KR101737174B1 - 비정형 이차전지 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정형성 이차전지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 비정형성 이차전지 제조방법은 양극 또는 음극을 포함하는 전극과 분리막이 교대로 배치되되, 상기 분리막을 둘러싸는 전극 중 일부에는 개방영역이 형성되어 상기 분리막 중 적어도 일부를 노출시키는 기본 단위체를 제작하는 기본 단위체 제작단계; 분리막 상에 복수개의 기본 단위체는 일렬로 배치하고, 이웃하게 배열되는 기본 단위체가 순차로 적층되도록 폴딩하는 폴딩단계; 상기 개방영역에 의하여 이웃하는 분리막끼리 겹쳐지는 부위를 접합하는 접합단계; 상기 접합된 분리막을 제거하는 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 전해액의 젖음성(wetting)이 개선되는 동시에, 용도에 따라서 형태를 유연하게 변경할 수 있는 비정형 이차전지 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.

Description

비정형 이차전지 및 제조방법{IRREGULAR SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 비정형 이차전지 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액의 종래보다 젖음성이 향상될 수 있는 비정형 이차전지 및 제조방법에 관한 것이다.

근래에는 다양한 모바일 및 멀티 컨텐츠 이용을 위해 이동이 가능한 에너지원이 요구되고 있다. 이러한 요구에따라 리튬 이차전지가 사용되어 왔으며, 시간이 지날수록 소비자들은 더 큰 용량의 에너지를 필요로 하고 있다.

그러나, 현 시점에서는 전지의 에너지 밀도에 한계를 지니는 바, 기존의 전지보다 에너지 밀도를 높이기 위해서는, 전극의 로딩(loading) 양을 증가시키는 한편 다른 기타 부품의 부피 및 무게를 감소시켜야 한다.

따라서, 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해서는 전극을 두껍게 하여야 하는데, 더욱 상세하게는 전극의 집전체에 도포되는 합제층의 두께를 증가시켜야 한다. 또한, 전극의 두께 증가에 따른 전지의 부피 증가를 막기 하여 스택(stack) 수를 줄이면서도 최종 전지의 에너지 밀도를 더욱 높이는 기술이 요구된다. 그런데, 상기 극의 두께를 증가시키면 여러 문제들이 발생한다.

그 중 가장 큰 문제가 되는 것은 전극의 전해액 젖음(웨팅: wetting)이 충분히 이루어지지 않는다는 점이다. 일반적으로 전해액은 전극 합제 성분들에 대한 친화성이 높지 않을 뿐만 아니라, 합제층의 부피를 크게 하는 경우에는 그에 따라 전해액의 이동 경로가 길어지므로, 전해액의 침투가 용이하지 않아 충분한 웨팅 특성을 달성하기 어렵다. 전극에 전해액이 충분히 침투하지 못하면, 이온의 이동이 느려지게 되어 전극 반응이 원활히 이루어질 수 없고 결과적으로 전지의 효율이 저하된다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전해액의 젖음성(wetting)이 개선되는 비정형 이차전지 및 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 양극 또는 음극을 포함하는 전극과 분리막이 교대로 배치되되, 상기 분리막을 둘러싸는 전극 중 일부에는 개방영역이 형성되어 상기 분리막 중 적어도 일부를 노출시키는 기본 단위체를 제작하는 기본 단위체 제작단계; 분리막 상에 복수개의 기본 단위체는 일렬로 배치하고, 이웃하게 배열되는 기본 단위체가 순차로 적층되도록 폴딩하는 폴딩단계; 상기 개방영역에 의하여 이웃하는 분리막끼리 겹쳐지는 부위를 접합하는 접합단계; 상기 접합된 분리막을 제거하는 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법에 의해 달성된다.

또한, 상기 개방영역은 상기 전극의 어느 하나의 변으로부터 만입되는 형상일 수 있다.

또한, 상기 개방영역은 사각형 형상의 전극 모서리 부분을 절개함으로써 제거되는 영역일 수 있다.

또한, 상기 개방영역은 전극을 관통하여 제거되는 영역일 수 있다.

또한, 상기 기본 단위체의 최상층과 최하층에는 동일한 극성을 갖는 전극이 배치될 수 있다.

또한, 상기 기본 단위체 제작단계는, 기판에 복수개의 개방영역이 서로 이격 배치되도록 노칭하는 개방영역 형성단계; 이웃하는 개방영역의 사이를 절개하여 전극을 형성하는 전극 형성단계; 전극과 분리막을 순서대로 적층하는 적층단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 접합단계에서는 개방영역에 노출되는 분리막에 열과 압력을 가할 수 있다.

또한, 상기 목적은 본 발명에 따라, 개방영역이 형성되며 이웃하게 배치되는 복수개의 전극; 이웃하는 전극 사이에 개재되며, 전해액의 젖음성(wetting)이 향상되도록 상기 개방영역의 테두리를 따라서 커팅되는 분리막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 분리막을 통하여 전해액의 젖음성이 개선될 수 있는 비정형 이차전지 및 제조방법이 제공된다.

또한, 전해액의 젖음 특성을 향상시키기 위하여 형성되는 개방영역의 형상을 여러형태로 설계함으로써, 비정형(irregular)의 구조를 갖는 다양한 형태의 기기에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지의 개방영역 형상단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 전극 형성단계에서 제작되는 전극을 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 적층단계에서 제작되는 기본 단위체를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 폴딩단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 접합단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 제거단계를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 비정형 이차전지 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 비정형 이차전지 제조방법은 비정형(irregular) 형상의 이차전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 기본 단위체 제작단계(S110)와 폴딩단계(S120)와 접합단계(S130)와 제거단계(S140)를 포함한다.

상기 기본 단위체 제작단계(S110)는 이차전지를 이루는 기본 단위체를 제작하기 위한 단계로서, 개방영역 형성단계(S111)와 전극 형성단계(S112)와 적층단계(S113)를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지의 개방영역 형상단계를 개략적으로 도시한 것이다.

상기 개방영역 형성단계(S111)는 길게 마련되는 평판형의 기판(S)에 개방영역(D)을 형성하는 단계이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 단계에서는 기판(S)의 어느 하나의 테두리가 내측으로 함몰되도록 기판(S)을 노칭(notching)함으로써 개방영역(D)을 형성한다. 개방영역(D)은 기판(S)의 길이방향을 따라 복수개가 소정간격 이격되며, 이웃하는 개방영역(D) 간의 간격에 따라 전극(12)의 폭이 결정되므로 이를 고려하여 노칭하는 것이 바람직하다.

상기 전극 형성단계(S112)는 개방영역(D)이 형성되는 기판(S)을 절단하여 전극(12)을 형성하는 단계이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 전극 형성단계에서 제작되는 전극을 개략적으로 도시한 것이다.

본 단계에서는 이웃하는 개방영역(D)의 사이 공간을 절단하여, 복수개의 전극(12)을 제작한다. 따라서, 본 실시예에서 제작되는 전극(12)은 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 전체적으로는 사각형의 형상을 갖되, 개방영역(D)으로 인하여 어느 하나의 면에서 내측으로 함몰되어 만입되는 구조를 갖는다.

한편, 상술한 단계에서 개방영역(D)은 전극(12)에서 제거되는 영역이므로 개방영역(D)의 모양, 위치, 크기는 본 실시예에 의하여 최종 제작되는 비정형 이차전지가 설치되는 사용기기의 형태, 크기 등을 종합적으로 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 개방영역(D)인하여 전해액의 젖음성(wetting)이 결정되는 것이므로, 개방영역(D)은 전해액이 쉽게 침투할 수 있는 형태를 갖는 것이 더욱 바람직하다.

즉, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 변형례에서 전극(12)은 모서리부분이 제거되어 개방영역(D)을 형성하는 구조일 수도 있고, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 다른 변형례에서 전극(12)에는 중앙부가 관통되는 형태의 개방영역(D)이 형성될 수도 있으며, 전극(12) 및 이에 형성되는 개방영역(D)은 다양한 변형례로 적용이 가능하다.

상기 적층단계(S113)는 전극(12)과 분리막(15)을 교대로 적층하여 기본 단위체(11)를 제작하는 단계이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 적층단계에서 제작되는 기본 단위체를 개략적으로 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 양극(13), 분리막(15), 음극(14), 분리막(15), 양극(13)을 순서대로 적층하여 기본 단위체(11)를 제작하고, 음극(14), 분리막(15), 양극(13), 분리막(15), 음극(14)을 순서대로 적층하여 다른 형태의 기본 단위체(11)를 제작하여, 서로 다른 형태의 기본 단위체를 제작한다.

즉, 본 단계에서는 두 종류의 기본 단위체(11)를 제작하며, 각각의 기본 단위체(11)의 최상층 및 최하층은 동일한 극성을 갖는 전극으로 이루어진다.

또한, 기본 단위체(11) 내에서 서로 이웃하게 배열되는 전극(12) 사이에 개재되는 분리막(15)은 전극(12)의 개방영역(D)에 의하여 외부로 노출되는 구조를 갖는다.

한편, 본 실시예에서 사용되는 분리막(15)은 미세 기공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 재질을 이용하여 제조된 단층 또는 이중층 이상의 다층으로 이루어진 분리막일 수 있으며, 소재가 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 폴딩단계를 개략적으로 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 상기 폴딩단계(S120)는 복수개의 기본 단위체(11)를 적층하는 단계이다.

먼저, 본 단계에서는 기본 단위체(11) 내에 포함되는 분리막(15)과 동일한 소재로 마련되는 별도의 분리막(15)을 길게 배치한다. 분리막(15) 상에 기본 단위체를 일렬로 배열한 후에 이웃하는 기본 단위체(11)가 서로 상하로 적층될 수 있도록 분리막을 폴딩(folding)한다.

본 단계에서 적용되는 기본 단위체를 폴딩하여 스택/폴딩(Stack/Folding) 구조의 이차전지를 제작하는 공정은 업계에서 일반적으로 알려진 공정이므로 상세한 설명은 생략한다.

이때, 분리막(15) 상에 배치되는 기본 단위체(11)는 동일한 구조를 갖거나, 서로 다른 구조를 갖는 것으로 배열될 수도 있으며, 분리막(15)을 폴딩 후에 양극(13), 분리막(15), 음극이(14) 교대 적층되는 구조를 갖는 것이라면 제한되는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 접합단계를 개략적으로 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 상기 접합단계(S130)는 개방영역(D)에 의하여 노출되는 분리막(15)을 서로 접합하는 단계이다.

즉, 상기 폴딩단계(S120)에서 적층되는 구조에 의하면, 기본 단위체(11) 내에 개재되는 분리막(15)은 개방영역(D)에 노출된 상태에서 폴딩단계(S120)에서 분리막(15) 끼리 겹쳐진다. 다시 설명하면, 기본 단위체(11)의 분리막(15)과 폴딩단계(S120)에서 이용되는 분리막(15)이 서로 겹쳐지고, 이는 전극(12)의 개방영역(D)에 의하여 외부로 노출된다. 본 단계에서는 개방영역(D) 내에서 분리막(15) 끼리만 겹쳐지는 영역에 열(H)과 압력(P)을 가함으로써, 분리막(15)이 개방영역(D)의 테두리를 따라서 접합되도록 한다.

이때, 본 단계 수행 시에는 분리막(15) 외의 전극에는 열과 압력이 가해지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비정형성 이차전지 제조방법의 제거단계를 개략적으로 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제거단계(S140)는 접합단계(S130)에서 접합된 분리막(15) 만을 선택적으로 제거하는 단계이다.

즉, 본 단계에서는 개방영역(D) 내의 분리막(15)을 커팅하여 절단한다. 다만, 커팅시에 남겨지는 분리막(15) 간의 접합상태는 지속될 수 있도록 접합부위의 경계선은 남겨지는 상태로 커팅한다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 양극(13)과 분리막(15), 음극(14)이 교대로 적층되는 이차전지(10)가 최종 제작되며, 특히, 양극(13) 및 음극(14)을 포함하는 전극(12)은 개방영역(D)을 형성하여 전체적으로는 비정형 구조의 이차전지가 제작될 수 있다.

특히, 개방영역을 둘러싸는 분리막의 테두리가 제거단계에서 커팅됨으로써 전해액이 분리막을 통하여 침투할 수 있어 젖음성(wetting)이 향상될 수 있으며, 개방영역의 구조, 크기에 따라 다양한 형태의 비정형 이차전지를 제작할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10 : 이차전지 11 : 기본단위체
12 : 전극 15 : 분리막

Claims (11)

1. 양극 또는 음극을 포함하는 전극과 분리막이 교대로 배치되되, 상기 분리막을 둘러싸는 전극 중 일부에는 개방영역이 형성되어 상기 분리막 중 적어도 일부를 노출시키는 기본 단위체를 제작하는 기본 단위체 제작단계;
   분리막 상에 복수개의 기본 단위체는 일렬로 배치하고, 이웃하게 배열되는 기본 단위체가 순차로 적층되도록 폴딩하는 폴딩단계;
   상기 개방영역에 의하여 이웃하는 분리막끼리 겹쳐지는 부위를 접합하는 접합단계;
   상기 접합된 분리막을 제거하는 제거단계를 포함하고,
   상기 기본 단위체 제작단계는,
   평판형의 기판에 길이방향을 따라 복수개의 개방영역이 소정간격으로 이격 배치되되, 이웃하는 상기 개방영역 간의 간격에 따라 상기 전극의 폭이 결정되도록 노칭(notching)하는 개방영역 형성단계; 이웃하는 개방영역의 사이를 절개하여 전극을 형성하는 전극 형성단계; 전극과 분리막을 순서대로 적층하는 적층단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 개방영역은 상기 전극의 어느 하나의 면에서 내측으로 함몰되어 만입되는 형상을 갖도록 제거되는 영역인 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 개방영역은 상기 전극의 모서리 부분을 커팅함으로써 제거되는 영역인 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 개방영역은 상기 전극을 관통하여 커팅되는 영역인 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 기본 단위체의 최상층과 최하층에는 동일한 극성을 갖는 전극이 배치되는 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 접합단계에서는 개방영역에 노출되는 분리막에 열과 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 비정형 이차전지 제조방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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