KR20030060324A - 리튬 폴리머 이차 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지의 전체 두께를 줄이고, 집전체의 버어 발생에 의한 쇼트 문제를 해결하며, 집전체에 활물질 슬러리를 직접 코팅에 의해 제조될 수 있도록 하여 코스트 다운이 이루어 지도록 할 수 있도록 하기 위한 것으로, 유공이 형성되지 않은 박판상의 양극집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이 형성된 양극판과, 다수의 유공이 형성된 음극집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층이 형성된 음극과, 상기 양극판과 음극판의 사이에 설치되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

리튬 폴리머 이차 전지 및 그 제조방법{Lithium polymer secondary battery and manufacturing method thereof}

본 발명은 리튬 폴리머 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극판 및 그 제조 방법이 개선된 리튬 폴리머 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 충방전이 가능한 이차 전지(secondary battery)는 셀룰라 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 캠코더등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다.

이러한 이차전지들 중 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6 V로서 전자기기의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나 니켈-수소(Ni-MH)전지에 비해 수명의 3배이며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 급속도로 신장되고 있다.

리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 전지라고 한다.

한편, 리튬 폴리머 전지는 폴리머 자체의 유연성으로 인하여 그 형상이 비교적 자유로우며, 이에 따라 최근 리튬 폴리머 전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고 무게가 가벼워 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하여 각종 연구가 진행되고 있다.

종래의 리튬 폴리머 전지는 하나의 단위 전극체인 바이-셀(bi-cell)내에 있는 가소제를 추출(extraction)하는 공정을 그 중요한 특징 중 하나로 하고 있다. 그러나 이러한 가소제 추출공정은 리튬 폴리머 2차전지에 사용되는 PE 또는 PP 세퍼레이터를 제조하는 공정에 이미 사용되고 있는 방법과 동일한 것으로, 이 가소제의 추출을 위하여 양극과 음극의 집전체로서 익스펜디드 메탈이 사용되고 있다.

도 1은 상기와 같은 리튬 폴리머 전지의 바이-셀 전극 조립체를 나타낸 것으로, 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 바이-셀 전극 조립체(10)는 양극(11)/세퍼레이터(15)/음극(13)/세퍼레이터(15)/양극(11)의 구조로 적층되어 있다.

상기 양극(11)과 음극(13)은 도 1의 부분 확대 단면도에서 볼 수 있듯이 각각 개구(16a)(16b)가 다수 형성된 양극집전체(11a)와 음극 집전체(13a)를 가지며, 이들 집전체(11a)(13a)의 양면에 양극 및 음극 시트(sheet)(11b)(13b)가 형성됨으로서 이루어진다. 상기 양극 및 음극집전체(11a, 13a)는 익스펜디드 메탈(expanded metal) 또는 펀치드 메탈(punched metal)로 이루어지고, 각각 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 만들어진다.

그리고, 상기 양극 및 음극 시트(11b, 13b)는 양극 및 음극 활물질, 바인더, 도전제, 및 가소제를 함유하여 슬러리(slurry)로 제조된 전극물질 시트를 라미네이팅(laminating) 공법으로 열과 압력을 가하여 형성한 것이다.

이와 같이 제조된 양극판(11) 및 음극판(13)을 소정의 크기로 절단하고, 각각의 탭(12)(14)이 서로 반대 방향에 위치하도록 한 다음, 양극판(11)을 바깥쪽에 배치하고 음극판(13)을 안쪽에 배치하여 적층해 바이셀 구조를 형성한다. 그리고, 이렇게 바이 셀 전극 조립체를 형성한 후에 바이 셀 내의 가소제를 추출하게 된다.

상술한 바와 같이 종래의 리튬 폴리머 2차 전지는 일반적인 박막의 압연 포일(foil)을 집전체로 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 익스펜디드 메탈(expended metal)을 사용하므로서 리튬 이온 전지와 같이 박형화하기가 어렵고, 제조비용이증가되어 전체 코스트가 상승하며, 절단부에 발생되는 버어(burr)로 인하여 전지의 불량을 초래하게 되는 등 여러 가지 문제점을 내포하고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 등록특허 제303829호에는 상기와 같은 바이-셀 전극 조립체에 있어서, 양극의 사이에 배치되는 음극 집전체를 포일로 형성한 기술이 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전지의 전체 두께를 줄이고, 집전체의 버어 발생에 의한 쇼트 문제를 해결하며, 집전체에 활물질 슬러리를 직접 코팅에 의해 제조될 수 있도록 하여 코스트 다운이 이루어 지도록 할 수 있는 리튬 폴리머 전지 및 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 리튬 폴리머 전지에 구비된 전극조립체를 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 부분 분해 사시도.

도 3은 도 2의 전지에 구비된 전극 조립체를 나타낸 분해 사시도.

도 4는 도 3의 단위 전극 조립체의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20: 단위 전극 조립체21: 양극판

21a: 양극집전체21b: 양극 활물질층

23: 음극판23a: 음극집전체

23b. 음극 활물질층25: 세퍼레이터

H. 개구

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유공이 형성되지 않은 박판상의 양극집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이 형성된 양극판과, 다수의 유공이 형성된 음극집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층이 형성된 음극과, 상기 양극판과 음극판의 사이에 설치되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 양극집전체는 익스펜디드 메탈 또는 펀치드 메탈 중 어느 하나로 이루어지도록 할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 있어, 상기 음극판, 세퍼레이터 및 양극판은 음극판, 세퍼레이터, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판의 순으로 적층된 바이-셀 구조를 이루는 단위 전극 조합체를 형성하며, 상기 단위 전극 조합체는 적어도 하나 이상 구비되도록 할 수 있다.

본 발명은 또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 적어도 가소제를 각각 포함한 양극 및 음극 활물질 슬러리를 준비하는 단계와, 다수의 유공이 형성된 음극 집전체의 적어도 일면에 상기 음극 활물질 슬러리를 부착하여 음극판을 제조하는 단계와, 유공이 형성되지 않은 양극집전체의 적어도 일면에 상기 양극 활물질 슬러리를 부착하여 양극판을 제조하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지의 제조방법을 제공한다.

이 때, 상기 양극판 제조 단계 후에는 상기 음극판 및 양극판을 그 사이에 세퍼레이터를 개재하여 음극판, 세퍼레이터, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판의 순으로 적층시켜 바이-셀 구조를 이루는 단위 전극 조합체를 제조하는 단계가 더 포함되도록 할 수 있고, 이 단위 전극 조합체를 제조한 후에는 단위 전극 조합체에서 상기 가소제를 추출하는 단계가 더 포함되도록 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지의 분해 사시도로, 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지는, 전극조립체(100)와 이 전극조립체(100)가 삽입되는 케이스(200)와, 상기 케이스(200)에 일측의 가장자리가 연결되어 상기 케이스(200)를 밀폐하는 덮개(210)를 포함한다.

상기 전극조립체(100)는 양극판(21)과 음극판(23)이 세퍼레이터(25)를 사이에 두고 적층되는 구조를 가지며, 상기 각 양극판(21)의 일측에는 이로부터 연장되는 양극탭(22)들이 양극탭군(22a)을 형성하고, 상기 각 음극판(22)의 일측에는 이로부터 연장되는 음극탭(24)들이 음극탭군(24a)을 형성하여 각각 소정 길이를 가지는 양극단자(110)와 음극단자(120)와 용접된다.

상술한 바와 같이 구성된 전극조립체(100)는 도 2의 부분 확대도에서 볼 수 있는 바와 같이, 적어도 하나 이상의 단위 전극 조립체(20)가 적층되어 이루어지는 데, 이 단위 전극 조립체(20)는 음극판(23), 세퍼레이터(25), 양극판(21), 세퍼레이터(25) 및 음극판(23)이 순차로 적층된 바이-셀(bi-cell) 구조를 갖는다. 그리고 이러한 단위 전극 조립체(20)들은 서로 세퍼레이터 없이 적층되어 상기 전극 조립체(100)를 형성하게 된다.

도 3은 상술한 바와 같은 단위 전극 조립체(20)를 보다 상세히 설명하기 위한 것으로, 도면을 참조하면, 상기 양극판(21)은 박판상의 양극집전체(21a)의 적어도 일면에 양극 활물질층(21b)이 형성되어 이루어지고, 상기 음극판(23)은 다수의 개구(H)가 형성된 음극집전체(23a)의 적어도 일면에 음극 활물질층(23b)이 형성되어 이루어진다. 이러한 양극판(21)과 음극판(23)의 사이에 이들을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(25)가 설치되고, 이러한 구조는 상기 양극판(21)을 중심으로 상,하부에 음극판(23)을 세퍼레이터(25)가 개재된 상태로 적층시켜 하나의 셀을 이룬다. 이 때, 상기 양극집전체(21a)는 표면상에 개구가 형성되지 않은 무공의 Al 호일(foil)로 이루어지고, 상기 음극집전체(23a)는 표면에 다수의 개구(H)가 형성된 유공의 Cu 소재 익스펜디드 메탈 또는 펀치드 메탈 중 어느 하나로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

이렇게 바이-셀 구조의 단위 전극 조립체를 양극판을 중심으로 최외곽층에 음극판이 배치되도록 구성하고, 상기 양극판에 무공의 호일 집전체를 도입하면, 충전상태에서의 리튬의 분포가 균일하게 되고, 전해액이 함침된 상태에서 세퍼레이터의 겔화가 균일하게 이루어져 안정성이 향상된다.

다음으로, 상기와 같이 구성된 본 발명의 리튬 폴리머 전지의 전극 조립체의 제조방법을 첨부한 도면을 참고로 설명한다.

우선, 도 2를 참조하여, 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리를 준비한 다음, 개구(H)가 다수 형성된 유공의 음극집전체(23a)의 양면에 음극 활물질 슬러리를 코팅하여 음극판(23)을 제조한다. 그리고 상기 양극집전체(21a)의 양면에 양극 활물질 슬러리를 코팅하여 양극판(21)을 제조한다. 이러한 음극판(23) 및 양극판(21)의 제조는 활물질 슬러리 용액을 닥터 블레이드(Doctor-blade)방식으로 얇은 쉬트(sheet)상태로 만들어 이를 집전체에 라미네이팅시키거나, 직접 코팅하는 방식으로 할 수 있다. 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

우선 음극 활물질 슬러리는 엔엠피(NMP; N-Methyl-2-Pyrrolidone) 혹은 엔엠피 혼합용액을 용매로 하여 여기에 피브디에프(PVDF) 바인더 5 내지 10%를 녹이고 10 내지 18%의 가소제를 혼합하여 바인더 용액을 제조한 후, 이 바인더 용액과 1 내지 5%의 카본 블랙(carbon black) 도전제 및 60 내지 80%의 카본 음극 활물질을 교반하여 10,000 내지 35,000 cps의 점도로 제조한다. 이렇게 제조된 음극 활물질 슬러리 용액을 음극집전체(23a)인 Cu 소재 익스펜디드 메탈 또는 펀치드 메탈의 표면에 닥터 블레이드(Doctor-blade)방식이나 슬릿 다이 코팅(Slit-die coating)방식으로 직접 코팅하여 음극판을 제조한다.

그리고 양극 활물질 슬러리는 아세톤(aceton) 또는 아세톤 혼합용액에 피브디에프 바인더를 6 내지 12% 녹이고, 8 내지 18%의 가소제를 혼합하여 바인더 용액을 제조한 후, 2% 내지 5%의 카본 블랙 도전재와, 70 내지 85%의 LiCoO2 양극 활물질을 교반하여 15,000 내지 40,000cps의 점도로 제조한다. 이렇게 제조된 양극 활물질 슬러리 용액을 닥터 블레이드 방식으로 얇은 양극 쉬트로 제조하여 양극집전체(21a)인 Al 호일의 표면에 라미네이팅 시키거나, 직접 코팅시켜 양극판(21)을 제조한다. 한편 상술한 양극 및 음극 활물질 슬러리에 함유되는 물질의 함유 비율은 상기의 치수에 한정되지 않는 것은 주지의 사실이다.

이렇게 제조된 양극판(21) 및 음극판(23)은 적절한 형상으로 도포된 후 세퍼레이터(25)를 개재하여 적층된다. 이 적층은 음극판(23), 세퍼레이터(25), 양극판(21), 세퍼레이터(25) 및 음극판(23)의 순으로 하고, 이러한 적층을 통해 바이 셀 구조를 갖는 단위 전극 조립체가 얻어진다. 그리고, 이러한 단위 전극 조립체의 형성이 완료한 후에는 가소제를 추출하는 공정으로 넘어간다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지에서 양극 집전체(21a)로 개구가 형성되지 않은 Al 호일을 이용함으로써, 전기 전도성을 향상시키고, 양극 집전체(21a)에 양극 시트를 라미네이팅하거나 양극 활물질 슬러리를 코팅할 때에 오목부와 볼록부가 존재했던 종래의 집전체에서 야기될 수 있는 기포 혼입에 의한 버블 (bubble)등의 불량 발생이 억제된다. 그리고 종래 집전체의 두께 불균일로야기될 수 있는 집전체와 전극시트의 라미네이팅시 집전체 두께 불균일에 원인이 있는 전극시트 압착력의 균일한 제어가 가능하다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 양극판(21)에 함유된 가소제와 세퍼레이터(25)에 함유된 가소제는 음극 집전체(23a)의 개구(H)를 통하여 추출될 수 있다(화살표 방향). 따라서 상기 양극 집전체(21a)에는 별도의 개구가 형성될 필요가 없다.

또한 상술한 양극 활물질 슬러리를 시트화하여 호일 형태의 집전체에 라미네이팅하는 것뿐만 아니라 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체(21a)에 용이하게 직접 코팅하여 양극 활물질층(21b)을 형성할 수 있기 때문에 전지의 제조 공정을 간소화할 수 있게 된다. 그리고 상기 양극 집전체(21a)에 대한 양극 활물질 슬러리의 용액뿐만 아니라 양극 시트의 결착력도 크게 향상되어 전지의 고효율 및 수명향상은 물론 성능 향상이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

우선, 양극 집전체로 호일을 사용함으로써 전체적인 두께를 줄일 수 있다.

둘째, Al 호일을 양극 집전체로 사용하여, 종래의 Al 익스펜디드 메탈을 양극 집전체 사용시 발생되는 버어에 의한 전지의 쇼트 문제를 줄였다.

셋째, 활물질 쉬트 또는 코팅된 활물질의 표면 결착력이 증가함으로 수명과 효율 등 전지 성능이 향상되었다.

넷째, 인장강도가 비교적 큰 호일을 양극집전체로 사용함으로써 익스펜디드 메탈을 사용할 때는 불가능했던 연속공정이 가능해졌다.

다섯째, 극판 라미네이팅 방식이 아닌 직접 코팅을 할 수 있게 되어 공정의 간소화에 따라 생산성을 향상시킬 수 있다.

여섯째, 리튬 폴리머 전지의 에너지 밀도를 증가시켰다.

그리고, 집전체의 가격도 메탈에 비해 1/5정도 저렴한 호일을 사용함으로써 전체적인 생산비용을 낮출 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 유공이 형성되지 않은 박판상의 양극집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층이 형성된 양극판;

   다수의 유공이 형성된 음극집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층이 형성된 음극판;

   상기 양극판과 음극판의 사이에 설치되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 양극집전체는 익스펜디드 메탈 또는 펀치드 메탈 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 음극판, 세퍼레이터 및 양극판은 음극판, 세퍼레이터, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판의 순으로 적층된 바이-셀 구조를 이루는 단위 전극 조합체를 형성하며, 상기 단위 전극 조합체는 적어도 하나 이상 구비되도록 한 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지.
4. 적어도 가소제를 각각 포함한 양극 및 음극 활물질 슬러리를 준비하는 단계;

   다수의 유공이 형성된 음극 집전체의 적어도 일면에 상기 음극 활물질 슬러리를 부착하여 음극판을 제조하는 단계;

   유공이 형성되지 않은 양극집전체의 적어도 일면에 상기 양극 활물질 슬러리를 부착하여 양극판을 제조하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 양극판을 제조하는 단계 후에는 상기 음극판 및 양극판을 그 사이에 세퍼레이터를 개재하여 음극판, 세퍼레이터, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판의 순으로적층시켜 바이-셀 구조를 이루는 단위 전극 조합체를 제조하는 단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 단위 전극 조합체를 제조하는 단계 후에는 상기 단위 전극 조합체에서 상기 가소제를 추출하는 단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지의 제조방법.