KR100740362B1 - 파우치형 이차 전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파우치형 이차 전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 양극 및 음극에 각각 2개의 전극 탭(tab)이 부착된 것을 특징으로 하는, 본 발명에 따른 이차 전지는 기존의 이차 전지에 비해 우수한 안전성 및 고율특성을 나타낼 수 있다.

Description

파우치형 이차 전지 및 그의 제조방법{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY AND PREPARATION THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 전극 구조를 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 전지의 젤리-롤(jelly-roll)을 도시한 측면도 및 정면도이고,

도 3은 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지의 고율특성 비교그래프이며,

도 4는 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지의 대전류 방전시 전지의 표면온도 비교그래프이다.

* 도면 부호에 대한 간단한 설명

(a): 전극탭 (b): 리드선

본 발명은 고율특성 및 안정성이 우수한 파우치형 이차 전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 양극 활성 물질로서 리튬계 산화물을, 음극 활성 물질로서 탄소재를 통상적으로 사용하는 리튬 이차 전지는, 리모콘(remote control), 전동기구 등의 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 작동전압이 3배 이상 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지를 대체하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 현재의 리튬 전지는 타 전지에 비해 고율특성이 낮으며 안전성 면에서 다소 미흡한 실정이므로 이를 개선하려는 연구가 진행되고 있다.

특히, 파우치형 리튬 이차 전지는 양극과 음극 사이에 격리판(separator)을 삽입한 형태로 적층(stacking)하거나 권취(winding)하여 얻어진 젤리-롤을 성형된 알루미늄(Al)-라미네이트 필름에 수납하여 제조한 것으로서, 경량화에 유리하다는 장점을 가지고 있다

파우치형 리튬 전지 중 적층형(stacking type) 전지의 경우, 고율특성 면에서는 권취형(winding type) 전지에 비해 유리하지만 전지 제조공정이 매우 복잡하여 수율이 낮은 단점이 있다. 반면, 각 전극 당 1개의 전극 탭(tab)이 구비된 종래의 권취형 전지의 경우, 제조 공정은 매우 단순하지만 전지의 용량이 증가하는 경우, 특히, 전지 용량이 약 2000 mAh 이상인 경우, 대전류 방전시 고율특성이 급격히 감소하고 전지의 표면 온도가 높아져 안전성이 낮은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 안전성 및 고율특성이 우수한 파우치형 이차 전지 및 상기 전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 음극, 양극 및 이들 전극 사이에 위치한 격리판과 전해액을 포함하는 젤리-롤(jelly-roll)을 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 두 전극이 각각 2개의 전극 탭(tab)을 가지며 동일 전극 상의 탭들끼리 접합되고, 접합된 각 전극 탭에 리드선이 결합된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차 전지를 제공한다.

본 발명에서는 또한, 1) 양극 및 음극 각각의 양쪽 끝단 무지부에 전극 탭을 각각 1개씩 부착하는 단계, 2) 전극 탭이 부착된 양극과 음극 사이에 격리판을 삽입한 후 권취하여 젤리-롤 형태의 전지 셀을 얻는 단계, 3) 동일 전극 탭끼리 용접하여 접합한 후, 접합된 각 전극탭에 리드선을 부착하는 단계, 4) 리드선이 부착된 전지 셀을 파우치에 넣고 전해액을 주입하는 단계를 포함하는, 파우치형 이차 전지의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 이차 전지는 양극 및 음극에 각각 2개씩 총 4개의 전극탭이 구비된 것을 특징으로 한다(도 1 참조).

본 발명에서, 양극(anode)은 양극 활성 물질이 코팅된 양극 코팅부 및 양극 활성 물질이 코팅되지 않은 양쪽 끝단의 무지부로 이루어지고, 음극(cathode)은 음극 활성 물질이 코팅된 음극 코팅부와 음극 활성 물질이 코팅되지 않은 양쪽 끝단의 무지부로 이루어지는데, 여기서, 전극 무지부란 각 전극의 양쪽 끝단에 전극 활성 물질이 코팅되지 않은 영역을 의미한다.

또한, 전지의 내부와 외부를 연결하면서 전류의 흐름을 야기하는 전극 탭은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극 및 음극의 양쪽 끝단 무지부에 예를 들면 용접 등의 방법에 의해 각각 고정 부착되며, 여기서, 각 전극 탭은 전극 활성 물질이 코팅된 전극 코팅부가 아닌 전극 무지부에 형성되기 때문에 전극의 용량 손실은 없다.

본 발명에서, 탭의 크기는 전지 용량에 따라 달라지며, 예를 들면 전지 용량이 약 2000 mAh 이상인 경우 약 10 mm(나비)×0.1 mm(두께)의 크기일 수 있으나, 특별한 제한은 없다.

상기 2개씩의 탭이 부착된 양극과 음극 사이에 다공성 격리판(separator)을 삽입하여 얻어진 적층체를 롤(roll) 형태로 감아 각 전극의 한쪽 말단에 부착된 탭들은 안쪽으로, 다른 한쪽 말단에 부착된 탭들은 바깥쪽으로 오게 하면 도 2에 나타낸 바와 같은 젤리-롤(jelly-roll)이라 불리우는 전지 셀(cell)을 이루게 되며, 이때 전지 셀의 상부로는 전극탭들이 외부로 돌출되어 진다. 상기 젤리-롤 외부로 인출된 전극 탭들은, 동일 전극 상에 형성된 2개의 탭들끼리 용접되어(접합부 A) 접합된 탭(a)을 형성한 후 여기에 각 전극탭의 리드선(b)이 용접되어(접합부 B) 연결된다.

본 발명에 따른 양극 및 음극은 이차 전지에 사용되는 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 리튬 이온 전지의 경우, 양극 활성 물질로는 리튬계 산화물에 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물을 사용할 수 있고, 음극 활성 물질 로는 탄소재에 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 사용되는 전해액은 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 사용되는 액체 전해질 또는 고분자 전해질 모두 사용할 수 있고, 본 발명에 사용되는 격리판은 리튬 이온 전지의 경우 통상적으로 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등과 같은 고분자성 물질로 이루어진 다공성 판으로, 양극과 음극 사이를 상호 절연하는 한편, 전극들간에 활성 물질 이온이 교환될 수 있게 한다.

상기와 같이 하여 리드선이 부착된 전지 셀을 파우치에 넣고 전해액을 주입함으로써 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지를 제조할 수 있다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 이차 전지는, 각 전극 당 2개의 전극탭이 부착되어 있어 각 전극 당 1개의 전극 탭이 부착된 기존 전지에 비해 한 개의 탭이 부담하는 전류의 양이 반으로 감소함에 따라 전극에서 전류가 흐르는 경로의 저항에 의한 소위 IR(V=IR) 드롭(drop)이 크게 감소하여 고율특성이 증가하고, 대전류 방전시 전극 탭에서 IR 드롭에 의한 발열 또한 감소시킬 수 있어 전지 안전성 또한 향상된다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

<실시예>

그래파이트 93.76 g, 폴리비닐리덴플루오라이드 6.24 g, N-메틸피롤리돈 57.5 g을 혼합하여 음극 활물질 조성물을 준비하였다. 얻어진 음극 활성 물질 슬러리를 다이 코팅기(die coater)를 사용하여 구리박의 양 표면 위에 양 끝단 17 mm를 남기고 코팅하고, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다. 이어서, 음극 활성 물질이 코팅되지 않은 양 끝단 무지부에 폭길이가 10 mm이고, 두께가 0.1 mm인 음극탭을 각각 용접하여 부착하였다.

LiCoO₂ 88 g, 카본 블랙 6.8 g, 폴리비닐리덴플루오라이드 5.2 g, N-메틸피롤리돈 52.5 g을 혼합하여 양극 활물질 조성물을 준비하였다. 얻어진 양극 활성 물질 슬러리를 다이 코팅기(die coater)를 사용하여 알루미늄박의 양 표면 위에 양 끝단 20mm를 남기고 코팅하고, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다. 이어서, 양극 활성 물질이 코팅되지 않은 양 끝단의 무지부에 폭길이가 10 mm이고, 두께가 0.1 mm인 양극탭을 각각 용접하여 부착하였다.

양 끝단 무지부에 전극 탭이 부착된 음극과 양극, 및 격리판(20㎛, 셀가드(Cellgard) 2320 미공성 필름)을 권취하여 젤리롤(jelly roll)을 만든 후, 동일 전극 탭끼리 용접하여 접합한 후 각 전극의 리드선을 용접하여 부착하고 성형된 Al 라미네이트 필름에 넣고 부분 실링(sealing) 하였다.

이어서, 폴리(2-비닐피리딘-코-스티렌)(PVPS, 알드리치(Aldrich)) 2 g 및 1,4-부탄다이올다이글리시딜에테르(BDDGE, 알드리치) 0.5 g을 전해액(LiPF₆ 12.1 중량％, 에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)/디메틸 카보네이트 (DMC) = 21/35.7/31.2 중량％)에 용해 후 젤리롤이 내장된 Al-라미네이트 필름에 주입한 다 음 완전 실링하였다. 그런 다음, 65 ℃에서 24시간 동안 폴리머를 경화시켜 본 발명에 따른 리튬 이차 전지를 제조하였다.

<비교예>

양극 및 음극의 양쪽 끝단 무지부 중 한쪽 무지부에만 전극탭을 부착하여 각 전극당 1개의 전극탭을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 공정을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.

<시험예>

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 전지에 대해 마코 테스트 장비를 사용하여 고율특성을 측정하여 그 결과를 그래프로서 도 3에 나타내었다. 도 3의 그래프로부터, 각 전극 당 2개의 탭이 부착된 본 발명의 리튬 전지는(실시예), 한 전극 당 1개의 탭이 부착된 전지(비교예)에 비해 훨씬 우수한 고율특성을 나타냄(7C 방전시 42% 높음)을 확인할 수 있다.

나아가, 실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지에 대해 28.7A의 대전류가 공급될 때 전지의 표면온도를 측정하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4로부터, 실시예에서 제조된, 한 전극 당 2개의 전극탭을 포함하는 전지는, 비교예에서 제조된 전지에 비해 대전류 방전시 전지 표면 온도가 낮아 안전성이 증가함을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지는, 각 전극 당 2개의 전극탭이 부착되어 있어 우수한 안전성 및 고율특성을 나타낼 수 있다.

Claims (3)

1. 음극, 양극 및 이들 전극 사이에 위치한 격리판과 전해액을 포함하는 젤리-롤(jelly-roll)을 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 두 전극이 각각 2개의 전극 탭(tab)을 가지며 동일 전극 상의 탭들끼리 접합되고, 접합된 각 전극 탭에 리드선이 결합된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   전극 탭이 양극 및 음극의 양쪽 끝단 무지부에 각각 1개씩 부착되는 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차 전지.
3. 1) 양극 및 음극의 양쪽 끝단 무지부에 전극 탭을 각각 1개씩 부착하는 단계, 2) 상기 2개의 탭이 부착된 양극과 음극 사이에 격리판을 삽입한 후 권취하여 젤리-롤 형태의 전지 셀을 얻는 단계, 3) 동일 전극 탭끼리 용접하여 접합한 후, 접합된 각 전극 탭에 리드선을 부착하는 단계, 및 4) 리드선이 부착된 전지 셀을 파우치에 넣고 전해액을 주입하는 단계를 포함하는, 제 1 항의 파우치형 이차 전지의 제조방법.

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