KR101551912B1 - 코인형 리튬 이온 전지 제조방법 - Google Patents

코인형 리튬 이온 전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

코인형 리튬 이온 전지는, 다수의 음극(anode) 전극 패턴들이 형성된 일면을 가지는 음극(anode) 집전체와, 다수의 양극(cathode) 전극 패턴들이 형성된 일면을 가지는 양극(cathode) 집전체와, 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 배치되는 분리막을 포함한다. 양극 집전체와 음극 집전체는 각각 접혀지는 것에 의해, 양극 전극 패턴들 각각과 음극 전극 패턴들 각각은 서로 마주보며 배치된다.

Description

코인형 리튬 이온 전지 제조방법 {Method for manufacturing Coin-type lithium ion secondary battery}
본 발명은 리튬 이온 전지 관련 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복층 구조(적층 구조)를 가지는 코인형 리튬 이온 전지에 관한 것이다.
리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 탄소음극과 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 양극물질을 채용한 리튬이온 이차 전지가 등장하였다. 이 리튬이온 이차 전지는, 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차전지와 비교할 경우, 단위무게당 에너지 밀도 및 충방전 수명이 상대적으로 크기 때문에 최근 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원으로 급속히 기존 전지를 대체하고 있다.
리튬(Li) 전지는 다른 일차전지나 이차전지, 전기이중층 커패시터 등에 비해 용량과 신뢰성에 유리하여 휴대형 전자기기 등의 전원으로 적합한 것으로 평가되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 고에너지 밀도, 경량, 소형이라는 특징이 있어 시계기능의 백업전원이나 RTC(Real-time Clock) 백업전원으로 소형가전이나 정밀기기에 많이 채용되고 있다. 이러한 리튬 전지는 주로 코인형(coin-type)의 형태를 가지며, 음극으로서 금속 리튬을 적용하고 있다.
리튬이온 이차전지는 원자량 6.94g, 비중 0.59g/l, 용융점 180℃, 비등점 1400℃, 경도 0.6의 강산성과 강부식성을 갖는 금속 리튬(Li)과, 용질이 트리플로르설페이트(Tri Flore Sulfate) 또는 퍼콜레이트(Percolate), 용매가 프로필렌 카보네이트(Profilen Carbonate) 또는 디메톡시에탄(Dimetoxiethane)인 전해액을 사용하여 제조되며, 그 형태에 따라 스파이럴형(Spiral Type)과 보빈형(Bobbin Type) 및 코인형(Coin Type)으로 대별된다.
이러한, 리튬이온 이차전지는 밀봉성이 우수하고 적은 부피로도 큰 에너지 저장밀도를 갖는 것이 무엇보다도 중요하다. 특히, 코인형인 경우에는 그 부피가 한정되어 있기 때문에 그 중요성이 다른 타입에 비하여 더욱 크다고 할 수 있다. 코인형 리튬이온 이차전지의 일례가 한국특허등록번호 10-0393484에 개시(disclosure, 기재)되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제(목적)는, 양극 전극 패턴이 형성된 양극 집전체의 끝단(탭(tab)단), 및 음극 전극 패턴이 형성된 음극 집전체의 끝단을 용접할 때 발생할 수 있는, 전해액으로 인한 용접부위의 부식 위험을 감소시킬 수 있고 용접 작업의 능률을 향상시킬 수 있는 코인형 리튬 이온 전지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지는, 다수의 음극(anode) 전극 패턴들이 형성된 일면을 가지는 음극(anode) 집전체; 다수의 양극(cathode) 전극 패턴들이 형성된 일면을 가지는 양극(cathode) 집전체; 및 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 분리막을 포함할 수 있으며, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체는 각각 접혀지는 것에 의해 상기 양극 전극 패턴들 각각과 상기 음극 전극 패턴들 각각은 서로 마주보며 배치될 수 있다.
상기 양극 전극 패턴들, 상기 음극 전극 패턴들, 상기 양극 전극 패턴들이 형성된 양극 집전체, 상기 음극 전극 패턴들이 형성된 음극 집전체, 및 상기 양극 전극 패턴들과 상기 음극 전극 패턴들 사이에 위치하는 분리막에는 구멍(hole)이 형성될 수 있다.
상기 음극(anode) 집전체는 직사각형 형태의 집전판이며 Cu를 포함하는 포일(foil)일 수 있고, 상기 양극(cathode) 집전체는 직사각형 형태의 집전판이며 Al을 포함하는 포일(foil))일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지는, 다수의 음극(anode) 전극 패턴들이 형성된 일면을 가지는 음극(anode) 집전체; 제1 양극(cathode) 전극 패턴들이 형성된 일면과, 상기 제1 양극 전극 패턴들이 형성되는 위치와 마주보는 위치에 제2 양극 전극 패턴들이 형성된 다른 일면을 가지는 양극(cathode) 집전체; 및 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 분리막을 포함할 수 있으며, 상기 양극 집전체, 상기 음극 집전체, 및 상기 분리막은 각각 접혀지는 것에 의해 상기 음극 전극 패턴들 각각과 상기 제1 및 제2 양극 전극 패턴들 각각은 서로 마주보며 배치될 수 있다.
상기 양극 집전체, 상기 음극 집전체, 및 상기 분리막은 각각 접혀지기 전에, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체는 서로 수직으로 배치되고, 상기 양극 집전체와 상기 분리막은 서로 수직으로 배치되고, 상기 분리막은 상기 음극 집전체 아래에 평행하게 배치될 수 있다.
상기 음극(anode) 집전체는 직사각형 형태의 집전판이며 Cu를 포함하는 포일(foil)일 수 있고, 상기 양극(cathode) 집전체는 직사각형 형태의 집전판이며 Al을 포함하는 포일(foil))일 수 있다.
본 발명에 따른 코인형 리튬 이온 전지는, 코인형 리튬 이온 전지의 집전체의 양 끝단을 코인형 리튬 이온 전지를 패키징(packaging)하는 코인셀 케이스 단자와 연결하기 위해 용접할 때 용접 부위가 한쪽에만 위치하게 되므로, 전해액으로 인한 용접부위의 부식 위험을 감소시킬 수 있고 용접 작업의 능률을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 구멍(hole)이 형성된 양극 및 음극 전극 패턴들을 포함하는 것에 의해 양극 전극 패턴 및 음극 전극 패턴의 배열(dimension, 배치)을 일치시킬 수 있으므로, 코인형 리튬 이온 전지에서 단락 현상(short)을 방지할 수 있고, 양극 전극 패턴과 음극 전극 패턴 사이에 위치 불일치(mismatch)가 감소되는 것에 의해 코인형 리튬 이온 전지의 조립성을 향상시킬 수 있고, 전해액이 구멍(hole)을 통해 양극 및 음극 전극 패턴에 전체적으로 잘 스며들어 습윤성(wettability)이 향상됨으로써 전극의 성능을 개선시킬 수 있다.
또한 본 발명은 전극들을 개별의 형태가 아니라 연속적인(one-line) 형태로 적층하기 때문에 고정 형태로 제작할 수 있어 코인형 리튬 이온 전지의 움직임으로 인한 전기적 단락(short) 현상을 방지할 수 있고, 상기 움직임으로 인한 양극 및 음극 전극들 간의 중심의 불일치에 따른 배터리의 용량 손실을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지(100)를 설명하는 도면(종단면도)이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지(200)를 설명하는 도면(종단면도)이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 3e에 도시된 코인형 리튬 이온 전지(300)의 형성방법의 실시예를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지(300)를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 4는 도 3a에 도시된 음극(anode) 집전체(305) 및 양극(cathode) 집전체(320)를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 본 발명과 비교되는 버튼형(button type) 리튬 이온 전지를 나타내는 도면(종단면도)이다.
본 발명, 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지(100)를 설명하는 도면(종단면도)이다.
도 1을 참조하면, 코인형 리튬 이온 전지(100)는 코인셀(coin cell) 구조를 가지는 복층 전지로서, 음극(anode) 집전체(集電體)(105), 양극(cathode) 집전체(120), 및 분리막(115)을 포함하고, 예를 들어 충전 및 방전이 가능한 보청기용 전지일 수 있다.
음극 집전체(anode current collector)(105)는 음극 집전판으로서, 도 1의 아래쪽 부분에 위치한 음극 집전체(105)의 평면도에 도시된 바와 같이, 다수의 음극(anode) 전극 패턴(110)들이 형성된 일면(one surface 또는 one face)을 가질 수 있다(포함할 수 있다). 음극 전극 패턴들(110)과, 음극 전극 패턴들(110) 아래에 위치하는 음극 집전체(105)는 음전극을 구성할 수 있다. 즉, 음전극은, 음극 전극 패턴들(110)과, 음극 전극 패턴들(110) 아래에 위치하는 음극 집전체(105)를 포함할 수 있다. 음극 전극 패턴(110)은 음극 활물질(active material)인 흑연과 같은 탄소를 포함할 수 있다. 음극 전극 패턴들(110)은 음극 집전체(105)에 단면 패턴(pattern) 코팅 방식을 통해 코팅(coating)될 수 있다. 음극 전극 패턴(110)은 anode 코팅부로도 언급될 수 있고, 음극 집전체(105)에서 음극 전극 패턴(110)들이 코팅되지 않는 영역은 무지부(active material-non-coated portion)(130)를 형성할 수 있다. 음극 집전체(105)는, 도 1의 아래쪽 부분의 평면도에 도시된 바와 같이, 예를 들어 직사각형 형태 또는 정사각형 형태 또는 평행사변형 형태 등의 집전판이며 Cu(구리)을 포함(함유)하는 포일(foil, 금속박막)일 수 있다. 음극 집전체(105)에 음극 전극 패턴들(110)을 도포(코팅)하는 과정은, 예를 들어 음극 전극 패턴이 일정한 크기와 모양의 노즐(nozzle)을 통해 토출됨과 동시에, 상기 노즐이 도포를 원하는 부위를 따라 이동하면서 일정한 두께로 음극 전극 패턴을 도포하는 방식을 취할 수 있다.
양극(cathode) 집전체(120)는 양극 집전판으로서, 도 1의 아래쪽 부분에 위치한 양극 집전체(120)의 평면도에 도시된 바와 같이, 다수의 양극(cathode) 전극 패턴(125)들이 형성된 일면을 가질 수 있다. 양극 전극 패턴들(125)과, 양극 전극 패턴들(125) 아래에 위치하는 양극 집전체(120)는 양전극을 구성할 수 있다. 양극 전극 패턴(125)은 양극 활물질인 코발트산 리튬 또는 금속 리튬을 포함할 수 있다. 양극 전극 패턴들(125)은 양극 집전체(120)에 단면 패턴 코팅 방식을 통해 코팅(coating)될 수 있다. 양극 전극 패턴(125)은 cathode 코팅부로도 언급될 수 있고, 양극 집전체(120)에서 양극 전극패턴(125)들이 코팅되지 않는 영역은 무지부(active material-non-coated portion)(135)를 형성할 수 있다. 양극 집전체(120)는, 도 1의 아래쪽 부분의 평면도에 도시된 바와 같이, 예를 들어 직사각형 형태 또는 정사각형 형태 등의 집전판이며 Al(알루미늄)을 포함하는 포일(foil)일 수 있다. 양극 집전체(120)에 양극 전극 패턴들(125)을 도포(코팅)하는 과정은, 예를 들어 양극 전극 패턴이 일정한 크기와 모양의 노즐을 통해 토출됨과 동시에, 상기 노즐이 도포를 원하는 부위를 따라 이동하면서 일정한 두께로 양극 전극 패턴을 도포하는 방식을 취할 수 있다.
분리막(115, separator)은 양극 집전체(120)와 음극 집전체(105) 사이에 배치(형성 또는 개재)될 수 있다. 분리막(115)으로는, 종이(셀룰로오스), 유리 섬유, 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등으로 이루어지는 천, 부직포, 또는 다공체가 이용될 수 있다.
음극 및 양극 전극 패턴들(110, 125)(또는 음극 및 양극 집전체(105, 120))에 전해액(전해질)이 함침될 수 있다. 상기 전해액은, 예를 들어 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 또는 디메틸카보네이트와 같은 비프로톤성 유기 용매를 포함할 수 있다.
음극 집전체(105)와 양극 집전체(120)가 각각 접혀져(fold) 적층(stack)되는 것에 의해, 음극 전극 패턴들(110) 각각과 양극 전극 패턴들(125) 각각은 서로 마주보며 배치될 수 있다. 음극 집전체(105)와 양극 집전체(120)가 각각 접혀질 때, 음극 집전체(105) 및 양극 집전체(125) 모두에는 무지부(130, 135)가 형성되어 있으므로 음극 및 양극 전극 패턴(110, 125)과 같은 전극이 음극 집전체(105) 및 양극 집전체(120)에서 탈리되지 않을 수 있다. 그 결과, 전극이 탈리되지 않으므로, 코인형 리튬 이온 전지에서 단락 현상(short)이 발생하지 않을 수 있다. 즉, 접혀지는 부분이 무지부이기 때문에, 음극 및 양극 전극 코팅층들(110, 125)이 음극 집전체(105)와 양극 집전체(120)에서 탈리될 위험이 적을 수 있다.
도 5는 본 발명과 비교되는 버튼형(button type) 리튬 이온 전지를 나타내는 도면(종단면도)이다.
버튼형 리튬 이온 전지는, 도 5에 도시된 바와 같이, 음전극이 코팅된 음극 집전체인 Cu 집전체와, 양전극이 코팅된 양극 집전체인 Al 집전체가 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 음극 집전체의 탭(tab)단(말단)은 가압 용접되어(가압하여 행해지는 저항 용접이 수행되어) 음극 포일(foil)로 접합될 수 있고, 양극 집전체의 탭단은 가압 용접되어 양극 포일(foil)에 의해 접합될 수 있다. 상기 양전극과 음전극 사이에는 분리막이 위치한다.
도 5의 버튼형 리튬 이온 전지의 경우, 용접부위가, 전극(또는 집전체)에 함침(impregnation)된 전해액에 노출되어 용접부위가 부식될 위험이 있을 수 있다. 또한 용접 작업 공간이 협소하여 용접 작업의 능률이 떨어질 수 있다.
본 발명에 따른 코인형 리튬 이온 전지(100)는, 코인형 리튬 이온 전지(100)의 집전체의 양 말단(tip)을 코인형 리튬 이온 전지(100)를 패키징(packaging)(수납)하는 코인셀 케이스(case) 단자(코인형 배터리 패키지 단자로서 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있는 단자)와 전기적으로 연결하기 위해 용접(예, 초음파 용접, 저항 용접, 또는 레이저 용접)할 때 용접 부위가 한쪽에만 위치하게 되고 용접 부위의 수가 상대적으로 적으므로, 도 5의 버튼형 리튬 이온 전지에 비해, 용접부위의 부식 위험이 감소하고 용접 작업의 능률이 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지(200)를 설명하는 도면(종단면도)이다.
도 2를 참고하면, 코인형 리튬 이온 전지(200)는 코인셀 구조를 가지는 복층 전지로서, 음극(anode) 집전체(205), 양극(cathode) 집전체(220), 및 분리막(215)을 포함하고, 예를 들어 충방전이 가능한 보청기용 전지일 수 있다.
음극(anode) 집전체(205)는, 도 2의 아래쪽 부분에 위치한 음극 집전체(205)의 평면도에 도시된 바와 같이, 다수의 음극(anode) 전극 패턴(210)들이 형성된 일면을 가질 수 있다. 음극 전극 패턴들(210)과, 음극 전극 패턴들(210) 아래에 위치하는 음극 집전체(205)는 음전극을 구성할 수 있다. 음극 전극 패턴들(210)은 음극 집전체(205)에 단면 패턴(pattern) 코팅 방식을 통해 코팅될 수 있다. 음극 집전체(205)에서 음극 전극 패턴(210)들이 코팅되지 않는 영역은 무지부(active material-non-coated portion)(235)를 형성할 수 있다. 음극 집전체(205)는, 도 1의 아래쪽 부분의 평면도에 도시된 바와 같이, 예를 들어 직사각형 형태 또는 정사각형 형태 등의 집전판이며 Cu를 포함하는 포일(foil)일 수 있다. 음극 집전체(205)에 음극 전극 패턴들(210)을 도포(코팅)하는 과정은 전술한 도 1을 참고하여 설명된 음극 집전체(105)에 음극 전극 패턴들(110)을 도포하는 과정과 유사할 수 있다.
양극(cathode) 집전체(220)는, 도 2의 아래쪽 부분에 위치한 양극 집전체(220)의 평면도에 도시된 바와 같이, 다수의 양극(cathode) 전극 패턴(225)들이 형성된 일면을 가질 수 있다. 양극 전극 패턴들(225)과, 양극 전극 패턴들(225) 아래에 위치하는 양극 집전체(220)는 양전극을 구성할 수 있다. 양극 전극 패턴들(225)은 양극 집전체(220)에 단면 패턴 코팅 방식을 통해 코팅될 수 있다. 양극 집전체(220)에서 양극 전극패턴(210)들이 코팅되지 않는 영역은 무지부(active material-non-coated portion)(240)를 형성할 수 있다. 양극 집전체(220)는, 도 2의 아래쪽 부분의 평면도에 도시된 바와 같이, 예를 들어 직사각형 형태 또는 정사각형 형태 등의 집전판이며 Al을 포함하는 포일(foil)일 수 있다. 양극 집전체(220)에 양극 전극 패턴들(225)을 도포(코팅)하는 과정은 전술한 도 1을 참고하여 설명된 양극 집전체(120)에 양극 전극 패턴들(125)을 도포하는 과정과 유사할 수 있다.
분리막(215)은 음극 집전체(205)와 양극 집전체(220) 사이에 배치(형성)될 수 있다. 분리막(215)으로는, 종이(셀룰로오스), 유리 섬유, 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등으로 이루어지는 천, 부직포, 또는 다공체가 이용될 수 있다.
음극 및 양극 전극 패턴들(210, 225)(또는 음극 및 양극 집전체(205, 220))에 전해액이 함침될 수 있다. 상기 전해액은, 예를 들어 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 또는 디메틸카보네이트와 같은 비프로톤성 유기 용매를 포함할 수 있다.
음극 집전체(205)와 양극 집전체(220)는 각각 접혀져(fold) 적층되는 것에 의해, 음극 전극 패턴들(210) 각각과 양극 전극 패턴들(225) 각각은 서로 마주보며 배치될 수 있다. 음극 집전체(205)와 양극 집전체(220)가 각각 접혀질 때, 음극 집전체(205) 및 양극 집전체(220) 모두에는 무지부(235, 240)가 형성되어 있으므로 음극 및 양극전극 패턴(210, 225)과 같은 전극이 음극 집전체(205) 및 양극 집전체(220)에서 탈리되지 않을 수 있다. 그 결과, 전극이 탈리되지 않으므로, 코인형 리튬 이온 전지(200)에서 단락(short) 현상이 발생하지 않을 수 있다.
음극 전극 패턴들(210), 양극 전극 패턴들(225), 음극 전극 패턴들(210)이 형성된 음극 집전체(205), 양극 전극 패턴들(225)이 형성된 양극 집전체(220), 및 음극 전극 패턴들(210)과 양극 전극 패턴들(225) 사이에 위치하는(배치되는) 분리막(215)에는 예를 들어 원형 구멍과 같은 구멍(hole)이 형성될 수 있다. 상기 구멍(hole)은 예를 들어 음극 및 양극 전극 패턴(210, 225)과 같은 전극의 중앙에 형성될 수 있다. 전극 중앙에 홀(hole)을 뚫는 경우, 구멍(hole)에 가늘고 긴 봉 형태의 조립 보조 수단(천공(穿孔) 수단)을 삽입하는 것에 의해 음극 전극 패턴(210) 및 양극 전극 패턴(225)의 배열(dimension, 배치)을 일치시킬 수 있으므로, 코인형 리튬 이온 전지(200)에서 단락 현상(short)이 방지될 수 있다. 또한 전극 중앙에 홀(hole)을 뚫는 경우, 음극 전극 패턴(210)과 양극 전극 패턴(225) 사이에 위치 불일치(mismatch)가 감소되어 코인형 리튬 이온 전지(200)의 조립성이 향상될 수 있다. 또한 리튬 이온의 이동통로일 수 있는 전해액이 구멍(hole)을 통해 음극 및 양극 전극 패턴(110, 125)에 전체적으로 잘 스며들어 습윤성(wettability)이 향상됨으로써 전극의 성능이 개선될 수 있다. 부연하여 설명하면, 구멍(hole)은 전해액의 주입과 분산(유동)을 용이하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 코인형 리튬 이온 전지(200)의 제조 방법의 실시예가 다음과 같이 설명된다.
먼저, 음극 전극 패턴들(210)과, 음극 전극 패턴들(201)이 형성된 음극 집전체(205)에 구멍(hole)이 형성되고, 양극 전극 패턴들(225)과, 양극 전극 패턴들(225)이 형성된 양극 집전체(220)에 구멍(hole)이 형성될 수 있다. 다음, 분리막(215)이 음극 집전체(205)와 양극 집전체(220) 사이에 배치(형성)된 후 음극 전극 패턴(210)과 양극 전극 패턴(225)이 서로 마주보도록(대향하도록) 도 2와 같이 접혀져 음극 및 양극 집전체(205, 220)가 적층되어질 수 있다. 다음, 가장 바깥쪽에 위치하는 음극 집전체(205)의 구멍(hole)을 통해 전술한 천공 수단을 삽입하여 분리막(215)에 구멍(hole)을 형성할 수 있다. 상기 구멍(hole)은 분리막의 기능에 영향을 주지 않도록 바늘구멍과 같은 상대적으로 매우 작은 구멍일 수 있다.
도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코인형 리튬 이온 전지(300)를 설명하는 도면(사시도)이다. 도 3a 내지 도 3d는 도 3e에 도시된 코인형 리튬 이온 전지(300)의 형성방법의 실시예를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 3e, 및 도 3a를 참조하면, 코인형 리튬 이온 전지(300)는, 음극(anode) 집전체(305), 양극(cathode) 집전체(320), 및 분리막(315)을 포함하고, 예를 들어 충방전이 가능한 보청기용 전지일 수 있다.
음극(anode) 집전체(305)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 음극(anode) 전극 패턴(310)들이 형성된 일면을 가질 수 있다. 음극 전극 패턴들(310)과, 음극 전극 패턴들(310) 아래에 위치하는 음극 집전체(305)는 음전극을 구성할 수 있다. 음극 전극 패턴들(310)은 음극 집전체(305)에 단면 패턴 코팅 방식을 통해 코팅될 수 있다. 음극 집전체(305)에서 음극 전극 패턴(310)들이 코팅되지 않는 영역은 무지부(active material-non-coated portion)를 형성할 수 있다. 음극 집전체(305)는, 예를 들어, 직사각형 형태 또는 정사각형 형태 등의 집전판이며 Cu를 포함하는 포일(foil)일 수 있다. 음극 집전체(305)에 음극 전극 패턴들(310)을 도포(코팅)하는 과정은 전술한 도 1을 참고하여 설명된 음극 집전체(105)에 음극 전극 패턴들(110)을 도포하는 과정과 유사할 수 있다.
양극(cathode) 집전체(320)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 양극(cathode) 전극 패턴(325)들이 형성된 일면(제1 면)과, 제1 양극 전극 패턴들(325)이 형성되는 위치와 마주보는 위치에 제2 양극 전극 패턴(325)들이 형성된 다른 일면(제2 면)을 가질 수 있다. 양극 집전체(320)는 제1 및 제2 양극 전극 패턴들(325)을 포함할 수도 있다. 제1 및 제2 양극 전극 패턴들(325)과, 제1 및 제2 양극 전극 패턴들(325) 사이에 위치하는 양극 집전체(320)는 양전극을 구성할 수 있다. 제1 및 제2 양극 전극 패턴들(325)은 양극 집전체(320)에 양면 패턴 코팅 방식을 통해 코팅될 수 있다. 양극 집전체(320)에서 제1 및 제2 양극 전극 패턴들(325)들이 코팅되지 않는 영역은 무지부(active material-non-coated portion)를 형성할 수 있다. 양극 집전체(320)는, 예를 들어 직사각형 형태 또는 정사각형 형태 등의 집전판이며 Al을 포함하는 포일(foil)일 수 있다. 양극 집전체(320)에 양극 전극 패턴들(325)을 도포(코팅)하는 과정은 전술한 도 1을 참고하여 설명된 양극 집전체(120)에 양극 전극 패턴들(125)을 도포하는 과정과 유사할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 음극 집전체(305)의 위치와 양극 집전체(320)의 위치는 서로 변경(교환)될 수 있다.
분리막(315)은 음극 집전체(305)와 양극 집전체(320) 사이에 형성(배치)될 수 있다. 분리막(315)으로는, 종이(셀룰로오스), 유리 섬유, 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등으로 이루어지는 천, 부직포, 또는 다공체가 이용될 수 있다.
음극 및 양극 전극 패턴들(310, 325)(또는 음극 및 양극 집전체(305, 320))에 전해액이 함침될 수 있다. 상기 전해액은, 예를 들어 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 또는 디메틸카보네이트와 같은 비프로톤성 유기 용매를 포함할 수 있다.
도 3b 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 음극 집전체(305), 양극 집전체(320), 및 분리막(315)은 각각 접혀져(fold) 적층되는 것에 의해, 음극 전극 패턴들 각각(310)과 제1 및 제2 양극 전극 패턴들 각각(325)은 서로 마주보며 배치될 수 있다. 음극 집전체(305)와 양극 집전체(320)가 각각 접혀질 때, 음극 집전체(305) 및 양극 집전체(320) 모두에는 무지부가 형성되어 있으므로 음극 및 양극전극 패턴(310, 325)과 같은 전극이 음극 집전체(305) 및 양극 집전체(320)에서 탈리되지 않을 수 있다. 그 결과, 전극이 탈리되지 않으므로, 코인형 리튬 이온 전지(300)에서 단락(short) 현상이 발생하지 않을 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 음극 집전체(305), 양극 집전체(320), 및 분리막(315)은 각각 접혀지기 전에, 음극 집전체(305)와 양극 집전체(320)는 서로 수직으로 배치되고, 양극 집전체(320)와 분리막(315)은 서로 수직으로 배치되고, 분리막(315)은 음극 집전체(305) 바로 아래에서 평행하게(또는 나란하게) 배치될 수 있다.
도 3b 내지 도 3e를 참조하여 코인형 리튬 이온 전지(300)의 형성 방법(접어서 적층하는 방법)의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3b를 참조하면, 우선, 제1 단계에 의해 분리막(305)이 음극 집전체(305) 위로 접혀질 수 있다(폴딩(folding)될 수 있다). 다음, 제2 단계에 의해 양극 집전체(320)가 분리막(315) 위로 접혀질 수 있다. 다음, 제3 단계에 의해 분리막(315)이 양극 집전체(320) 위로 접혀질 수 있다. 다음, 제4 단계에 의해 음극 집전체(305)가 분리막(315) 위로 접혀질 수 있다.
계속하여 도 3c를 참조하면, 제5 단계에 의해 분리막(315)이 양극 집전체(320) 아래로 접혀질 수 있다. 다음, 제6 단계에 의해 분리막(315)이 음극 집전체(305) 위로 접혀질 수 있다. 다음, 제7 단계에 의해 양극 집전체(320)가 분리막(315) 위로 접혀질 수 있다.
계속하여 도 3d를 참조하면, 제8 단계에 의해 분리막(315)이 양극 집전체(320) 위로 접혀질 수 있다. 다음, 제9 단계에 의해 음극 집전체(305)가 분리막(315) 위로 접혀질 수 있다. 다음, 제10 단계에 의해 분리막(315)이 접혀진 분리막(315) 아래로 접혀질 수 있다. 제10 단계에 의해 도 3e에 도시된 코인형 리튬 이온 전지(300)가 형성(제조)될 수 있다. 코인형 리튬 이온 전지(300)의 배터리 용량을 증가시키기를 원하는 경우, 제10 단계 이후부터는 상기 제1 단계 이후의 접는 순서로 프로세스(process)가 반복(진행)될 수 있다. 코인형 리튬 이온 전지(300)의 원하는 용량(배터리 용량)을 설계하기 위해, 접는 단계의 횟수가 증가될 수 있다. 그 결과, 고용량 및 고에너지 밀도의 초소형 리튬 이온 전지가 구현될 수 있다.
도 5에 도시된 버튼형 리튬 이온 전지는 하나의 셀(crude cell)을 낱개로 적층하는(쌓는) 형태로서 전극들 사이에 분리막이 존재하더라도 전지의 움직임에 의해 전기적 단락(short)이 발생할 수 있고, 움직임에 의해 양 전극간의 중심이 맞지 않아서 버튼형 리튬 이온 전지에서는 배터리 용량의 손실이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명의 코인형 리튬 이온 전지(300)는 전극들을 개별의 형태가 아니라 도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같이 연속적인(one-line) 형태로 적층하기 때문에 고정 형태로 제작할 수 있어 본 발명은 전술한 버튼형 리튬 이온 전지의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
105: 음극(anode) 집전체
110: 음극 전극 패턴
115: 분리막
120: 양극(cathode) 집전체
125: 양극 전극 패턴
130: 무지부
135: 무지부
205: 음극 집전체
210: 음극 전극 패턴
220: 양극 집전체
225: 양극 전극 패턴
230: 구멍(hole)
235: 무지부
240: 무지부
305: 음극 집전체
310: 음극 전극 패턴
320: 양극 집전체
325: 양극 전극 패턴

Claims (8)

  1. 다수의 음극(anode) 전극 패턴들이 형성된 일면을 가지는 음극(anode) 집전체와, 제1 양극(cathode) 전극 패턴들이 형성된 일면과, 상기 제1 양극 전극 패턴들이 형성되는 위치와 마주보는 위치에 제2 양극 전극 패턴들이 형성된 다른 일면을 가지는 양극(cathode) 집전체와, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 분리막을 제공하는 단계;
    상기 음극 집전체와 양극 집전체는 서로 수직하고, 상기 분리막은 양극 집전체와 수직하면서 상기 음극 집전체와 평행하게 배치하는 단계;
    상기 음극 집전체의 가장자리 음극 전극 패턴과 상기 양극 집전체의 가장자리 제1 및 제2 양극 전극 패턴들은 분리막의 가장자리 영역을 사이에 두고 중첩되도록 배치하는 단계; 및
    상기 음극 집전체의 가장자리 음극 전극 패턴과 상기 양극 집전체의 가장자리 제1 및 제2 양극 전극 패턴들의 중첩 영역을 중심으로 상기 음극 집전체의 음극 전극 패턴들과 상기 양극 집전체의 제1 및 제2 양극 전극 패턴들이 적층되도록 상기 분리막을 사이에 두고 순차적으로 상기 음극 집전체, 양극 집전체 및 분리막을 접는 단계를 포함하는 코인형 리튬 이온 전지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극 집전체의 음극 전극 패턴들과 상기 양극 집전체의 제1 및 제2 양극 전극 패턴들이 적층되도록 상기 분리막을 사이에 두고 순차적으로 상기 음극 집전체, 양극 집전체 및 분리막을 접는 단계는,
    상기 분리막을 상기 음극 집전체 위로 접는 제1단계와,
    상기 양극 집전체를 상기 분리막 위로 접는 제2단계와,
    상기 분리막을 상기 양극 집전체 위로 접는 제3단계와,
    상기 음극 집전체를 상기 분리막 위로 접는 제4단계와,
    상기 분리막(315)을 상기 양극 집전체 가장자리의 제1 및 제2 양극 전극 패턴들 아래로 접는 제5단계와,
    상기 양극 집전체 가장자리의 제1 및 제2 양극 전극 패턴들 아래로 접힌 분리막을 상기 음극 집전체 위로 접는 제6단계와,
    상기 양극 집전체를 상기 분리막 위로 접는 제7단계와,
    상기 분리막을 상기 양극 집전체 위로 접는 제8단계와,
    상기 음극 집전체를 상기 분리막 위로 접는 제9단계를 포함하는 코인형 리튬 이온 전지 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음극(anode) 집전체는 직사각형 형태의 집전판이며 Cu를 포함하는 포일(foil)인 코인형 리튬 이온 전지 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극(cathode) 집전체는 직사각형 형태의 집전판이며 Al을 포함하는 포일(foil)인 코인형 리튬 이온 전지 제조방법.
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