키면 되는데, 종래와는 달리 접착성이 없고 윤활성이 있는 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)가 와인딩 코어(30)에 접촉되어 감겨 있기 때문에, 모노셀(10)을 와인딩 코어(30)로부터 용이하게 취출할 수 있다. 그리고, 이와 같은 제조된 상기 모노셀(10)을 케이스(20)에 넣고 밀봉시키면 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전지를 얻을 수 있다. 여기서, 도시되지는 않았으나, 상기 각 극판(11)(13)에는 그 극판들(11)(13)에서 발생되는 전류를 외부로 전달시키기 위한 양극탭과 음극탭이 하나씩 마련된다. 이와 같은 원통형 리튬 이온 폴리머 전지는 폴리에틸렌 세퍼레이터(17)를 이용하여 원통형으로 제작이 가능하고, 전해액 함침성이 뛰어난 코폴리머 세퍼레이터(15)를 채용할 수 있게 되어 적어도 종래의 적층형 리튬 이온 폴리머 전지 이상의 에너지 밀도를 가질 수 있다.

한편, 상술한 양극 및 음극 활물질 슬러리에 함유되는 물질의 함유 비율은 상기의 수치에 한정되는 않는 것은 주지의 사실이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 폴리머 전 지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

우선, 종래의 적층형 리튬 이온 폴리머 전지보다 극판 활물질 활용율을 향상시킬 수 있어, 전지용량을 약 5%정도까지 높일 수 있다.

둘째, 종래의 적층형 구조에서는 바이셀 상태에서 가소재를 추출하던 것에 비해, 본 발명에서는 각각 한 장의 양극판과 음극판 및 세퍼레이터가 적층된 상태에서 가소재를 추출하게 되므로 호일을 집전체로 사용할 수 있게되어 전지의 두께를 약 10%정도 줄일 수 있다.

셋째, 전해액 함침성이 좋은 코폴리머 세퍼레이터를 채용할 수 있으므로, 종래의 원통형 리튬 이온 폴리머 전지보다 전해액 함침율을 대략 10%정도 향상시킬 수 있고, 이로 인해 2C 방전율을 약 5% 향상시킬 수 있다.

넷째, 기존의 적층형 전지의 제조시 이루어졌던 각 극판 및 세퍼레이터의 적층공정, 탭의 용접공정 등을 배제시킬 수 있어, 공정이 간소화되고 불량률도 줄일 수 있다는 장점이 있다.

Claims

양극집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이 형성된 양극판;

음극집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층이 형성된 음극판;

상기 양극판과 음극판 사이에 설치되어 이들을 절연시키며, 상기 각 극판과 함께 롤형으로 감기어 모노셀을 이루며, PVDF/HFP 코폴리머 세퍼레이터; 및

상기 모노셀의 최내측에 감기도록 상기 코폴리머 세퍼레이터의 일단에 연결되는 폴리에틸렌 세퍼레이터;를 포함하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지.
제1항에 있어서,

상기 양극집전체는 알루니늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지.
제1항에 있어서,

상기 음극 집전체는 구리(Cu) 호일(foil)로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지.
제1항에 있어서,

상기 코폴리머 세퍼레이터와, 폴리에틸렌 세퍼레이터는 내전해액성을 가지는 접착테이프로 연결된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지.
제4항에 있어서, 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터는 상기 모노셀의 최내각에 적어도 한바퀴 이상 감긴 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지.
적어도 일면에 양극 활물질 슬러리의 용액이 형성된 양극판을 제조하는 단계와;

적어도 일면에 음극 활물질 슬러리의 용액이 형성된 음극판을 제조하는 단계와;

상기 양극판과 음극판 사이에 설치되어 그 사이를 절연시키는 PVDF/HFP 코폴리머 세퍼레이터의 일단에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 연결시키는 단계; 및

상기 폴리에티렌 세퍼레이터가 최내측에 위치되도록 상기 양극판과 음극판 및 상기 각 세퍼레이터를 롤형으로 감아서 모노셀을 제조하는 단계;를 포함하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 양극판 제조단계는,

상기 양극 활물질 슬러리의 용액을 준비하는 단계와;

양극집전체의 적어도 일면에 상기 양극 활물질 슬러리의 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 음극판 제조단계는,

상기 음극 활물질 슬러리의 용액을 준비하는 단계와;

음극집전체의 적어도 일면에 상기 음극 활물질 슬러리의 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 연결단계에서는,

상기 코폴리머 세퍼레이터의 일단에 접착테이프에 의하여 폴리에틸렌 세퍼레이터를 연결하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모노셀 제조단계는,

상기 양극판과 음극판 사이에 상기 코폴리머 세퍼레이터가 개재되도록 적층시켜 적층셀을 형성하는 단계와;

상기 각 음극판과 상기 각 세퍼레이터로부터 가소재를 추출하는 단계;

상기 적층셀을 상기 폴리에틸렌 세퍼레이터부터 소정의 와인딩 코어 외주를 감싸도록 감는 단계;

상기 와인팅 코어에 감긴 적층셀을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 감는 단계는,

상기 폴리에틸렌 세퍼레이터를 상기 와인딩 코어 외주에 적어도 한바퀴 이상 감는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 폴리머 전지 제조방법.