KR100778999B1 - 리튬 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

리튬 이차전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해액을 주입한 후 캔의 하면 또는 측면을 가열하여 전해액에 대류를 발생시킴으로써 전해액이 전극조립체 내부로 용이하게 함습할 수 있도록 하며, 캔의 바닥에 위치한 절연판의 표면에 전해액이 흐를 수 있는 유로를 형성함으로써 전해액의 유동을 도와 전해액이 보다 용이하게 함습할 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지, 전해액의 대류, 전해액 함습, 절연판, 레일리 수

Description

리튬 이차전지 및 그 제조방법{Lithium rechargeable battery and method of making the same}
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판의 사시도
도 3b는 도 3a의 A-A 단면도
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연판의 사시도
도 4b는 도 4a의 평면도
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조방법 중 일례를 도시한 사시도
도 5b는 도 5a의 단면 모식도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조방법 중 다른 일례를 도시한 사시도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
200 - 리튬 이차전지 210 - 캔
212, 312 - 절연판 214, 314 - 홈
220 - 전극조립체 230 - 캡조립체
290 - 전해액
본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해액을 주입한 후 캔의 하면 또는 측면을 가열하여 전해액에 대류를 발생시킴으로써 전해액이 전극조립체 내부로 용이하게 함습할 수 있도록 하며, 캔의 바닥에 위치한 절연판의 표면에 전해액이 흐를 수 있는 유로를 형성함으로써 전해액의 유동을 도와 전해액이 보다 용이하게 함습할 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타낸다.
상기 리튬 이차전지(100)는, 도 1을 참조하면, 양극판(123), 음극판(125) 및 세퍼레이터(124)로 구성되는 전극조립체(120)를 전해액과 함께 캔(110)에 수납하 고, 이 캔(110)의 상단개구부를 캡조립체(130)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캔(110)은 일반적으로 알루미늄 또는 그 합금 재질로 형성되며, 딥드로잉 방식에 의하여 제작된다. 상기 캔(110)의 하면은 일반적으로 거의 평면 형상으로 형성된다.
상기 전극조립체(120)는 양극판(123)과 음극판(125) 사이에 세퍼레이터(124)가 개재되면서 권취되어 형성된다. 상기 양극판(123)에는 양극탭(126)이 결합되어 전극조립체(120)의 상단부로 돌출되며, 음극판(125)에는 음극탭(127)이 결합되어 전극조립체(120)의 상단부로 돌출된다. 상기 전극조립체(120)에서 상기 양극탭(126)과 음극탭(127)은 소정거리 떨어져 형성되어 전기적으로 절연되도록 한다. 상기 양극탭(126)과 음극탭(127)은 일반적으로 니켈 금속으로 형성된다.
상기 캡조립체(130)는 캡플레이트(140)와 절연플레이트(150)와 터미널플레이트(160) 및 전극단자(135)를 포함하여 구성된다. 캡조립체(130)는 별도의 절연케이스(170)와 결합되어 캔(110)의 상단개구부에 결합되어 캔(110)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(140)는 상기 캔(110)의 상단개구부와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(140)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공1이 형성되며, 단자통공1에 삽입될 때는 전극단자(135)와 캡플레이트(140)의 절연을 위하여 전극단자(135)의 외면에는 튜브형의 개스킷튜브(146)가 결합되어 함께 삽입된다. 한편, 상기 캡플레이트(140)의 일측에는 전해액주입구(142)가 소정크기로 형성된다. 상기 캡조립체(130)가 상기 캔(110)의 상단개구부에 조립된 후 전해액주입구(142)를 통하여 전해액이 주입되고, 전해액주입구(142)는 별도의 밀폐수 단인 볼(180)에 의하여 밀폐된다. 또한, 상기 캡플레이트(140)의 타측에는 안전밴트(도면 미도시)가 소정 크기로 형성될 수도 있다. 상기 안전밴트는 캡플레이트(140)의 다른 부분에 비해 얇게 형성되어 전지 내부의 압력이 임계치 이상으로 상승하면 파손된다.
상기 전극단자(135)는 상기 음극판(125)의 음극탭(127) 또는 상기 양극판(123)의 양극탭(126)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 절연플레이트(150)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트(140)의 하면에 결합된다. 절연플레이트(150)에는 상기 캡플레이트(140)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(135)가 삽입되는 단자통공2가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(150)의 하면에는 상기 터미널플레이트(160)가 안착되도록 터미널플레이트(160)의 크기에 상응하는 안착홈이 형성된다.
상기 터미널플레이트(160)는 일반적으로 니켈 합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(150)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(160)에는 캡플레이트(140)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(135)가 삽입되는 단자통공3이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(135)가 상기 개스킷튜브(146)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(140)의 단자통공1을 통하여 결합되므로 상기 터미널플레이트(160)는 상기 캡플레이트(140)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(135)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널플레이트(160)의 일측에는 상기 음극판(125)에 결합된 음극탭(127)이 용접되며, 캡플레이트(140)의 타측에는 상기 양극판(123)에 결합된 양극탭 (126)이 용접된다. 상기 음극탭(127)과 양극탭(126)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며, 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
상기 절연케이스(170)는 캡조립체(130)와 전극조립체(120) 사이의 절연을 담당하게 되며, 양극탭용 홀과 음극탭용 홀이 형성되어 있다.
통상적으로 리튬 이차전지는 캔 내부에 전해액을 주입한 후 상당 기간동안 방치함으로써 내부로 주입된 전해액이 전극조립체 내부로 함습되도록 한다. 한편, 리튬 이차전지의 캔의 내측면과 전극조립체 사이, 캔의 바닥면과 전극조립체 사이 및 전극조립체의 극판과 세퍼레이터 사이는 상당한 압력으로 밀착되도록 형성된다. 따라서, 캔 내부로 주입된 전해액은 전극조립체 내부로 원활하게 함습하기에 매우 힘들 뿐 아니라, 장시간에 걸쳐 방치한다고 해도 거의 틈이 없는 전극조립체의 내부로 충분히 함습하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 전해액을 주입한 후 캔의 하면 또는 측면을 가열하여 전해액에 대류를 발생시킴으로써 전해액이 전극조립체 내부로 용이하게 함습할 수 있도록 하며, 캔의 바닥에 위치한 절연판의 표면에 전해액이 흐를 수 있는 유로를 형성함으로써 전해액의 유동을 도와 전해액이 보다 용이하게 함습할 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 리튬 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 구비하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체의 하부와 상기 캔 사이에는 사각 형상의 절연판이 삽입되며, 상기 절연판의 표면에는 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 절연판은 상기 전극조립체와 접하는 상면에 상기 홈이 형성될 수 있다. 또한, 상기 홈은 매트릭스 형상 또는 방사 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지 제조방법은 캔의 내부에 절연판을 삽입하는 절연판 삽입단계; 캔의 내부에 전극조립체를 삽입하는 전극조립체 삽입단계; 상기 캔의 내부에 전해액을 주입하는 전해액 주입단계; 및 상기 캔을 가열하는 가열단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연판 삽입단계는 상기 절연판의 표면에 전해액의 유로가 형성되도록 홈을 형성하는 홈 형성단계 이후에 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가열단계는 상기 캔의 밑면 또는 옆면을 가열하는 것일 수 있다. 또한, 상기 가열단계는 상기 전해액의 온도보다 적어도 10℃ 높은 온도로 가열하는 것일 수 있다. 또한, 상기 가열단계는 상기 전해액의 레일리(Rayleigh) 수가 104 내지 105 이 되도록 가열하는 것일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하에서는 각형 리튬 이차전지를 예로 들어 설명하였으나, 원통형 리튬 이차전지에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타낸다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판의 사시도를 나타내며, 도 3b는 도 3a의 A-A 단면도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2를 참조하면, 양극판(223), 음극판(225) 및 세퍼레이터(224)로 구성되는 전극조립체(220)를 전해액과 함께 캔(210)에 수납하고, 이 캔(210)의 상단개구부를 캡조립체(230)로 밀봉함으로써 형성된다. 또한, 상기 리튬 이차전지(200)는 전극조립체(220)와 캔(210) 사이의 절연을 위해 절연판(212)이 삽입된다. 상기 리튬 이차전지(200)는 장변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 정면과 배면, 단변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 양 측면, 상기 캡플레이트(240)가 위치하는 상면과 상기 상면과 마주보는 하면을 포함하여 이루어진다.
상기 전극조립체(220)는 양극판(223)과 음극판(225) 사이에 세퍼레이터(224)가 개재되면서 권취되어 형성된다.
상기 양극판(223)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬산화물이 사용되고 있다. 상기 양극판(223)의 양 말단에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체 영역, 즉 양극 무지부가 형성된다. 상기 양극 무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극 조립체(220)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(226)이 접합되어 있다.
상기 음극판(225)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(225)의 양 말단은 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체 영역, 즉 음극 무지부가 형성된다. 상기 음극 무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극 조립체(220)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(227)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극 조립체(220)의 하부에는 캔(210)과의 접촉을 방지하기 위한 절연판이 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 세퍼레이터(224)는 상기 양극판(223)과 음극판(225) 사이에 개재되며 상기 전극조립체(220)의 외주면을 둘러싸도록 연장되어 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(224)는 상기 양극판(223)과 음극판(225)의 단락을 방지하며, 리튬 이온을 통과시킬 수 있도록 다공막 고분자물질로 형성된다.
상기 캔(210)은 대략 직사각형 형상의 한 쌍의 장측벽과, 한 쌍의 단측벽 및 하면판을 포함하여 대략 박스 형상으로 형성되며, 상부는 개구되어 상단개구부를 이루고 있다. 또한, 상기 캔(210)은 대략 박스형상으로 형성될 때 수평방향으로의 단면의 형상이 사각형상 또는 타원형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상단개구부로는 상기 전극조립체(220)가 삽입된다. 또한, 상기 전극조립체(220) 사이로 함침하여 리튬 이온의 이동을 가능하게 해 주는 전해액이 주입된다. 캔(210) 의 재질은 주로 가벼운 알루미늄(Al)이 사용된다. 상기 캔(210)의 상부는 캡조립체(230)에 의해 밀봉되어, 전해액의 누출이 방지된다. 상기 캔(210)의 장측벽과 단측벽의 두께는 대략 0.2 내지 0.4mm로 형성되며, 상기 하면판의 두께는 대략 0.2 내지 0.7mm로 형성된다. 다만, 여기서 상기 장측벽과 단측벽의 두께를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(210)은 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식에 의하여 형성되며, 상기 장측벽과 단측벽 및 상기 하면판은 일체형으로 형성된다. 다만, 여기서 상기 캔(210)의 형성 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡조립체(230)는 캡플레이트(240)와 절연플레이트(250)와 터미널플레이트(260) 및 전극단자(235)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(230)는 별도의 절연케이스(270)와 결합되어 캔(210)의 상단개구부에 결합되어 캔(210)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(240)는 상기 캔(210)의 상단개구부에 용접되어 상기 캔(210)을 밀봉한다. 상기 캡플레이트(240)는 단자통공1(도면 미도시)과 전해액주입구(242)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 캡플레이트(240)는 안전밴트(도면 미도시)를 포함하여 형성될 수도 있다. 다만, 상기 안전밴트는 캡플레이트(240)에 형성되지 않을 수도 있음은 물론이다. 또한, 상기 전해액주입구(242)는 볼 등의 밀폐수단(280)에 의해 밀폐된다.
상기 단자통공1은 상기 캡플레이트(240)의 대략 중앙에 형성되며, 개스킷튜브(246)에 의해 절연된 전극단자(235)가 삽입된다.
상기 전해액주입구(242)는 상기 캡플레이트(240)의 일측에 형성된다. 상기 전해액주입구(242)의 상단은 리튬 이차전지(200)의 상부 방향을 향하도록 형성되며, 상기 전해액주입구(242)의 하단은 리튬 이차전지(200)의 캔(210) 내부, 즉 전극조립체(220)를 향하도록 형성된다. 또한, 상기 전해액주입구(242)는 프레스 방식에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 여기서 상기 전해액주입구(242)의 형성방법을 한정하는 것은 아니다. 상기 밀폐수단(280)은 연성이 있는 금속재질로 형성되며, 바람직하게는 알루미늄 재질로 형성된다. 다만, 여기서 상기 밀폐수단(280)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 밀폐수단(280)은 볼 형상으로 형성될 수 있으며, 전해액주입구(242)에 압착, 용접된다.
상기 안전밴트는 상기 캡플레이트(240)의 타측에 형성되며, 다른 부분에 비해 얇은 두께로 형성된다. 상기 안전밴트(243)는 평면 형상이 타원형으로 형성될 수 있으며, 다만 여기서 상기 안전밴트(243)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 안전밴트(243)는 압착방식으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 안전밴트(243)의 형성방식을 한정하는 것은 아니다. 상기 안전밴트(243)는 전지 내부의 압력이 소정 압력 이상으로 상승하면 파손되어 전지의 발화, 폭발을 방지하는 역할을 한다.
상기 절연플레이트(250)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트(240)의 하면에 결합된다. 상기 절연플레이트(250)에는 상기 캡플레이트(240)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(235)가 삽입되는 단자통공2가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(250)의 하면에는 상기 터미널플레이트(260)가 안착되도록 터미널플레이트(260)의 크기에 상응하는 안착홈이 형성된다.
상기 터미널플레이트(260)는 일반적으로 Ni합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(250)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(260)에는 캡플레이트(240)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(235)가 삽입되는 단자통공3이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(235)가 상기 개스킷튜브(246)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(240)의 단자통공1을 통하여 결합되므로 상기 터미널플레이트(260)는 상기 캡플레이트(240)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(235)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널플레이트(260)의 일측에는 상기 음극판(225)에 결합된 음극탭(227)이 용접되며, 캡플레이트(240)의 타측에는 상기 양극판(223)에 결합된 양극탭(226)이 용접된다. 상기 음극탭(227)과 양극탭(226)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
상기 전극단자(235)는 상기 음극판(225)의 음극탭(227) 또는 상기 양극판(223)의 양극탭(226)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 절연판(212)은, 도 2 내지 도 3b를 참조하면, 전극조립체(220)의 하부와 캔(210)의 하면판이 서로 접하는 부분에 삽입된다. 상기 절연판(212)은 상기 전극조립체(220)의 하부와 접하는 상면(212a)과, 캔(210)의 하면판과 접하는 하면(212b)을 포함하여 형성된다. 상기 상면(212a)과 전극조립체(220) 사이 및 상기 하면(212b)과 캔(210) 사이에는 전해액이 주입될 수 있다. 상기 절연판(212)은 평면 형상이 대략 사각 형상으로 형성되며, 바람직하게는 상기 캔(210)의 하면판 형상에 대응되도록 직사각 형상으로 형성된다. 한편, 상기 절연판(212)은 캔(210)의 단측 벽이 부드러운 곡면 형상으로 형성되어 하면판이 스타디움 형상으로 형성되는 경우, 이와 대응되는 형상으로 형성될 수도 있음은 물론이다. 다만, 여기서 상기 절연판(212)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 절연판(212)은 전극조립체(220)의 하부와 캔(210)이 서로 절연될 수 있을 정도의 두께로 형성된다. 또한, 상기 절연판(212)은 절연성이 우수한 절연체로 형성되며, 바람직하게는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀계로 형성된다. 다만, 여기서 상기 절연판(212)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 절연판(212)은 전극조립체(220)와 캔(210) 사이에 발생할 수 있는 전기적 쇼트를 방지하기 위해 삽입된다.
한편, 상기 절연판(212)은 표면에 홈(214)이 형성된다. 상기 홈(214)은 상면(212a)과 하면(212b) 모두에 형성될 수 있으며, 도 3a와 같이 상면(212a)에만 형성될 수도 있다. 상기 홈(214)은 상면(212a)을 가로지를 수 있도록 매트릭스 형상으로 형성된다. 다만, 여기서 상기 홈(214)의 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 홈(214)은 전극조립체(220)의 하부와 절연판(212) 사이의 밀착된 공간으로 전해액이 주입될 수 있을 정도의 깊이로 형성된다. 다만, 상기 홈(214)의 깊이가 지나치게 깊도록 형성되면 절연판(212)이 파손될 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 상기 홈(214)은 프레스 방식으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 홈(214)의 형성방법을 한정하는 것은 아니다. 상기 홈(214)은 상면(212a)의 가로 방향으로 적어도 하나 형성되며, 또한 상기 상면(212b)의 세로 방향으로 적어도 하나 형성된다. 상기 가로 방향의 홈과 세로 방향의 홈은 서로 만나서 교차부(215)를 이루며, 상기 교차부(215)는 사방이 열려 있는 구조를 가지게 된다. 따라서, 전해액이 상기 홈(214)으 로 유입되면 가로 방향과 세로 방향으로 전해액이 스며들고 교차부(215)에서 서로 만나기도 하면서 전극조립체(220)의 하부와 절연판(212) 사이에 유로를 형성하게 된다. 상기 홈(214)은 전극조립체(220)의 하부와 절연판(212) 사이에 유로를 형성함으로써 전해액이 전극조립체(220) 내부로 보다 원활하게 함습할 수 있도록 한다. 또한, 상기 전해액이 전극조립체의 내부로 보다 원활하게 함습할 수 있도록 캔의 하면 또는 측면을 가열할 수도 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연판의 사시도를 나타내며, 도 4b는 도 4a의 평면도를 나타낸다. 도 4a의 실시예는 절연판(312)에 방사 형상의 홈(314)이 형성된다는 점을 제외하면 상기 도 3a의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지는 전극조립체와 캔과 캡조립체 및 절연판(312)을 포함하여 형성된다. 상기 전극조립체와 캔 및 캡조립체는 도 3a의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 절연판(312)은, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 평면 형상이 대략 직사각형상으로 형성된다. 또한, 상기 절연판(312)은 전극조립체의 하부와 접하게 되는 상면(312a)과, 캔의 하면판과 접하게 되는 하면(312b)을 포함하여 형성된다. 상기 절연판(312)의 표면에는 홈(314)이 형성되며, 상기 홈(314)은 상면(312a)과 하면(312b) 모두에 형성될 수도 있고 상면(312a)에만 형성될 수도 있음은 상기에서 언 급한 바와 같다.
상기 홈(314)은 방사 형상으로 형성된다. 보다 상세하게는 상기 홈(314)은 대각선 방향으로 두 개 형성되고, 상면(312a)의 가로 방향과 세로 방향으로 적어도 하나 형성된다. 상기 대각선 방향의 홈과 가로 및 세로방향의 홈은 서로 만나도록 형성되어 교차부(315)를 이루게 된다. 상기 교차부(315)는 네 방향으로 열린 구조로 형성되어 전해액의 흐름을 보다 원활하게 한다. 상기 홈(314)은 전극조립체의 하부와 절연판(312) 사이의 밀착된 공간으로 전해액이 주입될 수 있을 정도의 깊이로 형성되며, 프레스 방식에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 홈(314)은 양 대각선 방향으로 보다 긴 유로가 형성되고, 상기 대각선 방향과 가로/세로 방향이 서로 만나도록 형성됨으로써 캔의 하부로 유입된 전해액이 전극조립체의 내부로 보다 용이하게 함습할 수 있도록 한다. 또한, 상기 전해액이 전극조립체의 내부로 보다 원활하게 함습할 수 있도록 캔의 하면 또는 측면을 가열할 수도 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 각형 리튬 이차전지의 제조 방법을 예로 들어 설명하였으나, 원통형 리튬 이차전지의 제조 방법에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 이하에서는 도 2의 실시예를 참조하여 도면 부호를 붙이기로 한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조 방법 중 일례를 도시한 사시도를 나타내며, 도 5b는 도 5a의 단면 모식도를 나타낸다. 도 6은 본 발 명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조방법 중 다른 일례를 도시한 사시도를 나타낸다. 여기서 도 5b는 전극조립체(220)와 캔(210)의 측면 사이의 간격, 전극조립체(220)와 캔(210)의 하면 사이의 간격이 편의상 다소 과장되어 도시되어 있다는 점을 밝혀 둔다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)의 제조방법은 전극조립체(220) 를 형성하는 전극조립체(220) 형성단계, 캔(210)의 내부에 절연판(212)을 삽입하는 절연판(212) 삽입단계, 캔(210)의 상단개구부로 상기 전극조립체(220)를 삽입하는 전극조립체(220) 삽입단계, 캡조립체(230)로 상기 상단개구부를 밀봉하는 캔(210) 밀봉단계, 전해액주입구(242)에 전해액을 주입하는 전해액 주입단계 및 캔(210)을 가열하는 가열단계를 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)의 제조방법은 상기 절연판(212)의 표면에 전해액의 유로가 형성되도록 홈(214)을 형성하는 홈(214) 형성단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 한편, 상기 전극조립체(220) 형성단계, 캔(210) 밀봉단계는 일반적인 리튬 이차전지 제조방법과 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
상기 홈(214) 형성단계는 절연판(212)의 표면에 홈(214)을 형성하는 과정이다. 상기 홈(214)은 매트릭스 형상, 방사 형상 등으로 형성될 수 있다. 상기 홈(214) 형성단계는 절연판(212) 삽입 단계 이전에 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 홈(214) 형성단계는 절연판(212)에 전해액의 유로를 형성시킴으로써, 상기 가열단계시 전해액이 전극조립체(220) 내부로 보다 원활하게 함습될 수 있도록 한다.
상기 절연판(212) 삽입단계는 캔(210)의 내부에 절연판(212)을 삽입하는 과 정이다. 상기 절연판(212) 삽입단계는 전극조립체(220)와 캔(210) 사이의 전기적 쇼트를 방지하기 위해 이루어진다.
상기 전극조립체(220) 삽입단계는 젤리-롤 형상으로 권취된 전극조립체(220)를 캔(210)의 상단개구부로 삽입하는 과정이다. 각형 리튬 이차전지의 경우 상기 전극조립체(220)는 소정의 압력을 가하여 대략 타원통 형상으로 만든 후 캔(210)의 내부로 삽입하게 된다. 한편, 원통형 리튬 이차전지의 경우 상기 전극조립체(220)는 권취된 원통 형상 그대로 캔(210)에 삽입하게 된다.
상기 전해액 주입단계는 전해액주입구(242)를 통해 전해액을 주입하는 과정이다. 상기 전해액주입구(242)는 전해액의 주입이 완료되면 알루미늄 볼 등의 밀폐수단(280)에 의해 밀봉된다.
상기 가열단계는, 도 5a 내지 도 6을 참조하면, 캔(210)의 하면(216) 또는 측면(217, 218)을 가열하는 과정이다. 도 5a와 도 6의 화살표는 캔(210)의 가열 방향을 나타낸다. 상기 가열단계는 캔(210)을 가열하여 전해액(290)의 온도(Tl)와 캔(210)의 온도(Tw)를 서로 다르게 형성함으로써, 가열된 전해액(290)이 캔(210)과 전극조립체(220) 내부에서 대류할 수 있도록 하는 과정이다. 상기 가열단계에서는 도 5a와 같이 캔(210)의 하면(216)이 가열될 수도 있고, 도 6과 같이 캔(210)의 측면(218)이 가열될 수도 있다. 또한, 상기 가열단계에서는 도 6과 같이 단측벽(218)이 가열될 수도 있고, 도시되지 않았으나 장측벽(217)이 가열될 수도 있음은 물론이다. 상기 캔(210)의 하면(216)이 가열되어 Tw > Tl 이 되면, 도 5b에 도시된 바와 같이 캔(216) 하면 주위의 전해액(290)의 밀도가 낮아지며 부력에 의해 하면(216) 주위의 전해액(290)이 상부로 이동하게 된다. 이 때, 부력을 좌우하는 값은 레일리(Rayleigh) 수로 측정되며 수학식 1과 같이 계산된다.
[수학식 1] R = gβ(Tw - Tl )H3 /αυ
(g는 중력가속도, β는 열팽창계수, H는 캔의 높이, α는 열확산계수, υ는 동점도)
이 때, 상기 가열단계는 상기 전해액(290)의 온도보다 적어도 10℃ 높은 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 따라서, Tw - Tl ≥ 10 이 된다. 또한, 상기 레일리 수 R은 104 내지 105 이 되도록 가열되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 가열단계에서는 전해액 주입 후 대기 시간 동안 전해액(290)이 정지되어 있지 않고 전극조립체(220) 내부에서 수직 운동을 계속하므로, 극판과 세퍼레이터 사이의 유동의 세기가 강하게 된다. 이는 다공질 층에서 유체가 다공질 층 사이로 퍼져 나가는 분산을 강하게 하여, 결과적으로 전해액의 함습 속도가 증가하게 된다. 또한, 상기 절연판(212)에는 상기 홈(214) 형성단계를 통하여 홈(214)이 형성되어 있으므로, 전해액(290)이 전극조립체(220)의 하부로 보다 용이하게 침투할 수 있도록 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 의하면, 전해액을 주입한 후 캔을 가열하여 전해액을 대류시킴으로써 전해액이 전극조립체 내부로 보다 원활하게 함습될 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 의하면, 절연판의 표면에 전해액의 유로가 되는 홈을 형성함으로써 캔의 바닥에 고인 전해액이 전극조립체 내부로 잘 함습될 수 있도록 한다.

Claims (8)

  1. 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 구비하는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 전극조립체의 하부와 상기 캔 사이에는 직사각 형상의 절연판이 삽입되며,
    상기 절연판의 표면에는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 절연판은 상기 전극조립체와 접하는 상면에 상기 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 홈은 매트릭스 형상 또는 방사 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
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