KR101853995B1 - 이차 전지 및 그의 제조 방법 및 이차 전지용 열접착성 절연 필름 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정극 부재, 세퍼레이터 부재 및 부극 부재를 이 순서대로 적층한 전극체를 외장체 내에 격납한 이차 전지로서, 정극 부재 및 부극 부재는 각각 집전체와, 상기 집전체 위의 일단측을 덮도록 형성된 활성 물질층으로 이루어지고, 상온에서 점착성을 나타내지 않는 절연 재료를 포함하는 절연체가 정극 부재 또는 부극 부재를 구성하는 집전체 위에 1 N/15 mm 이상의 접착력으로 첩부되고, 정극 부재 또는 부극 부재의 주연부가 집전체와 절연체를 포함하는 절단면을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지와, 폴리올레핀을 포함하는 기재층과, 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체를 이용하여 변성된 폴리올레핀을 포함하는 접착층을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 열접착성 절연 필름과, 전극 부분의 팽창이나 박리를 방지하면서, 전지 내에의 이물질 혼입이 효과적으로 방지된 이차 전지 및 그의 제조 방법, 및 이차 전지용 열접착성 절연 필름을 제공한다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것이고, 보다 상세하게는 전극 사이에서의 단락 발생의 방지가 우수한 이차 전지 및 그의 제조 방법 및 이차 전지용 열접착성 절연 필름에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지가 폭넓게 보급되어 대용량화가 진행됨에 따라, 안전성에 대해 보다 높은 신뢰성이 요구되고 있다. 따라서, 정극 집전박의 미도포부와 부극 활성 물질 도포 부분이 대향하는 부분에 이온 투과성을 갖지 않는 절연 필름을 배치함으로써, 리튬 이온 이차 전지가 충방전을 반복하여도 전해액인 이온 액체의 부극 활성 물질로의 인터컬레이션(intercalation)을 억제하여, 부극의 팽창이나 박리를 방지할 수 있는 것이 특허문헌 1에 기재되어 있다. 특허문헌 1에는 절연 필름으로서 폴리이미드의 점착성 테이프의 예시가 있고, 이러한 점착성 테이프의 다른 예로서, 특허문헌 2에는 2축 연신 폴리프로필렌 필름 등의 필름에 아크릴계나 실리콘계의 점착제를 도포한 점착성의 테이프가 개시되어 있다.
그러나 종래의 절연 테이프를 첩부하여 사용하는 경우, 절연 테이프가 첩부된 상태에서 전극을 커터 등으로 절단하여 성형하면, 커터 칼에 절연 테이프의 점착제가 부착되고, 부착된 점착제 자체가, 또는 점착제가 주변의 먼지를 끌어들여 전지 내에 이물질이 혼입되어, 전지의 성능에 영향을 미친다는 결점이 있었다.
상기한 바와 같은 문제를 감안하여, 본 발명의 과제는 전지 내로의 이물질 혼입이 효과적으로 방지된 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 이차 전지는 정극 부재, 세퍼레이터 부재 및 부극 부재를 이 순서대로 적층한 전극체를 외장체 내에 격납한 이차 전지로서, 상기 정극 부재 및 상기 부극 부재는 각각 집전체와, 상기 집전체 위의 일단측을 덮도록 형성된 활성 물질층으로 이루어지고, 상온에서 점착성을 나타내지 않는 절연 재료를 포함하는 절연체가 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 구성하는 집전체 위에 1 N/15 mm 이상의 접착력으로 첩부되고, 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재의 주연부가 상기 집전체와 상기 절연체를 포함하는 절단면을 갖는 것을 특징으로 하는 것으로 이루어진다. 이러한 이차 전지에 있어서는, 전지 내부에 있어서의 단락을 방지하는 절연체가, 상온에서 태크성(점착성)을 나타내지 않는 절연 재료로 형성되어 있기 때문에, 집전체를 절연체와 함께 절단함으로써 정극 부재 또는 부극 부재의 주연부를 성형할 때에, 절단에 이용되는 절단 금형이나 커터 칼 등에 점착성 물질이 부착됨에 따른 전지 내부로의 이물질 혼입이 효과적으로 방지 가능해진다. 또한, 상온에서 점착성을 나타내지 않는다는 것은, 통상의 작업 환경인 30℃ 이하의 온도에서, 피착체에 절연 재료를 접촉시켰을 때에 접착하지 않는 것을 말한다.
본 발명의 이차 전지에 있어서, 상기 집전체 위의 타단측에 단자 부재가 접속되고, 상기 단자 부재의 일부가 상기 외장체의 외부로 노출되어 있는 것이 바람직하다. 단자 부재를 이와 같이 구성함으로써, 보다 적은 부품으로 전극 단자를 간소한 구성으로 형성할 수 있다.
본 발명의 이차 전지에 있어서, 상기 절연체가 열접착성 절연 필름을 포함하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 열접착성 절연 필름이 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀으로 이루어지는 기재층과, 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체를 이용하여 변성된 폴리프로필렌 등의 변성 폴리올레핀으로 이루어지는 열접착층을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 재질로 절연체를 형성함으로써, 이차 전지 제조 과정의 열접착 공정에서, 열접착층은 집전체와 열접착하면서, 기재층이 히트 실러의 열판 등에 융착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이차 전지에 있어서, 상기 절연체가 상기 집전체의 노출면과 상기 활성 물질층의 경계를 덮도록 열접착되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 부위에 절연체가 열접착됨으로써, 정극 부재의 주연부의 일부, 예를 들면 정극 단자가 설치되는 리드부측의 1변에, 집전체, 활성 물질층 및 절연체가 이 순서대로 적층된 절단면을 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 활성 물질의 노출 면적을 최대한으로 이용하면서, 절연체의 박리를 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다.
본 발명의 이차 전지는, 상기 외장체 내에 리튬 이온을 함유하는 전해액이 주입되는 리튬 이온 이차 전지로서 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 절연체가 상기 정극 부재를 구성하는 집전체 위에 첩부되고, 상기 집전체가 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 알루미늄을 포함하는 집전체를 갖는 리튬 이온 이차 전지에 본 발명을 적용함으로써, 안정된 전지 성능을 구비한 이차 전지가 제공 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지에 있어서는, 절연체가 적어도 집전체 위에 열접착되고, 정극 부재 또는 부극 부재는 적어도 집전체와 절연체를 포함하는 절단면을 가짐으로써, 절연체가 설치된 집전체를 절단하여 성형할 때에도, 절단용 커터 칼 등에 이물질이 부착되고 전지 내에 혼입되어 전지 성능에 악영향을 미치는 것을 억제할 수 있다. 또한, 집전체가 전해액에 접촉하는 환경하에서도, 집전체에 접착된 절연체의 박리에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법은 정극 부재, 세퍼레이터 부재 및 부극 부재를 이 순서대로 적층한 전극체를 외장체 내에 격납한 이차 전지의 제조 방법으로서, 활성 물질을 박 위에 도포함으로써 상기 박의 일단측을 덮는 활성 물질층을 형성하고, 절연체를 적어도 상기 박의 노출면에 접착한 후에, 절단면이 상기 절연체를 포함하도록 상기 박을 절단함으로써 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 형성하고, 상기 박을 단자 부재의 일단과 접속하여, 상기 단자 부재의 타단이 상기 외장체로부터 노출되도록 상기 전극체를 상기 외장체 내에 격납하는 것을 특징으로 하는 방법을 포함한다.
이러한 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법에 따르면, 절연체가 접착된 박을 절연체와 함께 절단함으로써, 절단에 이용되는 절단 금형이나 커터 칼 등에 점착성 물질이 부착됨에 따른 전지 내부로의 이물질 혼입을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법에 있어서, 상기 절연체를 상기 활성 물질층과 상기 박의 노출면과의 경계를 덮도록 접착한 후에, 절단면이 상기 절연체와 상기 활성 물질층이 적층된 부위를 포함하도록 상기 박을 절단함으로써 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 형성하고, 상기 외장체 내에 전해액을 주입하는 것이 바람직하다. 절연체가 박이나 활성 물질에 밀착된 상태에서 박을 절단함으로써, 절단시에 있어서의 적층 부분의 박리를 방지할 수 있다. 이러한 제조 공정을 거침으로써, 정극 부재 또는 부극 부재의 주연부의 일부에 집전체, 활성 물질층 및 절연체가 이 순서대로 적층된 절단면을 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 절연체의 박리를 효과적으로 방지하면서, 활성 물질과 전해액의 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지 및 그의 제조 방법에 따르면, 절연체가 설치된 집전체를 절단하여 성형할 때에도, 절단용 커터 칼 등에 이물질이 부착되고 전지 내에 혼입되어 전지 성능에 악영향을 미치는 것을 억제할 수 있다. 또한, 집전체가 전해액에 접촉되는 환경하에서도, 집전체에 접착된 절연체의 박리에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법에 있어서, 적어도 박의 노출면 위에 절연체를 접착한 후에, 절단면이 절연체를 포함하는 위치에서 절단함으로써 집전체를 성형함으로써, 활성 물질층의 노출 면적을 최대한 크게 하여 전지의 성능을 유지하는 것이 가능하다. 또한, 절연체와 활성 물질층의 접착 부분에 커터 등의 전단 응력이 가해지는 환경하에서도 절연체의 박리를 효과적으로 방지할 수 있다.
[도 1] 본 발명의 한 실시 양태에 관한 리튬 이온 이차 전지의 구성을 나타내는 상면도이다.
[도 2] 도 1의 리튬 이온 이차 전지를 구성하는 정극 부재의 구성을 나타내고, (A)는 평면도, (B)는 (A)의 B-B 단면도, (C)는 (A)의 C-C 단면도이다.
[도 3] 도 1의 리튬 이온 이차 전지의 제조 과정을 도시하는 평면도이고, (A) 내지 (D)는 각 제조 과정이다.
[도 2] 도 1의 리튬 이온 이차 전지를 구성하는 정극 부재의 구성을 나타내고, (A)는 평면도, (B)는 (A)의 B-B 단면도, (C)는 (A)의 C-C 단면도이다.
[도 3] 도 1의 리튬 이온 이차 전지의 제조 과정을 도시하는 평면도이고, (A) 내지 (D)는 각 제조 과정이다.
우선, 도 1의 1은 정극 부재이고, 후술하는 바와 같이 정극 집전박의 양면에 정극 활성 물질이 도포되어 있다. 2는 부극 부재이고, 부극 집전박의 양면에 부극 활성 물질이 도포되며, 정극 (1)보다 면적적으로 넓은 크기로 형성되어 있다. 3은 세퍼레이터 부재이고, 정극과 부극 사이에 배치되며, 적어도 부극 부재 (2)와 동일하거나 또는 그 이상의 넓이의 크기로 형성되어 있다. 각 부재 1 내지 3은 정극 부재 (1), 세퍼레이터 부재 (3), 부극 부재 (2), 세퍼레이터 부재 (3), 정극 부재 (1), 세퍼레이터 부재 (3), 부극 부재 (2)의 순서로 복수층 적층되어 있다(도시되지 않음).
도 1에 있어서, 4는 정극 부재 (1)과 접속되어 외장체 밖의 회로(도시되지 않음)와 전기적으로 접속하기 위한 단자 부재이고, 부극측에도 마찬가지의 단자 부재가 있다. 5는 정극 부재 (1)과 단자 부재 (4)를 초음파 용접하여 접속하는 개소로서의 접속부를 나타내고 있다. 정극 부재 (1)은 복수의 집전박을 포함하기 때문에, 단자 부재 (4) 위에 복수의 정극 집전박을 중첩하여 양측으로부터 초음파 용접하여 일체화되어 있다. 6은 단자 부재 (4)의 주위에 형성된 절연 수지층이고, 도시한 바와 같이 단자 부재 (4)의 폭 방향의 주위를 둘러싸도록 형성되어 있다. 7은 외장체이고, 2매의 라미네이트 필름의 주변부를 열융착함으로서 형성되는데, 1변은 단자 부재 (4)와 절연 수지층 (6)을 사이에 끼우고 있다. 또한, 전해액이 정극 부재 (1), 세퍼레이터 부재 (3), 부극 부재 (2)를 포함하는 외층체 (7)의 내부에 주액되어 있다.
도 2에 도시한 정극 부재 (1)은, 집전박 (10), 정극 활성 물질 (11)로 구성되며, 집전박 (10)의 일부로서 구성되는 정극 집전박의 리드부 (12)를 갖고 있다. 정극 집전박의 리드부 (12)는, 세로 (β+γ) mm, 가로 Y mm의 직사각형 부분을 말한다. 부극 부재 (2)의 구성의 상세는 생략하지만, 크기가 크다는 점과 부극 집전박 리드부 (12)가 도면의 좌측에 위치한다는 점을 제외하고 정극 부재 (1)과 동일한 구성으로 되어 있다.
또한, 정극 부재 (1) 표면에는 열접착성 절연 필름 (13)이 형성되고, 도 2(A)에 도시한 바와 같이 역 L 형상을 하고 있으며, 세로 α mm, 가로 (X+Y) mm로 이루어진 제1 영역과, 세로 β mm, 가로 Y mm로 이루어진 제2 영역으로 구성되어 있다. 또한, 세퍼레이터 부재 (3)의 단부는, 제2 영역의 세로 방향의 임의의 위치에 오도록 배치되어 있다.
도 2(B)에 도시한 B-B 단면은, 위로부터 열접착성 절연 필름 (13), 정극 활성 물질 (11), 정극 집전박 (10), 정극 활성 물질 (11), 열접착성 절연 필름 (13)의 5층 구조로 되어 있다. 열접착성 절연 테이프가 표면에 첩부된 장방형의 박 재료를 L형 커터 등으로 절단하여 정극 부재 (1)을 형성할 때에, 이러한 5층 구조의 단면 노출 부분이, 정극 부재 (1)의 리드부 (12)측의 1변(길이 Xmm)과 해당 1변의 일단에 접속하면서 해당 1변에 수직인 방향으로 연장되는 리드부 (12)의 측단변의 일부(길이 β mm)를 포함한 L자 부분에 형성됨으로써, 외장체의 크기를 크게 하지 않고 활성 물질층의 노출 면적을 최대한 크게 하여 전지 성능의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
도 2(C)에 도시한 바와 같이, 열접착성 절연 필름 (13)의 단부는, 정극 활성 물질 (11) 위로부터 정극 집전박 (10) 위에 걸쳐 형성되고, 정극 활성 물질 (11)의 단부를 덮도록 형성되어 있다. 다만, 이러한 열접착성 절연 필름 (13)의 형성예는 단순한 일례이며, 열접착성 절연 필름 (13)이 정극 활성 물질 (11) 위로부터 정극 집전박 (10) 위에 가교하지 않는 변형예를 채용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 정극 집전박 (10) 위에만 열접착성 절연 필름 (13)을 형성하는 것에 의해서도 단락 방지가 가능하다.
도 3에 기초하여 리튬 이온 이차 전지의 제조 방법을 설명한다.
우선, 정극 집전박 (10)(도 3(A))에 정극 활성 물질 (11)을 도포, 건조시키고, 정극 활성 물질 (11)의 단부를 덮도록 열접착성 절연 필름 (13)을 140℃ 내지 160℃의 온도에서 열접착한다. 이 때, 열접착성 절연 필름 (13)을 접착하지 않고 정극 집전박 (10)의 표면이 노출되는 부분을 남긴다(도 3(B)). 다음으로, 상술한 제1 영역과 리드부 (12)를 남겨 커터 등으로 절단함으로써 정극 부재 (1)을 성형한다(도 3(C)). 열접착성 절연 필름 (13)은 상온에서 태크성(점착성)을 나타내지 않는 절연 재료로 형성되어 있기 때문에, 정극 부재 (1)의 절단시에도 커터 칼 등에 열접착성 절연 필름 (13)이 부착되지 않는다. 따라서, 커터 칼 등에 이물질이 부착되는 것이 방지되고, 나아가 전지 내로의 이물질 혼입이 효과적으로 방지된다.
부극측도, 부극 집전박 (10)에 부극 활성 물질 (11)을 도포·건조시키고, 커터 등으로 절단하여 부극 부재 (2)를 성형한다. 부극 부재 (2), 세퍼레이터 부재 (3), 정극 부재 (1)의 순서로 적층하여, 집전박 (10)의 리드부 (12)와 절연 수지층 (6)이 붙은 단자 부재 (4)를 용접함으로써 전지 요소를 제작한다.
다음으로, 2장의 라미네이트 필름 사이에 전지 요소를 배치하고, 3변을 밀봉한다. 이 때, 밀봉하는 3변 중 1변은, 단자 부재 (4)의 폭 방향 주위를 둘러싼 절연층을 사이에 배치한 상태에서, 2장의 라미네이트 필름에 끼워 열융착한다(도 3(D)).
1변을 열융착하지 않은 상태에서 융착하지 않은 1변으로부터 전해액을 주액한다. 주액 완료 후, 나머지 1변도 열융착하여 내부를 밀폐시킨다. 그 후, 충방전 등의 검사를 행하여, 리튬 이온 이차 전지로서 완성시킨다.
여기서 열접착성 절연 필름 (13)에 대해서 설명한다.
열접착성 절연 필름 (13)은, 기재층 (a)와 접착층 (b)를 포함하는 적어도 2층 이상의 복합 필름이며, 기재층 (a)는 전해액에 용해되지 않고, 전지의 성능을 저하시키지 않기 위해서는 폴리올레핀 수지가 바람직하다. 폴리올레핀 수지의 대표적인 것으로는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌(PP) 등이 있지만, 열판식의 히트 실러로 열접착을 할 때에 기재층이 열판에 융착되지 않기 때문에 기재층 (a)와 접착층 (b)의 융점이 (a)≥(b)인 것이 바람직하며, 기재층 (a)는 융점이 높은 폴리프로필렌 수지가 바람직하다. 폴리프로필렌 수지란 프로필렌의 단독 중합체인 호모의 폴리프로필렌 수지(이하, 호모 PP라 약칭하는 경우가 있음)나, 에틸렌을 공중합한 랜덤 공중합체 수지(이하, EPC라 약칭하는 경우가 있음), 폴리프로필렌의 중합시에 에틸렌·프로필렌 공중합체의 엘라스토머 성분을 분자 수준으로 블렌딩한 블록 공중합체 수지(이하, 블록 PP라 약칭하는 경우가 있음)가 예시된다. EPC 수지의 융점은 140℃ 전후이고, 호모 PP와 블록 PP의 융점은 160℃ 내지 165℃이다. 열접착 온도가 140℃ 내지 160℃에서 열판에 융착하지 않기 위해서는, 기재층의 폴리프로필렌 수지는 호모 PP나 블록 PP가 보다 바람직하다.
접착층 (b)와 집전박으로 충분한 접착력을 얻기 위해서는, 접착층 (b)의 폴리올레핀 수지는, 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체로 변성되어 있는 것이 필요하다. 변성량은 특별히 한정되지 않지만, 커터에 의한 절단시에 열접착성 절연 필름 (13)이 박리되지 않기 위해서는 집전체와의 접착력이 10 N/15 mm 이상인 것이 바람직하고, 열접착 온도가 140℃ 내지 160℃에서 10 N/15 mm 이상의 접착력을 얻기 위해서는 변성량이 0.01 중량％ 이상인 것이 바람직하고, 필름 가공시 열 안정성 측면에서는 4 중량％ 이하인 것이 바람직하다. 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체로는, 예를 들면 아크릴산, 메타크릴산 등의 불포화 모노카르복실산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 시트라콘산 등의 불포화 디카르복실산, 및 이들 무수물인 무수 말레산, 무수 이타콘산, 무수 시트라콘산, 불포화 모노카르복실산과 알코올의 에스테르인 아크릴산에틸, 아크릴산메틸, 메타크릴산메틸, 아크릴산부틸 등의 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있고, 시판되고 있는 변성 수지로는 미쓰이 가가꾸 제조의 "아드마(등록상표)"나 미쯔비시 가가꾸 제조의 "모디크(등록상표)" 등이 알려져 있다. 변성되는 폴리올레핀 수지로는 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 등의 수지가 있지만, 기재층 (a)의 수지가 폴리프로필렌계 수지인 경우에는, 접착층 (b)의 수지도 폴리프로필렌계 수지로 변성된 것을 사용한 것이 기재층 (a)와의 층간 접착력이 강해져 바람직하다.
상기한 기재층 (a)와 접착층 (b)를 포함하는 폴리올레핀계 수지 적층 필름을 제조하는 방법으로는, T-다이법이나 인플레이션법 등의 공압출 성형법이 있다. 압출한 필름을 연신하는 방법도 있지만, 연신 필름은 연신에 의한 배향 결정화가 진행되어, 전극 활성 물질이나 금속박과의 접착력이 저하된다. 이 때문에, 배향의 파라미터인 복굴절률이 1×10-2 이하의 무연신 필름인 것이 바람직하다.
기재층과 접착층에 이용하는 수지의 멜트 플로우 레이트는, 필름으로서 제막할 수 있는 범위에 있으면 특별히 제한되지는 않지만, 제막시의 안정성으로부터 멜트 플로우 레이트(JIS K-7210에 준거하며, 프로필렌계 중합체는 온도 230℃이고, 폴리에틸렌계 중합체는 온도 190℃이고, 하중 21.18 N으로 측정된 값)가 1 내지 20 g/10분의 범위가 바람직하고, 기재층과 접착층의 적층 안정성 측면에서는 각각의 멜트 플로우 레이트의 차가 10 g/10분 이하인 것이 바람직하다.
폴리올레핀계 수지 적층 필름의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 제막 안정성으로부터 필름의 두께는 20 내지 100 ㎛의 범위인 것이 바람직하며, 절연체가 집전박에 중첩된 부분의 두께의 증가를 방지하고, 전극의 적층 매수를 증가시켜 이차 전지의 용량을 증가시키기 위해서는 될 수 있는 한 필름의 두께는 얇은 것이 바람직하다.
접착층 (b)의 두께가 1 ㎛ 이하인 경우에는, 히트 실링의 열과 압력으로 용융된 수지가 흘러 접착층 (b)의 두께가 얇아지고, 금속박과의 접착력이 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, 접착층 (b)의 두께는 두꺼운 것이 접착에서는 유리하지만, 경제성 측면에서 접착층 (b)의 두께는 1 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다.
히트 실링했을 때에 열판에 기재층 (a)가 융착되지 않기 위해서는 기재층 (a)와 접착층 (b)의 융점은 (a)≥(b)인 것이 바람직하고, 기재층 (a)의 융점 이하에서 히트 실링하는 것이 바람직하다. 접착층의 수지에 관능기가 도입되어 있는 경우에는 융점 이하에서도 접착되는 경우가 있기 때문에, 이들 수지의 대표인 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체로 그래프트 변성된 폴리올레핀 수지를 접착층에 이용하여, 기재와의 융점에 온도차가 없는 경우에도, 기재층 및 접착층의 융점 이하에서 기재층의 열변형이나 융착도 없이 강고하게 접착할 수 있는 경우가 있다. 기재층 (a)의 수지가 호모의 폴리프로필렌인 경우, 접착층 (b)의 수지는 프로필렌에 에틸렌이나 부텐 등의 성분을 공중합하여 융점을 낮춘 랜덤 공중합체에 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체로 그래프트 변성시킨 것이 바람직하다.
기재층 (a) 또는 접착층 (b)에 접착성이나 전지의 성능을 저하시키지 않는 범위에서, 저온 충격성이나 절곡 백화성을 개선시킬 목적인 엘라스토머 성분 등을 첨가할 수도 있다.
기재층 (a) 또는 접착층 (b)에 접착성이나 전지의 성능을 저하시키지 않는 범위에서, 필름의 슬립성을 부여하는 유기 윤활제나, 블록킹을 방지하는 무기계나 유기계의 안티블록킹제를 첨가할 수도 있다.
접착층 (b)의 수지 단독으로 제막하여 2축 연신 PP 필름이나, 2축 연신 폴리에스테르 필름 등의 필름과 접착제로 드라이 라미네이트하는 방법도 있지만, 제조 비용이 높아지고, 접착제의 전지에 대한 영향도 있기 때문에, 기재층과의 복합 제막이 바람직하다.
[실시예]
[실시예 1]
도 3에 도시한 제조 과정에 따라, 정극 집전박에 압연 알루미늄박을, 부극 집전박에 전해 동박을 각각 사용하여 리튬 이온 이차 전지를 제조하였다. 정극 활성 물질은, 전이 금속 리튬산으로서 LiMn2O4를 주성분으로 폴리불화비닐리덴(PVDF)을 결합제로 한 것을 알루미늄박 위에 도포하여 건조시키고, 롤 프레스하여 형성하였다. 부극 활성 물질은 그래파이트를 주성분으로 폴리불화비닐리덴을 결합제로 한 것을 전해 동박 위에 도포하여 건조시키고, 롤 프레스하여 형성하였다. 전해액은 디에틸카르보네이트와 에틸렌카르보네이트를 주성분으로 한 혼합액을 용매로 하고, 전해질염 LiPF6을 용해시킨 것을 사용하였다. 또한, 절연 필름을 알루미늄박에 접착한 부분을 2 mm 폭으로 잘라내고, 절연 필름과 알루미늄박 사이의 접착력을, 오리엔텍사 제조 텐실론을 사용하여 300 mm/분의 인장 속도로 측정하고, 15 mm 폭의 값으로 환산하였다. 또한, 절연 필름의 열접착시 육안에 의한 관찰에 의해 밀봉바와의 점착의 유무를 판단하고, 집전박을 커터로 절단했을 때의 커터 칼을 육안으로 관찰하여 커터 칼에의 점착제의 부착 유무를 판단하였다.
절연 필름은 기재층에 DSC(시차 주사 열량계)에 의한 융점이 161℃인 호모 PP를 사용하고, 접착층은 DSC에 의한 융점이 121℃인 폴리프로필렌계의 변성 수지인 미쯔비시 가가꾸 제조의 "모디크(등록상표)" P614V를 사용하여, 기재층과 접착층의 각각의 두께가 27 ㎛와 3 ㎛로 한 것을 T 다이법으로 적층 복합하고, 실온에서 점착성을 나타내지 않는 것을 제조하였다. 이 절연 필름을 150℃에서 정극 집전박인 알루미늄박과 열접착을 행하고, 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은 알루미늄박과의 접착력이 충분하고, 절단시의 박리나 밀봉바와의 융착은 없으며, 전지 성능의 저하도 없는 것이었다.
[실시예 2]
절연 필름의 기재층을 DSC에 의한 융점이 161℃인 블록 PP로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것도 알루미늄박과의 접착력이 충분하고, 절단시의 박리나 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 약간이나마 밀봉바에 융착되는 경향을 볼 수 있었다. 또한, 이 절연 필름도 상온에서 점착성을 나타내지 않는 것이고, 이하에 나타내는 실시예 3 내지 9 및 비교예 1에 대해서도, 절연 필름은 상온에서 점착성을 나타내지 않는 것이었다.
[실시예 3]
절연 필름의 접착층을 DSC에 의한 융점이 161℃의 변성 수지인 미쯔비시 가가꾸 제조의 모디크(등록상표) P555로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은, 절단시의 박리나 밀봉바와의 융착은 없고, 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 알루미늄박과의 접착력이 약간 낮은 경향을 볼 수 있었다.
[실시예 4]
절연 필름과 정극 집전박인 알루미늄박과의 열접착 온도를 170℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은, 알루미늄박과의 접착력이 충분하고, 절단시의 박리나 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 약간이나마 밀봉바에 융착되는 경향을 볼 수 있었다.
[실시예 5]
절연 필름과 정극 집전박인 알루미늄박과의 열접착 온도를 130℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은 절단시의 박리나 밀봉바와의 융착은 없고, 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 알루미늄박과의 접착력이 약간 낮은 경향을 볼 수 있었다.
[실시예 6]
절연 필름의 기재층을 DSC에 의한 융점이 140℃인 EPC로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은 알루미늄박과의 접착력이 충분하고, 절단시의 박리나 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 약간이나마 밀봉바에 융착되는 경향을 볼 수 있었다.
[실시예 7]
실시예 3과 동일한 절연 필름을 이용하여, 열접착 온도를 170℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은 알루미늄박과의 접착력이 충분하고, 절단시의 박리나 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 약간이나마 밀봉바에 융착되는 경향을 볼 수 있었다.
[실시예 8]
실시예 6과 동일한 절연 필름을 이용하여, 열접착 온도를 130℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은 절단시의 박리나 밀봉바와의 융착은 없고, 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 알루미늄박과의 접착력이 약간 낮은 경향을 볼 수 있었다.
[실시예 9]
실시예 1과 동일한 기재층 수지와 접착층 수지로, 각각의 층의 두께를 29 ㎛과 1 ㎛로 한 절연 필름을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은, 절단시의 박리나 밀봉바와의 융착은 없고, 전지 성능의 저하도 없는 것이었지만, 알루미늄박과의 접착력에 변동을 볼 수 있었다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 기재층 수지에 변성을 하지 않은 EPC 수지를 적층하고, 그것 이외는 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은, 알루미늄박과의 접착력이 0.2 N/15 mm로, 알루미늄박과의 접착력이 매우 낮아 절단시에 박리가 생겼다.
[비교예 2]
두께 20 ㎛의 2축 연신 폴리프로필렌 필름에 5 ㎛의 아크릴계 점착제를 도포한 점착 테이프를 이용하여, 실온에서 압착하여 접착한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 리튬 이온 이차 전지를 제조한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 이 조건으로 실시한 것은, 알루미늄박과의 접착력에 문제는 없는 수준이었지만, 절단시에 점착제의 부착이나 전지의 성능이 저하되는 경향을 볼 수 있었다.
표 1의 실시예에서, 열접착성 절연 필름을 알루미늄박에 열접착함으로써, 커터에 점착제를 부착시키지 않고, 성능이 안정된 리튬 이온 이차 전지가 제조되었다.
표 1의 비교예에서, 점착 테이프의 첩부 조작은 테이프를 전극 활성 물질의 단부면 위에 꺼내어, 첩부 롤로 단단히 가압함으로써 행하였다. 점착 테이프는 테이프를 꺼낼 때의 태크성(점착성)으로 테이프가 꺼내지는 속도에 제약이 있고, 첩부한 후 테이프를 롤의 왕복으로 밀착시키기 때문에, 점착 작업에 시간이 걸리고, 압착 불균일도 발생하기 쉬웠다. 또한, 점착 테이프의 권취 길이가 짧은 경우가 많아, 테이프 교환의 작업 손실이 많았다.
[산업상의 이용가능성]
본 발명에 따른 이차 전지 및 그의 제조 방법은 리튬 이온 이차 전지 등으로서 이용 가능하다.
1 정극 부재
2 부극 부재
3 세퍼레이터 부재
4 단자 부재
5 접속부
6 절연 수지층
7 외장체
10 집전박
11 활성 물질
12 리드부
13 열접착성 절연 필름
2 부극 부재
3 세퍼레이터 부재
4 단자 부재
5 접속부
6 절연 수지층
7 외장체
10 집전박
11 활성 물질
12 리드부
13 열접착성 절연 필름
Claims (12)
- 정극 부재, 세퍼레이터 부재 및 부극 부재를 이 순서대로 적층한 전극체를 외장체 내에 격납한 이차 전지로서, 상기 정극 부재 및 상기 부극 부재는 각각 집전체와, 상기 집전체 위의 일단측을 덮도록 형성된 활성 물질층으로 이루어지고, 상온에서 점착성을 나타내지 않는 절연 재료를 포함하는 절연체가, 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 구성하는 집전체 위에 1 N/15 mm 이상의 접착력으로 첩부되고, 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재의 타단측의 주연부가, 상기 집전체와 상기 절연체를 포함하는 절단면을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 집전체 위의 타단측에 단자 부재가 접속되고, 상기 단자 부재의 일부가 상기 외장체의 외부로 노출되어 있는 이차 전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연체가 열접착성 절연 필름을 포함하는 이차 전지.
- 제3항에 있어서, 상기 열접착성 절연 필름이 폴리올레핀을 포함하는 기재층과, 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체를 이용하여 변성된 폴리올레핀을 포함하는 열접착층을 갖는 이차 전지.
- 제4항에 있어서, 상기 기재층이 폴리프로필렌을 포함하고, 상기 열접착층이 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체를 이용하여 변성된 폴리프로필렌을 포함하는 이차 전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연체가 상기 집전체의 노출면과 상기 활성 물질층과의 경계를 덮도록 열접착되어 있는 이차 전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외장체 내에 리튬 이온을 함유하는 전해액이 주입되어 있는 이차 전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연체가 상기 정극 부재를 구성하는 집전체 위에 첩부되고, 상기 집전체가 알루미늄을 포함하는 이차 전지.
- 정극 부재, 세퍼레이터 부재 및 부극 부재를 이 순서대로 적층한 전극체를 외장체 내에 격납한 이차 전지로서, 상기 정극 부재 및 상기 부극 부재는 각각 집전체와, 상기 집전체 위의 일단측을 덮도록 형성된 활성 물질층을 갖고, 절연체가 적어도 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 구성하는 집전체 위에 열접착되고, 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재의 타단측의 주연부는 상기 집전체와 상기 절연체를 포함하는 절단면을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 정극 부재, 세퍼레이터 부재 및 부극 부재를 이 순서대로 적층한 전극체를 외장체 내에 격납한 이차 전지의 제조 방법으로서, 활성 물질을 집전박 위에 도포함으로써 상기 집전박의 일단측을 덮는 활성 물질층을 형성하고, 절연체를 적어도 상기 집전박의 노출면에 접착한 후에, 절단면이 상기 절연체를 포함하도록 상기 집전박의 타단측을 절단함으로써 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 형성하고, 상기 집전박이 단자 부재의 일단과 접속되고, 상기 단자 부재의 타단이 상기 외장체로부터 노출되도록 상기 전극체를 상기 외장체 내에 격납하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 절연체를 상기 활성 물질층과 상기 집전박의 노출면과의 경계를 덮도록 접착한 후에, 절단면이 상기 절연체와 상기 활성 물질층이 적층된 부위를 포함하도록 상기 집전박을 절단함으로써 상기 정극 부재 또는 상기 부극 부재를 형성하고, 상기 외장체 내에 전해액을 주입하는 것인 이차 전지의 제조 방법.
- 제1항, 제2항 및 제9항 중 어느 한 항의 이차 전지에 사용되는 절연 필름으로서, 기재층과 접착층의 적어도 2층으로 이루어지는 무연신 적층 필름이고, 기재층이 폴리올레핀 수지를 포함하고 접착층이 불포화 카르복실산 또는 그의 유도체를 이용하여 변성된 폴리올레핀 수지를 포함하며, 상기 접착층의 두께가 1 내지 10 ㎛이고, 상기 기재층의 융점이 상기 접착층의 융점 이상인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 열접착성 절연 필름.
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