KR101749148B1 - 고주파 유도 가열을 이용한 라미네이션 장치 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지 - Google Patents

고주파 유도 가열을 이용한 라미네이션 장치 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막을 사이에 두고 양극과 음극이 순차적으로 적층된 구조의 웹을 열접합에 의해 라미네이션 하는 장치로서, 금속 소재의 집전체를 포함하는 하나 이상의 양극, 하나 이상의 분리막, 및 금속 소재의 집전체를 포함하는 하나 이상의 음극이 적층되어 있는 구조의 웹이 유입되는 유입부; 상기 웹에 고주파를 인가함으로써 양극 및 음극의 집전체에서 발생하는 열에 의해 웹을 가열하여 양극, 분리막, 및 음극 상호간의 열접합을 유도하는 가열부; 상기 열접합된 웹이 배출되는 배출부; 및 상기 웹의 상면과 하면 중 적어도 일면에 접촉한 상태로 웹에 이송 구동력을 제공하고, 상기 유입부, 가열부 및 배출부를 경유하여 웹을 이송하는 이송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지에 관한 것이다.

Description

고주파 유도 가열을 이용한 라미네이션 장치 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지 {Lamination Device Using High-frequency Induction Heating and Secondary Battery Manufactured Using the Same}
본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 라미네이션 장치 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
이러한 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있다.
또한, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 기본 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 기본 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시된 바가 있다.
상기 전극조립체들 중에서 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체의 경우, 풀셀 및 바이셀과 같은 단위셀을 적층하여, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층되는 구조를 가진다. 이러한 단위셀을 제조하기 위해서는 전극과 분리막 사이를 접합시키는 라미네이션 과정이 필요하다.
이러한 라미네이션 과정은 일반적으로 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층되는 구조의 웹을 가열하여 전극과 분리막을 접착시키는 과정을 거친다. 이를 위한 가열 방법으로는 주로 복사 및 대류에 의한 간접 가열 방식을 사용하고 있다. 이러한 방식은, 대량 생산을 위하여, 유기적으로 연결되어 있는 이차전지의 각 제조 공정에서 일부 공정을 완료하고 다음 공정으로 웹을 이송하면서 라미네이션을 하기 위함이다.
다만, 이러한 복사 및 대류에 의한 가열 방식은 웹의 외부를 가열하여 온도를 상승시키고, 외부에서 내부로 열전도를 통해 열을 전달하므로, 열전달 속도가 느리고, 웹의 외부와 내부의 온도 편차가 크며, 특히, 전극이 3개 이상 포함되는 바이셀과 같은 두꺼운 단위셀을 제조하기 위한 웹의 경우에는 열전도 구간이 길어져 이러한 온도 편차가 더욱 증가한다.
이와 같이 웹의 온도 편차가 커지는 경우, 웹의 내부에 충분한 열을 제공하기 위해서는 웹의 외부 온도를 일정 수준 이상으로 승온시켜야 하므로, 에너지 소모가 크고, 더욱이, 웹의 내부에 위치하는 분리막에 과도한 열이 인가되어 분리막이 수축 및 변형되는 문제, 전극 합제층에 포함된 바인더가 녹아서 흘러나오는 문제 등이 있다.
따라서, 웹의 외부와 내부의 온도 편차를 줄여서 에너지 효율을 높이고, 분리막 및 바인더에 과도한 열을 인가하지 않는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 웹에 고주파를 인가하여 양극, 분리막, 및 음극 상호간의 열접합을 유도하는 가열부를 포함하는 경우, 예상치 못하게 우수한 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 분리막을 사이에 두고 양극과 음극이 순차적으로 적층된 구조의 웹을 열접합에 의해 라미네이션 하는 장치는,
금속 소재의 집전체를 포함하는 하나 이상의 양극, 하나 이상의 분리막, 및 금속 소재의 집전체를 포함하는 하나 이상의 음극이 적층되어 있는 구조의 웹이 유입되는 유입부; 상기 웹에 고주파를 인가함으로써 양극 및 음극의 집전체에서 발생하는 열에 의해 웹을 가열하여 양극, 분리막, 및 음극 상호간의 열접합을 유도하는 가열부; 상기 열접합된 웹이 배출되는 배출부; 및 상기 웹의 상면과 하면 중 적어도 일면에 접촉한 상태로 웹에 이송 구동력을 제공하고, 상기 유입부, 가열부 및 배출부를 경유하여 웹을 이송하는 이송부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 집전체와 같은 금속 도체에 고주파를 인가하여 열을 발생시키는 이른바, 고주파 유도 가열(High-frequency Induction Heating)은 금속 도체에 고주파를 인가하여, 금속 도체의 표면 가까이에 와전류를 발생시키고, 이러한 와전류에 의해 발생하는 전력손실이 열손실로 변환되는 현상을 이용하여, 금속 도체를 가열하는 방법이다.
따라서, 고주파 유도 가열은 비접촉 방식으로 금속에 열을 가할 수 있는 장점이 있다. 즉, 웹의 내부에 존재하는 집전체에 열을 직접 발생시킬 수 있어서, 웹 전체적으로 볼 때 다수의 발열 지점이 내부에 위치하게 되어 열전도 구간이 짧아지고, 온도 편차가 감소하게 된다. 웹의 온도 편차가 감소하므로 열접합에 필요한 온도로 승온시키기 위해서 과도한 열을 인가할 필요가 없어, 결과적으로 에너지 효율이 증가하게 된다.
또한, 이와 유사한 이유로, 웹의 온도 편차의 감소에 의해 분리막 및 바인더에 과도한 열을 인가하지 않으므로, 분리막의 수축 및 변형을 방지할 수 있고, 전극 합제층에 포함되어 있는 바인더가 녹아서 흘러나오는 현상을 저감시킬 수 있다.
상기 이송부는, 유입부, 가열부, 및 배출부를 경유하여 웹을 이송할 수 있고 웹에 인가되는 고주파를 크게 저감시키지 않는 구조라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 동일한 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러들과, 웹에 접촉하면서 상기 롤러들에 의해 회전하는 회전 벨트를 포함할 수 있다.
상기 회전 벨트는 고주파를 흡수하지 않도록 금속 소재가 아닌 것이 바람직하며, 그 외에는 소재가 특별히 한정되지는 않고, 고분자 및 직물 등의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 이송부는 웹의 상면 및 하면에 각각 접촉한 상태로 웹에 이송 구동력을 제공할 수 있고, 상세하게는, 웹의 상면 부위에 위치하는 한 쌍의 제 1 롤러들과, 웹의 상면에 접촉하면서 제 1 롤러들에 의해 회전하는 제 1 회전 벨트; 및 웹의 하면 부위에 위치하는 한 쌍의 제 2 롤러들과, 웹의 하면에 접촉하면서 제 2 롤러들에 의해 회전하는 제 2 회전 벨트;를 포함하는 구조일 수 있다.
이와 같이 웹의 상면과 하면에 각각 접촉한 상태로 웹을 이송하면, 웹의 상면 또는 하면 중 한 면에만 이송부가 접촉하는 것보다, 웹의 이송 안정성 측면에서 보다 효과적이다.
다만, 이러한 구조에서는 상기 웹에서 전극이 외부로 노출되어 있기 때문에, 이송 과정에서 양극재와 음극재가 탈리될 수 있고, 회전벨트와 전극 사이에 접착 현상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여, 웹의 상면 및 하면에 각각 보호필름을 추가로 위치시킬 수 있다.
이 경우, 상기 보호필름은 라미네이션 온도에서 변화가 없고 분리필름과 접착되지 않는 것이면 어느 것이라도 사용이 가능하며, 예를 들어, 폴리올레핀 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리카보네이트 필름, 고무 필름 등일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 라미네이션 장치는 웹을 구성하고 있는 전극과 분리막 사이에 접합의 신뢰성을 확보하기 위하여, 웹에 압력을 인가하는 가압부를 더 포함할 수 있다.
이러한 가압부는 웹에 압력을 인가할 수 있는 구조이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 회전벨트의 양면 중에서 웹에 접촉하는 면의 대향면에 접촉하며, 회전벨트에 압력을 인가하여 회전벨트를 통해 웹에 압력을 전달하는 구조일 수 있고, 이러한 구조를 통해 라미네이션 장치의 구성을 간소화 할 수 있다.
상세하게는, 상기 가압부는, 제 1 롤러들 사이에 위치하며, 제 1 롤러들과 동일한 방향으로 회전하는 롤러 형상의 제 1 가압부; 및 제 2 롤러들 사이에 위치하며, 제 2 롤러들과 동일한 방향으로 회전하는 롤러 형상의 제 2 가압부;를 포함하는 구조일 수 있으며, 이 경우, 제 1 가압부와 제 2 가압부 사이에 웹을 위치시켜 동시에 가압하는 것이 바람직하다.
또한, 보다 효율적인 라미네이션을 위해서 웹에 열을 발생시킨 후 압력을 가할 수 있도록, 상기 가압부는 웹의 이송방향을 기준으로 가열부 다음에 위치할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가열부는 고주파를 발생시키는 하나 이상의 고주파 유도 가열기를 포함할 수 있다.
상기 고주파 유도 가열기는 비접촉 방식으로 가열이 가능하므로 웹의 상면과 하면 중 일면에서만 고주파를 인가하여도 웹에 포함되어 있는 집전체들 모두를 가열할 수 있지만, 고주파 유도 가열기와 각각의 집전체와의 거리에 따라서 가열 성능에 차이가 발생할 수 있으므로, 이러한 차이를 방지하고 각각의 집전체에 균일한 열을 가할 수 있도록, 상기 가열부는, 웹의 상면에서 고주파를 인가하는 제 1 고주파 유도 가열기; 및 웹의 하면에서 고주파를 인가하는 제 2 고주파 유도 가열기;를 포함하는 구조일 수 있다.
이러한 열접합 공정에서는, 웹에 포함되어 있는 전극의 개수 및 웹의 전체적인 두께 등에 따라서 필요한 열량이 달라지며, 각각의 경우에 따라 고주파 유도 가열기의 작동 전압 및 고주파 인가 시간 등을 조절하여 필요한 열량을 공급할 수 있다.
상기 고주파 유도 가열기의 작동 전압은, 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어, 100 내지 500 볼트 범위로 설정될 수 있다.
또한, 상기 웹에 고주파를 인가하는 시간은 고주파 유도 가열기의 폭과 웹의 이송 속도에 의해 조절이 가능하며, 상세하게는, 상기 고주파 유도 가열기는 웹의 각 부분에 대하여 1 내지 20 초 동안 고주파를 인가하도록 설정될 수 있다. 이 때, 상기 웹의 이송 속도는 200 내지 500 mm/sec일 수 있다.
상기 웹의 이동 속도는 이송부에 포함되는 롤러의 중심축 길이 또는 회전 속도를 조절함으로써 조절할 수 있고, 웹의 이송 속도는 공정에 따라 적절하게 조절이 가능하지만, 라미네이션 하는 단계가 전체 공정의 병목 단계가 되지 않기 위해서는, 웹이 상기 이송 속도로 라미네이션 장치를 통과하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 가열부는 집전체의 온도를 섭씨 50도 내지 150도로 가열하도록 설정될 수 있으며, 상세하게는 섭씨 80도 내지 120도로 가열하도록 설정될 수 있다. 집전체의 온도가 섭씨 50도 미만인 경우에는 전극과 분리막의 접합이 원활하지 않을 수 있고, 섭씨 150도를 초과하는 경우에는 분리막이 수축 및 변형되는 문제, 바인더가 녹아서 흘러나오는 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
이 때, 상기 가열부에 의한 집전체의 온도 상승률은 섭씨 5 내지 100도/sec일 수 있고, 상세하게는, 섭씨 20 내지 50도/sec일 수 있다.
이러한 가열부, 이송부, 및 가압부가 외부에 노출되어 있는 상태라면, 외부 온도 변화 등에 따라 웹의 온도에 변화가 발생할 수 있고, 따라서, 이를 방지하기 위하여, 상기 라미네이션 장치는 가열부, 이송부, 및 가압부를 수납하고 있는 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 웹의 적층 구조는 필요한 단위셀의 형태에 따라서 달라질 수 있으며, 웹에 포함되는 양극, 음극, 및 분리막의 수가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 양극/분리막/음극이 차례로 적층되어 있는 구조, 양극/분리막/음극/분리막/양극이 차례로 적층되어 있는 구조, 또는, 음극/분리막/양극/분리막/음극이 차례로 적층되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 집전체는, 이하에서 자세히 설명하는 바와 같이 다양한 금속을 포함할 수 있지만, 상세하게는 Al 또는 Cu를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 라미네이션 장치를 이용하여 제조되는 단위셀, 및 이러한 단위셀을 포함하는 전극조립체를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 전극조립체의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체의 양면에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 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, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, 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 30 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, 채널 블랙, 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 도전성 금속 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 30 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-부타디엔 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.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 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 표면처리한 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.
본 발명에서 음극 집전체의 두께는 6 마이크로미터 내지 30 마이크로미터의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.
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.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 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.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 스택/폴딩형 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장되어 리튬염 함유 비수 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 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 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 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.
상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 및 이러한 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
이러한 디바이스의 종류는, 예를 들어, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 리튬 이차전지, 이를 단위전지로 포함하는 전지팩의 구조 및 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 라미네이션 장치는, 웹에 고주파를 인가하여 열접합을 유도하는 가열부를 포함하여, 라미네이션 과정에서 웹의 외부와 내부의 온도 편차를 줄여서 에너지 효율을 높이고, 분리막 및 전극에 포함된 바인더에 과도한 열을 인가하지 않아서 분리막의 수축, 변형, 및 바인더가 녹아서 흘러나오는 현상을 저감시켜 단위셀 제조 시 불량율을 감소시킴으로써, 공정 수율을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 라미네이션 장치의 모식도이다;
도 2는 도 1의 웹을 확대 도시한 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 라미네이션 장치의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 웹을 확대 도시한 모식도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 라미네이션 장치(100)는 웹(200)이 유입되는 유입부(110); 웹(200)에 접촉하여 이송하는 제 1 및 제 2 회전벨트(131, 132), 제 1 및 제 2 회전벨트(131, 132)를 각각 회전시키는 제 1 및 제 2 롤러들(121a, 121b, 122a, 122b)을 포함하는 이송부; 웹(200)에 고주파를 인가하여 열접합을 유도하는 제 1 및 제 2 가열부(141, 142); 웹(200)에 압력을 인가하는 제 1 및 제 2 가압부(151, 152); 및 웹(200)이 배출되는 배출부(160)로 구성되어 있다.
웹(200)이 유입부(110)로 유입되기 전에 웹(200)의 상면 및 하면에 보호필름(310, 320)이 위치한다. 이러한 웹(200)의 구조를 자세히 살펴보면, 웹(200)은 최외곽에 음극이 위치하는 바이셀 구조의 단위셀을 제조하기 위한 것으로, 제 1 음극(211), 제 1 분리막(221), 양극(212), 제 2 분리막(222), 및 제 2 음극(213)이 순서대로 적층되어 있는 구조이며, 웹(200)의 상면과 하면에는 제 1 및 제 2 보호필름(310, 320)이 위치하고 있다.
또한, 웹(200)은 긴 시트형의 제 1 및 제 2 분리막(221, 222) 상에 하나의 단위셀을 제조하기 위한 전극들(211, 212, 213)이 상기 순서대로 적층되어 있으며, 이러한 적층 구조를 하나의 단위로 하여 이와 유사한 구조로 소정의 간격을 두고 반복적으로 배열되어 있다.
보호필름(310, 320)은, 이송 과정에서 웹(200)의 최외곽에 위치한 음극(211, 213)의 음극 합제층(211a, 213c)에서 음극재가 탈리되는 것을 방지하여 주고, 최외곽에 위치한 음극 합제층(211a, 213c)과 회전 벨트(131, 132)에 직접 접촉하여 접착되는 현상을 방지하여 준다.
한편, 웹(200)의 이동에 따라 라미네이션 되는 과정을 살펴보면, 유입부(110)로 유입되기 전에 웹(200)의 상면과 하면에 보호필름(310, 320)이 위치하게 되고, 유입부(110)를 통해 웹이(200) 유입된 후에는 회전벨트(131, 132)가 보호필름(310, 320)의 외면에 접촉하여 이송 구동력을 제공한다.
구체적으로, 제 1 롤러(121a, 121b)는 반시계 방향으로 회전하면서 제 1 회전 벨트(131)를 반시계 방향으로 회전시킴으로써, 웹(200)에 대하여 좌측에서 우측으로 이송 구동력을 가한다. 또한, 제 2 롤러(122a, 122b)는 제 1 롤러(121a, 121b)와 반대로 시계 방향으로 회전하면서 제 2 회전 벨트(132)를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 웹(200)에 대하여 좌측에서 우측으로 구동력을 가한다.
이와 같이, 회전벨트(131, 132)를 따라 유입부(110)에서 배출부(160)로 화살표 방향을 따라 이송되는 웹(200)은 제 1 및 제 2 가열부(141, 142) 사이를 지나면서 고주파를 인가받고, 이에 의해, 웹(200)에 포함된 각각의 전극들(211, 212, 213)의 중앙에 위치하고 있는 집전체들(211b, 212b, 213b)에 열이 발생한다.
종래의 복사와 대류를 이용하는 가열방식을 예로 들어 설명하자면, 웹(200)의 최외곽에 위치하는 전극 합제층(211a, 213c)에 열을 가하여 승온시키고, 웹(200)의 내부로 전도를 통해 열을 전달한다. 따라서, 내부에 존재하는 분리막(221, 222)까지 열전도 구간이 길고, 웹(200)의 내부와 외부의 온도 편차가 크다.
이에 비해, 본 발명에 따른 라미네이션 장치는, 고주파 유도 가열에 의해 웹(200)의 내부에 위치한 집전체들(211b, 212b, 213b)에서 직접 열을 발생시키므로, 분리막(221, 222)까지 열전도 구간이 짧고, 웹(200)의 내부와 외부의 온도 편차가 크지 않으며, 따라서, 분리막(221, 222) 및 전극 합제층(211a, 211c, 212a, 212c, 213a, 213c)에 포함된 바인더에 과도한 열을 인가하지 않으므로, 분리막(221, 222)이 열에 의해 수축, 변형되거나, 바인더가 녹아서 흘러나오는 것을 저감시킬 수 있다.
가열부(141, 142)에서 열을 인가받은 웹(200)은 그 다음으로 가압부(151, 152)에 도달한다. 가압부(151, 152)는 각각 제 1 및 제 2 롤러들(121a, 121b, 122a, 122b)사이에 위치하고 있으며, 또한, 각각 제 1 및 제 2 롤러들(121a, 121b, 122a, 122b)과 동일한 방향으로 회전하면서 웹(200)에 압력을 가하여, 전극(211, 212, 213)과 분리막(221, 222)을 접합시킨다.
가압부(151, 152)는 회전벨트(131, 132)의 양면 중에서 웹에 접촉하는 면의 대향면에 접촉하며, 회전벨트(131, 132)에 압력을 인가하여 회전벨트(131, 132)를 통해 웹(200)에 압력을 전달한다.
가압부(151, 152)를 지나면서 접합된 웹(200)이 배출부(160)를 통해 배출되기 전에 보호필름(310, 320)은 회수되며, 그 후 웹(200)은 배출부(160)를 통해 배출되어 라미네이션을 마친다.
라미네이션 장치(100)의 이송부(121a, 121b, 122a, 122b, 131, 132), 가열부(141, 142), 및 가압부(151, 152)는 챔버(300)에 수납되어 있으며, 이로 인해, 외부의 온도 변화 등의 상태 변화에 따라 웹(200)에 발생할 수 있는 온도 변화 등의 이상 상태를 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (26)

  1. 분리막을 사이에 두고 양극과 음극이 순차적으로 적층된 구조의 웹을 열접합에 의해 라미네이션 하는 장치로서,
    금속 소재의 집전체를 포함하는 하나 이상의 양극, 하나 이상의 분리막, 및 금속 소재의 집전체를 포함하는 하나 이상의 음극이 적층되어 있는 구조의 웹이 유입되는 유입부;
    상기 웹에 고주파를 인가함으로써 양극 및 음극의 집전체에서 발생하는 열에 의해 웹을 가열하여 양극, 분리막, 및 음극 상호간의 열접합을 유도하는 가열부;
    상기 열접합된 웹이 배출되는 배출부; 및
    상기 웹의 상면과 하면 중 적어도 일면에 접촉한 상태로 웹에 이송 구동력을 제공하고, 상기 유입부, 가열부 및 배출부를 경유하여 웹을 이송하는 이송부;
    를 포함하고 있고,
    상기 이송부는 웹의 상면 및 하면에 각각 접촉한 상태로 웹에 이송 구동력을 제공하며,
    상기 이송부는,
    웹의 상면 부위에 위치하는 한 쌍의 제 1 롤러들과, 웹의 상면에 접촉하면서 제 1 롤러들에 의해 회전하는 제 1 회전 벨트; 및
    웹의 하면 부위에 위치하는 한 쌍의 제 2 롤러들과, 웹의 하면에 접촉하면서 제 2 롤러들에 의해 회전하는 제 2 회전 벨트;
    를 포함하고 있고,
    상기 라미네이션 장치는 웹에 압력을 인가하는 가압부를 더 포함하며,
    상기 가압부는 회전 벨트의 양면 중에서 웹에 접촉하는 면의 대향면에 접촉하며, 회전 벨트에 압력을 인가하여 회전 벨트를 통해 웹에 압력을 전달하도록 구성되어 있고,
    상기 가압부는,
    제 1 롤러들 사이에 위치하며, 제 1 롤러들과 동일한 방향으로 회전하는 롤러 형상의 제 1 가압부; 및
    제 2 롤러들 사이에 위치하며, 제 2 롤러들과 동일한 방향으로 회전하는 롤러 형상의 제 2 가압부;
    를 포함하고 있으며, 웹의 이송방향을 기준으로 가열부 다음에 위치하고 있고,
    상기 회전 벨트는 고주파를 흡수하지 않도록 고분자 및 직물 등의 소재로 이루어져 있으며,
    상기 웹의 상면 및 하면에 각각 보호필름을 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이송부는 동일한 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러들과, 웹에 접촉하면서 상기 롤러들에 의해 회전하는 회전 벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
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  9. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이션 장치는 이송부, 가열부, 및 가압부를 수납하고 있는 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부는 고주파를 발생시키는 하나 이상의 고주파 유도 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가열부는,
    웹의 상면에서 고주파를 인가하는 제 1 고주파 유도 가열기; 및
    웹의 하면에서 고주파를 인가하는 제 2 고주파 유도 가열기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 고주파 유도 가열기는 100 내지 500 볼트의 작동 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 고주파 유도 가열기는 웹의 각 부분에 대하여 1 내지 20 초 동안 고주파를 인가하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 웹의 이송 속도는 200 내지 500 mm/sec인 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부는 집전체의 온도를 섭씨 50도 내지 150도로 가열하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부에 의한 집전체의 온도 상승률은 섭씨 5 내지 100도/sec인 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체는 Al 또는 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 웹은 양극/분리막/음극이 차례로 적층되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 웹은 양극/분리막/음극/분리막/양극이 차례로 적층되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 웹은 음극/분리막/양극/분리막/음극이 차례로 적층되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 라미네이션 장치.
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