KR20130100678A - 이차 전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 일 실시예에서 상기 이차 전지는 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 케이스를 포함한다. 상기 전극조립체는 제1 집전체 상에 형성된 제1 활물질층을 구비하는 제1 전극판과, 제2 집전체 상에 형성된 제2 활물질층을 구비하는 제2 전극판 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스;를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 집전체의 적어로 일부분에는 복수개의 포어가 형성될 수 있다.

Description

이차 전지 및 그의 제조방법{Secondary battery and manufacturing method using the same}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수명 및 생산성이 향상될 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
최근 들어, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전원으로 사용되는 이차 전지는 소형이면서 대용량이다. 이러한 이차 전지는 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 활물질을 도포한 후, 그 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 전극조립체를 이차 전지 케이스 내부에 수납하고, 전해액을 주입하여 밀폐시킨다.
이러한 이차 전지는 전극조립체를 수납하는 케이스의 외관에 따라 원통형 캔을 사용하는 원통형 전지, 각형의 캔을 사용하는 각형 전지 및 박판의 파우치 케이스를 사용하는 파우치형 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 전극조립체는 양극 집전체, 세퍼레이터 및 음극 집전체를 적층한 뒤 권취한 권취형과, 복수개의 양극 집전체, 세퍼레이터 및 음극 집전체를 적층한 스택형이 있다.
본 발명은 전극조립체가 단시간 내에 전해액에 함침될 수 있는 이차 전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극조립체의 중앙부가 용이하게 전해액에 함침됨에 의해 리튬 덴드라이팅(Lithium dendriting)을 방지할 수 있는 이차 전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 제1 집전체 상에 형성된 제1 활물질층을 구비하는 제1 전극판과, 제2 집전체 상에 형성된 제2 활물질층을 구비하는 제2 전극판 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스;를 포함하되, 상기 제1 집전체 및 제2 집전체에는 적어도 하나의 포어가 형성된다.
상기 전극조립체는 권취형으로, 상기 제1 전극판과 제2 전극판 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 형상을 띨 수 있다.
여기서, 상기 포어는 상기 전극조립체의 길이 방향의 중앙부에 대응하는 영역에 형성될 수 있다.
또한, 상기 포어는 겹쳐진 상기 제1 전극판과 제2 전극판의 중앙부마다 형성될 수 있다.
그리고, 상기 포어의 직경은 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 전극조립체 중 내측에 위치된 상기 제1 집전체 또는 제2 집전체에는 양면에 각각 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극조립체 중 최외곽에 위치된 상기 제1 집전체 또는 제2 집전체에는 내면에만 각각 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 제조방법은 제1 집전체 및 제2 집전체에 권취되는 방향을 따라 일정 간격을 두고 적어도 하나의 포어를 형성하는 단계; 상기 포어가 형성된 상기 제1 집전체 및 제2 집전체에 각각 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 형성하는 단계; 상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 형성된 상기 제1 전극판 및 제2 전극판의 사이에 세퍼레이터를 개재한 뒤 권취하여 전극조립체를 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 포어는 상기 전극조립체의 길이 방향의 중앙부에 형성된다.
또한, 상기 포어는 레이저에 의해 형성될 수 있다.
이때, 상기 포어는 레이저 갈바노미터(Laser Galvanometer)를 이용하여 형성할 수 있다.
여기서, 상기 포어 주변부에는 버(burr)가 형성되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차 전지는 제1 집전체 및 상기 제1 집전체의 적어도 어느 일면 상에 형성된 제1 활물질층을 포함하는 제1 전극판, 제2 집전체 및 상기 제2 집전체의 적어도 어느 일면 상에 형성된 제2 활물질층을 포함하는 제2 전극판, 상기 제1 및 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 집전체의 적어도 일부분에는 복수개의 포어 (pore)가 형성될 수 있다.
상기 이차 전지에서, 상기 전극조립체는 높이를 갖고, 상기 포어는 상기 높이의 중앙부에 인접한 영역에 형성될 수 있다. 또한, 상기 포어는 상기 중앙부에 인접한 영역에만 형성될 수 있다. 상기 포어는 상기 전해액을 상기 전극조립체의 최외면에서 상기 전극조립체의 내부면으로 주입 (infuse)시키도록 구비될 수 있다. 여기에서, 각각의 포어는 100㎛ 이하의 폭으로 구비되고, 상기 포어의 폭은 상기 포어의 주변부 (periphery)의 서로 대향하는 두개의 지점 사이의 거리 중 가장 큰 거리를 나타낼 수 있다. 바람직하기로는, 상기 포어의 폭은 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극판과 세퍼레이터는 각각의 제1 및 제2 전극판이 반복되는 부분을 포함하도록 권취되고, 상기 포어는 상기 제1 및 제2 전극판의 반복되는 부분에 형성되며, 권취된 제1 및 제2 전극판은 얼라인된 포어를 갖을 수 있다.
상기 이차 전지에서, 적어도 하나 이상의 포어는 규칙적인 기하학적 형상 (regular geometric shape)을 갖을 수 있다. 바람직하기로는, 상기 규칙적인 기하학적 형상은 원형 또는 다각형의 형상을 포함할 수 있다. 상기 포어는 상기 제1 및 제2 전극판의 제1 및 제2 집전체에 형성되고, 상기 제1 및 제2 집전체에서 포어가 형성되는 부분은 상기 제1 및 제2 집전체의 면적의 50% 이하일 수 있다. 상기 제1 집전체는 복수개의 제1 서브집전체를 포함하되, 상기 제1 서브집전체는 서로 중첩 (overlap)되고, 상기 제2 집전체는 복수개의 제2 서브집전체를 포함하되, 상기 제2 서브집전체는 서로 중첩되며, 상기 제1 서브집전체는 상기 제2 서브집전체와 교대로 구비되며, 상기 포어는 상기 제1 및 제2 서브집전체에 형성될 수 있다.
또한, 각각의 제1 및 제2 서브집전체에 형성된 적어도 일부의 포어는 교대로 구비된 제1 및 제2 서브집전체에서 얼라인되어 (aligned) 선형통로 (linear passage)를 형성할 수 있다. 상기 선형통로는 상기 전해액을 상기 전극조립체의 최외면에서 상기 전극조립체의 내부면으로 주입 (infuse)시키도록 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차 전지용 전극조립체의 제조방법은 제1 및 제2 집전체를 제공하는 단계; 상기 제1 및 제2 집전체의 적어도 일부분에 복수개의 포어 (pore)를 형성하는 단계; 상기 제1 집전체의 적어도 어느 일면 상에 제1 활물질층을 구비시켜 제1 전극판을 형성하는 단계; 상기 제2 집전체의 적어도 어느 일면 상에 제2 활물질층을 구비시켜 제2 전극판을 형성하는 단계; 전극조립체를 형성하기 위하여 상기 제1 및 제2 전극판과, 상기 제1 및 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하거나 적층하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지용 전극조립체의 제조방법에서, 상기 제1 및 제2 전극판과 세퍼레이터는 제1 및 제2 전극판이 각각 반복되는 부분을 포함하도록 권취되고, 상기 포어는 상기 제1 및 제2 전극판의 반복되는 부분에 형성되며, 권취된 제1 및 제2 전극판은 얼라인된 포어를 갖을 수 있다. 상기 얼라인된 포어를 통하여 전극조립체의 중앙부로 전해액을 주입시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 포어의 폭은 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성되고, 상기 포어의 폭은 상기 포어의 주변부 (periphery)의 서로 대향하는 두개의 지점 사이의 거리 중 가장 큰 거리를 나타낼 수 있다.
상기 포어는 레이저에 의하여 형성될 수 있다. 여기에서, 각각의 포어의 주변부는 매끄럽거나 (smooth) 또는 평탄한 (even) 면으로 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 포어의 적어도 하나는 상기 포어의 주변부에 버 (burr)가 생성되지 않도록 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면 전극조립체가 단시간 내에 전해액에 함침됨으로써, 이차 전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 전극조립체의 중앙부가 용이하게 전해액에 함침됨에 의해 리튬 덴드라이팅이 방지됨으로써, 셀 수명 감소, 셀 용량 감소 및 셀 미세 쇼트를 방지할 수 있으며, 대면적의 전극조립체의 경우 더 큰 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체가 권취된 상태를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체가 권취되기 전 상태를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체에 전해액이 침투되는 경로를 나타내는 사시도.
도 5a는 도 2의 A-A'에 따른 단면도.
도 5b는 전극조립체에 전해액이 주입된 후의 도 2의 A-A'에 따른 단면도.
도 6a 내지 도 6f는 실시예들에 따른 포어의 다양한 정렬상태를 도시한 도면.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 최외면에서만 포어가 구비되는 것을 도시한 도 2의 A-A'에 따른 단면도.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 최내부면에만 포어가 구비되는 것을 도시한 도 2의 A-A'에 따른 단면도.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체가 권취된 상태를 나타내는 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체가 권취되기 전 상태를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지는 전극조립체(10)와, 전극조립체(10) 및 전해액(미도시)를 수용하는 케이스(20)를 포함한다. 이때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전극조립체(10)는 제1 집전체(11a) 상에 형성된 제1 활물질층(11b)을 구비하는 제1 전극판(11)과, 제2 집전체(13a) 상에 형성된 제2 활물질층(13b)을 구비하는 제2 전극판(13) 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터(12)를 포함한다. 이때, 전극조립체(10)는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13) 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터(12)가 순차적으로 적층된 뒤 권취된 권취형으로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)에는 적어도 하나의 포어(14)가 형성된다.
상기 포어(14)는 상기 전해액을 상기 전극조립체(10)의 최외면에서 상기 전극조립체(10)의 내부면으로 주입 (infuse)시키도록 구비될 수 있다. 상기 전극조립체(10)는 높이를 갖고, 상기 포어(14)는 상기 높이의 중앙부에 인접한 영역에 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 포어(14)는 상기 중앙부에 인접한 영역에만 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 전극조립체(10)의 높이는 상기 제1 및 제2 전극탭(16, 17)일 돌출되는 방향으로, 상부측에서 하부측으로 연결되는 높이를 의미할 수 있다.
도 2, 도 4, 도 5a 및 도 5b 참조)에는 권취형 전극조립체에 대해서만 도시되어 있으나, 본 발명은 적층형 전극조립체 등과 같은 다른 형태의 전극조립체에도 적용될 수 있다. 따라서, 여기에서 기재된 서브집전체는 1) 권취형 전극조립체의 동일한 극성의 집전체의 복수개의 접힌 부분들 (folded portions), 또는 2) 적층형 전극조립체의 복수개의 별도의 서브집전체를 의미할 수 있다.
예컨대, 상기 제1 집전체(11a)는 복수개의 제1 서브집전체를 포함하되, 상기 제1 서브집전체는 서로 중첩 (overlap)되고, 상기 제2 집전체(13a)는 복수개의 제2 서브집전체를 포함하되, 상기 제2 서브집전체는 서로 중첩되며, 상기 제1 서브집전체는 상기 제2 서브집전체와 교대로 구비되며, 상기 포어(14, 15)는 상기 제1 및 제2 서브집전체에 형성될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 서브집전체에 형성된 적어도 일부의 포어(14, 15)는 교대로 구비된 제1 및 제2 서브집전체에서 얼라인되어 (aligned) 선형통로 (linear passage)를 형성할 수 있다. 상기 선형통로는 상기 전해액을 상기 전극조립체(10)의 최외면에서 상기 전극조립체(10)의 내부면으로 주입 (infuse)시키도록 구비될 수 있다.
이러한 포어(14)는 전극조립체(10)의 길이 방향의 중앙부에 형성될 수 있다. 그리고, 포어(14)는 권취되어 중첩된 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13)의 중앙부마다 형성될 수 있다. 또한, 포어(14)는 레이저 갈바노미터(Laser Galvanometer)를 이용하여 형성할 수 있으며, 이에 의해 포어(14) 주변부에는 버(burr)가 형성되지 않을 수 있다.
이차 전지는 충방전이 가능한 전지이다. 상기 충방전이 가능한 전지는 리튬 이온 이차 전지일 수 있다. 이하에서 설명하는 제1 전극판(11)은 양극을 띠며, 제2 전극판(13)은 음극을 띨 수 있다. 또한, 제1 활물질층(11b)은 양극 활물질층일 수 있으며, 제2 활물질층(13b)은 음극 활물질층일 수 있다.
이차 전지의 충ㆍ방전 동작을 살펴보면, 충전기로부터 이차 전지의 제2 전극판(13)에 전자가 제공되는 충전 시에는 제1 활물질층(11b)으로부터 리튬 이온이 제2 활물질층(13b)으로 이동한다. 즉, 리튬 화합물로부터 발생된 리튬 이온이 전해액 및 세퍼레이터(12)를 통과하여 제2 활물질층(13b)에 인터칼레이션(intercalation)되어 충전이 진행된다. 이때, 충전 전압을 제어하지 않고, 계속 충전하면 전압도 계속 상승하는 특성이 있다. 따라서, 충전기 및 전지 자체에 각종 안전소자 및 제어회로 등을 부착하여 이러한 과충전을 예방하고 있다.
또한, 제2 전극판(13)을 통하여 전자가 방출되는 방전 시에는 제2 활물질층(13b)에 인터칼레이션된 리튬 이온이 제1 활물질층(11b)으로 이동한다. 즉, 제2 활물질층(13b)으로부터 리튬 이온이 전해액 및 세퍼레이터(12)를 통과하여 리튬 화합물로 디인터칼레이션(deintercalation)되면서 방전이 진행된다.
이와 같이, 충ㆍ방전 시에는 제1 활물질층(11b)과 제2 활물질층(13b)으로 리튬 이온이 전해액을 통해 이동하게 된다. 이때, 권취형 전극조립체(10)의 경우, 전극조립체(10)의 상ㆍ하단부으로만 전해액이 침투할 수 있기 때문에, 길이 방향의 중앙부에는 전해액이 침투하기 어렵다. 이에 의해 에이징(Aging) 시간이 길에 소요될 수 있다. 이자 전지가 충방전 하는 과정에서, 제1 집전체 (11a), 예컨대 양극집전체에서 리튬은 전자를 방출하고 리튬 양이온 (Li+)가 되어 상기 전해액 중으로 용해될 수 있다. 재충전 싸이클 동안에서 이와 같은 과정은 가역적으로 수행될 수 있다. 반면, 상기 전극판 표면으로 리튬이 불규칙으로 구비되는 것이 반복됨으로써, 상기 이차 전지가 충전 및 방전하는 동안 상기 전극판의 표면에는 덴드라이트가 성장하게 된다. 전해액에 덜 함침된 전극조립체(10)의 중앙부는 리튬 덴드라이팅이 발생된다. 이는 전지의 용량 감소, 셀 미세 쇼트, 또는 폭발 가능성 등의 문제로 이어질 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에서는 전극조립체(10)의 길이 방향의 중앙부에 대응하는 위치의 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)에 포어(14)를 형성한다. 또한, 다른 실시예에서는 포어는 다양한 형태로 정렬되어 구비될 수 있다. 이러한 포어(14)를 통하여 전해액이 전극조립체(10)의 중앙부로 용이하게 침투될 수 있으며, 이에 의해 전극조립체(10)가 단시간에 전해액에 함침될 수 있다.
그리고, 케이스(20)는 파우치로 형성될 수 있으며, 전극조립체(10) 및 전해질을 수납한다. 이러한 케이스(20)는 수용부와 커버부로 형성되며, 수용부와 커버부가 겹쳐지는 둘레를 따라 밀봉부가 형성될 수 있다. 전극조립체(10)의 상단으로 인출된 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)은 케이스(20) 외측으로 노출된다. 이때, 케이스(20)의 밀봉부와 맞닿는 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)에는 케이스(20)와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연 상태를 확보하기 위하여 절연테이프(18, 19)가 부착된다 (도 1 참조).
또한, 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 전극조립체(10)로부터 인출되는 부분에는 라미네이션 테이프(16a, 17a)가 감겨져 있다. 라미네이션 테이프(16a, 17a)는 제1 전극탭(16) 또는 제2 전극탭(17)에서 발생하는 열을 차단한다. 그리고, 제1 전극탭(16) 또는 제2 전극탭(17)의 가장자리에 의해 전극조립체(10)가 압박받지 않도록 하는 역할을 수행한다.
더욱이, 전극조립체(10) 중 내측에 위치된 제1 집전체(11a) 또는 제2 집전체(13a)에는 양면에 각각 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(13b)이 형성될 수 있다. 그리고, 전극조립체(10) 중 최외곽에 위치된 제1 집전체(11a) 또는 제2 집전체(13a)에는 내면에만 각각 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(13b)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 파우치형 케이스를 도시하였지만, 각형 또는 원형의 캔으로 형성된 케이스에도 적용할 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체(10, 도 2 참조)는 권취되기 전에 제1 전극판(11), 제2 전극판(13) 및 세퍼레이터(12)가 일 방향으로 긴 판 형태를 띤다. 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(13)의 일 영역에는 각각 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13)은 권취되는 방향을 따라 일정 간격을 두고 포어(14, 15)가 형성된다.
이때, 포어(14, 15)는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13)의 기재, 즉 제1 집전체(11a)와 제2 집전체(13a)에만 형성된다. 그리고, 포어(14, 15)가 형성된 제1 집전체(11a)와 제2 집전체(13a) 상에는 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 부착되는 영역을 제외하고, 각각 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(13b)이 형성된다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 권취된 형상의 전극조립체(10)에서 최외곽에 위치된 제1 집전체(11a) 또는 제2 집전체(13a)에는 내면에만 제1 활물질층(11b) 또는 제2 활물질층(13b)이 형성될 수 있다.
여기서, 포어(14, 15)는 전극조립체(10)가 권취된 상태에서 길이 방향의 중앙부에 대응하는 영역에 형성될 수 있으며, 겹쳐진 제1 집전체(11a)와 제2 집전체(13a)의 중앙부마다 형성될 수 있다. 이에 의해 전해액이 전극조립체(10)의 중앙부로 원활하게 침투될 수 있다.
이하에서는 제1 전극판(11), 제2 전극판(13) 및 세퍼레이터(12)에 대하여 상세하게 설명한다. 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13)은 이차전지의 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 통상적으로 금속 기재에 슬러리를 도포 및 충전하고, 이를 건조한 뒤, 롤 프레스 및 절단하여 형성한다. 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(13)은 각각 알루미늄 금속박과 구리 금속박에 슬러리를 코팅 건조하여 제작한다. 이때, 슬러리는 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(13) 각각의 활물질과, 활물질을 금속박에 점착하도록 하는 고정제를 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극판(11)은 양극판일 수 있으며, 제2 전극판(13)은 음극판일 수 있다. 리튬 이차전지의 경우, 양극 활물질로는 주로 리튬 함유 산화물이 이용되고, 음극 활물질로는 하드카본, 소프트카본, 흑연 및 탄소물질 중 어느 하나를 주로 이용할 수 있으나, 본 발명은 리튬 이차전지에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극판(11)은 시트 형상의 제1 집전체(11a)와, 제1 집전체(11a)에 도포되는 양극 슬러리를 구비한다. 그리고, 제2 전극판(13)은 시트 형상의 제2 집전체(13a)와, 제2 집전체(13a)에 도포되는 음극 슬러리를 구비한다. 또한, 세퍼레이터(12)는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13) 사이에 위치하며 이들 간의 전기적 단락을 방지하고 리튬이온의 이동을 허용하도록 구비된다.
양극 슬러리는 용매를 통하여 양극 활물질, 도전제 및 양극바인더가 혼합된 것이다. 그리고, 양극 활물질은 리튬 이차 전지의 양극 화학 반응에 참여하여 전자를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi-xCoxO2(0<x<1) 및 LiMnO2 등의 리튬 복합금속 산화물((여기서, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속))이 사용되나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 음극 슬러리는 음극 활물질 및 음극 바인더를 포함한다. 여기서, 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 중 어느 하나를 주로 이용할 수 있으나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다.
그리고, 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)는 스테인레스 강, 니켈, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 효율 극대화를 위해 제1 집전체(11a)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고, 제2 집전체(13a)는 구리 또는 구리 합금으로 형성될 수 있다.
세퍼레이터(12)는 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(13) 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 세퍼레이터(12)는 충방전 중 양극 및 음극의 전기적 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 한다. 이러한 세퍼레이터(12)는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(13)의 둘레 부분이 쇼트되는 현상을 방지하기 위하여 그 폭 및 길이가 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(13)보다 약간 크게 형성될 수 있다.
세퍼레이터(12)는 리튬 이온의 이동이 가능하도록 미세 다공성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터(12)는 다수의 미세 통공을 갖는 폴리에틸렌(PE:Polyethylene), 폴리프로필렌(PP:Polypropylene), 폴리오레핀계수지(Polyolefin resin) 또는 그 등가물로 형성 가능하지만, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
도 4는 본 발명에 따른 전극조립체에 전해액이 침투되는 경로를 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 전극조립체(10)의 길이 방향의 중앙부에 포어(14)를 형성함으로써, 전해액이 전극조립체(10)의 길이 방향의 상ㆍ하부 및 중앙부로 침투가 가능하다. 이에 의해 전극조립체(10)는 단시간 내에 중앙부까지 전해액에 충분히 함침될 수 있음으로써, 전지의 용량 감소를 방지할 수 있으며, 생산성이 향상될 수 있다.
이때, 전극조립체(10)의 포어(14)는 레이저 갈바노미터를 이용하여 형성하는데, 이에 의하면 포어(14)의 주변에는 버(burr)가 형성되지 않는다. 그리고, 포어(14)는 직경 또는 폭이 대략 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성될 수 있다. 일 실시예에서는, 모든 포어(14)는 동일한 직경 (또는 폭)을 갖도록 구비될 수 있다. 다른 실시예에서는, 적어도 두개 이상의 포어는 서로 다른 직경 (또는 폭)을 갖도록 구비될 수 있다. 포어(14)의 직경 (또는 폭)이 0.1㎛ 미만으로 형성되는 경우 너무 작아서 전해액이 침투되지 못하기 때문에, 전극조립체(10)가 전해액에 충분히 함침되기 어렵다. 또한, 포어(14)의 직경 (또는 폭)이 50㎛를 초과하여 형성되는 경우 슬러리가 포어(14)를 통과하여 흘러내릴 수 있는 문제점이 있다. 다른 실시예에 있어서, 각각 포어(14)는 100㎛ 이하의 직경 (또는 폭)으로 구비되고, 상기 포어(14)의 직경 (또는 폭)은 상기 포어(14)의 주변부 (periphery)의 서로 대향하는 두개의 지점 사이의 거리 중 가장 큰 거리를 나타낼 수 있다.
이에 따라 포어(14)의 직경 (또는 폭)은 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 이러한 크기로 형성되는 경우, 포어(14)가 형성된 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a) 상에 각각 슬러리가 도포되더라도 표면장력으로 인하여 슬러리가 포어(14)를 통과하지 않는다. 즉, 포어(14)가 형성된 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a) 상에 코팅이 가능하다.
도 5a는 도 2의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 5b는 전극조립체에 전해액이 주입된 후의 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다. 도 5a를 참조하면, 권취된 상태의 전극조립체(10, 도 2 참조)의 단면은 제1 집전체(11a)에 제1 활물질층(11b)이 형성된 제1 전극판(11)은 세퍼레이터(12)를 사이에 두고, 제2 집전체(13a)에 제2 활물질층(13b)이 형성된 제2 전극판(13)이 위치된다. 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)에는 적어도 하나의 포어(14, 15)가 형성되며, 이러한 포어(14, 15)는 전극조립체의 중앙부에 형성되는 것이 바람직하다.
이차 전지는 충전 시에 제1 활물질층(11b)으로부터 리튬 이온이 제2 활물질층(11b)으로 이동한다. 즉, 리튬 화합물로부터 발생된 리튬 이온이 전해액 및 세퍼레이터(12)를 통과하여 제2 활물질층(13b)으로 이동한다. 그리고, 방전 시에는 제2 활물질층(13b)으로부터 리튬 이온이 전해액 및 세퍼레이터(12)를 통과하여 리튬 화합물로 형성된다.
이때, 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)의 중앙부에 포어(14, 15)가 형성되어 있음으로써, 전극조립체의 중앙부로 전해액의 침투가 용이하게 할 수 있다. 즉, 포어(14, 15)는 전해액이 침투할 수 있는 경로를 만들어줄 수 있다. 이에 의해 단시간 내에 전극조립체(10)가 전해액에 함침됨으로써, 생산성이 향상되고, 전지의 용량 및 성능이 감소하지 않을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 전해액은 상기 포어(14, 15)를 통하여 상기 전극조립체(10)의 중앙부로 용이하게 주입될 수 있다. 도 5b에서 어두운 부분은 전극조립체(10)의 양쪽 외면에서 상기 전극조립체(10)의 최내면으로 전해액이 이동하는 것을 나타낸다 (도 5b의 두개의 화살표 참조).
이하에서, 도 6a 내지 도 7b를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 후술할 내용을 제외하고는, 도 1 내지 도 5b에서 설명한 실시예에 기재된 내용과 유사하므로 이에 대한 자세한 내용은 생략한다.
도 6a 내지 도 6f는 실시예들에 따른 포어의 다양한 정렬상태를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 제1 또는 제2 극판에 포어가 구비된 형태를 도시한 것으로, 상기 제1 또는 제2 극판에 의하여 형성되는 전극조립체에서, 상기 포어는 상기 전극조립체의 일반적인 길이방향으로 중상부에 형성될 수 있다. 상기 포어는 그룹의 형태로 구비될 수 있으며, 이때 상기 포어 그룹은 서로 이격되되 규칙적인 간격으로 이격되거나 또는 불규칙적인 간격으로 이격될 수 있다. 또한, 상기 포어 그룹은 어떤 하나의 선의 형태로 연속적으로 정렬되거나 (도 6c, 도 6e 및 도 6f 참조), 실질적으로 나란하도록 구비되는 복수개의 선의 형태로 연속적으로 정렬될 수 있으며 (도 6a 및 도 6d 참조), 또는 이들 두 가지가 조합되어 (도 6b 참조) 구비될 수 있다. 이에 더하여, 상기 포어 그룹들은 지그재그 형태 (도 6a 참조) 또는 두개의 나란한 형태 (도 6a 및 도 6d 참조)로 구비될 수 있다. 별법으로, 도 6a, 도 6b 및 도 6d에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 포어 그룹은 길이 방향으로 사각형 또는 직사각형의 형태로 구비될 수 있다. 그 외에는, 상기 포어 그룹은 제1 및 제2 전극판의 제1 및 제2 집전체에서 어느 일부분에만 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제2 집전체에서 포어가 형성되는 부분은 상기 제1 및 제2 집전체의 면적의 50% 이하로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 적어도 하나 이상의 포어는 규칙적인 기하학적 형상 (regular geometric shape)을 갖을 수 있으며, 예컨대 상기 규칙적인 기하학적 형상은 원형 또는 다각형의 형상을 포함할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 최외면에서만 포어가 구비되는 것을 도시한 도 2의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 최내부면에만 포어가 구비되는 것을 도시한 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 7a에서 도시된 바와 같이, 상기 전극조립체(10)의 최외면에만 두개의 포어 그룹이 구비될 수 있다. 예컨대, 도 7a와 같이, 제2 전극판(13)이 전극조립체(10)의 최외면이 구비되는 경우에는, 상기 최외면에 구비된 제2 전극판(13)에만 포어(15)가 구비될 수 있다. 또한, 다른 실시예로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 전극조립체(10)의 최내부면에만 하나의 포어 그룹이 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 전극조립체(10)의 최내부면에 제1 전극판(11)이 구비되는 경우에는, 상기 최내면에 구비된 제1 전극판(11)에만 포어(14)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 포어(14)는 전극조립체(10)의 최외면과 최내부면 사이에만 구비될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 적어도 하나 이상의 포어(14, 15)는 제1 및 제2 집전체(11a, 13a)의 양측 모두에 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 이차 전지용 전극조립체의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 전극조립체의 제조방법은, 제1 및 제2 집전체(11a, 13a)를 제공하는 단계; 상기 제1 및 제2 집전체(11a, 13a)의 적어도 일부분에 복수개의 포어 (14, 15)를 형성하는 단계; 상기 제1 집전체(11a)의 적어도 어느 일면 상에 제1 활물질층(11b)을 구비시켜 제1 전극판(11)을 형성하는 단계; 상기 제2 집전체(13a)의 적어도 어느 일면 상에 제2 활물질층(13b)을 구비시켜 제2 전극판(13)을 형성하는 단계; 전극조립체(10)를 형성하기 위하여 상기 제1 및 제2 전극판(11, 13)과, 상기 제1 및 제2 전극판(11, 13) 사이에 개재된 세퍼레이터(12)를 권취하거나 적층하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)에 전극조립체(10)가 권취되는 방향을 따라 일정 간격을 두고 적어도 하나의 포어(14, 15)를 형성한다. 이때, 홀(14, 15)는 권취된 전극조립체의 길이 방향의 중앙부에 위치되도록 형성한다.
그리고, 포어(14, 15)가 형성된 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)에 각각 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(13b)을 형성한다. 이때, 홀(14, 15)의 크기가 0.1㎛ 내지 50㎛로 매우 작게 형성되므로, 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(13b)을 형성 시 각각의 슬러리는 표면장력에 의하여 포어(14, 15)를 통과하지 않고, 그 상부에 코팅된다.
여기서, 포어(14, 15)는 레이저 또는 레이저 갈바노미터(Laser Galvanometer)를 이용하여 형성할 수 있다. 이에 의해 포어(14, 15) 주변부에는 버가 형성되지 않을 수 있다. 각각의 포어(14, 15)의 주변부는 매끄럽거나 (smooth) 또는 평탄한 (even) 면으로 구비될 수 있다.
포어(14) 주변에 형성된 버는 극성이 다른 전극판과 접촉되며 쇼트를 일으킬 수 있다. 즉, 기계적으로 포어(14, 15)를 형성하는 경우에는 포어(14, 15) 주변의 높이가 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)의 다른 영역보다 돌출될 수 있다. 하지만, 본 발명에서와 같이 레이저를 이용하여 포어(14, 15)를 형성하는 경우에는 포어(14, 15) 주변의 높이가 제1 집전체(11a) 및 제2 집전체(13a)의 다른 영영과 유사한 높이로 형성될 수 있다.
이후, 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(13b)이 형성된 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(13)의 사이에 세퍼레이터(12)를 개재한 뒤 권취하여 전극조립체(10)를 형성한다. 이때, 상기 제1 및 제2 전극판(11, 13)과 세퍼레이터(12)는 제1 및 제2 전극판(11, 13)이 각각 반복되는 부분을 포함하도록 권취되고, 상기 포어(14, 15)는 상기 제1 및 제2 전극판(11, 13)의 반복되는 부분에 형성될 수 있다. 권취된 제1 및 제2 전극판(11, 13)은 얼라인된 포어(14, 15)를 갖을 수 있는데, 예컨대, 서로 중첩된 제1 및 제2 전극판(11, 13)의 제1 및 제2 전극집전체(11a, 13a)에 구비된 포어는 서로 위치가 대응하도록 얼라인될 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지용 전극조립체의 제조방법은, 상기 얼라인된 포어(14, 15)를 통하여 전극조립체의 중앙부로 전해액을 주입시키는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이에 의해 전극조립체(10)의 중앙부에서도 전해액 침투가 용이한 이차 전지를 형성할 수 있다.본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
10 : 전극조립체 11 : 제1 전극판
12 : 세퍼레이터 13 : 제2 전극판
14, 15 : 포어 20 : 이차 전지

Claims (20)

  1. 제1 집전체 및 상기 제1 집전체의 적어도 어느 일면 상에 형성된 제1 활물질층을 포함하는 제1 전극판, 제2 집전체 및 상기 제2 집전체의 적어도 어느 일면 상에 형성된 제2 활물질층을 포함하는 제2 전극판, 상기 제1 및 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 집전체의 적어도 일부분에는 복수개의 포어 (pore)가 형성되는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 높이를 갖고, 상기 포어는 상기 높이의 중앙부에 인접한 영역에 형성되는 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포어는 상기 중앙부에 인접한 영역에만 형성되는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포어는 상기 전해액을 상기 전극조립체의 최외면에서 상기 전극조립체의 내부면으로 주입 (infuse)시키도록 구비되는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 포어는 100㎛ 이하의 폭으로 구비되고, 상기 포어의 폭은 상기 포어의 주변부 (periphery)의 서로 대향하는 두개의 지점 사이의 거리 중 가장 큰 거리를 나타내는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 포어의 폭은 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성되는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 전극판과 세퍼레이터는 각각의 제1 및 제2 전극판이 반복되는 부분을 포함하도록 권취되고, 상기 포어는 상기 제1 및 제2 전극판의 반복되는 부분에 형성되며, 권취된 제1 및 제2 전극판은 얼라인된 포어를 갖는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 포어는 규칙적인 기하학적 형상 (regular geometric shape)을 갖는 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 규칙적인 기하학적 형상은 원형 또는 다각형의 형상을 포함하는 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 포어는 상기 제1 및 제2 전극판의 제1 및 제2 집전체에 형성되고, 상기 제1 및 제2 집전체에서 포어가 형성되는 부분은 상기 제1 및 제2 집전체의 면적의 50% 이하인 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집전체는 복수개의 제1 서브집전체를 포함하되, 상기 제1 서브집전체는 서로 중첩 (overlap)되고,
    상기 제2 집전체는 복수개의 제2 서브집전체를 포함하되, 상기 제2 서브집전체는 서로 중첩되며,
    상기 제1 서브집전체는 상기 제2 서브집전체와 교대로 구비되며, 상기 포어는 상기 제1 및 제2 서브집전체에 형성되는 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 제1 및 제2 서브집전체에 형성된 적어도 일부의 포어는 교대로 구비된 제1 및 제2 서브집전체에서 얼라인되어 (aligned) 선형통로 (linear passage)를 형성하는 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 선형통로는 상기 전해액을 상기 전극조립체의 최외면에서 상기 전극조립체의 내부면으로 주입 (infuse)시키도록 구비되는 이차 전지.
  14. 제1 및 제2 집전체를 제공하는 단계;
    상기 제1 및 제2 집전체의 적어도 일부분에 복수개의 포어 (pore)를 형성하는 단계;
    상기 제1 집전체의 적어도 어느 일면 상에 제1 활물질층을 구비시켜 제1 전극판을 형성하는 단계;
    상기 제2 집전체의 적어도 어느 일면 상에 제2 활물질층을 구비시켜 제2 전극판을 형성하는 단계;
    전극조립체를 형성하기 위하여 상기 제1 및 제2 전극판과, 상기 제1 및 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하거나 적층하는 단계;를 포함하는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극판과 세퍼레이터는 제1 및 제2 전극판이 각각 반복되는 부분을 포함하도록 권취되고, 상기 포어는 상기 제1 및 제2 전극판의 반복되는 부분에 형성되며, 권취된 제1 및 제2 전극판은 얼라인된 포어를 갖는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 얼라인된 포어를 통하여 전극조립체의 중앙부로 전해액을 주입시키는 단계를 더 포함하는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 포어의 폭은 0.1㎛ 내지 50㎛로 형성되고, 상기 포어의 폭은 상기 포어의 주변부 (periphery)의 서로 대향하는 두개의 지점 사이의 거리 중 가장 큰 거리를 나타내는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 포어는 레이저에 의하여 형성되는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    각각의 포어의 주변부는 매끄럽거나 (smooth) 또는 평탄한 (even) 면으로 구비되는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 포어의 적어도 하나는 상기 포어의 주변부에 버 (burr)가 생성되지 않도록 구비되는 이차 전지용 전극조립체의 제조방법.
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