KR20020004885A - 이차전지 전극구조물 - Google Patents

Abstract

세퍼레이터에 양극판, 음극판을 배열하고 가로로 접고 세로로 접어 전극형태를 형성하여 만든 2차 전지의 전극구조물 및 전극구조물의 제조방법

Description

이차전지 전극구조물{secondary battery}

본발명은 이차전지의 전극구조에 관한 것이다. 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈수소전지, 리튬전지 및 리튬이온전지가 사용되고 있다.

여기서 리튬이온전지는 정극활물질로 리튬-금속산화물을 사용하고 부극활물질로 탄소 혹은 탄소복합체를 주로 사용하며, 전해질로는 주로 유기용매에 리튬염을 녹인 액체전해질을 사용하여 이를 함침하여 정극과 부극의 사이에서 리튬이온이이동되어 충방전이 이루어진다.

이러한 리튬이온전지의 전극구조 형성방법으로는 적층형과 권취형으로 나누어 진다. 적층형은 양극/세퍼레이터/음극을 적층하고 라미네이트공정을 통해 접착시키고 이렇게 형성된 단위셀을 적층시킨 구조이고 권취형은 그림1(a)와 같이 원통형 또는 그림1(b)와 같이 각형으로 나누어볼수 있는데 이는 세퍼레이터를 게재시키고 양극과 음극을 말아 놓은 구조이다.

상기 적층구조는 과충전시에 발화위험이 있다는 단점이 있다. 그리고 라미네이션 공정을 거쳐야 하는 관계로 이에 시간적 공정적 노력이 소요되어 생산성이 절감되는 단점이 있다. 권취형의 경우는 권취공정으로 인하여 아무리 각형으로 하려고 해도 그 한계가 있어서 모양상으로 모서리가 완전 직각과는 거리가 있을 수 밖에 없는 관계로 모양의 형성에 제한이 있다는 단점이 있다.

본발명에서는 상기 적층구조의 단점인 과충전시의 발화위험을 극복하여 안전성을 높이고 열접착공정으로 인한 생산성 절감을 극복하고 권취형의 단점인 모양상의 제한을 극복하고자 한다.

도1은 종래기술의 전극구조

도2는 세퍼레이터에 양극판과 음극판이 부착된 상태의 도면

도3은 가로방향으로 접는 중의 사시도와 접은 후의 평면도

도4는 세로방향으로 접는 중의 사시도와 접은 후의 평면도

도5는 테이프로 고정하는 공정의 예시도

도6은 세퍼레이터

도7은 세퍼레이터에 양극판과 음극판이 부착된 상태의 평면도

도2(a)는 세퍼레이터이다. 점선은 가상으로 세퍼레이터의 구역을 나눈 것이다. 세퍼레이터(203) 위에 도2(b)와 같이 한 쪽 면에는 양극판(200)을 반대쪽 면에는 음극판(201)을 부착한다. 도2(b)에서 실선으로 그린 부분(200)은 양극판이고 점선으로 그린 부분(201)은 반대쪽 면에 부착된 음극판이다. 도시된 바와 같이 4개의양극판이 빈칸을 하나 둘러싸도록 그리고 4개의 빈칸이 1개의 양극판을 둘러싸도록 배치된다. 즉 양극판의 상하좌우에는 빈칸이 있고 빈칸의 상하좌우에는 양극판이 있도록 양극판을 도2(b)와 같이 부착한다. 도2(b)의 이면에는 음극판이 부착되는데 마찬가지로 4개의 음극판이 빈칸을 하나 둘러싸도록 그리고 4개의 빈칸이 1개의 음극판을 둘러싸도록 배치된다.

즉 음극판의 상하좌우에는 빈칸이 있고 빈칸의 상하좌우에는 음극판이 있도록 음극판을 도2(b)의 점선으로 도시한 바와 같이 부착한다. 양극판이 부착된 구역의 이면에는 빈칸이 있고 빈칸의 이면에는 음극판이 있는 구조이다.

여기서 양극판 또는 음극판의 크기는 각 구역의 크기보다 조금 작게 구성된다. 이는 접을 수 있고 접은 후 양극판과 음극판의 단락도 방지하기 위해서이다. 양극판 및 음극판은 리튬이온의 전도에 방해가 되지 않도록 이온전도성폴리머 등 이온전도성물질로 된 접착제를 사용하여 세퍼레이터에 접착한다. 도2(b)의 정면도를 도시하면 도2(c)와 같다.

이렇게 양극판들과 음극판들이 부착된 세퍼레이터를 도2(b)의 1-1‘, 2-2’, 3-3‘, 4-4’ 라인을 접는선으로 하여 접는다. 접는 방향은 1-1‘라인과 3-3‘라인은 같은 방향이 되게 하고 2-2’라인과 4-4‘라인은 그와 반대방향이 되도록 접는다. 즉 인접하는 가로줄을 서로 반대방향으로 되게 접는다. 도3(a)는 이렇게 접는 것을 도시한 도면이다. 마치 병풍접듯이 지그 재그로 접어서 도면의 300면의 이면과 301면의 이면이 맞닿게 하고 301면의 표면과 302면의 표면이 맞닿게 하고 302면의 이면과 303면의 이면이 맞닿게 하고 303면의 표면과 304면의 표면이 맞닿게 접는다. 도3(b)는 이렇게 접은 후에 도3(a)의 도면부호300면이 위로 오도록 한 평면도이다. 가로줄들을 접는 선으로 하여 접은 후에는 접혀져 있는 상태에서 세로줄을 기준으로 해서 접는다. aa'라인, cc'라인 및 ee'라인은 같은 방향으로 접고 bb'라인, dd'라인 및 ff'라인은 그 방향과 반대로 접는다. 즉 인접하는 세로줄은 반대방향이 되도록 하여 도 4(a)와 같이 병풍접듯이 지그 재그로 접어서 도면의 400의 이면과 401의 이면이 맞닿게 하고 401의 표면과 402의 표면이 맞닿게 하고 도면의 402의 이면과 403의 이면이 맞닿게 하고 403의 표면과 404의 표면이 맞닿게 하고 도면의 404의 이면과 405의 이면이 맞닿게 하고 405의 표면과 406의 표면이 맞닿게 접는다. 도4(a)는 편의상 한 장처럼 얇은 막을 접는 것으로 도시하였으나 실제로는 이미 가로줄로 접은 구조를 다시 접는 것이다. 도 4(b)는 이렇게 세로줄로도 접은 후의 평면도이다.

본발명에서는 가로라인들을 먼저 접고 그후 세로라인들을 접었으나 바꾸어도 실시해도 됨은 당연하다.

이렇게 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판이 교대로 계속 배치되게 접은 후 도5(a)와 같이 접착테이프(500)를 부착하여 전지를 제조한다. 접착테이프(500)를 부착하는 방법은 도5(b) 도5(c) 등으로 당업자가 변형실시 가능하다. 그리고 접착테이프를 부착하는 공정을 편리하게 하기 위해서 세퍼레이터의 모양이 도6(a)나 도6(b) 등과 같이 모서리가 돌출된 형태의 것을 사용할 수 있다.

전극탭은 도2(b)의 표면에 부착된 양극판 중 위로부터 1열, 2열... 번호를 매겼을 때 홀수열에 부착된 양극판은 왼쪽위에 전극탭이 부착되고 짝수열에 부착된양극판에는 오른쪽 아래에 부착되게 한 후 접은 후 합치는 등의 방식으로 구성하면 된다.

한편 전극부착구조를 도2(b)와 다르게도 할 수 있다. 도7(a)에는 이러한 구조가 도시되어 있다. 여기서 양극판(200)은 표면에 도2(b)와 같은 위치에 부착되어 있으나 음극판은 표면에 아무것도 부착되지 않은 빈칸의 이면에 부착되는 것이 아니라 양극판에 대응되는 이면에 부착된다. 음극판은 표시되어 있지 않으나 양극판이 있는 곳에 대응하는 이면에 부착되어 있다. 정면도를 도시하면 도2(c)와 같게 된다. 이렇게 부착한후 접는 방식은 상기한 방식과 같게 접으면 이 경우도 양극판 세퍼레이터 음극판 세퍼레이터 양극판 세퍼레이터 음극판의 순서로 반복되는 구조가 형성된다. 그리고 이를 상기한 방식과 같이 테이프부착공정으로 마무리한다.

세퍼레이터를 나누는 행의 수와 열의 수를 거의 같은 수로 하든지 아니면 둘 중 하나를 작게 하든지 이는 생산성을 향상시키기 위해 변형실시 가능하다. 행과 열의 수를 거의 같게 하면 세퍼레이터의 모양이 정사각형 모양에 가까워지는데 이 경우 접는 횟수가 줄어들어 생산성을 향상시키는 장점이 있다.

기술적 과제에서 설명한 바와 같이 발화를 방지하여 제품의 안정성을 높이고 전지의 모양에 대한 권취형의 제한을 극복하고 또한 그 제조방법이 기존 방법들에 비해 단순하고 간단하여 생산성을 획기적으로 높이는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 세퍼레이터; 세퍼레이터의 한 쪽면에 부착되되, 각 양극판의 상하좌우방향으로는 빈칸이 있고 빈칸의 상하좌우방향으로는 양극판이 있어서 상하좌우방향으로는 한 칸씩 띄우고 대각선방향으로는 연이어 있도록 부착되었으며, 그 크기는 세퍼레이터를 원활히 접을 수 있도록 세퍼레이터상에서 가상적으로 나누어진 구역의 크기보다 조금 작은 크기로 된 복수 개의 양극판; 및 세퍼레이터의 다른 쪽 면에 부착되되, 각 음극판의 상하좌우방향으로는 빈칸이 있고 빈칸의 상하좌우방향으로는 음극판이 있어, 상하좌우방향으로는 한 칸씩 띄우고 대각선방향으로는 연이어 있도록 부착되었으며, 그 크기는 세퍼레이터를 원활히 접을 수 있도록 세퍼레이터상에서 가상적으로 나누어진 구역의 크기보다 조금 작은 크기로 된 복수 개의 음극판으로 구성된 것을,

   가로라인을 접는 선으로 하여 접되 인접하는 가로라인은 서로 반대방향으로 접어 병풍 접듯이 지그재그로 접고, 접힌 상태에서 다시 세로라인을 접는 선으로 하여 접되 인접하는 세로라인은 서로 반대방향으로 접어 병풍접듯이 지그재그로 접어서 구성된 2차전지의 전극구조물
2. 제 1항에 있어서, 양극판들 및 음극판들을 이온전도성 접착물질을 사용하여 세퍼레이터에 부착시킨 2차전지의 전극구조물
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 접은 상태의 상기 2차전지의 전극구조물을 테이프를 사용하여 접혀있는 상태로 고정시킨 2차전지의 전극구조물
4. 세퍼레이터의 한 쪽면에는 복수개의 양극판을 이온전도성 접착제를 사용하여 접착하고 다른 쪽 면에는 음극판을 이온전도성 접착제를 사용하여 접착하되, 각 양극판의 상하좌우방향으로는 빈칸이 있고 빈칸의 상하좌우방향으로는 양극판이 있어서 양극판이 상하좌우방향으로는 한 칸씩 띄우고 대각선방향으로는 연이어 있고 각 음극판의 상하좌우방향으로는 빈칸이 있고 빈칸의 상하좌우방향으로는 음극판이 있어서 음극판이 상하좌우방향으로는 한 칸씩 띄우고 대각선방향으로는 연이어 있도록 양극판과 음극판을 부착하는 단계;

   가로라인을 접는 선으로 하여 접되 인접하는 가로라인은 서로 반대방향으로 접어 병풍 접듯이 지그재그로 접는 단계;

   접힌 상태에서 다시 세로라인을 접는 선으로 하여 접되 인접하는 세로라인은 서로 반대방향으로 접어 병풍접듯이 지그재그로 접는 단계를 포함하는 2차전지의 전극구조 제조방법