KR101483422B1 - 레이저 조사에 의한 전극단자의 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 소재의 전극단자를 포함하는 이차전지에서 전극단자의 표면처리 방법으로서, 상기 전극단자의 표면 상에 레이저를 조사하여 에칭 방식으로 금속 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법을 제공한다.

Description

레이저 조사에 의한 전극단자의 표면처리 방법 {Method for Treating Surface of Electrode by Laser Irradiation}

본 발명은 레이저의 조사에 의해 전극단자의 표면처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속 소재의 전극단자를 포함하는 이차전지에서 전극단자의 표면처리 방법으로서, 상기 전극단자의 표면 상에 레이저를 조사하여 에칭 방식으로 금속 산화막을 제거함으로써, 이차전지의 활성화를 위한 초기 충방전 과정에서 전극단자의 접촉 저항을 줄이는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 이차전지의 형상 면에서는, 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell) 등의 단위셀들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

구체적으로, 전극리드(60, 70)는 알루미늄, 구리, 알루미늄 합금 등으로 이루어지며, 전극조립체(30)의 전극 집전체로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들(40, 50)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 용착부의 형태로 전극리드(60, 70)에 연결된다.

그런데, 전극리드가 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어진 경우, 도 2의 사진에서 보는 바와 같이 알루미늄 금속의 표면에 산화막(A)이 형성된다.

한편, 이차전지는 제조 과정에서 전지의 활성화를 위한 충방전을 수행한다. 이러한 전지 활성화를 위한 충방전은 전극리드 등의 전극단자에 충방전기의 그립퍼(gripper)를 접속시켜 진행한다.

따라서, 앞서 설명한 바와 같은 산화막이 전극단자의 표면에 형성되어 있는 경우에는 충방전 과정에서 심각한 문제를 유발한다. 즉, 상기 산화물은 높은 경도의 절연성 물질이므로, 통전시 스파크를 유발하며, 그로 인해 그립퍼의 수명이 크게 단축되는 문제점이 있다.

또한, 이차전지의 전기적 테스트 수행시 측정기의 접속 단자와 이차전지의 전극단자 사이에 접촉저항이 증가하여 테스트의 정확성이 떨어지게 될 뿐만 아니라, 전극단자를 버스 바 등과 같은 접속부재에 용접하는 경우에도 용접성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 이를 개선할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

즉, 본 발명의 목적은, 이차전지의 활성화를 위한 충방전 과정에서 발생할 수 있는 그립퍼 등의 불량률을 줄일 수 있는 전극단자의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.

또한, 이차전지의 전기적 검사 수행시 측정 정밀도를 향상시키고, 접속부재 등과의 전기적 연결을 위한 용접성을 향상시킬 수 있는 전극단자의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극단자 표면처리 방법은, 금속 소재의 전극단자를 포함하는 이차전지에서 전극단자의 표면처리 방법으로서, 상기 전극단자의 표면 상에 레이저를 조사하여 에칭 방식으로 금속 산화막을 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극단자는 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져질 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

본 출원의 발명자들은, 상기의 금속 산화막이 도 3의 사진에서 보는 바와 같은 3개의 Al₂O₃ 층들로 이루어져 있음을 확인하였는 바, 구체적으로, 대략 7 nm 두께의 제 1 층(layer 1), 제 3 층(layer 3)에 비해 상대적으로 조밀하며 대략 135 nm의 두께를 가진 제 2 층(layer 2), 및 상대적으로 제 2 층에 비해 다공성을 가지며 대략 300 nm의 두께를 가진 제 3 층의 산화막이 형성되어 있다.

이러한 금속 산화막을 제거하는 방법으로서, 샌드 블라스팅(sand blasting) 등과 같은 기계적 에칭, 또는 HCl 용액 등의 부식용액에 의한 화학적 에칭 등을 고려해 볼 수도 있다.

그러나, 상기와 같이 샌드 블라스팅과 같은 기계적 에칭의 경우, 에칭 과정에서 전지셀 등 주변 부위의 손상될 가능성이 높고, 소망하는 깊이로 신뢰성이 있게 에칭을 수행하기 어려운 것으로 확인되었다. 또한, 화학적 에칭의 경우, 부식용액에 의해 금속 산화막 뿐만 아니라 전극단자 표면의 Al층도 부식될 수 있으므로 전극단자의 손상이 초래될 가능성이 높다는 것이 확인되었다.

반면에, 본 발명의 레이저 에칭 방식은 상기 문제점들을 유발하지 않으면서 금속 산화막을 효과적으로 제거한다. 이러한 전극단자의 표면처리 방법에 의해, 금속 산화막들 중에서 적어도 제 3 층의 금속 산화막, 또는 제 2 층 및 제 3 층의 금속 산화막들을 제거하는 것이 가능하며, 바람직하게는, 제 3 층 내지 제 1 층의 금속 산화막들, 즉, 모든 금속 산화막들을 제거하는 것이 가능하다.

따라서, 본 발명에 따른 전극단자 표면처리 방법은 화학적 에칭 또는 기계적 에칭에 비교하여 그 공정이 매우 간소하고, 에칭 과정에서 전극단자 및 전지의 손상이 유발될 수 있는 문제점들을 해결할 수 있으며 전지의 활성화를 위한 초기 충방전 과정에서 전극단자와 그리퍼 사이의 접촉불량에 따른 불량률을 효과적으로 줄일 수 있으므로 궁극적으로 전지의 제조비용을 크게 절감할 수 있다. 또한, 전기적 검사 수행시 측정기의 접속 단자에 대한 전극단자의 접촉저항 증가를 미연에 방지할 수 있으며, 예를 들어 기타 전지셀 또는 전지모듈에 대한 전극단자의 전기적 연결을 위한 용접성이 크게 향상될 수 있다.

상기 전극단자는 레이저 에칭이 용이한 형상이라면 크게 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 판상형 전극단자일 수 있다.

상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지일 수 있다. 이러한 이차전지의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 밀봉된 상태로 내장되어 있고, 이러한 구조에서 상기 전극단자는 전극조립체의 전극 탭들과 결합되어 있는 전극리드일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 ‘파우치형 전지셀’로 칭하기도 한다.

본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른 바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 에칭은 바람직하게는 355 ~ 2000 nm의 레이저를 조사하여 수행할 수 있는 바, 조사되는 레이저의 파장이 너무 길면, 에칭에 의해 접촉 저항을 줄이거나 또는 소망하는 접착성을 발휘하기 어려울 수 있고, 반대로 너무 짧으면 오히려 전극단자가 파손될 수 있으므로 바람직하지 않다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 에칭은 레이저 조사에 의해 연속적인 도트 형상 또는 다수의 선형 형상으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 전극단자 전체에 레이저를 조사하지 않더라도, 레이저가 조사된 범위에서 전극단자의 표면에 소정의 패턴으로 산화막이 제거되면, 이렇게 부분적으로 에칭된 부위와 그렇지 않은 부위의 적절한 조합에 의해서도, 전지의 활성화를 위한 초기 충방전 과정에서 전극단자와 그리퍼 사이의 접촉불량에 따른 불량률을 효과적으로 줄일 수 있으며, 더 나아가, 전기적 검사 수행시 측정기의 접속 단자에 의한 접촉저항 증가를 방지할 수 있고, 다른 부재와의 전기적 연결을 위한 용접성을 향상시킬 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전극단자는 양극단자일 수 있다.

일반적으로 많이 사용되는 리튬 이차전지에서 양극단자는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등으로 이루어져 있고, 음극단자는 구리, 니켈, 니켈 합금 등으로 이루어져 있다. 따라서, 본 발명의 전극 표면처리는 양극단자에 바람직하게 사용될 수 있지만, 그것만으로 한정되지 않음은 물론이다.

본 발명은 또한 상기 방법으로 표면 처리된 전극단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지와, 단위전지로서 이러한 이차전지들을 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩을 제공한다.

이차전지 및 중대형 전지팩의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명들을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극단자 표면처리 방법은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 전극단자의 표면 상에 레이저를 조사하여 에칭 방식으로 금속 산화막을 제거함으로써, 전극단자의 접촉 저항을 줄임으로써, 전지의 활성화를 위한 초기 충방전 과정에서 발생할 수 있는 불량률을 줄일수 있다.

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 산화막이 형성된 도 1의 전극단자의 표면에 대한 확대 사진이다;
도 3은 산화막이 형성된 도 1의 전극단자의 수직 단면에 대한 확대 사진이다;
도 4는 본 발명에 따른 표면처리된 전극단자의 표면에 대한 확대 사진이다;
도 5는 비교예 1에 따른 전극리드의 접촉 저항 측정값에 대한 그래프이다;
도 6은 실시예 1에 따른 전극리드의 접촉 저항 측정값에 대한 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명에 따른 표면처리된 전극단자의 표면을 확대한 사진이다.

도 3을 도 1과 함께 참조하면, 알루미늄으로 이루어진 판상형의 전극리드(160)를 포함하는 이차전지에서, 전극리드(160)의 표면 상에 355 ~ 2000 nm의 레이저 조사에 의해 연속적인 도트 형상(165)으로 에칭을 수행하여 금속 산화막을 제거한다. 참고로, 실선 B-B’ 상부는 레이저가 조사되지 않은 부분이고, 하부는 레이저가 조사된 부분이다. 이에 따라, 전지의 활성화를 위한 초기 충방전 과정에서 발생할 수 있는 불량률을 현저히 줄일 수 있다.

이하 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

알루미늄 호일과 구리 호일을 일측에 전극 탭이 형성되도록 각각 절취하여 양극 판과 음극 판들을 제조하였다. 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, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 1 중량% 및 PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하여, 전극 탭을 제외한 알루미늄 호일과 구리 호일의 양면에 각각 도포하였다.

그런 다음, 분리막으로 셀가드^TM(TONEN)를 사용하여, 양극 판과 음극 판을 순차적으로 적층하여 스택형 전극조립체를 제조하였다.

상기 전극조립체의 전극 탭들을 알루미늄으로 이루어진 전극리드에 초음파 융착한 후, 전지케이스에 전극조립체를 삽입하고 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다. 상기 전극리드의 표면 상에 약 1200 nm의 레이저 조사에 의해 연속적인 도트 형상으로 에칭을 수행하여 금속 산화막을 제거하였다.

<실시예 2>

상기 전극리드의 양측 표면 상에 레이저를 조사하여 에칭한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.

<비교예 1>

상기 전극리드의 표면에 레이저를 조사하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.

<실험예 1>

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지들 각각 50개들에 대해 전지 활성화를 위한 충방전을 수행하는 과정에서, 전극리드와 접속하는 그리퍼(gripper)의 접촉 불량 및 스파크(spark) 발생 등의 그리퍼 손상에 따른 불량률을 관찰하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	접촉불량 전지의 수	불량률
실시예 1	0	0%
비교예 1	4	8%

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 전지들은 50개 모두에서 전극리드와 그리퍼간의 접촉부위에 아무런 이상이 없었으나, 비교예 1의 전지들 중 4개에서 전극리드와 접속하는 그리퍼에 불량이 발생하였다.

<실험예 2>

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차전지들의 전극리드의 접촉 저항을 측정하였다.

측정 결과, 도 4 및 5에서 보는 바와 같이, 전극리드에서 측정한 접촉 저항 값이 비교예 1의 전극리드는 최대 161mΩ이며, 실시예 1의 전극리드는 최대 4.33mΩ으로, 레이저 에칭에 의해 전극리드의 접촉 저항이 상당히 줄어들었음을 알 수 있었다.

<실험예 3>

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 전지들의 전극리드를 서로 용접한 후, 전극리드의 용접면의 인장강도를 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

	인장강도(Kgf)
실시예 1	32.05
실시예 2	37.12
비교예 1	46.392

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 전지들의 용접면의 인장강도가 비교예 1에 비해 각각 15.8%, 44.7% 높게 측정된 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 상기 실험 결과들에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따라 전극리드의 표면 상에 레이저 조사에 의해 에칭을 수행하여 금속 산화막을 제거한 경우, 전극리드의 접촉저항을 최소화함으로써 전지의 활성화를 위한 초기 충방전 과정에서 전극단자와 그리퍼 사이의 접촉불량에 따른 불량률을 줄일 수 있으며, 접속부재 등과의 전기적 연결을 위한 용접성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

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

Claims (11)

1. 금속 소재의 전극단자를 포함하는 이차전지에서 전극단자의 표면처리 방법으로서, 상기 전극단자의 표면 상에 레이저를 조사하여 에칭 방식으로 금속 산화막을 제거하는 과정을 포함하고,
   상기 이차전지는 수지층 및 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 전극조립체가 밀봉된 상태로 내장되어 있는 이차전지이고, 상기 전극단자는 전극조립체의 전극 탭들과 결합되어 있는 전극리드이며,
   상기 에칭은 레이저 조사에 의해 연속적인 도트 형상 또는 다수의 선형 형상으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화막은 제 1 층(layer 1), 제 2 층(layer 2) 및 제 3 층(layer 3)의 Al₂O₃ 층들로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 산화막은 레이저 조사에 의해 제 3 층의 금속 산화막, 또는 제 2 층 및 제 3 층의 금속 산화막들이 제거되는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자는 판상형 전극단자인 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭은 355 ~ 2000 nm의 레이저를 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 전극단자의 표면처리 방법.
9. 삭제
10. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 표면처리된 전극단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 단위전지로서 제 10 항에 따른 이차전지들을 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.

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