KR101453781B1 - 이차 전지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경화된 상태의 폴리머 충진을 통해 안전성이 향상될 수 있는 이차 전지 및 이를 제조하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전해액에 폴리머 입자를 첨가하여 폴리머 슬러리를 준비하는 단계; 상기 폴리머 슬러리를 전극 조립체가 수납된 전지 케이스에 주액하는 단계; 상기 전지 케이스를 가열하여 폴리머 슬러리를 폴리머 용액으로 변환시키는 단계; 및 상기 전지 케이스를 냉각시켜 상기 폴리머 용액을 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이를 제조하는 방법{Secondary battery and method for manufacturing the same}
본 발명은 이차 전지를 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지 케이스 내부에 액체 상태의 전해액 이외에 고체 또는 겔 상태의 폴리머를 구비함으로써 기계적 안전성이 향상됨은 물론 전극 조립체의 단락을 방지할 수 있는 이차 전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다.
한편, 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 상태에서 액체 상태의 전해질, 즉 전해액이 주입되고, 전지 케이스가 실링되는 과정을 통해 제조된다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 정면에서 바라본 형태의 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분에 대하여 측면에서 바라본 형태의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적으로 이차 전지는 전극 조립체(10)와 전해액을 전지 케이스(20)의 내부 공간에 수용하는 형태로 구성된다. 전극 조립체(10)는 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태를 갖는데, 이러한 양극판 및 음극판의 각각에는 전극 탭(11)이 부착된다. 그리고, 이러한 전극 탭(11)은 전극 리드(12)와 연결된 상태로 도면에서 V 부분으로 표시된 바와 같은 전지 케이스(20)의 내부 공간에 수납된다. 그런데, 통상적으로 이러한 전극 탭(11)과 전극 리드(12)의 연결은 이로 인해 차지하는 공간을 줄이기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, V자 형태로 구부러진 상태로 이루어진다. 때문에, 전지 케이스(20) 내부에서 이러한 전극 탭(11)과 전극 리드(12)가 연결되는 부분이 차지하는 공간(V)을 V-forming 공간이라고도 한다.
그런데, 이러한 V-forming 공간과 같은 전지 케이스(20) 내부의 빈 공간의 존재로 인해 전극 조립체(10)가 유동될 수 있다. 전극 조립체(10)가 유동되면, 전극 탭(11), 전극 리드(12) 및 이들 사이의 연결 부분이 파손될 수 있음은 물론, 전극 조립체(10) 자체가 파손될 수도 있다.
뿐만 아니라, 전극 조립체(10)의 유동으로 전극 탭(11)이 절단되는 경우 절단된 부분이 다른 극성의 전극판에 접촉하여 내부 단락이 발생할 수 있으며, 이 경우 이차 전지의 발열, 발화 또는 폭발과 같은 사고로 이어질 수 있어 문제가 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전지 케이스(20) 내부의 빈 공간, 특히 V-forming 공간에 겔 폴리머와 같은 경화된 상태의 폴리머가 충진되도록 하여 안전성이 향상될 수 있는 이차 전지 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전해액에 폴리머 입자를 첨가하여 폴리머 슬러리를 준비하는 단계; 상기 폴리머 슬러리를 전극 조립체가 수납된 전지 케이스에 주액하는 단계; 상기 전지 케이스를 가열하여 폴리머 슬러리를 폴리머 용액으로 변환시키는 단계; 및 상기 전지 케이스를 냉각시켜 상기 폴리머 용액을 경화시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전지 케이스의 가열 및 냉각 단계는, 상기 전지 케이스에 소정 압력이 인가된 상태에서 수행된다.
또한 바람직하게는, 상기 전지 케이스의 냉각 단계는, 상기 폴리머 용액이 겔 상태가 되도록 수행된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 전해액; 상기 전극 조립체 및 상기 전해액을 내부 공간에 수납하는 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 내부 공간에서 상기 전지 케이스의 내면과 상기 전극 조립체 사이에 충진된 경화된 폴리머 용액을 포함한다.
바람직하게는, 상기 경화된 폴리머 용액은, 상기 전지 케이스 내부에서 상기 전극 조립체의 전극 탭이 돌출된 부분에 충진된다.
또한 바람직하게는, 상기 경화된 폴리머 용액은, 상기 전지 케이스 내부에서 상기 전극 조립체의 전극 탭이 돌출된 부분에 충진된다.
본 발명에 의하면, 겔 상태의 폴리머와 같이 경화된 상태의 폴리머가 전지 케이스의 빈 공간, 특히 전극 탭과 전극 리드가 연결되는 V-forming 공간에 채워진다.
따라서, 전극 조립체의 유동이 방지되어 전극 조립체 및 전극 탭의 파손이 방지됨은 물론, 전극 탭과 전극 리드의 연결이 안정적으로 유지될 수 있고, 외부 충격으로부터 전극 탭과 전극 리드를 보호할 수 있다.
또한, 전극 탭의 파손시 파손된 전극 탭이 다른 극성의 탭 또는 전극판과 접촉하여 내부 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, V-forming 공간 등에 충진된 경화된 폴리머 용액이 양극판 및 음극판에 비해 돌출된 분리막을 고정시킴으로써 분리막의 수축 등으로 인한 양극판과 음극판의 접촉을 방지할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 의할 경우, 이차 전지의 안전성이 크게 향상될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 파우치형 이차 전지의 정면에서 바라본 형태의 단면도이다.
도 2는, 도 1의 A 부분에 대하여 측면에서 바라본 형태의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는, 도 3의 B 부분에 대하여 측면에서 바라본 형태의 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 이차 전지에 대하여 3점 굴곡 테스트를 수행한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 이차 전지에 대하여 충전 및 방전 시 용량에 따른 전압의 크기를 측정하여 그 결과를 도시한 그래프이다.
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 아니되며, 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이고, 도 4는 도 3의 B 부분에 대하여 측면에서 바라본 형태의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 조립체(100), 전해액, 전지 케이스(200) 및 경화된 폴리머 용액(300)을 포함한다.
상기 전극 조립체(100)는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 상태로 전지 캔에 수납된다. 이때 전극 조립체(100)는 다수의 양극판 및 음극판이 적층된 상태로 전지 케이스(200)에 수납되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 상태로 전지 케이스(200)에 수납될 수 있다. 전극 조립체(100)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 각각의 전극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭(110)이 부착될 수 있다.
상기 전극 탭(110)은, 양극판과 음극판에 각각 부착되며 전극 조립체(100)로부터 돌출된 형태로 구성된다. 그리고, 이러한 전극 탭(110)은, 도 3에서 V로 표시된 것과 같은 이른바 V-forming 공간이라 하는 전지 케이스(200)의 내부 공간에서 굴곡된 상태로 전극 리드(120)와 연결될 수 있다. 여기서, V-forming 공간은, 하나 이상의 전극 탭(110)이 전극 조립체(100)로부터 돌출되어 전극 리드(120)와 연결되는 부분이 존재하는 전지 케이스(200)의 내부 공간을 가리키는 것으로, 공간 확보를 위해 전극 탭(110)이 V-자 형태로 구부러져 있다는 형태적 특징을 따라 V-forming 공간이라 불린다.
한편, 도 4에서는, 하나의 전극 탭(110)만 도시되었으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 다수의 전극 탭(110)이 전극 조립체(100)로부터 돌출되어 전극 리드(120)와 연결될 수 있다.
상기 전극 리드(120)는, 용접 등과 같은 다양한 방식으로 하나 이상의 전극 탭(110)과 연결되어 전지 케이스(200) 외부로 돌출됨으로써 전극 단자를 형성한다.
한편, 도 3에서는 2개의 전극 리드(120), 다시 말해 양극 리드와 음극 리드 모두 동일한 방향으로 돌출된 형태로 도시되었으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 리드와 음극 리드는 전지 케이스(200)를 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다.
상기 전해액은, 액체 상태의 전해질을 의미하는 것으로, 양극판과 음극판 사이에서 이온이 이동될 수 있도록 한다. 그리고, 이러한 양극판과 음극판 사이의 이온 교환을 통해 이차 전지는 충방전을 수행할 수 있게 된다. 리튬 이차 전지에서는 통상적으로 비수 전해액이 널리 이용된다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6-, BF4-, Cl-, Br-, I-, ClO4-, AsF6-, CH3CO2-, CF3SO3-, N(CF3SO2)2-, C(CF3SO2)3-와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (γ-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
이러한 전해액에 대해서는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 널리 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다. 또한 본 발명은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전해액을 본 발명의 전해액으로 채용할 수 있다.
상기 전지 케이스(200)는, 내부 공간을 구비하여 그 내부 공간에 전극 조립체(100) 및 전해액을 수납한다.
바람직하게는, 상기 전지 케이스(200)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 파우치형 전지 케이스(200)일 수 있다. 즉, 전지 케이스(200)는 상부 파우치 및 하부 파우치가 실링부(S)에서 서로 실링됨으로써 형성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치 및/또는 하부 파우치에 내부 공간이 형성되어 전극 조립체(100) 및 전해액, 그리고 경화된 폴리머 용액(300)을 수납할 수 있다.
이처럼, 전지 케이스(200)가 파우치형 전지 케이스(200)로 이루어진 경우, 전지 케이스(200)를 가압하는 공정이 용이해져 전해액에 첨가된 폴리머가 V-forming 공간과 같은 전지 케이스(200) 내부의 빈 공간에 잘 채워지도록 할 수 있는데, 이에 대해서는 후술하도록 한다.
다만, 본 발명은 이와 같은 전지 케이스(200)의 특정 형태에 의해 한정되지 않으며, 금속 재질의 캔과 같은 다른 형태의 전지 케이스(200)를 이용할 수도 있다.
상기 경화된 폴리머 용액(300)은, 전지 케이스(200)의 내부 공간 중 전극 조립체(100)가 위치하지 않는 부분에 충진된다. 전지 케이스(200)의 내부에는 공간이 마련되어 이러한 내부 공간에 전극 조립체(100)와 전해액이 수납되게 되는데, 전지 케이스(200)의 내면과 전극 조립체(100) 사이에는 어느 정도 간격이 존재할 수 있다. 상기 경화된 폴리머 용액(300)은, 이와 같은 전지 케이스(200)의 내면과 전극 조립체(100) 사이에 충진될 수 있다.
여기서, 경화란 굳어져 있는 상태를 의미하는 것으로, 반드시 완전히 굳어져 있는 고체 상태만을 의미하는 것은 아니며, 겔(gel) 등과 같이 유동하지 않고 형태를 유지하고 있는 상태 등도 포함하는 넓은 개념이다. 즉, 액체 상태의 폴리머 용액이 굳어짐으로써 더 이상 액체로서의 성질을 가지고 있지 않은 상태라면, 경화된 폴리머 용액(300)이라 할 수 있다. 그리고, 이와 같은 경화란 용어는 고화, 겔화와 같은 다른 용어로 대체될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 경화된 폴리머 용액(300)은, 겔(gel) 상태의 폴리머 용액일 수 있다. 즉, 본 발명의 이차 전지에서는, 전극 조립체(100) 및 전해액과 함께, 겔 폴리머가 전극 조립체(100)와 전지 케이스(200) 내부 사이에 충진될 수 있다.
한편, 충진이라 함은, 반드시 전지 케이스(200)와 전극 조립체(100) 사이의 빈 공간을 완전히 채우는 것을 의미하는 것은 아니며, 일부 채워지지 않고 빈 공간이 남겨진 경우도 포함됨은 물론이다.
이처럼, 경화된 폴리머 용액(300)이 전지 케이스(200)의 내면과 전극 조립체(100) 사이의 공간에 충진되는 경우, 이러한 공간으로 인해 전극 조립체(100)가 유동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의할 경우, 전극 조립체(100)의 유동으로 인한 전극 조립체(100)나 전극 탭(110)의 파손 또는 손상 등을 억제할 수 있다.
또한, 전극 조립체(100)의 경우 세퍼레이터가 양극판이나 음극판보다 돌출된 형태로 구성되는 것이 일반적인데, 본 발명에서는 전극 조립체(100) 외부에 충진된 경화된 폴리머 용액(300)이 이와 같은 세퍼레이터를 잡아 두는 역할을 할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터가 수축하는 것을 방지하여, 세퍼레이터의 수축으로 인해 양극판과 음극판이 접촉되어 내부 단락이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 경화된 폴리머 용액(300)은, 전지 케이스(200) 내부 공간 중 V-forming 공간으로 일컬어지는 공간, 즉 전극 탭(110)이 전극 조립체(100) 밖으로 돌출된 부분이 위치하는 공간에 충진되는 것이 바람직하다.
이처럼 V-forming 공간에 경화된 폴리머 용액(300)이 충진되는 경우, V-forming 공간에 존재하는 전극 탭(110)과 전극 리드(120)는 경화된 폴리머 용액(300)에 의해 감싸진 상태로 고정될 수 있다. 그러므로, 전극 탭(110)과 전극 리드(120)가 외부 충격으로부터 보다 효과적으로 보호될 수 있고, 전극 탭(110)과 전극 리드(120)의 연결 부분이 파손되는 것을 막을 수 있다. 또한 이로써, 전극 탭(110)이나 전극 탭(110)의 파손, 또는 전극 탭(110)과 전극 리드(120)의 연결 부분이 파손됨으로써 발생하는 내부 단락 등이 방지될 수 있다.
뿐만 아니라, V-forming 공간을 채움으로써 전극 조립체(100)의 유동을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 이 부분에 돌출된 세퍼레이터를 붙잡아 세퍼레이터가 수축되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 경화된 폴리머 용액(300)은, 폴리머 입자가 전해액에 첨가된 후 가열 및 냉각됨으로써 경화된 것일 수 있다. 다만, 이에 대해서는 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법에 대한 설명에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
상기 폴리머는 바인더 폴리머일 수 있다. 즉, 상기 경화된 폴리머 용액(300)은 바인더 폴리머가 전해액에 첨가되어 형성된 바인더 폴리머 용액이 경화된 것일 수 있다.
이러한 바인더 폴리머에는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 코폴리머(polyvinylidene fluoride-co-tricholroethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR, styrene butadiene rubber), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC, carboxymethyl cellulose)등이 포함될 수 있다. 특히, PVDF-co-HFP의 경우, HFP의 치환 함량은 5%, 12%, 15%와 같이 다양하게 존재할 수 있다. 또한, 이외에도 다양한 종류의 바인더 폴리머가 본 발명에 채용될 수 있다.
도 5는, 상술한 이차 전지를 제조하는 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지를 제조하기 위해서는, 우선 전해액에 폴리머 입자를 첨가하여 폴리머 슬러리를 준비한다(S110). 여기서, 폴리머 슬러리란 액체 상태의 전해액 중에 폴리머 입자가 혼합되어 있는 상태를 의미한다.
상기 폴리머 입자는, 전해액과 혼합된 후 가열 및 냉각을 통해, 경화된 폴리머 용액(300)을 형성할 수 있는 것이라면 다양한 종류의 폴리머 입자가 이용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 폴리머 입자는 바인더 폴리머 입자일 수 있다. 그리고, 이러한 바인더 폴리머에는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 코폴리머(polyvinylidene fluoride-co-tricholroethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR, styrene butadiene rubber), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC, carboxymethyl cellulose)등이 포함될 수 있다.
상기 폴리머 입자는 그 직경이 60um ~ 230um일 수 있다. 이 경우, 폴리머 입자가 전극 조립체(100) 내부, 즉 양극판 또는 음극판과 세퍼레이터 사이에 침투할 수 없으면서도, 가열시 전해액과 용액을 형성하기 용이하기 때문이다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 폴리머 입자의 특정 크기에 의해 한정되는 것은 아니다.
한편, 전해액은 액체 상태의 전해질로서, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하므로, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따라 폴리머 입자를 첨가하기 위한 전해액에는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 전해액이 채용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 S110 단계에서 폴리머 입자는 전해액에 대해 2~15 중량%로 혼합되는 것이 좋다. 이러한 함량 범위 내에 있는 경우, 높지 않은 온도의 열을 가하더라도 폴리머 슬러리의 폴리머 용액으로의 변환이 용이하고, 그러한 폴리머 용액이 적절하게 경화되어 바람직한 강도를 가질 수 있다. 즉, 이 범위보다 농도가 낮으면 강도가 떨어질 수 있고, 이 범위보다 농도가 높으면 폴리머 입자의 저항으로 인해 성능이 떨어질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 폴리머 입자는 전해액에 대해 5~11 중량%로 혼합되는 것이 좋다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 폴리머 입자의 특정 함량비 범위에 제한되는 것은 아니며, 폴리머 입자의 함량비는 폴리머 입자나 전해액의 종류, 전지의 형태 등 다양한 고려 요소에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이 폴리머 슬러리가 준비되면, 이러한 폴리머 슬러리를 전극 조립체(100)가 수납된 전지 케이스(200)에 주액한다(S120). 이때, 주액된 폴리머 슬러리에서, 전해액은 전극 조립체(100) 사이, 특히 양극판과 음극판 사이로 침투되는 반면, 폴리머 입자는 대부분 전극 조립체(100) 사이로 침투되지 못하고 전극 조립체(100) 외곽, 즉 전극 조립체(100)와 전지 케이스(200) 사이에 위치하게 된다. 따라서, 이 상태에서는 전극 조립체(100) 내부에는 액상 전해액이 존재하고, 전극 조립체(100) 외부에는 폴리머 입자가 전해액에 분산된 폴리머 슬러리가 존재하게 된다.
이와 같이 폴리머 슬러리가 전지 케이스(200) 내부에 주액되면, 전지 케이스(200)를 가열한다(S130). 이러한 가열은 폴리머 슬러리에 열을 공급하여 그 성상을 변화시킬 수 있다. 즉, 이와 같이 공급된 열로 인해 전극 조립체(100) 외부에 위치한 폴리머 슬러리는 슬러리 상태에서 콜로이드 용액과 같은 용액 상태, 즉 폴리머 용액으로 변환될 수 있다. 바람직하게는, 상기 S130 단계에서 가열로 인해 폴리머 슬러리는 졸(sol) 상태의 폴리머 용액으로 변환될 수 있다.
예를 들어, 상기 S130 단계에서 전지 케이스(200)는 80℃ 이상의 온도로 가열될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 온도 범위에 한정되는 것은 아니며, 가열로 인해 전극 조립체(100), 전해액 및 전지 케이스(200) 등과 같은 다른 구성요소의 기능을 저하시키지 않을 온도 범위라면 다양한 온도로 가열될 수 있다.
또한, 상기 S130 단계는 일반적인 전지 제조 공정 시 수행되는 에이징(aging) 공정과 함께 수행될 수 있다.
이와 같은 가열 단계 후, 전지 케이스(200)는 냉각된다(S140). 이러한 냉각은 폴리머 용액을 냉각시켜 경화시키기 위한 단계로, 이를테면 전지를 상온에 두는 방식으로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 상기 S140 단계에서 냉각으로 인해 폴리머 용액은 겔 상태로 경화될 수 있다. 전지 케이스(200) 내면과 전극 조립체(100) 사이의 공간에는 폴리머 용액이 위치하는데, 이와 같은 냉각 공정을 통해 폴리머 용액을 경화시킴으로써, 결국에는 전지 케이스(200) 내면과 전극 조립체(100) 사이의 공간에 경화된 폴리머 용액(300)이 충진되도록 하는 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 공정에 의한 경화로 인해 생성된 겔 폴리머가 전극 탭(110)이 돌출된 V-forming 공간에 채워질 수 있다.
바람직하게는, 상기 전지 케이스(200)의 가열 단계(S130) 및/또는 냉각 단계(S140)는 전지 케이스(200)에 소정 압력이 인가된 상태에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 폴리머 슬러리가 전극 조립체(100)에 수납된 상태에서, 지그 프레스(Jig press)와 같은 압력 기구를 통해 전지 케이스(200)에 압력을 가하면서, 전지 케이스(200)의 가열 및 냉각이 이루어지도록 할 수 있다. 그리고 나서, 이러한 압력은 냉각이 완료되어 폴리머 용액이 모두 경화되고 난 이후에 해제될 수 있다. 이와 같이, 전지 케이스(200)를 가압하면, 폴리머 슬러리가, 전극 조립체(100)와 전지 케이스(200) 내면 사이의 빈 공간에 보다 잘 침투할 수 있다.
특히, 이러한 압력의 인가는, 경화된 폴리머 용액(300)의 적어도 일부가 V-forming 공간, 즉 전지 케이스(200) 내부에서 전극 조립체(100)의 전극 탭(110)이 돌출된 부분에 충진될 수 있도록 수행되는 것이 좋다. 예를 들어, 상기 S130 단계에서 전지 케이스(200)에 인가되는 압력의 크기, 위치 또는 방향 등은, 전지 케이스(200) 및 전극 조립체(100)의 형태, 폴리머 슬러리의 점도 등 여러 사항을 고려하여, 폴리머 슬러리가 V-forming 공간에 잘 위치할 수 있도록 정해질 수 있다.
한편, 이 경우, 전지 케이스(200)는 파우치형 전지 케이스인 것이 좋다. 캔형 전지 케이스에 비해 파우치형 전지 케이스가, 압력 인가를 통해 내부의 폴리머 슬러리를 이동시키기 용이하기 때문이다.
이하에서는, 본 발명의 내용 및 효과에 대하여 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
실시예
EC, PC 및 DEC를 포함하는 유기 용매에 LiPF6가 1M 포함되고, VC, PS, FA 및 NA가 첨가된 전해액을 준비하고, 이와 같이 준비된 전해액에 대하여 폴리머 입자로 PVDF-HFP를 10 wt%가 되도록 첨가하여 폴리머 슬러리를 제조하였다. 그리고, 이와 같이 제조된 폴리머 슬러리를 전극 조립체가 수납된 전지 케이스에 주액하고, 실링한 후 이러한 전지 케이스를 85℃에서 2.5시간 동안 가열하였다. 이때, 전지 케이스는, 가열 중에 지그 프레스에 의해 0.5Nm의 압력이 인가되도록 하였다. 그리고 나서, 가열된 전지 케이스를 상온에서 냉각시킨 후, 디개싱 및 재실링 공정을 거치면서 실시예에 따른 이차 전지를 제조하였다.
이와 같이 제조된 실시예에 따른 이차 전지에 대해서는, 상온에서 0.8 mm까지 변위시키는 3점 굴곡 테스트를 실시하여 각 지점에서의 힘[N]을 측정하고, 그 결과를 실시예로서 도 6에 도시하였다.
또한, 이와 같이 제조된 실시예에 따른 이차 전지에 대해서는, 충전 및 방전 과정에서 전압을 측정하고, 그 결과를 실시예로서 도 7에 도시하였다.
비교예
상기 실시예에서 준비된 전해액과 동일한 전해액을 준비하고, 이와 같이 준비된 전해액을 폴리머 입자의 첨가 없이 그대로 전극 조립체가 수납된 전지 케이스에 주액한 후 실링하였다. 그리고, 이러한 전지 케이스를 85℃에서 2.5시간 동안 가열하여 에이징 공정을 수행한 후, 상온에서 냉각시키고, 디개싱 및 재실링 공정을 거치도록 함으로써 비교예에 따른 이차 전지를 제조하였다.
이와 같이 제조된 비교예에 따른 이차 전지에 대해서는, 상기 실시예와 마찬가지로 상온에서 0.8 mm까지 변위시키는 3점 굴곡 테스트를 실시하여 각 지점에서의 힘[N]을 측정하고, 그 결과를 비교예로서 도 6에 도시하였다.
또한, 이와 같이 제조된 비교예에 따른 이차 전지에 대해서는, 상기 실시예와 마찬가지로 충전 및 방전 과정에서 전압을 측정하고, 그 결과를 비교예로서 도 7에 도시하였다.
먼저, 도 6을 살펴보면, x축으로는 이차 전지의 변형 정도로서 거리가 mm 단위로 표시되어 있고, y축으로는 이차 전지를 변형시키는데 사용된 힘이 N 단위로 표시되어 있다. 도 6에 도시된 결과를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 비교예에 따른 이차 전지에 비해 변형을 위한 보다 많은 힘이 필요하다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 비교예에 따른 이차 전지의 경우 0.4mm만큼 변형시키기 위해서는 약 5N 정도의 힘이 필요한 반면, 실시예에 따른 이차 전지의 경우 0.4mm만큼 변형시키기 위해서는 약 50N 이상의 힘이 필요하다는 것을 알 수 있다. 또 다른 예로, 비교예에 따른 이차 전지의 경우 0.7mm만큼 변형시키기 위해서는 약 10N의 힘이 필요한 반면, 실시예에 따른 이차 전지의 경우 0.7mm만큼 변형시키기 위해서는 약 130N의 힘이 필요하다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 7을 살펴보면, x축으로는 이차 전지의 용량이 mAh 단위로 표시되어 있고, y축으로는 이차 전지의 전압이 V 단위로 표시되어 있다. 도 7에 도시된 결과를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 경우, 전해액에 폴리머 입자가 첨가되어 있다 하더라도 그 성능이 저하되지 않는다는 것을 알 수 있다. 먼저, 충전시의 전압 변화 형태를 살펴보면, 실시예와 비교예에 있어서, 초기 충전 전압 및 최종 충전 전압에 큰 차이가 없고, 용량의 증가에 따른 전압의 증가 형태가 거의 유사하다고 할 수 있다. 또한, 방전시의 전압 변화 형태를 살펴보더라도, 실시예와 비교예에 있어서, 용량의 감소에 따른 전압의 감소 형태가 거의 유사하다고 할 수 있다.
이처럼, 도 6 및 도 7의 결과를 보면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 이차 전지의 경우, 전해액에 폴리머 입자가 첨가되었다 하더라도 성능의 저하는 발생하지 않는 반면, 강도는 크게 향상됨을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 이차 전지는, 경화된 폴리머 용액이 V-forming 부위 및 전극 조립체 외곽에서 프레임 역할을 함으로써, 강도가 크게 향상됨은 물론, V-forming 부위에서 단락이 방지되고 분리막의 수축이 현저하게 완화될 수 있다.
이상과 같이, 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: 전극 조립체
110: 전극 탭
120: 전극 리드
200: 전지 케이스
300: 경화된 폴리머 용액

Claims (15)

  1. 전해액에 폴리머 입자를 첨가하여 폴리머 슬러리를 준비하는 단계;
    상기 폴리머 슬러리를 전극 조립체가 수납된 전지 케이스에 주액하는 단계;
    상기 전지 케이스를 가열하여 폴리머 슬러리를 폴리머 용액으로 변환시키는 단계; 및
    상기 전지 케이스를 냉각시켜 상기 폴리머 용액을 경화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 전지 케이스의 가열 및 냉각 단계는, 상기 전지 케이스에 압력이 인가된 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압력의 인가는, 상기 폴리머 용액의 적어도 일부가 상기 전지 케이스 내부에서 상기 전극 조립체의 전극 탭이 돌출된 부분에 위치하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스의 가열 단계는, 상기 폴리머 슬러리가 졸 상태의 폴리머 용액으로 변환되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스의 냉각 단계는, 상기 폴리머 용액이 겔 상태가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 입자는, 바인더 폴리머 입자인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 입자는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 코폴리머(polyvinylidene fluoride-co-tricholroethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(SBR, styrene butadiene rubber), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC, carboxymethyl cellulose) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스는, 파우치형 전지 케이스인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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