KR20030035186A

KR20030035186A - 이차 전지의 제조방법

Info

Publication number: KR20030035186A
Application number: KR1020010067144A
Authority: KR
Inventors: 한수진
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR100428973B1

Abstract

이차 전지의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 양극 집전체에 양극 활물질층을 코팅하여 양극판을 제조하는 단계;와, 음극 집전체에 음극 활물질층을 코팅하여 음극판을 제조하는 단계; 세퍼레이터를 사이에 두고, 양극 및 음극판을 권취 및 압축하여 전지부를 제조하는 단계;와, 전지부를 캔에 삽입하는 단계;와, 캔 내부에 전해액을 주입하는 단계;와, 소정의 진공압 상태에서 전해액이 주입된 주입구를 미봉하는 단계;와, 전지를 완성하는 단계;를 포함하는 것으로서, 전지부를 제조하고 전해액을 주입한 다음에 진공 상태에서 전해액 주입구를 밀봉함으로써, 초기 충전후 발생되는 가스를 진공상태에서 제거하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라, 가스 발생으로 인한 내압증가가 미미하여, 전지부의 두께 팽창을 방지할 수 있으며, 수명을 연장할 수 있다.

Description

이차 전지의 제조방법{The fabrication method of the secondary battery}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부로부터 발생되는 가스로 인한 전지의 안전성을 확보하고자 전해액 주입구의 밀봉방법을 개선시킨 이차 전지의 제조방법에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지의 3배에 해당되며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머 전지라고 한다.

이러한 리튬이온전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 전해액의 종류에 따라 액제 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류되며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬-이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬-폴리머 전지라고 한다. 이러한 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과 각형을 들 수 있다.

리튬 이차 전지는 캔이 마련되고, 캔내에는 전지부가 설치된다. 전지부는 양극판과 음극판이 교호적으로 설치되며, 그 사이에 절연막으로 세퍼레이터가 삽입되어 형성되어 있다. 양극 및 음극판은 각각 양극 및 음극 탭과 일체형으로 형성되어 있다.

캔의 상부에는 캡 조립체가 용접결합되어 있다. 캡 조립체에는 전지부로부터 인출된 전극 탭이 전기적으로 연결되는 전극 단자가 절연체에 의하여 절연되는 캡 플레이트가 마련되어 있다. 캡 플레이트에는 캔 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구와, 전지의 과충전등에 의한 이상유무시 발생되는 가스의 배출을 위한 안전변이 설치되어 있다.

이와 같은 구조를 가지는 전지는 전지부를 캔내에 설치하고, 캡 조립체를 캡과 상호 용접결합하여 전지를 완성한 다음에, 전해액 주입구를 통하여 전해액을 주입하게 된다.

그런데, 종래의 이차 전지는 전해액을 주입한 다음에, 상온 또는 고온 상태에서 밀봉 부재를 이용하여 전해액 주입구를 용접하여 밀봉하게 된다. 이렇게 전지가 상온 및 고온 상태에서 밀봉하게 되면, 카보네이트(carbonate)계 유기 용매의 분해로 인하여 유해한 가스가 발생하게 된다.

또한, 발생된 가스로 인하여 전지의 내부 압력이 상승하게 되므로, 전지는 충전시 전지부의 두께가 팽창된다. 이러한 극판의 뒤틀림은 충전 및 방전의 불균일을 가져오게 되어서 전지의 제반 특성 및 안전성의 열화의 원인이 된다. 따라서, 전지는 가스 발생에 의한 내압 상승을 억제하는 것이 필요하다 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캡 플레이트의 전해액 주입구를 밀봉시키는 방법을 개선시켜 전지의 안전성을 향상한 이차 전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 전지를 도시한 분해사시도,

도 2는 도 1의 각형 전지의 전해액 주입구를 밀봉하는 상태를 도시한 개략도,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 각형 전지의 제조방법을 도시한 순서도,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 각형 전지의 제조방법을 도시한 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10...이차 전지11...캔

12...전지부13...양극 탭

14...음극 탭15...절연판

16...캡 조립체17...캡 플레이트

18...전해액 주입구18a...전해액 주입공

18b...밀봉 부재19...안전변

100...절연체110...양극 단자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 제조방법은,

양극 집전체에 양극 활물질층을 코팅하여 양극판을 제조하는 단계;

음극 집전체에 음극 활물질층을 코팅하여 음극판을 제조하는 단계;

세퍼레이터를 사이에 두고, 상기 양극 및 음극판을 권취 및 압축하여 전지부를 제조하는 단계;

상기 전지부를 캔에 삽입하는 단계;

상기 캔내부에 전해액을 주입하는 단계;

진공 상태에서 상기 전해액이 주입된 주입구를 밀봉하는 단계;

전지를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 각형 전지의 제조방법은,

상기 전지부를 캔에 삽입하는 단계;

상기 캔내부에 전해액을 주입하는 단계;

전해액이 주입된 주입구를 임시적으로 밀봉하는 단계;

소정 시간 충전시키는 단계;

임시 밀봉부를 제거하는 단계;

전지를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 이차 전지의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 전지(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지(10)는 캔(11)이 마련된다. 상기 캔(11)의 내부에는 전지부(12)가 설치된다. 상기 전지부(12)는 활물질층이 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 젤리-롤 타입(jelly-roll)으로 형성되어 있다. 상기 전지부(12)의 양극판은 양극 탭(13)과 일체형으로 형성되어 있다. 그리고, 음극판은 음극 탭(14)과 일체형으로 형성되며, 상기 음극 탭(14)은 캔(11)에 용접된다.

상기 전지부(12)의 상부에는 절연판(15)이 설치된다. 상기 절연판(15)의 상부에는 캡 조립체(16)가 배치된다. 상기 캡 조립체(16)는 캡 플레이트(17)와, 상기 캡 플레이트(17)의 일측에 형성된 전해액 주입구(18)와, 타측에 형성된 안전변(19)을 포함한다. 상기 캡 플레이트(17)의 중앙에는 관통공(17a)을 통하여 절연체(100)를 매개로 결합되는 양극 단자(110)이 설치된다. 상기 양극 단자(110)는 상기 양극탭(13)과 전기적으로 연결되어 있다.

상기 전해액 주입구(18)는 상기 캡 플레이트(17)에 형성된 전해액 주입공(18a)과, 상기 전해액 주입공(18a)을 통하여 전해액이 주입된 다음에 이를 밀봉하는 밀봉 부재(18b)를 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전지(10)는 캔(11)의 내부에 전지부를 설치하고, 상기 캔(11) 상부에 캡 조립체(16)를 결합하고, 전해액 주입구(18)를 통하여 전해액을 주입한 다음에, 진공 챔버(20) 내에서 상기 전해액 주입구(18)를 예컨대 레이저 용접기(21)등과 같은 결합 수단을 이용하여 밀봉하게 된다.

이때, 상기 진공 챔버(20) 내의 압력은 0 내지 100 mbar정도이다. 이러한 진공압 상태에서, 상기 전해액 주입구(18)를 밀봉하여 되면, 상기 전지(10)는 극판간의 밀착력이 향상되고, 두께 팽창을 억제할 수 있을 것이다.

본 출원인의 실험방법에 의하여 제조된 전지와 종래의 전지의 특성은 다음과 같다.

[실시예1]

도 3에 도시된 바와 같이, 전지는 양극판, 음극판, 세퍼레이터를 각각 제조하였다.

양극판은 양극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리는 양극 활물질인 LiCO₂에 바인더로 PVDF, 도전제로 카본을 96:2:2 중량비로 혼합한 다음에, N-methyl-2-pyrrolydone을 사용하여 분산시켜 제조하게 된다. 슬러리는 대략 20 마이크로미터의 두께를 가진 양극 집전체, 예컨대 알루미늄 포일의 외면에 코팅하게 된다. 양극 집전체에 슬러리가 코팅된 다음에, 건조 및 압연하게 되면 양극판의 제조가 완료된다.

음극판은 음극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리는 음극 활물질인 결정성 인조흑연과, 바인더로 PVDF를 95:5 중량비로 혼합한 다음에, N-methyl-2-pyrrolydone을 사용하여 분산시켜 제조하게 된다. 슬러리는 대략 15 마이크로미터의 두께를 가진 음극 집전체, 예컨대 구리 포일의외면에 코팅하게 된다. 음극 집전체에 슬러리가 코팅된 다음에, 건조 및 압연하게 되면 음극판의 제조가 완료된다.

양극판과 음극판의 제조가 완료되면, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 준비한다. 상기 세퍼레이터는 대략 16 마이크로미터의 두께를 가진 폴리에틸렌(PE) 소재이다.

세퍼레이터를 사이에 두고, 상기 양극판과 음극판을 권취 및 압축하여 33.8×48×4 밀리미터 크기를 가지는 전지부를 제조하고, 이를 케이스에 삽입하고, 다른 일반적이 전지제조공정을 통하여 케이스와 캡 플레이트를 결합시켰다.

이어서, 상기 전해액 주입구를 통하여 전해액을 주입하게 된다. 이때, 에틸렌 카보네이트(EC)와 프로필렌 카보네이트(PC)와, 에틸-메틸 카보네이트(EMC)를 4:1:5 조성으로 한 다음에 1.5몰의 LiPF₆의 전해액을 주입하게 된다.

진공 챔버에서 0 내지 100 mbar의 진공상태를 유지하고, 전해액 주입공을 밀봉 부재로 압입 및 용접을 하여 전지를 제작하였다.

[실시예2]

도 4에 도시된 바와 같이, 전지는 양극판, 음극판, 세퍼레이터를 각각 제조하였다. 이때, 제1 실시예와 동일한 조성물을 사용하여 제조하였다.

양극판은 양극 집전체에 양극 활물질층을 코팅하고, 음극판은 음극 집전체에 음극 활물질층을 코팅하여 각각 제조하고, 세퍼레이터를 마련한다.

전지부는 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 권취하여 압축하여 케이스에 삽입하게 된다. 이어서, 전해액 주입구를 통하여 전해액을 주입하게 된다. 다음으로, 전해액 주입공을 임시적으로 밀봉하여 3분 내지 3시간정도 충전시킨다음에, 임시 밀봉부를 제거하게 된다. 이어서, 진공 챔버내에서 0 내지 100 mbar의 진공상태를 유지하고, 전해액 주입공을 밀봉 부재로 압입 및 용접을 하여 전지를 제작하였다.

[비교예]

전지부는 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 권취하고, 압축하여 캔에 삽입하고, 전해액을 주입하게 된다. 다음으로, 상온에서 전해액 주입구를 압입 및 용접하여 전지를 제작하였다.

표 1은 상술한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전지와, 종래의 방법에 따라 제조된 전지의 두께 증가과 수명을 비교하였다.

	충전후 두께 증가율	초기대비 수명율
실시예1	10％	85％
실시예2	5％	92％
비교예	20％	85％

표에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라서 제조된 이차 전지는충전후 두께 변화율이 10％, 5％으로서, 종래의 제조방법에 따라서 제조된 이차 전지의 충전후 두께 변화율이 20％인데 비하여 10 내지 15％정도 줄어들었다.

또한, 300 싸이클(cycle) 후에, 본 발명의 제조방법에 따라서 제조된 이차 전지는 초기 대비하여 수명율이 85％, 92％로서, 종래의 제조방법에 따라서 제조된 이차 전지의 수명율이 85％인데 비하여 0 내지 7％ 증가하였다.

이처럼, 본 실시예에 따른 전지는 종래의 전지에 비하여 두께의 변화는 줄어드는 반면에, 수명은 연장되는 결과를 나타내였다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 이차 전지의 제조방법은 전지부를 제조하고 전해액을 주입한 다음에 진공 상태에서 전해액 주입구를 밀봉함으로써, 초기 충전후 발생되는 가스를 진공상태에서 제거하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라, 가스 발생으로 인한 내압증가가 미미하여, 전지부의 두께 팽창을 방지할 수 있으며, 수명을 연장할 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 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

양극 집전체에 양극 활물질층을 코팅하여 양극판을 제조하는 단계;

음극 집전체에 음극 활물질층을 코팅하여 음극판을 제조하는 단계;

세퍼레이터를 사이에 두고, 상기 양극 및 음극판을 권취 및 압축하여 전지부를 제조하는 단계;

상기 전지부를 캔에 삽입하는 단계;

상기 캔내부에 전해액을 주입하는 단계;

진공 상태에서 상기 전해액이 주입된 주입구를 밀봉하는 단계; 및

전지를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
제1항에 있어서,

주입구를 밀봉하는 단계에서는,

진공 상태는 0 내지 100 mbar를 유지하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
양극 집전체에 양극 활물질층을 코팅하여 양극판을 제조하는 단계;

음극 집전체에 음극 활물질층을 코팅하여 음극판을 제조하는 단계;

세퍼레이터를 사이에 두고, 상기 양극 및 음극판을 권취 및 압축하여 전지부를 제조하는 단계;

상기 전지부를 캔에 삽입하는 단계;

상기 캔내부에 전해액을 주입하는 단계;

전해액이 주입된 주입구를 임시적으로 밀봉하는 단계;

소정 시간 충전시키는 단계;

임시 밀봉부를 제거하는 단계;

진공 상태에서 상기 전해액이 주입된 주입구를 밀봉하는 단계; 및

전지를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
제3항에 있어서,

주입구를 밀봉하는 단계에서는,

진공 상태는 0 내지 100 mbar를 유지하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.