KR100737927B1 - 재충전지 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

재충전지를 제조하는 방법이 기술된다. 상기 방법은, (A) 양면 금속 박막을 구비하는 기판의 상면 및 저면에 양극 슬러리 및 음극 슬러리를 각기 라미네이트하여, 듀얼 컬렉터 전극을 형성하는 단계; (B) 인쇄회로기판을 이용하여 패키지 컴포넌트를 형성하는 단계; 및 (C) 패키지 컴포넌트를 이용하여 전해물질 및 적어도 하나의 이차전지의 코어 컴포넌트를 패키지 컴포넌트의 내부 공간 내로 채워넣는 단계를 포함하고, 코어 컴포넌트는 듀얼 컬렉터 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이차전지; 재충전지; 인쇄회로기판

Description

재충전지 제조 방법{METHOD OF FABRICATING RECHARGEABLE BATTERIES}
도 1 은 본 발명의 바람직한 일실시례에 따른 재충전지들을 제조하는 과정의 흐름도이다.
도 2a 는 본 발명의 일실시례에 따른 듀얼 컬렉터 전극(dual-collector electrode)의 상부 구조를 도시한 도이다.
도 2b 는 본 발명의 일실시례에 따른 듀얼 컬렉터 전극의 하부 구조를 도시한 도이다.
도 3a 는 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 듀얼 컬렉터 전극의 상부 구조를 도시한 도이다.
도 3b 는 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 듀얼 컬렉터 전극의 하부 구조를 도시한 도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 이차전지의 구조를 도시한 도이다.
도 5a 는 본 발명의 일실시례에 따른 이차전지의 코어 컴포넌트의 구조를 도시한 도이다.
도 5b 는 도 5a 의 다수의 코어 컴포넌트들이 적층된 구조를 도시한 도이다.
도 6a 는 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 이차전지의 코어 컴포넌트의 구 조를 도시한 도이다.
도 6b 는 도 6a 의 다수의 코어 컴포넌트들이 적층된 구조를 도시한 도이다.
도 7 은 본 발명의 일실시례에 따른 패키지 컴포넌트의 개요도(schematic diagram)이다.
도 8 은 본 발명의 일실시례에 따른 실링(sealing) 과정의 상세 흐름도이다.
도 9 는 본 발명의 일실시례에 따른 재충전지의 절단면도이다.
도 10 은 본 발명의 일실시례에 따른 회로제어보드(circuit control board)을 배치하는 과정의 흐름도이다.
도 11 은 회로제어보드 및 도 4 의 이차전지를 결합하는 구조를 도시한 도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
20 : 기판 30 : 양극 슬러리
40 : 음극 슬러리 50 : 듀얼 컬렉터 전극
60 : 패키지 컴포넌트 70 : 코어 컴포넌트
80 : 전해물질 90 : 재충전지
100 : 분리막 110 : 회로제어보드
201, 203 : 금속 박막 601 : 상부 쉘
603 : 상부 컨테이너 605 : 하부 컨테이너
607 : 하부 쉘
본 발명은 이차전지 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 재충전지(rechargeable battery)를 제조하기 위하여 인쇄회로기판들(printed circuit substrates) 및 인쇄회로기판(PCB: printed circuit board) 공정들을 이용하는 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리들(lithium ion batteries), 니켈 금속 하이드리드 배터리들(nickel metal hydride batteries) 및 리튬 폴리머 배터리들(lithium polymer batteries)과 같은 종래의 재충전지들의 구조는 코어 셀들(core cells)을 포함하는데, 코어 셀들은 먼저 통상적으로 배터리 제품들(battery manufactures)로부터 제조되고 패키지 쉘들(package shells)로서 금속 물질로 커버된다. 다음으로, 금속으로 씌워진(metallic-shelled) 코어 셀들은 조립 공장들(assembling factories)로 이송되고, 조립 공장들은 코어 셀들을 보호 회로들(protective circuits)에 전기적으로 연결하게 된다. 마지막으로, 보호 회로들 및 코어 셀들이, 예를 들어 플라스틱 외부 케이스들과 같이 금속 이외의 물질로 이루어진 외부 케이스들(outer casings)에 의해 감싸짐으로써 재충전지 팩들이 완전하게 조립된다.
상기한 방법은 금속 패키지 쉘들을 이용하기 때문에 생성되는 재충전지가 많은 공간을 차지하게 된다. 따라서, 재충전지의 크기를 줄이고 최소화하는 것이 곤란하였다.
그러므로, 최소화된 재충전지들을 제조할 수 있는 개선된 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 첫번째 목적은 최소화된 이차 전지들을 제조하는 재충전지들의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 재충전지를 제조하기 위하여 인쇄회로기판으로부터 제조되는 듀얼 컬렉터 전극(dual-collector electrode) 및 패키지 컴포넌트를 이용하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적에 따라 재충전지를 제조하는 방법이 제시된다. 상기 방법은, (A) 양면 금속 박막들(two-sided metallic laminae)을 갖는 기판의 상면과 저면 상에 양극 슬러리(anode slurry) 및 음극 슬러리(cathode slurry)를 라미네이트하여 듀얼 컬렉터 전극(dual-collector electrode)을 형성하는 단계; (B) 인쇄회로기판(printed circuit substrate)을 이용하여 패키지 컴포넌트(package component)를 형성하는 단계; 및 (C) 패키지 컴포넌트를 이용하여 전해물질(electrolyte) 및 적어도 하나의 이차전지의 코어 컴포넌트(core component)를 패키지 컴포넌트의 내부 공간 내에 채워 넣는 단계를 포함하고, 코어 컴포넌트는 듀얼 컬렉터 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 측면들과 본 발명의 많은 부수적인 장점들 및 특징들은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여 보다 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명의 일실시례에 따른 재충전지들을 제조하는 과정의 흐름도이다. 상기 제조 방법(10)은 101 단계, 103 단계 및 105 단계를 포함하며, 각각은 이하에서 개별적으로 설명하도록 한다. 101 단계에서는, 양면 금속 박막들(201, 203, two-sided metallic laminae)을 구비하는 기판(20, substrate)이 제공된다. 양극 슬러리(30, anode slurry) 및 음극 슬러리(40, cathode slurry)는 기판(20)의 상면(upper surface) 및 저면(lower surface) 상에 박막 구조(laminar structures)로 각기 형성되어, 듀얼 컬렉터 전극(50, dual-collector electrode)을 형성하게 된다. 본 발명을 명확하게 하기 위하여 상기 제조 방법(10)에 의해 제조된 재충전 리튬 이온 배터리가 여기에 제시되는데, 이는 단지 하나의 바람직한 예시로서 본 발명을 한정하는 것이 아님은 물론이다. 기판(20)은, 예를 들어 기판(20)의 상면을 덮는 구리 박판(201, copper foil) 및 기판(20)의 저면을 덮는 알루미늄 박편(203, aluminum foil)과 같은 양면 금속 박편(two-sided metallic foil)을 구비하는 인쇄회로기판(PCB: printed circuit board)이 된다. 양극 슬러리(30)는, 예를 들어 활성 물질들(active substances)을 포함하는 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide)이 되고, 음극 슬러리(40)는, 예를 들어 활성 물질들을 포함하는 탄소가 된다. 도 2a 및 도 2b 를 함께 참조하면, 듀얼 컬렉터 전극(50)은 101 단계가 완료된 이후에 제조된다. 듀얼 컬렉터 전극(50)의 상면 상의 구리 박판(201)은 라미네이트된 양극 슬러리(30)에 의해 커버된다. 이와 유사하게, 듀얼 컬렉터 전극(50)의 저면 상의 알루미늄 박판(203)은 라미네이트된 음극 슬러리(40)에 의해 커버된다. 듀얼 컬렉터 전극(50)에 대한 라미네이트된 양극 슬러리(30)와 음극 슬러리(40)의 두께는 0.05mm 내지 0.1mm의 범위 내가 된다. 박막 구조들(laminar structures)을 형성하는 방법은, 예를 들어 롤 코팅(roll coating), 코팅 인쇄(coating printing), 스텐실 인쇄(stenciling printing), 판금 인쇄(steel plate printing) 및 주입 코팅(injecting coating) 등에 의해 수행된다.
또한, 듀얼 컬렉터 전극(50)은 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 도 3a 및 도 3b 의 구조와 같이 제조될 수도 있다. 도 3a 및 도 3b 에 도시한 바와 같이, 기판(20)의 상면은 다수의 절연된 제 1 금속 박막 영역들(201, isolated first metallic lamina regions)을 포함하고, 또한 기판(20)의 저면은 다수의 절연된 제 2 금속 박막 영역들(203, isolated second metallic lamina regions)을 포함한다. 양극 슬러리(30)는 제 1 금속 박막 영역들(201) 상에만 라미네이트되고, 음극 슬러리(40)는 제 2 금속 박막 영역들(203) 상에만 라미네이트된다. 제 1 금속 박막 영역들(201)은 구리 박판으로 이루어질 수 있으며, 제 2 금속 박막 영역들(203)은 알루미늄 박판으로 이루어질 수 있다.
103 단계에서는 인쇄회로기판들(printed circuit substrates)을 이용한 패키지 컴포넌트(60, package component)의 제조가 수행된다. 105 단계에서는 전해물질(80, electrolyte) 및 적어도 하나의 이차전지의 코어 컴포넌트(70)를 패키지 컴포넌트(60) 내부에 실링(seal)하는데, 코어 컴포넌트(70)는 듀얼 컬렉터 전극(50)을 포함한다. 도 4 를 참조하면, 패키지 컴포넌트(60)의 내부에는 전해물질(80)과 이차전지의 코어 컴포넌트(70)를 수용하기 위한 구획(compartment)이 구비된다. 인쇄회로기판들이 패키지 컴포넌트(60)를 제조하는데 이용되기 때문에, 패키지 컴포넌트(60)를 제조하고 PCB 공정들을 이용하여 실링(sealing)하는 105 단계를 구현하는 것이 가능해진다.
도 5a 는 이차전지의 코어 컴포넌트의 구조를 도시한 도이다. 도 5b 는 도 5a 의 다수의 코어 컴포넌트들이 적층된 구조를 도시한 도이다. 하나의 코어 컴포넌트(70)는 도 5a 에 도시한 바와 같이 패키지 컴포넌트(60) 내부에 배치될 수 있다. 또한, 도 5b 와 같이 적층된 다수의 코어 컴포넌트들(70)도 패키지 컴포넌트(60) 내부에 배치될 수 있다.
도 6a 는 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 이차전지의 코어 컴포넌트의 구조를 도시한 도이다. 도 6b 는 도 6a 의 다수의 코어 컴포넌트들이 적층된 구조를 도시한 도이다. 도 6a 및 도 6b 의 코어 컴포넌트(70)는 두개의 듀얼 컬렉터 전극들(50) 사이에 끼워지는 분리막(100, separating membrane)을 더 포함한다. 또한, 도 6b 와 같이 적층된 다수의 코어 컴포넌트들(70)은 패키지 컴포넌트(60)의 내부에 배치될 수 있다.
도 7 은 본 발명의 일실시례에 따른 패키지 컴포넌트의 개요도(schematic diagram)이다. 103 단계에서 인쇄회로기판들로부터 제조되는 패키지 컴포넌트(60)는 상부 쉘(601, a top shell), 상부 컨테이너(603, a top container), 하부 콘테이너(605, a bottom container) 및 하부 쉘(607, a bottom shell)을 포함한다. 도 8 은 실링(sealing)하는 105 단계가 1051 단계, 1053 단계 및 1055 단계를 더 포함하는 것을 도시하고 있다. 1051 단계에서, 상부 쉘(601), 상부 컨테이너(603), 적어도 하나의 이차전지의 코어 컴포넌트(70), 하부 컨테이너(605) 및 하부 쉘(607)은 위에서 아래로 순차적으로 적층된다. 1053 단계에서는 상부 쉘(601), 상부 컨테이너(603), 하부 컨테이너(605) 및 하부 쉘(607)의 조인트가 수행되어, 코어 컴포넌트(70)를 수용할 수 있도록 상부 컨테이너(603) 및 하부 컨테이너(605)에 의해 구획이 형성된다. 1055 단계에서 전해물질(80)은 상기 구획의 내부 공간 내로 주입된다. 조인트하는 1053 단계는, 예를 들어 70~100℃의 주위 온도(ambient temperature)에서 18~30Kg/cm2의 압력을 갖는 열압착기(thermo-compressor) 수단에 의해 수행되어, 상부 쉘(601), 상부 컨테이너(603), 하부 컨테이너(605) 및 하부 쉘(607)을 컴팩트한 구조로 압축하게 된다. 1055 단계에서는, 예를 들어 압력 저하에 의해 확산되거나 진공 상태에서 채워짐에 의해 전해물질(80)이 내부 공간으로 주입된다. 1055 단계 이후의 전해물질(80)의 양은, 1051 단계 및 1053 단계가 수행된 이후의 재충전지(90)의 절단면도인 도 9 에 도시된 재충전지(90)의 전체 중량의 대략 5%~10%가 된다.
도 10 은 회로제어보드(circuit control board)를 배치하는 과정의 흐름도로서, 도 1 의 101 단계 내지 105 단계 이후에 107 단계 및 109 단계를 더 포함하는 상기 제조 방법(10)을 도시하고 있다. 회로제어보드(110)는 107 단계에서 제공된다. 회로제어보드(110)는 전자 디바이스(미도시)로 구성되고 코어 컴포넌트(70)에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 회로를 포함한다. 109 단계에서는, 회로제어보드(110) 및 패키지 컴포넌트(60)의 라미네이트 및 통합(integrate)이 수행된다. 도 11 에 도시한 바와 같이, 재충전지(90)의 패키지 컴포넌트(60)의 측면 하부(lateral bottom)가 회로제어보드(110)에 물리적으로 연결된다. 회로제어보드(110)가 패키지 컴포넌트(60)의 측면 상부(lateral top)에 대신 연결될 수 있음은 물론이다.
전해물질(80)은 고체 전해물질, 액체 전해물질 또는 겔 전해물질(gel electrolyte)이 될 수 있다. 또한, 상기 제조 방법(10)에 의해 제조된 재충전지(90)는 배터리 활성 및 제품 수명(life cycle) 테스트 공정들(battery activation and learning life cycle testing processes)에서 동작할 수 있는데, 이는 본 발명의 기술 분야의 전문가라면 익히 알 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
배터리 활성 공정 동안, 재충전지(90)는 일정한 전류를 인가함으로써 최대 전압, 예를 들어 4.2V까지 충전되고, 이후 전류가 0.01C 보다 작아질 때까지 최대 전압으로 계속해서 충전되게 된다. 다음으로, 재충전지(90)는 일정한 전류에서 최소 방전 전압, 예를 들어 2.75V까지 방전된다. 상기 프로시저를 두번 이상 반복한다. 마지막으로, 재충전지(90)는 10 내지 15일간 방치된다.
이에 반해, 제품수명 (life cycle) 테스트 공정은 샘플링에 의해 실행될 수 있다. 샘플 재충전지(90)는 표준 방전 프로시저에 기반하여 방전되고 완전히 방전된 이후에 15분 동안 방치된다. 다음으로 테스트 (A) 및 테스트 (B)가 진행된다. 테스트 (A)에서, 샘플 재충전지(90)는 20±5℃ 및 65±5%RH 환경에서 표준 급속 충전 프로시저에 따라 충전되고, 완전 충전된 이후에 15분 동안 방치된다. 테스트 (B)에서, 샘플 재충전지(90)는 전압이 그 최소 방전 전압에 이를 때까지 1500mA의 전류로 방전된다. 테스트 (A) 및 테스트(B)의 사이클링은 샘플 재충전지(90)의 방전 용량이 그 최소 용량의 60% 보다 작아질 때까지 반복된다. 사이클링의 수는 재충전지(90)의 유통기한(shelf life)을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시례가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.

Claims (15)

  1. 재충전지(rechargeable battery)의 제조 방법으로서,
    (A). 양면 금속 박막(two-sided metallic laminae)을 구비하는 기판의 상면 및 저면 상에 양극 슬러리(anode slurry) 및 음극 슬러리(cathode slurry)를 라미네이트(laminate)하여 듀얼 컬렉터 전극(dual-collector electrode)를 형성하는 단계;
    (B). 인쇄회로기판(printed circuit substrate)을 이용하여 패키지 컴포넌트(package component)를 형성하는 단계; 및
    (C). 상기 패키지 컴포넌트를 이용하여 전해물질(electrolyte) 및 적어도 하나의 이차전지의 코어 컴포넌트(core component)를 상기 패키지 컴포넌트의 내부 공간 내에 채워넣는 단계를 포함하고,
    상기 코어 컴포넌트가 상기 듀얼 컬렉터 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (B) 단계가,
    상기 인쇄회로기판을 이용하여 상부 쉘(a top shell), 상부 컨테이너(a top container), 하부 컨테이너(a bottom container) 및 하부 쉘(a bottom shell)을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 패키지 컴포넌트가 상기 상부 쉘, 상기 상부 컨테이너, 상기 하부 칸테이너 및 상기 하부 쉘을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (C) 단계가,
    (c1). 상기 상부 쉘, 상기 상부 컨테이너, 상기 이차전지의 코어 컴포넌트, 상기 하부 컨테이너 및 상기 하부 쉘을 위에서 아래로 순차적으로 적층하는 단계;
    (c2). 상기 상부 쉘, 상기 상부 컨테이너, 상기 하부 컨테이너 및 상기 하부 쉘을 조인트하여, 상기 이차전지의 코어 컴포넌트를 수용할 수 있도록 상기 상부 컨테이너 및 상기 하부 컨테이너에 의해 상기 내부 공간이 형성되는 단계; 및
    (c3). 상기 전해물질을 상기 내부 공간으로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (c2) 단계가 인쇄회로기판 공정(printed circuit board process)을 이용하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    (E). 회로제어보드(circuit control board)를 제공하는 단계; 및
    (F). 상기 회로제어보드 및 상기 패키지 컴포넌트를 라미네이트하고 통합 (lamination-integrating)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차전지의 코어 컴포넌트가 분리막(separating membrane)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해물질이 고체 전해물질(solid electrolyte), 액체 전해물질(liquid electrolyte) 또는 겔 전해물질(gel electrolyte)인 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 슬러리가 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 슬러리가 탄소(carbon)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상면 상의 상기 금속 박막이 구리 박판(copper foil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 저면 상의 상기 금속 박막이 알루미늄 박판(aluminum foil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 단계가,
    (a1). 제 1 금속 박막에 의해 커버되는 상면 및 제 2 금속 박막에 의해 커버되는 저면을 구비하는 상기 기판을 제공하는 단계;
    (a2). 상기 양극 슬러리를 상기 제 1 금속 박막 상에 라미네이트하는 단계; 및
    (a3). 상기 음극 슬러리를 상기 제 2 금속 박막 상에 라미네이트하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 박막이 구리 박판을 구성하고, 상기 제 2 금속 박막이 알루미늄 박판을 구성하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 단계가,
    (a1). 상면 상의 다수의 절연된 제 1 금속 박막 영역들(isolated first metallic lamina regions) 및 저면 상의 다수의 절연된 제 2 금속 박막 영역들(isolated second metallic lamina regions)을 구비하는 상기 기판을 제공하는 단계;
    (a2). 상기 양극 슬러리를 상기 각 절연된 제 1 금속 박막 영역들 상에 라미네이트하는 단계; 및
    (a3). 상기 음극 슬러리를 상기 각 절연된 제 2 금속 박막 영역들 상에 라미네이트하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 절연된 제 1 금속 박막 영역들이 구리 박판을 포함하고, 상기 절연된 제 2 금속 박막 영역들이 알루미늄 박판으로 구성된 것을 특징으로 하는 재충전지 제조 방법.
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