KR100759543B1 - 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지에 있어서, 전지 내부 온도의 이상 상승시 세퍼레이터가 수축되어 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 하기 위한 것으로, 양극판 및 음극판을 제조하는 단계, 리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이터를 제조하는 단계, 이 세퍼레이터를 열처리하는 단계, 이렇게 열처리된 세퍼레이터를 상기 양극판 및 음극판의 사이에 개재시키는 단계를 포함하여 이루어지며, 이때, 세퍼레이터의 열처리는 세퍼레이터 제조단계에서 충분히 건조된 세퍼레이터를 120 내지 200 ℃의 온도범위에서 행하는 것일 수 있고, 또한 이러한 열처리는 1 내지 3분 동안 지속되도록 할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극조합체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조 방법{Manufacturing method of electrode assembly for lithium ion polymer cell}

도 1은 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지의 개략적인 구조를 도시한 사시도이고,

도 2는 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지의 세퍼레이터 제조 방법을 설명하는 설명도이며,

도 3은 본 발명에 따른 전극 조합체의 제조 방법을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 내부의 온도가 높아짐에도 전극간 단락의 발생을 방지할 수 있는 세퍼레이터를 구비한 전극조합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전자 기기, 예컨대 휴대폰, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속하게 진행됨에 따라 그 구동전원으로서 에너지밀도가 높은 리튬 2차 전지가 활발히 개발되고 있다. 리튬 2차 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속 전지와, 리튬 이온 전지 및, 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지(Lithium Polymer Battery)로 구별된다. 또한 상기 리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기 전해액이 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 전지와 유기 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머전지로 나눌 수 있다.

도 1은 종래의 리튬 이온 폴리머 전지의 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.

첨부된 도면을 참조하면, 일반적으로 리튬 이온 폴리머전지는 그리드(Grid)에 전극 활물질을 충전시킨 양극판 및 음극판과, 양극판과 음극판 사이에 개재된 것으로 유기 전해액이 함침되어 있는 세퍼레이터(Seperator)가 적층된 구조로 되어 있는 전극 조합체(2)를 구비한다. 또한 양극판의 일측에는 양극 탭(3a)이 형성되고, 음극판의 일측에는 음극 탭(3b)이 형성된다. 도면에 도시된 바와 같이 양극 및 음극 탭(3a,3b)은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치된다. 이러한 탭(3a,3b)들은 리이드(4a,4b)에 연결됨으로써 외부 회로와 접속된다.

상술한 전극 조합체(2), 양극 탭(3a), 음극 탭(3b) 및 양극 리이드(4a)와 음극 리이드(4b)는 절연성 케이스(1) 및 그와 일체로 형성된 커버(1a)에 의해 밀봉된다. 이 절연성 케이스(1)와 커버(1a)는 통상적으로 알루미늄 박막의 상, 하면위에 열접착성 물질이 적층된 형태를 가지며, 열접착성 물질이 상호 접착됨으로써 그 내부를 밀봉하고 있다. 또한 전극 조합체(2)와 외부와의 전기적인 연결을 위하여 양극 리이드(4a)와 음극 리이드(4b)의 일부가 외부로 노출된 상태에서 절연성 케이스(1)에 의해 밀봉된다.

상기와 같은 구조를 가지는 리튬 폴리머 전지에 있어서, 전극 조합체를 구성하는 세퍼레이터는 통상적으로 필름 지지체 상에 충전제, 가소제 및, 고분자 수지의 용액을 소정의 두께로 코팅하여 그것을 건조시킴으로써 제조되는 것으로, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 실리카와 같은 충전제(5a), 디브틸프탈레이트(DBP)와 같은 가소제(5b) 및, 폴리비닐리덴플루오라이드(Pvdf)와 같은 고분자 수지(5c)를 용매에 용해시켜서 소정의 조성을 가지는 용액(6)을 제조하고 그것을 PET 필름 지지체(8)상에 코팅하여 건조시킨다. 건조된 다음에 상기 필름 지지체(8)를 제거하면 세퍼레이터(7)가 제조된다.

그런데 이렇게 제조된 세퍼레이터로 전극 조합체를 형성하고, 이 전극 조합체를 구비한 전지는 그 충방전이 진행됨에 따라 전지 내부에서 발생되는 발열반응에 의해 전지 내부온도가 급격히 증가하는 경우가 있다. 곧, 전지 내부에서 발열반응에 의해 발생된 열이 외부로 효과적으로 발산되어야 하는 데, 과도한 충방전이 계속되면 발산되는 열의 양보다 내부 발열에 의해 생성되는 열이 많게 되어 전지 내부의 온도가 급격히 상승하게 된다.

양극판과 음극판이 그 사이에 세퍼레이터를 개재하여 적층된 구조의 전극 조합체에 있어서, 세퍼레이터는 통상 양극판 및 음극판보다 넓게 형성하여, 극판 상호간에 단락되는 것을 방지한다. 그런데, 상술한 바와 같이 전지 내부의 온도가 상승하여 세퍼레이터가 열을 받게 되면, 이 세퍼레이터는 수축하게 되고, 이에 따라 세퍼레이터에 의해 경계가 구분되어 있던 양극판과 음극판의 주변부에서는 이들의 단락이 발생될 우려가 있게 된다. 또한 이러한 수축이 과도할 경우에는 세퍼레이터가 찧어지는 경우도 발생하게 된다. 따라서, 이는 전지의 성능에 악영향을 미치게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 이온 폴리머 전지용 전극 조합체에 있어서, 세퍼레이터 내부의 잔류 응력을 제거하여 전지 내부 온도의 이상 상승시 세퍼레이터가 수축되어 전극 조합체가 단락되는 것을 방지할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같이, 세퍼레이터가 전지 내부에서 발생되는 이상 과열에 따라 수축하게 되는 것은 상기 도 2에 의해 설명한 바와 같이 소정 조성을 갖는 세퍼레이터 용액(6)을 PET 필름 기재에 도포한 후, 열이나 빛 에너지를 가하여 코팅할 때에 세퍼레이터 내부에서는 에너지를 받아 경화함에 따른 응력이 잔류되어 있는 상태가 된다.

본 발명자 등은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서는 이와 같은 세퍼레이터 내부에 잔존하는 잔류 응력을 제거함에 의해 전지의 이상 과열에 따른 세퍼레이터의 수축을 방지할 수 있도록 하였다.

이를 위하여, 본 발명은 양극판 및 음극판을 제조하는 단계, 리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이터를 제조하는 단계, 이 세퍼레이터를 열처리하는 단계, 이렇게 열처리된 세퍼레이터를 전극판에 라미네이팅하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 세퍼레이터의 열처리는 세퍼레이터 제조단계에서 충분히 건조된 세퍼레이터를 120 내지 200 ℃의 온도범위에서 행하여질 수 있으며, 또한 이러한 열처리는 1 내지 3분 동안 지속될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상술한 바와 같은 세퍼레이터의 열처리는 상기 세퍼레이터의 제조단계에서 건조된 세퍼레이터가 예열된 롤러 상을 통과하도록 함으로써 이루어질 수 있으며, 또한 건조된 세퍼레이터에 열광선을 조사함으로써 이루어질 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3 에 도시된 것은 본 발명에 따른 전극 조합체의 제조 방법을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 전극 조합체의 제조 방법은 세퍼레이터 제조 단계(10)에서 제조된 세퍼레이터를 전극판의 제조단계(30)에서 제조된 양극판 혹은 음극판에 라미네이팅(40)하기 전 단계에서 한번 더 열처리하도록 하는 단계(20)가 포함되도록 하는 것에 그 특징이 있다.

먼저, 세퍼레이터를 제조 단계(10)는 리튬 이온 폴리머 전지의 세퍼레이터를 제조하는 어떠한 방법도 적용이 가능하다. 곧, 상술한 바와 같이 폴리비닐리덴플루오라이드(Pvdf)와 같은 고분자 수지와 함께 충전제, 가소제 등을 용매에 용해시킨 세퍼레이터 용액을 PET 필름에 도포·건조한 후 PET 필름을 제거하는 방식으로 제조된 세퍼레이터에도 적용할 수 있으며, 충전제, PET 필름을 사용하지 않고 유리섬유웹을 이용하는 세퍼레이터에도 적용할 수 있다. 곧, 어떠한 방법으로건 이미 제조된 세퍼레이터를 그대로 사용할 수 있는 것이다. 다만, 본 발명의 열처리가 효과적으로 적용되기 위해서는 폴리비닐리덴플루오라이드(Pvdf)와 같은 고분자 수지가 주성분인 세퍼레이터를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 전극판, 곧 양극판과 음극판을 제조하는 단계(30)도 극판 기재에 양극 및 음극 활물질을 충전 또는 도포하여 제조할 수 있으며, 그 밖에 어떠한 방법에 의해 제조한 전극판이건 무방하다.

이렇게 제조된 전극판, 곧 양극판과 음극판의 사이에 세퍼레이터를 개재하게 되는 데, 이때 세퍼레이터에 열처리를 시행한 후 전극판에 개재한다.

이 열처리는 세퍼레이터의 형태 및 열처리 방법에 따라 다양한 조건으로 행하여 질 수 있는 것으로, 세퍼레이터를 이루는 주성분인 고분자 물질의 잔류 응력을 제거해 주기 위한 것이다.

이러한 고분자 물질의 잔류응력의 제거를 위해서는 대략 120 내지 200℃의 온도범위에서 열처리를 행하는 것이 바람직하며, 열처리 시간은 열처리 방법에 따라 달라질 수 있으나, 대략 1분 내지 3분의 시간으로 행하는 것이 바람직하다.

세퍼레이터를 열처리하는 방법에는 다양한 방법이 있을 수 있겠으나, 상기의 온도범위로 미리 예열된 롤러 상으로 상기 세퍼레이터가 통과하도록 하여 행할 수 있으며, 세퍼레이터에 코로나와 같은 열광선을 조사하는 것으로도 행할 수 있다. 이밖에도 고온의 로내로 통과시킬 수도 있다. 다만, 세퍼레이터는 매우 얇은 박막이므로, 세퍼레이터를 상술한 바와 같이 열처리할 경우에 압력을 가하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이렇게 열처리된 세퍼레이터와 전극판은 각 전극판에 세퍼레이터를 라미네이팅하여(40), 전극 조합체를 형성한 후, 권취 또는 적층(50)하거나, 바로 적층시켜 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법은 세퍼레이터를 전극 극판에 개재시키기 전에 열처리함으로써, 세퍼레이터의 주성분인 고분자 물질의 내부에 잔존하는 잔류응력을 제거하게 되어 전지의 과잉 온도 상승에도 세퍼레이터가 수축되거나 찧어지는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 이는 전지의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 양극판 및 음극판을 제조하는 단계;

   리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이터를 제조하는 단계;

   상기 세퍼레이터를 열처리하는 단계;

   상기 열처리된 세퍼레이터를 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재시켜 라미네이팅하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열처리하는 단계는 상기 세퍼레이터의 제조 단계에서 건조된 세퍼레이터를 120 내지 200℃의 온도범위 내에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 열처리는 1 내지 3분 동안 지속되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열처리는 상기 제조단계에서 건조된 세퍼레이터가 예열된 롤러 상을 통과하도록 함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열처리는 상기 제조단계에서 건조된 세퍼레이터에 열광선을 조사함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 전극 조합체의 제조방법.

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