KR20000020534A - 이차전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

목적 : 전지 조립 후 포메이션 단계에서 활물질의 안정화를 초기에 구축하기 위해 활물질의 표면에 전류 경로를 형성하여, 전지의 불량을 제거하는 차기 단계의 에이징 시간을 줄임으로써 공정의 단축을 꾀할 수 있도록 한 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 상기 양극(10)과 세퍼레이터 및 음극(12)이 함께 어셈블리된 전지에 동일한 전류로 충전을 시작으로 하여 충전과 방전을 반복하되 충전시간이 방전시간보다 길게 함에 의하여 도전성 피복층이 도전성 네트워크층으로 형성되게 함으로써 활물질의 전류 경로가 확정되도록 하는 포메이션 공정을 포함하여 이루어진다.

효과 : 종래 공지된 포메이션 방식에 의한 전지의 성능에 비해 충방전 효율이 3%정도 향상된다.

Description

이차전지의 제조방법

본 발명은 이차전지의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 활물질의 표면에 전류 경로(current path)를 형성하기 위해, 전지 조립 후 포메이션(formation) 단계에서 활물질의 안정화를 초기에 구축하여 전지의 불량을 제거하는 차기 단계의 에이징(aging) 시간을 줄임으로써 공정의 단축을 꾀할 수 있도록 한 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 대표적으로 고에너지 밀도를 자랑하는 리튬이온 이차전지가 사용되고 있다.

특히, 리튬이온 이차전지 중에서 코발트산 리튬이온 이차전지는 양극으로 LiCoO₂ 이 사용되고 음극으로 탄소재가 사용되어, 충전시 음극에서 Li⁺이온가 발생되어 음극으로 흡수되고, 방전시 필요한 Li⁺이온이 전해액 내로 방출되어 충방전이 반복된다.

여기서, 양극은 LiCoO₂ 의 활물질과 도전제 및 결합제가 페이스트 형태로 제조되어 알루미늄 재질의 양극 기재에 도포 및 충진되고, 이것이 다시 건조와 압연된 후 소정의 길이로 절단되어 얻어지는 것이다. 또, 상기 음극도 탄소재 활물질에 도전제 및 결합제가 함유된 페이스트 형태로 제조되어 구리재질의 음극 기재에 상술한 양극도 동일한 과정을 거쳐 얻어짐에 따라, 양극과 음극은 활물질 입자의 표면으로 도전제 성분이 코팅되어진다.

한편, 도 4와 도 5에 도시한 바와 같이 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 배치하고 함께 권취한 전극롤을 보유한 코발트산 리튬이온 이차전지는 0.2C로 7시간 충전하여 4.1V가 유지되는 포메이션 방식을 채택하여 전극 기재(2)에 활물질(4)과 함께 함침된 도전제 성분에 의한 도전성 네트워크를 형성하게 됨으로써 고용량화가 실현되는 것이다.

이렇게 제조된 코발트산 리튬이온 이차전지는 에이징 단계에서 전지가 충전이 올바로 되어 사용 가능한지를 검토하여 불량전지를 선별한 후 제품으로 출하하게된다.

그러나, 이와 같이 일정 전류로 계속해서 충전하는 종래의 방법은 포메이션을 행하는 시간이 오래 걸리고, 포메이션이 되었다 하더라도 안정화가 보장되지 않았을 때는 재차 여러번의 충방전이 필요하게 되어 공정 효율성을 떨어뜨리며, 장기간의 에이징 단계가 필요하게 되는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 제안되는 본 발명은 전지 조립 후 포메이션 단계에서 활물질의 안정화를 초기에 구축하기 위해 활물질의 표면에 전류 경로를 형성하여, 전지의 불량을 제거하는 차기 단계의 에이징 시간을 줄임으로써 공정의 단축을 꾀할 수 있도록 한 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이 목적이다.

이를 위하여, 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 어셈블리된 전지에 동일한 전류로 충전을 시작으로 하여 충전과 방전을 반복하되 충전시간이 방전시간보다 길게 함에 의하여 도전성 피복층이 도전성 네트워크층으로 형성되게 함으로써 활물질의 전류 경로가 확정되도록 하는 포메이션 공정을 포함하여 이루어진다.

특히, 상기 양극 활물질은 LiCoO₂ 인 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 음극 활물질은 탄소재가 사용될 수 있는 것이다.

상기 전류는 0.2C 이하로 인가되는 충전과 방전을 반복하여 이루어질 수 있고, 상기 충전과 방전은 연속적으로 이루어진다.

이 때, 상기 충전시간과 방전시간은 각각 30분 및 10분 정도로 될 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 활물질의 전류 경로를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 전지의 포메이션을 도시한 그래프.

도 3은 본 발명과 종래 공지된 포메이션에 의한 전지의 성능을 비교한 그래프.

도 4는 종래 활물질의 전류 경로를 도시한 도면.

도 5는 종래 공지된 전지의 포메이션을 도시한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 12 : 전극 14, 18 : 활물질

16, 20 : 전극 기재

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 활물질의 전류 경로를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 전지의 포메이션을 도시한 그래프이며, 도 3은 본 발명과 종래 공지된 포메이션에 의한 전지의 성능을 비교한 그래프이다.

코발트산 리튬이온 이차전지는 전극롤과 전해액을 함께 캔의 내부에 수납하고, 캔의 개구를 가스켓이 개재되는 캡 어셈블리로 밀봉하여 얻어진다.

상기 전극롤은 양극(10), 세퍼레이터 및 음극(12)을 함께 권취하여 제작되는데, 양극은 LiCoO₂ 의 활물질(14)과 도전제 및 결합제가 페이스트 형태로 제조되어 알루미늄 재질의 양극 기재(16)에 도포 및 충진되고, 이것이 다시 건조와 압연된 후 소정의 길이로 절단되어 얻어지는 것이다.

또한, 상기 음극(12)도 탄소재 활물질(18)에 도전제 및 결합제가 함유된 페이스트 형태로 제조되어 구리재질의 음극 기재(20)에 도포 및 충진되고, 상술한 양극과 동일한 과정의 건조와 압연을 거쳐 얻어짐에 따라, 양극(10)과 음극(12)은 활물질 입자의 표면으로 도전제 성분이 코팅되어진다.

이와 같은 양극과 음극이 도전성 네트워크를 형성하기 위해서는 어셈블리된 이차전지를 포메이션하여야 한다.

이 경우, 본 발명의 포메이션 단계는 종래의 정전류 충전 방식의 문제점을 해소하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같이 동일한 전류로 시간을 달리한 충전과 방전에 의하여 도전성 피복층이 도전성 네트워크층으로 형성되게 함으로써 활물질의 전류 경로가 확정되도록 하는 것이다.

보다 구체적으로, 전지에 충전을 할 때는 0.2C의 전류로 30분 정도의 충전시간을 유지하고, 반면에 방전시에는 충전시와 동일한 전류인 0.2C로 10분 정도 유지함으로써, 전체 포텐셜 전압은 점진적으로 상승되도록 한다.

이렇게 반복되는 충전과 방전을 50사이클 정도로 행하면 양극과 음극의 표면에는 전압 포텐셜 변화에 따라 전류 경로가 생성되고, 도 3에 도시한 바와 같은 전지 성능 결과를 얻게 된다.

이 그래프에서 좌변은 사이클이 진행됨에 따라 포메이션에 의한 전지의 성능을 종래 공지된 것과 본 발명에 의한 것을 비교하여 나타내고 있고, 우변은 포메이션에 의한 전지의 효율을 나타낸다.

즉, 본 발명에 의한 포메이션 방식으로 전류 경로를 형성한 전지는 그 용량이 1600mAh로 종래 포메이션 방식에 의한 전지의 용량과 거의 동일함으로 알 수 있고, 충전량으로 방전량을 나눈 전지의 효율은 20사이클까지 비슷하게 진행되나, 그 이후부터 점차 차이가 벌어져 50사이클이 되었을 때는 본 발명의 특징에 따라 전류 경로를 형성한 전지의 경우 100%의 효율을 보이지만 종래 포메이션 방식을 채택한 전지의 효율은 97%정도로 대략 3%의 효율 차이를 보인다. 이는 사이클을 더욱 진행시킬수록 더욱 차이가 나게 되었다.

이에 따라, 종래 전지와 동일하게 주어진 시간동안 포메이션을 행한 본 실시예는 효율이 더욱 뛰어나고, 또한 본 발명은 초기활성화시 정전류로 인해 과충전이 발생되는 종래 기술과 달리, 반복 충방전에 의한 포메이션으로 인해 과충전이 방지되므로서 전극의 손상이 방지되게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 전지는 충전 리저브가 감소되므로서 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.

한편으로, 본 발명의 실시예는 전류 경로의 형성반응이 자연적으로 유도되게 하여, 양극 활물질 및 음극 활물질의 손상이 방지되게 하며, 균일하고 치밀한 도전성 네트워크층이 형성되게 할 수 있다. 이에 따라, 양극 활물질의 표면 요철이 미세 균일해지고, 고밀도 충전이 가능하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 전지의 포메이션을 충전 전류 0.2C와 방전 전류 0.2C을 반복하여 연속적으로 가하고, 충전시간은 30분으로 방전시간은 10분으로 함에 따라 전압 포텐셜이 점진적으로 상승하게 되며, 종래 공지된 포메이션과 동일한 용량을 지니면서도 효율은 3%정도 향상된 결과를 얻는다.

또한, 전극 기재에 도포된 활물질에 전류 경로가 자연적으로 형성되어져서 양극 활물질 및 음극 활물질의 손상이 방지되게 하며, 균일하고 치밀한 도전성 네트워크층이 형성되게 할 수 있어 양극 활물질의 표면 요철이 미세 균일해지고, 고밀도 충전이 가능하게 된다.

Claims (5)

1. 양극 활물질에는 결착제가, 음극 활물질에는 도전제 및 결착제가 함께 교반되어 도전성 피복층을 갖는 양극 활물질 페이스트 및 음극 활물질 페이스트를 제조하고 양극 기재 및 음극 기재에 각각 도포 및 충전한 양극, 음극이 구비되는 이차전지에 있어서,

   상기 양극(10)과 세퍼레이터 및 음극(12)이 함께 어셈블리된 전지에 동일한 전류로 충전을 시작으로 하여 충전과 방전을 반복하되 충전시간이 방전시간보다 길게 함에 의하여 도전성 피복층이 도전성 네트워크층으로 형성되게 함으로써 활물질의 전류 경로가 확정되도록 하는 포메이션 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 LiCoO₂ 인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전류는 0.2C 이하로 인가되는 충전과 방전을 반복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 충전과 방전은 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 충전시간과 방전시간은 각각 30분 및 10분 정도인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.