KR102460813B1 - 엠보형 분리막을 갖는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법 - Google Patents

엠보형 분리막을 갖는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시트형의 양극과 음극 사이에 시트형 분리막을 개재시켜 젤리롤형으로 권취하여 이차전지용 전극 조립체를 제조하는 방법에 관한 것으로서,
(a) 상기 분리막 상에, 분리막의 권취 방향과 교차되는 방향으로 연장되는 스트라이프(stripe) 형태로 접착제를 도포하는 단계; (b) 상기 접착제-도포된 분리막을 그의 접착제 도포 면이 양극 및 음극 중의 어느 하나의 전극과 대면하도록 접합하는 단계; (c) 상기 하나의 전극과 분리막의 접합체를 상기 하나의 전극이 가이드 롤러 외주의 곡면을 따라 접촉되도록 만곡시키면서 가이드 롤러에 통과시켜, 분리막의 표면에 엠보를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 엠보-형성된 접합체에 양극 및 음극 중의 다른 하나의 전극과 합하여 젤리롤형으로 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 제조방법에 의해 분리막의 표면에 엠보를 효율적으로 형성할 수 있고, 이와 같이 엠보-형성된 분리막과 함께 전극들을 권취하여 전극 조립체를 제조함으로써 전극들 사이에 공극이 형성되고, 이러한 공극에 의해, 전지의 충방전시 전극의 팽창으로 발생하는 응력이 완화되어 전극의 휘어짐, 활물질의 탈리와 같은 현상이 방지된다.

Description

엠보형 분리막을 갖는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법{Method for Manufacturing an Electrode Assembly for a Secondary Battery Having an Embossed Separator}
본 발명은 엠보형 분리막을 갖는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지의 충방전시 전극의 팽창으로 발생하는 응력을 완화시켜 전극의 휘어짐, 활물질의 탈리와 같은 현상을 억제하여 전지 성능의 저하를 방지할 수 있는 엠보형 분리막을 갖는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 이차전지는 일반적으로 전극 조립체를 제조한 다음 이를 전지 케이스에 내장하고 전해액 주입, 활성화 공정 등을 거쳐 제조하는데, 전지 케이스의 형상에 따라 이차전지는 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있으며, 이 중 원통형 또는 각형의 이차전지는 원통형 또는 각형의 금속 캔에 전극 조립체를 내장하여 제조된다.
이차전지의 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전 소자로서, 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재시켜 권취한 젤리롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리 필름으로 권취한 스택/폴딩형 등으로 분류할 수 있다. 이 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하면서도 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있다.
젤리롤형 전극 조립체는 도 1a에 도시된 바와 같이 전극 활물질이 각각 도포된 음극(20)과 양극(30)의 사이에 분리막(40)이 개재되도록 권취하여 제조하는데, 종래의 전극 조립체는 평평한 형태의 분리막과 전극들을 일정한 장력을 가하면서 권취하여 제조하기 때문에, 도 1b에 도시된 바와 같이 음극/분리막/양극이 서로 밀착된 상태로 될 수 밖에 없다.
한편, 전지의 충방전 시에는 전극이 팽창되며, 이러한 전극의 팽창으로 인해 응력이 발생되는 바, 전극 조립체가 서로 밀착된 상태로 권취되어 있기 때문에 팽창으로 발생한 응력은 젤리롤의 중심부 쪽으로 전달되어 전극이 휘어지게 되는 현상(twist)이 발생하고, 경우에 따라 활물질층이 균열되거나 집전체로부터 박리되는 현상이 일어나기도 한다. 이와 같은 현상이 발생하게 되면, 전극간 거리가 멀어지거나 불균일하게 되어 충전 및 방전이 원활하게 되지 않는 문제가 발생하고, 이는 전지의 용량을 감소시키는 원인이 된다.
상기와 같은 전극의 팽창으로 인한 악영향을 해소하기 위한 종래 기술로서, 특허문헌 1(일본 공개특허공보 2013-020821호)은, 타원 형상의 전극 조립체에서 장경 방향 양단의 만곡부에 응력이 쉽게 작용하는 것을 고려하여, 도 2에 도시된 바와 같이 전극 조립체(10a)에서 만곡부(11)를 구성하는 부분의 양극, 음극 및 분리막 중의 하나 이상에 폭 방향으로 연장되는 요철을 길이 방향으로 교대로 반복 형성한 파형 구조(12)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지를 개시하고 있다. 특허문헌 1에서는, 이러한 파형 구조(12)에 의해 응력을 완화할 수 있기 때문에 활물질의 균열이나 박리를 억제할 수 있어 전지 성능을 확보하는데 유리하다고 기재하고 있지만, 상기 파형 구조를 형성하는 방법에 대해서는 아무런 기재가 없다.
또한, 특허문헌 2(한국 등록특허공보 제10-0670429호)는 전극 조립체의 분리막 표면에 엠보싱부를 형성하여 전해액의 함침성을 향상시킨 리튬 이차전지를 개시하고 있다. 동 특허문헌에서는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 전극 조립체(10b)의 분리막(40b)이 평면부(40b-1)와 상기 평면부로부터 적어도 일면으로 돌출되는 엠보싱부(40b-2)를 포함하는 바, 이와 같은 분리막(40b)을 음극(20b) 및 양극(30b)과 함께 권취하여 제조한 젤리롤형 전극 조립체(10b)는 전극들(20b, 30b)과 분리막(40b) 사이에 소정의 갭(gap)을 갖게 되어 분리막과 전극들이 밀착된 상태로 된 종래의 전극 조립체에 비해 전해액을 흡습하기 용이하다고 기재하고 있다. 상기 분리막(40b)의 엠보싱부(40b-2)는 엠보싱 롤(embossing roll)에 의해 압연 처리함으로써 형성한다고 기재하고 있다.
특허문헌 2는 엠보싱부(40b-2)가 형성된 분리막(40b)과 전극들 사이에 갭이 형성되기 때문에, 전술한 바와 같은 전극의 팽창으로 인한 전극의 휘어짐 등의 문제를 어느 정도 해소해 줄 수 있을 것으로 보이지만, 엠보싱부를 형성하기 위해 엠보싱 롤에 의한 압연 처리를 수행할 때 분리막의 다공성이 훼손될 수 있고, 또한 압연 처리에 의해서는 분리막의 표면에 엠보싱부가 제대로 형성되지 않는 한계가 있다.
일본 공개특허공보 2013-020821호 한국 등록특허공보 제10-0670429호
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전지의 충방전시 전극의 팽창으로 발생하는 응력을 완화시켜 전극의 휘어짐, 활물질의 탈리와 같은 현상을 억제하여 전지 성능의 저하를 방지할 수 있는 엠보형 분리막을 갖는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 이차전지용 전극 조립체와 이 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 추가의 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 전극 조립체의 제조방법은,
시트형의 양극과 음극 사이에 시트형 분리막을 개재시켜 젤리롤형으로 권취하여 이차전지용 전극 조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 상기 분리막 상에, 분리막의 권취 방향과 교차되는 방향으로 연장되는 스트라이프(stripe) 형태로 접착제를 도포하는 단계;
(b) 상기 접착제-도포된 분리막을 그의 접착제 도포 면이 양극 및 음극 중의 어느 하나의 전극과 대면하도록 접합하는 단계;
(c) 상기 하나의 전극과 분리막의 접합체를 상기 하나의 전극이 가이드 롤러 외주의 곡면을 따라 접촉되도록 만곡시키면서 가이드 롤러에 통과시켜, 분리막의 표면에 엠보를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 엠보-형성된 접합체에 양극 및 음극 중의 다른 하나의 전극과 합하여 젤리롤형으로 권취하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 분리막은 폴리올레핀계 고분자 다공성 분리막일 수 있고, 상기 폴리올레핀계 고분자는 폴리에틸렌일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스트라이프 형태에서 각 스트라이프는 분리막의 권취 방향과 교차되는 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스트라이프 형태에서 각 스트라이프는 분리막의 권취 방향에 수직인 횡 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스트라이프 형태에서 각 스트라이프 간의 간격은 1 내지 10mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 접착제는 135도 이하의 열을 가할 때 접착력을 발휘하는 접착제일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계(b)에서 상기 어느 하나의 전극이 음극일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계(c)에서 상기 접합체를 30도 내지 180도의 각도로 만곡시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계(c)에서 상기 접합체를 60도 내지 120도의 각도로 만곡시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접합체를 사이에 두고 상기 가이드 롤러와 대향하는 가압 롤러를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계(c)에서 상기 가이드 롤러를 가열해 주는 것일 수 있다.
본 발며의 일 실시예에 따르면, 상기 단계(c)에서 상기 가이드 롤러를 135℃ 이하의 온도로 가열해 주는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 이차전지용 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체가 전지 케이스에 내장된 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 양극 및 음극 중의 어느 하나의 전극과 시트형 분리막을 접착제에 의해 접착시킨 상태에서 가이드 롤러에 간단히 통과시킴으로써 분리막의 표면에 엠보를 효율적으로 형성할 수 있고, 이와 같이 엠보-형성된 분리막과 함께 전극들을 권취하여 전극 조립체를 제조함으로써 전극들 사이에 공극이 형성되게 된다. 이러한 공극에 의해, 전지의 충방전시 전극의 팽창으로 발생하는 응력이 완화되어 전극의 휘어짐, 활물질의 탈리와 같은 현상이 방지될 수 있으며, 이에 따라 전지 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1a는 통상적인 젤리롤형 전극 조립체로 권취되는 상태의 음극, 양극 및 분리막을 도시한 사시도이고, 도 1b는 권취가 완료되어 제조된 젤리롤형 전극 조립체의 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 일례(특허문헌 1)에 따른 젤리롤형 전극 조립체의 단면의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 종래 기술의 다른 예(특허문헌 2)에 따른 전극 조립체의 단면의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 접착제가 스트라이프 형태로 도포된 시트형 분리막을 도시한 평면도이다.
도 5a 내지 5d는 각각 본 발명의 단계(c)의 바람직한 실시형태들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 엠보가 형성된 접합체의 권취 방향 단면을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 젤리롤형 전극 조립체의 수평 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하에서 기재하는 구체적인 사항이나 도면의 내용은 본 발명의 실시형태를 예시하는 것에 불과하므로, 본 발명은 이러한 기재 사항이나 내용에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니될 것이다.
먼저, 본 발명에서 사용하는 용어에 대해 정의한다. 본 발명에서 시트형 분리막 및 전극과 관련하여 권취 방향, 교차 방향, 횡 방향 등의 용어를 사용하는 바, 권취 방향은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 분리막 등이 젤리롤형으로 권취되는 방향(L축 방향)을 의미하고, 횡 방향은 상기 권취 방향에 수직인 방향(W축 방향)을 의미하며, 교차 방향은 상기 권취 방향과 임의의 각도로 교차되는 방향을 의미하며, 상기 횡 방향을 포함하는 개념이다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극 조립체의 제조방법은, 시트형의 양극과 음극 사이에 시트형 분리막을 개재시켜 젤리롤형으로 권취하여 이차전지용 전극 조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 상기 분리막 상에, 분리막의 권취 방향과 교차되는 방향으로 연장되는 스트라이프 형태로 접착제를 도포하는 단계;
(b) 상기 접착제-도포된 분리막을 그의 접착제 도포 면이 양극 및 음극 중의 어느 하나의 전극과 대면하도록 하나의 전극과 접합하는 단계;
(c) 상기 하나의 전극과 분리막의 접합체를 상기 하나의 전극이 가이드 롤러 외주의 곡면을 따라 접촉되도록 만곡시키하면서 가이드 롤러에 통과시켜 분리막의 표면에 엠보를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 엠보-형성된 접합체에 양극 및 음극 중의 다른 하나의 전극과 합하여 젤리롤형으로 권취하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 사용하는 시트형 양극, 시트형 음극, 시트형 분리막은 당업계에 공지되어 있는 것들 중에서 특별히 제한됨이 없이 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재, 바인더 등을 포함하는 슬러리를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤≤y≤≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1 + zNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2, Li1 + zNi0 . 4Mn0 . 4Co0 . 2O2 등과 같이 Li1 + zNibMncCo1 - (b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤≤0.5, 0.1≤≤b≤≤0.8, 0.1≤≤c≤≤0.8, 0≤≤d≤≤0.2, 0≤≤e≤≤0.2, b+c+d<1 임, M Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1 + xM1 - yM'yPO4 - zXz (여기서, M = 전이금속, 구체적으로 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤≤x≤≤+0.5, 0≤≤y≤≤0.5, 0≤≤z≤≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있다..
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 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, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 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 50 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 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
본 발명에서 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질 등을 포함하는 슬러리를 도포한 후 건조하여 제작되며, 상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서 분리막은 당업계에서 통상적으로 사용되는 고분자 다공성 분리막이 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대, 폴리올레핀계 고분자 다공성 분리막; 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트, 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물로 형성된 다공성 분리막을 들 수 있다. 본 발명에서, 상기 폴리올레핀계 고분자 다공성 분리막, 보다 구체적으로는 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 단독으로 또는 이들을 혼합하여 형성한 막(membrane)이나 부직포를 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명에서는 상기에서 예시적으로 설명한 바와 같은 양극, 음극, 분리막 등을 사용하여 전극 조립체를 제조하는 바, 먼저, 시트형 분리막 상에 접착제를 스트라이프의 형태로 도포한다(단계(a)). 상기 접착제(41)가 도포되는 스트라이프 형태에서 각 스트라이프는, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리막(40')이 권취되는 권취 방향(L)과 임의의 각도로 교차되는 방향으로 연장되며, 바람직하게는 권취 방향에 수직인 횡 방향(W)으로 연장된다. 또한, 스트라이프들 간의 간격(G)은 일정하지 않을 수도 있지만 일정한 것이 바람직하며, 그 간격은 바람직하게는 1 내지 10mm일 수 있다. 스트라이프의 간격이 1mm 미만으로 너무 가까울 경우 접착제의 도포면이 필요 이상으로 넓어져 배터리의 성능 저하를 일으킬 수 있고, 스트라이프의 간격이 10mm를 초과하여 너무 넓을 경우에는 분리막과 전극 간 접착이 잘 되지 않아 엠보가 형성되기 어려울 수 있다. 또한, 스트라이프의 폭은 스트라이프의 간격, 접착제의 접착력, 분리막의 종류를 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
본 발명의 단계(a)에서의 접착제는 당업계에 공지된 통상적인 것들 중에서 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 예컨대 접착성이 좋은 아크릴계 접착제, 우레탄계 접착제, 열가소성 엘라스토머 등을 포함하는 조성물 등을 사용할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명에서는 분리막으로서 폴리에틸렌 다공성 분리막을 바람직하게 사용할 수 있는 바, 이 경우, 접착제는 135도 이하의 열을 가할 때 접착력을 발휘하는 것이 바람직하다.
단계(a)를 수행한 후, 상기 접착제-도포된 분리막을 양극 및 음극 중의 어느 하나의 전극과 접합한다(단계(b)). 이때 분리막의 접착제 도포 면이 상기 하나의 전극과 대면하도록 접합하며, 접합은 특별히 가압하는 등의 조작을 할 필요는 없고 분리막과 전극을 대면하도록 합치는 것으로 족하다. 여기서, 상기 접착제-도포된 분리막과 접합하는 전극은 양극과 음극 중 음극으로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 양극과 대비하였을 때, 음극은 휨 특성이 우수하여 롤러에 밀착되기 쉽기 때문이다.
이어서, 단계(b)에서 접착제-도포된 분리막과 하나의 전극을 접합한 것(이하, '접합체'로 약칭하기도 함)을 가이드 롤러에 통과시켜 분리막의 표면에 엠보를 형성하는 공정을 수행한다(단계(c)). 단계(c)의 바람직한 실시형태들을 도 5a 내지 5d에 개략적으로 도시하였는 바, 이들 도면을 참조하면서 단계(c)를 설명한다.
단계(c)에서는, 상기 접합체를 가이드 롤러(50)에 직선형으로 통과시키는 것이 아니라, 가이드 롤러(50) 외주의 곡면을 따라 만곡시키면서 곡선형으로 통과시키며, 또한 접합체의 양면 중 전극쪽 면(도 5에서는 음극(20')쪽 면)이 가이드 롤러(50)의 외주면과 대면하도록 하여(즉, 접합체의 양면 중 분리막(40')쪽 면이 롤러(50)의 바깥쪽을 향하도록 하여) 가이드 롤러(50)에 통과시키는 것을 특징으로 한다.
상기 접합체를 가이드 롤러(50)에서 곡선형으로 만곡시키는 만곡 각도(θ)는 형성하고자 하는 엠보의 높이(돌출 정도)에 따라 적절히 조절해 줄 수 있으며, 바람직하게는 30도 내지 180도, 보다 바람직하게는 60도 내지 120도의 범위로 할 수 있다. 도 5a 내지 5d에서는 만곡 각도(θ)를 각각 90도, 60도, 120 및 90도로 한 경우를 나타내고 있다.
또한, 단계 (c)에서는, 상기 접합체를 사이에 두고 가이드 롤러(50)와 대향하는 가압 롤러(51)를 추가로 구비하여 가이드 롤러(50)에 접촉하면서 통과하는 접합체를 가압하여 주면, 분리막(40')과 전극이 접착제 도포된 부분에서 보다 견고하게 접착될 수 있어 바람직하다. 도 5d는 가압 롤러(51)가 추가로 구비되어 있는 바람직한 실시형태를 도시하고 있다. 이러한 가압 롤러(51)는 가이드 롤러(50)의 외주면 상을 통과하는 접합체를 적절히 가압해 줄 수 있는 것이면 되고, 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 가이드 롤러(50) 및/또는 가압 롤러(51)를 소정의 온도로 가열한 상태에서 접합체를 통과시킴으로써, 분리막 상에 스트라이프 형태로 도포된 접착제가 용융되면서 분리막과 전극을 접착시키게 된다. 또한, 고분자 소재의 분리막이 자연스럽게 연신될 수 있어 바람직하다. 이때 가압 롤러(51)의 온도는 분리막의 소재에 따라 수축이 일어나지 않을 정도의 온도로 적절히 조절해 줄 수 있으며, 분리막이 예컨대 폴리에틸렌으로 된 경우 135℃ 이하, 바람직하게는 50℃ 내지 130℃의 온도로 가열해 주면 접착성과 연신성의 면에서 바람직하다.
이와 같이 접합체가 가이드 롤러(50)를 통과할 때, 가이드 롤러(50)에 대면하는 내측의 전극과 외측의 분리막 간에 곡률의 차이(달리 말하면, 가이드 롤러의 원주상 외주면을 통과하는 원주 거리의 차이)가 있고, 분리막이 전극에 비해 상대적으로 연성을 띄기 때문에, 외측의 분리막에는 연신이 이루어지게 되고, 이와 같이 연식된 분리막은 접합체가 가이드 롤러를 통과한 후 다시 직선형으로 되면서 접착제가 도포되지 않은 부분에서는 들뜨는 상태가 됨으로써, 파형 구조 혹은 주름이 형성된 것과 같은 엠보형의 분리막이 형성되게 된다.
도 6은 엠보가 형성된 접합체의 권취 방향 단면을 확대하여 도시한 단면도인 바, 전극(도면에서는 음극(20'))과 분리막(40')이 접착제(41)의 도포 부분에서는 접착되어 있지만, 그 외의 부분에서는 분리막(40')이 들뜬 상태가 되어 돌출된 엠보를 형성하고 있는 것을 보여 주고 있다.
상기 단계(c)에서 분리막이 엠보형으로 된 접합체에, 양극 및 음극 중의 다른 하나의 전극과 합하여 젤리롤형으로 권취하면 전극 조립체가 제조된다(단계(d)). 여기서, 젤리롤형으로의 권취 방법은 당업계에 공지되어 있는 것들 중에서 적절히 선택하여 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다
도 7은 본 발명에 따라 제조된 젤리롤형 전극 조립체의 수평 단면을 개략적으로 도시한 것인 바, 음극(20')과 양극(30') 사이에 엠보형 분리막(40')이 개재되어 있어 양 전극 사이에 공극이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 공극에 의해, 전지의 충방전시 전극의 팽창으로 발생하는 응력이 완화되어 전극의 휘어짐, 활물질의 탈리와 같은 현상이 방지될 수 있으며, 이에 따라 궁극적으로 전지의 성능 저하를 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 이차전지를 제공하는 바, 본 발명의 이차전지는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 내장하는 전지 케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전극 조립체가 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 이차전지용 전극 조립체인 것을 특징으로 한다. 여기서, 전지 케이스, 이차전지의 구체적인 구성, 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있는 것들 중에서 적절히 선택하여 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 구체적인 실시형태나 예를 들면서 본 발명을 상세히 설명하였지만, 이러한 내용에 기초하여 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 다른 형태로의 변형, 재료 등의 대체, 치수의 변경, 추가적인 구성요소의 부가 등을 할 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
10a, 10b: 전극 조립체
11: 만곡부
12: 파형 구조
20, 20b, 20': 음극
30, 30b, 30': 양극
40, 40b, 40': 분리막
40b-1: 평면부
40b-2: 엠보싱부
41: 접착제
50: 가이드 롤러
51: 가압 롤러
G: 간격
θ: 만곡 각도

Claims (15)

  1. 시트형의 양극과 음극 사이에 시트형 분리막을 개재시켜 젤리롤형으로 권취하여 이차전지용 전극 조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 상기 분리막 상에, 분리막의 권취 방향과 교차되는 방향으로 연장되는 스트라이프(stripe) 형태로 접착제를 도포하는 단계;
    (b) 상기 접착제-도포된 분리막을 그의 접착제 도포 면이 양극 및 음극 중의 어느 하나의 전극과 대면하도록 접합하는 단계;
    (c) 상기 하나의 전극과 분리막의 접합체를 상기 하나의 전극이 가이드 롤러 외주의 곡면을 따라 접촉되도록 만곡시키면서 가이드 롤러에 통과시켜, 분리막의 표면에 엠보를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 엠보-형성된 접합체에 양극 및 음극 중의 다른 하나의 전극과 합하여 젤리롤형으로 권취하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막은 폴리올레핀계 고분자 다공성 분리막인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 고분자는 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트라이프 형태에서 각 스트라이프는 분리막의 권취 방향과 교차되는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스트라이프 형태에서 각 스트라이프는 분리막의 권취 방향에 수직인 횡 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트라이프 형태에서 각 스트라이프 간의 간격은 1 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제는 135도 이하의 열을 가할 때 접착력을 발휘하는 접착제인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    단계(b)에서 상기 어느 하나의 전극이 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    단계(c)에서 상기 접합체를 30도 내지 180도의 각도로 만곡시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    단계(c)에서 상기 접합체를 60도 내지 120도의 각도로 만곡시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합체를 사이에 두고 상기 가이드 롤러와 대향하는 가압 롤러를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    단계(c)에서 상기 가이드 롤러를 가열해 주는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    단계(c)에서 상기 가이드 롤러를 135℃ 이하의 온도로 가열해 주는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체의 제조방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  15. 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 내장하는 전지 케이스를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 전극 조립체가 제 14 항에 따른 이차전지용 전극 조립체인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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