KR102271679B1 - 전극, 전극조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수 개의 전극들이 적층되어 구성되되 이웃하는 전극들 사이에는 분리막이 삽입된 전극조립체에 있어서, 상기 전극조립체의 최외곽층에 놓이는 최외곽전극은, 집전체의 일측면에 슬러리가 도포되고 타측면에는 보호층이 접착되며, 상기 슬러리가 상기 분리막에 맞닿도록 적층된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기의 전극조립체를 제조하는 방법은, 집전체의 일측면에는 슬러리를 도포하고 타측면에는 보호층을 적층하여 최외곽전극을 구성하는 단계; 한 쌍의 압연롤러 사이로 상기 최외곽전극을 통과시켜 압연시키는 단계; 및 압연된 최외곽전극이 전극조립체의 최상층 또는 최하층에 위치되도록 적층하는 단계;를 포함한다.

Description

전극, 전극조립체 및 그 제조방법{Electrode, electrode-assembly and manufacturing method thereof}
본 발명은 전극, 상기 전극이 적층되어 제조되는 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 제조 시 압연에 의해 휨발생을 방지할 수 있고, 외부 충격이 발생할 때(특히, 파우치를 관통하는 파손이 발생할 때) 단락 발생 가능성을 낮출 수 있는 전극, 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기 에너지를 저장하는 전지는 일반적으로 일차 전지와 이차 전지로 구분될 수 있다. 일차 전지는 일회용 소모성 전지인 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이중, 리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극조립체는 원통형 캔 또는 각형 파우치 등과 같은 케이스에 수용된다.
상기 전극은 집전체의 양면 또는 일면에 슬러리가 도포되어 제조되되, 슬러리의 원료가 되는 물질을 넣고 교반(믹싱)하는 단계, 완성된 슬러리를 집전체에 코팅하는 단계, 슬러리가 코팅된 집전체를 압연하는 단계, 전극탭을 성형하는 단계, 진공 건조하는 단계 등을 포함한다.
이 중 압연 공정은 전극의 두께를 줄여 밀도를 높이고 집전체(1a)와 슬러리(1b)의 결착력을 증대시킬 목적으로 수행되며, 통상적으로 도 1a 에 도시된 바와 같이 두 개의 압연롤러들(4) 사이로 전극을 통과시키는 방법으로 수행된다.
한편, 전극은 집전체(1a, 2a)의 양면 모두에 슬러리(1b, 2b)가 도포되는 것이 일반적이나, 최외곽층에 놓이는 전극의 경우에는 최외곽에서 리튬이온의 교환이 이뤄지지 않기 때문에 집전체(1a)의 일면에만 슬러리(1b)가 도포된 단면전극으로 구성되기도 한다.
하지만, 압연롤러(4)에서 열과 압력이 가해지는 동안에 집전체(1a)와 슬러리(1b)의 (열팽창률, 밀도 등이 다르기 때문에) 변형률이 상이한 관계로 도 1a 에 도시된 바와 같이 단면전극의 경우 휘어지는 문제가 발생하기도 한다.
또한, 최외곽 전극의 경우에는 금속재인 집전체(1a)가 파우치 내부에서 최근접하게 되므로 뾰족한 물체에 찔리는 경우 또는 안정성 실험시 네일(5)이 파우치를 관통하는 경우에는 도 1b 에 도시된 바와 같이 단락이 발생하여 발화를 일으킬 우려가 있었다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해소할 수 있는 전극, 전극조립체 및 그 제조방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극은, 복수 개의 전극들이 적층되어 구성되되 이웃하는 전극들 사이에는 분리막이 삽입된 전극조립체를 구성하는 전극으로써, 집전체의 일측면에 슬러리가 도포되고 타측면에는 보호층이 접착되고, 상기 보호층은 분자량이 1만 이상인 고분자 재질로 제조된 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 전극은 음극 또는 양극 모두가 될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 전극조립체는 복수 개의 전극들이 적층되어 구성되되 이웃하는 전극들 사이에는 분리막이 삽입된 전극조립체에 있어서, 상기 전극조립체의 최외곽층에 놓이는 최외곽전극은, 집전체의 일측면에 슬러리가 도포되고 타측면에는 보호층이 접착되며, 상기 슬러리가 상기 분리막에 맞닿도록 적층된 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에서 상기 고분자 재질은 전기 절연성을 가지며, 상기 슬러리, 집전체, 보호층이 적층된 상태에서 압연이 이뤄질 때, 상기 보호층은 상기 슬러리 (및 집전체)의 변형을 상쇄하는 방향으로 변형이 이뤄진다.
본 발명의 실시예로써, 상기 최외곽전극은 전극조립체에 최상층에 놓이는 전극이고, 상기 보호층은 전극조립체의 최상층에 놓이도록 적층된다. 또는, 상기 최외곽전극은 전극조립체에 최하층에 놓이는 전극이고, 상기 보호층은 전극조립체의 최하층에 놓이도록 적층된다.
아울러, 본 발명에 따른 방법은, 복수 개의 전극들이 적층되어 구성되되 이웃하는 전극들 사이에는 분리막이 삽입된 전극조립체의 제조방법으로써, 집전체의 일측면에는 슬러리를 도포하고 타측면에는 보호층을 적층하여 최외곽전극을 구성하는 단계; 한 쌍의 압연롤러 사이로 상기 최외곽전극을 통과시켜 압연시키는 단계; 및 압연된 최외곽전극이 전극조립체의 최상층 또는 최하층에 위치되도록 적층하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 최외곽전극이 전극조립체의 최상층에 위치할 때는 보호층이 최상층에 위치하며, 상기 최외곽전극이 전극조립체의 최하층에 위치할 때는 보호층이 최하층에 위치하도록 적층된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 최외곽에 놓인 전극에 보호층이 적층되어 압연시 굽힘 또는 뒤틀리는 힘을 억제 또는 상쇄할 수 있다. 그리고, 상기 보호층은 전극조립체에서 파우치의 내부면에 마주하며 집전체를 보호할 수 있으므로 외부충격으로 부터 전극 및 전극조립체를 보호할 수 있다.
도 1a 는 종래의 단면전극이 압연롤러를 통과하기 전후의 모습들이 도시된 도면.
도 1b 는 종래의 단면전극이 전극조립체의 최외곽층에 적층됐을 때 네일이 침투하여 단락이 발생한 상태를 표시한 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 단면전극이 압연롤러를 통과하기 전후의 모습들이 도시된 도면.
도 3 은 본 발명에 따른 단면전극이 전극조립체의 최외곽층에 적층됐을 때 네일이 침투해도 보호층에 의해 단락 발생이 억제된 상태를 표시한 도면.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 상기 전극조립체는 복수 개의 전극들이 적층되어 구성되되 이웃하는 전극들 사이에는 분리막(3)이 삽입된 구조를 갖되, 상기 전극조립체를 구성하는 전극 중 최외곽층 즉, 최상측이나 최하층에 배치되는 전극은 집전체(1a)의 일측면에 슬러리(1b)가 도포되며 타측면에는 보호층(10)이 접착되고, 상기 보호층(10)은 분자량이 1만 이상인 고분자 재질로 제조된 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 전극은 음극 또는 양극 모두가 될 수 있다.
실시예1
즉, 도 2 와 도 3 에 도시된 바와 같이, 그리고, 본 발명에 따른 전극조립체는 서로 다른 극성을 갖는 전극들 사이에 분리막(3)이 배치되어 반복 적층되는 구조를 갖되(즉, 도 3 에서 최하층의 전극이 음극집전체(1a)에 음극슬러리(1b)가 도포된 음극이면 그 위에 분리막(3)이 적층되고 그 위로 양극집전체(2a)에 양극슬러리(2b)가 도포된 양극이 적층되되), 최외곽층에 놓이는 최외곽전극이 보호층(10)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 참고적으로 도 3 에서는 최상층 전극에만 보호층(10)을 구비한 전극이 배치된 것으로 도시되었으나, 상기 보호층(10)을 구비한 전극은 최하층에도 배치될 수 있으며, 상기 보호층(10)을 구비한 전극은 음극 또는 양극 모두가 될 수 있다.
상기 최외곽전극은 슬러리(1b)가 분리막(3)에 맞닿는 방향으로 적층되어 상기 보호층(10)은 전극조립체의 최상층(또는 최하층)에 놓인다.
상기 보호막(10)은 분자량이 1만이 넘은 고분자 재질로 이뤄지되, 네일(5)과 같이 뾰쪽한 물체가 파우치(미도시)를 관통했을 때, 단락 발생을 방지할 수 있게 전기 절연성을 갖는 재질로 제조된다.
아울러, 상기 슬러리(1b), 집전체(1a), 보호층(10)이 적층된 상태에서 압연이 이뤄질 때, 도 2 에 도시된 바와 같이, 위아래 전체가 평평한 상태를 유지할 수 있도록 상기 보호층(10)은 집전체(1a)의 반대쪽에서 상기 슬러리(1b)의 변형을 억제하도록 지지하거나 슬러리(1b) 및/또는 집전체(1a)의 변형을 상쇄하는 방향으로 변형이 이뤄진다.
또한, 이 실시예에서, 상기 최외곽전극은 전극조립체에 최상층에 놓이거나 최하층에 놓일 수 있되, 상기 보호층(10)은 전극조립체가 내장되는 파우치에 가장 근접하도록 (도 3 에 도시된 바와 같이) 가장 윗층 또는 가장 아랫층에 놓인다.
실시예2
아울러, 본 발명은 전술한 바와 같은 전극조립체를 제조하는 제조방법을 추가적으로 제공한다.
본 발명의 제조방법은 집전체(1a)의 일측면에는 슬러리(1b)를 도포(코팅)하고 타측면에는 보호층(10)을 적층하여 최외곽전극을 제조하는 단계와 한 쌍의 압연롤러(4) 사이로 상기 최외곽전극을 통과시켜 압연시키는 단계 및 압연된 최외곽전극이 전극조립체의 최상층 또는 최하층에 위치되도록 적층하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 슬러리(1b)는 바인더를 용매에 놓인 용액에 활물질 등을 혼합하여 코팅 또는 도포에 적합한 점도를 갖도로 제조된다. 그리고, 압연롤러(4)에서는 적절한 압력과 열을 가하여 전극의 두께를 줄임으로서 밀도를 증대시킨다. 물론, 상기 최외곽전극이 전극조립체에 적층되기 전에 전극을 적당한 크기로 절단하는 공정, 전극탭을 가공하는 공정, 전극에 함유된 수분을 제거하기 위한 진공건조 공정 등의 수행이 이뤄질 수 있다.
상기 최외곽전극이 전극조립체의 최상층에 위치할 때는 보호층(10)이 최상층에 위치하며, 상기 최외곽전극이 전극조립체의 최하층에 위치할 때는 보호층이 최하층에 위치하도록 적층된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 최외곽에 놓인 전극에 보호층(10)이 적층되어 압연시 굽힘 또는 뒤틀리는 힘을 억제 또는 상쇄할 수 있다. 그리고, 상기 보호층(10)은 전극조립체에서 파우치의 내부면에 마주하며 집전체(1a)를 보호할 수 있으므로 외부충격으로 부터 전극 및 전극조립체를 보호할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
1a : 집전체
1b : 슬러리
3 : 분리막
4 : 압연롤러
5 : 네일
10 : 보호층

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 복수 개의 전극들이 적층되어 구성되되 이웃하는 전극들 사이에는 분리막이 삽입된 전극조립체의 제조방법에 있어서,
    집전체의 일측면에는 슬러리를 도포하고 타측면에는 분자량이 1만 이상인 고분자 재질로 제조된 보호층이 접착되어 최외곽전극을 구성하는 단계;
    상기 최외곽전극을 구성하는 단계 이후, 한 쌍의 압연롤러 사이로 상기 보호층이 접착된 상태에서 최외곽전극을 통과시켜 압연시키는 단계; 및
    압연된 최외곽전극이 전극조립체의 최상층 또는 최하층에 위치되도록 적층하는 단계;를 포함하고,
    상기 압연시키는 단계에서 상기 슬러리, 집전체, 보호층이 적층된 상태에서 압연이 이뤄질 때, 상기 보호층이 상기 슬러리의 변형을 상쇄하는 방향으로 변형이 이뤄져 최외곽전극은 압연이 이뤄진 후 위아래 전체가 평평한 상태가 유지되고,
    압연된 최외곽전극은 위아래 전체가 평평한 상태에서 상기 보호층이 최외곽층에 놓이게 적층되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 최외곽전극이 전극조립체의 최상층에 위치할 때는 보호층이 최상층에 위치하며, 상기 최외곽전극이 전극조립체의 최하층에 위치할 때는 보호층이 최하층에 위치하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  9. 삭제
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