KR101419747B1 - 전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법 및 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 집전체를 전지 케이스에 투입하는 구조형성단계; 상기 전극 집전체가 투입된 전지 케이스에 전해액을 주입하는 전해액주입단계; 상기 전극에 점핑전압을 인가하는 전압점핑단계; 및 상기 이차 전지를 대상으로 충전과 방전을 1회 이상 수행하는 화성단계를 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면, 2차 전지에서 발생되는 저전압 현상의 원인이 되는 음극 집전체의 용출 현상을 효과적으로 극복할 수 있어 더욱 안정화된 성능의 구현이 가능한 이차 전지를 제공할 수 있다.

Description

전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법 및 이차 전지{METHOD FOR MANUFACTURING SECONDARY ELECTRIC CELL AND SECONDARY ELECTRIC CELL THEREOF}

본 발명은 이차 전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 이차 전지 제조 과정에서 이차 전지의 전극에 소정 크기의 점핑 전압(Jumping voltage)을 인가함으로써 이차 전지의 저전압 현상을 효과적으로 극복할 수 있는 2차 전지 제조 방법에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.

상기 2차 전지(셀)는 적용 형태나 구조 등에 따라 파우치형, 캔형, 소형, 중대형 등으로 다양하게 분류될 수 있으며, 그 중 도 1에 예시적으로 파우치형 2차 전지 셀을 도시하고 있다. 기본적 원리와 구조 등은 상호 대응될 수 있으므로 도 1에 도시된 파우치형 이차 전지를 예시적인 형태로 하여 이하에서 설명하도록 한다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이 이차 전지(100)는 파우치 케이스(200) 및 전극집전체(300)(전극조립체로도 지칭된다)를 기본 구조로 포함하고 있으며, 상기 전극집전체(300)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키는 분리막 또는 세퍼레이터 등으로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이 상기 전극집전체(300)는 양극판에서 연장되어 형성되는 양극 리드(탭)(310)와 음극판에서 연장되어 형성되는 음극 리드(탭)(320)가 일반적으로 구비된다. 상기 전극 리드(310, 320)는 이차 전지의 전극으로 기능하는 구조체에 해당한다.

상기 2차 전지는 개체의 구성 순에 의하여 단위 개체인 셀(cell), 집합체인 어셈블리(assembly), 배터리(battery)(팩(pack)) 등으로 칭해지며, 이하 설명에서 달리 언급되지 않는다면, 본 설명에서의 이차 전지는 상기 개체를 구별하지 않고 통칭적으로 사용하도록 한다.

파우치 케이스(200)는 상기 전극 집전체와 후속 공정에 의하여 내부로 유입된 전해액으로 이루어지는 이차 전지를 보호하고, 전지 셀의 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 알루미늄 박막이 개재된 형태로 구성되며, 상기 전지 셀과 외부와의 절연성을 확보하게 위하여 상기 알루미늄 박막은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)수지 또는 나일론(nylon)수지 등의 절연물질로 코팅된 절연층이 외부에 형성된다.

상기 파우치 케이스의 상부 파우치(210)의 하면과 하부 파우치(220)의 상면은 상호 간의 접착을 위하여 무연신 폴리프로필렌(Casted PolyPropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP)에 의한 접착층이 형성되어 열융착 등에 의하여 접합된다.

이와 같은 형태와 구조를 가지는 2차 전지의 제조 공정을 간략히 살펴보면, 우선, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 전극집전체(300)를 상기 파우치 케이스(200)에 투입한 후 파우치 케이스 안으로 전해액을 주입하는 공정이 진행된다.

그 후 실링, 등의 필요한 후속 공정을 거친 후 상기 2차 전지의 전해액 성분 등이 잘 혼합 내지 스며들 수 있도록 하는 일정한 온도 또는 습도 환경에 노출시키는 전해액 함침 등을 위한 에이징(aging) 공정을 진행하게 된다.

상기 공정이 완료되면, 이차 전지에 대한 충방전을 수행하는 화성(formation)공정을 진행하게 되는데, 상기 화성 공정은 전지 구조를 안정화시키고, 실제 사용 가능한 상태가 되도록 하는 즉, 전지의 활성화 및 상기 에이징 공정 중에 발생되는 불량요소 등의 제거 등을 위하여 수행된다.

한편, 이차 전지의 음극은 구리 등의 금속으로 이루어지는데 상기 구리는 상기 공정 진행 중 특히, 고온 환경에서 진행되는 에이징 공정에서 첨부된 도 2와 같이 구리가 전해액으로 용출되는 현상이 일어난다.

도 2에 도시된 바와 같이 온도의 상승에 따라 그 용출량도 높아지게 되는데, 상기 구리 등의 금속 용출은 결국 음극으로서의 기능 저하를 유발하게 되고, 이는 곧 정상 성능 구현의 장애요소가 되는 이차 전지의 저전압 현상을 잠재적으로 발생시키는 원인 요소가 되므로 간과될 수 없는 중요한 문제점이라고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 이러한 문제점을 효과적으로 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 이차 전지 제조 공정에서 발생되는 구리의 전해액 내 용출 현상을 최소화함으로써 이차 전지의 저전압 현상을 방지할 수 있는 이차전지 제조 방법 및 이를 이용한 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 집전체를 전지 케이스에 투입하는 구조형성단계; 상기 전극 집전체가 투입된 전지 케이스에 전해액을 주입하는 전해액주입단계; 상기 이차 전지의 전극에 점핑전압을 인가하는 전압점핑단계; 및 상기 이차 전지를 대상으로 충전과 방전을 1회 이상 수행하는 화성단계를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 본 발명의 전압점핑단계는 2.5V이하의 전압을 상기 양 전극에 인가하도록 구성될 수 있으며, 더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여, 1초 내지 10초 동안 상기 점핑전압을 인가하도록 구성될 수 있다.

이와 함께 상온~60℃ 온도 범위에서 수행되는 에이징 공정을 더 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 집전체; 상기 전극 집전체가 구비되는 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스 내에 주입되는 전해액을 포함하며, 상기 전해액 내 구리 이온은 200ppm이하로 구성된다.

본 발명에 의한 전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법 및 이에 의한 이차전지는 이차 전지 성능의 저해 요인으로 작용하는 구리의 전해액 내 용출현상을 최소화할 수 있어 이차 전지의 저전압 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 기존 이차 전지 제조 공정에서 간단한 공정만을 추가함으로써 이와 같은 효과를 실현할 수 있어 기존 이차 전지 제조 공정의 프로세스를 그대로 활용할 수 있으므로 더욱 경제적이고 효과적인 제조 공정을 구현할 수 있다.

이러한 본 발명의 특징에 기반하여 이차 전지의 수율을 더욱 높일 수 있으며, 더욱 안정적이고 성능이 향상된 이차 전지의 제조를 실현할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도,
도 2는 이차 전지에서 시간 경과에 따른 구리 용출의 정도를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이차 전지 제조의 과정을 도시한 흐름도,
도 4는 인가 전압에 따른 전해액과 활물질 간의 반응을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 의한 점핑 전압이 인가된 이차 전지와 비교예에서의 구리 용출 정도를 실험한 결과표이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전압 점핑을 이용한 이차전지 제조 과정을 도시한 흐름도이다. 상기 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 이차 전지 제조 과정은 우선, 전극 집전체(300)를 파우치 등의 전지 케이스(200)에 투입하는 공정을 수행한다(S200).

앞서 살펴본 바와 같이 일반적으로 상기 전극 집전체(300)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판의 전기적 절연을 위하여 물리적인 이격 공간을 형성하기 위한 분리막 또는 세퍼레이터(separator) 등으로 이루어진 구조체에 해당한다. 상기 전극 집전체(300)는 실시형태에 따라 추가적인 구성이 채용될 수 있으나, 설명의 효율성을 높이고 본 발명의 기술 사상을 효과적으로 전달하기 위하여 상기 전극 집전체(300)를 양극판, 음극판 및 분리막으로 이루어지는 구성으로 단순화하여 설명하도록 한다.

전극 집전체(300)가 전지 케이스(200)에 투입되면, 상기 이차전지에 전해액을 주입하는 공정이 수행된다(S210). 상기 전해액은 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 음극활물질, 예를 들어 카본 입자 내에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달할 수 있도록 하는 매개체로서의 기능을 수행하게 된다.

이와 같이 전해액이 주입되어 케이스 외장재를 소정의 방법으로 실링하게 되면 기본적인 이차전지 구조가 형성된다.

상기와 같이 전해액 주입 공정이 완료되면, 전해액의 함침이나 성능의 안정화를 위하여 일정 온도 환경에서 상기 공정이 완료된 이차 전지를 노출시키는 에이징 공정을 수행한다.

그 후 이차 전지를 대상으로 화성 공정(formation)을 진행하게 되는데, 상기 화성 공정은 불량 여부를 판정하고, 전지로서의 기능 활성화를 실현하며, 수명의 안정성을 확보하기 위하여 화성(formation)공정을 진행하게 되며, 상기 화성 공정은 이차 전지를 대상으로 반충전 또는 만충전, 반방전 또는 완전 방전을 1회 이상 반복적으로 수행하는 방법에 의하여 진행된다.

실시형태에 따라서 상기 에이징 공정은 도 2에 예시된 바와 같이 제1 및 제2 에이징 공정과 같이 화성 공정 전과 후에 걸쳐 실시될 수 있으며, 또한, 화성 공정 이전에만 제한적으로 실시될 수도 있다.

상기 에이징은 균일 함침, 수명 특성, 전지 팽창률 억제 등과 같이 여러 가지 실효성의 확보를 위하여 고온 환경에서 진행되는 것이 일반적이며, 60도 이상에서 진행되는 경우 분리막에 코팅된 폴리머 등이 변성되어 충방전 등의 전지 성능에 영향을 줄 수 있으므로 상온에서 60도이하의 온도 범위에서 에이징 공정이 진행되는 것이 바람직하다.

한편, 이러한 고온 환경에서 진행되는 에이징 공정은 앞서 살펴본 바와 같이 저전압의 원인으로 작용하는 구리 이온의 용출을 더욱 가속화시키는 문제점을 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 상기 에이징 공정의 수행 중, 또는 상기 에이징 공정의 전처리 또는 후처리 공정으로서 상기 이차 전지의 전극에 소정의 전극 안정화를 위한 점핑 전압(jumping voltage)를 인가하는 방법을 제안한다.

상기와 같이 충전과 방전을 반복적으로 실행하는 화성 공정을 수행하기 전 점핑 전압을 소정 시간 동안 이차 전지에 인가하게 되면, 음극을 구성하는 구리의 금속으로서의 상태가 안정화되어 에이징 공정 등을 수행하더라도 구리 금속의 용출을 낮출 수 있다.

상기 점핑 전압은 2,5V이하의 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 인가 전압에 따른 전해액과 활물질 간의 반응을 나타내는 도 4에 도시된 바와 같이 2.5V이상의 전압에서 반응의 정도가 비약적으로 증대됨을 알 수 있다. 이는 Li이온의 음극 이동이 더욱 활발히 이루어져, 전극 표면에 더 많은 피막이 형성되어 전지의 성능이 저하될 수 있다는 것을 의미한다.

공정 시간의 효율성과 전극의 기능 안정을 위하여, 상기 점핑 전압이 인가되는 시간은 1초 내지 10초 정도의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 1초 이하로 진행되는 경우 전압 점핑에 의한 효과가 실효성 있게 나타나지 않으며, 10초 이상 과도한 시간동한 진행되는 경우 전해액이 충분히 웨팅(wetting)되지 않은 상태에서 과도한 전압 인가로 음극에 Li 등이 석출되는 문제가 발생될 수 있다.

이와 같이 화성 공정이 진행되기 전 점핑 전압이 인가되는 경우, 첨부된 도 5와 같이 금속 특히 구리의 용출을 현저히 낮출 수 있게 되며, 이를 통하여 이차 전지의 저전압 현상을 효과적으로 최소화할 수 있게 된다.

이와 같은 공정에 의하여 제조되는 이차 전지의 경우 전해액 내 구리 이온은 200ppm이하로 유지할 수 있어 금속 용출을 효과적으로 방지할 수 있으며 이를 통해 음극으로서의 기능 저하 현상을 최소화시켜 이차 전지의 성능을 개선할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 이차전지 200: 파우치 케이스
300: 전극집전체

Claims (5)

1. 이차 전지의 제조방법에 있어서,
   양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 집전체를 전지 케이스에 투입하는 구조형성단계;
   상기 전극 집전체가 투입된 전지 케이스에 전해액을 주입하는 전해액주입단계;
   상기 이차 전지의 전극에 점핑전압을 인가하는 전압점핑단계; 및
   상기 이차 전지를 대상으로 충전과 방전을 1회 이상 수행하는 화성단계를 포함하며,
   상기 전압점핑단계는 2.5V 이하의 전압을 상기 양 전극에 인가하되 1초 내지 10초 동안 상기 점핑전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상온~60℃ 온도 범위에서 수행되는 에이징 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 점핑을 이용한 이차 전지 제조방법.
5. 삭제

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