KR101693371B1 - 배터리 전극 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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라이너 스테른
미카엘 카스퍼
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젠트룸 퓌어 소넨에네르기-운트 바세르스토프-포르슝 바덴-뷔어템버그 (제트에스베)
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Abstract

저 제조 비용으로 증가된 에너지 밀도/체적율을 갖는 배터리의 컴팩트한 형상을 허용하기 위하여, 본 발명은 배터리 전극 및 이를 제조하는 방법을 특정하는데, 어레스터 영역이 코팅 필름에 의하여 주로 둘러 싸이도록 어레스터 영역이 컬렉터 기판 상에 배치된다.

Description

배터리 전극 및 이를 제조하는 방법{BATTERY ELECTRODE AND A METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 배터리 전극 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 배터리는 비충전식 1차 전지(non-rechargeable primary cells)과 충전식 2차 전지(rechargeable secondary cells; 소위 충전식 배터리)를 지칭한다. 배터리는 기저 화학 산환환원 반응(underlying chemical redox reaction), 사용된 재료, 전기적 수치(electrical values)(예를 들어 전압 또는 커패시턴스) 또는 기하적 내지 구조적 설계에 기초하여 분류된다. 일예들로서, 알카리-망간 배터리(alkaline-manganese battery), 아연-탄소 배터리(zinc-carbon battery) 또는 리튬 배터리를 들 수 있다. 또한, 배터리의 내부 구조에 따라, 배터리 내에서 와인딩 셀(winding cells)과 적층 배터리(stacked battery) 간에 차이점을 들 수도 있다. 와인딩 셀의 경우에는 하나가 다른 하나의 상부에 배열되는 세퍼레이터 레이어 및 전극이 스파이럴 방식으로 감겨 예를 들어 원통형 하우징을 갖는 라운드 배터리에 장착된다. 스택형 배터리(stacked battery)의 경우에는, 복수 개의 전극 및 세퍼레이터 레이어가 하나가 다른 하나 상에 교번적으로 적층된다.
도 1은 스팩형 배터리의 일예를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이 어느드(annodes, 10)와 캐소드(cathodes, 20)가 배터리에 교번적으로 배치되는데, 물리적으로 그리고 전기적으로 두 전극을 분리하도록 에노드(10) 및 캐소드(20) 사이에 세퍼레이터(30)가 배치된다. 하지만, 세퍼레이터(30)는 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 이온들에 대하여는 투과를 허용하여야 한다. 세퍼레이터(30)로는, 통상적으로 유리섬유 또는 폴리에틸렌으로 구성되는 부직포(nonwoven) 또는 미세 다공성 플라스틱(micro porous plastics)이 사용된다. 에노드(10)는 어레스터 영역(arrester region,40)에서 상호 연결되는데, 이는 캐소드(20)의 경우에도 동일하다. 이와 같은 구조로 인하여 배터리 내 모든 동종 전극이 상호 연결된다. 캐소드(20) 및 에노드(10) 용 커넥션 러그(connection lug, 50)가 각각의 어레스터 영역(40)에서 장착되는데, 커넥션 러그는 배터리의 대응 외부 전압 폴(pole)에 연결된다.
도 2a는 어레스터 영역(40)을 갖는 캐소드(20)의 평면도(plan view)가 도시된다. 하나가 다른 하나 위에 배치되는 캐소드(20)의 어레스터 영역(40)에서 캐소드(20)가 서로 연결된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 서로 연결되는 어레스터 영역(40) 상에 커넥션 러그(50)가 장착되는데, 커넥션 러그(50)는 배터리가 조립된 후 배터리의 음극(negative pole)과 연결된다.
배터리 전극은 통상적으로, 배터리 제조 공정 동안 원하는 전극 형상이 컷 아웃되는 롤 재료(압연재료, Rollenmaterial; rolled material) 또는 벌크(bulk)로 선제조(prefabricated)된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 재료는 코팅 필름(70)이 제공되는 컬렉터 기판(collector substrate)을 포함한다. 이 경우, 전극 재료는 하나 이상의 비코팅 어레스터 영역(uncoated arrester region,40)을 포함하는데, 하나 이상의 비코팅 어레스터 영역은 차후 조립 상태에서 전압 또는 전류를 외부로 방전하기 위하여 필요하다. 복수 개의 동종 전극은 어레스터 영역(40)에서 상호 연결되고, 금속 커넥션 러그(50)가 이에 장착된다. 컬렉터 기판(60)이 양면으로 코팅되는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 어레스터 영역(40)도 양면에 형성된다. 이 경우, 어레스터 영역(40)은 도 3에 도시되는 바와 같이 서로 반대로 형성될 필요는 없고, 상호 관계에 있어 오프셋(offset)될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 슬롯 다이 시스템(slot die system, 300)으로 전극 재료를 제조하는 방법을 도시한다. 잉크-유사 코팅 필름(ink-like coating film, 70)이 스트립-유사 컬렉터 기판(strip-like collector substrate,60)에 도포된다. 이러한 도포 프로세스(application process)는 불연속적이고 간헐적인 코팅에 의하여 형성될 수 있는데, 비코팅 어레스터 영역(40)은 도 4a에 도시된 바와 같이 코팅시 정규적인 인터럽션에 의하여 형성되거나, 또는 도 4b에 도시된 바와 같은 연속적인 코팅에 의하여 형성된다. 하지만, 이와 같은 방법을 사용하여 상대적으로 복잡한 어레스터 영역을 형성하는 것은 매우 복잡하다. 그러므로 때로 마스킹 단계가 사용된다. 대안적으로, 브러싱(brushing) 또는 유사 방법으로 어레스터 영역(40)이 컬렉터 기판(60) 상에 노출될 수 있다.
코팅 단계 후, 코팅 필름이 건조될 때 생성되는 공동(cavities)을 제거하고 코팅 필름을 압축하기 위해 전극 재료가 캘린더링(calendered)된다. 그런 후, 마무리 완성된 전극 재료가 롤업되어 다른 프로세싱까지 저장 적재될 수 있다. 배터리를 제조하기 위해 배터리의 유형 또는 배터리의 형상에 따라 상이한 원하는 형상으로 전극 재료를 스탬핑 아웃(stamped out)하거나 컷 아웃(cut out)한다. 배터리 전극이 컷 아웃되는 경우, 어레스터 영역(40)이 존재한다는 것을 추가적으로 확인할 필요가 있을 수도 있다. 도 2a에는 어레스터 영역(40)을 구비하는 사각 전극 형상의 일예가 도시된다.
도 5는 예를 들어 와잉딩 셀 또는 스택형 배터리의 제조 과정을 도시하는데 사용되는 흐름도를 도시한다. 먼저, 예를 들어 간헐적 방법(S10)을 사용하여 컬렉터 기판(60)이 코팅 필름(70)으로 코팅되는데, 여기서 잉크 유사 코팅을 도포하는 경우 복수 개의 비코팅된 어레스터 영역(40)이 인터럽션 또는 불연속적으로 형성된다. 그런 후 전극 재료가 캘린더링된다(S20). 그런 후 원하는 전극 형상이 전극 재료로부터 컷 아웃 또는 스탬프 아웃되는데(S30), 여기서 스탬프 아웃 형상은 어레스터 영역(40)을 구비해야 한다. 이들 단계는 에노드(10)를 제조하는 경우 및 캐소드(20)를 제조하는 경우 모두 실행된다. 다음으로 에노드(10)와 캐소드(20) 및 이들 사이에 배치되는 세퍼레이터(30)가 연속하여 교번적으로 배치되도록(도 1 참조), 스탬프 아웃 전극은 하나가 다른 하나 위에 배치된다(S40). 이 경우, 캐소드(20)의 어레스터 영역(S40)과 에노드(10)의 어레스터 영역은 각각의 경우 하나 위에 다른 하나가 배열되고 상호 연결된다. 그런 후, 커넥션 러그(50)가 상기 어레스터 영역 상에 장착된다(S40). 이 경우 하나 위에 다른 하나가 배열되는 캐소드(20)와 에노드(10)의 개수는 배터리의 유형과 특성에 따라 변화될 수 있다. 전극 배열(electrode arrangement)이 완성된 후, 전극 배열이 하우징에 삽입되고, 커넥션 러그(50)가 하우징의 외부 전압 폴에 연결된다(S60). 와인딩 셀의 경우 전극 배열이 스파이럴 방식으로 감기고, 이 상태로 하우징에 삽입된다. 전해질(electrolyte)이 주입(introduced)된 후(S70), 셀이 밀봉되고(S80), 최종적으로 형성된다(S90).
하지만, 배터리 전극을 제조하는 통상적인 방식은 다음과 같은 문제에 직면한다. 예를 들어 마스킹 단계 또는 코팅 브러싱 어웨이 단계(brushing away the coating)에 의한 비코팅 어레스터 영역의 제조는 매우 복잡하고 고비용이다. 슬롯 다이 시스템의 도움으로 연속적 또는 간헐적인 코팅에 의한, 대안적인 제조 방법에서는, 전극 재료 상에서의 어레스터 영역의 가능한 형상 및 배열은 상당히 제약된다. 배터리의 사용의 다양한 분야에서, 특히 이동 전화기, 랩탑 또는 자동차와 같은 설계 제품에서, 배터리 전극의 형상 관점에서 유연성(flextibility)에 대한 요구가 점진적으로 증가하고 있다. 이 경우, 상대적으로 소형 기기로의 트렌드는 배터리 제조에 있어 특별한 도전을 취한다. 첫번째로, 상대적으로 조그만 치수의 배터리가 개발되어야 하고, 두번째로 기기의 내부 공간을 최대한 효율적으로 사용하도록 복잡한 형상이 요구된다. 또한, 간헐적인 코팅 방식의 경우 코팅 영역과 어레스터 영역 사이에 균일하고 깨끗한 에지 영역을 이루는 것은 어렵다.
또한, 통상적인 방법으로 전극의 다양한 형상을 구현하는 것도 어렵고 고가의 비용이 소요된다. 비용적인 이유로, 보통 롤 재료(압연재료, Rollenmaterial, rolled material)가 전극 재료로 사용되는데, 코팅 필름(70)에 대한 비코팅된 어레스터 영역(40)의 가능한 위치는 상기 롤 재료 상에서 고정되어 한정된다. 하지만, 결과적으로 각 전극은 어레스터 영역(40)을 구비해야만 하기 때문에, 전극 형상의 설계 자유도가 심각하게 제한된다. 게다가, 어레스터 영역(40)을 구비하고 원하는 전극 형상으로 컷 아웃되는 경우, 많은 양의 버려져야 하는 초과 전극 재료가 제조된다. 예를 들어, 어레스터 영역(40)을 포함하도록 조그만 전극이 컷 아웃되는 경우, 연속적인 어레스터 영역(40) 사이에 배치된 코팅 기판 영역은, 상기 연속적인 어레스터 영역 사이에 큰 거리가 있는 경우 더 이상 사용될 수 없다. 결과적으로, 재료 소비가 증가하고, 제조 방법은 고가이다. 더욱이 원하는 형상으로 스탬핑 아웃하기 위한 전용 스탬핑 다이(dedicated stamping die)가 각각의 원하는 전극 형상에 대하여 생성되어야 한다. 하지만, 커팅 퀄리티에 따라 형성되는 고도의 요구 사항으로 이러한 스탬핑 다이는 매우 고가이다.
통상적인 제조 방법에서, 어레스터 영역에 커넥션 로그(50)를 장착하고, 상호 동종 전극을 연결하기 위해 어레스터 영역(40)이 코팅 전극 영역에 의해 앞서 형성된다. 하지만, 이는 활성 전극 재료(active electrode material)로 채워지지 않는, 배터리 내 비활용 공간(unutilized space)을 유발한다. 결과적으로, 배터리의 크기는 불필요하게 증가되거나 및/또는 배터리의 외곽 형상이 고정된다.
또한, 어레스터 영역(40)은 통상적인 제조 방법 또는 저장 과정 동안 쉽게 오염될 수 있다. 특히 캘린더링 공정의 경우 불순물들이 어레스터 영역(40)에 도달할 수 있다. 이는 동종 전극 사이에서 그리고 전극 및 연계 커넥션 러그(50) 사이에서 부작용을 일으킨다. 어레스터 영역(40)은, 전극 재료의 제조 동안 캘린더링 공정 전에 추가적으로 형성되기 때문에, 비균일 두께 구조로 인하여 캘린더링 공정이 더욱 어렵게 된다. 게다가, 통상적인 방법으로 형성된 어레스터 영역(40)은 불량하게 형성되고, 특히 어레스터 영역(40)의 에지 영역이 부정확하고 불균일한 방식으로 형성될 수 있다.
발명의 요약
그러므로, 본 발명의 목적은 저 제조 비용으로 배터리 전극의 컴팩트한 형상에 의하여 배터리의 체적 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 배터리 전극 및 이를 제조하는 방법을 특정하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립항의 특징(features)로 달성된다.
본 발명은 비코팅 영역이 컬렉터 기판의 코팅 영역으로 내측으로 돌출(돌입, project inwardly into)하거나 코팅 영역 내에 배치되도록 어레스터 영역으로 작동하는 비코팅 영역을 배터리 전극의 컬렉터 기판 상에 배치하는 아이디어에 기초한다. 비코팅 어레스터 영역이 코팅 영역의 내측 방향으로 돌출(돌입)하는 경우, 코팅 영역의 전체 외주 길이는 외측 돌출형 어레스터 영역을 구비하는 배터리 전극의 경우보다 훨씬 길다. 동시에, 비코팅 영역의 외부 에지, 즉 배터리 전극의 에지와 인접하는 에지가 최소화된다. 이러한 방식으로, 배터리 전극으로부터 돌출하는 어레스터 영역에 의하여 형성되는 배터리 내 비활용 공간이 회피될 수 있고, 배터리 체적을 일정하게 유지시키면서 에너지 밀도가 증가될 수 있다.
본 발명의 일면에 따르면, 컬렉터 기판, 상기 컬렉터 기판 상에 형성되는 코팅 필름, 그리고 어레스터 영역을 포함하고, 상기 어레스터 영역의 상당 부분이 상기 코팅 필름에 의하여 둘러 싸이는 배터리 전극을 특정한다. 어레스터 영역은 상기 배터리 전극의 외곽 에지와 만나는 원주 부분, 즉 외주 부분을 구비하는데, 상기 어레스터 영역은 주로 상기 배터리 전극의 활성화 영역과 접하고, 활성 영역은 코팅 필름으로 덮이는데, 즉 어레스터 영역은 외곽 원주, 즉 외주 부분의 적어도 반 이상이 코팅 필름에 의하여 둘러싸인다. 대안으로서, 상기 어레스터 영역은 완전하게 상기 컬렉터 기판의 코팅 영역 내에 위치할 수 있는데, 결과적으로 전체 외주에 대하여 어레스터 영역은 코팅 필름과 접한다. 이러한 방식으로, 배터리가 조립되는 경우 비활성 영역 또는 사체적이 감소될 수 있고, 결과적으로 주어진 동일한 배터리 사이즈에 대하여 커패시티(capacity) 및 체적 에너지 밀도(volumetric energy density)가 증대된다.
일실시예에 있어, 예를 들어 실질적으로 원형, 환상형, 사각형 또는 삼각형 방식과 같이 어레스터 영역은 어떠한 원하는 형상으로도 배터리 전극 상에 형성된다. 어레스터 영역 및 배터리 전극이 사각 형상을 구비하는 경우, 어레스터 영역은 배터리 전극의 코너에 배치될 수 있고, 결과적으로 어레스터 영역의 두 면이 코팅 필름과 접한다. 대안으로서, 어레스터 영역은 배터리 전극의 외곽 에지에 일면으로만 접할 수 있는데, 결과적으로 어레스터 영역의 세 개의 면이 배터리 전극의 코팅 영역에 의하여 둘러 싸인다.
배터리 전극의 활성 영역을 증대시키기 위하여 코팅 필름은 컬렉터 기판의 양면 상에 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 각각의 케이스에 있어 적어도 하나의 어레스터 영역은 컬렉터 기판의 양면 상에 형성될 수 있다. 어레스터 영역이 컬렉터 기판의 양면 상에 형성되는 경우, 각각의 경우 두 개의 어레스터 영역이 서로 반대편에 마주하여(opposite) 배치되는 것이 바람직하고, 결과적으로 동종의 배터리 전극이 예를 들어 웰딩된 컨택(welded contact)에 의하여 어레스터 영역에서 쉽게 상호 연결될 수 있다. 대안으로서, 컬렉터 기판의 양면 상에서 어레스터 영역이 서로에 대하여 오프셋되도록 배치될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 어레스터 영역은 코팅 필름의 레이저 제거(laser ablation)을 통하여 형성되고, 결과적으로 이의 하부에 배치되는 컬렉터 기판이 노출된다. 이러한 방식에 있어, 대표면적에 대하여 또는 실질적으로 완전하게 또는 연속적으로 컬렉터 기판 상에서 개방되어야 하는 어레스터 영역없이 코팅 필름이 제조될 수 있다. 더욱이, 코팅 필름은 컬렉터 기판의 일면 또는 양면 상에 대표면적에 대하여 형성될 수 있는데, 이의 결과로 코팅 필름은 일정한 두께를 구비한다. 코팅된 컬렉터 기판의 일정한 두께로 인하여, 캘린더링 프로세스(calendering process)가 더욱 간단해지고 더욱 우수한 품질로 실행될 수 있다. 또한, 그런 후 컨택이 어레스터 영역에 제조되기 전에 어레스터 영역이 즉시 형성될 수 있는데, 결과적으로 신선하고 깨끗한 표면이 접촉 형성하는데 가능할 수 있다. 그러므로, 예를 들어 브러싱(brushing) 공정 동안 생성되는 코팅 잔여물 내지 마모 입자와 같은 이러한 불순물이 마무리 완성된 배터리에 심각한 위험을 제공하고 리절팅 쇼트 서킷(resulting short circuit)을 일으키는 돌기(dendrites)의 형성을 야기할 수 있는데, 불순물의 발생이 회피될 수 있다. 어레스터 영역을 노출시키도록 레이저를 사용하기 때문에, 코팅된 컬렉터 기판 상에서 어떠한 원하는 형상으로 어떠한 원하는 위치에도 어레스터 영역이 깔끔하고 일정한 에지를 가지고 생성될 수 있다. 이는 표면 영역에 대하여 최적화된 어레스터 구조를 제공하는 옵션 및 절대적인 설계 자유도를 제공한다. 유사하게 배터리 전극의 외곽 형상이 레이저로 컷 아웃(절단)될 수도 있다. 이는 추가적인 공구(tool) 및/또는 추가적인 작업 단계 및 특히 고가의 스탬핑 다이를 절약할 수 있다. 결과적으로, 소량의 경우조차 비용 효율적인 방식으로 어떠한 원하는 전극 형상도 제조 가능하다. 그러므로, 단일의 레이저를 사용하여 상당히 시간 절약을 이루며 두 개의 상이한 작업 단계가 실행될 수 있는데, 이 결과 처리되어야 하는 전극 재료에 대한 전환 또는 공구에 대한 전환이 배제될 수 있다.
더욱이, 적어도 하나의 컷아웃(cutout)이 배터리 전극에 형성될 수 있다. 전극에 형성되는 컷아웃은 이종 전극에 형성되는 어레스터 영역에 대응하는 것이 바람직한데, 하나가 다른 하나 위에 배치되는 동종 전극의 어레스터 영역은 교번 전극 배치의 경우 상호 다른 전극을 통하여 상호 연결될 수 있다. 이는 예를 들어 전극의 어레스터 영역이 코팅 전극 영역으로 내측방향 돌출(돌입)하거나 또는 코잉된 전극 영역에 의하여 완전하게 둘러싸이는 경우 유리할 수 있다. 배터리 전극이 레이저 커팅을 통하여 컷 아웃(절단)되는 경우, 마찬가지로 방법 순서를 최적화하기 위하여 레이저의 도움으로 적어도 하나의 컷아웃(cutout)이 절단될 수 있다.
예를 들어 커팅 또는 인그레이빙 레이저 시스템과 같은 어떠한 적절한 레이저 시스템도 레이저 제거(laser ablation) 또는 레이저 커팅(laser cutting)을 통해 재료를 제거하는데 사용될 수 있다. 페네트레이션 깊이 및 컷 가이던스에 대한 커팅 정밀도 및 높은 에지 퀄리티로 인하여, 고 퀄리티 어레스터 영역이 제조될 수 있다. 또한, 초단파 레이저 펄스(ultra-short laser pulses)로 인하여, 에너지 입력이 축소될 수도 있어, 결과적으로 전극 재료의 열 부하가 낮게 유지될 수 있다. 비용 관점에서 적합한 레이저 시스템은 슬롯 다이 시스템과 호환 가능하기 때문에, 높은 구매 비용이 발생하지 않는다.
본 발명의 다른 일면은 상기 예시적인 실시예 중의 하나에 따른 적어도 하나의 배터리 전극을 포함하는 배터리를 특정한다. 주로 코팅 필름에 의하여 둘러 싸이는 어레스터 영역을 형성하여 비교적 컴팩트하도록 설계될 수 있고, 이에 의해 상대적으로 적은 공간 요구 사항을 구비하기 때문에, 배터리의 체적 에너지 밀도(volumetric energy density)가 증대될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일면은 배터리 전극을 제조하는 방법을 특정하는데, 코팅 필름이 컬렉터 기판 상에 도포된다. 그런 후, 코팅 필름에 의하여 어레스터 영역의 원주가 주로 둘러 싸이도록 또는 어레스터 영역의 원주의 적어도 반이 둘러 싸이도록 코팅 필름이 어레스터 영역에서 제거된다. 어레스터 영역은 코팅 필름을 제거함으로써 형성되기 때문에, 실질적으로 완전하게 코팅된 컬렉터 기판은 특별한 주의 사항없이 전극 재료로 저장될 수 있고 그리고 컨택이 어레스터 영역에서 이루어지기 전에 즉시 어레스터 영역이 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 불순물 또는 표면에서의 화학적 변화가 회피될 수 있고 어레스터 영역에서의 컨택 저항이 감소된다. 또한, 이러한 방법에 있어, 코팅 필름은 컬렉터 기판의 전체 표면 상에 거의 완전하게 및/또는 대 표면적에 대하여 형성될 수 있다. 코팅 필름은 컬렉터 기판의 양면 상에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 닥터 블레이드(doctor blade), 콤마 바(comma bar) 그리고 키스 코팅(kiss coating)과 같은 연속적인 코팅 기술이 유리하게 사용되고, 그 결과 제조 비용이 감소될 수 있다. 또한, 코팅된 컬렉터 기판은 균일한 두께를 구비하여, 이러한 결과로서 캘린더링 공정이 간단해지고 향상된다.
바람직한 실시에에서, 어레스터 영역에서의 코팅 필름은 레이저로 제거된다. 이 경우, 어레스터 영역에서의 표면 조건을 개선하기 위하여 컬렉터 기판의 박막이 어레스터 영역에서 바람직한 실시예에서 동시에 제거될 수 있다. 어레스터 영역을 형성하는 레이저 제거를 사용하는 것은 어레스터 영역 및 배터리 전극의 형상에서의 설계 자유도를 증가시키고 개별적인 제조를 가능하게 한다.
도면에 있어서,
도 1은 통상적인 배터리에서의 전극 배열의 대략적인 단면도이고,
도 2a 및 도 2b는 통상적인 배터리 전극의 평면도이고,
도 3은 통상적인 배터리 전극 재료의 단면도이고,
도 4a 및 도 4b는 통상적인 전극 재료를 제조하는 방법을 도시하고,
도 5는 배터리의 통상적인 제조 방법의 흐름도이고,
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 전극을 도시하고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 전극을 도시하고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 전극을 도시하고,
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 제조 프로세스 동안 전극 재료에 대한 단면도이고,
도 10은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 제조 방법의 흐름도이다.
이하 본 발명은 고에너지 밀도 및 열 안정성에 의하여 구별되는 리튬-이온 배터리의 예를 사용하여 기술된다. 하지만, 본 발명은 리튬-이온 배터리에 한정되지 않고 원하는 어떠한 배터리에도 적용될 수 있다.
리튬-이온 배터리에 있어서, 에노드(10)의 컬렉터 기판(60)은 예를 들어 그래파이트, 바인더(binder), 카본 블랙 및 솔벤트로 조성되는 코팅 필름(70)으로 도포되는 구리를 포함한다. 본 발명에 따르면, 어레스터 영역(40)에서 코팅 필름(70)이 제거되고, 결과적으로 어레스터 영역(40)에서의 컬렉터 기판(60)이 노출된다. 예를 들어 니켈(nickel)을 구비하는 커넥션 러그(50)는 에노드(10)의 어레스터 영역(40) 상에 장착될 수 있다. 캐소드(20)의 경우, 컬렉터 기판(60)은 예를 들어 알루미늄으로 제조되고 코팅 필름(70)으로 코팅되는데, 코팅 필름은 산화환원 반응(redox reaction)에 기여하는 활성 재료(active material), 바인더, 카본 블랙, 그래파이트 및 솔벤트를 포함한다. 캐소드의 커넥션 러그는 마찬가지로 알루미늄으로 제조되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 전극을 도시하는데, 어레스터 영역(40)은 주로 그 외주에서 컬렉터 기판(60) 상의 코팅 필름(70)과 인접한다. 에노드(10) 및 캐소드 모두 내부 어레스터 영역(40)과 컷아웃(cutout 80, 컷아웃 영역)을 구비한다. 컷아웃(80)은 조립 상태에서 이종 전극 각각의 어레스터 영역(40)에 대응하는 위치에 형성된다. 에노드(10)에서의 컷아웃(80)은 결과적으로, 에노드(10)에서의 컷아웃980)이 전극의 조립 상태에서 캐소드(20)의 어레스터 영역(40) 위 또는 아래에 배치되도록 배치된다. 도 6에서 화살표는 조립 상태에서 전극 배열을 나타내는데, 각각의 경우 에노드(10) 및 캐소드(20)는 각 경우 하나 위에 다른 하나가 교번적으로 배치된다. 이 경우, 세퍼레이터(30, 미도시)가 에노드(10) 및 캐소드(20) 사이에 배열되는데, 상기 세퍼레이터는 미공 필름(microporous films) 또는 부직물(nonwovens)을 포함할 수 있다. 어레스터 영역(40)에서, 커넥션 러그(50)는 전극이 조립되기 전에 각각의 경우 적어도 하나의 에노드(10) 및 적어도 하나의 캐소드(20)에 장착될 수 있다. 하지만, 커넥션 러그(50)는 전극이 조립된 후 예를 들어 초음파 용접(unltrasonic welding) 등으로 어레스터 영역(40) 상에 장착되는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에서, 전극의 어레스터 영역(40)은 이종 전극에서의 컷아웃(80) 반대편에 마주하여 배치되기 때문에, 이 경우 각각의 에노드(10) 및 캐소드(20)는 각 경우 동시에 전기적으로 이들 어레스터 영역(40)에서 상호 연결될 수 있다.
또한, 내측 또는 내측방향으로 돌출(돌입)되는 어레스터 영역을 갖는 에노드만 또는 캐소드만을 형상할 수도 있는데, 두 전극 중의 다른 하나는 통상적인 방법에 따라 돌출 어레스터 영역을 갖도록 제조된다.
도 7은 본 발명에 따라 배터리 전극의 다른 실시예를 포함한다. 도 7에 도시된 에노드(10)는 중심에서 원형 컷아웃(round cutout, 80)을 구비하는데, 반면 캐소드(20)는 중심에 대응하는 어레스터 영역(40)을 구비한다. 에노드(10)의 어레스터 영역(40)은 그 원주 에지 상에 형성되고, 결과적으로 캐소드(20)는 이 위치에서 컷아웃(80)을 구비한다. 상기한 바와 같이, 동종 전극의 어레스터 영역(40)은 상호 연결되고, 커넥션 러그(50)는 각각 에노드(10) 및 캐소드(20)의 어레스터 영역(40)에 장착된다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 전극의 다른 일예를 도시한다. 본 실시예에서, 어레스터 영역(40)은 코팅 필름(70)에 의하여 완전하게 둘러싸인다. 이 경우, 에노드(10)는 두 개의 어레스터 영역(40a 및 40b)를 포함하고, 캐소드(20)는 두 개의 대응 컷아웃(80a 및 80b)을 포함한다. 이 경우, 각 경우에 하나의 커넥션 러그(50)가 에노드(10)의 두 개의 어레스터 영역(40a 및 40b) 각각에 피팅된다. 전극 상에 복수 개의 어레스터 영역(40)을 형성하는 것은 개선된 전압 감쇠(voltage dissipation)를 유도하고 저항을 감소시킨다.
이하 배터리 전극을 제조하는 예시적인 방법이 설명된다. 본 발명에 따르면, 컬렉터 기판(60)은 먼저 도 9a에 도시된 바와 같이, 대면적(large surface area)에 대하여 그리고 양면 상에 코팅 필름(7)으로 코팅된다. 하지만, 컬렉터 기판(60)은 대 표면적에 대하여 코팅되거나 또는 단지 하나의 표면에 대하여 실질적으로 완전하게 코팅될 수도 있다. 코팅 필름(70)은 액체 상태에서 컬렉터 기판에 적용된다. 간단하게, 연속적인 코팅 기술, 예를 들어 닥터 블레이드(doctor blade), 콤마 바(comma bar) 또는 키스 코팅(kiss coating)이 이 경우 사용될 수 있다. 그런 후 코팅 필름(70)이 건조 또는 경화되는데, 건조 상태에서 코팅 필름(70)의 두께는 예를 들어 거의 25㎛이다. 코팅 필름(70)이 건조 또는 경화된 후, 코팅 필름(70)을 압축하기 위하여 코팅 컬렉터 기판(60)이 캘린더링된다. 컬렉터 기판(60)의 일정한 두께로 인하여, 캘린더링 프로세스가 단순화되고 더욱 효율적으로 실행될 수 있는데, 이런 결과로 인하여 전극 재료의 퀄리티가 향상된다. 또한, 코팅 컬렉터 기판(60)은 롤 재료(als Rollenmaterial; as rolled material)로 저장될 수 있고 연속적인 추가 공정용 전극 재료로도 가능하다.
그런 후 도 9b에 도시된 바와 같이, 어레스터 영역(40)에서 코팅 필름(70)이 레이저 제거로 제거되어 이 하부에 배치되는 컬렉터 기판(60)이 노출되어, 적어도 하나의 어레스터 영역(40)이 코팅 컬렉터 기판(60) 상에 형성된다. 하지만, 이는 어레스터 영역(40)의 제조 공정의 일예뿐이다. 대안으로서, 어레스트 영역(40)은 브러싱, 리소그래피 및 다른 방식을 통하여 제조될 수도 있다. 레이저 제거(laser ablation)의 경우, 레이저 방사의 액션의 영향으로 표면으로부터 재료가 제거된다. 이러한 목적으로 위하여 예로서, 고출력 밀도를 갖는 펄스 레이저 방사가 사용된다. 열 전도는 체적으로는 상당히 느린 전달만을 허용하기 때문에, 방사 에너지가 표면의 아주 얇은 층에 집중된다. 결과적으로, 표면이 어느 정도 상당히 가열되어 재료는 갑자기 증발 또는 용융된다. 레이저 광의 충분한 흡수를 보장하기 위하여, 레이저 방사의 파장은 제거되는 재료의 종속하는 함수(Abhaengigkeit; function)로 선택된다. 예를 들어 파장 1070nm의 파장대를 갖는 이테류븀(ytterbium) 레이저를 갖는 인그레이빙 또는 커팅 레이저 시스템이 사용되는 것이 바람직하다. 하지만, 다른 가스, 고체 또는 파이버 레이저가 사용될 수도 있다. 레이저 프로세스 공정 동안, 커프(kerf)로부터 제거된 재료를 배출하거나 표면에서 원치 않는 화학 반응을 방지하기 위하여 프로세스 가스 또는 주입 가스(blowing gas)가 표면 상으로 안내될 수도 있다. 레이저 공정 동안 전극 재료를 냉각시키기 위하여 프로세스 가스는 차가운 것이 바람직하다. 재료가 증발 또는 용융됨으로써 어떠한 위험 불순물도 생성되지 않는다.
어레스터 영역(40)은 레이저 제거로 생성되기 때문에, 어떠한 원하는 어레스터 영역 형상 및 배치도 형성될 수 있다. 특히, 어레스터 영역이 배터리 전극으로부터 돌출되지 않도록, 어레스터 영역(40)이 전극 표면 상에 배치될 수 있다. 결과적으로, 에너지 밀도/체적율(energy density/volume ratio)이 증가될 수 있고, 동일한 전기 특성에 대하여 배터리의 사이즈가 감소될 수 있다. 어레스터 영역(40)은 동종 전극이 연결되거나 커렉션 러그(50)가 어레스터 영역(40)에 장착(fitted)되기 전에, 즉시 형성되는 것이 바람직하다. 예로서, 하나 위에 다른 하나가 배치되는 동종 전극은 어레스터 영역(40)에서 용접 접촉(welded contact)으로 상호 연결될 수 있다. 이 경우, 커렉션 러그(50)가 동시에 어레스터 영역(40) 중의 하나에 장착될 수 있다. 어레스터 영역(40)은 전극 재료가 추가적으로 제조되기 전에 빨리 형성되기 때문에, 동종 전극 사이에 접촉을 형성하고 커넥션 러그(50)를 피팅하는데, 신선하고 깨끗한 표면이 가능하다. 결과적으로, 어레스터 영역(40)에서 예를 들어 산화 표면(oxidized surface)과 같은 페시베이션 층 및 다른 불순물이 회피될 수 있다.
도 9c에 도시된 바와 같이, 레이저에 의하여 어레스터 영역(40)에서 코팅 필름(70)뿐만 아니라, 컬렉터 기판(60)의 박막(thin layer)도 제거될 수 있다. 높은 수준의 커팅 정밀도의 레이저 시스템을 사용함으로써, 레이저의 페네트레이션 깊이가 정확하게 제어될 수 있어, 결과적으로 재료 제거의 깊이가 원하는 만큼 선택될 수 있다. 그러므로, 어레스터 영역(40)에서 컬렉터 기판(60)은 타겟 방식으로 얇게 형성될 수 있다. 또한, 결과적으로 전기 컨택을 만드는 표면 조건이 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리의 제조 과정의 흐름도를 도시한다. 먼저, 잉크-유사 코팅 필름(70)이 대면적(large surface area)으로 또는 거의 8-20 μm 두께인 금속 스트립을 포함하는 컬렉터 기판(60) 상에 실질적으로 완전하게 도포된다(S100). 건조 상태에서 거의 25 μm 두께인 코팅 필름(70)이 건조 또는 경화된 후, 건조 동안 생성된 공동(cavities) 및 불균일(irregularities)을 코팅 필름(70)으로부터 제거하기 위하여 일정하게 코팅된 컬렉터 기판(60)이 캘린더링된다(S200). 캘린더링되고 코팅된 컬렉터 기판(60)은 추가적인 프로세싱이 이루어지기 전까지 롤 재료(rolled material)로 저장될 수 있다. 배터리 전극을 마무리하기 위하여, 코팅된 컬렉터 기판(60) 상에 사전 특정된 어레스터 영역(40)에서의 코팅 필름(70)이 레이저 제거를 통하여 제거될 수 있다(S300). 전기 컨택트를 만드는 표면 퀄리티를 향상시키기 위하여 어레스터 영역(40)에서의 컬렉터 기판(60)의 박막이 추가적으로 제거될 수도 있다. 다음 단계 S400에서, 전극 및/또는 가능한 컷아웃(cutouts,80)이 원하는 형상으로 코팅된 컬렉터 기판(60)으로부터 컷 아웃된다. 전극 또는 컷아웃(80)은 레이저에 의하여 컷 아웃되는 것이 바람직하나, 대안으로서, 스탬핑 장치가 사용될 수도 있다. 단계 S400 및 S300의 순서가 교체될 수도 있다. 그런 후, 동종 전극의 어레스터 영역(40)이 각각의 경우 서로 마주하게 배치되도록 에노드(10) 및 캐소드(20)가 교번적으로 하나 위에 다른 하나가 배치되는데, 캐소드(20)의 컷아웃(80)은 에노드(10)의 어레스터 영역 사이에 배치될 수도 있고, 또는 이의 반대 구조도 가능하다. 그런 후 각각의 경우 동종 전극의 어레스터 영역(40)이, 예를 들어 초음파 웰딩에 의하여 상호 연결되는데, 각 경우 한 개의 커넥션 러그(50)가 상기 어레스터 영역 상에 장착된다(S500). 대안적으로, 전극이 조립되기 전에 커넥션 러그(50)가 에노드(anodes, 10) 또는 캐소드(cathodes, 20) 중의 하나에 각각의 경우 피팅될 수 있다.
추가적인 단계는 배터리를 제조하는 통상적인 방법의 단계에 대응한다. 전극 배열이 컨테이너에 삽입되고, 커렉션 러그(50)는 배터리의 외곽 전압 폴에 연결된다(S60). 그런 후, 전해질이 주입되고(S70), 셀이 밀봉된다(S80). 최종적으로, 형성 단계(S90)가 실행된다.
본 발명에 따르면, 배터리 전극의 외곽 원주로부터 어레스터 영역이 돌출되지 않지만, 배터리 전극의 코팅된 영역으로 내측으로 돌출(돌입)하도록 어레스터 영역이 형성될 수 있다. 결과적으로, 주어진 동일한 배터리 사이즈에 대하여 높은 커패시티 및 에너지 밀도가 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 배터리 전극으로서,
    컬렉터 기판(60);
    상기 컬렉터 기판 상에, 액상으로 도포되고, 건조 및 경화되고 캘린더링되는 코팅 필름(70); 및
    상기 컬렉터 기판(60) 상의 적어도 하나의 어레스터 영역(40); 을 포함하고,
    상기 어레스터 영역(40)은 상기 어레스터 영역(40) 내 상기 코팅 필름(70) 및 상기 컬렉터 기판(60)의 박막을 제거함으로써 상기 컬렉터 기판(60)이 노출되도록 형성되고,
    상기 어레스터 영역(40)이 상기 컬렉터 기판(60)의 외주에 형성되고 상기 컬렉터 기판(60)의 코팅 영역으로 내측 방향으로 돌출하거나, 또는 상기 적어도 하나의 어레스터 영역(40)은 상기 어레스터 영역(40) 내 코팅 필름(70)을 제거함으로써 상기 컬렉터 기판(60)을 적어도 노출시키도록 형성되는 상기 컬렉터 기판(60)의 상기 코팅된 영역 내에 배치되고,
    조립 상태에서 인접한 배터리 전극의 상기 적어도 하나의 어레스터 영역(40)에 대응하도록 적어도 하나의 컷아웃 영역(80)이 형성되고,
    상기 컷아웃 영역(80)은 상기 코팅 필름(70)으로 코팅된 상기 컬렉터 기판(60)을 절단하여 형성되고 상기 컬렉터 기판(60)의 외주로부터 상기 컬렉터 기판(60)의 코팅된 영역으로 내측을 향하여 돌출하거나, 또는 상기 적어도 하나의 컷아웃 영역(80)은 상기 코팅 필름(70)으로 코팅된 상기 컬렉터 기판(60)을 절단하여 상기 컬렉터 기판(60) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 어레스터 영역(40)의 외주의 적어도 반이 상기 코팅 필름(70)과 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 어레스터 영역(40)은 실질적인 사각형, 삼각형, 원형, 환상형 및 이들의 단면 중의 어느 하나의 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레스터 영역(40)은 외주에서 상기 코팅 필름(70)에 의하여 완전하게 둘러 싸이는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬렉터 기판(60)의 양면 상에 상기 코팅 필름(70)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 컬렉터 기판(60)의 양면 상에 적어도 하나의 어레스터 영역(40)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레스터 영역(40)은 상기 코팅 필름(70)의 레이저 제거를 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 전극 및 상기 컷아웃 영역(80) 중의 적어도 하나가 레이저 커팅에 의하여 절단되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 청구된 적어도 하나의 배터리 전극을 포함하는 배터리.
  10. 배터리 전극을 제조하는 방법으로서,
    컬렉터 기판(60) 상에 액상으로 도포되고, 건조, 경화 및 캘링더링되는 코팅 필름(70)을 형성하는 단계;
    어레스터 영역(40)에서의 상기 코팅 필름(70) 및 상기 컬렉터 기판(60)의 박막을 제거함으로써 상기 컬렉터 기판(60)을 노출시켜 적어도 하나의 어레스터 영역(40)을 형성하는 단계;
    조립 상태에서 인접한 배터리 전극의 상기 적어도 하나의 어레스터 영역(40)에 대응하여 적어도 하나의 컷아웃 영역(80)을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 어레스터 영역(40)은 상기 컬렉터 기판(60)의 외주에 형성되고 상기 컬렉터 기판(60)의 코팅된 영역으로 내측 방향으로 돌출하거나, 또는 상기 적어도 하나의 어레스터 영역(40)이 상기 어레스터 영역(40) 내 상기 코팅 필름(70)을 제거하여 상기 컬렉터 기판(60)을 노출하도록 형성되어 상기 컬렉터 기판(60)의 상기 코팅된 영역 내에 배치되고,
    상기 적어도 하나의 컷아웃 영역(80)은 상기 코팅 필름(70)으로 코팅된 상기 컬렉터 기판(60)을 절단하여 형성되고 상기 컬렉터 기판(60)의 외주로부터 상기 컬렉터 기판(60)의 코팅 영역으로 내측 방향 돌출하거나, 상기 적어도 하나의 컬렉터 영역(80)은 상기 코팅 필름(70)으로 코팅된 상기 컬렉터 기판(60)을 제거하여 상기 컬렉터 기판(60) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 어레스터 영역(40)의 외주의 적어도 반은 상기 코팅 필름(70)에 의하여 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 배터리 전극 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 코팅 필름(70)은 상기 컬렉터 기판(60)의 적어도 일면의 전체 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 코팅 필름(70)은 상기 컬렉터 기판(60)의 양면 상의 적어도 일부에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극 제조 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 코팅 필름(70)은 상기 컬렉터 기판(60)의 적어도 일부에 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극 제조 방법.
  15. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레스터 영역(40)에서의 코팅 필름(70)은 레이저 제거를 통하여 제거되는 것을 특징으로 하는 배터리 전극 제조 방법.


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