KR101501323B1 - 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지 - Google Patents

이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101501323B1
KR101501323B1 KR1020120089148A KR20120089148A KR101501323B1 KR 101501323 B1 KR101501323 B1 KR 101501323B1 KR 1020120089148 A KR1020120089148 A KR 1020120089148A KR 20120089148 A KR20120089148 A KR 20120089148A KR 101501323 B1 KR101501323 B1 KR 101501323B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
vacuum
secondary battery
electrolyte
battery
degree
Prior art date
Application number
KR1020120089148A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140022691A (ko
Inventor
이제규
이신화
이우용
김민수
이향목
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020120089148A priority Critical patent/KR101501323B1/ko
Publication of KR20140022691A publication Critical patent/KR20140022691A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101501323B1 publication Critical patent/KR101501323B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H01M50/618—Pressure control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0459—Cells or batteries with folded separator between plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/102—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 함침(wetting) 특성을 향상시키는 이차전지의 제조방법에 관한 것으로, 진공 챔버내에 제1진공도를 형성하는 단계, 상기 전지 케이스 내부에 전해액을 주입하는 단계 및 진공 챔버 내를 제1진공도를 파기시키고, 재차 제2진공도를 형성하는 반복 진공파기 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공할 수 있도록 한다.

Description

이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지{SECONDARY BATTERY, METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 함침(wetting) 특성을 향상시키는 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북 컴퓨터, 휴대용 게임기와 같은 휴대용 전자기기의 급속한 확산과 수요 덕분에 이들의 공급 장치로 사용되는 리튬 이온 이차전지에 대한 수요 또한 증가하고 있고 고성능 및 대용량의 리튬 이차전지에 대한 필요성 또한 대두하고 있다. 이러한 요구에 발맞춰 높은 방전 전압과 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전지는 광의적으로 양극과 음극, 전해액으로 나눠질 수 있으며 협의적으로 분리막, 외장재 등의 구성 요소도 포함된다. 일반적인 리튬 이온 전지의 조립은 양극, 음극 및 분리막을 서로 번갈아가며 겹친 후, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 혹은 파우치(pouch)에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입함으로써 이루어진다. 이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며들게 된다.
리튬 이차전지에서 사용하는 전해액은 리튬 이차전지 제조의 마지막 단계에 전지에 투입되어 전극의 활물질에 신속히 함침(wetting)되어야 하는데 활물질의 불균일성으로 말미암아 전해액에 의한 습윤도 불균일해지고 전지의 임피던스가 증가하여 활물질이 침지되기 어려워 전지성능이 떨어지는 문제가 있다.
전지의 양극 활물질로는 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)등과 같은 금속 산화물을, 음극 활물질로는 흑연(graphite) 등과 같은 탄소재를 사용하며 전해액은 에틸렌 카본네이트(EC)와 프로필렌 카본네이트(PC) 등의 환형 카본네이트와 디메틸 카본네이트(DMC), 디에틸 카본네이트(DEC) 등의 다성분계 유기용매를 사용한다.
그러나, 재료의 특성상, 양극, 음극 및 분리막 모두 소수성이 큰 물질이지만, 전해액은 친수성(hydrophilicity) 물질이기 때문에, 전해액의 전극 및 분리막에 대한 함침특성(wetting)은 상당한 시간 및 까다로운 공정 조건이 요구된다.
그리고 상기 용매들을 이용한 리튬 이온 전지의 용량은 상당히 작고 저온특성, 과충전 안정성 및 사이클 수명특성에 있어서 해결되어야 할 많은 문제점을 가지고 있다. 또한, 전지의 고용량화는 지속적인 요구 사항이 되고 있으며, 이를 구현하는 한 가지 방법은 양극, 음극 및 분리막 등을 좀 더 콤팩트하게 패킹하는 것인데 이와 같은 경우에는 전해액 주입의 문제가 수반된다.
즉, 근본적인 친수성 차이 이외에도, 전해액이 침투할 부피가 감소함에 따라 전해액이 전지 내부까지 들어가지 못하고 외부에 국부적으로만 존재할 가능성이 크게 된다. 이렇게 제조된 전지는 전지 내부에서 부분적으로 전해액의 양이 충분하지 않게 되어 전지용량 및 성능이 많이 감소하게 된다. 전지에 적용되는 많은 고기능성 물질의 경우 점도가 높고 이에 대한 전지의 젖음성이 낮아서 전해액의 형태로는
주입이 어려운 경우가 많다. 그 이외에도, 전해액 주입 공정 개선과 관련된 내용들이 여러 편 발표되고 있으나, 모두 근본적인 해결책을 제시하지는 못하고 있는 상황이다. 또한, 분리막이 아닌 전극의 젖음성을 향상시키기 위한 기술은 아직 개시되어 있지 않다.
이러한 함침특성을 향상시키기 위한 방법으로 전해액의 주입 후 진공인가공정을 도입하여 전해액의 함침율을 증진시키는 방법이 제안되고 있다.
도 1은 이러한 진공인가 및 파기를 통한 전해액의 함침율을 증진하는 공정의 실험 데이터를 도시한 것이다.
도시된 그래프와 같이, 기존에는 약 -90kpa 까지의 진공도 도달 및 파기에 이르는 경우, 진공 도달 후 상당 시간을 유지를 하는 공정을 통해 함침율을 증진시키고 있다. 그러나 이러한 공정은 공정 시간을 지연시켜 공정효율을 떨어뜨리게 된다.
한국공개특허공버 제10-20006-0027253호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전해액을 진공환경에서 주입하고, 진공 및 파기를 수행하는 반복공정을 수행하여 함침 특성을 극대화할 수 있는 이차전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 진공 챔버내에 제1진공도를 형성하는 단계; 상기 전지 케이스 내부에 전해액을 주입하는 단계; 및 진공 챔버 내를 제1진공도를 파기시키고, 재차 제2진공도를 형성하는 반복 진공파기 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명은 전해액을 진공환경에서 주입하고, 진공 및 파기를 수행하는 반복공정을 수행하여 함침 특성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
특히, 함침을 위한 전공 형성 시간을 줄어듦에 따라 전체적인 공정 택타임(tact time)이 줄어들어 공정효율을 향상할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 종래의 전해액 함침을 위한 진공 파기 공정의 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 2a는 이차전지의 일반적인 구조를 도시한 도면이며, 도 2b는 본 발명에 따른 전해액 함침을 위한 진공 파기 공정의 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 진공 방식별 이차전지 셀의 장기 성능비교를 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2a는 이차전지의 일반적인 구조를 도시한 도면이며, 도 2b는 본 발명에 따른 전해액 함침을 위한 진공 파기 공정의 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지는 파우치형 이차전지를 도시한 것이다. 도시된 이차전지의 구조에서는 전극 조립체(100), 전극 조립체(100)로부터 연장되어 형성되는 전극 탭(210, 230), 전극 조립체(100)를 수용하는 전지케이스(300), 파우치(300)와 전극 탭(210, 230)을 실링하는 실링부(310, 320, 330)을 포함한다. 이와 같은 구조는 전극탭의 배치 구조에 따라 (a) 단방향성을 갖는 구조 또는 (b) 양방향성을 갖는 구조를 구비할 수 있다.
이 경우 상기 전극조립체(100)은 도시되지는 않았지만, 집전체 상에 양극 또는 음극 활물질이 코팅되며, 집전체와 연결되는 전극탭을 가지는 구조가 다수 적층되도록 형성될 수 있다. 따라서, 일반적인 전극조립체에서는 양극, 음극, 분리막이 결합된 단위체로 형성될 수 있다. 이를테면, 본 발명의 이차전지에 적용되는 전극조립체는 전극조립체는, 권취 개시점인 중앙부에는 분리막 시트로 감싸여진 (a) 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀('A형 바이셀') 또는 (b) 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀('C형 바이셀') 구조를 적용하거나, 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell)이 기본 단위체인 복수 개의 전기화학 셀들이 중첩되는 구조를 적용할 수 있다.
전극조립체는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는바, 대표적으로는, 긴 시트 형의 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) 전극조립체로 구분된다. 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 상기 스택형 구조는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
이상의 본 발명에 적용되는 이차전지의 제조공정은 진공 챔버 내에 제1진공도를 형성하는 단계와 상기 전지 케이스 내부에 전해액을 주입하는 단계 및 진공 챔버 내를 제1진공도를 파기시키고, 재차 제2진공도를 형성하는 반복 진공파기 공정을 수행하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에서는 상술한 전지 케이스 내부에 전해액을 주입하고, 진공도를 형성하고 파기하는 공정을 반복하여 전해액의 함침 시간을 단축시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 1에서 상술한 종래의 진공 파기 공정의 경우, 전지 케이스에 전해액을 주입하고, 진공도를 형성하여 함침을 수행하는 시간이 통상 총 14분 이상이 소요되었으나, 본 발명에 따르면 도 2b에 도시된 것과 같이 동일한 진공도를 형성하고 파기하는 시간 및 빈도를 짧게 하여 전해액의 함침효율을 종래와 동일하게 하면서도 공정 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
조건 진공도
기존 함침(wetting)공정 7분씩 2회 유지(총소요: 14분 이상이 소요)

-93Kpa
본 발명에 따른 함침(wetting)공정
 6동안 20회의 진공 파기 공정을 반복
3분동안 10회의 진공파기공정을 반복
즉, 본 발명에 따른 이차전지 제조공정에서 전해액의 함침을 위한 진공 형성 공정은 진공-파기-진공-파기로 이어지는 상기 반복 진공파기 공정을 적어도 2회 이상 수행하는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 반복 진공파기 공정에서, 진공 파기 후 다시 제2진공도를 형성하는 시간은 10~20sec/회로 진행, 즉 각 진공형성공정~파기 공정에 이르는 시간을 회당 10초~20초 이내에서 반복할 수 있도록 한다.
또한, 이 경우 진공 챔버의 제1진공도 또는 제2진공도는, -80Kpa 내지 -100Kpa 범위에서 조절될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것 일뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 한다.
[실시예]
상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트로 구성되는 파우치 케이스의 수납부에 바이셀(Bi-Cell) 구조의 전극조립체를 내장하고, 파우치 케이스 내부에 전해액을 주입한 후, 제1실시예에서는 6분 동안 진공 도달(-93Kpa) 파기의 사이클을 매회 20초의 간격으로 수행하고, 제2실시예에서는 3분 동안 진공 도달(-93Kpa) 파기의 사이클을 매회 10초의 간격으로 수행 하였다. 본 실시예에서는 상기 바이셀의 전체 셀의 크기는 가로 57.5mm, 세로 39mm로 제작하였다.
[비교예]
상기 실시예와 동일한 파우치 케이스에 전해액을 주입하고, 7분 동안 진공을 유지파기 하는 공정을 2회 수행하였다.
이상의 실험예 및 비교예에서 수행한 종래의 함침 공정과 본 발명에 따른 진공 도달 및 파기를 반복하는 함침공정에 따른 셀의 성능비교 결과를 표 2에서 나타내었다.
Figure 112012065293912-pat00001
상술한 표 2의 결과에서도 확인할 수 있듯이, 종래의 기술과 본 발명에 따른 반복 진공파기 공정의 결과에서 나타나는 이차전지 셀의 성능이 용량 등의 다수의 성능에서 거의 동일한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 진공 방식별 이차전지 셀의 장기 성능비교를 도시한 그래프이다. 특히 도 3b는 도 3a의 점선 원 부분을 확대하여 나타낸 그래프이다.
도시된 그래프에서 진공 방식별 이차저지 셀의 장기 성능(capacity)을 비교 하면, 도시된 그래프의 경우 7분, 5분, 3분의 진공 유지 시간을 진행하는 경우와 6분동안 15회의 진공파기를 반복한 경우 및 3분 동안 7회 진공파기를 진행한 경우 어느 경우에도 이차전지 셀의 장기 성능에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서, 이는, 본 발명에 따른 반복 파기 공정을 반복하는 공정이 동일한 성능의 이차전지를 제조함에 있어서, 매우 짧은 함침 시간을 구현할 수 있도록 해 제조 효율을 극대화할 수 있음을 확인할 수 있다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 전극조립체를 구성하는 구성요소의 구체적인 재료 및 구성상의 특징을 설명하기로 한다.
[전해질 종류]
상술한 본 발명에 따른 실시예에 적용될 수 있는 전해질은 리튬 함유 비수계 전해액을 적용할 수 있다. 상기 리튬 함유 비수계 전해액은 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
경우에 따라서는 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수도 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
양극구조
본 발명에서 상기 기본단위체에 형성되는 전극은 양극 또는 음극으로 구별되고, 상기 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진재를 더 첨가하기도 한다. 이러한 구조는 시트 형으로 구현되어 로딩 롤에 장착되는 형태로 공정에 적용될 수 있게 된다.
[양극집전체]
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
[양극활물질]
상기 양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물;Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
음극 구조
음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 이러한 구조는 시트 형으로 구현되어 로딩 롤에 장착되는 형태로 공정에 적용될 수 있게 된다.
[음극 집전체]
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
[음극활물질]
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐;0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
[분리막]
본 발명에 따른 분리막은 폴딩공정이나 롤(roll) 공정과는 무관히 단순 적층공정으로 기본 단위체를 형성하여 단순 적층을 구현하게 된다. 특히, 라미네이터에서 분리막과 양극, 음극의 접착은 라미네이터 내부에서 분리막 시트 자체가 열에 의해 용융되어 접착 고정되도록 하는 것이다. 이에 따라, 압력이 계속 유지되게 하는바 전극과 분리막 시트 사이의 안정적인 계면 접촉을 가능케 한다.
상기 분리막 시트 또는 셀의 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 분리막과 분리막 시트는 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 분리막 또는 분리막 시트는, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리막 또는 분리막 시트의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 또는 분리막 시트로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
상기 분리막은 기본 단위셀을 구성하기 위해서 열융착에 의한 접착 기능을 가지고 있는 것이 바람직하고, 상기 분리막 시트는 반드시 그러한 기능을 가질 필요는 없으나 접착 기능을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 전극조립체는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등을 들 수 있고, 그 중에서 이차전지가 특히 바람직하다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 전극조립체
210, 230: 전극 탭
300: 파우치
310, 320, 330, 340: 실링부

Claims (10)

  1. 진공 챔버내에 제1진공도를 형성하는 단계;
    상기 진공 챔버내에서 전지 케이스 내부에 전해액을 주입하는 단계; 및
    진공 챔버 내를 제1진공도를 파기시키고, 재차 제2진공도를 형성하는 반복 진공파기 공정을 수행하는 단계;
    를 포함하는 이차전지의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반복 진공파기 공정은 적어도 2회 이상 수행되는 이차전지의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공 챔버의 제1진공도 또는 제2진공도는,
    -80Kpa 내지 -100Kpa 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1진공도 및 제2진공도는 동일하게 형성되는 이차전지의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지 케이스는 내부에 전극조립체를 수용하도록 3면이 실링된 구조의 한 쌍의 라미네이트로 구성되는 파우치형인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반복 진공파기 공정에서,
    파기 후 제2진공도를 형성하는 시간은 10~20sec/회로 진행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극조립체는 양극 집전체 상에 코팅되는 양극 슬러리가 양극 활물질로서, Li2MnO3 및 LiMO2 (M은 전이금속원소임)이 코팅된 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 이차 전지에 포함되는 전극조립체는,
    권취형 구조, 스택형 구조 또는 스택/폴딩형 구조 중 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 이차전지의 제조 방법에 의해 제조된 이차전지.
  10. 청구항 9에 있어서.
    상기 이차전지는 리튬 이차전지인 전지.
KR1020120089148A 2012-08-14 2012-08-14 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지 KR101501323B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120089148A KR101501323B1 (ko) 2012-08-14 2012-08-14 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120089148A KR101501323B1 (ko) 2012-08-14 2012-08-14 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140022691A KR20140022691A (ko) 2014-02-25
KR101501323B1 true KR101501323B1 (ko) 2015-03-12

Family

ID=50268559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120089148A KR101501323B1 (ko) 2012-08-14 2012-08-14 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101501323B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101986200B1 (ko) * 2015-08-12 2019-06-05 주식회사 엘지화학 진공 생성기를 포함하는 전해액 주액 장치 및 이를 사용하여 제조된 전지셀
KR102447619B1 (ko) * 2017-09-18 2022-09-27 주식회사 엘지에너지솔루션 지그를 이용한 고정 과정을 포함하는 파우치형 전지셀 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030035186A (ko) * 2001-10-30 2003-05-09 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지의 제조방법
KR20030048261A (ko) * 2001-12-11 2003-06-19 삼성에스디아이 주식회사 전해액 주입방법
KR20060027253A (ko) * 2004-09-22 2006-03-27 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지의 제조 방법
KR20120079264A (ko) * 2011-01-04 2012-07-12 주식회사 엘지화학 함침성이 향상된 이차전지 및 그 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030035186A (ko) * 2001-10-30 2003-05-09 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지의 제조방법
KR20030048261A (ko) * 2001-12-11 2003-06-19 삼성에스디아이 주식회사 전해액 주입방법
KR20060027253A (ko) * 2004-09-22 2006-03-27 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지의 제조 방법
KR20120079264A (ko) * 2011-01-04 2012-07-12 주식회사 엘지화학 함침성이 향상된 이차전지 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140022691A (ko) 2014-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101603074B1 (ko) 가열 부재를 포함하는 전지셀 절곡 장치
KR101667520B1 (ko) 무기물 코팅층을 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101547819B1 (ko) 이차전지 제조 방법
KR101455165B1 (ko) 안전성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101686600B1 (ko) 전해액 함침용 홀을 포함하고 있는 전지셀
KR101830286B1 (ko) 활성화 과정 중 전극조립체를 가압하는 전지셀 제조방법
KR20150028537A (ko) 전해액 함침성이 향상된 스택-폴딩형 전극조립체 및 이의 제조방법
KR20170055144A (ko) 이중 절곡 구조의 실링부를 포함하는 파우치형 전지셀
KR101532926B1 (ko) 이차전지 제조 방법
KR20200095039A (ko) 이차전지용 음극의 전리튬화 방법
KR101519372B1 (ko) 전지셀 제조 장치
KR101725921B1 (ko) 단위셀 적층체들과 중간 적층셀을 포함하고 있는 전지셀
KR101951344B1 (ko) 고 유연성의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀
KR101964190B1 (ko) 비정형 전지셀의 제조 방법 및 이로 제조된 전지셀
KR101811837B1 (ko) 잉여 실링부를 포함하는 파우치형 전지셀
KR101684336B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101914746B1 (ko) 가압부를 포함하는 원통형 전지 및 이의 제조 방법
KR101501323B1 (ko) 이차전지의 제조방법 및 이에 따른 이차전지
KR20170043240A (ko) 집전체 중심 부위에 높은 활물질 로딩량을 가지는 전극을 포함하는 전극조립체
KR20170022589A (ko) 전지 소자들 사이에 개재되어 있는 단위셀을 포함하는 전극조립체
KR101863988B1 (ko) 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법
KR101485783B1 (ko) 우수한 제조 공정성의 전지케이스 및 이를 포함하는 이차전지
KR101645463B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR20180081228A (ko) 단위셀의 위치에 따라 기공률이 상이한 전극을 포함하는 전극조립체
KR101661254B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180116

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190116

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200116

Year of fee payment: 6