KR101010368B1 - 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극을 권취하여 제조된 전극조립체(젤리-롤)를제조하는 방법으로서, 권취기에 센터 핀을 직접 고정한 후, 권취기에 의해 회전하는 상기 센터 핀 상에 적층 시트를 권취하며, 상기 센터 핀은 판재의 양 단부가 서로 대면한 상태로 핀의 중심을 향하도록 절곡한 상태에서 둥글게 말아 수평단면 상으로 원통 구조를 이루고 있으며, 핀의 중심 방향으로 돌출된 상기 양 단부가 권취기에 고정된 상태에서 센터 핀이 회전하는 것으로 구성되는 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 따르면, 별도의 권심을 사용하지 않고 센터 핀을 이용하여 권취가 가능하므로 전지 용량 및 수명 특성이 향상되고, 권심을 제거하는 공정과 센터 핀을 삽입하는 공정에서 발생할 수 있는 분리막의 손상을 근본적으로 방지할 수 있으며, 센터 핀을 삽입하는 공정을 생략할 수 있으므로 제조 시간 및 비용을 절감하고 전극조립체의 불량률이 크게 저하되어 생산성을 크게 향상시킬 있다.

Description

젤리-롤형 전극조립체의 제조방법 {Process for Preparation of Jelly-roll Type Electrode Assembly}

도 1a 및 1b는 종래기술에 따른 권심의 정면도와 단면도이다;

도 2는 종래기술에 따른 센터 핀의 수평 단면 사시도이다;

도 3a 및 3b는 종래기술에 따른 젤리-롤의 수평 단면도와 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 수평 단면도이다;

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 센터 핀의 사시도이다;

도 5는 도 4의 센터 핀에서 직선 B-B에 따른 수평 단면도이다;

도 6a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 제조방법에 사용되는 권취기의 센터 핀 고정부의 부분 사시도이고, 도 6b는 도 6a에 따른 센터 핀 고정부가 도 4의 센터 핀에 고정된 상태의 수평 단면도이다.

본 발명은 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 는 양극/분리막/음극 구조의 적층 시트를 권취하여 젤리-롤형 전극조립체(젤리-롤)를 제조하는 방법으로서, 권취기에 센터 핀을 직접 고정한 후, 권취기에 의해 회전하는 상기 센터 핀 상에 적층 시트를 권취하며, 상기 센터 핀은 판재의 양 단부가 서로 대면한 상태로 핀의 중심을 향하도록 절곡한 상태에서 둥글게 말아 수평단면 상으로 원통 구조를 이루고 있으며, 핀의 중심 방향으로 돌출된 상기 양 단부가 권취기에 고정된 상태에서 센터 핀이 회전하는 것으로 구성된 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법, 이를 이용하여 제조된 젤지-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

이러한 젤리-롤형 전극조립체의 제조 과정에는 양극/분리막/음극의 적층체의 단부에 권심(mandrel)을 끼워 원통형으로 권취한 후 권심을 제거하는 공정, 및 권심이 제거된 젤리-롤형 전극조립체의 중심부에 센터 핀을 삽입하는 공정이 포함되어 있다. 이때 사용되는 종래기술에 따른 권심의 구조가 도 1a 및 1b에 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 권심(10)은 전체적으로 봉형의 부재로서, 그것의 일측 단부(11)는 시트형 적층체가 삽입될 수 있도록 대략 적층체의 폭에 대응하는 길이만큼 분리되어 있다. 그와 같이 분리된 단부(11)는 단면상으로 두 개의 반원들(11a와 11b)이 대면하고 있는 구조로 되어 있으며, 한쪽 부재(11a)의 외면에는 적층체의 전극탭과 보호테이프가 위치할 수 있도록 부분적으로 평면 형태의 절취면(12)이 형성되어 있다. t₁은 권심(20)의 길이 방향으로의 절취면(12)의 길이를 나타낸다. 이러한 권심(10)은 시트형 적층체의 권취 공정이 완료된 후 제거되고, 젤리-롤의 중심부에 형성된 공간부에 센터 핀을 삽입한다.

한편, 도 2에는 종래기술에 따른 센터 핀의 수평 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 센터 핀(50)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있고, 판재를 둥글게 절곡한 구조를 가지며, 수평 단면상 단부(51)가 접하지 않은 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(50)은 전극 조립체를 고정 및 지지하는 역할과, 충방전 또는 작동시 발생되는 가스를 밀집시켜 방출하기 위한 통로 역할을 한다.

그러나, 상기 권심(10)을 제거하는 공정 및/또는 센터 핀(50)을 삽입하는 공정시 최내층에 위치하는 분리막이 밀리거나 손상되어 전극의 단선 및 내부 단락(short) 등 전지의 안전성을 저하시키는 문제가 발생하고, 상기와 같은 추가적인 공정을 거침으로써 길어진 제조 공정에 의해 생산 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

또한, 센터 핀(50)은 전지의 낙하 및 압착 등 외부충격이 인가되었을 때, 중공형의 내부구조에 변형이 일어나기 쉽고, 그러한 변형에 의해 센터 핀의 접하지 않은 단부(51)가 분리막을 뚫고 전극에 접촉됨으로써 내부단락을 유발할 수 있다. 또한, 전지의 충방전시 젤리-롤형 전극조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있고, 이러한 과정에서 응력이 중심부로 집중되어 전극이 분리막을 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부단락이 유발한다. 이러한 단락으로 인한 발열에 의해 유기 용매가 분해되어 가스가 발생하고, 전지 내의 가스압 상승에 의해 전지가 파열될 수 있다. 이러한 젤리-롤의 변형은 또한, 전극들 상호간의 거리 변화도 유발하여 내부 저항 증가, 용량 감소, 수명 단축 등의 문제점도 초래한다.

따라서, 젤리-롤형 전극조립체의 제조 공정시 분리막의 손상 및 생산효율의 저하를 방지함과 동시에 센터 핀의 변형에 의한 내부단락을 효과적으로 방지하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있고 전지의 수명을 연장시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

이와 관련하여, 일본 등록특허 제3348524호는 띠 모양의 분리막의 일 단부를 분할핀으로 1회 권취한 다음 중공형의 길이 방향으로 슬릿(slit) 모양의 분할이 들어간 센터 핀 안에 상기 분리막의 일 단부를 권취한 분할 핀을 삽입한 후, 양극, 음극을 분리막을 이용하여 권취한 다음, 상기 분할핀을 제거하여 비수 전해질 이차 전지를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 별도의 분할핀을 사용하므로 이를 제거하기 위한 추가적인 공정을 필요로 하므로 제조 공정이 길어지고 복잡해지며, 상기 분할핀의 제거 공정시 분리막을 손상시킬 염려가 있는 등 많은 문제점을 가지고 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제2002-237326호는 별도의 센터 핀을 삽입하지 않고, 도전성 권심을 전극 단자로 이용함으로써, 전극 탭 각각을 접속하는 공정을 생략할 수 있고, 전극 탭의 용접 부분에서 내부 저항이 증가하는 문제를 해결하기 위한 기술로서, 도전성 축심을 이용하여 제 1 전극 시트 중 활물질 미담지 부분에서 권회를 개시하고, 권회가 완료되면 제 2 전극 시트 중 활물질 미담지 부분으로 권회체의 표면을 덮은 다음, 권회체를 도전성 부분을 갖는 용기에 삽입하여, 상기 도전성 부분과 제 2 활물질 미담지 부분을 접촉시키고, 도전성 축심을 제 1 전극단자로 하고, 상기 용기의 도전성 부분을 제 2 전극 단자로 하는 권회형 전지의 제조 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 도전성 권심이 전극 단자로서 이용되기 때문에 전지에 외부 충격 등이 인가되어 상기 도전성 권심이 변형되어 단락이 발생하는 경우 전지가 발화될 수 있으므로 안전성에 큰 문제가 있다.

한편, 일본 특허출원공개 제2003-092148호에는 센터 핀의 구조를 변형하여 축방향에 따라 연장하는 양 단부가 간극을 이용하여 대향 혹은 근접하도록 구성한 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술에 따른 센터 핀을 사용하는 경우, 별도의 권심을 사용하여 권취한 후, 중공부에 센터 핀을 삽입하는 종래의 공정에 의해 젤리-롤 전극조립체를 제조할 수 있는 바, 앞서 설명한 바와 같은 문제점들을 모두 해결하지는 못하는 것으로 확인되었다.

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

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 권취기에 센터 핀을 직접 고정한 후, 권취기에 의해 회전하는 상기 센터 핀 상에 적층 시트를 권취하며, 상기 센터 핀을 상기와 같은 권취가 가능한 특정한 구조로 형성하는 경우, 분리막의 손상을 방지하고, 권심을 제거하는 공정 및 센터 핀을 삽입하는 공정을 생략할 수 있으며, 반복되는 충방전에 의한 센터 핀의 변형을 억제하여 내부단락을 방지하고 전지 용량 감소를 억제할 수 있으며, 그로 인해 전지의 안전성 및 수명을 향상시킬 수 있고, 충방전 또는 작동시 발생되는 가스를 효과적으로 방출할 수 있는 등의 다양한 잇점을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법은, 양극/분리막/음극 구조의 적층 시트를 권취하여 젤리-롤형 전극조립체(젤리-롤)를 제조하는 방법으로서, 권취기에 센터 핀을 직접 고정한 후, 권취기에 의해 회전하는 상기 센터 핀 상에 적층 시트를 권취하며, 상기 센터 핀은 판재의 양 단부가 서로 대면한 상태로 핀의 중심을 향하도록 절곡한 상태에서 둥글게 말아 수평단면 상으로 원통 구조를 이루고 있으며, 핀의 중심 방향으로 돌출된 상기 양 단부가 권취기에 고정된 상태에서 센터 핀이 회전하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 별도의 권심을 사용하지 않고 센터 핀을 이용하여 권취가 가능하므로, 권심을 제거하는 과정과 센터 핀을 삽입하는 과정에서 발생할 수 있는 분리막의 손상과 전극의 단선을 방지하고, 센터 핀을 삽입하는 공정을 생략할 수 있어서 제조 시간 및 불량률이 감소되므로, 제조 비용을 절감하고 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 젤리-롤의 중심부의 내면과 센터 핀 사이에 공극이 거의 존재하지 않기 때문에 젤리-롤의 초기 외경이 상대적으로 감소되므로 동일 규격 대비 전지 용량이 증가되고 사이클의 열화가 억제되므로 수명 특성을 향상시킬 수 있다.

상기 센터 핀의 판재는 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자 소재나, 상기 고분자와 필러를 포함하는 복합체(complex) 소재 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 특히 바람직하게는 젤리-롤에 소정의 기계적 강성을 부여하기 위해 금속 소재로 이루어진 것일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 적층 시트는 그것의 단부가 센터 핀의 양 단 부 절곡 부위에 부분적으로 삽입되어 권취될 수 있다. 이를 위해, 상기 센터 핀의 양 단부 절곡 부위 사이는, 예를 들어, 대략 적층체의 폭에 대응하는 길이 또는 그보다 약간 작은 정도로 이격되어 있을 수 있다.

따라서, 상기 적층 시트는 센터 핀의 양 단부 절곡 부위에 삽입되어 안정적으로 고정되므로 소정의 응력(tension)을 가하면서 권취 공정을 행할 수 있어서 더욱 조밀한 구조를 갖는 젤리-롤을 제조할 수 있다.

상기 판재 양 단부의 길이는 권취기에 안정적으로 고정될 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 센터 핀의 직경을 기준으로 20 내지 95%, 더욱 바람직하게는 40 내지 60%의 길이로 돌출되어 있을 수 있다. 상기 판재 양 단부의 길이가 센터 핀의 직경을 기준으로 20% 미만으로 돌출되는 경우, 권취기에 안정적으로 고정될 수 없고, 특히 상기 판재 양 단부에 적층형 시트를 삽입하여 권취 공정을 수행하는 경우, 소정의 응력을 가하여 권취하는 과정에서 적층형 시트가 탈리될 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 판재의 두께는 판재의 소재에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 0.1 내지 0.3 mm인 것일 수 있다. 상기 판재의 두께는 센터 핀의 기계적 강성, 탄성력 등에 영향을 미치며, 외경의 크기에 따라 발생되는 가스의 배출이나 전지의 용량에 영향을 미치는 바, 예를 들어, 센터 핀의 외경을 일정하게 유지하면 판재의 두께가 두꺼워질수록, 상기 센터 핀은 그것의 내부 방향으로 확장되어 중앙의 빈공간이 좁아지게 되고, 이에 따라 발생되는 가스의 배출이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다. 반면에, 센터 핀의 외경과 상관없이 판재의 두께가 두꺼워질수록, 상기 센터 핀이 전지케이스 내부에서 차지하는 공간이 커지면서 전지의 용량이 감소할 수 있다. 반대로, 판재의 두께가 너무 얇을 경우 소망하는 기계적 강성 등을 발휘할 수 없으므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 센터 핀은 판재의 두께가 두꺼울수록 높은 기계적 강성을 지닐 수 있지만 상기와 같은 문제점이 발생할 수 있으므로, 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 결정할 수 있다.

상기 센터 핀은 외경은 2 내지 4 mm 인 것이 바람직하다. 외경 자체가 센터 핀의 전체 크기를 의미하므로, 상기 외경이 너무 작을 경우에는 소망하는 기계적 강성을 발휘할 수 없어 센터 핀의 변형이 발생할 염려가 있고, 반대로, 외경이 너무 클 경우에는 전지의 용량이 감소되므로 바람직하지 않다. 보다 구체적인 설명을 위해, 도 3a 및 3b에는 각각 종래기술에 따른 젤리-롤과 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 수평 단면도가 도시되어 있다. 이하, 이들 도면을 참조하여 설명한다.

전지의 용량은 전극조립체의 크기에 비례하므로, 외경(R₁)과 내경(R₂)의 차이(ΔR)가 클수록 전지의 용량도 증가하는 바, 동일한 외경(R₁)을 갖는 젤리-롤의 경우, 젤리-롤의 내경(R₂)이 커질수록 전지 용량이 감소된다. 따라서, 상기 젤리-롤의 내경(R₂)은 센터 핀의 외경과 대략 일치하므로, 센터 핀의 외경이 커질수록 전지의 용량은 감소하게 된다.

한편, 종래기술에 따른 젤리-롤의 제조시, 적층 시트를 권심에 삽입한 상태 로 권취 공정을 수행하는 바, 젤리-롤의 내경(R₂')은 권심의 내경과 대략 일치하고, 권심을 제거한 후, 젤리-롤의 중심부에는 센터 핀의 삽입시 적층 시트의 손상을 줄이고 삽입 공정을 용이하게 하기 위하여, 권심의 외경(R₂')보다 작은 외경(R₂)을 갖는 센터 핀을 삽입한다.

반면에, 본 발명에 따른 젤리-롤의 제조시에는, 권심의 외경(R₂')보다 작은 외경(R₂)을 갖는 센터 핀을 이용하여 권취 공정을 수행함으로써, 젤리-롤의 내경(R₂)이 작아질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤의 외경과 내경의 차이(ΔR)가 종래기술에 따른 젤리-롤의 외경과 내경의 차이(ΔR')보다 크므로, 상대적으로 전지 용량이 증가되는 효과를 갖는다.

또한, 종래에는 젤리-롤의 내경(R₂')과 센터 핀의 외경(R₂)이 차이가 나게 되므로, 최종 제조된 젤리-롤의 중심부에는 소정 크기(R₂'-R₂)의 공극이 형성되어 있어서 사이클 특성 및 수명 특성이 저하되는 문제점이 있었으나, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 젤리-롤의 중심부에는 공극이 형성되지 않으므로 수명 특성이 향상하는 효과를 발휘할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 권취기의 단부에는 센터 핀을 고정하기 위한 센터 핀 고정부가 돌출된 형태로 장착되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 센터 핀 고정부에 센터 핀을 직접 고정한 후 회전시킴으로써 권취 공정을 수행할 수 있고, 센터 핀의 중심부로 돌출되어 있는 상기 판재 양 단부가 삽입된 형태로 센터 핀의 내부에 삽입될 수 있으므로, 권취가 완료된 후 이를 제거하는 경우에도 적층 시트에 전혀 손상을 일으키지 않는다.

상기 센터 핀 고정부는, 예를 들어, 판재 양 단부를 고정할 수 있도록 소정의 간격으로 이격되어 분리되어 있고, 분리된 센터 핀 고정부는 센터 핀의 내부에 삽입되는 바, 센터 핀 고정부의 외경은 센터 핀의 외경보다 작고, 수평 단면이 센터 핀의 내부 형상에 대략 대응하는 형상으로 두 개의 반원 형상으로 이루어져 있다. 상기 분리된 센터 핀 고정부는 바람직하게는 서로 대칭하는 형상을 가질 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래기술에 따른 권심은 센터 핀의 외경보다큰 외경을 가지고 있고, 적층체의 전극탭과 보호테이프가 위치할 수 있도록 부분적으로 평면 형태의 절취면이 형성되어야 하므로, 권심의 제조 공정이 복잡해지고 비용이 상승하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 있어서 상기 센터 핀 고정부는 센터 핀 내부의 상기 판재 양 단부를 고정하면서 센터 핀 내부에 삽입되는 바, 절취면을 별도로 형성할 필요가 없어서 센터 핀 고정부의 제작이 용이하고, 제조 비용을 절감할 수 있다.

한편, 상기 센터 핀 고정부의 소재는 특별히 제한되지 않으나, 상기 센터 핀 고정부의 상기 판재 양 단부가 삽입되는 부위 및/또는 센터 핀의 내면과 접촉하는 면은 회전에 의한 마찰력 및 마모가 발생하는 것을 방지하기 위하여 내마모성을 갖는 소재로 구성할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 젤리-롤형 전극조립체 및 상기 젤리- 롤형 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 이차전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 원통형 이차전지는 전지의 계속적인 충방전에 의해 전극조립체(젤리-롤)이 수축과 팽창을 반복할 때 발생하는 변형력에 의해 센터 핀이 변형되는 경우에도 센터 핀의 양 단부가 서로 대면한 상태로 핀의 중심을 향하도록 절곡되어 있으므로, 센터 핀의 단부가 노출됨으로써 발생할 수 있는 전지의 내부 단락을 근본적으로 방지할 수 있으며, 센터 핀 내부의 중공부가 충방전 및 작동시의 발생되는 가스의 분출 통로로서의 역할을 수행하는 바, 궁극적으로 전지의 안전성 및 수명을 향상시킬 수 있다.

일반적으로 젤리-롤형 전극조립체의 양극 호일에 용접되어 있는 양극 탭은 캡 어셈블리에 용접되어 전지 상단의 돌출 단자에 연결되며, 음극 호일에 용접되어 있는 음극 탭은 전지케이스(원통 캔)의 하단에 용접되어 캔 자체가 음극 단자를 구성한다. 이와 같은 탑재가 이루어진 상태에서 전해액이 주입되고, 캔의 개방 상단을 밀봉하면 원통형 전지가 완성된다. 상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.

일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.

양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.

양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 제조방법에 사용되는 센터 핀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 직선 B-B에 따른 수평 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 센터 핀(100)은 대략 2 내지 4 mm의 외경(R_C)을 갖고 내부에 중공(130)이 형성된 원통 구조로서, 판재의 양 단부를 절곡하여 절곡 부위(120, 121)를 형성하고, 이러한 절곡 부위(120, 121) 및 양 단부(110, 111)가 서로 대면한 상태가 되도록 둥글게 말아서 형성하므로, 절곡 부위(120, 121)는 센터 핀의 단부를 형성하고, 상기 판재의 양 단부(110, 111)는 소정의 길이로 센터 핀의 중심을 향하여 돌출되어 있다. 이러한 판재는 예를 들어, 0.1 내지 0.3 mm의 두께를 가지며, 젤리-롤형 전극조립체에 소정의 기계적 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있다.

센터 핀(100)의 양 단부 절곡 부위(120, 121) 사이를 통해 적층 시트의 단부가 부분적으로 삽입되어 권취될 수 있는 바, 절곡 부위(120, 121) 사이는 적층 시트가 삽입되어 고정될 수 있는 크기로 이격되어 있다.

판재 양 단부(110, 111)는 센터 핀의 직경을 기준으로 대략 40 내지 60%의 길이로 돌출되어 있으며, 이러한 판재 양 단부(110, 111)에 적층 시트가 삽입되므로, 적층 시트(200)에 손상이 가해지지 않고, 센터 핀을 삽입하는 공정을 생략할 수 있으므로 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

따라서, 권취기(도시하지 않음)에 상기 판재 양 단부(110, 111)를 고정시키고, 센터 핀의 양 단부 절곡 부위(120)를 통해 판재 양 단부(110, 111)에 적층 시트(200)를 삽입하여 권취 공정을 수행할 수 있다.

한편, 센터 핀(100)의 내부에는 중공(130)이 형성되어 있으므로, 이를 통해 전지 내부 단락에 의해 발생한 가스 등이 배출되어, 전지가 발화되는 것을 방지할 수 있고, 고온 내지 고압 등의 가혹한 환경에서 젤리-롤 전체가 분출하는 현상을 막을 수 있다. 또한, 판재 양 단부(110, 111)가 센터 핀(100)의 내부에 위치하므로, 분리막을 뚫어 내부 단락이 유발되는 것을 근본적으로 방지할 수 있고, 소정의 기계적 강도를 제공함으로써 충방전의 반복에 의해 센터 핀(100)에 가해지는 충격 또는 외부 충격을 흡수하고 전지의 단락 및 이에 따른 발화를 방지할 수 있으므로, 전지의 안전성 및 수명을 크게 향상시킬 수 있다.

도 6a에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 제조방법에 사용되는 권취기의 센터 핀 고정부의 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6b에는 도 6a에 따른 센터 핀 고정부가 도 4의 센터 핀에 고정된 상태의 수평 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 권취기(400)의 양 단부에 권취기 센터 핀 고정부(300)가 돌출되어 있고, 권취기 센터 핀 고정부(300)는 전체적으로 봉형의 부재이다. 센터 핀 고정부(300)의 단부(310)는, 적층 시트(200)의 단부가 삽입되는 판재 양 단부(110, 111)가 삽입될 수 있도록, 대략 판재 양 단부(110, 111) 사이의 폭에 대응하는 길이만큼 분리되어 있다. 그와 같이 분리된 단부(310)는 단면상으로 두 개의 반원 형상물들(310a, 310b)이 대면하고 있는 구조로 되어 있다.

종래에는 센터 핀의 외경보다 큰 크기를 가지고, 평면 형태의 절취면이 형성되어 있는 권심을 사용하였으나, 본 발명에 사용되는 권취기(400)의 센터 핀 고정부(300)는 두 개의 반원 형상물들(310a, 310b) 사이에 판재 양 단부(110, 111)가 삽입된 상태로 센터 핀 고정부(300)가 센터 핀 내부의 중공(130)에 삽입되어 회전함으로써 권취 공정이 수행되는 바, 센터 핀 내부의 중공(130)의 외경보다 작은 외경을 가진다. 또한, 별도로 절취면을 형성할 필요가 없으므로, 제조가 용이해지므로 제조 비용 및 노력을 절감할 수 있다.

한편, 판재 양 단부(110, 111)가 삽입되는 상기 두 개의 반원 형상물들(310a, 310b) 사이의 대면하는 면(320)에는 권취기(400)가 회전하는 동안 마찰력 및 마모가 발생하는 것을 방지하기 위해 부분적으로 스폰지 등의 소재를 부가할 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]

1-1. 양극의 제조

LiCoO₂가 함유된 양극 활물질을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 양극 탭을 부착하는 것으로 양극을 제조하였다.

1-2. 음극의 제조

인조흑연이 함유된 음극 활물질을 구리 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 음극 탭을 부착하는 것으로 음극을 제조하였다.

1-3. 센터 핀을 이용한 적층체의 권취

상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 양극의 단부 위치가 음극 상에 보호테이프를 부착한 시트형 적층체를 센터 핀에 끼워 350 g/cm²의 응력이 가해지도록 권취함으로써 젤리-롤을 제조하였다. 0.76 m의 시트형 적층체를 권취하였을 때, 젤리-롤의 외경은 17.40 mm이었다.

본 실험에서는 도 4에서와 같이 판재의 양 단부가 서로 대면한 상태로 핀의 중심을 향하도록 절곡한 상태에서 둥글게 말아 수평단면 상으로 원통 구조를 이루고 있는 외경이 3.5인 센터 핀을 사용하였으며, 상기 판재의 두께는 0.1 mm, 단부 길이는 57.5 mm이었다.

1-4. 원통형 이차전지의 제조

상기 1-3에서 제조한 젤리-롤을 원통형 케이스에 넣고 리드선을 연결한 후, 1 M의 LiPF₆ 염이 녹아있는 부피비 1: 1의 에틸렌카보네이트(EC)와 다이메틸카보네이트(DMC) 용액을 전해질로 주입한 다음, 밀봉하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.

[비교예 1]

도 1b에서와 같이, 평면 형태의 부분 절취면으로 이루어진 외경이 4.5인 권심을 사용하여 시트형 적층체를 권취하여 젤리롤을 제조한 후, 권심을 제거하고, 스테인리스 재질의 판재를 사용하여, 도 2에서와 같이, 수평 단면상 단부가 서로 접하지 않은 중공 원통형 구조이며 외경이 3.5인 센터 핀을 삽입하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리-롤 및 원통형 이차전지를 제조하였다. 0.70 m의 시트형 적층체를 권취하였을 때, 젤리-롤의 외경은 17.40 mm이었다.

[비교예 2]

최대치(900 g/cm²)의 응력이 가해지도록 권취하였다는 점을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 젤리-롤 및 원통형 이차전지를 제조하였다. 0.70 m의 시트형 적층체를 권취하였을 때, 젤리-롤의 외경은 17.38 mm이었다.

[실험예 1]

상기 실시예 1과 비교예 1에 따른 전극조립체의 수명특성을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전지에 대하여 초기 용량을 측정하였고, 3.0 내지 4.2 V 영역에서 충방전을 진행하면서 50 사이클 및 100 사이클에서의 용량을 측정하였다.

<표 1>

실험 결과, 실시예 1에 따른 전지의 초기용량 및 사이클 특성이 비교예 1에 따른 전지에 비해 월등히 우수함을 알 수 있었다. 이는, 전지의 용량은 적층형 시트의 길이에 비례하는 바, 17.40 mm의 동일한 외경을 갖는 젤리-롤에 대하여, 비교예 1에 따른 젤리-롤의 내경은 Φ4.5로서 실시예 1에 따른 젤리-롤의 내경보다 크기 때문에 실시예 1에 따른 젤리-롤에 감겨진 적층체의 길이인 0.76 m보다 상대적으로 짧은 길이인 0.70 m의 적층형 시트가 권취되기 때문이다. 이러한 젤리-롤의 내경 차이는, 비교예 1에 따른 젤리-롤의 제조시 센터 핀을 용이하게 삽입하기 위해 센터 핀의 외경보다 큰 외경을 갖는 권심을 사용하므로 젤리-롤 내경이 권심의 내경과 대략 동일한 반면에, 실시예 1에 따른 젤리-롤은 권심보다 작은 외경을 갖는 센터 핀의 외경과 대략 동일한 크기의 내경을 갖기 때문이다.

또한, 0.70 m의 동일한 길이의 적층형 시트를 350 g/cm² 크기의 응력을 가하여 권취한 상태에서 젤리-롤의 외경을 측정한 결과, 실시예 1의 젤리-롤의 외경은 17.35 mm로서, 외경이 17.40 mm인 비교예 1의 젤리-롤에 비해 작음을 확인하였다.

따라서, 실시예 1의 젤리-롤은 그것의 내경이 줄어들어 그만큼 전지 용량이 증가하고, 센터 핀과 젤리-롤 내경면이 밀착되어, 충방전시 젤리-롤의 반복적인 팽창과 수축에도 젤리-롤의 변형이 최소화되어 사이클 특성이 우수함을 알 수 있다.

한편, 비교예 1에 따른 젤리-롤보다 긴 길이의 적층형 시트가 권취될 수 있도록 최대치의 응력을 가하여 권취를 수행한 경우(비교예 2), 동일한 길이의 적층형 시트를 권취하였을 때 젤리-롤의 외경은 17.38 mm로서, 외경이 17.40 mm인 비교예 1에 따른 젤리-롤에 비해 줄어들었으나, 외경이 17.35 mm인 실시예 1에 따른 젤리-롤 보다는 크다는 것을 알 수 있고, 비교예 2에 따른 전지의 초기 용량 및 사이클 특성은 오히려 비교예 1에 따른 전지보다 감소하였음을 알 수 있다. 이는, 응력의 증가에 따라 권취 과정에서 집전체에 대한 전극 활물질의 결합력이 저하되었기 때문인 것으로 추측된다. 또한, 비교예 2에 따른 젤리-롤의 제조시 시트에 결합되어 있는 전극 단자부가 압력을 받아 부분적으로 파손되어 불량률이 대략 5 배 정도로 크게 증가하였다.

또한, 젤리-롤 제조 과정에서 발생하는 불량률을 측정하기 위해 실시예 1에 따른 젤리-롤 및 비교예 1에 따른 젤리-롤을 각각 100 개씩 제조한 결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1 에 따른 젤리-롤의 제조시에는 전혀 불량이 발생하지 않았으나, 비교예 1 및 2에 따른 젤리-롤의 제조시는 각각 1 개 및 5 개의 불량이 발생하였다.

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

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법은 별도의 권심을 사용하지 않고 센터 핀을 이용하여 권취가 가능하므로 분리막의 손상을 방지하고, 권심을 제거하는 공정 및 센터 핀을 삽입하는 공정을 생략할 수 있으므로 제조 시간을 절감하고 생산성을 크게 향상시킬 수 있으며, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지는 외부충격 및 반복되는 충방전에 의한 센터 핀의 변형을 억제하여, 내부단락을 방지하고 전지 용량감소를 억제할 수 있으며, 그로 인하여 전지의 안전성과 수명을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 또는 작동 시 발생되는 가스를 밀집시켜 배출시키는 통로 역할을 할 수 있다.

Claims (10)

1. 양극/분리막/음극 구조의 적층 시트를 권취하여 젤리-롤형 전극조립체(젤리-롤)를 제조하는 방법으로서, 양 단부에 센터 핀을 고정하기 위한 센터 핀 고정부가 돌출된 형태로 구비되어 있는 권취기에 센터 핀을 직접 고정한 후, 권취기에 의해 회전하는 상기 센터 핀 상에 적층 시트를 권취하며, 상기 센터 핀은 판재의 양 단부가 서로 대면한 상태로 핀의 중심을 향하도록 절곡한 상태에서 둥글게 말아 수평단면 상으로 원통 구조를 이루고 있으며, 핀의 중심 방향으로 돌출된 상기 양 단부 절곡 부위에 상기 적층 시트의 단부가 삽입되어 권취기에 고정된 상태에서 센터 핀이 회전에 의해 적층 시트를 권취하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 센터 핀의 판재는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 판재 양 단부는 센터 핀의 직경을 기준으로 20 내지 95%의 길이로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 판재 양 단부는 센터 핀의 직경을 기준으로 40 내지 60%의 길이로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 센터 핀의 외경은 2 내지 4 mm인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 판재의 두께는 0.1 내지 0.3 mm 인 것을 특징으로 하는 방법.
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9. 삭제
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