KR20120129568A - 적층형 에너지 저장 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시트 상의 양극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 양극과, 시트 상의 음극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 음극이, 분리막으로 절연되어 교대로 적층된 구조의 적층형 에너지 저장 장치이고, 상기 양극, 음극 및 분리막은 각각 적층 인식 마크를 포함하는 적층형 에너지 저장 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 적층형 에너지 저장장치의 제조방법에 따르면, 다수의 활물질층을 동시에 형성시킨 양극과 음극을 분리막을 이용하여 절연시키고, 상기 양극, 음극 및 분리막이 대응하는 동일한 위치에 각각 적층 인식 마크를 형성하고, 이를 펀칭 및 적층시킴으로써 일정한 형태의 펀칭/적층 공정을 적용함으로써 대량의 적층형 에너지 저장 장치의 생산 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 적층형 에너지 저장장치의 제조방법에 따르면, 다수의 활물질층을 동시에 형성시킨 양극과 음극을 분리막을 이용하여 절연시키고, 상기 양극, 음극 및 분리막이 대응하는 동일한 위치에 각각 적층 인식 마크를 형성하고, 이를 펀칭 및 적층시킴으로써 일정한 형태의 펀칭/적층 공정을 적용함으로써 대량의 적층형 에너지 저장 장치의 생산 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 적층형 에너지 저장 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
정보통신 기기와 같은 각종 전자제품에서 안정적인 에너지의 공급은 중요한 요소가 되고 있다. 일반적으로 이러한 기능은 커패시터(Capacitor)에 의해 수행된다. 즉, 커패시터는 정보통신 기기 및 각종 전자제품의 회로에서 전기를 모았다가 내보내는 기능을 담당하여 회로 내의 전기 흐름을 안정화시키는 역할을 한다. 일반적인 커패시터는 충방전 시간이 매우 짧고 수명이 길며, 출력 밀도가 높지만 에너지 밀도가 작아 저장 장치로의 사용에 제한이 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여 최근에는 충방전 시간이 짧으면서 출력 밀도가 높은 전기 이중층 커패시터와 같은 새로운 범주의 커패시터가 개발되고 있으며, 이차 전지와 함께 차세대 에너지 장치로 각광받고 있다.
최근, 전기 이중층 커패시터와 유사한 원리로 작동되는 다양한 전기 화학 커패시터가 개발되고 있으며, 리튬 이온 2차 전지와 전기 이중층 커패시터의 축전 원리를 조합한 하이브리드 커패시터라 불리는 에너지 저장 장치가 주목 받고 있다. 이러한 하이브리드 커패시터로써, 이차 전지의 높은 에너지 밀도와 전기 이중층 커패시터의 높은 출력 특성을 갖는 리튬 이온 커패시터를 대표적으로 예를 들 수 있다.
리튬 이온 커패시터는 리튬 이온을 흡장 및 이탈할 수 있는 음극을 리튬 금속과 접촉시켜 미리 화학적 방법 또는 전기 화학적 방법으로 리튬 이온을 음극에 흡장(또는 도핑이라고 함)하고, 음극 전위를 낮추어 내전압을 크게 하고, 에너지 밀도를 대폭적으로 크게 한 것이다.
이러한 제품의 경우, 제품의 패키지(Package) 형상에 따라 저항 및 발열 특성 제어에 큰 차이를 나타낸다. 최근 자동차용 커패시터의 시장이 성장함에 따라서 모듈화의 용이성까지 고려했을 때에 각형(Prismatic) 제품의 필요성이 크게 대두되고 있다.
한편, 이러한 커패시터를 자동차와 같은 용도에 사용하기 위해서는 대용량의 모듈화가 필요하며, 이는 다수의 단위 커패시터를 적층시켜 적층 구조물로 제조하여 사용해야 한다.
다음 도 1은 적층 구조를 이용한 리튬 이온 커패시터 소자의 구성도를 나타낸 것으로, 양극집전체(11)의 일면 또는 양면에 활물질층(12)을 포함하는 양극(10); 음극집전체(21)의 일면 또는 양면에 활물질층(22)을 포함하는 음극(20); 및 분리막(30)이 각각 교대로 적층되어 형성되어 있다. 또한, 상기 양극(10)과 음극(20)에는 그 집전체와 동일한 재료로부터 형성된 단자 인출부(전극 탭, 13, 23)이 각각 형성되어 외부로 연결되어 있다.
일반적으로 적층 구조물을 제작하는 데에 있어서 문제(Neck)가 되는 공정은 분리막, 전극층과 같은 소자를 적층하거나, 적층된 구조물을 픽업(Pick-up)하는 과정에서 발생된다. 이를 개선하기 위하여서 픽업 속도를 빠르게 하는 개발이 진행되어 왔으나, 이 경우 적층 제품의 얼라인(Align)이 틀어지는 부작용이 동반된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 대량으로 적층형 에너지 저장 장치를 양산함에 있어 적층 공정 및 이송 공정에서의 얼라인 불량이 발생되지 않는 양산성이 부여된 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 적층형 에너지 저장 장치를 제공하는 데도 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 적층형 에너지 저장 장치는 시트 상의 양극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 양극과, 시트 상의 음극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 음극이, 분리막으로 절연되어 교대로 적층된 구조의 적층형 에너지 저장 장치이고, 상기 양극, 음극 및 분리막은 각각 적층 인식 마크를 포함하는 것일 수 있다.
상기 양극과 음극에 포함된 적층 인식 마크는 각각 그 활물질층의 일부에 형성되는 것일 수 있다.
상기 적층 인식 마크는 적층되는 상기 각 양극, 음극 및 분리막이 대응되는 동일한 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법은 양극 집전체 상에 일정 간격 이격시켜 복수 개의 활물질층을 도포시켜 양극을 제조하는 단계, 음극 집전체 상에 일정 간격 이격시켜 복수 개의 활물질층을 도포시켜 음극을 제조하는 단계, 상기 양극과 음극에 대응하는 복수 개의 분리막을 제조하는 단계, 상기 양극, 음극 및, 분리막에 적층 인식 마크를 형성시키는 단계, 및 상기 양극과 음극을 분리막으로 절연시켜 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양극과 음극의 적층 인식 마크는 양극과 음극의 각 활물질층의 일부에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분리막의 적층 인식 마크는 상기 양극과 음극이 적층되어 대응되는 동일한 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 양극, 음극 및 분리막의 적층은 각각에 형성된 적층 인식 마크를 기준으로 적층시키는 것이 바람직하다.
추가적으로 상기 양극과 음극은 각 전극에 포함된 2개의 전극 탭을 서로 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 탭의 연결은 각 전극의 집전체와 동일한 재료로 연결시키는 것이 바람직하다.
상기 전극 탭의 연결은 스템플링 방식으로 연결시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 적층형 에너지 저장장치의 제조방법에 따르면, 다수의 활물질층을 동시에 형성시킨 양극과 음극을 분리막을 이용하여 절연시키고, 상기 양극, 음극 및 분리막이 대응하는 동일한 위치에 각각 적층 인식 마크를 형성하고, 이를 펀칭 및 적층시킴으로써 일정한 형태의 펀칭/적층 공정의 과정을 적용함으로써 대량의 적층형 에너지 저장 장치의 생산 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 에너지 저장장치의 적층 및 이송 공정에서 에너지 저장 장치를 구성하는 각 층의 얼라인 불량으로 인한 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 적층 구조를 적용한 LIC 소자 구성도(측면도)이고,
도 2~3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 2~3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 제조 과정을 나타낸 것이다.
첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 적층형 에너지 저장 장치의 제조시, 각 적층 구조물을 구성하는 양극, 음극 및 분리막에 적층 인식 마크를 포함시켜 얼라인이 변형되는 문제를 해결할 수 있는 적층형 에너지 저장 장치와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 에너지 저장 장치는 시트 상의 양극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 양극과, 시트 상의 음극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 음극이, 분리막으로 절연되어 교대로 적층된 구조의 적층형 에너지 저장 장치이고, 상기 양극, 음극 및 분리막은 각각 적층 인식 마크를 포함하는 구조를 가진다.
이러한 본 발명에 따른 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법은 양극과 음극 집전체 상에 일정 간격 이격시켜 각 활물질을 도포시키는 단계, 상기 활물질이 도포된 각 전극집전체를 펀칭시켜 양극과 음극 전극을 성형하는 단계, 양극, 음극 및 분리막에 적층 인식 마크를 형성시키는 단계, 및 상기 양극과 음극을 분리막으로 절연시켜 적층시키는 단계를 거쳐 제조된다.
다음 도 2~3에 본 발명에 따른 적층형 에너지 저장 장치의 제조과정을 나타내고 있으며, 이를 참조하여 설명한다.
먼저, 긴 시트 형태의 전극 집전체(111, 121) 위에 각 전극 물질을 일정한 두께와 패턴으로 일정 간격(A) 이격시켜 각 활물질(112, 122)을 부분 코팅시킨다. 상기 전극 집전체(111, 121)에서 일정 간격 이격되어 활물질이 코팅되지 않은 부분(A)은 패키지의 금속 단자와 직접 접합할 단자 인출부(전극 탭)가 형성된다. 따라서, 활물질 미코팅부는 각 전극 탭이 형성될 수 있는 크기면 충분하다.
이때 사용되는 전극 집전체로서, 양극의 경우 종래 전기이중층 캐패시터나 리튬 이온 전지로 사용되고 있는 재질의 물건을 이용할 수 있고, 예를 들어, 알루미늄, 스텐레스, 티타늄, 탄탈, 및 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이며, 이중에서 알루미늄이 바람직하다. 상기 집전체의 두께로는 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 상기 집전체로서는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 것도 무방하다.
또한, 상기 음극 활물질이 도포되는 음극 집전체는 도전성을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 스테인레스스틸, 구리, 니켈, 및 이들의 합금 등을 이용할 수 있다. 또한, 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 상기 집전체로서는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 것도 무방하다.
그 다음 단계는, 다음 도 3에서와 같이 도포된 각 활물질을 일정한 패턴으로 펀칭 머신을 이용하여 펀칭시켜 각 양극과 음극 전극을 성형한다.
다음 도 3에서와 같이, 일정한 패턴을 가지는 펀칭 머신을 이용하여 양극(110)과 음극(210) 전극으로 사용될 수 있도록 동일한 크기와 형태로 상기 제1단계에서 활물질부(112, 122)가 각각 코팅된 양극과 음극 각 집전체(111, 121)를 펀칭시킨다. 활물질이 코팅되지 않은 영역은 양극과 음극의 각 전극의 단자 인출부 형성을 위하여 상기 단자 인출부(113, 123)의 크기만큼만 남겨두고 펀칭시킬 수 있다.
또한, 각 양극과 음극에서 각 활물질층(112, 122)는 최소한의 활물질 미코팅부(B)로 서로 연결되는 것이, 차후 적층 및 이송 공정에서 바람직하다.
물론 양극과 음극을 절연하기 위한 분리막도 상기 양극과 음극과 대응되는 동일한 패턴으로 펀칭시킨다. 전극층 간의 이온 교환을 위한 분리막의 경우 전극층보다 약 10% 정도 더 크게 한 패턴으로 펀칭시키는 것이 바람직하다.
또한, 다음 도 3의 패턴을 수평 방향으로 좌/우 이동하면서 AB-AB 패턴으로 적층하면 적층형 소자의 대량생산이 가능하게 된다.
이 때의 적층 소자의 얼라인을 맞추기 위해 상기 양극(110), 음극(120) 및 분리막(130)에 적층 인식 마크(140, 240, 340)를 형성시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 양극과 음극에 포함된 적층 인식 마크(140, 240)는 각각 그 활물질층의 일부에 형성되는 것일 수 있다. 즉, 펀칭 머신의 패턴에 상기 적층 인식 마크(140, 240)를 포함하도록 그 구조를 제조하고, 이를 양극(110)과 음극(120)에 적용시킨다. 상기 양극과 음극에 포함된 적층 인식 마크(140, 240)는 각 전극의 단자 인출부가 위치하는 방향에 대하여 수직인 영역의 활물질층 일부에 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 적층 인식 마크(140, 240)가 특정 부위에만 한정되지 않고, 적층 소자의 효과적인 얼라인을 할 수 있는 곳이라면 특별히 한정되지 않는다.
분리막에 있어서는, 다음 도 3에서와 같이 양극과 음극이 적층되는 양 말단에도 적층 인식 마크(340)를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 그 형태나 크기 모양에 있어서도 효과적인 얼라인을 할 수 있는 정도가 가장 바람직하며, 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상기 양극과 음극이 분리막으로 절연된 후, 차후 에너지 저장 장치의 케이스에 수납되는 경우 지장을 주지 않는 범위 내에서 그 형성 위치 및 크기가 조절되는 것이 바람직함은 물론이다.
다음 도 3의 음극을 기준으로, 좌측 전극층(B')과 우측 전극층(B")의 인식 마크 패턴의 위치를 변경하여서 쇼트를 방지하면서 얼라인을 맞출 수 있다. 이는 양극 및 분리막에 있어서도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 상기 양극과 음극을 분리막으로 절연시켜 적층시키는 단계에서도 양극, 음극 및 분리막이 적층될 때, 각 대응되는 동일한 부위에 적층 인식 마크가 형성되어 있으므로 이들을 효과적으로 적층시킬 수 있다. 설계에 따라서 본 패턴은 수장에서 수십 장까지의 적층형 소자를 제작할 수 있다.
또한, 상기 적층된 에너지 저장 장치를 이송하는 경우에도 상기 각 적층 인식 마크를 기준으로 얼라인을 맞출 수 있게 되므로 종래에서와 같이 얼라인 불량으로 인한 문제를 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명의 경우 시트 형태의 양극과 음극 집전체 상에 활물질을 도포시킨 다음, 일정한 패턴을 가지는 다수 개의 활물질을 동시에 제조할 수 있고, 상기 양극과 음극 및 이를 절연시키는 분리막에는 적층 인식 마크가 형성되어 있기 때문에, 동시에 대량의 에너지 저장 장치의 제조가 가능하다.
또한, 상기와 같이 완성된 적층 단위 전지는 픽업 등에 의해서 이송되어야 하는데, 이를 이해서는 단위 전지 묶음의 절단시 안정적으로 적층 얼라인의 유지가 필요하다.
이를 위해 본 발명에서는, 추가적으로 적층 전지를 절단시키기 전에 상기 양극과 음극은 각 전극에 포함된 2개의 단자 인출부를 서로 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 탭의 연결은 각 전극의 집전체와 동일한 재료로 연결시키거나, 또는 스템플링 방식으로 연결시킬 수 있으나, 그 방법에 특별히 한정되는 것은 아니다.
다음에서, 본 발명에 따른 적층형 에너지 저장 장치를 이하의 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.
실시예
1
긴 시트 형태의 알루미늄 양극 집전체 상에 비표면적 2000㎡/g의 활성탄을 60㎛ 두께로 일정 간격 이격시켜 코팅시켰다.
긴 시트 형태의 구리 음극 집전체 상에 비표면적 10㎡/g의 Soft/Hard Carbon 25㎛ 두께로 일정 간격 이격시켜 코팅시켰다.
상기 양극, 음극, 및 분리막(폴리에틸렌막)을 별도로 고안한 펀칭기(Punching machine)을 이용하여서 다음 도 3과 같은 패턴으로 성형하였다. 상기 펀칭기는 양극, 음극 및 분리막의 각 대응되는 위치에서 적층 인식 마크를 포함하는 구조를 가진다.
적층 인식 마크를 포함하는 상기 펀칭된 양극과 음극을, 펀칭기로 펀칭된 구조이고 적층 인식 마크를 포함하며, 상기 양극과 음극보다는 10% 정도 큰 크기를 가지는 분리막으로 절연시켜 다수 장 적층시켰다.
또한, 상기 적층 구조물을 절단 및 이송시키기 전에 상기 양극과 음극의 단자인출부를 각 양극과 음극집전체와 동일한 재료를 이용하여 초음파 용접으로 연결하였다.
상기 적층 구조물을 절단시키고, 1.0M LiPF6 전해액에 함침시켜 최종 에너지 저장 장치를 제조하였다.
상기 적층 구조물의 절단 및 이송이 수월하게 됨으로 양산성이 향상되는 것을 확인하였다.
11, 21 : 양극, 음극 집전체
12, 112 : 양극활물질층
22, 122 : 음극활물질층
10, 110 : 양극
20, 120 : 음극
30, 130 : 분리막
140, 240, 340 : 적층 인식 마크
12, 112 : 양극활물질층
22, 122 : 음극활물질층
10, 110 : 양극
20, 120 : 음극
30, 130 : 분리막
140, 240, 340 : 적층 인식 마크
Claims (10)
- 시트 상의 양극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 양극과,
시트 상의 음극 집전체 상에 다수의 활물질층을 포함하는 음극이,
분리막으로 절연되어 교대로 적층된 구조의 적층형 에너지 저장 장치이고,
상기 양극, 음극 및 분리막은 각각 적층 인식 마크를 포함하는 적층형 에너지 저장 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각 그 활물질층의 일부에 각각 적층 인식 마크를 포함하는 적층형 에너지 저장 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 적층 인식 마크는 적층되는 상기 각 양극, 음극 및 분리막이 대응되는 동일한 위치에 형성되는 것인 적층형 에너지 저장 장치.
- 양극과 음극 집전체 상에 일정 간격 이격시켜 각 활물질을 도포시키는 단계,
상기 도포된 각 활물질을 펀칭시켜 양극과 음극 전극을 성형하는 단계,
양극, 음극 및 분리막에 적층 인식 마크를 형성시키는 단계, 및
상기 양극과 음극을 분리막으로 절연시켜 적층시키는 단계를 포함하는 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 양극과 음극의 적층 인식 마크는 양극과 음극의 각 활물질층의 일부에 형성되는 것인 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 분리막의 적층 인식 마크는 상기 양극과 음극이 적층되어 대응되는 동일한 위치에 형성되는 것인 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 양극, 음극 및 분리막의 적층은 각각에 형성된 적층 인식 마크를 기준으로 적층시키는 것인 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,
추가적으로 상기 양극과 음극은 각 전극에 포함된 2개의 전극 탭을 서로 연결시키는 단계를 포함하는 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 전극 탭의 연결은 각 전극의 집전체와 동일한 재료로 연결시키는 것인 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 전극 탭의 연결은 스템플링 방식으로 연결시키는 것인 적층형 에너지 저장 장치의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110047907A KR20120129568A (ko) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | 적층형 에너지 저장 장치 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20120129568A true KR20120129568A (ko) | 2012-11-28 |
Family
ID=47514051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110047907A KR20120129568A (ko) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | 적층형 에너지 저장 장치 및 이의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120129568A (ko) |
-
2011
- 2011-05-20 KR KR1020110047907A patent/KR20120129568A/ko not_active Application Discontinuation
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