KR20100094898A - Lithium battery and its assembly method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A lithium battery is provided to prevent contamination of the inner part of an electrode without using an adhesive, to have a simple electrode assembly process, to secure electrochemical stability, and to maintain properties of electrode materials. CONSTITUTION: A method for manufacturing a lithium battery comprises the following steps: manufacturing an electrode assembly comprising a microporous polymer separator(72), an anode(73), and a cathode(71) using an ultraviolet welding device; and manufacturing a laminate by laminating the anode and the cathode by turns and covering an outermost cathode with the microporous polymer separator. The cathode is lithium metal oxide, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel oxide, or their mixture.

Description

리튬전지 및 그 제조방법 {Lithium Battery and its assembly method}Lithium battery and its manufacturing method {Lithium Battery and its assembly method}

본 발명은 리튬전지용 전극체의 제조방법과 이를 이용한 리튬전지 제조에 관하여 개시하고 있다. 여기에서 리튬전지는 한번 사용하고 버리는 리튬일차전지와 충전해서 계속 사용할 수 있는 리튬이온 이차전지를 포함한다.The present invention discloses a method of manufacturing an electrode body for a lithium battery and a lithium battery using the same. Here, the lithium battery includes a lithium primary battery that is used and discarded once, and a lithium ion secondary battery that can be used continuously after being charged.

본 발명은 리튬전지의 제조방법에 대한 것으로, 특히 전지 내부공간을 최대한 사용하기 위해 일정한 형상으로 타발된 전극을 이용하여 전지조립을 쉽게 하여 전지의 에너지밀도를 높이고 적층체 조립을 단순화시켜 전지조립 공정성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a lithium battery, in particular, in order to maximize the use of the internal space of the battery using the electrode punched in a predetermined shape to facilitate the battery assembly to increase the energy density of the battery and simplify the assembly of the battery assembly processability Can improve.

1. 전지 시장 현황1. Battery Market Status

정보시대가 개막되는 데 결정적인 역할을 하고 있는 것이 바로 전지이다. 휴대용 전자기기, 완구 및 전자제품 등의 수요가 급증함에 따라 전원으로 사용되는 각종 전지의 수요량 또한 증가하고 있다. 전지는 한번만 사용하고 버리는 일차전지와 충전을 해서 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다. 리튬전지는 사용화된 전지중에서 비교적 에너지 밀도가 높고 구동전압이 높아서 많이 사용된다. 2007년 기준으로 리튬이차전지는 약 61억불정도의 시장규모를 형성하고 있다. 국내 시장 규모는 수량기준으로 약 2억5천만개, 금액 기준으로는 10억~20억불정도로 예상된다 [전지개황 및 리튬이온 전지, 전자부품연구원, 기술정책실, 2008년 7월].The battery is playing a decisive role in the opening of the information age. As the demand for portable electronic devices, toys, and electronic products soars, the demand for various batteries used as power sources is also increasing. Batteries are divided into primary batteries that are used and discarded only once, and rechargeable batteries that can be recharged. Lithium batteries are widely used because of their relatively high energy density and high driving voltage. As of 2007, lithium secondary batteries have a market size of about $ 6.1 billion. The domestic market is expected to be about 250 million units in quantity and about 1 billion to 2 billion dollars in amount [battery overview and lithium ion battery, electronic parts research institute, technology policy office, July 2008].

2. 리튬전지 구조2. Lithium Battery Structure

리튬이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해액으로 구성된다. 양극전극으로는 주로 리튬금속산화물로 구성되어 있으며, LiCoO2나 LiNiO2 같은 층상구조산화물과 LiMn2O4와 같은 스피넬구조 산화물을 주로 이용한다.The lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte. The anode is mainly composed of a lithium metal oxide, and a layered oxide such as LiCoO2 or LiNiO2 and a spinel structure oxide such as LiMn2O4 are mainly used.

그밖에 안전성이 뛰어나고 가격이 저렴한 LiFePO4를 이용하기도 한다.Others use LiFePO4, which offers excellent safety and low cost.

음극으로는 인조흑연이나 천연흑연을 많이 사용하나, 에너지밀도가 큰 Si-O, Si-C 등 실리콘계 화합물을 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.Although artificial graphite and natural graphite are frequently used as a cathode, studies using silicon-based compounds such as Si-O and Si-C, which have high energy density, are being actively conducted.

분리막으로는 주로 폴리올레핀계 미세 다공성 고분자막을 사용하고 있으며, 안전성을 강화한 복합막이나 셀룰로즈, 무기막 등을 적용하기도 한다.Polyolefin-based microporous polymer membranes are mainly used as separators, and composite membranes, celluloses, and inorganic membranes, which have enhanced safety, may be used.

전해액으로는 비수 유기용매와 리튬염으로 이루어진 것에 안전성을 강화한 첨가제나 고온 내구성을 강화한 것을 적용하기도 한다.As the electrolyte, a non-aqueous organic solvent and a lithium salt may be used as an additive having enhanced safety or enhanced at high temperature durability.

3. 기존 조립방법에서의 문제점3. Problems in the existing assembly method

대한민국 공개특허 10-1999-0059180에서는 In Republic of Korea Patent Publication 10-1999-0059180

분리막의 양쪽 면에 전극이 접착되도록 접착제를 도포하여, 일정한 크기로 타발된 극판을 접착하고 이러한 전극체를 일정한 크기로 절단하는 방법을 제시하였다. 이러한 방법은 접착제의 취급, 분리막의 도포, 라미네이션, 절단 등의 공정으로 인해 조립공정이 복잡해지고 전극 전면부위의 가열로 인한 분리막 수축 가능성이 상존한다. 이는 전지를 사용하는데 있어서 안전성에 큰 이슈로 작용할 수 있다.An adhesive was applied to both sides of the separator to bond the electrodes, thereby adhering the punched electrode plate to a constant size and cutting the electrode body to a constant size. In this method, the assembly process becomes complicated due to the handling of the adhesive, the application of the separator, the lamination, the cutting, and the like, and the possibility of shrinkage of the separator due to the heating of the electrode front part exists. This may pose a big issue for safety in using batteries.

대한민국 공개특허 10-2001-0005861에서는In Republic of Korea Patent Publication 10-2001-0005861

양극, 분리막, 음극을 순차적으로 사용하여 기본 적층체를 구성하고, 복수로 중첩함으로써 전지의 용량에 따라 필요한 수만큼 적층을 진행한다. 여기에서는 대한민국 공개특허 10-1999-0059180와 같이 단위 적층체를 만드는 데 있어서, 제3의 성분을 사용한다. 이는 양극전극과 음극전극의 단락방지를 위해 사용하는 다공성 분리막 또는 고분자 전해질용 고분자 필름에 접착제를 도포한 뒤 양면에 각각의 전극을 고정한 뒤 열융착을 진행하는 구조이다. 이는 분리막을 접착제로 도포하는 공정과 적층후 열융착하는 공정을 추가적으로 포함하게 되어 작업성이 나빠질 수 있다. 또한 열융착 작업시 열에 의한 분리막 손상을 입게 될 가능성도 있다.The basic laminate is formed by using the positive electrode, the separator, and the negative electrode in sequence, and by stacking a plurality of layers, the lamination is carried out as many as necessary according to the capacity of the battery. Here, a third component is used to make the unit stack as in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-1999-0059180. This is a structure in which the adhesive is applied to a porous separator or a polymer electrolyte polymer film used to prevent a short circuit between the anode electrode and the cathode electrode, and then fixed to each electrode on both sides, followed by thermal fusion. This may additionally include a process of applying the separator with an adhesive and a process of heat fusion after lamination may result in poor workability. There is also a possibility of damaging the membrane by heat during the heat welding operation.

대한민국 공개특허 10-2000-0056104에서는In Republic of Korea Patent Publication 10-2000-0056104

제 3의 성분인 접착제를 사용하는 것은 동일하나, 전극과 분리막을 직접 접착하는 식이 아닌, 분리막과 분리막과의 접착방식을 적용하였다.Using the third component of the adhesive is the same, but the adhesive method of the separator and the separator is applied, not directly bonded to the electrode and the separator.

즉 접착성분 함유한 고분자 필름을 접착형상으로 타발한 뒤 필름 내부에 전극을 위치한 뒤 분리막을 덮고 열융착 하는 방식이다. 이는 단위 적층체의 조립을 용이하 게 해주는 이점이 있는 반면에, 접착 고분자 필름의 대량 손실을 발생시킨다. 상기의 특허와 마찬가지로 분리막 전면에 걸쳐서 접착제와 분리막 사이의 융착에 필요한 열을 공급함으로써 분리막의 손상을 유발할 가능성이 있다.In other words, the polymer film containing the adhesive component is punched into an adhesive shape, and then an electrode is placed inside the film, and then the membrane is covered and thermally fused. This has the advantage of facilitating the assembly of the unit stack, while generating a large loss of adhesive polymer film. Like the above patent, there is a possibility that damage to the separator may be caused by supplying heat necessary for fusion between the adhesive and the separator over the entire surface of the separator.

대한민국 공개특허 10-2003-0049852에서는 In Republic of Korea Patent Publication 10-2003-0049852

전극 형상으로 제조된 칼날을 적용하여 전지 분리막의 용융온도보다 높게 가열한뒤, 일정시간 동안 분리막에 열을 가한후 접합시켰다. 이 방법은 접착성 물질을 사용하지 않아서 전지내부의 오염가능성을 최소화하였으나 고온으로 가열된 열원을 사용함으로써 분리막 손상의 가능성이 커진다. 또한 분리막이 고온으로 가열된 후 접착면이 절단됨으로써 절단잔류물이 발생할 가능성이 높다. 이 방법은 분리막의 접착형상이 면이 아닌 선(line)이므로 별도의 전극 고정방법을 적용하지 않는 한 전극정렬에 어려움을 발생시킬 수 있다.After applying a blade prepared in the electrode shape was heated to higher than the melting temperature of the battery separator, and after applying heat to the separator for a certain time, it was bonded. This method minimizes the possibility of contamination inside the cell by using no adhesive material, but increases the possibility of membrane damage by using a heat source heated to a high temperature. In addition, since the adhesive surface is cut after the separator is heated to a high temperature, there is a high possibility of cutting residues. In this method, since the adhesive shape of the separator is a line rather than a face, it may cause difficulty in aligning electrodes unless a separate electrode fixing method is applied.

4. 양극 전극과 음극전극 사이의 조합4. Combination between anode electrode and cathode electrode

리튬이온전지는 에너지밀도가 매우 높은 반면에, 전지의 안전성 문제로 인한 사용상의 주의가 중요하다. 고온에서의 사용과 과도한 충전의 위험은 널리 알려져 있다. 135도 이상의 고온에서는 폴리올레핀 분리막의 수축으로 인해 양극전극과 음극전극간의 직접적인 접촉에 의한 단락발생으로 열폭주를 수반한 폭발 위험성이 존재한다. 4.5V 이상의 과도한 충전의 경우 음극전극에서의 리튬이온의 석출 및 전해액의 열분해, 양극전극의 분해 등으로 이어지는 연속 반응에 의해 열폭주가 발생한 다. 특히 리튬이온 석출은 양극전극과 음극전극간의 직접적인 내부쇼트 발생 가능성을 높인다. 이에 따라 음극의 경우 활물질양을 양극에 비해 잉여로 설계하는 것이 일반적이다. 이러한 잉여의 설계는 보통 전극면적의 확장으로 반영하는데, 음극면적이 양극면적에 비해 과도하게 크면, 전지의 에너지밀도 저하를 야기시킨다. 통상적으로는 105 ~ 130% 정도의 범위에서 활물질양과 전극면적을 분배하는 방식으로 설계를 진행한다.While lithium ion batteries have a very high energy density, cautions for use due to safety issues of the batteries are important. The use at high temperatures and the risk of overcharging are well known. At a high temperature of 135 degrees or higher, there is a risk of explosion accompanied by thermal runaway due to short circuit caused by direct contact between the positive electrode and the negative electrode due to shrinkage of the polyolefin separator. In case of excessive charging of 4.5V or more, thermal runaway occurs due to the continuous reaction leading to precipitation of lithium ions at the cathode electrode, thermal decomposition of the electrolyte, and decomposition of the anode electrode. In particular, lithium ion precipitation increases the possibility of a direct internal short between the positive electrode and the negative electrode. Accordingly, in the case of the negative electrode, it is common to design the amount of the active material in excess of the positive electrode. This surplus design is usually reflected as an extension of the electrode area, which results in a decrease in the energy density of the battery if the cathode area is excessively large compared to the anode area. Typically, the design proceeds by distributing the active material amount and the electrode area in the range of about 105 to 130%.

전극체의 조립은 이러한 설계를 따를 수 있도록 진행되어야 한다. 양극면적이 음극의 한쪽 부위에 치우치지 않고 놓인 수 있도록 전극체 조립이 진행되어야 한다. 따라서 양극전극과 음극전극이 올바르게 위치할 수 있는 보조수단이 필요하며, 이를 위해 분리막의 적절한 위치에 접착제를 분사해서 전극과 분리막을 접합시키거나(대한민국 공개특허 10-1999-0059180), 양극전극의 바깥 면에 접착가이드를 두거나(대한민국 공개특허 10-2000-0056104), 분리막에 접착제를 코팅하여 양극전극과 음극전극을 붙이는 등(대한민국 공개특허 10-2001-0005861)의 방법을 사용하기도 한다. 또한 접착제와 같은 보조수단을 적용하지 않은 방법으로는 고온으로 가열된 칼날을 사용하여 분리막을 접합시키는 방법(대한민국 공개특허 10-2003-0049852)이 있으나, 이 방법은 고온에서의 접합으로 인해 접합 잔류물이 발생되어 작업성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 분리막 접착이 선(line)형이므로 접합 안쪽의 공간이 전극크기에 비해 큰 경우 전극이 한 쪽으로 치우치게 정렬될 수 있다. 이는 전지를 사용 도중에 리튬석출 및 덴드라이트 등이 발생이 될 수 있고 이로 인해 전지 안정성에 취약한 구조가 생성될 수 있다.Assembly of the electrode body must proceed to follow this design. Assembly of the electrode body should proceed so that the anode area can be placed unbiased on one side of the cathode. Therefore, an auxiliary means for correctly positioning the anode electrode and the cathode electrode is required, and for this purpose, an adhesive is sprayed at an appropriate position of the separator to bond the electrode and the separator (Korea Patent Publication 10-1999-0059180), An adhesive guide may be provided on the outer surface (Korean Patent Publication No. 10-2000-0056104), or a method of attaching an anode electrode and a cathode electrode by coating an adhesive on a separator (Korean Patent Application Publication No. 10-2001-0005861). In addition, as a method of not applying an auxiliary means such as an adhesive, there is a method of bonding a separator using a blade heated to a high temperature (Korea Patent Publication No. 10-2003-0049852), but this method has a residual bonding due to the bonding at a high temperature. There is a disadvantage that water is generated and workability is poor. In addition, since the adhesion of the separator is a line, the electrodes may be aligned to one side when the space inside the junction is larger than the electrode size. This may cause lithium precipitation and dendrites, etc. during use of the battery, which may result in a structure that is vulnerable to battery stability.

5. 초음파 용착 기술5. Ultrasonic Welding Technology

초음파 용착은 열가소성플라스틱끼리의 용착, 필름과 필름의 용착, 합성섬유 등의 용착에 초음파를 이용하고 신속하고 청결하게 효율적으로 용착하는 방법을 말한다.Ultrasonic welding refers to a method in which ultrasonic waves are used for welding plastic thermoplastics, welding films and films, and synthetic fibers, and quickly and cleanly and efficiently.

초음파 용착은 필름간의 접착에 있어서 제3의 성분 또는 접착제가 필요 없으며, 강력한 접착으로 기밀성이 좋다. 일반적으로 10초 이내의 시간으로 접착이 가능하며 양산 작업성이 좋고 전력소모가 적다.Ultrasonic welding does not require a third component or an adhesive for adhesion between films, and has good airtightness with strong adhesion. In general, it can be bonded within 10 seconds, mass production is good, and power consumption is low.

초음파 용착은 교류전원을 발진기를 통하여 전기적인 에너지를 진동자에 입력시켜 기계적인 진동에너지로 변환된 후 혼을 통하여 용착물 접합면에 순간적인 강력한 마찰열을 발생시켜 피용접물의 접합면이 용해 접착되어 강한 분자적 결합이 이루어지는 현상이다.Ultrasonic welding converts electric energy into oscillator through the oscillator and converts it into mechanical vibration energy and generates instantaneous strong frictional heat on the welded joint through the horn. Molecular bonds are a phenomenon.

초음파의 진동이 처음 가해지면 용착면의 미세한 표면기복이 매우 빠르게 발열된다. 이 표면 기복의 돌출된 부분이 다른 곳 보다 응력이 집중되어 큰 변형률과 진동에너지의 대부분을 소모하게 되어 용착부위의 돌출부분이 용융이 되고 그 외 부분으로의 흐름이 발생한다. 이 순간 용착면 전체에 용융 층이 얇게 형성되고, 초음파의 계속적인 진동으로 짧은 시간의 확산이 이루어져 플라스틱 중합체에서 결합하고 남은 원자들이 상대편 원자들과 분자 일차 결합을 이루어 용착이 된다. 용착 조건의 중요한 인자로는 가압력(P), 용착시간(T), 진폭(A) 등으로 용착 강도에 영향을준다. When ultrasonic vibration is applied for the first time, the fine surface relief of the weld surface is generated very quickly. The protruding portion of the surface relief is concentrated more stress than other places, and consumes most of the large strain and vibration energy, so that the protruding portion of the welded portion melts and flows to the other portion. At this moment, a thin layer of molten layer is formed on the entire welding surface, and a short time diffusion is achieved by continuous vibration of ultrasonic waves, and the remaining atoms are bonded to the other atoms to form a primary molecular bond with the other atoms. An important factor of the welding condition is the pressing force (P), welding time (T), amplitude (A) and the like affect the welding strength.

초음파 출력(W)은 초음파출력(W)=진폭(A)*가압력(P)*용착시간(T)으로 표현되고 각 인자는 다음과 같이 설명할 수 있다. 가압력은 초기의 온도상승과 용융된 중합체의 흐름에 영향을 미쳐 용융물의 흐름을 배가시키고 사슬의 혼합을 가속화시킨다. 따라서 가압을 통해 용융된 용착표면을 밀착시켜 용착강도를 증가시킨다.The ultrasonic output W is expressed as ultrasonic output W = amplitude A * pressing force P * welding time T and each factor can be described as follows. The pressing force affects the initial temperature rise and the flow of the molten polymer to double the flow of the melt and accelerate the mixing of the chain. Therefore, the welding strength is increased by bringing the molten weld surface into close contact with each other through pressure.

용착표면에 용융층이 형성되면 용착강도가 향상되므로 충분한 용착시간이 필요하다. 그러나 가압력이나 용착시간이 너무 과하면 용융 층의 흐름이 너무 과도하게 되어 용착표면과 수직으로 되어야 할 중합체 사슬의 배열이 용착면과 평행한 배열이 발생되어 용착강도를 낮춘다. 일반적으로 진폭이 높을수록 표면기복의 응력집중이 증가되어 초기 온도 상승 및 용융을 빠르게 이루어지게 한다. 또한 수지에 따른 초음파진동의 손실률이 다르므로 재료에 따라 적절한 진폭의 선택이 필요하다.  When the molten layer is formed on the weld surface, the welding strength is improved, so sufficient welding time is required. However, if the pressing force or the welding time is too excessive, the flow of the molten layer becomes too excessive and the arrangement of polymer chains to be perpendicular to the welding surface is generated in parallel with the welding surface, thereby lowering the welding strength. In general, the higher the amplitude, the higher the concentration of stress on the surface relief, which leads to faster initial temperature rise and melting. In addition, since the loss rate of ultrasonic vibration varies depending on the resin, it is necessary to select an appropriate amplitude according to the material.

본 발명을 통하여 리튬전지를 제조하는 데에 있어서, 전지 내부공간을 효율적으로 활용할 수 있는 전극체 조립을 가능하게 하고자 한다. 이를 통해 전지에너지 밀도를 최대한으로 집적화 할 수 있다.In manufacturing a lithium battery through the present invention, it is intended to enable the assembly of the electrode body that can effectively utilize the internal space of the battery. This can maximize the battery energy density.

이는 전극체를 조립하는데 있어서 효율적인 양극, 음극, 분리막의 공간적 설계가 필수적이다. 전극체의 형상은 전지의 형상과 유사하며, 전극의 형상도 전지의 형상과 유사한 개념이다. 원형의 전지는 원형의 전극형상을 갖게 되며, 삼각형의 전지형상은 삼각형의 전극형상을 필요로 한다.In order to assemble the electrode body, the spatial design of the efficient anode, cathode, and separator is essential. The shape of the electrode body is similar to that of the battery, and the shape of the electrode is similar to that of the battery. The circular battery has a circular electrode shape, and the triangular battery shape requires a triangular electrode shape.

이 때 최대의 에너지밀도를 보유하는 전극체를 설계하기 위해서는 전통적인 권취형구조(Wound Type)와 다른 구조가 필요하다. 이를 해결하기 위한 가장 효과적인 방법은 전극을 타발한 뒤 양극, 분리막, 음극을 교대로 집적하는 방식이다. 전극체를 만드는 데 있어서 중요한 것은 양극과 음극의 내부단락을 방지할 수 있도록 분리막으로 전극을 보호해야 하며, 양극전극 형상이 음극형상 내부에 위치하도록 배열하는 것이다. 이를 위해서는 양극 전극을 적절하게 정렬할 수 있고 전면을 덮을 수 있는 봉투형 구조가 매우 유리하다.At this time, in order to design the electrode body having the maximum energy density, a structure different from the traditional wound type (Wound Type) is required. The most effective way to solve this problem is to alternately accumulate the anode, separator and cathode after punching the electrode. In making the electrode body, it is important to protect the electrode with a separator so as to prevent the internal short circuit of the positive electrode and the negative electrode, and arrange the anode electrode shape to be located inside the cathode shape. For this purpose, an envelope-like structure capable of properly aligning the anode electrodes and covering the front surface is very advantageous.

이에 대하여 분리막도 전극과 동일한 형상으로 타발하는 작업과 이를 효율적으로 접합할 수 있는 설계구조가 필요하다. 또한 분리막의 접합에 있어서 별도의 접착제를 사용하지 않음으로써 공정이 단순해지고 전지의 신뢰성을 보장할 수 있는 방법이 매우 유리하다.On the other hand, the separator also needs to be punched into the same shape as the electrode and a design structure capable of efficiently bonding the separator. In addition, the method of simplifying the process and ensuring the reliability of the battery by using a separate adhesive in the bonding of the separator is very advantageous.

전극체를 전지케이스에 넣은 이후 전해액을 주입하는 공정이 뛰따른다. 이 때 전해액이 전극체로 쉽게 침투하려면 가능하면 전극체의 많은 부분이 노출되어 있는 것이 유리하다. 그러나 외부로의 노출이 많으면 양극전극과 음극전극간의 내부단락, 전극과 전지케이스간의 단락의 위험성이 커진다. 따라서 전극체의 구조를 적절히 유지하고 내부단락의 위험성을 없애며 전해액 침투 공간을 확보하는 것이 중요하다. 또한 화성 또는 활성화공정(Formation)에서 발생된 개스가 전극체로부터 쉽게 빠져 나갈 수 있는 설계구조도 전지성능을 유지하는 데 있어서 중요하다.After the electrode body is placed in the battery case, a process of injecting electrolyte is followed. In this case, in order for the electrolyte to easily penetrate into the electrode body, it is advantageous to expose as much of the electrode body as possible. However, a large exposure to the outside increases the risk of internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode and short circuit between the electrode and the battery case. Therefore, it is important to properly maintain the structure of the electrode body, to eliminate the risk of internal short circuit and to secure the electrolyte penetration space. In addition, a design structure in which the gas generated in the chemical conversion or the formation process easily escapes from the electrode body is also important in maintaining battery performance.

본 발명을 적용하여, 양극전극, 음극전극, 분리막을 효율적으로 정렬하고, 접착제와 같은 제3의 성분을 사용하지 않고 분리막을 접합할 수 있게 한다. 또한 초음파 용접과 같은 방법을 적용하여 분리막 접합시 발생할 수 있는 과열노출을 방지한다. 이를 통해 효과적인 전극체 조립을 가능하게 하여 전지의 에너지밀도를 최대한으로 높일 수 있게 한다. 부가적으로 전지의 안전성과 신뢰성을 확보하는 것이 가능하다. 또한 분리막을 부분적으로 접합하고 나머지 부분은 접합하지 않은 상태로 놓는 것이 가능하므로 전해액의 침투를 용이하게 하고, 활성화공정 중에 발생된 개스가 쉽게 방출되도록 하게 한다. By applying the present invention, it is possible to efficiently align the positive electrode, the negative electrode and the separator, and to bond the separator without using a third component such as an adhesive. In addition, by applying a method such as ultrasonic welding to prevent overheating that may occur when the membrane is bonded. This enables an effective electrode assembly to be as high as possible the energy density of the battery. In addition, it is possible to ensure the safety and reliability of the battery. In addition, it is possible to partially bond the separator and leave the rest unbonded, thereby facilitating the penetration of the electrolyte and allowing the gas generated during the activation process to be easily released.

상기에 언급했던 문제점들을 해결하기 위해To solve the problems mentioned above

양극전극과 음극전극을 전지내부의 공간을 최대한 활용할 수 있는 형태 즉 전지의 형상에 맞게 타발(Punching)하고, Punching the positive electrode and the negative electrode according to the shape of the battery, that is, to maximize the space inside the battery,

전지의 미세다공성 고분자 분리막을 전극의 형상과 유사하게 접착할 수 있게 하며, 접착제를 사용하지 않음으로써 전지의 신뢰성을 높일 수 있고, 접착부위 이외에는 열이 전달되지 않아서 분리막 손상을 방지할 수 있는 초음파 용접법을 미세다공성 고분자 분리막 접착에 적용하였다.Ultrasonic welding method enables the microporous polymer membrane of the battery to be bonded similarly to the shape of the electrode, and increases the reliability of the battery by not using an adhesive, and prevents damage to the membrane because heat is not transferred except at the adhesive part. Was applied to microporous polymer membrane adhesion.

이를 활용하면 전지내부의 공간을 최대한 활용할 수 있는 형태로 전극체를 제작할 수 있다. 양극전극체와 음극전극체를 교대로 적층함으로써 전극적층체를 간편하게 조립할 수 있다. 또한 미세다공성 고분자 분리막의 접착부위를 최소화 함으로써 전해액의 함침시간을 최소화시키고, 전지활성화 공정중에 발생하는 개스를 쉽게 방출할 수 있게 한다.By utilizing this, the electrode body can be manufactured in a form that can maximize the space inside the battery. By stacking the positive electrode body and the negative electrode body alternately, the electrode laminated body can be easily assembled. In addition, by minimizing the adhesive portion of the microporous polymer membrane, it is possible to minimize the impregnation time of the electrolyte, and to easily release the gas generated during the battery activation process.

본 발명을 적용하면 Applying the present invention

리튬전지 또는 리튬이차전지에 있어서 접착제와 같은 성분을 사용하지 않고 전극체 조립할 수 있으며, 조립설비 구성도 간편해진다. 또한 분리막의 직접가열과 같은 공정을 사용하지 않기 때문에 전지재료의 물성변형이 없어 전지사용상에 있어서 신뢰성을 높일 수 있다In a lithium battery or a lithium secondary battery, an electrode body can be assembled without using a component such as an adhesive, and the assembly equipment configuration can be simplified. In addition, since there is no process such as direct heating of the separator, there is no physical property deformation of the battery material, thereby increasing reliability in battery use.

분리막의 접착형상이 선(line)이 아닌 면을 유지함으로써, 전극을 분리막 최외각 면으로부터 일정한 거리를 유지하는 것이 가능해 양극과 음극의 안정적인 전기화학적 조합을 가능하게 해준다. 이로 인해 전기화학적 안정성을 확보할 수 있다. By maintaining the non-line side of the separator, it is possible to keep the electrode at a constant distance from the outermost side of the separator, thereby enabling a stable electrochemical combination of the positive electrode and the negative electrode. This ensures electrochemical stability.

또한 적층체의 측면에서의 접착부위를 최소화하여 전해액 함침시간을 줄여 주며, 전지 활성화 공정 중에 발생하는 다량의 개스가 적층체로부터 쉽게 빠져 나올 수 있도록 해준다.In addition, it minimizes the adhesion on the side of the laminate to reduce the electrolyte impregnation time, and the large amount of gas generated during the battery activation process can easily escape from the laminate.

(1) 미세 다공성 고분자 분리막(1) microporous polymer membrane

본 발명에 적용되는 원재료는 다음과 같다. 고분자 미세 다공막은 주로 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), 폴리에틸렌/폴리프로필렌(PE와PP 복합체로써 PP/PE/PP, PE/PP/PE 등의 형태로 제조됨) 등으로 제조된 것으로 한다. 제조된 막은 일반적으로 두께가 5~30um 범위이고, 기공율이 30~60% 범위이고, 공극의 직경이 0.005~1um, 인장강도가 50MPa이상, 바람직하게는 100MPa이상인 것이 바람직하다. 덧붙이면 폴리올레핀 미세 다공성 막두께는 0.1~50um, 바람직하게는 5~30um 정도이다. 두께가 5um 미만에서는 막의 기계적 강도 부족에서 유용하게 사용하기 어렵고, 50um가 초과하면 유효저항이 커져서 바람직하지 못하다.Raw materials applied to the present invention are as follows. Polymer microporous membranes are mainly polyethylene (PE, Polyethylene), polypropylene (PP, Polypropylene), polyethylene / polypropylene (manufactured in the form of PP / PE / PP, PE / PP / PE as a composite of PE and PP) Shall be prepared. The prepared membranes generally have a thickness in the range of 5 to 30 μm, porosity in the range of 30 to 60%, pore diameter of 0.005 to 1 μm, tensile strength of 50 MPa or more, preferably 100 MPa or more. In addition, a polyolefin microporous membrane thickness is 0.1-50 micrometers, Preferably it is about 5-30 micrometers. If the thickness is less than 5 μm, it is difficult to be usefully used due to the lack of mechanical strength of the film. If the thickness is more than 50 μm, the effective resistance becomes large, which is not preferable.

공극율이 너무 크면 (60% 이상으로) 막제조가 어렵고, 30%이하이면 유효저항이 커진다. 공극직경이 0.005um이하이면 이온통과가 어려워서 유효저항이 커지면, 1um이상이면 내부단락의 위험이 있다.If the porosity is too large (more than 60%), film production is difficult, and if it is less than 30%, the effective resistance becomes large. If the pore diameter is less than 0.005um, it is difficult to pass ions, and if the effective resistance is increased, if there is more than 1um, there is a risk of internal short circuit.

본 발명에 적용되는 고분자 미세 다공막은 가공되지 않은 열가소성 수지를 기본으로 한다. 그러나 화학적 중합에 의해 일부 또는 전면적으로 가교된 고분자 미세 다 공막을 대상으로 해도 된다. The polymer microporous membrane to be applied to the present invention is based on an unprocessed thermoplastic resin. However, the polymer microporous membrane partially or wholly crosslinked by chemical polymerization may be used.

(2) 리튬전지 전극(2) lithium battery electrode

전지는 양극과 음극, 그리고 분리막, 전해액으로 구성되어진다.A battery consists of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte.

리튬일차전지의 경우에는 양극에는 금속산화물을 주로 사용하고, 음극에는 순수 리튬을 많이 사용한다. 전해액으로는 높은 전압에서 견딜 수 있는 카보네이트류와 같은 유기화합물을 주로 사용한다.In the case of lithium primary batteries, metal oxides are mainly used for the positive electrode, and pure lithium is used for the negative electrode. As the electrolyte, organic compounds such as carbonates that can withstand high voltage are mainly used.

리튬이차전지 즉 리튬이온전지나 리튬이온폴리머전지 또는 리튬폴리머전지의 경우 모든 전극은 전류 집전체에 전극활물질 코팅 또는 도포된 것을 사용한다. 일반적으로 양극활물질은 리튬금속산화물을 주성분으로 구성되며 전류집전체로는 알루미늄을 많이 사용한다. 음극활물질은 리튬금속 이나 카본류 등과 같은 리튬흡착물질을 주성분으로 구성되며 전류집전체로는 구리를 주로 사용한다.In the case of a lithium secondary battery, that is, a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery or a lithium polymer battery, all electrodes use a coating or coating of an electrode active material on a current collector. In general, the positive electrode active material is mainly composed of lithium metal oxide, and aluminum is used a lot as the current collector. The negative electrode active material is composed mainly of lithium adsorption materials such as lithium metal or carbon, and copper is mainly used as a current collector.

(3) 구현방법(3) Implementation method

도1은 초음파 용접을 적용하여 미세 다공성 고분자 분리막을 접착하는 방법을 나타낸 것이다. 상부의 공구혼(10)과 하부의 앤빌(11)사이에 미세 다공성 고분자 분리막을 고정시킨다. 이 때 초음파 용접기의 조작부에서는 용접조건이 입력되어 있다. 동작스위치를 가동하면, 공기압에 의해 공구혼(10)이 하부로 내려오고 앤빌(11)을 통하여 대상물을 가압하게 된다. 도1(a)는 전극의 크기가 공구혼에 비해 큰 경우 전극형태의 형상(15)으로 각 면 또는 한 점(point)을 용접하는 것을 도 시하였다. 공구혼(10)과 앤빌(11)사이에는 미세 다공성 고분자 분리막만이 위치하게 된다. 도1(b)는 전극크기가 충분히 작아서 공구혼(16)과 앤빌(17)사이 위치할 수 있는 경우 초음파 용착방법을 도시한 것이다. 공구혼(16)의 용접형상(21)은 전극형상과 매우 유사하며, 전극의 외곽면을 용착하여 접착하게 된다. 전극의 형상이 둥근 경우 공구혼(16)의 접합 단면(21)은 전극과 유사하다. 둥근 띠의 형상이 하부의 앤빌(17)에 공기압을 사용하여 가압한뒤 초음파용접이 진행된다.Figure 1 shows a method for bonding the microporous polymer membrane by applying ultrasonic welding. The microporous polymer membrane is fixed between the upper tool horn 10 and the lower anvil 11. At this time, the welding condition is input at the operation part of the ultrasonic welding machine. When the operation switch is operated, the tool horn 10 is lowered by the air pressure and presses the object through the anvil 11. FIG. 1 (a) shows welding each side or one point to the shape 15 of the electrode when the size of the electrode is larger than the tool horn. Only the microporous polymer membrane is located between the tool horn 10 and the anvil 11. Figure 1 (b) shows the ultrasonic welding method when the electrode size is small enough to be located between the tool horn 16 and the anvil 17. The welding shape 21 of the tool horn 16 is very similar to the electrode shape, and is welded and bonded to the outer surface of the electrode. When the electrode is round in shape, the joining cross section 21 of the tool horn 16 is similar to the electrode. The shape of the round strip is pressurized using the air pressure to the lower anvil 17, and then ultrasonic welding proceeds.

도2는 초음파 용착을 적용하여 미세 다공성 고분자 분리막을 접합하는 경우를 개략적으로 나타낸 것이다. 도2(a)는 용착전에 미세 다공성 고분자 분리막과 전극의 배열을 나타낸 것이다. 전극(32)의 상부에 미세 다공성 고분자 분리막(31)이 놓여지고, 동일하게 하부에도 미세 다공성 고분자 분리막(33)이 놓여지게 된다. 이 때 미세 다공성 고분자 분리막 내부의 전극(32)은 양극 또는 음극 모두가 될 수 있다. 도2(b)는 용착후의 미세 다공성 고분자 분리막의 단면을 도시한 것이다. 용착면은 초음파 에너지를 통해 고분자 분자들의 이동과 결합이 형성되어, 강한 절단면이 형성된다. 전극(35)이 미세다공성 고분자 분리막 봉투(34) 내부에 위치하여 전극체를 구성한다.Figure 2 schematically shows a case of bonding the microporous polymer membrane by applying ultrasonic welding. Figure 2 (a) shows the arrangement of the microporous polymer membrane and electrode before welding. The microporous polymer separator 31 is placed on the electrode 32, and the microporous polymer separator 33 is also placed on the bottom thereof. At this time, the electrode 32 inside the microporous polymer membrane may be both an anode or a cathode. Figure 2 (b) shows a cross section of the microporous polymer membrane after welding. The welding surface is formed by the movement and bonding of the polymer molecules through the ultrasonic energy, thereby forming a strong cutting surface. The electrode 35 is positioned inside the microporous polymer membrane envelope 34 to form an electrode body.

도3은 초음파용착을 적용한 미세 다공성 고분자 분리막 접합 유형을 나타낸 것이다. 도3(a)는 전극형상이 원형이 경우 전극 외곽면을 완전 접합하는 경우를 도시한 것이다. 전극(42)의 외곽면(41)을 접합함으로써 전극의 고정하는 것이 가능하다. 도3(b)는 도3(a)와 동일한 원형 전극을 사용하는 경우 접합을 전극 외곽면을 따라서 부분적으로 진행하였다. 일반적으로 분리막의 접합부위가 많을수록 전해액이 전 극내부로 침투하기 어렵기 때문에 함침하는 시간이 길어진다. 따라서 분리막의 외곽면은 접착부위를 적게 하는 것이 전해액의 함침시간을 단축시켜서 리튬전지의 생산공정 시간을 단축시키는 데에 유리하다. 또한 전지의 활성화 공정중에 전극내부에서 발생한 개스가 전극체에서 쉽게 빠져나갈 수 있는 경로를 만들어주는 것이 필요하다. 개스가 전극체에 남아있으면 잠재적인 성능 불량요소로 작용한다. 따라서 전극 외곽면은 분리막의 밀봉을 피하는 것이 개스발생으로 인한 전지성능 불안정을 방지한다. 전극(44)의 외곽 부위에 띠모양의 용접면(43)을 형상한다. 전지조립후 전해액은 주로 접합되어 있지 않고 노출되어 있는 부위(45)를 통해서 함침된다. 또한 전극에서 발생한 개스도 노출면(45)을 통해 쉽게 배출될 수 있다.Figure 3 shows the type of microporous polymer membrane bonding applied ultrasonic welding. FIG. 3 (a) shows a case where the electrode outer surface is completely bonded when the electrode shape is circular. It is possible to fix the electrode by joining the outer surface 41 of the electrode 42. FIG. 3 (b) partially proceeds the junction along the electrode outer surface when the same circular electrode as in FIG. 3 (a) is used. In general, the more the junction part of the separator, the longer the impregnation time is because the electrolyte is difficult to penetrate into the electrode. Therefore, it is advantageous to reduce the adhesion area on the outer surface of the separator to shorten the time of the impregnation of the electrolyte solution to shorten the production process time of the lithium battery. In addition, during the activation process of the battery it is necessary to create a path that the gas generated in the electrode can easily escape from the electrode body. If the gas remains in the electrode body, it is a potential poor performance. Accordingly, avoiding sealing of the separator prevents battery performance instability due to gas generation. A band-shaped welding surface 43 is formed on the outer portion of the electrode 44. After battery assembly, the electrolyte solution is impregnated through the exposed portion 45, which is mainly not bonded. In addition, the gas generated in the electrode can be easily discharged through the exposed surface (45).

도3(c)는 전극형상이 삼각형으로 된 경우 접합단면을 도시한 것이다. 전극(47)의 고정할 수 있는 최소한의 부위만 접합하여(46) 전극체를 구성한다. 도4(d)는 사각형상의 전극을 미세 다공성 고분자 분리막으로 접합하는 경우를 나타냈다. 전극(49)을 고정할 수 있는 모서리부분을 용접면(48)으로 설정하여 접합한다. Fig. 3 (c) shows the junction cross section when the electrode shape is triangular. Only the minimum fixed portion of the electrode 47 is joined (46) to form an electrode body. 4 (d) shows a case where the rectangular electrode is bonded to the microporous polymer membrane. The edge part which can fix the electrode 49 is set to the welding surface 48, and is joined.

전지는 휴대용기기에 사용되는 에너지원으로 자체의 에너지밀도 뿐만 아니라 파워성능도 중요한 요소중의 하나이다. 전극자체의 도전성을 높일 수 있는 활물질이나 첨가물을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 높은 전류를 필요로 하는 기기에서는 전극면적을 크게 하면 에너지 효율을 높일 수 있다. 이러한 이유로 양극전극과 음극전극을 서로 마주보는 면적을 최대한 높이는 구조로 전지를 제작하는 것이 일반적이다. 이것은 젤리롤 형태나 적층체의 구조로 전극체를 만들게 되었다. 전극의 탭(Tab)은 여러장의 전극을 서로 연결하는 수단으로 사용된다.A battery is an energy source used in portable devices, and its power density as well as its energy density is one of the important factors. It is preferable to use an active material or an additive capable of increasing the conductivity of the electrode itself. Especially in devices requiring high current, increasing the electrode area can increase energy efficiency. For this reason, it is common to manufacture a battery with a structure that maximizes the area facing the positive electrode and the negative electrode. This made the electrode body in the form of a jelly roll or a laminated body. The tab Tab of the electrode is used as a means for connecting a plurality of electrodes to each other.

도4(e)는 전극에 탭이 있는 경우를 가정하여 미세 다공성 고분자 분리막을 접합한 경우이다. 전극(51)에 전기의 이동통로인 탭(50)이 부착되어 있어서 탭(50)과 간섭되지 않고 미세다공성 고분자 분리막을 전극형태의 접합면(52)을 형성하였다. 도4(f)에서 도시한 것은 도4(f)와 동일한 형상의 전극(53)과 전극탭(54)을 적용하였으나 전해액의 함침을 쉽게 하고 전극내부의 개스 방출을 쉽게 하고자, 미세다공성 고분자 분리막의 접합부(55)의 면적을 줄인 것을 나타낸 것이다. 도3(g)는 삼각형 형상의 전극(57)인 경우, 탭(56)이 모서리에 위치한 경우를 가정하여 접합(58)한 경우이다. 도3(h)는 사각형 형상의 전극(61)인 경우 탭(60)이 모서리 부분이 아닌 부분에 위치한 경우를 가정하여 접합(62)한 경우이다. Figure 4 (e) is a case where the microporous polymer membrane is bonded on the assumption that there is a tab on the electrode. The tab 50, which is an electrical movement path, is attached to the electrode 51 to form a microporous polymer separation membrane in the form of an electrode, without interfering with the tab 50. In FIG. 4 (f), the electrode 53 and the electrode tab 54 having the same shape as those of FIG. 4 (f) are used, but in order to facilitate the impregnation of the electrolyte and the gas discharge inside the electrode, the microporous polymer membrane It shows that the area of the junction 55 is reduced. 3 (g) illustrates a case in which the junction 58 is assuming that the tab 56 is located at the corner in the case of the triangular electrode 57. 3 (h) illustrates a case where the junction 62 is assuming that the tab 60 is located at a portion other than a corner portion in the case of a rectangular electrode 61.

리튬일차전지 또는 리튬이차전지에서 전해액을 쉽게 함침시키는 방법은 매우 중요하다. 이를 위해서 가압이나 감압환경을 만들어 줌으로써 적층체 내부에 있는 기체를 제거하고 전해액이 쉽게 함침할 수 있게 한다. 또한 적층체의 측면에서의 접착부위를 최소화하여 전해액 함침을 유리하게 하는 것도 중요하다. The method of easily impregnating electrolyte in a lithium primary battery or a lithium secondary battery is very important. To this end, by creating a pressurized or reduced pressure environment, the gas inside the laminate is removed and the electrolyte can be easily impregnated. It is also important to minimize the adhesion at the side of the laminate to favor electrolyte impregnation.

전해액을 주입한 뒤, 전지의 활성화 공정 및 평가과정이 진행된다. 이 공정에서는 다량의 개스들이 전극 또는 전해액으로부터 방출되는 데, 발생된 개스가 적층체로부터 쉽게 빠져 나올 수 있도록 공정 조건을 최적화하거나 전지설계를 진행하는 것이 중요하다. 전해액 함침과정과 유사하게 내부의 개스가 쉽게 방출될 수 있도록 미세다공성 고분자 분리막의 접착부위를 최소화하는 것이 필요하다.After the electrolyte is injected, the battery activation process and evaluation process are performed. In this process, a large amount of gas is discharged from the electrode or the electrolyte, it is important to optimize the process conditions or proceed with the cell design so that the generated gas can easily escape from the laminate. Similar to the electrolyte impregnation process, it is necessary to minimize the adhesive portion of the microporous polymer membrane so that the gas inside can be easily released.

미세다공성 고분자 분리막의 접합면의 둘레에서 전극외곽 둘레 대비 5%보다 작게 하면 전극의 고정이 어렵고 미세다공성 고분자 분리막의 접합이 불안정할 수 있 다. 또한 전극 탭의 영역을 고려하고, 전해액의 함침과 개스방출 등을 고려할 때 접착부위를 전극외곽 둘레 대비 95%보다 크게 하는 것은 바람직하지 않다. If the periphery of the microporous polymer membrane is less than 5% of the periphery of the electrode, it may be difficult to fix the electrode and the microporous polymer membrane may be unstable. In addition, in consideration of the area of the electrode tab and considering the impregnation of the electrolyte and the gas discharge, it is not preferable to make the adhesive portion larger than 95% of the periphery of the electrode.

도4는 미세 다공성 고분자 분리막을 초음파 용착하여 적층체를 만드는 경우 적층체의 형상에 대해 도시한 것이다. 도4(a)는 양극과 음극을 모두 미세 다공성 고분자 분리막으로 접합하여 적층체를 구성하였다. 양극전극과 음극전극을 교대로 적층하며, 적층수는 전지의 설계에 의해 결정된다. 최외곽 전극을 음극(71)으로 하여 미세 다공성 고분자 분리막(72)으로 둘러싸여 있고, 양극(73)전극은 미세 다공성 고분자 분리막(74)으로 둘러싸여 있다. 이 때 양극전극(73)에서 적용한 미세 다공성 고분자 분리막(74)과 음극전극(71)에 적용한 미세 다공성 고분자 분리막(72)는 동일한 재질이 아니어도 상관없다. 또한 최외곽 전극이 음극전극(71)이 아니고 양극전극(73)을 사용해도 무방하다. 도4(b)는 양극전극(76)만 미세 다공성 고분자 분리막(77)으로 둘러싸여 용접 접합하고 음극전극(75)은 분리막을 사용하지 않은채 적층을 진행한 경우를 나타낸 것이다. 도4(a)의 설명과 유사하게, 최외곽 전극이 양극전극(77)으로 하여도 무방하다. 도4(c)는 음극전극(78)만 미세 다공성 고분자 분리막(79)으로 용접 접합하고 양극전극(80)은 분리막을 사용하지 않은 채 적층을 진행하는 경우를 도시하였다. 이 경우에도 최외곽에는 양극전극(80)을 적용해도 무방하다.Figure 4 shows the shape of the laminate in the case of making a laminate by ultrasonic welding the microporous polymer membrane. 4 (a) shows a laminate formed by joining both the positive electrode and the negative electrode with a microporous polymer membrane. The anode electrode and the cathode electrode are alternately stacked, and the number of stacked layers is determined by the design of the battery. The outermost electrode is the cathode 71, and is surrounded by the microporous polymer membrane 72, and the anode 73 is surrounded by the microporous polymer membrane 74. In this case, the microporous polymer separator 74 applied to the anode electrode 73 and the microporous polymer separator 72 applied to the cathode electrode 71 may not be the same material. In addition, the outermost electrode may use the anode electrode 73 instead of the cathode electrode 71. FIG. 4 (b) shows a case where only the anode electrode 76 is surrounded by the microporous polymer separator 77 and welded, and the cathode electrode 75 is laminated without using the separator. Similarly to the description of Fig. 4A, the outermost electrode may be the anode electrode 77. 4 (c) shows a case where only the cathode electrode 78 is weld-bonded with the microporous polymer separator 79 and the anode electrode 80 is laminated without using the separator. Also in this case, the anode electrode 80 may be applied to the outermost side.

도5는 초음파 용착된 전극체를 적용한 경우, 전극탭(Tab)을 배열에 대해 나타낸 것이다. 일반적으로 전극탭의 형상이나 위치는 전지의 설계구조를 따른다. 도5(a) 는 양극전극 탭(91)과 음극전극 탭(92)이 반대방향으로 놓여진 경우를 도시하였다. 양극전극과 음극전극은 도4에서 설명한 바와 같이 교대로 적층되어 있으며, 미세 다공성 고분자 분리막(93)으로 구분되어 있고 초음파 용착을 통하여 접합(94)되어 있다. 그림5(b)는 양극전극 탭(96)과 음극전극 탭(97)이 동일한 방향으로 놓여진 경우를 나타낸 것이다. 도5(a)와 마찬가지로 미세 다공성 고분자 분리막(99)으로 전극(98)이 분리되어 있으며, 용착면(100)에 분리막이 접합되어 있다.Fig. 5 shows the electrode tab Tab for the arrangement when the ultrasonically welded electrode body is applied. In general, the shape or position of the electrode tab depends on the design structure of the battery. 5A illustrates a case where the cathode electrode tab 91 and the anode electrode tab 92 are placed in opposite directions. The anode electrode and the cathode electrode are alternately stacked as described with reference to FIG. 4, and are divided into microporous polymer separators 93 and bonded 94 by ultrasonic welding. Figure 5 (b) shows a case where the positive electrode tab 96 and the negative electrode tab 97 are placed in the same direction. As shown in FIG. 5A, the electrode 98 is separated by the microporous polymer separator 99, and the separator is bonded to the welding surface 100.

상기의 설명과 마찬가지로 미세다공성 고분자 분리막의 접합면(100)의 둘레(101)는 전극 고정과 접합의 안정성을 고려하여 전극외곽 둘레 대비 최소 5%보다 크게 하고, 전해액의 함침과 개스방출 등을 고려하여 95%보다 작게 하는 것이 바람직하다. 미세다공성 고분자 분리막의 접합면(100)의 폭(102)은 양극전극과 음극전극 사이의 설계를 고려하여 최소 0.05mm로 하고, 최대 10mm이내로 하는 것이 바람직하다. 이러한 상기에 설명한 바와 같이 활물질양을 고려한 음극면적이 양극면적에 비해 차이가 작으면 리튬석출과 덴드라이트 발생 등으로 전지의 안전성 저하를 야기시킬 수 있고 또한 음극면적이 양극면적에 비해 과도하게 크면, 전지의 에너지밀도 저하를 발생시킨다.As described above, the circumference 101 of the bonding surface 100 of the microporous polymer membrane is greater than the minimum of 5% relative to the circumference of the electrode in consideration of the electrode fixing and the stability of the bonding, and the impregnation and gas release of the electrolyte are considered. Preferably less than 95%. The width 102 of the bonding surface 100 of the microporous polymer membrane is preferably at least 0.05 mm and at most 10 mm in consideration of the design between the anode electrode and the cathode electrode. As described above, if the negative electrode area considering the amount of the active material is smaller than the positive electrode area, it may cause deterioration of battery safety due to lithium deposition and dendrites, and if the negative electrode area is excessively larger than the positive electrode area, It causes a decrease in energy density of the battery.

2. 초음파 용착조건2. Ultrasonic welding condition

일반적인 초음파 용접기의 출력에너지는 5kW이하 범위이다. 기기의 크기를 고려할 때 3kW이하 범위의 출력을 가진 기기를 적용하는 것이 바람직하다. 주파수의 범위는 20에서 70kHz의 범위를 사용하고 있으나 40kHz이하를 적용하는 것이 좋다. 용착시간은 일반적으로 10초이하의 범위를 많이 사용하나 작업성을 고려할 때 3초이 내로 진행하는 것이 좋다. 피용접물의 용착을 원할하기 위해서는 외부에서 인가한 에너지가 표면에 효율적으로 공급하기 위해 혼과 앤빌을 가압한다. 이 때 가압방식은 공기압이나 유압을 적용하는 것이 일반적이며 인가압력은 1ton이하 범위를 사용한다. 좀 더 바람직하게는 300kg이하의 가압력으로 대상물의 변형을 최소화하여 진행하는 것이 좋다.The output energy of a general ultrasonic welding machine is less than 5kW. Considering the size of the equipment, it is desirable to apply equipment with an output in the range of 3 kW or less. The frequency range is 20 to 70 kHz, but 40 kHz or less is recommended. Weld time generally uses a range of less than 10 seconds, but considering the workability, it is recommended to proceed within 3 seconds. In order to allow welding of the welded object, externally applied energy presses the horn and anvil to efficiently supply the surface. At this time, it is common to apply air pressure or hydraulic pressure in the pressurization method, and the applied pressure is in the range of 1 ton or less. More preferably, it is recommended to proceed with the deformation of the object to a pressing force of less than 300kg.

초음파용착을 통한 고분자 재료의 접합은 접합에 필요한 에너지를 기계적 진동의 형태로부터 얻는다. 용접기기는 피용접물과 짝을 이뤄서 수직 또는 수평 방향에서 그것을 이동시킨다. 피용접물은 정지된 상태를 유지한다. 피용접물은 동시에 같이 압착된다. 정적인 힘과 동적인 힘의 동시작용은 보조물의 사용없이 부품들의 결합을 이뤄낸다. Bonding of polymeric materials through ultrasonic welding obtains the energy required for bonding from the form of mechanical vibrations. The welding machine is paired with the welded object and moved in the vertical or horizontal direction. The welded object remains stationary. The welded objects are pressed together at the same time. The combination of static and dynamic forces combines parts without the use of auxiliary materials.

열가소성 고분자 재료를 접합시킬 때 결합부에서의 온도상승은 기계적 진동의 흡수, 연결부위에서의 진동의 반사작용, 부품표면에서의 저항에 의해 발생된다. 진동은 수직 또는 수평으로 도입된다. 녹는 점이 유사한 부품간의 결합에 있어서 용접품질은 균일하다. 왜냐하면 결합부위에 국한되어 에너지 전달이나 내부의 열발생이 일정하기 때문이다. When joining thermoplastic polymer materials, the temperature rise at the joint is caused by the absorption of mechanical vibration, the reflection of the vibration at the joint, and the resistance at the surface of the part. The vibration is introduced vertically or horizontally. The welding quality is uniform in joining parts with similar melting points. This is because the energy transfer or the heat generation inside is constant because it is limited to the coupling part.

고분자 재료를 용착시킬 때 높은 진동에너지가 사용되는데 이는 온도를 올리고 물질을 가공하기 쉽게 하기 위함이다. 다른 용접과는 달리 피용접물이 녹는점까지 온도를 올릴 필요는 없다. 용접조건의 설정은 피용접물의 두께, 표면구조, 기계적 특성에 의해 결정된다.When welding the polymer material, high vibration energy is used to raise the temperature and make the material easier to process. Unlike other welding, it is not necessary to raise the temperature to the melting point of the welded object. The setting of welding conditions is determined by the thickness, surface structure and mechanical properties of the welded object.

초음파 용착은 다음과 같이 진행된다. Ultrasonic welding proceeds as follows.

1) 피용접물이 용접기에 의해 가압된 상태에서 한쪽 부품을 상대물에 대해 기계적인 진동을 가한다.  1) Mechanically vibrate one part against the counterpart while the welded object is pressurized by the welder.

2) 양쪽 피용접물 표면층의 막을 파괴시킨다.  2) The film on both surface layers of the weld object is destroyed.

3) 한 쪽 부품의 원자들이 다른 쪽 부품으로 이동한다.  3) Atoms in one part move to the other part.

4) 실제적인 결합이 형성된다.  4) The actual bond is formed.

소노트로드나 앤빌은 표면을 거칠게 가공하거나 립(rib) 형대나 그로브(groove) 형태로 연마한다. 이는 피용접물을 강하게 고정시키고 용착하는 동안 미끄럼을 방지하기 위함이다.Sonot rods and anvils are used to roughen the surface or to grind the ribs or grooves. This is to strongly fix the welded object and to prevent slipping during welding.

다음은 실제 예를 따라 본 발명을 구체적으로 설명하고, 본 발명은 이 실제 예를 통해 아무런 제한되는 것은 아니다. The following describes the present invention in detail with reference to practical examples, and the present invention is not limited to these practical examples.

(1) 실시예 1 (1) Example 1

초음파 용착에 사용한 분리막은 폴리에틸렌을 원재료로 건식법으로 제조된 다공성 필름이다. 두께는 20um이고 기공도는 44%이며, Gurley 투과도는 250sec/100ml 이다. 기계 방향(MD)으로의 파단 강도는 약 2,000 ~2,200kgf/cm2이고 수직방향(TD)으로의 파단강도는 1,300~1,500kgf/cm2이며 찌름강도는 700 ~ 900gf인 제품을 사용했다.   The separator used for ultrasonic welding is a porous film manufactured by dry method using polyethylene as a raw material. The thickness is 20um, the porosity is 44%, and the Gurley transmittance is 250sec / 100ml. The breaking strength in the machine direction (MD) was about 2,000-2,200 kgf / cm2, the breaking strength in the vertical direction (TD) was 1,300-1,500 kgf / cm2, and the poking strength was 700-900 gf.

초음파용접기는 40kHz/800W의 출력을 갖는 제품을 이용했고, 용착방식은 횡진동(좌우)방식의 용착기를 사용했다. 혼(Horn)과 앤빌(Anvil)사이의 가압력은 공기 주입방식을 적용했고, 용접의 견고성을 유지하기 위해 노들 지지체(Nodal Support)를 사용했다. 용착면적은 혼(Horn)의 면적에 의해 결정되는데, 본 실험에서는 가로 10mm, 세로 5mm인 제품을 사용하였다.Ultrasonic welding machine used 40kHz / 800W output, and the welding method used the horizontal vibration (left and right) welding machine. The pressing force between Horn and Anvil used air injection, and a Nodal Support was used to maintain weld robustness. The welding area is determined by the area of the horn. In this experiment, a product of 10mm in width and 5mm in length was used.

분리막의 용접강도 측정은 상온에서 KS시험규격(KS M3006)에 따라 시편을 제작한 뒤 진행하였다.   Weld strength measurement of the separator was carried out after fabricating the specimen in accordance with the KS test standard (KS M3006) at room temperature.

이 때의 실시결과는 다음과 같다. The result of implementation at this time is as follows.

구분division 용접에너지(J)Welding energy (J) 용접시간(sec)Welding time (sec) 유지시간(sec)Holding time (sec) 용접강도(gf/cm2)Welding strength (gf / cm2) 실험1Experiment 1 13.413.4 0.10.1 0.50.5 용접안됨Not welded 실험2Experiment 2 16.716.7 0.50.5 0.50.5 205205 실험3Experiment 3 23.223.2 1.01.0 0.50.5 215215 실험4Experiment 4 27.327.3 2.02.0 0.50.5 파열됨Ruptured

(2) 실시예 2 (2) Example 2

초음파 용착에 사용한 분리막은 실시예 1과 동일하다.   The separator used for ultrasonic welding was the same as in Example 1.

초음파용접기는 20kHz/3300W의 출력을 갖는 제품을 이용했고, 용착방식은 종진동(상하)방식의 용착기를 사용했다. 분리막에 직접에너지를 가하는 액추에이터(Actuator)에는 강제 공냉식 냉각기능을 적용하여, 분리막이 용접되는 과정에서 과열을 방지하는 역할을 한다. 본 실험에 사용되는 혼(Horn)은 원형 도우넛 형상의 제품을 사용하였는데 내경 8mm, 외경 10mm 이었다.Ultrasonic welding machine used product with output of 20kHz / 3300W, and welding method used longitudinal vibration welding machine. Actuators that apply energy directly to the separator apply forced air-cooling to prevent overheating during the welding of the separator. The horn used in this experiment was a circular donut shaped product, which had an inner diameter of 8 mm and an outer diameter of 10 mm.

이 때의 실시결과는 다음과 같다. The result of implementation at this time is as follows.

구분division 용접에너지(J)Welding energy (J) 용접시간(sec)Welding time (sec) 유지시간(sec)Holding time (sec) 용접강도(gf/cm2)Welding strength (gf / cm2) 실험aExperiment a 13.813.8 0.10.1 0.50.5 용접안됨Not welded 실험bExperiment b 18.018.0 0.50.5 0.50.5 용접안됨Not welded 실험cExperiment 22.122.1 1.01.0 0.50.5 184184 실험dExperiment d 27.327.3 2.02.0 0.50.5 196196

(3) 실시예 3 (3) Example 3

초음파 용착에 적용한 분리막은 일반적인 폴리올레핀 미세다공성 고분자 분리막을 개질한 미세다공막(대한민국 특허출원 10-2009-0000997)이다. 이 제품은 리튬전지에 사용되는 일반적인 폴리올레핀 분리막을 전자빔이나 감마선을 조사하여 가교처리를 함으로써 내열성을 크게 향상시킨 제품이다.   The separator applied to ultrasonic welding is a microporous membrane (Korean patent application 10-2009-0000997) modified from a general polyolefin microporous polymer membrane. This product is a product that greatly improves heat resistance by crosslinking the general polyolefin separator used in lithium battery by irradiation with electron beam or gamma ray.

초음파용접기는 횡진동방식(실시예1, 40kHz/800W)과 종진동방식(실시예2, 20kHz/3300W)의 출력을 갖는 제품을 이용했다. 횡진동방식의 용접기를 적용하는 경우에는 실시예1에서 사용한 혼(Horn)과 앤빌(Anvil), 가압기를 동일하게 사용했다. 종진동방식의 용접기를 적용하는 경우 실시예2에서 사용한 액추에이터(Actuator)와 혼(Horn)을 동일하게 사용했다.Ultrasonic welding machine used the product which has the output of lateral vibration system (Example 1, 40kHz / 800W) and longitudinal vibration system (Example 2, 20kHz / 3300W). In the case of applying the lateral vibration welding machine, the horn, anvil, and pressurizer used in Example 1 were used in the same manner. In the case of applying the longitudinal vibration welding machine, the actuator and horn used in Example 2 were used in the same manner.

이 때의 실시결과는 다음과 같다. The result of implementation at this time is as follows.

구분division 용접에너지
(J)
Welding energy
(J)
용접시간
(sec)
Welding time
(sec)
유지시간
(sec)
Retention time
(sec)
용접강도
(gf/cm2)
Welding strength
(gf / cm2)
진동
방식
vibration
system
실험iExperiment i 17.217.2 0.50.5 0.50.5 208208 횡진동Lateral vibration 실험iiExperiment ii 24.524.5 1.01.0 0.50.5 221221 횡진동Lateral vibration 실험iiiExperiment iii 23.423.4 1.01.0 0.50.5 192192 종진동Longitudinal vibration 실험ivExperiment iv 28.628.6 2.02.0 0.50.5 198198 종진동Longitudinal vibration

도1은 초음파 용접을 적용하여 미세 다공성 고분자 분리막을 접합하는 방법을 나타낸 것이다.Figure 1 shows a method for bonding the microporous polymer membrane by applying ultrasonic welding.

도2는 초음파 용착을 적용하여 미세 다공성 고분자 분리막을 접합하는 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 2 schematically shows a case of bonding the microporous polymer membrane by applying ultrasonic welding.

도3은 초음파용착을 적용한 미세 다공성 고분자 분리막 접합 유형을 나타낸 것이다.Figure 3 shows the type of microporous polymer membrane bonding applied ultrasonic welding.

도4는 미세 다공성 고분자 분리막을 초음파 용착하여 적층체를 만드는 경우 적층체의 형상에 대해 도시한 것이다.Figure 4 shows the shape of the laminate in the case of making a laminate by ultrasonic welding the microporous polymer membrane.

도5는 초음파 용착된 전극체를 적용한 경우, 전극탭(Tab)을 배열에 대해 나타낸 것이다.Fig. 5 shows the electrode tab Tab for the arrangement when the ultrasonically welded electrode body is applied.

Claims (9)

미세다공성 고분자분리막(72)과Microporous polymer membrane (72) 상기의 분리막(72)을 전극형상과 유사하게 성형된 공구혼(10)과 하부의 앤빌(11)사이에 미세 다공성 분리막을 고정시킨뒤 초음파 용접기의 동작스위치를 가동하면, 공기압에 의해 공구혼(10)이 하부로 내려오고 앤빌(11)을 통하여 피용접물(13)을 가압하게 되어 전극의 외곽면 둘레를 따라 접착하는 방법과After fixing the microporous separator between the tool horn 10 and the anvil 11 at the lower portion of the separator 72 formed in the shape of an electrode, the operation switch of the ultrasonic welding machine is operated. 10) is lowered to press the to-be-welded object 13 through the anvil (11) to adhere along the outer periphery of the electrode and 이 때 초음파 용접기는 At this time, the ultrasonic welding machine 상기의 분리막(72)을 접합할 수 있도록 공구혼(10)과 앤빌(11)을 보유하고 있으며 분리막(72)을 고정할 수 있는 가압장치, 바람직하게는 유압, 더 바람직하게는 공기압을 적용할 수 있는 장치가 부착되어 피용접물(13)과 평행하게 진동할 수 있는 진동장치를 보유하고,A press horn having a tool horn 10 and anvil 11 to join the separator 72 and a fixed device to which the separator 72 can be fixed, preferably hydraulic pressure, more preferably air pressure can be applied. And a vibrating device that can be vibrated in parallel with the to-be-welded object 13, 리튬이차전지에 사용되는 양극전극(73)과 음극전극(71)을The positive electrode 73 and the negative electrode 71 used in the lithium secondary battery 이 때 양극전극은(73) 리튬금속산화물 즉 리튬코발트옥사이드, 리튬망간옥사이드, 리튬니켈옥사이드 또는 이에 대한 혼성 화합물, 그리고 음극전극(71)은 흑연계 즉 천연흑연과 인조흑연을 사용한는 것과 In this case, the anode electrode (73) is lithium metal oxide, that is, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel oxide or a hybrid compound thereof, and the cathode electrode 71 is graphite, that is, using natural graphite and artificial graphite 상기의 분리막(72)과 리튬이차전지용 양극전극(73)과 음극전극(71)을 초음파 용접 기를 사용하여 전극체(도2(b)) 만들고, 이를 교대로 쌓아서 적층체(도4(a))를 만드는 경우The separator 72, the cathode electrode 73 for a lithium secondary battery 73, and the cathode electrode 71 are made of an electrode body (FIG. 2B) by using an ultrasonic welding machine, and alternately stacked to form a laminate (FIG. 4A). ) 양극전극과 음극전극을 교대로 적층하며, 최외곽 전극을 음극(71)으로 하여 미세 다공성 고분자 분리막(72)으로 둘러싸여 있고, 양극(73)전극은 미세 다공성 고분자 분리막(74)으로 둘러 싸는 방법과The anode electrode and the cathode electrode are alternately stacked, and the outermost electrode is surrounded by the microporous polymer membrane 72 with the cathode 71, and the anode 73 electrode is surrounded by the microporous polymer membrane 74. 리튬이차전지 조립에 있어서 In assembling lithium secondary battery 상기의 적층체를 사용하여 조립하는 방법Method of assembling using the above laminate 청구항 1의 어느 한 항에 있어서The method of claim 1 전극체 조립(도2b)에 사용되는 전극을 양극전극(73)으로 하거나 양극전극(73)과 음극전극(71) 양쪽 모두를 적용하는 것Using the electrode used for electrode assembly (FIG. 2B) as the positive electrode 73 or applying both the positive electrode 73 and the negative electrode 71 청구항 1에서 사용되는 분리막의 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리 우레탄, 폴리이미드, 플로로카본, 폴리아크릴계 필름, 아세탈계 필름, 폴리카보네이트 필름 등을 단독으로 적용하거나, 이들의 조합으로 형성되는 다층 분리막을 적용하는 것.The material of the separator used in claim 1 is polyethylene, polypropylene, polyurethane, polyimide, fluorocarbon, polyacryl-based film, acetal-based film, polycarbonate film, or the like, or a multilayer separator formed by a combination thereof. To apply. 청구항 1에서 상기의 분리막(72)과 접합된 전극체(도2b)는 초음파용접과 동시에 형 성되거나, 초음파용접 전에 전극체(도2b) 모양으로 타발된 후 용접되거나, 초음파 용접후 타발되는 것으로 한다The electrode assembly (FIG. 2B) bonded to the separator 72 of claim 1 is formed at the same time as the ultrasonic welding, or after being punched in the shape of the electrode assembly (FIG. 2B) before the ultrasonic welding, or after the ultrasonic welding. do 청구항 1의 어는 한 항에 있어서 The word of claim 1, wherein 전극체 접합면(100)의 둘레(101)는 전극(98)의 외곽 둘레(테두리)의 최소 5%에서 최대 95%를 사용하여 접합된 것으로 하고, 전극체 접합면의 폭(102)은 최소 0.05mm에서 최대 10mm이내로 한다.The circumference 101 of the electrode body bonding surface 100 is bonded using a minimum of 5% to a maximum of 95% of the outer circumference (border) of the electrode 98, and the width 102 of the electrode body bonding surface is minimum. 0.05mm to the maximum 10mm. 청구항 1의 어느 한 항에 있어서 The method of claim 1 상기의 분리막(72)을 접합할 수 있도록 공구혼(10)과 앤빌(11)을 보유하고 있으며 분리막(72)을 고정할 수 있는 가압장치, 바람직하게는 유압, 더 바람직하게는 공기압을 적용할 수 있는 장치가 부착되어 피용접물과 수직으로 진동할 수 있는 진동장치를 보유한 초음파 용접기를 적용하는 것A press horn having a tool horn 10 and anvil 11 to join the separator 72 and a fixed device to which the separator 72 can be fixed, preferably hydraulic pressure, more preferably air pressure can be applied. Applying ultrasonic welding machines having vibrators capable of vibrating perpendicularly to the welded body, with attached devices 청구항 1과 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기의 분리막(72)을 사용하고, 양극전극(73)을 망간옥사이드, 황, 불화카본, 염화티오닐, 그리고 음극전극(71)을 리튬금속을 사용하여, 상기의 전극체(도2b)를 제조한 뒤, 적층체(도4)를 사용하여 리튬일차전지를 조립하는 것.The separator body 72 is used, and the anode electrode 73 is made of manganese oxide, sulfur, carbon fluoride, thionyl chloride, and the cathode electrode 71 is made of lithium metal. After manufacture, assembling a lithium primary battery using a laminated body (FIG. 4). 청구항 1의 어느 한 항에 있어서The method of claim 1 폴리올레핀 미세다공성 고분자 분리막을 전자빔이나 감마선을 사용하여 내열성을 향상시킨 분리막을 적용하는 것.Applying a separator in which the polyolefin microporous polymer separator is improved in heat resistance using an electron beam or gamma ray. 청구항 1의 어느 한 항에 있어서The method of claim 1 초음파 용접기는 20~200kHz의 작동주파수로, 바람직하게는 20~70kHz의 작동주파수로, 더 바람직하게는 20~40kHz의 작동주파수로 공구혼(10)을 진동시키고, 피용접물(13)을 공구혼(10)이나 앤빌(11)로 가압한다. 이 때 가압방식은 공기압이나 유압을 적용하며 인가압력은 1ton이하 범위를 사용한다. 좀 더 바람직하게는 공기압을 적용하여 300kg이하의 가압력하는 것. 용접출력은 5000W이하로, 바람직하게는 3500W이하의 초음파 용접기를 적용하며, 용접시간은 10초이내로, 바람직하게는 5초이내로, 더 바람직하게는 3초이내로 적용하는 것The ultrasonic welding machine vibrates the tool horn 10 at an operating frequency of 20 to 200 kHz, preferably at an operating frequency of 20 to 70 kHz, more preferably at an operating frequency of 20 to 40 kHz, and causes the object 13 to be welded to the tool horn. Pressurized by (10) or anvil (11). At this time, the pressurization method applies air pressure or hydraulic pressure and the applied pressure is in the range of 1ton or less. More preferably applying a pressure of less than 300kg by applying air pressure. The welding power is applied to the ultrasonic welding machine of 5000W or less, preferably 3500W or less, and the welding time is applied within 10 seconds, preferably within 5 seconds, more preferably within 3 seconds.
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