KR200173954Y1 - 리튬 이온 2차 전지의 전극 - Google Patents

Abstract

목적 : 본 고안은 N/P ratio를 최적화 시켜 전지의 고용량화 및 활물질의 결합력을 향상시킬 수 있는 전극을 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 활물질을 양·음극 기재에 도포하여 각각의 전극을 형성하고, 이들과 세퍼레이터를 함께 권취하여 캔에 삽입하며, 이 캔에 전해액을 주입한 후 절연가스킷이 부착된 캡어셈블리로 밀봉하는 구조로 이루어진 리튬 이온 2차 전지에 있어서, 상기 양극 기재(10) 혹은 음극 기재(10)에 적어도 하나 이상의 관통구멍(16)을 형성하고, 양·음극 활물질이 도포됨을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 전극을 기술적 구성으로 한다.

효과 : 양·음극 기재에 형성된 관통구멍에 양·음극 활물질이 채워지므로 활물질의 양을 증대시켜 전지의 고용량화가 가능하고, N/P ratio를 1에 가깝게 유지하여 전지의 안전성을 확보하며, 활물질의 탈락을 방지할 수 있는 효과를 얻는다.

Description

리튬 이온 2차 전지의 전극

본 고안은 전극으로 작용하는 양·음극판에 활물질을 도포함에 있어 그 양을 확대할 수 있도록 하여서, 리튬 이온 2차 전지의 고용량화된 전극을 제조할 수 있도록 한 리튬 이온 2차 전지의 전극에 관한 것이다.

리튬 2차 전지는 리튬의 흡장, 방출 반응을 충방전 반응으로 이용하여 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 용이한 전지로서, 대표적인 것으로 리튬 이온 2차 전지가 사용되고 있다.

리튬 이온 2차 전지는 양극으로 리튬 금속산화물이 사용되고 음극으로 탄소계를 사용하여, 충전시 양극에서 방출된 리튬 이온이 음극의 탄소계 내부로 흡장되고, 방전시 탄소계 내부에 함유된 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로 흡장되어서 충방전이 반복된다.

이러한 리튬 이온 2차 전지는, 양전극과 세퍼레이터(separator) 그리고 음전극 순서로 대면시킨 극판군을 스파이럴(spiral) 상으로 권취하여 젤리 롤(jelly-roll)을 형성하고, 이를 일정크기의 캔 내부로 삽입한 다음 그 내부에 전해액을 주입하며, 이어서 외주면에 절연가스킷이 덧대어진 캡어셈블리로 캔의 개구부를 밀봉하여 제조된다.

여기서, 양전극과 음전극은 도 4에 도시한 바와 같이 각각 리튬 금속산화물 및 탄소계 물질로 제조된 활물질(14) 슬러리을 금속 기재(substrate;9)에 도포하고, 이것을 다시 압연한 후 소정의 사이즈로 절단하는 공정에 의해 제조된다. 특히 금속 기재는 도전성이 좋은 알루미늄, 구리 등을 사용한다.

이러한 전극들을 권취하여 젤리 롤로 제조하는 공정에서, 이의 기하학적인 특성에 의해 곡률을 갖게 되므로 젤리 롤의 중심부와 외곽부 사이에 N/P ratio가 달라진다. 이러한 N/P ratio의 차이는 젤리 롤의 내부로 갈수록, 전극의 두께가 두꺼워질수록 그 값이 커지게 된다.

여기서 N/P ratio는 음극의 면적 및 g(그램)당 용량을 감안하여 산출한 음극의 총용량을, 양극의 면적 및 그램당 용량을 감안하여 얻은 양극의 총용량으로 나눈 값인데, 전지의 안전성 및 용량에 중대한 영향을 미치므로 일반적으로 1이상의 값을 갖는다. 즉, 음극의 용량을 많게 제작한다. 참고로 N/P ratio 가 1이 되지 않으면, 충방전시 금속 리튬이 석출되기 쉽고, 특히 이는 고율 충방전시에 전지의 안전성을 급격히 열화시키는 원인으로 작용한다.

그러나 리튬 이온 2차 전지의 용량을 극대화하면서 동시에 N/P ratio를 조절하는 데도 한계가 따른 데, 그 이유는 기재에 도포되는 활물질의 두께를 너무 두껍게 하였을 경우 권취과정에서 활물질이 기재에서 탈락하여 전지의 손상을 유발한다.

그리고 다른 문제점으로 나타나는 것은, 알루미늄이나 구리 등을 이용한 기재의 표면이 매끄러워 기재에 도포된 활물질이 벗겨지거나 탈락한다.

이와같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 본 고안은, N/P ratio를 최적화 시켜 전지의 고용량화 및 활물질의 결합력을 향상시킬 수 있는 전극을 제공하는 것이 목적이다.

본 고안은 이러한 목적을 달성하기 위해서, 활물질을 양·음극 기재에 도포하여 각각의 전극을 형성하고, 이들과 세퍼레이터를 함께 권취하여 캔에 삽입하며, 이 캔에 전해액을 주입한 후 절연가스킷이 부착된 캡어셈블리로 밀봉하는 구조로 이루어진 리튬 이온 2차 전지에 있어서, 상기 양극 기재(10) 혹은 음극 기재(10)에 적어도 하나 이상의 관통구멍(16)을 형성하고, 양·음극 활물질이 도포됨을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 전극을 기술적 구성으로 한다.

특히, 상기 관통구멍(16)으로 활물질이 채워지고, 이에 따라 상기 음극의 총용량을 양극의 총용량으로 나눈 값이 1 이상인 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 전극 기재에 활물질을 도포하는 장치를 도시한 개략도

도 2는 본 고안에 따른 전극 기재에 활물질이 도포된 전극을 도시한 평면도

도 3은 도 2의 A-A에서 본 단면도

도 4는 종래의 전극 기재에 활물질이 도포된 전극을 도시한 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

4 : 호퍼 6 : 충전 로울러

8 : 구동 로울러 10 : 전극 기재

12 : 닥터블레이드 14 : 활물질

16 : 관통구멍

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

참고로 본 고안을 설명함에 있어, 종래 기술에서 인용된 도면과 동일한 본 발명의 구성에 대해서는 고안의 명료성을 위해 동일한 부호를 사용한다.

리튬 이온 2차 전지의 제조법은, 양·음극 기재 각각에 페이스트(paste)상으로 된 리튬 금속산화물 및 탄소계 활물질을 일정두께로 도포한 후 건조시키고 롤 프레스(Roll Pressing)하면, 소정의 두께를 갖는 양·음극이 형성된다. 이 양·음극을 원하는 크기로 절단한 다음 양·음극 사이에 세퍼레이터를 삽입한 후 권취(捲取)하여 젤리 롤을 형성하고, 이를 소정의 캔에 넣는다. 그런 다음 캔의 내부에 전해액을 주입하고 절연가스킷이 구비된 캡어셈블리로 캔의 개구부를 밀봉하여 제작한다.

이와같은 제조과정에서 본 고안의 특징에 따른 양·음극은 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이 양·음극 기재에 일정한 간격과 배열로 다수의 관통구멍(16)을 형성하는 데, 이들 관통구멍(16)의 횡단면 모양은 다양하게 제작이 가능하다. 특히 기재는 알루미늄, 구리 등의 전도성이 좋은 금속을 사용한다.

이러한 기재에 활물질이 도포되는 과정을 도 1에 나타내고 있는 데, 이를 참조하여 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.

호퍼(hopper;4)의 내부에 페이스트인 활물질(14) 슬러리(slurry)를 일정 수위로 충만시킨다.

이어서, 시트(sheet)상으로 제조된 기재(10)를 구동로울러(8)로 테이크업시켜 활물질(14) 슬러리가 충만된 호퍼(4)로 통과시키는 데, 이 때 활물질(14) 슬러리는 이의 내부에 설치된 충전로울러(6)에 의해 가압되어서 기재(10)쪽으로 흐름에 따라 기재의 표면으로 활물질(14) 슬러리가 접촉되고, 관통구멍으로도 활물질(14)이 채워져 기재의 양면에 도포되는 활물질(14)이 상호 연결된다.

다음으로 기재 표면의 활물질(14)은 구동로울러(8)와 호퍼(4) 사이에 설치되는 닥터블레이드(doctor blade;12)에 의해 1차 규정치의 두께로 긁혀지고, 이후 고온의 로(爐)를 거쳐 건조되면 일정 두께의 활물질(14)이 도포된 전극이 형성된다. 이러한 전극 기재를 롤 프레스로 압연하게 되면 활물질(14)이 치밀화된다.

이렇게 얻어지는 전극은, 전극 기재(10)의 관통구멍(16) 개수를 적절히 조절함에 따라 이의 내부에 채워지는 활물질(14) 양이 달라지게 되고, 결과적으로 N/P ratio 비율을 최적화시킬 수 있다. 특히 N/P ratio가 1보다 큰 쪽에서 1에 가깝게 할 수 있다.

또한, 전극 기재(10)에 도포되는 활물질(14)의 양을 증가시켜 양·음극 사이의 전기화학적 반응이 활발하게 진행되어 전지의 성능을 향상시킨다.

그리고 관통구멍에 활물질(14)이 채워져 전극 기재(10)의 양면에 도포된 활물질(14)이 서로 연결되므로 매끄러운 알루미늄, 구리를 사용하여도 기재와 활물질(14) 간의 기계적 결합력이 향상된다.

이상에서 알수 있듯이 본 고안에 의한 2차 전지의 전극은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 양·음극 기재에 관통구멍을 형성한 후에 활물질이 도포됨으로써 활물질의 양이 증대되고, 이에 따라 전지를 고용량화 시킬 수 있다.

또한, 관통구멍의 개수를 조절함으로써 이에 채워지는 활물질의 양도 조절할 수 있어 N/P ratio가 1보다 크면서도 1에 가깝게 유지할 수 있어 전지의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 얻게 된다.

아울러, 양·음극 기재의 양면에 도포된 활물질이 관통구멍에 채워진 활물질에 의해 기계적으로 연결되어 활물질의 탈락을 방지할 수 있으므로 전지의 손상을 감소시킬 수 있는 효과도 있다.

Claims (3)

1. 활물질을 양·음극 기재에 도포하여 각각의 전극을 형성하고, 이들과 세퍼레이터를 함께 권취하여 캔에 삽입하며, 이 캔에 전해액을 주입한 후 절연가스킷이 부착된 캡어셈블리로 밀봉하는 구조로 이루어진 리튬 이온 2차 전지에 있어서,

   상기 양극 기재(10) 혹은 음극 기재(10)에 적어도 하나 이상의 관통구멍(16)을 형성하고, 양·음극 활물질이 도포됨을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 전극.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구멍(16)으로 활물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 전극.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 음극의 총용량을 양극의 총용량으로 나눈 값이 1 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 전극.