KR100763931B1 - 열수축형 튜브를 외관으로 사용한 전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음극, 분리막, 양극으로 이루어진 전극 조립체를 열수축형 튜브 안에 넣고 일정 온도에서 열 융착 밀봉하는 것으로 밀봉시에는 결착성 고분자를 사용하여 음극, 양극으로부터 전자 전도체로 유출되는 단자 또는 봉과의 결착력을 강화하고, 열 융착 밀봉된 전지의 결착 부위를 강력 접착제를 사용하여 굽힘 처리하여 에너지밀도를 향상시킴으로써, 안전성과 에너지 밀도가 향상된 열수축형 튜브를 외관으로 사용한 전지의 제조방법에 관한 것이다.

전지, 수축형, 튜브, 에너지, 밀도, 안정성

Description

열수축형 튜브를 외관으로 사용한 전지의 제조방법{METHOD OF MAKING BATTERY USING AS CASE WITH SHRINKAGE TUBE}

제 1도는 본 발명에 따른 권취 축을 포함한 전극 조립체를 도시한 사시도.

제 2도는 본 발명에 따른 원통형 전지를 도시한 단면도.

제 3도는 본 발명에 따른 봉형 전지를 도시한 단면도.

제 4도의 (a) 내지 (h)는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체를 도시한 사시도.

제 5도의 (a) 내지 (h)는 본 발명의 실시 예에 따른 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지를 도시한 사시도.

제 6도는 본 발명의 실시 예 1에 따라 제작된 AAA사이즈 원통형 전지의 전위 용량 그래프.

제 7도는 본 발명의 실시 예 1에 따라 제작된 AAA사이즈 원통형 전지의 수명곡선 그래프.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

1 : 전극 조립체 2 : 단자 3 : 봉

4 : 결착성 고분자 5 : 열수축형 튜브

본 발명은 음극, 분리막, 양극으로 이루어진 전극 조립체를 열수축형 튜브 안에 넣고 일정 온도에서 열 융착 밀봉하는 것으로 밀봉시에는 결착성 고분자를 사용하여 음극, 양극으로부터 전자 전도체로 유출되는 단자 또는 봉과의 결착력을 강화하고, 열 융착 밀봉된 전지의 결착 부위를 강력 접착제를 사용하여 굽힘 처리하여 에너지밀도를 향상시킴으로써, 안전성과 에너지 밀도가 향상된 열수축형 튜브를 외관으로 사용한 전지의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 구분된다. 1차 전지는 대부분 원통형 전지이고, 2차 전지는 원통형 전지와 각형 전지로 제작된다. 각형 전지는 외장재로 금속 캔 또는 파우치를 사용하며, 파우치를 사용하는 전지를 파우치형 전지라고 부른다.

상기의 원통형 및 캔형 각형 전지는 캔과 캡 조립체로 이루어져 있으며, 상기 원통형 및 각형 전지의 캔으로는 스테인레스 스틸이나 알루미늄을 이용한다.

상기 원통형 전지의 제작은 일반적으로, 음극, 분리막, 양극의 권취형이나 봉 형태의 제작과정과, 전극조립체를 원통형 캔에 집어넣고 전해액을 주입하는 과 정과, 음·양극에 부착된 단자 또는 봉을 캡 조립체와 원통형 캔에 연결하는 과정과, 캡 조립체와 원통형 캔을 강하게 연결하기 위하여 비딩과 크리핑 과정을 통해 제조된다.

상기 각형 전지의 제작은 일반적으로, 음극, 분리막, 양극의 권취형이나 스택형의 전극조립체 제작과정과, 전극조립체를 각형 캔에 집어넣고 단자를 캡조립체와 연결하는 과정과, 전해액 주입과 밀봉하는 과정을 통해 제조된다.

특히, 리튬계 원통형 및 각형 2차 전지의 제조과정은 캡 조립체의 구성과 음·양극에 부착된 단자를 캡 조립체와 원통형 캔에 용접하는 등 더욱 복잡한 과정을 거치게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 제조방법은 캔의 무게와 캡 부위의 소모로 인하여 중량당, 부피당 에너지 밀도의 희생이 발생되는 문제점을 갖고 있으며, 각형 및 원통형외의 다양한 형태의 전지를 제조하기가 어렵다.

또한, 상기의 파우치형 2차 전지는 일반적으로, 음극, 분리막, 양극의 권취형이나 스택형의 제작과정과, 전극조립체를 일정 깊이의 각형 홈이 형성된 파우치에 집어넣고 각형 홈에 전해액을 주입하는 과정과, 단자와 파우치를 열융착 결합하면서 진공 밀봉하는 과정을 통해 제조되는 것으로, 각형 외의 형태는 제작이 어렵고 전극조립체에 일정한 압을 가하기 위하여 진공밀봉해야만 하는 문제점을 갖고 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 전지 외관 케이스로서 금속 캔 대신 열수축형 고분자 수지 튜브를 사용하고, 간단한 제조과정을 통해, 에너지 밀도 및 안전성이 향상된 다양한 형태를 갖는, 열수축형 튜브를 외관으로 사용한 전지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 음극, 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 분리막으로 이루어진 전극층이 권취 또는 적층되거나, 봉형으로 이루어지는 전극조립체 제조단계;와,

상기 전극조립체에 전해액을 주입시키는 전해액 주입단계;와,

상기 전해액이 주입된 전극조립체를 봉인하는 봉인단계;로 이루어진 것에 있어서,

상기 봉인단계는 상기 전극 조립체를 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 실리콘 수지 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 이루어진 열수축형 튜브에 넣고, 상기 전극조립체의 일측 또는 양측으로 돌출되어 있는 단자와, 상기 단자에 결착되어 있는 결착성 고분자와, 상기 열 수축형 튜브를 동시에 100 ~ 250℃의 범위로 열 융착하여 이루어지는 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지의 제조방법을 그 주요 구성으로 한다.

상기 결착성 고분자는 폴리올레핀계, 폴리이마이드(PI), 폴리비닐클로라이 드(PVC), 폴리비닐니덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상이 혼합하여 이루어진 것으로, 전극조립체의 일측 또는 양측에 형성되어 있는 단자 또는 봉을 50 ~ 200℃로 결착시키는 것을 특징으로 한다.

전극 조립체는 원기둥형, 원뿔형, 다각기둥형, 다각뿔형 중 선택되는 어느 1종의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 구성을 도면을 통해 더욱 구체적으로 살펴 보도록 한다.

이에 앞서, 도면을 간략히 살펴보면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 권취 축을 포함한 전극 조립체를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 원통형 전지를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 봉형 전지를 도시한 단면도이고, 도 4는 (a) 내지 (h)는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 조립체를 도시한 사시도이고, 도 5의 (a) 내지 (h)는 본 발명의 실시 예에 따른 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지를 도시한 사시도이고, 도 6의 본 발명의 실시 예 1에 따라 제작된 AAA사이즈 원통형 전지의 전위 용량 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따라 제작된 AAA사이즈 원통형 전지의 수명곡선 그래프이다.

본 발명에 따른 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지는 전극조립체 제조단계와, 전해액 주입단계와, 봉인단계를 거쳐 제조되는 것으로, 전극조립체 제조단계부터 순차적으로 살펴보면 다음과 같다.

전극조립체 제조단계

전극조립체는 도 4에 도시된 바와 같이, 음극, 분리막, 양극을 단독으로 전극 조립체를 구성하거나(e), 권취(a~d), 적층(f~h)의 형태를 갖는다.

상기 전극조립체는 그 형태가 다양하여, 권취하여 구성되는 원기둥 형(a,b), 사각기둥 형(c,d)과, 봉형(e) 및

적층하여 구성되는 사각기둥형(f), 삼각기둥형(g), 육각기둥형(h)과 같은 다각기둥형 외에 하트형과 같은 원하는 형태로 다양하게 제조하여 사용할 수 있다.

이와 같이, 전극조립체를 다양한 형태로 제조할 수 있는 것은 종래의 외장재로 쓰이는 금속(알루미늄, 스테인레스 스틸), 파우치를 대신하여 열수축형 튜브를 이용함으로써 가능하게 된 것으로써, 상기 열수축형 튜브와 관련된 내용은 후술하기로 한다.

상기 권취형 전극조립체는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극층을 권취 축에 권취한 후 권취 축(100)에서 이탈시킴으로써 완성되는 것으로 원기둥 형태를 띠고 있으며,

상기 봉형 전극조립체는 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 또는 음극의 역할을 하는 봉(3)이 전극조립체의 중앙에 위치하고, 상기 봉을 중심으로 전극층이 권취되어 전극조립체가 완성되는 것이다.

상기 적층형 전극조립체는 도 4의 (f) 내지 (h)에 도시된 바와 같이, 전극층을 적층하여 완성되는 것이다.

전해액 주입 및 침지단계

상기와 같이 구성된 전극조립체를 전해액에 침지시키거나, 또는 전해액을 주입하는 단계로써, 상기 전해액의 주입은 후술하는 열수축형 튜브 내부로 전극 조립체를 넣은 후에 실시할 수도 있다.

봉인단계

전해액 주입 또는 침지단계를 거친 전극조립체는, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 열수축형 튜브(5)에 100 ~ 250℃온도로 가하여 열 수축을 유도하고, 상기 전극조립체(1)의 일측 또는 양측에 돌출되어 있는 단자(2) 또는 봉(3)에 절연성 및 융착성의 결착성 고분자(4)를 50 ~ 200℃에서 결착시킨다.

상기 결착성 고분자(4)의 결착은 음극, 양극으로부터 전자 전도체로 유출되는 단자(2) 또는 봉(3)의 결착력을 강화시키기 위한 것으로, 상기 결착온도를 50℃이하로 할 경우에는 결착성 고분자(4)의 결착이 불완전하게 이루어지는 문제점이 발생되고, 200℃이상으로 할 경우에는 결착성 고분자(4)가 녹아 불균일한 결착이 발생되므로, 결착성 고분자(4)를 50 ~ 200℃의 온도범위에서 결착하는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이 결착이 이루어진 전극조립체(1)는 준비된 열수축형 튜브(5) 안으로 집어넣고, 상기 열수축형 튜브(5)에 100 ~ 250℃온도로 가하여 열 수축을 유도하고, 일측 또는 타측으로 돌출되어 있는 단자(2) 또는 봉(3)과, 상기 결착성 고분자(4)와, 상기 열수축형 튜브(5)를 동시에 100 ~ 250℃에서 열융착하여 봉인한다.

상기 열융착온도를 100℃이하로 할 경우에는 약한 열에도 결착부위가 떨어지는 문제점이 발생되고, 250℃이상으로 할 경우에는 수지 및 결착성 고분자(4)가 용융되어 형태를 유지하기 어려워 융착 온도는 100 ~ 250℃의 온도범위에서 융착하는 것이 바람직하다.

상기 열수축형 튜브(5)는 전해액과 반응을 일으키지 않는 성분으로써, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 실리콘 수지 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것을 사용한 것으로, 수축률이 1%이상인 것으로서 제조방식에 관계없이 사용 가능하다. 상기에서 수축률이 1%이하이면 전극 조립체를 열수축 튜브가 적절한 압으로 유지하기가 어렵고 빈 공간이 생기기 쉽다.

상기 열수축형 튜브(5)의 수축 전의 직경은 전극 조립체 크기보다는 커야하고 최대 수축 직경은 전극조립체 크기보다는 작아야 한다.

수축 전의 직경이 전극 조립체 크기보다 작으면 전극 조립체를 집어넣을 수가 없으며 최대 수축되었을 때의 직경이 전극 조립체 크기보다 클 경우는 적절한 압력을 전극 조립체에 가해 줄 수가 없으며 빈 공간이 생겨서 원하는 모양을 형성하기가 어렵다.

상기 결착성 고분자(4)는 폴리올레핀계, 폴리이마이드(PI), 폴리비닐클로라 이드(PVC), 폴리비닐니덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상이 혼합된 고분자 블렌드를 사용하는 것으로, 전해액과 반응성이 없는 고분자는 모두 사용가능하다. 또한, 결착성 고분자(4)의 결착층은 단층 또는 복층이상으로 사용한다.

상기 결착성 고분자(4)를 열융착하여 전극조립체(1)를 밀봉하는 방법은 진공포장기를 이용하여 100 ~ 250℃온도에서 전지 내부를 진공화하면서 열융착하여 봉인할 수도 있다.

상기 전해액 주입과 봉인과정은 수분과의 반응 억제가 필요한 경우에 통제된 분위기(불활성 기체 충진 박스, 드라이 룸)에서 실시할 수 있다.

단자의 굽힘처리

완전 봉인되어 형성된 전지의 일측 또는 양측으로 뻗어있는 단자(2)와 열수축형 튜브(5)와의 결착 부분은 에너지 밀도를 떨어뜨리는 문제점을 갖게 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 상기 전지의 일측 또는 양측으로 돌출되어 있는 단자(2)를 굽힘기를 이용하여 굽히고, 상기 굽힌 단자는 접착제(41)를 이용하여 전지에 접착시킨다.

이상에서 살펴본 단자의 굽힘처리는 에너지 밀도를 떨어뜨리는 문제점을 해결할 수 있으나, 전지 채용 기기와의 연결성 등을 고려하여 단자 굽힘처리는 생략할 수도 있다.

도 5는 이상에서와 같은 과정을 거쳐 제조된 전지를 예시적으로 도시한 것으로, 도 5의(a)는 원기둥 형상을 갖는 권취형으로 일측과 타측에 단자가 있는 것을 나타내고, (b)는 원기둥 형상을 갖는 권취형으로 일측에 두 개의 단자가 있는 것을 나타내고, (c)는 사각기둥 형상을 갖는 권취형으로 일측과 타측에 단자가 있는 것을 나타내고, (d)는 사각기둥 형상을 갖는 권취형으로 일측에 두 개의 단자가 있는 것을 나타내고, (e)는 봉형을 나타낸 것이고, (f), (g), (h)는 전극들이 적측형으로 쌓여 형성된 사각기둥형, 삼각기둥형, 육각기둥형을 나타낸 것이며, 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전지의 형태는 이외에도 다양하게 제조가능함을 밝혀두는 바이다.

이상에서와 같은 본 발명의 구성을 실시 예1을 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

실시예 1: 권취형 원통형 리튬이온 전지의 제작

음극활물질로서 흑연을 사용하고 음극판으로는 구리포일을 양극활물질로는 리튬코발트옥사이드(LiCoO₂), 양극판으로는 알루미늄 포일을 사용 각각 음극과 양극으로 하였으며 분리막으로는 폴리에칠렌(PE) 다공성 필름을 사용하여 제작하였다. 이렇게 제작된 음극, 양극, 분리막을 권취기의 권취축에 권취한 후에 음극, 양극으 로부터 상하로 분리되어 나온 단자를 폴리프로필렌 고분자를 사용하여 130℃에서 열 융착하였다. 이렇게 준비된 전극 조립체를 전해액(1M LiPF₆ in EC/DEC(50:50 v%)에 침지 시킨 후 준비된 EVA계 수지인 12mm 직경의 수축형 튜브에 집어넣었다. 양쪽 끝으로 나온 단자와 결착성 고분자 폴리프로필렌 그리고 수축형 튜브 고분자를 180℃온도에서 열융착시켜 봉인하여 AAA(10.5 X 44.5)사이즈의 전지를 제작하였다. 봉인된 전지에 대하여 충전, 방전 테스트를 0.2C전류로서 실시하였으며 그 결과가 도 6과 같으며 용량은 500 mAh였으며 이는 530 Wh/l, 204 Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 보여 주었다. 도 7은 1C 전류로 충전 방전시켰을 때에 사이클 수명이 매우 우수함을 보여 준다. 포메이션을 거친 전지에 대하여 안전성 테스트중에 과방전 테스트를 실시하였으며 조건과 그 결과는 표1과 같다.

표 1

조건	결과
12 V까지 1C(500mA), 12V에서 2.5시간 유지	발연, 발화, 폭발 없음
12 V까지 2C(1000mA), 12V에서 2.5시간 유지	발연, 발화, 폭발 없음

이렇게 과방전 테스트에서 좋은 결과를 얻는 것은 수축 튜브의 성질에 기인한다. 과방전시 열이 발생하게 되면 수축 튜브는 형상 기억된 크기로 더욱 작아 지려고 하고 전지 내부의 구성물은 더욱 팽창하려고 한다. 이때에 미세부분의 단락이 발생하고 이 미세 부분으로 전류가 흐르면서 장시간 동안 폭발이나 발화 등을 억제해 준다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지는 그 제작과정에 있어서 금속캔 및 파우치를 케이스로 사용하던 종래의 방법을 고분자 재질 복합수지를 수축형 튜브로 사용함으로써 그 제작이 간단하게 되고 에너지 밀도의 향상과 안정성 및 경제성이 우수한 전지를 제공할 수 있으며, 또한 종래의 방법으로는 불가능했던, 여러 형태로 전지의 제작이 가능하다.

Claims (3)

1. 음극, 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 위치하는 분리막으로 이루어진 전극층이 권취 또는 적층되거나, 봉형으로 이루어지는 전극조립체(1) 제조단계;와,

   상기 전극조립체(1)에 전해액을 주입시키는 전해액 주입단계;와,

   상기 전해액이 주입된 전극조립체(1)를 봉인하는 봉인단계;로 이루어진 것에 있어서,

   상기 봉인단계는 상기 전극 조립체(1)를 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 실리콘 수지 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 이루어진 열수축형 튜브(5)에 넣고, 상기 전극조립체(1)의 일측 또는 양측으로 돌출되어 있는 단자(2)와, 상기 단자(2)에 결착되어 있는 결착성 고분자(4)와, 상기 열 수축형 튜브(5)를 동시에 100 ~ 250℃의 범위로 열 융착하는 것을 특징으로 하는 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 결착성 고분자(4)는 폴리올레핀계, 폴리이마이드(PI), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐니덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상이 혼합하여 이루어진 것으로, 전극조립체(1)의 일측 또는 양측에 형성되어 있는 단자(2) 또는 봉(3)을 50 ~ 200℃로 결착시키는 것을 특징으 로 하는 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 전극 조립체(1)는 원기둥형, 원뿔형, 다각기둥형, 다각뿔형 중 선택되는 어느 1종의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 열수축형 튜브를 전지의 외관으로 사용한 전지의 제조방법.

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