KR20020000015A - 리튬 2차 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

리튬 2차 전지 및 그 제조방법에 관해 개시된다. 개시된 리튬 2차전지는 극판과 전해질층의 사이에 이들간의 공극을 제거함과 아울러 접촉계면 특성을 향상시키는 고분자 매개층이 개재된 구조를 가진다.
개시된 리튬 2차전지는 극판과 전해질필름 또는 세퍼레이터 사이의 계면 특성이 향상되고, 따라서 전해질층에서의 이온이동도가 향상되고 따라서 전류 효율이 높아지게 된다. 이러한 본 발명은 원통형, 사각기둥형 또는 소위 파우치형의 리튬 2차 전지에의 적용이 가능하다.

Description

리튬 2 차 전지 및 그 제조 방법{Lithium secondary cell and method thereof}
본 발명은 리튬 2차 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 극판과전해질필름 또는 세퍼레이트 등의 전해질층 간의 접촉계면 특성이 개선된 리튬 2차 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
에너지 밀도가 높은 리튬 2차전지는 소형 경량화가 요구되는 휴대용 전화기, 캠코더, 노트북 컴퓨터에 많이 적용된다. 리튬 2차 전지는 다른 전지들에 비하여 수명이 길고 에너지밀도가 높고, 그리고 가공하기가 쉬우며 제조가 용이하여 전자제품에 대한 응용이 쉽다. 리튬 2차 전지는 캐소드 활물질로는 리튬니켈산화물, 리튬코발트산화물, 리튬망간산화물 등을 이용하고, 애노드 활물질로는 카본, 리튬 금속 및 그 합금 등을 이용하는 것이 일반적이다. 그리고 전해질로는 액체 유기전해질, 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리아크릴로니트릴, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 등과 같은 고분자 매트릭스를 기본으로 하는 고분자 고체 전해질을 각각 이용하고 있다.
이러한 리튬 2차 전지는 전해질 및 전극 재료에 따라 리튬 금속 전지, 리튬이온 전지, 고분자 전해질 전지, 플라스틱 이온 전지 등으로 구분될 수 있다. 리튬이온 전지는 전해질로서 액체형 전해질을 사용하며, 리튬 이온 폴리머 전지는 전해질로서 고체형 또는 겔형 전해질을 사용한다.
리튬 금속 전지와 리튬 이온 전지는 액체 전해질을 사용하며, 리튬 이온 폴리머 전지(Lithium Ion Polymer Battery)는 고분자 고체 전해질을 사용한다. 상기 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기 전해액이 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 전지와 유기 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
이러한 리튬 이온 전지에 있어서, 양극판 및 음극판과 이들 사이의 전해질층간의 계면특성 및 극판과 세퍼레이터 간의 계면, 특히 계면에서의 접촉 저항을 최소화하는 것이 필요하다. 접촉 저항은 이온 및 전류의 이동을 억제하기 때문에, 접촉 저항을 줄일 수 록 전지의 효율이 증가한다.
그러나, 종래의 리튬 이온 전지에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 극판(양극판 및 음극판, 1)과 전해질층(2) 사이에는 미소한 공극(3)이 존재한다. 이러한 미소 공극은 극판 및 전해질층의 표면 거칠기에 크게 변화되는데, 이를 줄이기 위해서는 따라서 극판과 전해질층의 표면의 평활도를 극히 높혀야 한다. 그러나, 극판과 전해질층을 제조하는 과정에서 각각의 표면 평활도를 높이는데에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 극판과 전해질층간의 계면 특성이 향상되어 전류 효율이 향상된 리튬 2 차 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래 리튬 2차 전지의 극판과 전해질층간에 존재하는 공극을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 개략적 외관을 보인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 전지의 개략적인 외관을 보인 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬 2차 전지에서 극판과 전해질층간의 적층 구조를 보인 발췌 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 극판(양극판, 음극판) 20: 전해질층(전해질 필름, 세퍼레이터)
30: 고분자 매개층
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 양극판 및, 음극판과, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터 또는 전해질층을 구비하는 리튬 2차 전지에 있어서,
상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 하나와 세퍼레이터 또는 전해질층의 사이에 이들 사이의 계면 공극을 제거하기 위한 고분자 매개층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지가 제공된다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,
양극판 및 음극판과, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터 또는 전해질층을 구비하는 리튬 2차 전지을 제조함에 있어서,
음극판, 양극판 및 전해질층을 제작하는 단계;
상기 음극판과 양극판 중 적어도 어느 하나의 내면에 상기 세퍼레이터 또는 전해질층 보다 낮은 용융점을 가지는 고분자 매개층을 형성하는 단계;
상기 세퍼레이터 또는 전해질층의 상하에 상기 음극판과 양극판을 접합하는 단계;
상기 세퍼레이터 또는 전해질층에 대해 상기 음극판과 양극판을 소정 온도로 가열하는 상태에서 가압하여, 상기 고분자 매개층이 용융시키는 단계;를 포함하는 리튬 2차 전지의 제조방법이 제공된다.
상기 본 발명의 리튬 2차 전지 및 그 제조 방법에 있어서, 상기 세퍼레이터 또는 전해질층은 유기 전해액이 함유되어 있지 않은 완전 고체형 또는 겔형인 것이 바람직하며, 겔형의 전해질층은 유기 전해액이 함침되어 있는 세퍼레이터(Seperator)를 포함하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 리튬 2차 전지 및 그 제조방법의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지는 그리드(Grid)에 전극 활물질을 충전시킨 양극판 및, 음극판과, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 것으로 유기 전해액이 함침되어 있는 세퍼레이터(Seperator) 또는 유기 전해액이 함침되어 있지 않은 전해질필름이 적층된 구조를 가진다. 본 발명에 있어서, 전해질층의 종류 및 구조는 본 발명을 제한하지 않고, 이하의 설명에서는 전해질층은 전해액이 함침되어 있는 세퍼레이터 및 전해질필름을 통칭한다. 그리고, 극판은 다수의 관통공을 가지는 구리 또는 알루미늄의 박막의 표면에 해당 극성의 활물질이 코팅 또는 라미네이션등에 의해 형성된 구조를 가지며, 이에 더하여 각 극판의 내면에 본 발명을 특징지우는 고분자 매개층이 형성된 구조를 가진다. 또한 본 발명의 리튬 2차 전지의 제조방법에 있어서, 아래의 실시예에서 설명된 부분을 제외하고는 종래의 일반적인 리튬 2차 전지의 제조 방법을 적용하며, 일반적으로 알려진 종래의 공정은 구체적으로 설명되지 않는다.
도 2를 참조하면서, 먼저 본 발명이 적용되는 리튬이온 폴리머 전지의 개략적인 구조를 살펴본다.
리튬 이온 폴리머 전지는 그리드(Grid)에 전극 활물질을 충전시킨 것으로 본 발명을 특징지우는 양극판 및, 음극판과, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 것으로 유기 전해액이 함침되어 있는 세퍼레이터(Seperator, 전해질층)가 적층된 구조로 되어 있는 극판 조립체(11)를 구비한다. 그리고, 상기 극판(양극판 및 음극판, 10)과 전해질층(세퍼레이터, 20)의 사이에는 본 발명을 특징지우는 고분자 매개층(30)이 개재되어 있다.
또한 상기 양극판의 일측에는 양극 탭(12a)이 형성되고, 상기 음극판의 일 측에는 음극 탭(13a)이 형성된다. 양극 및 음극 탭(12a, 13a)은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치된다. 상기 탭(12a, 13a)들은 리이드(14, 15)에 연결됨으로써 외부 회로와 접속될 수 있다.
상술한 극판 조립체(11), 양극 탭(12a), 음극 탭(13a) 및, 양극 리이드(14)와 음극 리이드(15)는 절연성 케이스(16) 및 그와 일체로 형성된 커버(16a)에 의해 밀봉된다. 상기 절연성 케이스(16)와 커버(16a)는 통상적으로 알루미늄 박막의 상, 하면위에 열접착성 물질이 적층된 형태를 가지며, 열접착성 물질이 상호 접착됨으로써 극판 조립체(11)가 수용된 공간을 밀봉할 수 있다. 또한 전지 셀(11)과 외부와의 전기적인 연결을 위하여 양극 리이드(14)와 음극 리이드(15)의 일부가 외부로 노출된 상태에서 절연성 케이스(16)에 의해 밀봉된다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 전지의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 원통형 리튬 이차 전지는 원통형으로 된 케이스(45)와 상기 케이스(45)내부에 설치되는 전극 조립체(44)를 구비하고 있다. 이 때 상기 전극 조립체(44)는 음극판(41)과 양극판(42)사이에 세퍼레이타(13)가 개재되어 있고, 이 전극 조립체(44) 상부에는 캡 조립체(46)가 결합되어 있다. 한편, 상기 극판( 양극판, 음극판)과 세퍼레이터(13)의 사이 및 음극판(41)의 사이에는 본 발명을 특징지우는 고분자 매개층(30)이 개재되어 있다.
도 4는 도 2와 도 3에 도시된 본 발명에 따른 리튬 이온 전지에 있어서, 양극판 및 음극판 등의 극판(10)과 전해질층(20)의 적층 구조를 보인다. 도 4를 참조하면, 극판(10)과 전해질층(20)의 사이에 고분자 매개층(30)이 개재되어 있다. 상기 고분자 매개층(30)은 전해질층(20)과 같은 이온의 이동 기능을 가지며, 아울러 극판(10)과 전해질층(20) 사이에 존재할 수 있는 공극을 제거한다. 이와 같은 고분자 매개층(30)에 의하면 극판(10)과 전해질층(20)과의 밀착성이 향상되어 이온의 이동도가 향상된다. 상기 고분자 매개층(30)은 상기 전해질층(20)의 용융점보다 낮은 온도에서 용융되는 물리적인 특성을 가진다. 예를 들어 상기 고분자 매개층(30)은 40℃ ~ 100℃ 범위 내에서 용융되는 것이 바람직하면, 예를 들어 약 ~65℃ 의 용융점을 가지는 PEO(PolyEthylene Oxide) 또는 고분자 주쇄가 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)기로 되어있고 여러 가지 펜던트기로 치환이 된 형태의 PEO 유도체들(derivatives) 로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고분자 매개층(30)은 기존의 공정에 의해 제조된 양극판 및 음극판의 표면에 추가적인 코팅공정에 의해 형성된다. 고분자 매개층(30)을 극판(10)의 표면에 코팅함에 있어서는 아세토나이트라일(Acetonitrile) 또는 아세톤(Acetone) 등의 용매 등에 용해된 PEO 등의 고분자 물질을 사용한다. 코팅시에는 스핀코터 등이 적용될 수 있으며, 코팅 후 건조 공정을 거치는 것이 필요한다.
고분자 매개층(30)의 코팅 공정은 극판(10)과 전해질층(20)의 접합공정 전에 수행되며, 고분자 매개층(30)이 형성된 극판(10)과 전해질층(20)의 접합공정 이후에는 소정의 압력과 온도 분위기하에서의 융착공정이 필요하다. 그러나, 종래에도 극판과 전해질층의 접합을 위한 소위 라미네이팅 공정이 있었으므로, 이러한 마미네이팅 공정이 적용되는 한, 별도로 고분자 매개층(30)을 용융시키기 위한 추가적인 공정은 필요없다.
PLI(Plastic Lituim Ion) 전지 제작 시에는 전해질필름과 극판을 각각 독립적으로 제작하며, 극판 제작시에는 상기한 바와 같이 고분자 매개층의 형성과정이 추가된다. 그리고, 기존의 PLI 전지 제작 공정에 따라 PLI 전지를 완성한다. 본 발명에 있어서, 스태킹된 극판과 전해질층을 일정한 온도와 압력을 가압하는 공정이 적용되는 종래의 PLI 전지 제조 공정에 적용함으로써, 라미네티이팅과 동시에 상기 고분자 매개층이 용융됨으로써 극판(10)과 전해질층(20)의 사이에 고분자 매개층(30)에 의한 공극의 제거 및 밀착성이 향상된다.
한편, 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지를 제조함에 있어서는, 기존의 방법에 의해 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌등으로 제조된 세퍼레이터와 집전체에 활물질이 코팅된 극판을 제조한다. 이때에 극판에 대한 활물질의 코팅 이후에, 극판의 표면(내면)에 상기한 바와 같이 고분자 매개층(30)을 코팅 및 건조시킨다. 이 이후에, 극판과 세퍼레이터에 의해 원통형 전지의 경우 젤리롤(jellyroll)의 형태로 전극조립체를 제조하고, 이를 원통형 캔에 삽입한 후, 고분자 전해질이 혼합되어 있는 가소화된 고분자 전해질 용액을 상기 세퍼레이터에 주입한다. 그리고, 겔형의 경우에는 세퍼레이터에 전해질 용액을 주입한 후, 열경화 공정을 거친다.
위에서 설명된 바와 같이, 상기 고분자 매개층(30)의 용융점이 전해질필름 또는 세퍼레이터등의 전해질층의 용융점에 비해 낮아야 한다. 이는 고분자 매개층(30)이 용융될 때에 전해질층이 같이 용융되면, 접촉계면의 특성이 악화되기 때문인 것이다.
이상에서 설명된 고분자 매개층(30)은 음극판 및 양극판의 양 내면에 형성되는 것이 가장 바람직하며, 경우에 따라서는 음극판 또는 양극판 중의 어느 하나의 내면에만 형성될 수 도 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면 극판과 전해질필름 또는 세퍼레이터 사이의 계면 특성이 향상되게 된다. 이러한 본 발명에 따르면, 전해질층에서의 이온이동도가 향상되고 따라서 전류 효율이 높아지게 된다. 이러한 본 발명은 원통형, 사각기둥형 또는 소위 파우치형의 리튬 2차 전지에의 적용이 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 양극판 및, 음극판과, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 전해질층을 구비하는 리튬 2차 전지에 있어서,
    상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 하나와 전해질층의 사이에 이들 사이의 계면 공극을 제거하기 위한 고분자 매개층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매개층은 상기 전해질층의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고분자 매개층은 상기 양극판 및 음극판의 각 내면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전해질층은 유기 전해액이 함유되어 있지 않은 완전 고체형 또는 겔형인 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전해질층은 유기 전해액이 함유되어 있는 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  6. 양극판 및 음극판과, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 전해질층을 구비하는 리튬 2차 전지을 제조함에 있어서,
    음극판, 양극판 및 전해질층을 제작하는 단계;
    상기 음극판과 양극판 중 적어도 어느 하나의 내면에 상기 전해질층 보다 낮은 용융점을 가지는 고분자 매개층을 형성하는 단계;
    상기 전해질층의 상하에 상기 음극판과 양극판을 접합하는 단계;
    상기 전해질층에 대해 상기 음극판과 양극판을 소정 온도로 가열하는 상태에서 가압하여, 상기 고분자 매개층이 용융시키는 단계;를 포함하는 리튬 2차 전지의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고분자 매개층은 상기 전해질층의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지의 제조방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 고분자 매개층은 상기 양극판 및 음극판의 각 내면에 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지의 제조방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전해질층은 유기 전해액이 함유되어 있지 않은 완전 고체형 또는 겔형인 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지의 제조방법.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전해질층은 유기 전해액이 함유되어 있는 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
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KR100774983B1 (ko) * 2005-05-02 2007-11-13 주식회사 데코피아 유로폼용 체결구

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