KR20120075953A - 이차전지용 전극조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체, 그 제조방법 및 이를 이용한 이차전지를 제공한다. 이에 따르면, 상기 양극 및 음극에는 적어도 하나 이상의 웨팅용 미세홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 의하면 양극 및 음극의 압연과정에서 압연롤러에 마련된 미세돌기가 양극 및 음극에 다수의 미세홀을 형성함으로써 이후 진행되는 전해액의 젖음성을 향상시킬 수 있다.

Description

이차전지용 전극조립체 및 그 제조방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 전극의 웨팅성을 향상시키기 위한 이차전지용 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode) 및 상기 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급할 수 있는 것이다.

상기 전지는 한번 사용 후 폐기되는 일차전지(일반 전지)와, 충전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다.

근래에는 휴대폰, 노트북, PDA 등과 같은 휴대용 전자기기들의 보급으로 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 이차전지의 수요량이 급증하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능이 점차 개선되어 대량 생산되고 있다.

대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다. 또한 이차전지는 전극조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형과 각형 및 파우치형 전지로 구분할 수 있다.

이러한 이차전지의 조립은 양극, 음극 및 분리막을 서로 번갈아가며 겹친 후, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 혹은 파우치(pouch) 등의 전지케이스에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입함으로써 이루어진다. 이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며들게 된다. 그러나, 재료의 특성상 전해액의 전극 및 분리막에 대한 젖음(wetting)은 상당한 시간 및 까다로운 공정 조건이 요구된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 전해액의 웨팅성을 향상시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 이차전지용 전극조립체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 상기 양극 및 음극에는 적어도 하나 이상의 웨팅용 미세홀이 형성되는 전극조립체가 제공된다.

상기 미세홀은 500~1000개 형성되고, 그 직경은 10~100㎛인 것을 특징으로 한다.

상기 양극과 음극은 각각의 미세홀이 어긋나게 배치되도록 라미네이션 된다.

또한, 본 발명에서는 전극활물질이 도포된 전극판을 미세돌기가 형성된 프레스롤러를 통과시켜 전극판에 적어도 하나 이상의 미세홀을 형성하는 전극조립체의 제조방법이 제공된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 양극 및 음극의 압연과정에서 압연롤러에 마련된 미세돌기가 양극 및 음극에 다수의 미세홀을 형성함으로써 이후 진행되는 전해액의 주입시 젖음성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 전극을 보인 평면도.
도 2는 본 발명에 의한 전극조립체를 보인 단면도.

이하에서는, 본 발명에 의한 이차전지용 전극조립체 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 전극조립체는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 양극(10), 음극(20) 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막(30)을 포함하며, 상기 양극과 분리막 및 음극이 순차적으로 적층되고 권취되어 형성된다.

양극(10)은 양극집전체 상에 양극활물질이 일부 도포된 것으로, 양극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 형성된다.

양극집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

양극집전체의 양면에는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극활물질이 도포되며, 양극집전체의 양단에는 양극활물질이 도포되지 않은 영역인 양극무지부가 형성된다.

또한, 양극무지부 중 권취시 내주부에 위치되는 양극무지부에는 초음파 용접 또는 레이져 용접에 의하여 양극탭(도시 생략)이 고정된다. 양극탭은 니켈금속으로 형성되며 상단부가 양극집전체의 상단부 위로 돌출되도록 고정된다.

음극(20)은 음극집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 음극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다.

음극집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 음극집전체 역시 그 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 접착력을 높일 수도 있다.

음극집전체의 양면에는 탄소재를 주성분으로 하는 음극활물질이 도포되고, 음극집전체의 양단에는 음극활물질이 코팅되지 않은 영역인 음극무지부가 형성된다.

음극활물질에는 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물 등이 사용된다.

또한, 양단의 음극무지부 중 권취시 내주부에 위치되는 음극무지부에 음극탭(도시 생략)이 초음파 용접되어 고정된다. 음극탭은 그 상단부가 음극집전체의 상단부 위로 돌출되도록 고정된다.

분리막(30)은 양극과 음극 사이에 개재되어 양극과 음극 사이에 발생할 수 있는 단락을 방지한다. 분리막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리올레핀계 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있다. 이러한 다공막 구조는, 전지 내부의 온도 상승으로 상기 열가소성수지의 융점 근처가 되면 분리막이 용융하여 공공이 막힘으로써 절연필름이 된다. 이러한 현상을 분리막의 봉공 또는 셧다운(shut down) 현상이라고 한다. 이렇게 절연필름으로 바뀜으로써 양극과 음극간의 리튬 이온의 이동이 차단되고, 더 이상의 전류가 흐르지 못하게 됨으로써 전지 내부의 온도 상승이 중단된다.

그러나, 두 전극 사이에 존재하는 분리막이 전해질에 대한 충분한 투과성, 젖음성(wettability)을 갖지 못할 경우, 분리막은 두 전극 사이에서의 리튬 이온의 이동을 제한하여 전지의 전기적 특성을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다.

또한, 폴리올레핀계 분리막은 자체가 전지의 과열을 방지하는 안전장치의 역할도 한다. 그러나, 전지의 온도가 어떤 이유로, 가령 외부 열전이 등의 이유로 갑자기 상승할 경우, 분리막의 미세 통공이 폐쇄됨에도 불구하고, 전지의 온도 상승이 일정 시간 계속되어 분리막의 파손이 생길 수 있다.

더불어, 고밀도 활물질층에 의해 전지가 고용량화되어 극판의 밀도가 높아지게 되면 극판에 전해액이 스며들지 않아 전지의 주액 속도가 느려지거나 필요한 양만큼 주액이 되지 않는 문제가 있다.

또한, 충방전이 계속 진행되면 양극활물질 및 음극활물질과 전해액과의 산화환원반응에 의해 부반응물이 생성되므로 전해액의 고갈이 계속된다. 따라서, 양극과 음극 사이에서 이온 이동의 매개체인 전해액의 절대량이 부족하게 되면 사이클 용량저하가 발생한다.

더불어, 전지의 고용량화에 따라 이차전지에서 단시간에 많은 전류가 흐르는 경우, 분리막의 미세 통공이 폐쇄되어도 전류 차단에 의해 전지의 온도가 낮아지기 보다는 이미 발생된 열에 의해 분리막의 용융이 계속되어 분리막 파손에 의한 내부 단락이 발생할 가능성이 커지는 문제점이 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 도 1 및 도 2와 같이 양극(10)과 음극(20)에 다수의 웨팅용 미세홀(11)(21)을 형성하고, 미세홀(11)(21)이 형성된 양극(10)과 음극(20)을 분리막(30)을 개재시켜 라미네이션 공정을 진행하게 된다. 이와 같이, 양극과 음극에 다수의 미세홀이 형성됨으로써 이후 전해액의 주입시 전극과 분리막에 전해액의 젖음이 용이하게 이루어질 수 있으므로 전해액 부족으로 인한 상술한 분리막의 문제점을 해소할 수 있게 된다.

이때, 상기 각 미세홀(11)(21)은 10~100㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 미세홀의 직경이 10㎛ 미만일 경우 각 전극으로 유입되는 전해액의 젖음성이 저조하고, 100㎛를 초과할 경우 전극의 용량에 문제를 유발할 수 있다.

마찬가지로, 상기 미세홀은 500~1000개 형성되는 것이 바람직하다. 미세홀이 500개 미만일 경우 각 전극으로 유입되는 전해액의 젖음성이 저조하고, 1000개 초과일 경우 전극의 용량에 문제를 유발할 수 있다.

한편, 라미네이션의 진행시 분리막을 사이에 두고 그 양측에 부착되는 양극(10)과 음극(20)은 각각의 미세홀(11)(21)이 서로 일치하지 않고 어긋난 위치에 배열되도록 함으로써 각 전극과 분리막에 전해액의 젖음성이 더욱 향상될 수 있도록 한다. 즉, 다수의 양극과 음극을 적층할 경우 양극과 음극에 형성된 미세홀의 위치가 일치하면 전해액이 바로 통과될 우려가 있으므로 서로 어긋나게 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 상술한 바와 같이 구성된 전극조립체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 적용되는 양극, 음극 및 분리막의 제조방법은 기존에 이미 공지된 바와 대동소이하므로 여기서는 자세한 설명은 생략한다.

이와 같이 제조된 양극 및 음극은 그 두께의 최적화를 위한 압연과정을 거치게 된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 압연롤러 사이를 제조 완료된 양극 또는 음극이 통과하면 그 두께 방향으로 압연롤러가 가압하여 각 전극의 두께를 설정치에 대응되도록 형성한다.

이때, 본 발명에서는 한 쌍의 압연롤러 중 어느 하나의 압연롤러 표면에 다수의 미세돌기가 돌출된 상태로 공정을 진행한다.

따라서, 전극이 한 쌍의 압연롤러를 통과하게 되면 전극에는 상술한 압연롤러의 미세돌기에 의해 다수의 미세홀이 형성되는 것이다. 이 미세홀은 이후 전극에 전해액의 함침시 미세홀을 통해 원활하게 전해액의 유통이 가능하게 됨으로써 젖음성이 향상될 수 있다.

상기 분리막이 개재된 양극, 음극은 각각의 미세홀이 서로 일치하지 않고 어긋나게 위치되도록 한다.

상술한 과정에서 전극에 가해진 미세돌기의 압력으로 말미암아 전극의 평탄도가 저하될 수 있다. 따라서, 전극은 표면이 매끄러운 한 쌍의 롤러 사이를 통과하게 되며, 이에 따라 전극 특히, 미세홀이 형성된 부분의 평탄화에 기여할 수 있다.

이후에는, 상술한 방법으로 제조된 양극, 음극 및 분리막을 라미네이션 작업을 통해 바이셀(bi-cell)을 제조한다.

이와 같이 제조된 바이셀은 미세홀을 통해 전해액이 쉽게 스며들어 전극에 전해액의 젖음성을 향상시킬 수 있다.

한편, 기존에도 전극에 웨팅용 홀이 형성된 기술이 존재하나, 이는 전극의 제조 완료 후 펀치 등의 별도의 기구를 이용하여 전극에 홀을 형성한 것이다. 즉, 본 발명은 전극 제조공정 상에 필요한 압연롤러를 이용하여 전극에 웨팅용 미세홀을 형성함으로써 별도로 미세홀 천공작업을 거칠 필요가 없으므로, 기존에 비해 공정을 단축할 수 있고, 별도의 천공용 기구가 필요치 않게 된다.

본 발명은 또한, 상술한 전극조립체가 전지케이스에 밀봉된 구조의 이차전지를 제공한다.

전극조립체는 다수의 전극탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 스택형, 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다.

본 발명에 적용되는 이차전지는 바람직하게는 리튬이온 폴리머전지로서, 상기 리튬이온 폴리머 이차전지를 구성하는 구성 요소 및 제조 방법은 당업계에 공지되어 있는 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 다수 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제공한다. 중대형 전지모듈은 큰 충격, 잦은 진동 등 다양한 외력에 노출되어 있는 바, 앞서 설명한 바와 같이 전해액의 젖음성이 향상된 단위전지를 다수 구비함으로써 전지의 안정성 내지 안전성을 크게 증가시킬 수 있다.

10 ; 양극
11 ; 미세홀
20 ; 음극
21 ; 미세홀
30 ; 분리막

Claims (5)

1. 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서,
   상기 양극 및 음극에는 적어도 하나 이상의 웨팅용 미세홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 미세홀은 500~1000개 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 미세홀의 직경은 10~100㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 양극와 음극은 각각의 미세홀이 어긋나게 배치되도록 라미네이션 되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체.
   
5. 전극활물질이 도포된 전극판을 미세돌기가 형성된 프레스롤러를 통과시켜 전극판에 적어도 하나 이상의 미세홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   

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