KR101324213B1 - 전지 전극판, 이의 제조 방법 및 이를 가진 전지 - Google Patents

전지 전극판, 이의 제조 방법 및 이를 가진 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지 전극판과 전지 전극판 제조 방법 및 전지 전극판을 가진 전지를 개시한다. 전지 전극판은 집전 장치의 적어도 일부 상에 코팅되는 전극 재료를 가진 직사각형 집전 장치를 포함한다. 본 발명은 전극판 및 이를 가진 전지의 제조 방법을 더 개시한다. 본 발명의 집전 장치는 압연에서 파괴되거나 늘어나거나 주름이 생기지 않아서 그 결과 전극판의 수율은 개선될 수 있고 대용량 산업 생산에 유리하다. 이렇게 형성된 전지는 안정 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

전지 전극판, 이의 제조 방법 및 이를 가진 전지{Battery electrode plate, forming method thereof and battery having the same}
본 발명은 전지, 더욱 구체적으로 리튬 2차 전지에 적합한 전지 전극판, 이의 제조 방법 및 이를 가진 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도, 긴 수명 및 높은 개방 전압을 가지며, 또한 안전하고 환경 친화적이다. 따라서, 리튬 이온 전지는 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, PDA, MP3, 블루투스, PMP뿐만 아니라 통신 또는 오락용 다른 개인 전자 장치를 위한 전원에 널리 사용된다. 리튬 이온 전지는 전기 자전거 또는 전기차 분야로 점차 확대되고 있다. 리튬 전지의 시장 점유율은 현재 대략 90% 이상이다. 오늘날, 리튬 이온 전지는 가장 경쟁력 있고 새로운 제 2의 전원으로 이미 상업화되었다.
그러나, 종래의 리튬 이온 전지의 경우, 드레스드 전극판들(dressed electrode plates)을 압연하면, 전극 재료 영역의 모서리들은 어느 정도 연장될 것이고, 드레싱과 집전 장치(current collector) 자체의 연장 비율이 달라서, 판들의 모서리들은 전류 드레이프(current drapes)를 가질 수 있고 판들은 휘감는 동안 파괴될 수 있어서 전지 성능에 심각한 영향을 줄 수 있다.
이의 관점에서, 본 발명은 종래 기술에 존재하는 문제들 중 적어도 하나를 해결한다. 따라서, 본 발명은 압연 동안 늘어지거나 주름이 생기지 않으면서 생산량은 향상될 수 있는 전지 전극판을 제공할 필요가 있다. 또한, 전지 전극판의 제조 방법 및 이를 가진 전지가 제공될 필요가 있다.
본 발명의 한 실시예에 따라, 집전 장치의 적어도 일부 상에 코팅되는 전극 재료를 가진 직사각형 집전 장치를 포함하는 전지 전극판이 제공된다. 집전 장치의 일부는 제 1 두께 영역, 제 1 두께 영역의 두께보다 작은 두께를 가진 제 2 두께 영역 및 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 가늘어지는 전이 영역을 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 전지 전극판의 제조 방법이 제공되며, 집전 장치 상에 전극 재료의 슬러리를 코팅하는 단계 및 코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 전극판을 얻는 단계를 포함한다. 압연 전에, 박화 단계(thinning step)가 수행되어 코팅된 전극 재료를 위한 제 1 두께 영역, 제 2 두께 영역 및 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 가늘어지는 전이 영역을 형성할 수 있고, 코팅된 전극 재료에서 제 1 두께 영역에 있는 전극 재료의 두께는 제 2 두께 영역에 있는 전극 재료보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 전지 덮개, 전지 코어 및 전지 덮개에 모두 둘러싸인 전해질을 포함하는 전지가 제공된다. 전지 코어는 양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판으로 구성된다. 적어도 양극판은 상기한 대로 전지 전극판으로 제조될 수 있거나 상기한 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 집전 장치는 압연 동안 파괴되거나 늘어나거나 주름이 생기지 않아서 그 결과 전극판들의 생산량은 향상되고 대용량 산업적 생산에 적합하다. 본 발명에 따른 전지는 향상된 안정 성능을 가질 수 있다.
본 명세서의 내용 중에 포함되어 있다.
본 발명의 상기한 특징들과 장점들뿐만 아니라 이의 추가 특징들과 장점들은 도면들과 함께 참조할 때 다음 실시예들의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 전극판을 도시한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 코어의 투시도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 코어의 단면도를 도시한다.
본 발명의 상기한 특징들과 장점들뿐만 아니라 이의 추가 특징들과 장점들은 도면들과 함께 참조할 때 다음 실시예들의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다.
본 발명은 정사각형 집전 장치와 집전 장치 상에 코팅된 전극 재료를 포함하는 전지 전극판을 개시한다. 전극 재료로 코팅된 집전 장치의 일부는 제 1 두께 영역과 제 2 두께 영역을 가진다. 제 1 두께 영역의 코팅된 전극 재료는 제 2 두께 영역보다 두껍다. 제 1 두께 영역과 제 2 두께 영역 사이에 전이 영역이 있다. 전이 영역에서, 전극 재료의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 점차 감소하거나 가늘어진다.
본 발명에서, 제 1 두께 영역, 전이 영역, 제 2 두께 영역 및 탭 영역은 다음과 같이 나뉠 수 있다: 길이 방향으로 집전 장치와 평행한 방향을 차지하고 폭 방향으로 길이 방향에 수직인 방향을 차지한다. 폭 방향으로, 집전 장치 상에 포함된 전극 재료 영역은 차례로 다음과 같다: 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역.
집전 장치는 당업계에 공지된 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 리튬 2차 전지에서, 양 집전 장치는 Al 박편일 수 있고 음 집전 장치는 Cu 박편일 수 있다.
전극 재료는 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 리튬 2차 전지에서, 양극 재료는 양극 접착제, 양극 활물질 및 양극 도전제를 포함한다. 양극 접착제, 양극 활물질 및 양극 도전제의 함량은 통상적이다.
당업계에 공지된 본 발명의 양극 활물질들에 대한 특별한 조건은 없다. 양극 활물질은 구입할 수 있고, 예를 들어, LiFePO4 , Li3V2(PO4)3, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, LiCoO2, LiVPO4F, LiFeO2; 또는 삼중 시리즈 Li1+aL1_b-cMbNc02, -0.1≤a≤0.2, O≤b≤l, O≤c≤l, 0≤b+c≤l(여기서 L, M, N은 Co, Mn, Ni, Al, Mg, Ga 및 3d 전이 금속 원소로부터 선택된 하나 이상이다)이다.
양극 도전제는 당업계에 공지된 임의의 양극 도전제일 수 있다. 예를 들어, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 금속 분말 및 섬유로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 양극 재료는 양극 슬러리를 얻기 위해 용매와 혼합된다. 용매는 당업계에 공지된 임의의 용매일 수 있고, 예를 들어, N-메틸피롤리돈(NMP), 다이메틸포름아마이드(DMF), 다이에틸포름아마이드(DEF), 다이메틸설폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), H2O 및 알코올로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 용매의 사용량은 양극 슬러리가 양극 집전 장치 상에 코팅될 수 있도록 사용된다.
본 발명은 음극 재료에 대한 특별한 제한은 갖지 않고 종래 기술의 통상적인 음극 활물질일 수 있다. 음극 재료는 보통 음극 접착제, 음극 활물질 및 음극 도전제를 포함한다. 음극 활물질은 구입할 수 있고, 예를 들어, 흑연 및 리튬-티타늄-산소(LiTiO) 화합물일 수 있다. 음극 도전제는 Ni 분말 및/또는 Cu 분말일 수 있다. 음극 접착제는 당업계에 공지된 리튬 2차 전지에 사용된 임의의 접착제일 수 있다. 예를 들어, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 소듐카복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향에서, 즉 폭 방향에서, 전이 영역의 폭은 약 1-10mm이고 제 2 두께 영역의 폭은 약 1-10mm이다. 본 발명의 한 실시예에서, 전이 영역의 폭은 약 3-8mm이고 제 2 두께 영역의 폭은 약 3-8mm이다.
전이 영역에서 전극 재료의 두께는 제 1 두께 영역에서의 두께보다 더 크지 않다. 제 2 두께 영역에서 전극 재료의 두께는 전이 영역에서의 두께보다 더 크지 않다.
전이 영역은 제 1 두께 영역 및 제 2 두께 영역과 부드럽게 연결된다. 제 1 두께 영역에서 전극 재료는 약 20-350um의 두께를 가진다. 전이 영역에서 전극 재료는 약 15-300um의 두께를 가진다. 제 2 두께 영역에서 전극 재료는 약 10-250um의 두께를 가진다. 본 발명의 한 실시예에서, 전이 영역에서 전극 재료의 최대 두께는 제 1 두께 영역의 두께와 동일하고 전이 영역에서 전극 재료의 최소 두께는 제 2 두께 영역의 두께와 동일하다. 본 발명의 한 실시예에서, 제 1 두께 영역에서 전극 재료의 두께 대 제 2 두께 영역에서 전극 재료의 두께의 비는 약 2-10:1일 수 있다.
집전 장치의 늘어짐 또는 주름을 피하고 본 발명의 장점들을 최대로 발휘하기 위해서, 전이 영역에서 전극 재료의 두께의 감소 기울기는 약 5-300um/mm이다. 본 발명의 한 실시예에서, 전이 영역에서 전극 재료의 두께의 감소 기울기는 10-150um/mm일 수 있다. 감소 기울기의 계산 방법은 다음과 같다:
감소 기울기 = (전이 영역의 최대 두께 - 전이 영역의 최소 두께) / 전이 영역의 폭.
제 1 두께 영역과 제 2 두께 영역의 전극 재료의 두께는 각각 전지 전극판의 전지의 두께 방향에서 균일하고 감소 기울기는 동일하다.
전지 전극판은 그 위에 코팅되는 전극 재료가 없는 탭 영역을 더 포함한다. 탭 영역은 전이 영역으로부터 멀어지는 제 2 두께 영역의 측면에 형성되며 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향에서 실질적으로 10-100mm의 폭을 가진다. 본 발명의 한 실시예에서, 탭 영역은 실질적으로 20-70mm의 폭을 가진다.
본 발명에서 전극판들의 예시적 예들로서 양극판을 들면, 이의 제조 방법은 다음과 같다: 양극 활물질, 도전제, 접착제 및 용매를 혼합하는 단계 및 혼합물을 교반하여 양극 슬러리를 얻는 단계. 양극 활물질, 도전제, 접착제 및 용매는 상기한 것과 동일하고, 상세한 설명은 간편함을 위해 생략한다.
본 발명은 집전 장치 상에 전극 재료의 슬러리를 코팅하는 단계 및 코팅된 집전 장치를 압연하여 전극판을 얻는 단계를 포함하는 전지 전극판을 형성하는 방법을 더 개시하며, 압연 전에, 박화 단계가 수행되어 코팅된 전극 재료를 위한 제 1 두께 영역, 제 2 두께 영역 및 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 가늘어지는 전이 영역을 형성하며, 제 1 두께 영역에서 전극 재료의 두께는 제 2 두께 영역에서의 두께보다 크다.
박화 단계는 문지르거나 직접 코팅되어 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성할 수 있다.
박화 방법은 집전 장치를 직접 코팅하여 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성하는 반면, 본 발명에 개시된 방법은 집전 장치 상에 전극 슬러리를 코팅하여 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 제 1 두께 영역에서 전극 재료의 두께는 제 2 두께 영역에서의 두께보다 크고 전극 재료의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 감소한다. 그런 후에 코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 전극판을 얻는다.
집전 장치 상에 전극 슬러리를 코팅하여 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성하는 상기 방법은 집전 장치는 길이 방향을 따라 이동하고 슬러리 유속을 제어함으로써 폭 방향으로 집전 장치를 코팅한다. 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역의 상응하는 폭에서, 슬러리의 유속은 다르다. 제 1 두께 영역의 상응하는 폭에서, 슬러리의 유속은 동일하다. 제 2 두께 영역의 상응하는 폭에서, 슬러리의 유속은 역시 동일하다. 전이 영역의 상응하는 폭에서, 슬러리 유속은 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 감소한다. 비투과유속은 제1 두께 영역에서 전극 슬러리의 두께가 제 2 두께 영역에서의 두께보다 큰 경우 집전 장치의 이동 속도와 관련이 있다. 전극 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 감소한다.
집전 장치 상에 전극 슬러리를 코팅하여 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성하는 상기 방법은 슬러리를 코팅하면서, 차단 보드(blocking board)는 전극판의 출구에 위치시키는 것일 수 있다. 차단 보드의 하부는 전극판 상의 전극 슬러리의 두께인 소정의 거리만큼 전극판으로부터 이격된다. 집전 장치는 길이 방향으로 이동하고 차단 보드는 집전 장치의 폭 방향에 위치한다. 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역의 상응하는 폭 방향에서, 차단 보드의 하부와 전극판 사이의 거리는 전극 슬러리의 필요한 두께에 해당한다. 이런 방법을 사용함으로써, 전극 슬러리의 두께와 전이 영역의 감소하는 경향은 차단 보드의 하부와 전극판 사이의 거리를 제어함으로써 제어될 수 있고, 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 가진 전극판을 얻을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서, 집전 장치 상의 위치는 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역의 필요한 폭에 따라 선택된다. 그런 후에 슬러리는 제 1 두께 영역에 있는 전극 슬러리가 제 2 두께 영역에 있는 전극 슬러리보다 두껍고 슬러리의 두께가 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 가늘어지는 방식으로 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치 및 제 2 두께 영역 위치에 코팅된다. 그런 후에, 코팅된 집전 장치는 건조되고 압연되어 원하는 전지 전극판을 얻는다.
본 발명에서, 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역은 본 발명에 제공된 전지 전극 상의 전극 재료 또는 전극 슬러리를 의미한다. 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치 및 제 2 두께 영역 위치는 전극 재료 또는 슬러리가 본 발명에 제공된 전극판 상에 위치하는 위치를 의미한다.
박화 단계는 문질러지는 동안, 상세한 방법은 다음과 같다: 집전 장치 상에 전극 슬러리를 코팅하고, 코팅된 슬러리를 문질러서 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성한다. 제 1 두께 영역에서 전극 재료의 두께는 제 2 두께 영역에서의 두께보다 크고 전극 재료의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 점차 감소한다. 그런 후에 코팅된 집전 장치는 건조되고 압연되어 전지 전극판을 얻는다.
본 발명의 한 실시예에서, 상기 방법은 다음과 같다: 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역의 위치를 각각 선택한다. 그런 후에 슬러리는 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치 및 제 2 두께 영역 위치에 코팅되고 코팅의 두께는 제 1 두께 영역의 필요한 두께이다. 그런 후에 전극 슬러리는 전이 영역 두께와 제 2 두께 영역에서 문질러져서 전이 영역과 제 2 두께 영역을 형성한다. 제 1 두께 영역에 있는 전극 슬러리는 제 2 두께 영역에 있는 전극 슬러리보다 진하고 전이 영역에서 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 점차 가늘어지거나 감소한다. 그런 후에 코팅된 집전 장치는 건조되고 압연되어 전지 전극판을 얻는다.
이 방법은, 압연 이전 및 건조 이후, 전극 재료를 문질러서 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성할 수 있다. 제 1 두께 영역에 있는 전극 슬러리는 제 2 두께 영역에 있는 전극 슬러리보다 진하고, 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 감소한다. 그런 후에 코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 전지 전극판을 얻는다.
상기 방법은 다음과 같을 수 있다: 집전 장치 상에 전극 슬러리를 코팅하고 전극 슬러리를 문질러서 전이 영역을 형성한다. 전이 영역에서 전극 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역의 방향으로 감소한다. 그런 후에 전극 슬러리는 제 2 두께 영역에 코팅되어 제 2 두께 영역은 전이 영역과 부드럽게 연결된다. 코팅된 집전 장치는 건조되고 압연되어 전지 전극판을 얻는다.
본 발명의 한 실시예에서, 상기한 방법은 다음과 같다: 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역의 위치를 선택하는 단계. 전극 슬러리는 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치에 코팅에 되고 코팅의 두께는 제 1 두께 영역의 필요한 두께이다. 그런 후에 전극 슬러리는 전이 영역 위치에서 문질러져서 전이 영역을 형성한다. 전이 영역에서 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 감소하거나 가늘어진다. 그런 후에 전극 슬러리는 제 2 두께 영역에 코팅되어 제 2 두께 영역을 형성하고 코팅의 두께는 제 2 두께 영역의 필요한 두께이다. 그런 후에 코팅된 집전 장치는 건조되고 압연되어 전지 전극판을 얻는다.
이 방법은, 압연 이전 및 건조 이후, 전극 재료를 문질러서 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성할 수 있다. 제 1 두께 영역에 있는 전극 슬러리는 제 2 두께 영역에 있는 전극 슬러리보다 진하고, 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 감소한다. 그런 후에 코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 전지 전극판을 얻는다.
본 발명의 한 실시예에서, 상기한 방법은 다음과 같다: 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역의 위치를 선택하는 단계. 전극 슬러리는 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치에 코팅에 되고 코팅의 두께는 제 1 두께 영역의 필요한 두께이다. 코팅된 집전 장치는 건조된다. 전이 영역 위치와 제 2 두께 영역 위치에 있는 전극 슬러리는 문질러져서 전이 영역과 제 2 두께 영역을 형성한다. 제 1 두께 영역에 있는 전극 슬러리는 제 2 두께 영역에 있는 전극 슬러리보다 진하고, 전이 영역에 있는 슬러리의 두께는 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 감소한다. 코팅된 집전 장치는 압연되어 원하는 전지 전극판을 얻는다.
문지르는 방법은, 예를 들어, 날을 사용하여 문지르는 것과 같은 종래 기술인 임의의 방법일 수 있고 손으로 또는 기계로 수행될 수 있다. 전이 영역에 있는 전극 재료의 감소 기울기가 일정할 필요가 있는 경우, 전이 영역은 제 1 두께 영역과 제 2 두께 영역이 각각 전이 영역과 결합하는 두 선을 따라 문질러질 수 있다.
상기한 방법에 따라 형성된 전지 전극판에서, 제 1 두께 영역에서 전극 재료는 약 20-350um의 두께를 가진다. 제 2 두께 영역에서 전극 재료는 약 10-250um의 두께를 가진다. 전이 영역에서 전극 재료의 감소 기울기는 약 5-300um/mm이다.
건조 방법은, 예를 들어, 100℃ 하에서 건조하는 것과 같이 종래 기술에서 사용된 일반적인 방법이다. 압연 방법은, 약 2.0MPa의 압력하에서의 압연과 같은 종래 기술에 공지된 방법이다.
압연 이후, 각 영역에서 전극 재료의 두께 및/또는 폭은 약간 변할 수 있으나, 데이터는 상기한 범위에 있을 것이다. 본 발명의 한 실시예에서, 압연 이전에, 전극판을 형성하면서, 제 1 두께 영역에서 전극 재료 또는 전극 슬러리의 두께는 약 25-350um이고, 제 2 두께 영역에서 전극 재료 또는 전극 슬러리의 두께는 약 15-250um이다. 형성 방법은 상기 두께의 전극 슬러리를 직접 코팅함으로써 수행될 수 있다. 상기 방법에 따라 제조된 전극판은 늘어짐 또는 주름의 위험이 낮을 수 있고 이 전극판을 가진 전지는 향상된 안정 성능을 가질 수 있다.
전지 코어를 제조하면서, 양극판 및 음극판을 길이 방향으로 한 면을 기준으로 정렬하고 서로 겹치게 하고 판들은 폭 방향으로 엇갈리는 방식으로 놓여 양전극 및 음전극 상에 코팅 재료들이 없는 탭 영역이 노출될 것이다. 격리판은 양극판과 음극판 사이에 배치된다. 음극판 상의 전극 재료 부분은 양극판 상의 전극 재료 부분을 완전히 덮는다. 그런 후에 겹쳐진 전극판들과 격리판을 감아서 전지 코어를 얻는다.
격리판은 폴리에틸렌과 같은 당업계에 공지된 격리판이다. 본 발명에 따라, 절연층은 전극 재료상에 추가로 덮인다. 절연층은 적어도 전이 영역과 제 2 두께 영역을 덮는다. 본 발명자들은 절연층의 결과로서, 양극판과 음극판 상의 음극 재료 사이는 가능한 직접 접촉하면서 음전극 재료가 양전극 재료를 덮는 것은 피할 수 있고 전지 속 내부 단락은 감소할 수 있다는 것을 발견하였다. 전지 안정 성능은 향상될 수 있다.
절연층의 두께는 비교적 넓은 범위로 변할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 절연층의 두께는 약 5-150um이다.
절연 재료는 당업계에서 일반적으로 사용되는 임의의 재료일 수 있는데, 예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
절연층은 상기한 재료의 접착 테이프를 부착함으로써 또는 상기한 접착제를 직접 코팅함으로써 형성될 수 있다. 일반적으로, 양극판의 전이 영역과 제 2 두께 영역 상에 절연층을 형성하는 것만이 필요하다. 본 발명의 한 실시예에서, 접착 테이프를 부착하는 것이 선택된다. 접착 테이프는 구입할 수 있다.
상기 방법에 따라 제조된 전지는 전지의 안정 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 전지 덮개, 코어 및 전해질을 포함하는 전지를 추가로 개시한다. 전지 코어와 전해질은 전지 덮개에 밀봉된다. 전지 코어는 양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판을 포함한다. 적어도 양극판은 본 발명에 제공된 또는 본 발명의 방법에 따라 형성된 전극판이다.
전지 안정 성능은 상기한 전극판을 사용하여 향상될 수 있다.
본 발명에 제공된 전지 제조 방법은 당업계에 공지되어 있다. 이 방법은 양전극판, 음전극판 및 그 사이의 격리판을 코어로 휘감는 단계; 전지 덮개에 전지 코어를 배치하고 전해질을 전지 덮개에 주입하고 전지 덮개를 밀봉하는 단계를 포함한다. 양전극은 집전 장치 및 집전 장치 상에 코팅된 양극 재료를 포함하며, 양극 재료는 양극 활물질, 도전제 및 접착제를 포함한다. 휘감기 및 밀봉 방법은 당업계에 공지된다. 전해질의 사용량은 통상적이다.
전지 코어는 양극판, 격리판, 음극판을 먼저 겹치게 하고 겹쳐진 판들과 격리판을 휘감아 형성된다. 격리판의 길이는 격리판의 종결 선단(terminating end)을 양극판과 음극판의 종결 선단보다 길게 만들 수 있다. 격리판은 양극판과 음극판의 종결 선단을 따라 적어도 한 원을 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서, 격리판은 양극판과 음극판의 종결 선단을 따라 1-10개 원을 둘러쌀 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 격리판은 양전극판과 음전극판의 종결 선단을 따라 2-6개 원을 둘러쌀 수 있다.
본 발명자들은 전지 코어의 외부에 있는 격리판 원은 전해질의 침투 및 충전-방전 동안 팽창할 것이고 팽창 속도는 전지 코어와 일치하고, 전지의 늘어짐은 감소할 수 있고 안정 성능이 향상될 수 있다. 한편, 이 방법은 전해질 침투를 향상시키고 전지 성능을 유지할 수 있다.
제조하는 동안, 양극판, 격리판 및 음극판은 양극판과 음극판의 종결 선단까지 겹쳐지며, 격리판의 자유 선단은 적어도 하나의 원에 의해 전지 코어를 계속 둘러싸서 전지 코어를 얻는다. 바깥층은 격리판의 적어도 하나의 원이다. 이 방법에 의해 전지를 제조하는 동안, 제조 방법은 단순화될 수 있고 조립 효율은 향상될 수 있어서 인적자원뿐만 아니라 비용이 감소할 수 있다.
본 발명에서, 전지 코어는 겹쳐진 양극판, 격리판 및 음극판을 휘감아 형성되고 둘레 선의 적어도 일부는 원호이다. 양극판의 종결 선단 및/또는 음극판의 종결 선단은 전지 코어의 원호 영역에 있다. 구체적으로, 전지 코어는 둘레 방향으로 곡선 영역의 적어도 일부로 형성될 수 있어서 양극판의 종결 선단 및/또는 음극판의 종결 선단은 전지 코어에서 종결될 수 있다. 곡선 영역은 원호 또는 반원 모양으로 형성될 수 있고 양전극과 음전극의 종결 선단은 동일한 곡선 영역에 위치할 수 있다.
둘레 선은 휘감는 방향으로 전지 코어의 모서리 라인이다. 원호 라인은 직선을 제외한 선들을 포함한다. 곡선 영역은 원호 라인이 위치한 전지 코어의 표면적을 의미한다.
본 발명의 한 실시예에서, 양극판과 음극판의 종결 선단은 동일한 원호 영역이다. 즉, 곡선 영역은 아크 또는 반원 모양으로 형성될 수 있고 양극판과 음극판의 종결 선단은 동일한 곡선 영역에 위치할 수 있다.
본 발명자들은 충전과 방전 동안, 전극판이 팽창하고 전지 코어의 두께가 증가하고 전지 덮개에 대해 압축되고, 전지 덮개는 상응하게 전지 코어를 추가로 반대로 압축한다는 것을 발견하였다. 종결 선단에는 두께 경사와 두께 경사를 따라 분산된 반대 힘이 존재하여, 종결 선단에서 응력 집중을 일으킬 수 있고 종결 선단에서 늘어짐 또는 주름을 일으킬 수 있기 때문에, 전지 안정 성능이 영향을 받을 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 양극판의 종결 선단 및/또는 음극판의 종결 선단 및/또는 격리판의 종결 선단은 전지 코어의 곡선 영역에 있다. 곡선 영역이 전지 덮개에 매우 밀접하지 않고 그 사이에 약간의 간격이 있어서, 전지 코어가 팽창하는 동안, 곡선 영역과 전지 덮개 사이의 공간은 원호 지역에서 큰 응력 집중을 막을 수 있거나 피할 수 있고 사용하는 동안 전지 코어의 늘어짐 또는 주름을 막을 수 있다. 게다가, 전지 코어 위가 늘어진 전지의 충전과 방전에서, 공간은 늘어짐이 위치하는 양극판과 음극판 사이에서 더 커서 충전과 방전은 균일하지 않을 수 있어, 리튬 수지상 결정이 성장하는데 유리하다. 따라서 많은 리튬 수지상 결정이 늘어진 영역에서 성장할 수 있고 전지의 안정 성능에 영향을 줄 수 있다. 전지 코어의 곡선 영역에 양극판의 종결 선단 및/또는 음극판의 종결 선단 및/또는 격리판의 종결 선단을 위치시키면 리튬 수지상 결정의 부정적 효과를 감소시킬 수 있다.
상기 처리 후, 늘어짐 또는 주름은 본 발명의 전지를 사용하여 피할 수 있고 따라서 안정 성능은 크게 향상될 수 있다.
본 발명은 다음 실시예들에 의해 추가로 기술된다.
제 1 실시예
제 1 실시예는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 전극판 및 이를 사용하는 전지를 설명한다.
양극 재료, 도전제, 접착제 및 용매를 혼합하고 교반하여 양극 슬러리를 제조한다.
집전 장치는 상기한 방법에 따라 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치, 제 2 두께 영역 위치 및 탭 영역으로 나눈다. 전이 영역 위치는 약 4mm의 폭을 가진다. 제 2 두께 영역 위치의 폭은 약 4mm이다. 탭 영역의 두께는 약 30mm이다. 양극 슬러리는 제 1 두께 영역 위치와 전이 영역 위치에 균일하게 코팅된다. 양극 슬러리의 두께는 약 100um이다. 전이 영역 위치에서 양극 슬러리는 기계를 제어함으로써 날을 사용하여 점차 얇아지고 약 100um의 최대 두께, 약 25um의 최소 두께 및 18.75um/mm의 감소 기울기를 가진 전이 영역 양극 슬러리를 얻는다. 그런 후에 슬러리는 제 2 두께 영역 위치에 코팅되고 제 2 두께 영역에서 양극 슬러리의 두께는 약 25um이다.
코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 양극판을 얻는다.
음극 재료, 도전제, 접착제 및 용매를 혼합하고 교반하여 음극 슬러리를 제조한다.
폭 방향으로 음극 집전 장치 상에 25mm의 폭을 가진 탭 영역을 보존함으로써, 음극 슬러리는 음극 집전 장치의 비 탭 영역 상에 균일하게 코팅되고 코팅된 슬러리의 두께는 약 90um이고, 코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 음극판을 얻는다.
양극판, 격리판 및 음극판은 겹쳐져서 양극 탭 영역은 음극 탭 영역에 비례하고 음극판 상의 전극 재료는 양극판 상의 전극 재료를 완전히 덮고, 겹쳐진 판과 격리판을 감아서 전지 코어를 얻는다.
전지 코어를 전지 덮개에 위치시키고 전해질을 전지 코어 속에 주입하고, 전지 덮개를 밀봉하고 얻은 전지는 A1로 표시한다.
제 2 실시예
제 2 실시예는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 전극판과 전지를 설명하는데 사용된다.
이 방법은 실시예 1과 동일하고, 유일한 차이는 휘감기 전에, 약 80um의 두께를 가진 폴리페닐렌 설파이드 테이프를 전이 영역과 제 2 두께의 양극 재료상에 부착하고 얻은 전지는 A2로 표시한다.
제 3 실시예
제 3 실시예는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 전극 및 이를 사용하는 전지를 설명한다.
양극 재료, 도전제, 접착제 및 용매를 혼합하고 교반하여 양극 슬러리를 제조한다.
집전 장치는 상기한 방법에 따라 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치, 제 2 두께 영역 위치 및 탭 영역으로 나눈다. 전이 영역 위치의 폭은 약 6mm이다. 제 2 두께 영역 위치의 폭은 약 6mm이다. 탭 영역의 두께는 약 50mm이다. 양극 슬러리는 제 1 두께 영역 위치와 전이 영역 위치에 균일하게 코팅된다. 양극 슬러리의 두께는 약 90um이다. 전이 영역 위치에서 양극 슬러리는 기계적으로 제어된 날에 의해 점차 얇아지고 약 90um의 최대 두께, 약 30um의 최소 두께 및 10um/mm의 감소 기울기를 가진 전이 영역 양극 슬러리를 얻는다. 그런 후에 슬러리는 제 2 두께 영역 위치에 코팅되고 제 2 두께 영역에서 양극 슬러리의 두께는 약 30um이다.
코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 양극판을 얻는다.
음극 재료, 도전제, 접착제 및 용매를 혼합하고 교반하여 음극 슬러리를 제조한다.
음극판의 제조 방법은 상기한 방법과 기본적으로 동일하고, 차이는 다음이다: 전이 영역 위치의 폭은 약 5mm이다. 제 2 두께 영역 위치의 폭은 약 5mm이다. 탭 영역의 폭은 40mm이다. 음극 슬러리의 두께는 약 100um이다. 전이 영역에서 음극 슬러리는 기계적으로 제어된 날에 의해 점차 얇아지고 약 100um의 최대 두께, 약 20um의 최소 두께 및 16um/mm의 감소 기울기를 가진 전이 영역 음극 슬러리를 얻는다. 그런 후에 슬러리는 제 2 두께 영역 위치에 코팅되고 제 2 두께 영역에서 음극 슬러리의 두께는 약 20um이다. 코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 양극판을 얻는다.
절연층의 부착 및 휘감기 및 전지 조립 방법들은 제 2 실시예의 것들과 동일하고 얻은 전지는 A3로 표시한다.
제 1 비교예
비교예는 종래 기술에 따른 전지 전극판과 이를 사용하는 전지를 설명한다.
전극판과 전지 제조 방법은 제 1 실시예의 방법과 동일하고, 유일한 차이는 전극판들이 얇아지지 않고 얻은 전지는 D1로 표시한다.
제 4 실시예
제 4 실시예는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지를 설명한다.
이 방법은 제 3 실시예와 기본적으로 동일하고, 유일한 차이는 휘감기 전에,약 50um의 두께를 가진 폴리페닐렌 설파이드 테이프가 전이 영역과 제 2 두께 영역의 양극 재료상에 부착된다는 것이다.
전지 코어의 제조에서, 상기 양극판, 프로필렌 격리판 및 음극판을 두루말이 코어로 휘감는다. 양극판과 음극판이 종결되는 동안, 격리판의 자유 선단은 하나 이상의 원을 위해 전지 코어를 계속 휘감고 양극판 및 음극판의 밖에 격리판의 층을 형성한다. 그런 후에 격리판을 절단하고 도 2에 도시된 대로 접착 테이프로 고정한다.
상기한 방법에 따라 전지를 제조하고 제조된 전지는 A4로 표시한다.
제 5 실시예
제 5 실시예는 본 발명의 한 실시예 따른 전지를 설명한다.
양극판 및 음극판의 제조 방법 및 전지의 조립은 제 3 실시예와 기본적으로 동일하고, 유일한 차이는 다음과 같다:
전지 코어의 제조에서, 상기 양극판, 프로필렌 격리판 및 음극판을 두루말이 코어로 휘감는다. 양극판, 음극판 및 격리판의 종결 선단은 전지 코어의 곡선 영역에서 종결된다.
상기한 방법에 따라 제조된 전지는 A5로 표시한다.
제 2 비교예
본 발명의 비교예는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지를 설명한다.
양극판 및 음극판의 제조 방법 및 전지의 조립은 제 5 실시예와 기본적으로 동일하고, 유일한 차이는 다음과 같다:
양극판, 음극판 및 격리판의 종결 선단은 전지 코어의 곡선 영역에서 종결되지 않는다.
상기 방법에 따라 제조된 전지는 D2로 표시한다.
제 6 실시예
본 발명의 실시예들은 본 발명의 한 실시예에 따른 전지를 설명한다.
양극판 및 음극판의 제조 방법 및 전지의 조립은 제 5 실시예와 기본적으로 동일하고, 유일한 차이는 다음과 같다: 양극 슬러리는 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치 및 제 2 두께 영역 위치에 균일하게 코팅되고 코팅된 양극 슬러리의 두께는 약 100um이다. 전이 영역과 제 2 두께 영역에서 양극 슬러리는 기계적으로 제어된 날을 사용하여 점차 얇아진다. 얻은 전이 영역 양극 슬러리는 약 100um의 최대 두께, 약 25um의 최소 두께 및 18.75um/mm의 감소 기울기를 가지며 제 2 두께 영역에서 두께는 약 25um이다. 코팅된 전극판을 건조하고 압연하여 양극판을 얻는다.
얻은 양극판의 경우에, 제 1 두께 영역의 폭은 약 4mm이고 양극 재료의 두께는 약 90um이다. 전이 영역의 폭은 약 4mm이고 양극 재료는 90um의 최대 두께 및 21um의 최소 두께를 가졌다. 제 2 두께 영역에서 양극 재료의 두께는 약 21um이다.
상기 방법에 따라 제조된 전지는 A6로 표시한다.
제 7 실시예
본 실시예는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지를 설명한다.
양극판 및 음극판의 제조 방법 및 전지의 조립은 제 6 실시예와 기본적으로 동일하고, 유일한 차이는 다음과 같다: 양극 슬러리는 제 1 두께 영역 위치, 전이 영역 위치 및 제 2 두께 영역 위치에 균일하게 코팅된다. 코팅된 양극 슬러리의 두께는 약 100um이다. 코팅된 집전 장치를 건조한다. 전이 영역과 제 2 두께 영역에서 양극 슬러리는 기계적으로 제어된 날을 사용하여 점차 얇아진다. 얻은 전이 영역 양극 슬러리는 약 100um의 최대 두께, 약 25um의 최소 두께 및 18.75um/mm의 감소 기울기를 가지며 제 2 두께 영역에서 두께는 약 25um이다. 코팅된 전극판을 건조하고 압연하여 양극판을 얻는다.
얻은 양극판의 경우에, 제 1 두께 영역의 폭은 약 4mm이고 양극 재료의 두께는 약 88um이다. 전이 영역의 폭은 약 4mm이고 양극 재료는 88um의 최대 두께 및 20um의 최소 두께를 가졌다. 제 2 두께 영역에서 양극 재료의 두께는 약 20um이다.
상기 방법에 따라 제조된 전지는 A7로 표시한다.
성능 검사
1. 수율 검사
100의 양을 가진 양극판 A11, A21, A31, A41, A51 및 D11을 상기 실시예 1-5 및 제 1 비교예에 따라 각각 형성하여 수율을 검사한다. 검사 방법은 얻은 판을 관찰하여 늘어짐 또는 파괴 등이 있는 지를 측정한다.
수율 = 늘어짐 또는 파괴 없는 판 / 전체 판(즉 100) x 100%.
2. 안전 성능 검사
상기 제조된 전지 A1-A5 및 D1는 다음과 검사한다.
안전 검사 기준은 QC/T 743-2006에 따른다.
검사 결과들은 다음 표 1에 도시된다.
판 샘플 수율/% 전지 샘플 안정 성능
A11 95 A1 약한 연기
A21 97 A2 정상
A31 98 A3 정상
D11 66 D1 폭발
A41 97 A4 정상
A51 98 A5 정상
표 1에 도시된 대로, 본 발명에 따른 전극판은 높은 수율을 가지며 이의 안정 성능은 크게 향상된다. 또한, 전이 영역과 제 2 두께 영역 상에 절연층을 첨가한 후가 전지 안정 성능에 유익하다.
3. 전지 코어 성능 검사
상기 제 1 내지 제 5 실시예들 및 제 1, 제 2 비교예에 따른 전지들을 제조하고 A1, A2, A3, A4, A5 및 D1 및 D2에 대한 100 전지들을 각각 얻는다. 전지들을 3.2A의 정전류하에서 충전하고, 상한 충전 전압은 3.8V이고, 하한 충전 전압은 2.2V이고, 컷오프 전류는 0.2A이고 10분 동안 따로 두었다. 그런 후에 전지들을 2.0V의 컷오프 전류로 8A의 정전류에서 방전한다. 전지들을 10회 사이클로 충전하고 방전한다. 그런 후에 전지들을 떼어 분리하여 전지 코어가 어떠한 늘어짐이 있는지 또는 미세 수지상 돌기 또는 합금이 있는 지를 정한다.
전지 코어 늘어짐 비율 = 늘어짐/100을 가진 전지들의 양
본 발명에서, 수지상 돌기 비율은 전지 코어에서 발생한 수지상 돌기 또는 합금이 확률 비율을 설명하는데 사용되는데, 즉:
수지상 돌기 비율 = 수지상 돌기 또는 합금/100을 가진 전지들의 양.
검사 결과는 다음 표 2에 도시된다.
전지 샘플 전지 코어 늘어짐 비율/% 수지상 돌기 비율/%
A1 38 42
A2 40 43
A3 35 38
D1 51 54
A4 24 29
A5 20 24
D2 55 57
표 2에 도시된 대로, 전지 코어를 제조하면서, 격리판이 전지 코어의 다른 원을 둘러싸는 경우 또는 전극판 및/또는 격리판의 종결 선단이 곡선 영역에 위치하는 경우, 충전 또는 방전하는 동안 전지에서 늘어짐, 수지상 돌기 또는 합금의 비율은 전지 안정 성능을 추가로 향상시킨다.
본 발명의 변화 및 변형은 본 발명의 범위 또는 취지로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예들에 한정되지 않고 변형 및 다른 실시예들도 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함될 것으로 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 본 명세서에서 사용되지만, 이런 용어들은 일반적이고 설명적인 면에서 사용되고 제한하려는 것은 아니다.
1 제 1 두께 영역
2 전이 영역
21 양극 탭
22 음극 탭
3 제 2 두께 영역
4 탭 영역
5 전극 집전 장치
6 격리판
7 양극판의 종결 선단
8 음극판의 종결 선단

Claims (22)

  1. 집전 장치의 적어도 일부 상에 전극 재료가 코팅된 직사각형 집전 장치를 포함하고, 집전 장치의 일부는
    제 1 두께 영역;
    제 1 두께 영역의 두께보다 작은 두께를 가진 제 2 두께 영역;
    제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 가늘어지는 전이 영역; 및
    전이 영역과 제 2 두께 영역 상에 적어도 전극 재료를 덮는 절연층을 가지는 것인 전지 전극판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 두께 영역에서 제 2 두께 영역의 방향에서, 전이 영역은 실질적으로 1-10mm의 폭을 가지며 제 2 두께 영역은 실질적으로 1-10mm의 폭을 가지는 것인 전지 전극판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    전이 영역은 제 1 두께 영역에서 제 2 두께 영역으로 부드럽게 가늘어지고, 제 1 두께 영역에서 전극 재료는 20-350um의 두께를 가지고, 제 2 두께 영역에서 전극 재료는 10-250um의 두께를 가지는 것인 전지 전극판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 두께 영역에서 전극 재료의 두께 대 제 2 두께 영역에서 전극 재료의 두께의 비는 2-10:1의 범위 내에 해당하는 전지 전극판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 전극 재료의 두께의 감소 기울기는 5-300um/mm이고, 제 1 두께 영역과 제 2 두께 영역에서 전극 재료는 각각 전지 전극판의 두께 방향에서 균일한 두께를 가지는 전지 전극판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    그 위에 코팅되는 전극 재료가 없는 탭 영역을 더 포함하고, 탭 영역은 전이 영역으로부터 멀어지는 제 2 두께 영역의 측면에 형성되며 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로의 방향으로 실질적으로 10-100mm의 폭을 가지는 전지 전극판.
  7. 삭제
  8. 집전 장치 상에 전극 재료의 슬러리를 코팅하는 단계; 및
    코팅된 집전 장치를 건조하고 압연하여 전극판을 얻는 단계로서, 압연 전에 박화 단계(thinning step)가 수행되어 코팅된 전극 재료를 위한 제 1 두께 영역, 제 2 두께 영역 및 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 가늘어지는 전이 영역을 형성할 수 있고, 제 1 두께 영역에 있는 전극 재료의 두께는 제 2 두께 영역에 있는 전극 재료의 두께보다 두껍고, 전이 영역과 제 2 두께 영역 상에 적어도 전극 재료는 박화 단계 후 절연층으로 덮히는 것인 단계
    를 포함하는 전지 전극판의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    박화 단계는 집전 장치 상의 코팅된 전극 재료를 문질러서 수행되거나 각각 제 1 두께 영역, 전이 영역 및 제 2 두께 영역을 형성하기 위해 집전 장치 상에 직접 코팅함으로써 수행되는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    전극 재료는 코팅 단계에서 각각 제 1 및 전이 영역 상에 균일하게 코팅되고, 전이 영역은 제 1 두께 영역으로부터 제 2 두께 영역으로 5-300um/mm의 감소 기울기로 부드럽게 가늘어지는 방법.
  11. 베터리 덮개, 및
    전지 덮개에 둘러싸인 전지 코어 및 전해질을 포함하며, 전지 코어는 양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 배치된 격리판으로 구성되고, 적어도 양극판은 제 1 항에 따른 전지 전극판으로 제조되는 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전지 코어는 차례로 덮인 양극판, 격리판 및 음극판을 휘감아 형성되고, 격리판은 이의 종결 선단이 적어도 한 원만큼 양극판과 음극판의 종결 선단보다 긴 길이를 가지는 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전지 코어는 둘레 방향으로 곡선 영역의 적어도 일부로 형성되어 양극판의 종결 선단 및/또는 음극판의 종결 선단이 전지 코어에서 종결되는 전지.
  14. 삭제
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