KR20090003823A - 스택-폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법 - Google Patents

스택-폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속적인 길이의 분리막 시트 상에 양극/분리막/음극 구조의 풀셀을 기본 단위체로서 다수 개 위치시키고 필요에 따라 단위전극 또는 바이셀을 추가로 위치시킨 상태에서 권취하여, 전극조립체의 외면을 형성하는 최외각 전극에 각각 음극이 위치하는 스택/폴딩형 전극조립체를 연속적으로 제조하는 방법으로서, 양극시트, 음극시트, 제 1 분리막 시트, 및 제 2 분리막 시트를 연속적으로 공급함으로써, 상기 단위셀들을 제조하여 제 2 분리막 시트 상에 제 1 단부터 제 n 단까지 순차적인 배열로 위치시킨 후 권취하며, 권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하도록, 각 단에서 양극탭과 음극탭을 서로 대향하는 위치로 배향하고, 상호 인접한 단들 사이에서 동일한 전극의 전극탭들이 서로 대칭되는 위치로 배향하며, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 개인 전극은 두 개의 전극시트로서 공급하고, 짝수 개인 전극은 하나의 전극시트로서 공급하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 전극의 손실을 방지하여 제조 비용을 절감할 수 있고, 높은 생산성으로 전극조립체를 제조할 수 있다.

Description

스택-폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법 {Stack and folding-typed Electrode Assembly and Method for Preparation of the Same}
본 발명은 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극시트, 음극시트, 제 1 분리막 시트, 및 제 2 분리막 시트를 연속적으로 공급함으로써, 상기 단위셀들을 제조하여 제 2 분리막 시트 상에 제 1 단에서 제 n 단까지의 순차적인 배열로 위치시킨 후 권취하며, 권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하도록, 각 단에서 양극탭과 음극탭을 서로 대향하는 위치로 배향하고, 상호 인접한 단들 사이에서 동일한 전극의 전극탭들이 서로 대칭되는 위치로 배향하며, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 개인 전극('홀수 전극')은 두 개의 전극시트로서 공급하고, 짝수 개인 전극('짝수 전극')은 하나의 전극시트로서 공급하는 전극조립체의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전 지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다.
그러나, 이러한 종래의 전극조립체는 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 젤리-롤 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 된다. 상기 전극조립체의 변형으로, 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다. 또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 가지고 있다.
둘째, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호 등에 개시되어 있다.
도 1 및 도 2에는 이러한 풀셀을 기본 단위체로서 사용하는 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조 및 제조 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 단위 셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 분리막 시트(20)가 개재되어 있다. 분리막 시트(20)는 풀셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀셀(10)로부터 시작되어 최외각의 풀셀(14)까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸서 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 분리막 시트(20)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(25) 등을 붙여서 마무리한다.
이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 예를 들어, 긴 길이의 분리막 시트(20) 상 에 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)을 배열하고 분리막 시트(20)의 일 단부(21)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다.
이 때, 단위 셀인 풀셀들의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(10)의 외면이 분리막 시트(20)로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(10)의 하부 전극이 제 2 풀셀(11)의 상부 전극에 접하게 된다.
제 2 풀셀 이후의 풀셀들(11, 12, 13, 14 …)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리막 시트(20)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 풀셀들을 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 상부 전극이 양극인 풀셀이고, 제 3 풀셀(12)은 상부 전극이 음극인 풀셀이며, 제 4 풀셀(13)은 풀셀이고, 제 5 풀셀(14)은 상부 전극이 양극인 풀셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 풀셀(10)을 제외하면 상부 전극이 양극인 풀셀과 상부 전극이 음극인 풀셀이 순차적으로 교번되는 배열로 이루어져 있다.
따라서, 이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 상기 젤리-롤과 스택형 전극조립체의 단점들을 상당히 보완하고는 있으나, 음극에서의 수지상 성장을 방지하기 위해서는 전극조립체 전체를 기준으로 음극의 개수가 더 많은 것이 바람직하다. 그러나, 양극탭과 음극탭이 서로 대향하는 위치로 배향하면서 전극조립체의 최외각에 음극이 위치하는 구조로 전극조립체를 제조하는 경우, 하나의 전극조립체 내에 개 재되는 총 단위전극의 수가 홀수인 전극이 존재하게 된다. 따라서, 일련의 연속적인 공정으로 전극조립체의 제조시 이러한 홀수 전극은 하나의 전극조립체를 제조할 때마다 하나씩 남게 되고, 이에 따라, 단위전극의 낭비가 불가피한 바 제조 비용이 상승하게 되는 문제가 있었다.
이상을 종합할 때, 전지의 작동 성능 및 안전성 측면에서는 스택/폴딩형 전극조립체가 바람직하지만, 제조비용 및 생산성의 측면에서 상기와 같은 문제점들이 존재하는 바, 이러한 단점들을 보완하면서 더욱 우수한 생산성 및 작동 성능 등을 제공할 수 있는 전극조립체의 제조방법에 대한 필요성이 높아지고 있다.
더욱이, 최근 블루투스 기반의 모바일 기기 등에는 매우 작은 크기를 갖는 이차전지가 요구되는 바, 풀셀을 기본 단위체로서 사용하여 작은 크기를 갖는 전극조립체를 저렴한 비용과 높은 생산성으로 제조하는 기술에 대한 필요성이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 최외각 전극에 음극이 위치하는 전극조립체의 제조시, 전극시트 및 분리막 시트를 연속적으로 공급함으로써 단위셀들을 제조하여 분리막 시트 상에 순차적인 배열로 위치시 킨 후 권취하며, 권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하도록 구성하며, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 개인 전극은 두 개의 전극시트로서 공급하는 경우, 전극의 손실을 근본적으로 방지할 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있고, 더욱이 전극조립체의 제조를 위한 단위셀의 공급 및 배열을 연속적인 공정으로 수행함으로써 생산 효율을 극대화할 수 있다는 장점이 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 연속적인 길이의 분리막 시트 상에 양극/분리막/음극 구조의 풀셀을 기본 단위체로서 다수 개 위치시키고 필요에 따라 단위전극 또는 바이셀을 추가로 위치시킨 상태에서 권취하여, 전극조립체의 외면을 형성하는 최상층 전극 및 최하층 전극('최외각 전극')에 각각 음극이 위치하는 스택/폴딩형 전극조립체를 연속적으로 제조하는 방법으로서,
양극 활물질이 도포된 전극시트(양극시트), 음극 활물질이 도포된 전극시트(음극시트), 풀셀 또는 바이셀의 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막 시트(제 1 분리막 시트), 및 단위셀들(풀셀, 단위전극, 바이셀)을 권취하는데 사용되는 분리막 시트(제 2 분리막 시트)를 연속적으로 공급하여 단위셀들을 제조하고, 상기 단위셀들을 제 2 분리막 시트 상에 제 1 단에서 제 n 단까지의 순차적인 배열로 위치시킨 후 권취하며,
권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치 에 함께 위치하도록, 각 단에서 양극탭과 음극탭을 서로 대향하는 위치로 배향하고, 또한 상호 인접한 단들 사이에서 동일한 전극의 전극탭들이 서로 대칭되는 위치로 배향하며,
전극조립체 전체를 기준으로 홀수 개인 전극('홀수 전극')은 두 개의 전극시트로서 공급하고, 짝수 개인 전극('짝수 전극')은 하나의 전극시트로서 공급하는 것을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.
이러한 방법으로 전극조립체를 제조하는 경우, 풀셀을 기본 단위체로서 사용하고 연속적인 공정으로 전극탭의 방향이 서로 대향하는 구조의 전극조립체를 제조하는 경우에도, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 개인 전극을 두 개의 전극시트로서 공급함으로써, 전극의 손실을 근본적으로 방지하면서 연속공정으로 전극조립체를 제조할 수 있으므로 생산 효율성을 높이고 제조비용을 크게 절감할 수 있다.
본 명세서에서 용어 '단위전극'은 양극 또는 음극 구조의 1 개체의 전극을 의미한다. 따라서, 단위전극이 그 자체로 단위셀을 이루는 경우, 풀셀 또는 바이셀의 구조가 아닌 1 개의 전극만으로 이루어진 단위셀을 의미한다. 특정 단의 단위셀이 단위전극인 경우에는, 그 자체가 하부 전극(분리막 시트와 접하는 전극)이면서 동시에 상부 전극일 수 있다.
따라서, 이하에서 특별히 구별하여 설명하는 경우를 제외하고는, 용어 '하부 전극' 또는 '상부 전극'은 풀셀과 바이셀의 하부 전극 또는 상부 전극 뿐만 아니라 단위전극 자체를 또한 포함하는 개념으로 사용된다.
또한, 본 명세서에서 용어 '단전극'은 단위셀의 제조를 위해 전극시트를 소 정의 크기로 절단하기 위한 전극 또는 그러한 절단 후의 전극을 의미한다. 이 경우, 단전극은 단위셀로서 풀셀 또는 바이셀의 제조를 위해 소정 크기로 절단된 양극 또는 음극용으로 사용될 수도 있고, 또는 그 자체로 단위셀의 단위전극으로 사용될 수도 있다.
기본 단위체인 상기 풀셀은 단위셀의 상부 전극과 하부 전극이 서로 반대 전극인 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, i) 양극/분리막/음극, 또는 ii) 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극의 적층 구조 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 양극/분리막/음극의 적층구조이다. 상기 제 2 분리막 시트 상에 위치된 상태로 권취되는 풀셀들의 수는 각 풀셀의 구조와 최종 제조된 전지의 소망하는 용량 등 다양한 요소들에 의해 결정될 수 있으며, 바람직하게는 6 내지 30 개일 수 있다.
상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 적층 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 적층 구조와 같이 양측에 동일한 전극이 위치하는 단위셀을 의미한다. 이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다. 바이셀은 음극/분리막/양극/분리막/음극 적층 구조의 셀, 즉, 양측에 음극이 위치하는 단위셀(C형 바이셀)과 양극/분리막/음극/분리막/양극 적층 구조의 셀, 즉, 양측에 양극이 위치하는 단위셀(A형 바이셀)로 분류할 수 있으며, C형 바이셀의 대표적인 예가 도 3에 도시되어 있다.
이후 설명하는 바와 같이, 최외각 전극에 각각 음극이 위치하게 되는 구조적 특성 상, 양극 또는 음극 중의 어느 한 종류의 전극은 홀수 개로 이루어져야 하므로, 단위전극 또는 바이셀이 적어도 하나의 단위셀을 구성하여야 한다. 이 때, 상기 단위전극 또는 바이셀은 제조 공정의 효율성을 높이기 위해, 권취의 개시점인 제 1 단과, 권취의 종점인 제 n-1 단 및 제 n 단 중 어느 하나에 위치시키는 것이 바람직하다. 실제 제조 공정의 적용 실효성을 고려할 때에는, 그 중에서도 단위전극이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 전극조립체는, 가능하면 음극이 많은 면적을 차지하도록, 전극조립체에서 각각의 외면을 형성하는 최외각 전극에 음극이 위치하는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 예를 들어 리튬 이차전지에서, 충방전시 리튬 금속 등이 음극에서 수지상 성장(dendrite)하는 현상을 최대한 억제할 수 있다.
이를 위해 바람직하게는, 상기 연속적인 길이의 제 2 분리막 시트 상에서 권취 종점인 제 n-1 단과 제 n 단에, 각각 독립적으로 음극의 단위전극, 또는 하부 전극이 음극인 풀셀 또는 바이셀 중 어느 하나를 배열할 수 있다.
구체적으로, 단위셀마다 내측으로 꺾어서 제 1 단의 단위셀로부터 시작하여 제 n 단의 단위셀까지 연속하여 제 2 분리막 시트로 감싸는 방식으로 권취를 수행하는 경우, 제 n-1 단에 위치하는 단위셀의 하부 전극은 전극조립체의 최상단 전극을 형성하게 되고, 제 n 단에 위치하는 단위셀의 하부 전극은 전극조립체의 최하단 전극을 형성하게 되므로, 전극조립체의 최외각 전극에는 각각 음극이 위치될 수 있다.
또한 본 발명에서, 상기 단위셀들은 제 2 분리막 시트 상에 위치시킨 후 권 취하는 과정에서 단위셀들의 중첩 부위에 분리막 시트가 개재되는 구조로 되므로, 각 단위셀들은 제 2 분리막 시트가 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 적층되어야 한다.
이를 위해서는, 우선, 제 1 단위셀이 제 2 분리막 시트에 의해 감싸인 상태에서 제 2 단위셀의 상단에 중첩되어야 하며, 중첩 부위에서 제 1 단위셀과 제 2 단위셀의 대면 전극들은 서로 반대 전극 구조를 가져야 한다.
첫 번째 조건을 만족시키기 위해, 제 1 단위셀이 위치하는 제 2 분리막 시트 상의 제 1 단과 제 2 단위셀이 위치하는 제 2 단 사이에 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위를 형성하거나, 또는 제 1 단의 전단에 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위를 형성하여야 한다. 따라서, 권취하는 과정에서 제 1 단위셀은 제 2 분리막 시트에 의해 감싸인 상태에서 제 2 단위셀의 상단에 중첩되게 된다.
두 번째 조건을 만족시키기 위해서는, 상기 이격 부위의 위치를 고려하여 단위셀들의 하부 전극과 상부 전극의 배열을 결정하여야 한다. 예를 들어, 제 1 단과 제 2 단 사이에 이격 부위를 형성한 상태에서 권취를 수행하는 경우에는, 제 1 단위셀의 하부 전극과 제 2 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖고, 제 2 단위셀의 하부 전극과 제 4 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 가지며, 제 3 단위셀의 하부 전극과 제 5 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖는 구조를 이루어야 한다. 반면에, 제 1 단의 전단에 이격 부위를 형성한 상태에서 권취를 수행하는 경우에는, 제 1 단위셀의 상부 전극과 제 2 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖는다는 점을 제외하고는, 상기 와 동일한 구조로 이루어져야 한다.
이러한 점을 고려하여, 제 2 분리막 시트의 제 1 단에 풀셀을 배열하는 경우(즉, 제 1 단위셀이 풀셀인 경우)에는, 제 2 단 이후에서 인접하는 단위셀들간의 상하부 전극들이 서로 반대가 되도록 풀셀들을 교번방식으로 배열하는 것이 바람직하고, 제 1 단에 단위전극을 배열하는 경우에는, 제 2 단 이후에서 인접하는 단위셀들간의 상하부 전극들이 서로 동일하도록 풀셀들을 동일한 전극 배향 방식으로 배열하는 것이 바람직하다.
상기에서 제 1 단에 풀셀을 배열하는 경우, 제 n-1 단 및 제 n 단의 하부 전극에 각각 음극이 위치하도록 하기 위해, 하나의 바람직한 예에서, 제 n 단에 음극인 단위전극 또는 C형 바이셀을 배열할 수 있다. 이 때, 제 1 단의 전단에 이격 부위를 형성한 후 권취하는 구조에서, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 음극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 홀수인 경우와, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 양극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 짝수인 경우에는, 제 n 단에 단위전극인 음극이 위치할 수 있다. 한편, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 음극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 짝수인 경우와, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 양극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 홀수인 경우에는, 제 n 단에는 C형 바이셀을 배열할 수 있다.
상기에서는 제 1 단의 전단에 이격 부위를 형성한 상태에서 권취한 경우만을 예시적으로 설명하였지만, 제 1 단과 제 2 단 사이에 이격 부위를 형성한 상태에서 권취하는 경우는 제 1 단의 풀셀의 상하 전극이 바뀌도록 제 1 단의 풀셀만을 뒤집은 상태로 동일하게 적용할 수 있다.
반면에, 제 2 분리막 시트의 제 1 단에 단위전극을 배열할 때에는, 이격 부위의 위치에 관계없이 동일한 구조가 적용된다. 구체적으로, 제 1 단에 단위전극을 배열할 때, 제 n 단 및 제 n-1 단의 하부 전극에 음극이 위치하기 위해서는, 제 1 단에 단위전극으로서 양극을 배열하는 경우에는 제 2 단부터는 하부 전극이 양극인 풀셀들을 동일한 전극 배향 방식으로 배열하며, 반대로 제 1 단에 단위전극으로서 음극을 배열하는 경우에는 제 2 단부터 하부 전극이 음극인 풀셀을 동일한 전극 배향 방식으로 배열한다.
앞서의 정의에서, 권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치한다는 것은, 예를 들어, 전극조립체에서 양극탭들은 우측 상단에 함께 위치하고 음극탭들은 좌측 상단에 함께 위치함으로써, 이들 전극탭들이 하나의 양극리드와 음극리드에 각각 결합될 수 있음을 의미한다. 이를 위해, 앞서 정의한 바와 같이, 제 2 분리막 시트의 각 단에서 양극탭과 음극탭을 서로 대향하는 위치, 예를 들어, 우측 상단과 좌측 상단으로 배향하고, 또한 상호 인접한 단들 사이에서 동일한 전극의 전극탭들이 서로 대칭되는 위치로 배향한다. 따라서, 임의의 단에서 양극탭이 우측 상단에 위치하고 음극탭이 좌측 상단에 위치하는 경우, 그것에 인접한 단에서 양극 탭은 좌측 상단에 위치하고 음극 탭은 우측 상단에 위치하는 구조로 배향된다.
본 발명에서, 상기 홀수 전극(e.g., 양극)은 두 개의 전극시트로서 공급되는 바, 이러한 전극시트를 공급하는 각각의 공급부는, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 하나의 시트로서 공급되는 짝수 전극(e.g., 음극)의 공급부에 대해 상·하 위치로 형성되거나 좌·우 위치로 형성할 수 있다. 또한, 상기 홀수 전극의 시트 및 짝수 전극의 시트 사이에는 분리막 시트의 공급부가 위치할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 제조방법은,
(1) 각각 연속적인 길이의 전극 집전체 시트에 탭이 형성될 부위를 제외한 나머지 부위에 전극 활물질을 도포하여 전극시트를 제조하고, 이 때, 짝수 전극의 시트('짝수 전극시트') 1 개와 홀수 전극의 시트('홀수 전극시트') 2 개를 제조하는 단계;
(2) 상기 단계(1)에서 제조된 전극시트들에서 탭이 형성될 부위를 펀칭하여 전극탭들을 형성하는 단계;
(3) 상기 단계(2)에서 전극탭이 형성된 전극시트들 중 홀수 전극시트는 두 개의 공급부를 통해 각각 투입하고, 짝수 전극시트 및 제 1 분리막 시트는 각각 하나의 공급부를 통해 투입하여, 소정 크기의 단전극과 분리막을 제조하는 단계;
(4) 상기 단계(3)에서 제조된 단전극과 분리막을 사용하여 전극조립체를 구성하는 단위셀들을 형성하고, 긴 길이의 제 2 분리막 시트 상에 소정의 배향 방식으로 배열하는 단계; 및
(5) 제 1 단에 위치한 단위셀을 제 2 분리막 시트로 1 회 권취한 후 제 2 단위셀부터 인접하는 단위셀이 위치하는 외측으로 제 2 분리막 시트를 접어서 각각의 단위셀들을 중첩하여 폴딩하는 단계;
를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 단계(3) 및 단계(4)는 동시에 수행될 수도 있다.
상기 단계(1)에서, 전극시트에서 탭이 형성될 부위는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 소정의 크기로 절단되는 단전극의 상단면의 좌우에 각각 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극시트는 권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하도록, 상호 인접한 단들 사이에서는 동일한 전극의 전극탭들이 서로 대칭되는 위치로 배향하는 바, 상기 짝수 전극시트는 바람직하게는 인접한 단들에서 전극 탭들의 방향이 서로 대칭되는 위치에 형성된 2 개의 단전극들이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성된 구조일 수 있다. 따라서, 탭 방향이 서로 대칭되는 단전극들이 순차적으로 단위셀에 공급됨으로써, 상호 인접한 단들 사이에서 동일한 전극의 전극탭들은 서로 대칭되는 위치로 배향될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 2 개의 홀수 전극시트는 전극탭의 방향이 모두 일방향인 단전극들이 연속적으로 형성된 제 1 전극시트와, 전극탭의 방향이 모두 대향 방향인 단전극들이 연속적으로 형성된 제 2 전극시트로 구성될 수 있고, 상기 제 1 전극시트와 제 2 전극시트는 각각 제 1 공급부 및 제 2 공급부를 통해 공급될 수 있다.
이 때, 각 단에서 양극탭과 음극탭이 서로 대향하는 위치로 배향되기 위해서는, 홀수 전극시트의 제 1 단에 위치한 단전극의 전극탭 방향과 짝수 전극시트의 제 1 단에 위치한 단전극의 전극탭 방향이 서로 대향하여야 하는 바, 제 1 전극시트와 제 2 전극시트 중, 짝수 전극시트의 제 1 단에 위치한 단전극에 형성된 전극탭의 방향에 대하여 대향하는 위치에 전극탭이 형성된 전극시트부터 교번방식으로 공급되는 것이 바람직하다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 2 개의 홀수 전극시트는, 전극탭의 방향이 서로 대향하는 2 개의 단전극들이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성되어 있는 시트('주 시트')와, 전극탭의 방향이 모두 제 1 전극시트의 개시점에 형성된 전극과 동일한 방향인 단전극이 연속적으로 형성되어 있는 시트('부 시트')로 구성될 수 있고, 상기 주 시트와 부 시트는 각각 제 1 공급부 및 제 2 공급부를 통해 공급될 수 있다.
이 때, 제 2 공급부는 제 1 단 또는 제 n 단에 위치하는 단위셀에만 단전극을 공급하고, 제 1 공급부는 나머지 단위셀에 탭 방향이 서로 대칭되는 단전극을 순차적으로 공급할 수 있다.
상기 단계(1)에 따르면, 각각 연속적인 길이의 전극 집전체 시트에 탭이 형성될 부위를 제외한 나머지 부위에 전극 활물질을 도포하여, 단전극들이 연속적으로 형성된 전극시트를 제조하는 바, 이들 단전극들은 양극과 음극으로 구별된다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 시트 상에 탭이 형성될 부위를 제외한 나머지 부위에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채 널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 시트 상에 탭이 형성될 부위를 제외한 나머지 부위에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이 라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 풀셀 또는 바이셀의 양극과 음극 사이에 개재되는 제 1 분리막 시트과 단위셀들(풀셀, 단위전극, 바이셀)을 권취하는데 사용되는 제 2 분리막 시트는 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 분리막과 분리막 시트는 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 분리막 시트로는, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지 는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 그것의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 시트의 소재로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
상기 제 1 분리막 시트는 풀셀 또는 바이셀을 구성하기 위해 열융착에 의한 접착 기능을 가지는 것이 바람직하고, 제 2 분리막 시트는 반드시 그러한 기능을 가질 필요는 없으나 권취 공정을 용이하게 수행하기 위해서는 접착 기능을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 분리막 시트는 열융착에 의한 접착 기능을 가지고 있는 본 출원인의 한국 특허출원 제1999-57312호에 기재된 미세 다공성의 제 1 고분자층과 폴리비닐리덴플루오라이드-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체의 겔화 제 2 고분자층을 포함하는 고분자 전해질용 고분자 필름을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제 2 분리막 시트는 권취 후 전극조립체를 한차례 감쌀 수 있도 록 연장된 길이를 가질 수 있고, 시트의 최외각 말단은 열융착되거나 테이프가 붙여져 고정될 수 있다. 예를 들어, 열용접기 또는 열판 등을 마무리되는 분리막 시트에 접촉시켜 분리막 시트 자체가 열에 의해 용융되어 접착 고정되도록 하는 것이다. 이에 따라, 압력이 계속 유지되게 하는 바 전극과 분리막 시트 사이의 안정적인 계면 접촉을 가능케 한다.
본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조되는 전극조립체로서, 기본 단위체로서 다수의 풀셀들과 단위전극 또는 바이셀이 분리막 시트가 개재된 상태에서 적층되어 있으며, 최외각 전극에는 각각 음극이 위치하고, 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
본 발명에 따른 전극조립체는, 저렴한 제조비용 및 우수한 생산효율로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 최외각 전극이 각각 음극으로 구성되어 있으므로, 음극이 많은 면적을 차지하도록 구성함으로써, 음극에서 수지상 성장(dendrite)하는 현상을 최대한 억제할 수 있고, 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. 따라서, 장기간의 사용시에도 우수한 작동 성능 및 안전성을 제공할 수 있고, 특히 전극 활물질의 함량을 극대화 할 수 있어서 상대적으로 작은 크기를 가지면서도 고집적도의 전지를 구현할 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 제 1 단의 단위셀로부터 시작되어 최외각의 단위셀까지 연속하여 분리막 시트로 감싸는 구조를 갖다. 따라서, 종래, 일반적으로 전지의 충방전을 거듭함에 따라 전극과 분리막 시트 사이의 계면 접촉이 유지되지 못하면서 전지의 용량 및 성능이 급격히 저하되는 바, 그 계면을 안정적으로 압착시 켜 접촉을 계속적으로 유지하기 위한 압력이 필요하다. 이와 관련하여, 상기와 같은 구조의 전극조립체는 풀셀들이 적층되면서 분리막 시트가 개재됨으로써 풀셀들 사이의 전극들도 효율적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 분리막 시트에 의한 권취시 발생하는 압력은 모든 셀들이 형성하는 전극과 분리막 시트 사이의 계면을 압착시킬 수 있으므로 전지 성능 및 용량의 면에서 매우 우수하다.
전극조립체에서 전극탭들은 동일 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하는 구조를 가지며, 예를 들어, 전극조립체의 상하단 또는 좌우 측면에 위치할 수 있으며, 바람직하게는 상단에 각각 위치할 수 있다. 또한, 양극탭과 음극탭은 서로 대향하는 위치라면 특별히 제한되지 않으며 서로 상하 또는 좌우에 위치될 수 있고, 바람직하게는 좌측 상단과 우측 상단로 대향하여 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전극조립체는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학 셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 수퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등을 들 수 있고, 그 중에서 이차전지가 특히 바람직하다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 특히 블루투스 기반의 모바일 기기 등에 장착되는 소형 전원으로 바람직하게 사용될 수 있고, 그러한 분야에의 적용시 작은 크기 및 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 전극조립체의 제조방법은 전극의 손실을 근본적으로 방지함으로써 제조 비용을 크게 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 연속적인 공정에 의해 전극조립체를 효율적으로 제조할 수 있어서 생산 효율성이 매우 우수하다. 따라서, 이러한 방법으로 제조된 전극조립체는 종래의 스택/폴딩형 전극조립체에서와 대등한 전지의 성능 및 안전성을 발휘하면서도 높은 생산성으로 제조될 수 있으며, 더욱이 최외각 전극에 음극이 위치함으로써, 장기간의 사용시에도 우수한 작동 성능 및 안전성을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4 내지 도 7에는 본 발명의 실시예들에 따라 하나의 전극조립체를 제조하기 위해 단위셀들을 제 2 분리막 시트 상에 제 1 단부터 제 n 단까지 순차적인 배열로 위치시킨 예들이 모식적으로 도시되어 있다. 참고로, 도면 중 단위셀 내의 (+) 및 (-)의 표시는 각각 양극과 음극을 나타내고, 이들의 위치는 전극탭의 방향을 나타낸다. 또한, 기본 단위체인 풀셀은 양극/분리막/음극의 구조이고, 바이셀은 C형 바이셀(음극/분리막/양극/분리막/음극)이다.
이들 도면을 참조하면, 제 2 분리막 시트(500)의 일 단부와 권취가 개시되는 제 1 단 사이에는 소정의 이격 부위가 위치하는 바, 이격 부위의 길이(L)는 1 회 권취하여 제 1 단에 위치한 단위셀의 상단면을 감쌀 수 있는 정도이다. 이격 부위는 제 1 단과 제 2 단 사이에 위치할 수도 있는 바, 이 경우에는 제 1 단 단위셀이 제 2 분리막 시트에 의해 감싸인 상태에서 그것의 하부 전극이 제 2 단 단위셀의 상부 전극에 중첩되게 되므로, 이러한 점을 고려하여 상하부 전극의 위치만을 바꾸면 된다. 예를 들어, 제 1 단이 풀셀인 도 4에서는 제 1 단 풀셀(111)의 하부 전극이 양극이 되도록 뒤집은 상태에서 제 2 분리막 시트(500)에 위치시키면 된다.
반면에, 제 1 단이 단위전극인 도 5에서는 상부 전극과 하부 전극이 서로 동일하므로, 이격 부위를 제 1 단과 제 2 단 사이에 위치시키더라도 별도로 변경을 가할 필요는 없다.
한편, 권취 개시점인 제 1 단(111, 121, 211, 221, 311, 321, 411, 421)에는 단위셀로서 풀셀(도 4; 111, 121 및 도 5; 211, 221) 또는 단위전극(도 6; 311, 321 및 도 7; 411, 421)이 위치하고, 제 n 단(116, 126, 215, 225, 317, 326, 416, 425) 및 제 n-1 단(115, 125, 214, 224, 316, 325, 415, 424)에는 음극인 단위전극, C형 바이셀 또는 하부 전극이 음극인 풀셀 중 어느 하나가 위치한다.
따라서, 전극조립체 전체를 기준으로 음극의 개수가 1 개 더 많고, 최외각 전극들에는 각각 음극이 위치하게 되는 바, 리튬 이온이 음극 표면에서 수지상 성장을 하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 서로 인접하는 단위셀들간의 전극탭의 위치는 서로 좌우로 대칭되어 있고, 각 단에 위치하는 단위셀에서 양극탭과 음극탭은 역시 좌우측 상단로 대향되는 위치로 배향되어 있다. 따라서, 제 1 단부터 권취하여 전극조립체를 제조하였을 때, 동일한 전극의 전극탭들은 모두 동일한 위치에 함께 위치하게 되고, 음극탭과 양극탭은 서로 대향하는 위치인 좌우측 상단에 각각 형성되게 된다.
따라서, 전극조립체의 최외각 전극에 각각 음극이 위치하는 구조에서는 양극 또는 음극 중 어느 하나는 반드시 홀수 개가 되고, 동일한 전극조립체들을 연속 공정을 통해 계속적으로 제조하는 경우, 홀수 개인 전극은 쌍을 이루지 못하므로, 연속 공정에서 남게 되어 낭비가 발생한다.
구체적으로, 110, 210, 310 및 410의 구조에서는 전극탭이 홀수 개인 전극은 양극이고, 전극탭의 위치가 좌우측 상단에 각각 형성된 인접한 전극 2 개를 1 쌍으로 할 때, 전극탭이 우측 상단에 형성된 양극이 하나 남게 된다. 반면에, 120, 220, 320 및 420의 구조에서는 전극탭이 홀수 개인 전극은 음극이고, 전극탭이 우측 상단에 형성된 음극이 하나 남게 된다. 따라서, 다수의 전극조립체들을 연속 공정에 의해 계속적으로 제조하는 과정에서, 홀수 개인 전극은 필연적으로 남게 되어, 공정 효율성을 저하시키고 재료의 낭비를 초래한다. 반면에, 본 발명의 제조방법에서는 홀수 개인 전극을 두 개의 전극시트로서 공급함으로써, 그러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.
이하, 각 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 살펴본다.
먼저, 도 4 및 도 5는 제 2 분리막 시트(500)의 제 1 단에 풀셀(111, 121, 211, 221)이 위치함으로써, 단위셀들이 교번방식으로 배열되어 있는 구조로서, 도 4는 제 1 단에 위치한 풀셀(111, 121)의 하부 전극이 음극인 구조이고, 도 5는 제 1 단에 위치한 풀셀(211, 221)의 하부 전극이 양극인 구조이다. 또한, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 전극이 양극인 구조(110, 210)와, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 전극이 음극인 구조(120, 220)로 구별된다.
따라서, 제 1 단에 풀셀이 위치하는 경우, 단위셀로서의 풀셀들은 교번방식으로 배열되고, 제 n 단에는 음극인 단위전극 또는 C형 바이셀이 위치한다.
또한, 도 6 및 도 7은 제 2 분리막 시트(500)의 제 1 단에 단위전극(311, 321, 411, 421)이 위치함으로써, 단위셀인 풀셀들이 동일 배향 방식으로 배열되어 있는 구조로서, 도 6은 제 1 단에 위치한 단위전극(311, 321)이 양극인 구조이고, 도 7은 제 1 단에 위치한 단위전극(411, 421)이 음극인 구조이다. 또한, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 전극이 양극인 구조(310, 410)와, 전극조립체 전체를 기준으로 홀수 전극이 음극인 구조(320, 420)로 구별된다.
따라서, 제 1 단에 단위전극이 위치하는 경우에는 단위셀들이 동일한 배향방식, 즉, 제 2 분리막 시트와 접하는 단위셀들의 하부 전극들이 동일한 방식으로 배열되며, 제 1 단의 단위전극이 양극인 경우에는 전극조립체의 최외각 전극에 음극이 위치하도록 제 n-1 단과 제 n 단에는 각각 음극인 단위전극이 위치한다.
상기 구조들 중에서도, 제조공정 측면에서 구조(110, 220)이 특히 바람직하 다.
도 8 및 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 2 개의 전극시트로서 공급되는 홀수 전극시트와 1 개의 전극시트로서 공급되는 짝수 전극시트의 모식도들이 도시되어 있다.
우선 도 8을 참조하면, 홀수 전극시트(600, 800)로서, 전극탭이 모두 좌측 상단에 형성된 단전극들이 연속적으로 형성된 제 1 전극시트(600)와 전극탭이 모두 우측 상단에 형성된 단전극들이 연속적으로 형성된 제 2 전극시트(800), 및 전극탭이 좌측 상단에 형성된 단전극과 우측 상단에 형성된 단전극이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성된 짝수 전극시트(700)가 도시되어 있다.
제 1 전극시트(600)와 제 2 전극시트(800)는 각각의 공급부를 통해 공급되는 바, 짝수 전극시트(700)의 제 1 단에 위치하는 단전극의 탭 방향인 우측 상단에 대하여 대향 방향인 좌측 상단에 전극탭이 형성된 제 1 전극시트(600)부터 단전극이 공급되고, 차회에는 제 2 전극시트(800)에서 단전극이 공급되는 방식, 즉, 교번 방식으로 공급된다. 따라서, 하나의 전극조립체를 제조할 때, 전극탭이 홀수 개인 전극은 그에 대응하는 개수로 제 1 전극시트(600)와 제 2 전극시트(800)로부터 교번 방식으로 공급되므로, 연속 공정에 의해 전극조립체들을 계속적으로 제조하더라도 재료의 낭비가 발생하지 않는다.
도 9를 참조하면, 홀수 전극시트(650, 850)는, 전극탭이 좌측 상단에 형성된 단전극과 우측 상단에 형성된 단전극이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성된 주 시트(650)와, 전극탭의 방향이 주 시트(650)의 제 1 단에 형성된 단위전극의 탭 방향 과 동일한 방향인 단전극들이 연속적으로 형성되어 있는 부 시트(850)로 구성되어 있다. 짝수 전극시트(750)은 도 5에서와 동일하게 전극탭이 좌측 상단에 형성된 단전극과 우측 상단에 형성된 단전극이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성되어 있다. 따라서, 주 시트(650)는 제 1 단부터 제 n-1 단까지 요구되는 전극을 공급하고, 부 시트(850)는 제 n 단에만 단전극을 공급한다. 따라서, 주 시트(650)에 의해 실질적으로 대부분의 단전극들이 공급되고, 홀수 개를 맞추기 위해 부 시트(850)에서 나머지 단전극이 공급됨으로써, 연속 공정에서 재료의 낭비를 방지할 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 전극탭의 방향이 주 시트(650)의 제 1 단에 형성된 단위전극의 탭 방향과 대향 방향인 단전극들이 연속적으로 형성되어 있는 부 시트를 구성하는 경우, 제일 먼저 요구되는 짝수 전극이 부 시트에서 공급되고, 제 2 단부터 제 n 단까지 요구되는 짝수 전극은 주 시트에서 공급되도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
도 10에는 도 4에 따른 배열 방식으로 도 8에 따른 전극시트 및 분리막 시트를 공급하여 전극조립체를 제조하는 공정이 모식적으로 도시되어 있다.
전극시트(600, 700, 800), 제 1 분리막 시트(910) 및 제 2 분리막 시트(920)가 상하로 배열되어, 상하로 배열된 공급부를 통해 공급되는 바, 상단부터 제 1 양극시트(600), 제 1 분리막 시트(910), 음극시트(700), 제 1 분리막 시트(910), 제 2 양극시트(800) 및 제 2 분리막 시트(920)의 순으로 배치되어 각각의 공급부를 통해 공급된다. 짝수 전극인 음극시트(700)는 음극탭의 방향이 우측 상단인 단전극(701)과 좌측 상단인 단전극(702)이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성되어 있고, 음극시트 공급부(710)를 통해 연속적으로 공급된다. 반면에, 홀수 전극인 양극시트(600, 800)는 2 개로 공급되는 바, 제 1 양극시트(600)는 양극탭의 방향이 좌측 상단인 단전극들이 연속적으로 형성되어 있고, 제 2 양극시트(800)는 양극탭의 방향이 우측 상단인 단전극들이 연속적으로 형성되어 있다. 제 1 양극시트(600)와 제 2 양극시트(800)는 제 1 양극시트 공급부(610)와 제 2 양극시트 공급부(810)를 통해 교번방식으로 공급된다.
제 1 분리막 시트(910) 2 개가 각각 음극시트(700)와 하나의 양극시트(600)의 하단에 배열되어 공급되는 바, 제 1 분리막 시트(910)는 각각 음극시트(700)와 제 1 양극시트(600)와 결합된 형태로 음극시트 공급부(710)와 제 1 양극시트 공급부(610)를 통해 동시에 공급될 수도 있고, 별도의 제 1 분리막 시트 공급부(910)를 통해 공급될 수도 있다.
한편, 제 2 분리막 시트(920)는 별도의 제 2 분리막 시트 공급부(921)를 통해 연속적으로 공급된다.
먼저 좌측 상단에 양극탭이 형성된 제 1 양극(601)이 제 1 양극시트 공급부(610)에서 공급되고, 이와 동시에 우측 상단에 음극탭이 형성된 제 1 음극(701)이 음극시트 공급부(710)로부터 공급되며, 제 1 양극(611)과 제 1 음극(701) 사이에 개재되는 제 1 분리막 시트(910)가 제 1 분리막 시트 공급부(911)를 통해 공급된다. 이들 전극 및 분리막을 적층하여 제 2 분리막 시트 공급부(921)를 통해 공급되는 제 2 분리막 시트(920) 상에 제 1 풀셀(111)을 배열한다.
그런 다음, 좌측 상단에 음극탭이 형성된 제 2 음극(712)이 음극시트 공급 부(710)로부터 공급되고, 이와 동시에 우측 상단에 양극탭이 형성된 제 2 양극(612)이 제 2 양극시트 공급부(610)를 통해 공급되며, 이들 사이에 제 1 분리막 시트(910)를 적층하여 연속적으로 공급되는 제 2 분리막 시트(920) 상에 제 1 풀셀(111)과 나란히 제 2 풀셀을 배열한다.
이러한 방식으로, 홀수 전극인 양극이 2 개의 양극시트로서 2 개의 공급부를 통해 각각 공급되는 바, 재료의 낭비를 근본적으로 방지할 수 있다.
도 11에는 도 10의 방법으로 제조된 전극조립체의 모식도가 도시되어 있다.
제 1 풀셀(111)을 중심으로 제 3 풀셀(113) 및 제 5 풀셀(115)은 상부에 위치하고, 제 2 풀셀(112), 제 4 풀셀(114) 및 제 6 단의 음극(116)이 적층되어 있어서, 양극탭은 모두 우측에 위치하고 음극탭은 모두 좌측에 위치하며, 최상단에는 제 5 풀셀(115)의 하부 전극인 음극이 위치하고, 최하단에는 제 6 단에 위치한 제 6 단위전극인 음극(116)이 위치한 구조로 이루어져 있다. 제 2 분리막 시트(500)의 말단부는, 예를 들어, 열융착하거나 접착 테이프(550) 등을 붙여서 마무리할 수 있다.
따라서, 전체적으로 음극이 많은 면적을 차지하도록 구성함으로써, 리튬 이온이 음극에서 수지상 성장(dendrite)하는 현상을 최대한 억제할 수 있고, 공간을 효율적으로 사용할 수 있으며, 특히 전극 활물질의 함량을 극대화 할 수 있어서 고집적도의 전지를 구현할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로
본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 종래 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조에 대한 모식도이다;
도 2는 도 1의 스택/폴딩형 전극조립체의 제조 공정에서 단위 셀들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도이다;
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체에서 바이셀로서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 C형 바이셀의 모식도들이다;
도 4 및 도 5는 제 2 분리막 시트의 제 1 단에 풀셀이 위치함으로써, 단위셀들이 교번방식으로 배열되어 있는 구조로서, 도 4는 제 1 단에 위치한 풀셀이 하부 전극이 음극인 구조이고, 도 5는 제 1 단에 위치한 풀셀이 하부 전극이 양극인 구조이다;
도 6 및 도 7은 제 2 분리막 시트의 제 1 단에 단위전극이 위치함으로써, 단위셀들이 교번방식으로 배열되어 있는 구조로서, 도 6은 제 1 단에 위치한 단위전극이 양극인 구조이고, 도 7은 제 1 단에 위치한 단위전극이 음극인 구조이다;
도 8 및 도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 2 개의 전극시트로서 공급되는 홀수 전극시트와 1 개의 전극시트로 공급되는 짝수 전극시트의 모식도들이다;
도 10은 도 8에 따른 전극시트 및 분리막 시트를 공급하여 도 4에 따른 배열 방식으로 전극조립체를 제조하는 공정을 모식적으로 도시한 도면이다;
도 11은 도 10의 방법으로 제조된 전극조립체의 모식도이다.

Claims (25)

  1. 연속적인 길이의 분리막 시트 상에 양극/분리막/음극 구조의 풀셀을 기본 단위체로서 다수 개 위치시키고 단위전극 또는 바이셀을 추가로 위치시킨 상태에서 권취하여, 전극조립체의 외면을 형성하는 최상층 전극 및 최하층 전극('최외각 전극')에 각각 음극이 위치하는 스택/폴딩형 전극조립체를 연속적으로 제조하는 방법으로서,
    양극 활물질이 도포된 전극시트(양극시트), 음극 활물질이 도포된 전극시트(음극시트), 풀셀 또는 바이셀의 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막 시트(제 1 분리막 시트), 및 단위셀들(풀셀, 단위전극, 바이셀)을 권취하는데 사용되는 분리막 시트(제 2 분리막 시트)를 연속적으로 공급하여 단위셀들을 제조하고, 상기 단위셀들을 제 2 분리막 시트 상에 제 1 단에서 제 n 단까지의 순차적인 배열로 위치시킨 후 권취하며,
    권취된 상태의 전극조립체에서 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하도록, 각 단에서 양극탭과 음극탭을 서로 대향하는 위치로 배향하고, 또한 상호 인접한 단들 사이에서 동일한 전극의 전극탭들이 서로 대칭되는 위치로 배향하며,
    전극조립체 전체를 기준으로 홀수 개인 전극('홀수 전극')은 두 개의 전극시트로서 공급하고, 짝수 개인 전극('짝수 전극')은 하나의 전극시트로서 공급하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전극 또는 바이셀은 권취의 개시점인 제 1 단, 권취의 종점인 제 n-1 단 및 제 n 단 중 어느 하나에 위치시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 해당 단에 단위전극을 위치시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 분리막 시트 상에서 권취 종점인 제 n 단과 제 n-1 단에, 각각 독립적으로 음극의 단위전극, 또는 하부 전극이 음극인 풀셀 또는 바이셀 중 어느 하나를 배열하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 단위셀이 제 2 분리막 시트에 의해 감싸인 상태에서 제 2 단위셀의 상단에 중첩되고, 상기 중첩 부위에서 제 1 단위셀과 제 2 단위셀의 대면 전극들은 서로 반대 전극 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀이 위치하는 제 2 분리막 시트 상의 제 1 단과 제 2 단위셀이 위치하는 제 2 단 사이에 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위를 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀이 위치하는 제 2 분리막 시트 상의 제 1 단의 전단에 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위를 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀의 하부 전극과 제 2 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖고, 제 2 단위셀의 하부 전극과 제 4 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 가지며, 제 3 단위셀의 하부 전극과 제 5 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖는 구조를 이루어진 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀의 상부 전극과 제 2 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖고, 제 2 단위셀의 하부 전극과 제 4 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 가지며, 제 3 단위셀의 하부 전극과 제 5 단위셀의 상부 전극이 서로 반대되는 전극 관계를 갖는 구조를 이루어진 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단에 풀셀을 배열하고, 제 2 단 이후에서 인접하는 단위셀들간의 상, 하부 전극들이 서로 반대가 되도록 풀셀들을 교번방식으로 배열하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단에 단위전극을 배열하고, 제 2 단 이후에서 인접하는 단위셀들간의 상하부 전극들이 서로 동일하도록 풀셀들을 동일한 전극 배향 방식으로 배열하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 제 n 단에 음극인 단위전극 또는 C형 바이셀을 배열하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 1 단의 전단에 이격 부위를 형성한 후 권취하는 구조에서, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 음극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 홀수인 경우와, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 양극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 짝수인 경우에, 상기 제 n 단에 단위전극인 음극이 위치하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 제 1 단의 전단에 이격 부위를 형성한 후 권취하는 구조에서, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 음극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 짝수인 경우와, 제 1 단의 풀셀의 하부 전극이 양극이면서 배열되는 풀셀의 개수가 홀수인 경우에, 제 n 단에는 C형 바이셀이 배열되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 단에 단위전극으로서 양극을 배열하는 경우에 제 2 단부터는 하부 전극이 양극인 풀셀들을 동일한 전극 배향 방식으로 배열하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 단에 단위전극으로서 음극을 배열하는 경우에 제 2 단부터 하부 전극이 음극인 풀셀들을 동일한 전극 배향 방식으로 배열하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체에서 양극탭들은 우측 상단 또는 좌측 상단에 함께 위치하고 음극탭들은 그에 대응하여 좌측 상단 또는 우측 상단에 함께 위치하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    (1) 각각 연속적인 길이의 전극 집전체 시트에 탭이 형성될 부위를 제외한 나머지 부위에 전극 활물질을 도포하여 전극시트를 제조하고, 이 때, 짝수 전극의 시트('짝수 전극시트') 1 개와 홀수 전극의 시트('홀수 전극시트') 2 개를 제조하는 단계;
    (2) 상기 단계(1)에서 제조된 전극시트들에서 탭이 형성될 부위를 펀칭하여 전극탭들을 형성하는 단계;
    (3) 상기 단계(2)에서 전극탭이 형성된 전극시트들 중 홀수 전극시트는 두 개의 공급부를 통해 각각 투입하고, 짝수 전극시트 및 제 1 분리막 시트는 각각 하나의 공급부를 통해 투입하여, 소정 크기의 단전극과 분리막을 제조하는 단계;
    (4) 상기 단계(3)에서 제조된 단전극과 분리막을 사용하여 전극조립체를 구성하는 단위셀들을 형성하고, 긴 길이의 제 2 분리막 시트 상에 소정의 배향 방식으로 배열하는 단계; 및
    (5) 제 1 단에 위치한 단위셀을 제 2 분리막 시트로 1 회 권취한 후 제 2 단위셀부터 인접하는 단위셀이 위치하는 외측으로 제 2 분리막 시트를 접어서 각각의 단위셀들을 중첩하여 폴딩하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 짝수 전극시트는 인접한 단들에서 전극 탭들의 방향이 서로 대칭되는 위치에 형성된 2 개의 단전극들이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 2 개의 홀수 전극시트는 전극탭의 방향이 모두 일방향인 단전극들이 연속적으로 형성된 제 1 전극시트와, 전극탭의 방향이 모두 대향 방향인 단전극들이 연속적으로 형성된 제 2 전극시트로 구성되어 있고, 상기 제 1 전극시트와 제 2 전극시트는 각각 제 1 공급부 및 제 2 공급부를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 홀수 전극시트의 제 1 단에 위치한 단전극의 전극탭 방향과 짝수 전극시트의 제 1 단에 위치한 단전극의 전극탭 방향이 서로 대향하 도록, 제 1 전극시트와 제 2 전극시트 중, 짝수 전극시트의 제 1 단에 위치한 단전극에 형성된 전극탭의 방향에 대하여 대향하는 위치에 전극탭이 형성된 전극시트부터 교번방식으로 공급되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 2 개의 홀수 전극시트는, 전극탭의 방향이 서로 대향하는 2 개의 단전극들이 쌍을 이루면서 반복적으로 형성되어 있는 시트('주 시트')와, 전극탭의 방향이 모두 제 1 전극시트의 개시점에 형성된 전극과 동일한 방향인 단전극이 연속적으로 형성되어 있는 시트('부 시트')로 구성되어 있고, 상기 주 시트와 부 시트는 각각 제 1 공급부 및 제 2 공급부를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조되는 전극조립체로서, 기본 단위체로서 다수의 풀셀들과 단위전극 또는 바이셀이 분리막 시트가 개재된 상태에서 적층되어 있으며, 최외각 전극에는 각각 음극이 위치하고, 동일한 전극의 전극탭들이 각각 소정의 위치에 함께 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  24. 제 23 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 셀은 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
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