KR100907623B1 - 신규한 적층 구조의 이차전지용 전극조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집전체의 일면에 활물질층을 코팅한 양극과 음극을 수직 단면상으로 지그재그형으로 절곡하고, 분리막을 개재한 상태에서 활물질층이 서로 대면하도록 양극과 음극을 끼워 맞춘 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체를 제공하는 바, 이러한 전극조립체는 전지의 제조과정을 단순화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조비용 및 제조시간을 절감시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

신규한 적층 구조의 이차전지용 전극조립체 {Electrolyte Assembly for Secondary Battery of Novel Laminated Structure}

도 1a 및 1b는 종래기술에 따른 중첩식 전극조립체의 제조과정에 대한 모식도들이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 조립전의 모식도이다;

도 3은 도 2의 직선 A-A에 따른 전극조립체의 조립후의 수직 단면도이다;

도 4는 도 2의 전극조립체에서 하나의 바람직한 예에 따른 전극의 평면도이고; 도 5는 또 다른 바람직한 예에 따른 전극의 평면도이다;

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 조립전의 모식도이다;

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 조립전의 모식도이다;

도 8은 도 7의 직선 B-B에 따른 전극조립체의 조립후의 수직 단면도이다.

본 발명은 신규한 적층 구조를 가진 이차전지용 전극조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집전체의 일면에 활물질층을 코팅한 양극과 음극을 수직 단면상으로 지그재그형으로 절곡하고, 분리막을 개재한 상태에서 활물질층이 서로 대면하도록 양극과 음극을 끼워 맞춘 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적고, 중량 및 제조비용이 적으며, 다양한 형태로의 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.

이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립 체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 진일보한 중첩식 전극조립체는, 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호 및 제2001-82060호에 자세히 기재되어 있는 바와 같이, 소정 크기의 양극/분리막/음극의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 개재한 상태에서 양극과 음극이 대면하도록 순차적으로 적층한 구조로 이루어진 전극조립체를 들 수 있다. 이러한 중첩식 전극조립체의 구조는 그것의 제조과정에 대한 모식도들이 도시되어 있는 도 1a 및 1b에서 확인할 수 있다.

도 1a 및 1b를 참고하면, 중첩식 전극조립체(10)는, 양극(1)과 음극(2) 및 분리막(5)을 일정한 크기로 절단하는 공정, 절단된 양극(1)과 음극(2) 및 분리막(5)을 순차적으로 적층하여 바이셀(또는 풀셀)을 제조하는 공정, 이렇게 제조된 바이셀(6)을 분리필름(7)을 사용하여 폴딩하는 공정, 및 양극(1) 및 음극(2)의 일측에서 돌출된 전극 탭들(3, 4)을 전기적으로 연결하는 공정 등 여러 단계의 과정을 거쳐 제조되기 때문에, 제조과정이 번잡하고, 공정수에 따른 제조비용과 제조시간이 증가되는 단점을 가지고 있다. 또한, 전극 탭들(3, 4)을 연결하는 공정은 별도의 연결부재가 필수적일 뿐만 아니라, 용접 등의 까다로운 작업을 거쳐 이루어지므로, 제조비용의 증가는 물론 전지의 불량 발생 확률을 높이는 원인이 된다.

이와 관련하여, 스택형 및 중첩식 적층 구조가 아닌 수직 단면상으로 지그재그형 중첩 구조로 전극조립체를 제조하는 방법이 알려져 있다.

예를 들어, 일본 특허출원공개 제2001-160393호에는 분리막 시트 상에 양극과 바이셀 또는 풀셀 등의 전극 적층체 유닛들을 부착시킨 상태에서 지그재그형으로 접어 전극조립체를 제조하는 방법을 개시되어 있다. 그러나, 이러한 제조방법 역시 상기 중첩식 전극조립체에서와 마찬가지로 전극 적층체 유닛들을 제조하는 공정과 이들은 분리막 시트에 정렬시키는 공정이 필요하므로 근본적인 한계를 가지고 있다.

또한, 한국 특허출원공개 제2000-51741호에는 전극 시트와 분리막을 양극/분리막/음극의 적층 구조로 제조한 후 이를 지그재그형으로 접어 전극조립체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 방법은 상기 일본 출원과 비교하여 전반적인 공정이 매우 간단하다는 장점을 가지지만, 양극/분리막/음극의 적층 구조물은 그 자체로서 소정의 두께를 가지므로 지그재그형으로 접는 과정이 용이하지 않고, 또한 이러한 접는 과정이 가능할 수 있도록 힘을 인가하는 과정에서 집전체 상의 전극 활물질층이 탈리되는 현상이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 양극과 음극을 수직 단면상으로 지그재그형으로 미리 절곡하고, 분리막을 개재한 상태에서 전극의 활물질층이 서로 대면하도록 양극과 음극을 끼워 맞춰 전극조립체를 제조할 경우, 전지의 제조과정을 단순화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조비용 및 제조시간을 절감시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 등 다양한 잇점들을 확인하였다. 본 발명은 이러한 발견을 기초로 완성되었다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 전극조립체는 집전체의 일면에 활물질층을 코팅한 양극과 음극을 수직 단면상으로 지그재그형으로 절곡하고, 분리막을 개재한 상태에서 활물질층이 서로 대면하도록 양극과 음극을 끼워 맞춘 구조로 구성되어 있다.

이러한 구조의 전극조립체는 양극과 음극을 미리 소정의 형태로 절곡하고 상호 중첩되도록 이들을 끼워 맞추는 매우 간단한 공정에 의해 제조될 수 있다는 장점을 가진다.

금속의 집전체에 활물질층이 도포되어 있는 양극 및 음극을 용이하게 절곡하고 절곡 부위에서 전극조립체의 두께가 증가하는 것을 방지하기 위하여, 본 발명에서는 이후 설명하는 바와 같은 다양한 구조들을 제시한다.

상기 "접힘 부위"는 지그재그 형태의 전극에서 절곡되어 있는 모서리 부위로 서, 절곡이 행해지는 방향(절곡방향)을 따라 소정의 간격으로 배열되어 있으며, 인접한 두 접힘 부위들 상호간의 이격 거리에 의하여 전극조립체의 너비가 결정된다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전극을 용이하게 절곡하기 위하여, 상기 접힘 부위에는 마킹(marking)이 형성되어 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 마킹은 전극의 집전체 상에 형성되어 있는 것으로, 예를 들어, 접힘 부위를 따라 일정한 간격으로 천공된 다수의 구멍들로 이루어질 수도 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 전극을 용이하게 절곡하고 절곡 부위에서의 전극조립체의 두께 증가를 방지하기 위하여, 접힘 부위에 활물질을 도포하지 않거나 얇은 두께의 활물질이 도포되도록 구성할 수도 있다. 이러한 접힘 부위는 예를 들어, 패턴 코팅 방식을 이용하여 집전체상에 활물질층을 도포함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 전극조립체에서, 상기 분리막은 절연성 소재의 얇은 다공성 박막으로서, 제조공정 중에 그것의 취급이 용이하지 않다는 점을 고려하여, 전극의 절곡 이전에 양극 또는 음극의 활물질층에 열융착시켜 고정할 수도 있다.

일반적으로 스택형 전극조립체에서는 다수의 독립적인 전극들로 구성되므로, 이들을 상호 조합하여 외부회로와 연결할 수 있도록, 전극의 집전체에는 그것의 일측 또는 양측 단부에 전극 탭이 돌출되어 있으며, 그러한 전극 탭에는 활물질이 코팅되어 있지 않다.

반면에, 본 발명에서는 일 단위의 집전체를 절곡하여 중첩된 다수의 전극들을 구성하므로, 상기와 같은 다수의 전극 탭을 절곡된 전극 별로 형성할 수도 있지 만, 바람직하게는, 전극의 일측 또는 양측 단부에 소정의 크기로 활물질층이 코팅되어 있지 않은 부위를 남겨두고 이러한 부위에 전극 리드 등을 부착하여 전기적 연결을 행할 수도 있다.

본 발명에 따른 전극조립체는 하기에서와 같은 다양한 형태로의 변형이 가능하다.

첫 번째 변형 예로서, 상기 전극조립체는 절곡방향에 대한 세로방향(폭방향)으로 전극의 폭에 대하여 배수의 크기로 연장되어 있는 분리막을 사이에 두고, 상기 분리막의 세로방향으로 다수의 전극을 끼워 맞춘 후 세로방향으로 폴딩하는 것으로 구성될 수도 있다.

두 번째 변형 예로서, 상기 전극조립체는 절곡방향에 대한 가로방향으로 전극의 길이보다 연장되어 있는 분리막을 사이에 두고 전극을 끼운 후, 상기 끼워 맞춰진 전극의 외면을 상기 분리막의 연장부위로 감싸는 것으로 구성될 수 도 있다. 이때, 상기 전극들은 바람직하게는 분리막의 연장부위를 제외한 나머지 부분에 끼워 맞춰진다.

본 발명은 또한 상기와 같은 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지를 제공한다.

본 발명에서 상기 이차전지는 바람직하게는 리튬이온 폴리머 전지로서, 상기 리튬이온 폴리머 이차전지를 구성하는 구성 요소 및 제조 방법은 당업계에 공지되어 있는 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 조립전의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 직선 A-A에 따른 조립후의 수직 단면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전극조립체(100)는 집전체(111, 121)의 일면에 각각 활물질층(112, 122)이 도포되어 있는 양극(110)과 음극(120)을 수직 단면상으로 지그재그 형태를 가지도록 절곡하고, 같은 형태로 절곡된 분리막(130)을 개재한 상태에서 활물질층(112, 122)이 서로 대면하도록 양극(110)과 음극(120)을 끼워 맞춘 구조로 이루어져 있다. 분리막(130)은 끼워 맞추는 과정 전에 전극들(110, 120)과 마찬가지로 절곡시킬 수도 있고, 분리막(130)의 유연한 박막 특성을 고려하여 별도의 절곡을 행하지 않고 끼워 맞추는 과정에서 자연스럽게 절곡이 이루어지도록 조립을 행할 수도 있다.

양극(110)과 음극(120)의 일측 단부에는 전기적 연결을 이룰 수 있도록 전극 리드(도시하지 않음)가 부착되기 위한 잉여 부위(A)가 부가되어 있다. 상기 잉여 부위(A)는 전체(111, 121) 상에 활물질이 도포되어 있지 않다.

또한, 양극(110)과 음극(120)은 금속의 집전체(111, 121)로 구성되어 있는 바, 절곡이 용이하지 않기 때문에 접힘 부위(140)에 다양한 변형을 줄 수도 있다. 이러한 접힘 부위의 구조는 바람직한 예에 따른 전극의 평면도가 도시되어 있는 도 4 및 5에서 확인할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 접힘 부위는 전극의 집전체(161) 상에서 접힘 부위를 따라 일정한 간격으로 이격되어 천공된 다수의 구멍들로 이루어진 마킹(160)의 형태일 수 있으며, 집전체(171) 상에 활물질층(172)을 코팅할 때, 활물질이 없거나 얇게 도포되어 있는 부위(170)일 수도 있다.

도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 조립전의 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 조립전의 사시도가 도시되어 있다.

우선, 도 6을 참고하면, 전극조립체(101)는 절곡방향(x)에 대한 세로방향(y)으로 전극의 폭(w)에 대하여 3 배의 크기로 연장된 분리막(180)을 포함하며, 도 2에서와 같이, 분리막(180)을 사이에 두고 세로방향(y)으로 세 개의 양극(110)과 음극(120)을 각각 끼워 맞추는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극조립체(101)는 전극의 폭(w)을 기준으로 세로방향(y)으로 폴딩될 수 있다. 세로방향(y)으로의 폴딩 시, 도면에서와 같이, 양극(110)과 음극(120)이 세로방향(y)으로 서로 교번배열되어 있는 경우에는, 이들 반대되는 전극들이 서로 대면하도록 지그재그형으로 절곡시킬 수 있다. 이때, 세로방향(y)으로 절곡되는 양극(110)과 음극(120) 사이에 분리막(180)이 개재되도록, 분리막(180)은 도 2와 비교하여 1/2 회 더 절곡될 수 있는 길이로 연장되어 있다.

도 7을 참고하면, 전극조립체(102)는 절곡방향(x)으로 전극의 길이(l)보다 연장되어 있는 분리막(190)을 포함하며, 역시 도 2에서와 같이, 분리막(190)을 사 이에 두고 양극(110)과 음극(120)을 끼워 맞춘 후, 분리막(190)의 연장부위(191)를 이용하여 전극들(110, 120)의 외면을 감싸는 구조로 이루어져 있다. 이에 대한 자세한 구조는 직선 B-B에 따른 조립후의 수직 단면도가 도시되어 있는 도 8에서 용이하게 확인할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

양극 활물질로서 LiCoO₂ 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 도 3에서와 같이, 마킹이 형성되어 있는 알루미늄 호일의 일면에 각각 코팅, 건조, 및 압착하여 양극을 제조하였다.

음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 도 3에서처럼 마킹이 형성되어 있는 구리 호일의 일면에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.

분리막으로 셀가드^TM를 사용하였고, 상기 양극과 음극을 그것의 마킹 부위에 따라 수직 단면상 지그재그의 형태를 가지도록 절곡한 후, 그와 같은 형태로 절곡 된 상기 분리막을 사이에 두고, 상기 양극과 음극을 그것의 활물질층이 대면하도록 끼워 맞추는 것으로 전극조립체를 제조하였고, 이러한 전극를 전지케이스에 내장한 후 전해액을 주입하여 전지를 제조하였다.

[비교예 1]

양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태에서 일단 적층한 뒤, 이를 수직 단면상 지그재그의 형태를 가지도록 절곡하여 전극조립체를 제조하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1과 비교예 1의 과정으로 각각 10 개의 전지들을 제조하였고, 이 과정에서 양극과 음극으로부터 탈리되는 고형분의 양을 측정하였다. 그 결과, 비교예 1의 전지 제조과정에서 탈리되는 고형분의 양은 실시예 1과 비교하여 평균 180%에 이르렀다. 탈리된 고형분들을 분석하여 본 결과, 이들은 전극 활물질, 결합제, 도전제 등이었으며, 비교예 1의 전지 제조과정에서 상대적으로 많은 전극 활물질 등이 탈리됨을 알 수 있다.

또한, 상기에서 제조된 전지들에 대해 300 사이클의 충방전 시험을 수행한 후 전지의 스웰링 현상(팽창도)을 관찰하였다. 그 결과, 제조예 1의 방법으로 제조된 전지들 중 4 개의 전지에서 상대적으로 큰 스웰링 현상이 확인되었다. 이는, 제조예 1에 따른 방법으로 전극조립체를 제작하는 과정에서 양극과 음극 및 분리막 간의 정확한 적층 및 절곡이 이루어지지 않았기 때문인 것으로 추측된다. 소정 두께를 가진 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 소망하는 위치에서 정확하게 절곡하기 어렵기 때문에, 제조예 1의 방법은 상기와 같은 불일치(mismatching) 현상이 유발될 가능성이 매우 높다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 전지의 제조과정을 단순화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조비용 및 제조시간을 절감시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 집전체의 일면에 활물질층을 코팅한 전극(양극과 음극)을 미리 수직 단면상으로 지그재그형으로 절곡한 후, 절곡 방향에 대한 세로방향(폭방향)으로 전극의 폭 대비 배수 크기로 연장되어 있는 분리막에, 상기 세로방향으로 다수의 전극을 끼워 맞춘 후 폴딩하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극의 집전체는 절곡을 용이하게 하기 위한 마킹이 접힘 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극의 활물질층은 절곡이 용이할 수 있도록 접힘 부위에 활물질이 없거나 얇은 두께를 가지도록 패턴화된 코팅으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 전극의 절곡 이전에 양극 또는 음극의 활물질층에 열융착되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극의 일측 또는 양측 단부에는 전극 리드의 부착을 위해 소정의 크기로 활물질층이 코팅되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
6. 삭제
7. 집전체의 일면에 활물질층을 코팅한 전극(양극과 음극)을 미리 수직 단면상으로 지그재그형으로 절곡한 후, 분리막을 개재한 상태에서 활물질층이 서로 대면하도록 양극과 음극을 끼워 맞추며, 상기 분리막은 절곡방향에 대한 가로방향으로 전극의 길이보다 연장되어 있어서, 끼워 맞춰진 전극의 외면을 상기 분리막 연장부위가 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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