KR20040009583A - 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체,이를 이용한 리튬이온 폴리머 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체와 이를 이용한 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법을 개시한다. 본 발명은 서로 대향하는 두 개의 양극판과; 상기 두 개의 양극판의 사이에 상기 두 개의 양극판과 소정 간격 이격되어 개재되는 음극판과; 상기 양극판과 음극판 중 적어도 하나의 면에 도포되어 형성된 제 1 세퍼레이터를 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체를 제공한다.

Description

리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체, 이를 이용한 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법{Pole plate assembly for lithium ion cell, lithium ion polymet cell and manufacturing method thereof}

본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체와 이를 이용한 리튬 이온폴리머 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극판 형성 방법이 개선된 극판 조립체와 이를 이용한 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 리튬 2차 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속 전지와, 리튬 이온 전지 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지(Lithium ion polymer battery)로 구별된다. 또한 상기 리튬 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.

도 1은 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지의 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.

도면을 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지는 집전체에 전극 활물질을 충전시킨 양극판(12) 및 음극판(13)과, 상기 극판들 사이에 개재된 것으로 유기 전해액이 함침되어 있는 세퍼레이터(separator)가 적층된 구조로 되어 있는 극판 조립체(11)를 구비한다. 또한 상기 양극판의 일측에는 양극 탭(12a)이 형성되고, 상기 음극판의 일측에는 음극 탭(13a)이 형성된다. 양극 및 음극 탭(12a, 13a)은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치된다. 상기 탭(12a, 13a)들은 리이드(12b, 13b)에 연결됨으로써 외부의 회로와 접속될 수 있다.

상술한 극판 조립체(11), 양극 탭(12a), 음극 탭(13a) 및 양극 리이드(12b)와 음극 리이드(13b)는 절연성 케이스(14) 및 그와 일체로 형성된 커버(14a)에 의해 밀봉된다. 상기 절연성 케이스(14)와 커버(14a)는 통상적으로 알루미늄 박막의 상하면 위에 열접착성 물질이 적층된 형태를 가지며, 열접착성 물질이 상호 접착됨으로써 극판 조립체(11)가 수용된 공간을 밀봉할 수 있다. 또한 극판 조립체(11)과 외부와의 전기적인 연결을 위하여 양극 리이드(12b)와 음극 리이드(13b)의 일부가 외부로 노출된 상태에서 절연성 케이스(16)에 의해 밀봉된다.

도 2에는 도 1에 도시된 극판 조립체의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 양극 집전체(21)의 양측 표면에는 양극 활물질 시이트(21a)가 라미네이션되어 있으며, 음극 집전체(22)의 양측 표면에는 음극 활물질 시시이트(22a)가 라미네이션되어 있다. 도 1을 참조하여 설명된 양극판 및 음극판은 도 2에 도시된 바와 같이 집전체(21,22)의 일측에는 양극 탭(21b)이 형성되며, 음극 집전체의 일측에는 음극 탭(22b)이 형성된다. 한편, 집전체(21)에는 다수의 구멍(21c)이 형성되며, 이러한 구멍(21c)들은 음극 집전체(22)상에도 형성된다. 또한 도면에 도시된 대로, 양극판과 음극판 사이에는 세퍼레이터(23)가 개재된다.

도 3a 및 도 3b에는 집전체 상에 구멍을 형성하는 방식을 나타내는 설명도이다.

도면을 참조하면, 박판의 알루미늄 또는 구리 재료로 형성된 집전체(31)상에 다수의 슬릿(31a)을 형성하고 화살표 A의 방향으로 집전체(31)를 당겨주면 도 3b에 도시된 바와 같은 다수의 구멍(32)이 형성된다. 다른 예로는 박판의 집전체상에 펀치로 통공을 형성하는 경우도 있다.

집전체상에 구멍을 형성하는 것은 전지의 제조 공정중에 가소제의 추출 작업과 관련된다. 집전체상에 라미네이션된 활물질 시이트내에는 전해질이 함침되어야 하는데, 전해질 함침 공간을 활물질 시이트내에 형성하기 위해서 활물질 슬러리에 포함된 가소제를 추출하게 된다. 즉, 가소제가 추출된 활물질 시이트내의 공간은 가소제가 함침되는 기공이 되는 것이다. 그런데 가소제 추출 공정은 도 2에 도시된 양극판, 음극판 및 세퍼레이트들이 적층된 상태에서 이루어지므로, 가소제의 원활한 추출을 위해서 다수의 구멍(32)이 형성되는 것이다.

그러나 이러한 집전체상에 형성된 구멍들은 여러 가지 문제점을 발생시킨다. 예를 들면, 집전체 면적이 구멍에 의해서 상대적으로 감소되므로 전기전도성이 감소될 수 있다. 또한 활물질 슬러리를 집전체상에 도포할 때 구멍에 의해서 평활성이 감소하고 요철이 발생할 수 있다. 또한 완성된 전극의 두께가 균일하지 못하고 활물질 시이트가 집전체에 대하여 접착되는 힘이 떨어질 수 있으며, 구멍을 통한 기포의 혼입으로 전지 내에 기포가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

또한 위에서 상술한대로 이러한 형태의 전지의 경우는 가소제를 추출하는 공정이 필수적이고, 상기 추출공정을 수행함에 있어서, 기판 및 세퍼레이터를 다루는 공정상의 한계로 인하여 고용량화의 한계가 발생한다. 그리고 현재의 전지 구조는 양극판, 세퍼레이터, 음극판, 세퍼레이터, 양극판이 순차로 적층되어 이루어지고, 이러한 적층을 위한 라미네이션 공정의 한계로 인해 세퍼레이터의 두께를 현재보다 더 얇게 할 수 없으며, 가소제를 포함하는 양극판과 음극판으로 인해 고용량화를 실현하기가 어려움과 더불어 현재의 라미네이션 공정, 특히 음극의 라미네이션 공정을 적용하기 위해서는 가소제가 꼭 필요하다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 추출 공정이 요구되지 않는 리튬 이온 폴리머 전지 극판 조립체와 리튬 이온 폴리머 전지, 그리고 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 개략적인 구조를 도시한 사시도,

도 2는 종래 기술에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 극판 조립체에 대한 분해 사시도,

도 3a 및 도 3b는 집전체의 제조공정을 설명하는 사시도,

도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체의 실시예를 도시한 분해 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

41,43,51,53,61,63,71,73 ; 양극층 42,52,62,72 ; 음극층

54,64 ; 세퍼레이터

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명인 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체는 서로 대향하는 두 개의 양극판과, 상기 두 개의 양극판의 사이에 상기 두 개의 양극판과 소정 간격 이격되어 개재되는 음극판과, 상기 양극판과 음극판 중 적어도 하나의 면에 도포되어 형성된 제 1 세퍼레이터를 구비한다.

본 발명에 있어서, 상기 양극판과 음극판 사이에 별도의 보조 세퍼레이터가 개재될 수 있다.

또한, 본 발명인 리튬 이온 폴리머 전지는, 서로 대향하는 두 개의 양극판과, 상기 두 개의 양극판의 사이에 상기 두 개의 양극판과 소정 간격 이격되어 개재되는 음극판과, 상기 양극판과 음극판 중 적어도 하나의 면에 도포되어 형성된 제 1 세퍼레이터를 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체와, 상기 극판 조립체의 양극판과 음극판의 일측에 형성된 양극탭 및 음극탭에 각각 연결되는 양극 리이드 및 음극 리이드와, 상기 극판 조립체를 내측에 수용하여 밀폐시키는 케이스를 구비한다.

본 발명에 있어서, 상기 양극판과 음극판 사이에 별도의 보조 세퍼레이터가 개재될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 케이스는 상기 극판 조립체를 내부 공간에 수용하는 파우치일 수 있다.

또한, 본 발명인 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법은, 두 개의 양극판과 음극판을 준비하는 단계와, 상기 양극판과 음극판 중 적어도 일면에 제 1 세퍼레이터를 도포하는 단계와, 상기 두 개의 양극판의 사이에 음극판을 게재하여 적층하여 극판 조립체를 형성하는 단계와, 상기 극판 조립체를 케이스에 수용하여 밀봉하고 전해액을 주입하는 단계를 구비한다.

본 발명에 있어서, 상기 양극판과 음극판 사이에 보조 세퍼레이터를 개재시키는 단계를 더 구비할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 4에는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체의 일 실시예의 분리 사시도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체(40)는, 일면에 세퍼레이터(41b)가 도포된 양극판(41a)으로 이루어진 양극층(41)과, 상기 양극층(41)의 하면에 마련되고 양면에 세퍼레이터(42b)가 도포된 음극판(42)으로 이루어진 음극층(42)과, 상기 음극층(42)의 하면에 마련되고 그 일면에 세퍼레이터(43b)가 도포된 양극판(43a)으로 이루어진 또 다른 양극층(43)을 구비한다.

상기 양극판(41,43)과 음극판(42)은 집전체의 적어도 한 면에 활물질이 도포되어 이루어진 것이다.

또한, 상기 세퍼레이터(41b,42b,43b)는 가소제가 포함되지 않은 PVdF계의 세퍼레이터로 아세톤과 같은 유기 용매에 바인더 고분자와 PVdF계의 첨가제를 믹스하여 슬러리를 형성한 후, 닥터 블레이드(doctor blade)공정에 의해 상기 양극판(41,43) 또는 상기 음극판(42)에 도포되고 건조됨으로써 형성된다.

종래의 기술에 따를 경우 라미네이션 시의 음극판과 세퍼레이터의 부착은 가소제의 적용을 통해서 가능하게 되나, 본 발명의 경우와 같이 미리 음극판에 세퍼레이터를 도포한 경우는 라미네이션시 이미 음극에는 세퍼레이터가 도포된 상태이므로 가소제의 영향이 미미하고 가소제의 추출공정을 생략할 수 있게 된다.

상기 세퍼레이터(41b,42b,43b)의 도포에 의해 양극층(41,43)과 음극층(42)을 형성한 후에 양극층(41)과 음극층(42), 그리고 또 다른 양극층(43)을 순차로 적층한 후 통상의 방법에 의해 라이네이션시켜줌으로써 극판 조립체(40)을 형성할 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.

도면을 참조하면, 일면에 세퍼레이터(51b,53b)가 도포된 양극판(51a,53a)으로 이루어진 양극층(51,53)과, 상기 두 개의 양극층(51,53) 사이에 개재되고 양면에 세퍼레이터(52b)가 도포된 음극판(52a)으로 이루어진 음극층(52)을 구비함은 전술한 실시예의 경우와 같다. 본 실시예는 이에 더불어 상기 양극층(51,53)과 상기 음극층(52) 사이에 별도의 세퍼레이터(54)를 개재시킨다. 이는 세퍼레이터가 도포된 양극판이나 음극판만으로는 기계적인 강도가 불충분할 때 별도의 세퍼레이터를개재시켜주는 경우이다.

도 6에는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 극판 조립체의 또 다른 실시예가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 극판 조립체(60)는 서로 대향하는 두 개의 양극판(61,63)과 상기 두 개의 양극판(61,63) 사이에 개재되는 것으로서 양면에 세퍼레이터(62b)가 도포된 음극판(62a)로 이루어진 음극층(62)과, 상기 양극판(61,63)과 음극층(62)사이에 개재된 보조 세퍼레이터(64)를 구비한다.

도 7에는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 극판 조립체의 또 다른 실시예가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 극판 조립체(70)는 두 개의 양극판(71,73)과 상기 양극판(71,73) 사이에 개재되고 양면에 세퍼레이터(72b)가 도포된 음극판(72)으로 이루어진 음극층(72)를 구비한다.

상기와 같이 구성된 극판 조립체 이용한 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법은 다음과 같다.

전술한 바와 같이 통상의 라미네이션 공정에 의해 일체형의 바이셀(Bicell)을 형성하여 준다. 상기 극판 조립체에 탭과 리이드 선을 연결하고 상기 극판 조립체를 전지의 외장재인 케이스에 수용하고, 전해액을 주입하고 밀봉하여 줌으로써 리튬 이온 폴리머 전지를 제조한다. 세퍼레이터와 극판의 활물질은 전해액에 의해 용융되므로 용융과 함께 전해액이 함침하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명인 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체와 이를 이용한 리튬 이온 폴리머 전지는 가소제를 함유하지 않은 세퍼레이터를 미리 음극판에 도포하여 줌으로써 전지의 제조공정에서 추출공정을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 박형의 전지를 가능하게 해주며, 보다 고용량의 전지를 만들 수 있게 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 서로 대향하는 두 개의 양극판과;

   상기 두 개의 양극판의 사이에 상기 두 개의 양극판과 소정 간격 이격되어 개재되는 음극판과;

   상기 양극판과 음극판 중 적어도 하나의 면에 도포되어 형성된 제 1 세퍼레이터를 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 양극판과 음극판 사이에 별도의 보조 세퍼레이터가 개재되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체.
3. 서로 대향하는 두 개의 양극판과, 상기 두 개의 양극판의 사이에 상기 두 개의 양극판과 소정 간격 이격되어 개재되는 음극판과, 상기 양극판과 음극판 중 적어도 하나의 면에 도포되어 형성된 제 1 세퍼레이터를 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지용 극판 조립체와;

   상기 극판 조립체의 양극판과 음극판의 일측에 형성된 양극탭 및 음극탭에 각각 연결되는 양극 리이드 및 음극 리이드와;

   상기 극판 조립체를 내측에 수용하여 밀폐시키는 케이스를; 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 양극판과 음극판 사이에 별도의 보조 세퍼레이터가 개재되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 케이스는 상기 극판 조립체를 내부 공간에 수용하는 파우치인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
6. 두 개의 양극판과 음극판을 준비하는 단계와;

   상기 양극판과 음극판 중 적어도 일면에 제 1 세퍼레이터를 도포하는 단계와;

   상기 두 개의 양극판의 사이에 음극판을 게재하여 적층하여 극판 조립체를 형성하는 단계와;

   상기 극판 조립체를 케이스에 수용하여 밀봉하고 전해액을 주입하는 단계;를 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 양극판과 음극판 사이에 보조 세퍼레이터를 개재시키는 단계를 더 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조 방법.