KR20020009821A - 리튬 이차전지와 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

리튬이차전지와 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 양극 집전체와, 이의 적어도 일면에 양극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 양극 쉬트가 소정간격 이격되게 공히 부착되어 그 사이의 영역에 양극 무지부가 형성된 양극판과, 양극 집전체로부터 인출되는 양극 탭과, 음극 집전체와 이의 적어도 일면에 음극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 음극 쉬트가 소정간격 이격되게 공히 부착되어 그 사이의 영역에 음극 무지부가 형성된 음극판과, 음극 집전체로부터 인출되는 음극 탭과, 양극 및 음극판 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 양극 및 음극판과 세퍼레이터가 다수장 적층된 전지부를 수용하여 외부로부터 밀폐 및 절연시키는 케이스와, 양극 및 음극 탭과 각각 연결되고, 케이스의 외부로 그 일부가 노출되어 외부 단자와 전기적으로 접속되는 양극 및 음극 단자를 포함한다.

Description

리튬이차전지와 이의 제조방법{Lithium secondary battery and the fabrication method thereof}

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극판과 음극판에 무지부가 형성된 리튬이차전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 휴대폰, 노트북, 컴퓨터, 캠코더등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 전자장비전원으로서 많이 사용되고 있는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나, 니켈-수소(Ni-MH) 전지보다 작동전압이 세 배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하는 측면에서 많은 연구개발이 진행되고 있다.

이러한 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류할 수 있다. 일반적으로는 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다.

리튬이차전지는 다양한 형상으로 제조가 가능하다. 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형전지를 들 수 있다. 리튬폴리머전지의 경우에는 그 형상이 비교적 자유롭다. 최근 들어서는 리튬폴리머전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고, 중량이 가벼워 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경량화에 대하여 다른 전지보다도 유리하여 각광을 받고 있다.

도 1을 참조하면, 리튬폴리머전지(10)는 양극판(11)과, 음극판(12)과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)가 다수장 적층된 전지부(14)를 포함한다. 상기 양극 및 음극판(11)(12)의 일 가장자리로부터는 양극 탭(15)과, 음극 탭(16)이 각각 인출되어 있고, 다수개의 상기 양극 및 음극 탭(15)(16)은 극판별로 집합된 상태에서양극 단자(17)와, 음극 단자(18)에 각각 결합되어 있다.

상기 전지(10)에는 상기 전지부(14)를 수용하기 위하여 별도의 케이스(19)가 마련되는데, 상기 케이스(19)는 상부 케이스(19a)와, 상기 상부 케이스(19a)의 일 가장자리를 따라서 일체로 형성되고, 다른 면은 상호 분리되는 하부 케이스(19b)로 이루어져 있다. 상기 하부 케이스(19b)에는 상기 전지부(14)가 수용되는 공간부(100)가 형성되어 있다.

도 2는 도 1의 전지부(14)중 일부를 분리도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 양극판(11)은 양극 집전체(cathode current collector,11a)와, 상기 양극 집전체(11a)의 표면에 부착되는 전면 및 배면 양극쉬트(11b)(11c)를 구비한다. 상기 양극 집전체(11a)는 알루미늄 그리드나 호일로 되어 있고, 일측 가장자리로부터 양극 탭(15)이 인출되어 있다. 그리고, 상기 전면 및 배면 양극쉬트(11b)(11c)는 리튬산화물과 같은 양극활물질에 도전재, 가소제, 바인더등이 함유되어 있다.

상기 음극판(12)은 음극 집전체(anode current collector,12a)와, 상기 음극 집전체(12a)의 표면에 부착되는 전면 및 배면 음극쉬트(12b)(12c)를 구비한다. 상기 음극 집전체(12a)는 구리 그리드나 호일로 되어 있고, 일측 가장자리로부터 음극 탭(16)이 인출되어 있다. 그리고, 상기 전면 및 배면 음극쉬트(12b)(12c)는 탄소재와 같은 음극활물질에 도전재, 가소제, 바인더등이 함유되어 있다.

상기 양극판(11)과 음극판(12) 사이에는 이들 극판의 단락을 방지하기 위하여 세퍼레이터(13)가 개재되어 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 전지부를 제조하기 위해서는 상기 양극 및 음극 집전체(11a)(12a)의 표면에 슬러리 형태의 양극 및 음극쉬트(11b)(11c)(12b)(12c)를 라미네이팅 공법으로 각각 부착시켜 양극판(11)과 음극판(12)을 완성한다. 이어서, 상기 양극판(11)과 음극판(12)은 세퍼레이터(13)를 사이에 두고, 열과 압력을 가하는 이차 라미네이팅 공법으로 상호 융착시키게 된다. 이러한 방법으로 상기 양극판(11)과, 세퍼레이터(13), 음극판(12)을 다수장 적층하여 전지부(14)를 제조한다.

이어서, 상기 양극 및 음극쉬트(11b)(11c)(12b)(12c)에 함유된 가소제 성분을 추출하고, 이 공간에 전해질을 함침시킨다.

다음으로, 상기 전지부(14)를 도 1에 도시된 하부 케이스(19b)의 공간부(100)에 실장하고, 상기 상부 및 하부 케이스(19a)(19b)를 상호 밀봉하여 전지(10)를 완성하게 된다.

이처럼, 종래의 리튬이차전지(10)는 상기 양극판(11)과, 음극판(12)과, 세퍼레이터(13)를 일정한 규격으로 절단하고, 이를 적층하여 케이스(19) 내에 실장하는 방식이다.

그런데, 이러한 전지(10)를 채용하는 휴대용 전자기기의 구조에 따라서, 상기 전지(10)는 그 형상을 구부리거나 꺾어야 하는 등의 변경이 필요하지만, 종래의 전지(10)는 이러한 경우에 접히는 부위에서 양극 및 음극 활물질층이나, 집전체 또는 세퍼레이터의 변형이 발생하여 단락과 같은 전지(10)의 불량을 초래하는등 형상의 자유도가 다소 제약되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 양극판 및 음극판의 표면에 다수의 무지부를 형성하여 휴대용 전자기기의 구조에 따른 형상의 자유도를 향상시키도록 구조와 이에 따른 방법이 개선된 리튬이차전지와 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 2는 도 1의 전지부를 발췌하여 도시한 분리사시도,

도 3은 본 발명의 일 예에 따른 리튬이차전지를 일부 절개 도시한 사시도,

도 4는 도 3의 전지부의 일부가 결합되기 이전의 상태를 도시한 분리사시도,

도 5는 도 4의 전지부의 일부가 결합된 이후의 상태를 도시한 분리사시도,

도 6은 도 5의 전지부의 일부가 절곡된 이후의 상태를 도시한 분리사시도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10,30...리튬이차전지 11,31...양극판

12,32...음극판 13,33...세퍼레이터

14,34...전지부 15,35...양극 탭

16,36...음극 탭 17,37...양극 단자

18,38...음극 단자 19,39...케이스

31a...양극 집전체 32a...음극 집전체

상기과 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 리튬이차전지는,

양극 집전체와, 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 양극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 양극 쉬트가 소정간격 이격되게 공히 부착되어 그 사이의 영역에 양극 무지부가 형성된 양극판;

상기 양극 집전체로부터 인출되는 양극 탭;

음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 음극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 음극 쉬트가 소정간격 이격되게 공히 부착되어 그 사이의 영역에 음극 무지부가 형성된 음극판;

상기 음극 집전체로부터 인출되는 음극 탭;

상기 양극 및 음극판 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터;

상기 양극 및 음극판과 세퍼레이터가 다수장 적층된 전지부를 수용하여 외부로부터 밀폐 및 절연시키는 케이스; 및

상기 양극 및 음극 탭과 각각 연결되고, 상기 케이스의 외부로 일부가 노출되어 외부 단자와 전기적으로 접속되는 양극 및 음극 단자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전지부는 상기 세퍼레이터를 사이에 두고, 양극판과 음극판을 적층한 상태에서 상기 양극 및 음극 무지부측을 일방향으로 구부려서 소망하는 형상을 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

양극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 양극 쉬트와, 상기 양극 쉬트가 부착되는 양극 집전체로 된 양극판을 준비하는 단계;

음극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 음극 쉬트와, 상기 음극 쉬트가 부착되는 음극 집전체로 된 음극판을 준비하는 단계;

상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 준비하는 단계;

상기 양극 집전체의 표면에 다수장의 양극 쉬트를 소정간격 이격되게 공히 부착시켜서, 그 사이의 영역에 양극 무지부를 형성시키는 단계;

상기 음극 집전체의 표면에 다수장의 음극 쉬트를 소정간격 이격되게 공히 부착시켜서, 그 사이의 영역에 음극 무지부를 형성시키는 단계;

상기 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 적층하는 단계; 및

상기 양극 및 음극 무지부측을 일방향으로 구부려서 소망하는 형상을 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법을 제공한다.

나아가, 상기 양극 및 음극쉬트를 양극 및 음극집전체에 부착시키는 단계에서는, 상기 집전체에 열과 압력을 가하는 라미네이팅법으로 쉬트를 부착시키는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 양극 및 음극쉬트를 양극 및 음극집전체에 부착시키는 단계에서는, 상기 집전체에 쉬트를 코팅하여 형성시키는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지와 이의 제조방법을 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 리튬이차전지중 본 발명의 일 예에 따른 리튬폴리머전지(30)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지(30)는 양극판(31)과, 음극판(32)과, 상기 양극 및 음극판(31)(32) 사이에 개재되는 세퍼레이터(33)가 다수장 적층된 전지부(34)를 포함한다. 상기 양극판(31)과 음극판(32)의 일 가장자리로부터는 소정 길이의 양극 탭(35)과, 음극 탭(36)이 각각 인출되어 있다. 상기 복수개의 양극 및 음극 탭(35)(36)은 극판별로 집합되어 있다. 그리고, 상기 양극 및 음극 탭(35)(36)은 외부 단자부와 전기적으로 접속되는 양극 단자(37)와, 음극 단자(38)와 결합되어 있다.

여기서, 상기 양극 및 음극판(31)(32)과 세퍼레이터(33)는 본 발명의 특징에 따라 여러 가지 형상으로 제조가 가능한데, 본 실시예에서는 상기 전지부(34)가 'ㄷ'자 형상을 이루고 있다.

그리고, 상기 전지(30)에는 상술한 형태의 전지부(34)를 수용하기 위하여 케이스(39)가 마련된다. 상기 케이스(39)는 상기 전지부(34)를 외부로부터 밀폐하여 감쌀 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 케이스(39)로부터는 양극 및 음극단자(37)(38)의 일부가 인출되어 외부 단자와 전기적으로 접속된다.

이와 같은 본 발명의 일 예에 따른 리튬폴리머전지(30)의 구조와 이의 제조과정을 도 4 내지 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 도 3의 전지부(34)의 일부가 결합되기 이전의 상태를 분리도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 양극판(31)은 양극 집전체(31a)와, 상기 양극 집전체(31a)의 적어도 어느 한 표면에 부착되는 전면 및 배면 양극쉬트를 포함한다.

상기 양극 집전체(31a)는 알루미늄 그리드나 호일로 된 박막의 금속재로서, 펀치드 메탈(punched metal)이나 익스펜디드 메탈(expended metal) 형태로 전면에 걸쳐서 다수개의 개구공(미도시)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 양극 집전체(31a)의 일측 가장자리로부터는 양극 탭(35)이 인출되어 있다.

상기 전면 및 배면 양극쉬트는 양극 활물질, 이를테면 리튬계 산화물, 니켈계 산화물, 망간계 산화물등으로부터 선택된 어느 하나의 산화물에 가소제, 도전재, 바인더등이 함유된 슬러리 형태의 물질이다.

여기서, 상기 전면 및 배면 양극쉬트는 다수개의 쉬트로 이루어져 있다. 즉, 전면 및 배면 양극쉬트는 도시된 바와 같이 각각 제1 양극쉬트(31b)와, 제2 양극쉬트(31c)와, 제3 양극쉬트(31d)등과 같이 추후 기술될 전지의 형태에 따라 다수개로 나뉘어져 있다. 또한, 상기 제1,2,3 양극쉬트(31b)(31c)(31d)는 전체적인 길이가 상기 양극 집전체(31a)의 일면에 공히 부착가능한 길이를 가지는 것이 바람직하다.

상기 음극판(32)은 음극 집전체(32a)와, 상기 음극 집전체(32a)의 적어도 한 표면에 부착되는 전면 및 배면 음극쉬트를 포함한다.

상기 음극 집전체(32a)는 구리 그리드나 호일로 된 박막의 금속재로서, 펀치드 메탈이나 익스펜디드 메탈의 형상이다. 그리고, 상기 음극 집전체(32a)의 일 가장자리로부터는 음극 탭(38)이 인출되어 있다.

상기 전면 및 배면 음극쉬트는 탄소재로 된 음극 활물질에 가소제, 도전재, 바인더등이 함유되어 있는 슬러리 형태이다.

이때, 상기 전면 및 배면 음극쉬트는 상술한 양극쉬트의 경우와 마찬가지로 다수개의 쉬트로 이루어져 있다. 즉, 전면 및 배면 음극쉬트는 각각 제1 음극쉬트(32b)와, 제2 음극쉬트(32c)와, 제3 음극쉬트(32d)등과 같이 나뉘어져 있고, 그 길이는 상기 음극 집전체(32a)의 일면에 공히 부착되는 길이이다.

상기 양극판(31)과 음극판(32) 사이에는 이들 극판의 단락을 방지하기 위하여 세퍼레이터(33)가 개재된다.

도 5는 도 3의 전지부(34)의 일부가 결합된 이후의 상태를 분리도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 양극 집전체(31a)의 표면에는 복수개의 제1,2,3 양극쉬트(31b)(31c)(31d)가 적층되어 있다. 상기 제1,2,3 양극쉬트(31b)(31c)(31d)는 양극 집전체(31a)의 표면에 상호 소정간격 이격된 상태에서 각각 부착되어 있다. 이로 인하여, 상기 제1 및 2 양극쉬트(31b)(31c) 사이에는 양극 활물질을 함유한 쉬트가 부착되지 않은 공간부인 제1 양극무지부(51)가 형성되어 있고, 상기 제1 및3 양극쉬트(31b)(31d) 사이에는 제2 양극무지부(52)가 형성되어 있다.

또한, 음극판(32)도 양극판(31)의 경우와 마찬가지로 음극 집전체(32a)의 표면에 복수개의 제1,2,3 음극쉬트(32b)(32c)(32d)가 적층되어 있다. 상기 제1,2,3 음극쉬트(32b)(32c)(32d)는 음극 집전체(32a)의 표면에 상호 소정간격 이격되게 부착되어 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 2 음극쉬트(32b)(32c) 사이에는 음극 활물질을 함유한 쉬트가 부착되지 않은 공간부인 제1 음극무지부(53)가 형성되어 있고, 상기 제1 및 3 음극쉬트(32b)(32d) 사이에는 제2 음극무지부(54)가 형성되어 있다.

이때, 상기 양극 쉬트나 음극 쉬트는 박막의 필름이나 슬러리 형태로서 양극 및 음극 집전체(31a)(32a)의 양 표면에 열과 압력을 가하는 라미네이팅 공법이나 코팅법으로 형성시키게 된다.

다음으로, 상기 양극판(31)과 음극판(32)은 세퍼레이터(33)를 사이에 두고 이차 라미네이팅 공법으로 상호 융착시켜서 전지부를 제조하게 된다.

도 6은 도 3의 전지부(34)의 일부가 절곡된 이후의 상태를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 양극판(31)과, 음극판(32)은 양극 및 음극 집전체(31a)(32a)의 표면에 부착된 다수개의 양극 및 음극 쉬트 사이에 양극 및 음극 활물질층이 도포되지 않은 영역에 해당되는 복수개의 양극무지부(51)(52)와 음극무지부(53)(54)가 형성되어 있다.

상기 양극 및 음극판(31)(32)은 세퍼레이터(33)를 사이에 두고 상기 양극 및 음극무지부(51)(52)를 절곡하여 제2,3 양극쉬트(31c)(31d) 및 제2,3 음극쉬트(32c)(32d)를 상기 제1 양극 및 음극쉬트(31b)(32b)에 대하여 상방으로 꺾어서 'ㄷ'자 형태를 이루게 한다. 이때, 상기 양극 및 음극쉬트에 함유된 활물질등의 첨가물은 변형이 가하여지지 않는다. 또한, 이러한 양극 및 음극무지부는 전지나 전지를 채용하는 전자기기의 구조에 따라 실시예와는 다른 형태나, 보다 많이 집전체상에 형성시킬 수도 있다.

이러한 형태의 전지부는 상기 양극판(31) 및 음극판(32)에 함유된 가소제 성분을 추출하고, 이 공간에 전해질을 함침시킨다. 다음으로, 도 3에 도시된 케이스(39)에 실장하고 이를 밀봉하여 전지(30)를 완성하게 된다.

이상과 같이 본 발명의 리튬이차전지와 이의 제조방법은 양극 및 음극 집전체에 다수개의 양극 및 음극쉬트가 전지의 용량에 상응하여 부착되고, 이 쉬트 사이에는 무지부가 형성되어 전지부를 무지부의 형상에 따라 다양한 형태로 절곡하는 것이 가능함으로써 형상의 자유도가 크게 향상된다. 이에 따라, 이러한 전지를 채용하는 전자기기의 형상에 따라 전지를 다양한 형태로 변형시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 양극 집전체와, 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 양극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 양극 쉬트가 소정간격 이격되게 공히 부착되어 그 사이의 영역에 양극 무지부가 형성된 양극판;

   상기 양극 집전체로부터 인출되는 양극 탭;

   음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 음극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 음극 쉬트가 소정간격 이격되게 공히 부착되어 그 사이의 영역에 음극 무지부가 형성된 음극판;

   상기 음극 집전체로부터 인출되는 음극 탭;

   상기 양극 및 음극판 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터;

   상기 양극 및 음극판과 세퍼레이터가 다수장 적층된 전지부를 수용하여 외부로부터 밀폐 및 절연시키는 케이스; 및

   상기 양극 및 음극 탭과 각각 연결되고, 상기 케이스의 외부로 일부가 노출되어 외부 단자와 전기적으로 접속되는 양극 및 음극 단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전지부는 상기 세퍼레이터를 사이에 두고, 양극판과 음극판을 적층한 상태에서 상기 양극 및 음극 무지부측을 일방향으로 구부려서 소망하는 형상을 유지하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
3. 양극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 양극 쉬트와, 상기 양극 쉬트가 부착되는 양극 집전체로 된 양극판을 준비하는 단계;

   음극 활물질을 주성분으로 하는 다수장의 음극 쉬트와, 상기 음극 쉬트가 부착되는 음극 집전체로 된 음극판을 준비하는 단계;

   상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 준비하는 단계;

   상기 양극 집전체의 표면에 다수장의 양극 쉬트를 소정간격 이격되게 공히 부착시켜서, 그 사이의 영역에 양극 무지부를 형성시키는 단계;

   상기 음극 집전체의 표면에 다수장의 음극 쉬트를 소정간격 이격되게 공히 부착시켜서, 그 사이의 영역에 음극 무지부를 형성시키는 단계;

   상기 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 적층하는 단계; 및

   상기 양극 및 음극 무지부측을 일방향으로 구부려서 소망하는 형상을 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 양극 및 음극쉬트를 양극 및 음극집전체에 부착시키는 단계에서는,

   상기 집전체에 열과 압력을 가하는 라미네이팅법으로 쉬트를 부착시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 양극 및 음극쉬트를 양극 및 음극집전체에 부착시키는 단계에서는,

   상기 집전체에 쉬트를 코팅하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법.