KR100670528B1 - 이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판 - Google Patents

이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기재 기판의 길이 방향으로 활물질층을 연속 코팅하여 일정 각도로 컷팅하여 이차 전지용 전극판을 형성함으로써, 이차 전지의 전지 용량을 향상시키며, 기재 기판의 손실을 방지하고, 상기 활물질층의 끌림 및 완곡 현상을 방지하며, 단위 시간당 생산량이 향상된 이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판에 관한 것으로, 기재 기판 양측단의 소정 폭을 제외하고, 상기 기재 기판의 길이 방향으로 활물질을 연속 코팅하여 활물질층을 형성하는 단계와; 상기 기재 기판의 길이 방향에 0° 초과 90° 미만의 각도로 기울어진 컷터를 이용하여 상기 활물질층이 형성된 기재 기판을 컷팅하여 단위 전극판을 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이차 전지, 전극판, 연속 코팅

Description

이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판{Method of fabricating electrode plate of secondary battery and electrode plate of secondary battery by using the same}
도 1a 및 도 1b는 종래의 이차 전지용 전극판의 단판 방식 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극판의 제조 방법에 따라 제조된 전극판을 구비하는 전극 조립체를 설명하기 위한 사시도.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지용 전극판 형성 방법을 설명하기 위한 공정 개략도.
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 설명하기 위한 평면도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
200; 전극 조립체 210; 양극 전극판
215; 양극 탭 220; 음극 전극판
225; 음극 탭 230, 240; 세퍼레이터
300; 이차 전지용 전극판 310; 기재 기판
310a; 전극 집전체 315; 무지부
320; 활물질층 400; 콘베이어
410; 콘베이어 그물 420; 브러쉬
430; 수납 용기 500; 회전 컷터
본 발명은 이차 전지용 전극판의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기재 기판의 길이 방향으로 활물질층을 연속 코팅하여 일정 각도로 컷팅하여 이차 전지용 전극판을 형성함으로써, 이차 전지의 전지 용량을 향상시키며, 기재 기판의 손실을 방지하고, 상기 활물질층의 끌림 및 완곡 현상을 방지하며, 단위 시간당 생산량이 향상된 이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차 전지를 완성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 대하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 이차 전지용 전극판의 단판 방식 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 우선, 양극 집전체용 또는 음극 집전체용 기재 기판(110)을 준비한다.
그런 다음, 상기 기재 기판(110)의 적어도 어느 하나의 면 상에 양극 활물질 또는 음극 활물질을 상기 기재 기판(110)의 길이 방향으로 코팅하여 활물질층(120)을 형성한다. 이때, 상기 활물질층(120)은 전극 조립체에 사용되는 단위 전극판 길이(L) 내에 소정의 폭(W1)으로 형성되며, 상기 기재 기판(110) 폭의 방향으로 양단의 일정 폭(W2)을 제외하고 형성된다.
도 1b를 참조하면, 컷터를 이용하여 상기 활물질층(120)이 형성된 기재 기판(110)을 길이 방향으로 컷팅하고, 이차 전지용 전극판의 길이 단위로 다시 컷팅하여, 이차 전지용 전극판(100)을 형성한다.
즉, 상기 이차 전지용 전극판(100)은 전극 집전체(110a)와, 상기 전극 집전체(110a) 상에 형성된 활물질층(120)으로 이루어지며, 상기 이차 전지용 전극판(100)의 상기 활물질층(120)이 형성되지 않은 양단은 전극판의 무지부(115)로 작용한다.
상기한 바와 같은 이차 전지용 전극판(100)의 제조 방법은 상기 기재 기 (110)판 폭의 방향으로 양단의 일정 폭(W2)을 제외하고 활물질층(120)을 형성함으로써, 상기 기재 기판(100)의 불필요한 손실이 발생한다.
또한, 상기 이차 전지용 전극판(100)의 제조 방법은 단판 방식, 즉, 활물질층(120)을 기재 기판(110)의 길이 방향으로 하나의 이차 전지용 전극판(100) 활물질층(120)의 길이 만큼 형성하므로, 상기 이차 전지용 전극판(100)의 연속적인 생산이 힘들어 생산 시간이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 상기 활물질층(120)이 이차 전지용 전극판(100) 일단의 무지부(115)와의 경계부에서 시작하여 반대편의 무지부와의 경계부에서 끝나므로, 활물질층(120)의 끌림 및 완곡 현상이 발생할 수 있다. 이는 권취형 전극 조립체를 구비하는 이차 전지의 안정성에 악영향을 미치게 된다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 기재 기판의 길이 방향으로 활물질층을 연속 코팅하여 일정 각도로 컷팅하여 이차 전지용 전극판을 형성함으로써, 이차 전지의 전지 용량을 향상시키며, 기재 기판의 손실을 방지하고, 상기 활물질층의 끌림 및 완곡 현상을 방지하며, 단위 시간당 생산량이 향상된 이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기재 기판 양측단의 소정 폭을 제외하고, 상기 기재 기판의 길이 방향으로 활물질을 연속 코팅하여 활물질층을 형성하 는 단계와; 상기 기재 기판의 길이 방향에 0° 초과 90° 미만의 각도로 기울어진 컷터를 이용하여 상기 활물질층이 형성된 기재 기판을 컷팅하여 단위 전극판을 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 컷터는 회전 컷터인 것이 바람직하다.
상기 기재 기판을 컷터를 이용하여 단위 전극판으로 컷팅하는 단계에서 발생할 수 있는 버(burr)를 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 버(burr)를 제거하는 단계는 그물 콘베이어를 통하여 진공으로 상기 버(burr)를 제거하는 단계와; 브러쉬를 이용하여 버(burr)를 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 컷팅된 단위 전극판 양단 중 어느 하나에 초음파 용접을 통하여 전극 탭을 부착하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전극 탭이 부착된 단위 전극판을 매거진 수납하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 네 모서리 중 예각을 이루는 부분은 0° 초과 90° 미만의 각을 이루는 전극 집전체와; 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 소정의 폭으로 형성되는 활물질층을 구비하는 이차 전지용 전극판을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 활물질층의 네 모서리 중 예각을 이루는 부분은 0° 초과 90° 미만의 각으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전극 집전체의 길이는 상기 전극 집전체 모재의 폭에 상기 전극 집전체의 네 모서리 중 예각인 각의 사인(sin) 값에 반비례하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극판의 제조 방법에 따라 제조된 전극판을 구비하는 전극 조립체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 전극 조립체(200)는 양극 집전체 상에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판(210), 음극 집전체 상에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판(220), 상기 양극 전극판(210) 및 음극 전극판(220) 사이에 위치하여 상기 양극 전극판(210)과 음극 전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(230)로 이루어진다. 이때, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 양극 전극판(210)은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판(220)은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(230)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극 전극판(210)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 양극 탭(215)이 접합되어 있다. 상기 음극 전극판(220)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(225)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 상기 양극 탭(215) 및 음극 탭(225)의 재질 및 돌출 방향을 한정하는 것은 아니다.
한편, 도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지용 전극판 형성 방법을 설명하기 위한 공정 개략도이며, 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지용 전극판을 설명하기 위한 평면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지용 전극판(300) 형성 방법은 전극 집전체용 포일(foil) 형태의 기재 기판(310) 상에 기재 기판의 길이 방향으로 활물질층(320)을 연속하여 형성하고, 상기 기재 기판의 길이 방향과 소정 각도를 이루는 컷터를 이용하여 컷팅하여 이차 전지용 전극판(300)을 형성한다. 이때, 상기 활물질층(320)은 상기 기재 기판(310) 양측단의 일정 폭을 제외하고 형성된다.
도 3a를 참조하면, 일정 폭(W)을 구비하는 포일(foil) 형태의 기재 기판(310, base film)의 양단의 일정 폭을 제외하고, 상기 기재 기판(310)의 적어도 어느 하나의 면 상에 활물질을 연속 코팅, 즉, 상기 기재 기판(310)의 길이 방향 전체에 상기 활물질을 코팅하여 활물질층(320)을 형성한다.
그런 다음, 상기 기재 기판(310)의 길이 방향, 즉 상기 활물질의 코팅 방향과 소정 각도(θ), 바람직하게는 0° 초과 90° 미만의 각도로 기울어져 있는 회전 컷터(500)를 통하여 상기 활물질층이 형성된 기재 기판(310)을 이차 전지의 전극 조립체로 권취 가능한 이차 전지용 전극판의 크기로 절단하여, 기재 기판(310)을 모재로 하는 전극 집전체(310a), 상기 전극 집전체(310a) 상에 형성된 활물질층(320) 및 상기 전극 집전체(310a) 양단의 활물질층(320)이 형성되지 않은 무지부 (315)로 이루어지는 이차 전지용 전극판(300)을 형성한다.
또한, 상기 무지부(315)와 활물질층(320)의 경계부는 상기 활물질의 코팅 방향과 대략 평행하므로, 종래의 단판 방식으로 활물질층을 형성하는 방법에서 발생할 수 있는 활물질층의 끌림 및 완곡 현상이 발생하지 않게 된다. 따라서, 리튬 이차 전지의 안정성이 향상된다.
그런 다음, 상기 회전 컷터(500)에 의하여 이차 전지용 전극판으로 컷팅하는 공정에서 발생할 수 있는 버(burr)를 콘베이어 그물(410) 및 브러쉬(420, brush)를 이용하여 제거한다.
상기 콘베이어 그물(410)은 상기 콘베이어 그물(410) 하부를 진공으로 유지 하여 상기 버(burr) 및 상기 회전 컷터(500)를 이용하는 컷팅 시에 발생할 수 있는 이물질을 제거하며, 상기 브러쉬(420)는 회전을 하며, 상기 버(burr)를 제거한다.
상기 회전 컷터(500)를 이용하는 컷팅시 발생한 버(burr)를 제거한 후, 상기 이차 전지용 전극판(300) 양단의 무지부(315) 중 어느 하나에 전극 탭(330)을 부착한다.
상기 전극 탭(330)은 일반적으로, 상기 이차 전지용 전극판(300)이 양극 전극판인 경우에는 알루미늄(Al), 음극 전극판인 경우에는 니켈(Ni)을 이용하여 초음파 용접 공정을 통하여 상기 무지부에 부착하나, 여기서 그 재질 및 부착 방법을 한정하는 것은 아니다.
그런 다음, 상기 전극 탭(330)이 부착된 이차 전지용 전극판(300)을 수납 용기(430)에 수납한다.
도 3b를 참조하면, 도 3a에서와 같은 공정을 통하여 형성된 이차 전지용 전극판(300)은 기재 기판(310)의 길이 방향으로 활물질을 연속 코팅하여 활물질층(310)을 형성하고, 상기 기재 기판(310)의 길이 방향에 수직한 방향으로 컷팅하여 이차 전지용 전극판(300)을 형성함으로써, 상기 이차 전지용 전극판(300)의 무지부(315)와 활물질층(320)의 경계부에 끌림 및 완곡 현상이 방지되어 상기 이차 전지용 전극판(300)의 무지부(315)와 활물질층(320)의 경계부에 균일하게 활물질이 코팅된다.
한편, 상기 이차 전지용 전극판(300)은 상기 기재 기판(310)의 길이 방향, 즉, 상기 활물질층(320)의 코팅 방향과 소정 각도(θ) 기울어져 있는 회전 컷터(500)를 통하여 절단되어 형성되므로, 상기 회전 컷터(500)에 의한 상기 기재 기판(310)의 컷팅 라인과 상기 기재 기판(310)의 길이 방향이 이루는 각은 상기 기재 기판(310)과 상기 회전 컷터(500)가 이루는 각도(θ)와 동일하다. 또한, 상기 활물질층(320)은 상기 기재 기판(310)의 길이 방향에 대략 평행하게 형성된다. 따라서, 상기 이차 전지용 전극판(300)의 전극 집전체(310a) 및 활물질층(320)의 네 모서리 부분 중 예각을 이루는 부분의 각은 상기 기재 기판(310)과 상기 회전 컷터(500)가 이루는 각도(θ)와 동일하다. 즉, 상기 이차 전지용 전극판(300)의 전극 집전체(310a)의 네 모서리 부분 중 예각을 이루는 부분의 각은 0° 초과 90° 미만인 것이 바람직하며, 상기 활물질층(320)의 네 모서리 부분 중 예각을 이루는 부분의 각 도는 0° 초과 90° 미만인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기재 기판(310)과 상기 회전 컷터(500)가 이루는 각도(θ)에 따 라 상기 이차 전지용 전극판(300)의 길이(L)가 결정되며, 그 관계는 하기의 식과 같다.
L=W/sinθ
즉, 이차 전지용 전극판의 길이(L)는 상기 기재 기판의 폭(W)에 상기 기재 기판(310) 및 회전 컷터(500) 사이의 각(θ)의 사인(sin) 값에 반비례한다. 따라서, 상기 기재 기판(310)과 상기 회전 컷터(500)가 이루는 각도(θ)가 작을수록 상기 이차 전지용 전극판(300)의 길이(L)가 길어지며, 이에 따라 상기 활물질층(320)의 길이(L`) 또한 길어지므로, 이차 전지의 전지 용량 또한 향상된다.
상기한 바와 같이, 연속 코팅 공정을 통하여 상기 기재 기판(310) 상에 활물질층(320)을 형성하고, 상기 활물질층(320)이 코팅된 기재 기판(310)을 상기 기재 기판(310)과 일정 각도로 기울어진 회전 컷터(500)를 이용하여 상기 활물질층(320)이 코팅된 방향, 즉, 상기 기재 기판(310)의 길이 방향과 수직으로 컷팅하여 형성된 이차 전지용 전극판(300)은 기재 기판(310)의 전 부분을 사용함으로써, 기재 기판(310)의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 연속 코팅 공정을 통하여 형성되므로, 이차 전지용 전극판(300)의 제품 산포가 적으며, 상기 활물질층(320)과 무지부(315)의 경계부에서 상기 활물질층(320)의 끌림 현상 및 완곡 현상을 방지할 수 있다. 또한, 연속 코팅 공정을 통하여 상기 활물질층(320)을 형성하므로, 공정 시간을 단축할 수 있어 단위 시간당 생산량의 향상을 꾀할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 이차 전지용 전극판(300)을 구비하는 이차 전지는 상기 이차 전지용 전극판(300)의 길이가 상대적으로 길어지므로, 이차 전지의 전지 용량이 상대적으로 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 기재 기판의 길이 방향으로 활물질층을 연속 코팅하여 일정 각도로 컷팅하여 이차 전지용 전극판을 형성함으로써, 이차 전지의 전지 용량을 향상시키며, 기재 기판의 손실을 방지하고, 상기 활물질층의 끌림 및 완곡 현상을 방지하며, 단위 시간당 생산량이 향상된 이차 전지용 전극판의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 이차 전지용 전극판을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 기재 기판 양측단의 소정 폭을 제외하고, 상기 기재 기판의 길이 방향으로 활물질을 연속 코팅하여 활물질층을 형성하는 단계와;
    상기 연속 코팅 공정을 통하여 활물질층이 코팅된 기재 기판을 상기 활물질층이 코팅된 방향인 상기 기재 기판의 길이 방향에 대하여 수직으로 컷팅하여 단위 전극판을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 컷팅 단계는 상기 기재 기판의 길이 방향에 0° 초과 90° 미만의 각도로 기울어진 회전 컷터에 의해 커팅되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 전극판으로 컷팅하는 단계에서 발생할 수 있는 버(burr)를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 버(burr)를 제거하는 단계는
    그물 콘베이어를 통하여 진공으로 상기 버(burr)를 제거하는 단계와;
    브러쉬를 이용하여 버(burr)를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 컷팅된 단위 전극판 양단 중 어느 하나에 초음파 용접을 통하여 전극 탭을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극 탭이 부착된 단위 전극판을 매거진에 수납하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판의 제조 방법.
  7. 네 모서리 중 예각을 이루는 부분은 0° 초과 90° 미만의 각을 이루는 전극 집전체와; 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 소정의 폭으로 형성되는 활물질층을 구비하되, 상기 활물질층의 네 모서리 중 예각을 이루는 부분은 0° 초과 90° 미만의 각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 전극 집전체의 길이는 상기 전극 집전체 모재의 폭에 상기 전극 집전체의 네 모서리 중 예각인 각의 사인(sin) 값에 반비례하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
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