KR20080106678A - 고출력 리튬 전지의 적층 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력 리튬 전지의 적층 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 불량률을 낮추고 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 강하 문제를 최소화하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 의한 고출력 리튬 전지의 적층 방법은, 음극판(100), 분리막(300) 및 양극판(200)을 포함하여 이루어지는 리튬 전지의 제조 시 상기 음극판(100), 분리막(300) 및 양극판(200)을 적층하는 방법에 있어서, 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 제조되는 a) 단계와, 분리막(300)에 부착된 양극판(200)이 제조되는 b) 단계와, 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)과 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 교대로 다수 층이 적층되는 c) 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
리튬 전지, 적층, 정렬, alignment, 개로전압, 불량률

Description

고출력 리튬 전지의 적층 방법 {A Stacking Method of High Power Lithium Battery}
도 1은 일반적인 리튬 전지의 작동 원리 모델.
도 2는 본 발명에 의한 음극판의 제조 단계.
도 3은 본 발명에 의한 양극판의 제조 단계.
도 4는 본 발명에 의한 리튬 전지의 적층 단계.
도 5는 본 발명에 의하여 제조된 리튬 전지의 단면도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100: 음극판 200: 양극판
110: 제1활물질 210: 제2활물질
120: 제1금속막 220: 제2금속막
300: 분리막
본 발명은 불량률을 낮추고 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 강하 문제를 최소화하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 1차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 2차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 2차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 2차 전지를 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.
도 1은 일반적인 리튬 전지의 작동 원리 모델이다. 음극(cathode)에는 주로 코발트산 리튬을, 양극(anode)은 탄소 재료를 이용하는 것이 일반적이며, 두 가지 모두 층상 구조의 물질로서, 충방전 반응은 음극과 양극 간의 리튬이온의 이동에 의하여 행해진다. 반응식은 하기의 화학식과 같다.
Figure 112007040680975-PAT00001
분리막으로는 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 의 미세다공질막이 주로 사용되고 있다. 전해질용액이란 유기용매에 이온원인 용질을 용해시킨 것이지만, 리튬전지용 전해질용액은 도 1에 나타낸 것처럼 리튬이온을 원활하고 폭넓게 할 수 있어야 한다는 점에서 다른 전지의 전해질용액과는 그 의미가 약간은 다르다. 리튬전지용 유기용매로는 일반적으로 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(etylene carbonate) 등이 이용되고 있으며, 용질로는 인산리튬 등이 사용되고 있다.
리튬 전지는 기본적으로 상술한 바와 같은 재질로 된 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되는 형태로 만들어진다. 이 때, 일정한 규격으로 만들어지는 양극판, 분리막, 음극판이 적층될 때 미세하게라도 정렬(alignment)이 흐트러지게 되면, 전지 제조가 완료된 후 검수 단계에서 불량이 발생할 가능성이 있으며, 또는 검수 후에 충방전을 하는 과정에서 개로 전압 강하가 발생하는 문제점이 있다.
리튬 전지를 제조하는 과정에서 이러한 정렬 문제를 해결하고자 하는 개발 및 연구가 꾸준히 이루어져 왔다. 한국등록특허 제0365824호("리튬이온 이차전지", 이하 선행기술1)에는, 분리막을 전극판에 포케팅 방식으로 일체화하고 이를 적층하여 제조하는 기술이 개시되어 있으며, 일본공개특허 제2002-520803호("리튬 2차 전지", 이하 선행기술2)에는 부전극 재료와 정전극 재료에 구멍 패턴이 형성되어 이를 통과하는 고분자재료로 고정됨으로써 전극들을 정렬하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 선행기술1에 의하면 포켓 형식으로 형성된 분리막 속에 전극판이 비 뚤어지게 들어가 자리를 잡게 될 가능성이 있어, 전극들의 정렬 오차 문제를 해결하기 어렵다. 또한, 선행기술2는 전극판에 구멍이 형성됨으로써 정렬 오차를 제거할 수는 있겠으나, 이러한 구멍들에 의해 화학 반응이 일어나는 면적이 소실됨으로써 전지의 성능이 저하된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전지 제조 시에 양극판, 분리막, 음극판의 정렬이 정확하게 이루어지도록 함으로써 전지의 불량률을 낮추고 개로전압 강하를 최소화하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고출력 리튬 전지의 적층 방법은, 음극판(100), 분리막(300) 및 양극판(200)을 포함하여 이루어지는 리튬 전지의 제조 시 상기 음극판(100), 분리막(300) 및 양극판(200)을 적층하는 방법에 있어서, a) 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 제조되는 단계; b) 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)이 제조되는 단계; c) 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)과 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 교대로 적층되어 스택 셀(stack cell)을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는, a-1) 소정의 규격으로 절단되고 양측면 일부에 제1활물질(110)이 코팅된 제1금속막(120)으로 이루어지는 상기 음극판(100)에서, 상기 음극판(100) 일측면의 상기 제1활물질(110)이 코팅되지 않은 부분에 접착물질이 부 착되는 단계; a-2) 접착물질이 부착된 상기 음극판(100)이 상기 분리막(300) 위에 소정의 간격으로 배치되어 부착되는 단계; a-3) 상기 음극판(100)이 부착된 분리막(300)이 소정의 규격으로 절단되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제1금속막(120)은 구리인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 b) 단계는, b-1) 소정의 규격으로 절단되고 양측면 일부에 제2활물질(210)이 코팅된 제2금속막(220)으로 이루어지는 상기 양극판(200)에서, 상기 양극판(200) 일측면의 상기 제2활물질(210)이 코팅되지 않은 부분에 접착물질이 부착되는 단계; b-2) 접착물질이 부착된 상기 양극판(200)이 상기 분리막(300) 위에 소정의 간격으로 배치되어 부착되는 단계; b-3) 상기 양극판(200)이 부착된 분리막(300)이 소정의 규격으로 절단되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제2금속막(220)은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 c) 단계는, c-1) 상기 음극판(100)의 제1활물질이 코팅되지 않은 면과, 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)의 제1활물질(110)이 코팅되지 않은 면과, 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)의 제2활물질(210)이 코팅되지 않은 면에 접착물질이 부착되는 단계; c-2) 최하층에 접착물질이 부착된 상기 음극판(100)이 놓이고, 그 위로 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)과 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 교대로 다수 층이 적층되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 접착물질은 접착제 또는 테이프를 포함하는 접착수단인 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 a-3) 단계 및 b-3) 단계의 절단 공정은 히트 커팅(heat cutting)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 고출력 리튬 전지의 적층 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 음극판의 제조 단계이다. 음극판(100)은 소정의 규격으로 절단된 제1금속막(120)의 양측면에 제1활물질(110)이 코팅되어 이루어진다. 이 때, 상기 제1활물질(110)은 상기 제1금속막(120)의 전체에 코팅되는 것이 아니라 도 2(A)에 도시된 바와 같이 가장자리 일부를 남기고 코팅된다. 또한, 상기 제1금속막(120)은 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 음극판(100) 일측면의 상기 제1활물질(110)이 코팅되지 않은 가장자리 부분은 도 2(A)에서 빗금친 영역으로 표시되어 있다. 이 영역에는, 도 2(A)에 도시된 바와 같이 접착물질이 부착되는데, 상기 접착물질을 부착하는 단계는 아교, 풀과 같은 접착제를 도포하는 것으로 하여도 무방하며, 테이프 등과 같은 접착수단을 부착하는 것으로 하여도 무방하다.
이와 같이 일측면 가장자리에 접착물질이 부착된 상기 음극판(100)은, 도 2(B)에 도시된 바와 같이 소정의 간격을 두고 상기 분리막(300) 위에 배치되어 부착된다. 이후, 상기 음극판(100)이 부착된 상기 분리막(300)은 커터(400)에 의하여 소정의 간격으로 절단된다. 이 때, 상기 커터(400)는 히트 커팅(heat cutting)을 사용하는 커팅 수단인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 단계를 거쳐 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)을 미리 제조하여 둔다.
도 3은 본 발명에 의한 양극판의 제조 단계로, 음극판의 제조 단계와 거의 유사하다. 양극판(200)은 소정의 규격으로 절단된 제2금속막(220)의 양측면에 제2활물질(210)이 코팅되어 이루어진다. 이 때, 상기 제2활물질(210)은 역시, 상기 제2금속막(220)의 전체에 코팅되는 것이 아니라 도 3(A)에 도시된 바와 같이 가장자리 일부를 남기고 코팅된다. 또한, 상기 제2금속막(220)은 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 양극판(200) 일측면의 상기 제2활물질(210)이 코팅되지 않은 가장자리 부분은 도 3(A)에서 빗금친 영역으로 표시되어 있다. 이 영역에는, 도 3(A)에 도시된 바와 같이 접착물질이 부착되는데, 상기 접착물질을 부착하는 단계는 음극판의 제조 단계와 마찬가지로 아교, 풀과 같은 접착제를 도포하는 것으로 하여도 무방하며, 테이프 등과 같은 접착수단을 부착하는 것으로 하여도 무방하다.
이와 같이 일측면 가장자리에 접착물질이 부착된 상기 양극판(200)은, 도 3(B)에 도시된 바와 같이 소정의 간격을 두고 상기 분리막(300) 위에 배치되어 부착된다. 이후, 상기 양극판(200)이 부착된 상기 분리막(300)은 커터(400)에 의하여 소정의 간격으로 절단된다. 이 때, 상기 커터(400)는 역시 히트 커팅(heat cutting)을 사용하는 커팅 수단인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 단계를 거쳐 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)을 미리 제조하여 둔다.
도 4는 본 발명에 의한 리튬 전지의 적층 단계이다. 도 2에서 설명한 바와 같은 단계를 거쳐 제조된 음극판(100)이 부착된 분리막(300)과, 도 3에서 설명한 바와 같은 단계를 거쳐 제조된 양극판(200)이 부착된 분리막(300)은, 각각 도 4(A)에 도시된 바와 같이 적층되어 카트리지(500)에 보관된다. 또한, 분리막(300)에 부착되지 않은 음극판(100)도 카트리지(500)에 담겨 따로 보관된다.
이후, 상기 음극판(100), 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200) 및 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)에서, 각각 활물질(110, 210)이 코팅되지 않은 영역에 접착물질이 부착된다. 접착물질이 부착되는 부분은 도 4(B)에서 빗금친 영역으로 표시되어 있다.
마지막으로 도 4(C)에 도시된 바와 같이, 접착물질이 부착된 상기 음극판(100)을 최하층에 배치한 후, 그 위로 접착물질이 부착된 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)과, 접착물질이 부착된 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)을 교대로 다수 개 적층한다. 이와 같이 적층함으로써 도 4(D)와 같이 리튬 전지의 스택 셀(stack cell)의 제조가 완성된다.
도 5는 이와 같이 제조한 리튬 전지의 스택 셀의 단면도이다. 본 발명에 의하면, 음극판(100) 및 양극판(200)이 동일한 규격으로 제작된 후, 역시 동일한 규격의 분리막(300)의 동일한 위치에 접착되고, 이와 같이 분리막에 부착된 극판 (100, 200)들을 교대로 적층함으로써 스택 셀이 제조된다. 따라서 분리막(300)들을 정렬해 주기만 하면 극판(100, 200)들은 자동으로 정렬이 되며, 이에 따라 정렬에 오차가 존재함으로써 발생되는 여러 가지 문제점들을 원천적으로 제거할 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 전지 제조 시에 양극판, 분리막, 음극판의 정렬이 정확하게 이루어지게 되는 효과가 있으며, 따라서 리튬 전지의 불량률을 최소화되는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 전지의 구성품들이 정확하게 정렬되어 적층됨으로써 개로전압 강하가 최소화되는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 음극판(100), 분리막(300) 및 양극판(200)을 포함하여 이루어지는 리튬 전지의 제조 시 상기 음극판(100), 분리막(300) 및 양극판(200)을 적층하는 방법에 있어서,
    a) 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 제조되는 단계;
    b) 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)이 제조되는 단계;
    c) 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)과 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 교대로 적층되어 스택 셀(stack cell)을 형성하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 a) 단계는
    a-1) 소정의 규격으로 절단되고 양측면 일부에 제1활물질(110)이 코팅된 제1금속막(120)으로 이루어지는 상기 음극판(100)에서, 상기 음극판(100) 일측면의 상기 제1활물질(110)이 코팅되지 않은 부분에 접착물질이 부착되는 단계;
    a-2) 접착물질이 부착된 상기 음극판(100)이 상기 분리막(300) 위에 소정의 간격으로 배치되어 부착되는 단계;
    a-3) 상기 음극판(100)이 부착된 분리막(300)이 소정의 규격으로 절단되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제1금속막(120)은
    구리인 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 b) 단계는
    b-1) 소정의 규격으로 절단되고 양측면 일부에 제2활물질(210)이 코팅된 제2금속막(220)으로 이루어지는 상기 양극판(200)에서, 상기 양극판(200) 일측면의 상기 제2활물질(210)이 코팅되지 않은 부분에 접착물질이 부착되는 단계;
    b-2) 접착물질이 부착된 상기 양극판(200)이 상기 분리막(300) 위에 소정의 간격으로 배치되어 부착되는 단계;
    b-3) 상기 양극판(200)이 부착된 분리막(300)이 소정의 규격으로 절단되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제2금속막(220)은
    알루미늄인 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 c) 단계는
    c-1) 상기 음극판(100)의 제1활물질이 코팅되지 않은 면과, 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)의 제1활물질(110)이 코팅되지 않은 면과, 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)의 제2활물질(210)이 코팅되지 않은 면에 접착물질이 부착되는 단계;
    c-2) 최하층에 접착물질이 부착된 상기 음극판(100)이 놓이고, 그 위로 상기 분리막(300)에 부착된 양극판(200)과 상기 분리막(300)에 부착된 음극판(100)이 교대로 다수 층이 적층되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  7. 제 2항 내지 제 6항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 접착물질은
    접착제 또는 테이프를 포함하는 접착수단인 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
  8. 제 2항 내지 제 5항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 a-3) 단계 및 b-3) 단계의 절단 공정은
    히트 커팅(heat cutting)을 사용하는 것을 특징으로 하는 고출력 리튬 전지의 적층 방법.
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