KR20140139356A - 이차전지의 제조방법 - Google Patents

이차전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 이차전지를 제조하기 위한 활성화 공정 중 용량 컷-오프(cut-off)를 이용하여 방전 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법 및 이차전지의 활성화 공정 중 방전 공정에서 용량 컷-오프(cut-off) 방식을 이용하여 이차전지의 공정용량을 측정하는 방법에 관한 것이다.

Description

이차전지의 제조방법{Manufacturing method of secondary battery}
본 발명은 방전 공정의 컷-오프 방식을 변화시킨 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 수행되었으며, 현재 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
일반적으로 리튬 2차 전지를 제조함에 있어서, 먼저 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 물질을 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막의 양측에 적층함으로써 소정 형상의 전지셀을 형성한 다음에, 이 전지셀을 전지 케이스에 삽입하고 밀봉한다. 그리고, 이차전지의 불량 여부를 판정하고 성능, 특히 수명의 안정성을 확보하기 위해서, 제품 출하 전에 반드시 활성화 공정을 수행한다. 활성화 공정은 충전과 방전을 되풀이하여 전지를 활성화하고 가스를 제거하는 것으로서, 충전시 양극으로 사용되는 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 사용되는 카본(결정질 또는 비결정질) 전극으로 이동하여 삽입되는데, 이때 리튬은 반응성이 강하므로 카본 음극에서 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH 등의 화합물을 만들어내고, 이것들은 음극 표면에 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 피막을 형성하게 된다.
이러한, 이차전지를 활성화하기 위해서는 많은 시간 동안 주기적으로 충전과 방전을 수행하며 이중 방전시 이차전지 내부에서 다량의 열이 발생하게 되므로, 실제 이차전지의 용량이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 활성화 공정 중 방전 공정의 컷-오프 방식을 변화시킨 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 이차전지를 제조하기 위한 활성화 공정 중 용량 컷-오프(cut-off) 방식을 이용하여 방전 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 이차전지의 활성화 공정 중 방전 공정에서 용량 컷-오프(cut-off) 방식을 이용하여 이차전지의 공정용량을 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 전지구조를 안정화시키고, 사용가능한 상태로 만드는 활성화 공정 중의 방전공정에서 용량 컷-오프 방식을 이용하여 종래 전압 컷-오프 방식에서 나타나는 온도에 의한 용량 편차를 감소시켜 이차전지의 용량 측정시 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 실제용량이 낮은 이차전지를 효과적으로 선별할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2(a)는 종래 이차전지의 활성화 공정 중 방전 공정에서 이차전지 내부에서 발생하는 온도변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 활성화 공정 중 방전공정에서 이차전지 내부에서 발생하는 온도변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3(a)는 종래 이차전지의 활성화 공정 중 방전공정에서 측정된 공정용량 및 실제용량의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 활성화 공정 중 방전공정에서 측정된 공정용량 및 실제용량의 분포를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 이차전지를 제조하기 위한 활성화 공정 중 용량 컷-오프(cut-off) 방식을 이용하여 방전 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명을 더욱 구체적으로 살펴보면, 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 전극 집전체에 도포하여 전극을 제조한 후 분리막을 개재하여 전극 조립체를 제조한다. 또한, 상기 전극 조립체를 전기케이스에 삽입한 후 전해질을 투입하여 이차전지를 제조한다. 상기에서 제조된 이차전지는 활성화 공정을 통해 이차전지의 구조가 안정화되고 사용가능한 상태로 된다. 이때, 활성화 공정 중 방전 공정에서 용량 컷-오프 방식을 이용하여 종래 전압 컷-오프 방식에서 나타나는 온도에 의한 용량 편차를 감소시켜 용량 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 실제용량이 낮은 이차전지를 효과적으로 선별할 수 있다.
상기 활성화 공정은 방전 공정 전에 제1 상온 에이징(Aging) 공정, 제1 충전 공정, 고온 에이징 공정, 제2 상온 에이징 공정, 제2 충전 공정을 포함할 수 있고, 탈가스(degassing) 공정을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 참고하여 각각의 단계에 대해서는 구체적으로 기술한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 이차전지는 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 전극 집전체에 도포하여 전극을 제조한 후, 분리막을 개재하는 것을 포함하고, 상기 제조된 전극 조립체를 전지케이스에 삽입한 후 전해질을 투입하여 제조될 수 있으며, 당업계에 공지된 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 전극 조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 젤리-롤형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서의 상기 활성화 공정은 전해질이 양극 및 음극에 잘 스며들 수 있도록 이차전지를 상온, 상압 조건에서 0.5 시간 내지 3 시간 동안 보관하는 제1 상온 에이징 공정(S1)을 포함할 수 있다. 상기 제1 상온 에이징 공정(S1)은 전해질을 투입하여 이차전지를 조립하는 단계 이후에, 그리고 후술하는 제1 충전 공정(S2) 이전에 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 상기 활성화 공정은 제1 상온 에이징된 이차전지를 충전하는 제1 충전 공정(S2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 충전 공정(S2)을 통해 양극의 리튬 전이금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극의 탄소 전극으로 이동하는데, 이때 리튬 이온은 반응성이 강하므로 탄소 음극과 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH 등의 화합물을 만들어내고, 이러한 화합물에 의해 음극 표면에 SEI 막이 형성된다. SEI 막은 전지의 이온 이동량이 많아질 때 형성되는 부도체이며, SEI 막이 형성되면 추후 이차전지 충전시 음극에서 리튬 이온과 다른 물질이 반응하는 것을 막아준다. 또한, SEI 막은 일종의 이온 터널의 기능을 수행할 수 있으며, 리튬 이온만을 통과시키는 역할을 한다. SEI 막이 형성되고 나면 리튬 이온은 음극이나 다른 물질과 반응하지 않으므로, 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지되고 이차전지의 충방전이 가역적으로 유지되어 이차전지의 수명이 향상된다. 그리고, SEI 막이 고온에서 방치되거나 충방전이 반복적으로 수행되는 경우에도 쉽게 붕괴되지 않기 때문에 전지의 두께 변화도 덜 발생하게 된다.
상기 제1 충전 공정(S2)에서 충전 전압은 3.0-3.8V이고, 충전 전류는 0.045-0.6C일 수 있다. 상기 충전 전압을 3.0V 또는 충전 전류를 0.045C 미만에서 제1 충전 공정을 수행하면 충분한 SEI 막이 형성되지 않고 제1 충전 공정(S2)에 장시간이 소요되므로 양산 공정에 적합하지 않은 문제가 있고, 충전 전압을 3.8V 또는 충전 전류를 0.6C를 초과하는 경우에는 고율로 충전하게 되어 전지에 과부하가 걸려 과전압이 생기기 쉽고 균일한 SEI 막을 형성할 수 없으며 전지가 부풀어 형상이 변형되는 문제가 있다.
또한, 상기 제1 충전 공정(S2)은 이차전지 용량의 10-40%로 수행될 수 있다. 상기 제1 충전 공정(S2)이 이차전지 용량의 10% 미만으로 수행되는 경우에는 SEI 막이 형성되지 않는 문제가 있고, 전지 용량의 40%를 초과하여 수행되는 경우에는 부반응 가스가 과도하게 생성되는 문제가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 상기 활성화 공정은 상기 제1 충전 공정(S2)을 수행한 이후에, 상온보다 높은 온도에서 보관하는 고온 에이징 공정(S3)을 포함할 수 있다. 상기 고온 에이징 공정(S3)은 열에너지와 전기화학 에너지에 의해 SEI 막이 보다 안정화되고 부분적으로 치우침이 없이 고르고 균일한 두께로 재형성되게 한다. 상기 고온 에이징 공정(S3)은 40-70℃에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 40℃ 미만인 경우에는 SEI 막의 안정화가 확보될 수 없고, 70℃를 초과하는 경우에는 전지 성능, 예컨대 용량 및 수명이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 제1 충전 공정(S2) 및 상기 고온 에이징 공정(S3)에 의해 이차전지 내부에 부반응 가스가 생성될 수 있고 이는 전지의 부풀음(swelling) 현상을 초래할 수 있으므로, 상기 활성화 공정은 탈가스 공정(S4)을 포함할 수 있다. 상기 탈가스 공정(S4)을 통해 이차전지 내부에서 발생된 부반응 가스를 제거할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 상기 활성화 공정은 상기 고온 에이징 공정(S3) 이후에 이차전지를 가압하는 가압 공정을 포함할 수 있다. 상기 가압 공정은 부반응 가스 등에 의해 이차전지의 두께가 팽창되므로, 이차전지의 두께를 개선하는 공정이다. 상기 가압 공정은 680-820 kgf로 4-6초 동안 수행될 수 있으나, 경우에 따라 상기 가압 공정은 생략될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 활성화 공정은 상기 탈가스 공정(S4) 이후에 이차전지를 상온에서 에이징하는 제2 상온 에이징 공정(S5)을 포함할 수 있다. 상기 제2 상온 에이징 공정(S5)은 미충전 영역을 개선하고, SEI 막을 안정화시킬 수 있다.
또한, 상기 활성화 공정은 상기 제2 상온 에이징 공정(S5) 이후에 제2 충전 공정(S6)을 포함할 수 있다. 상기 제2 충전 공정(S6)은 충전 전압이 3.8-4.6V, 충전 전류가 0.5-1C일 수 있다. 상기 충전 전압이 3.8V 미만 또는 충전 전류가 0.5C 미만인 경우에는 제조 생산성이 저하되고, 충전 전압이 4.6V 또는 충전 전류가 1C를 초과하는 경우에는 용량 및 수명과 같은 전지 성능이 저하하는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 상기 활성화 공정은 제1 상온 에이징 공정(S1), 제1 충전 공정(S2), 고온 에이징 공정(S3), 제2 상온 에이징 공정(S5), 제2 충전 공정(S6) 이후에 제3 상온 에이징 공정(S7) 및 제3 충전 공정(S8)을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 상온 에이징 공정(S7)은 기간에 따라 자가 방전량이 비이상적으로 큰 전지를 선별하기 위하여 수행되는 공정이며, 제3 충전 공정(S8)은 충전 전압이 3.8-4.6V, 충전 전류가 0.5-1C일 수 있다. 상기 충전 전류가 0.5C 미만인 경우에는 제조 생산성이 저하되고, 1C를 초과하는 경우에는 용량 및 수명과 같은 전지 성능이 저하하는 문제가 있다.
상기 활성화 공정을 통해 이차전지는 활성화되고, 상기 활성화 공정 중 공정용량을 측정하여 저용량의 이차전지를 선별하는 방전 공정(S9)에 있어서 용량 컷-오프 방식을 이용함으로써 종래 전압 컷-오프 방식에서 나타나는 온도에 의한 용량 편차를 감소시켜 용량 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 실제용량이 낮은 이차전지를 효과적으로 선별할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 제조방법에서 상기 활성화 공정은 상기 방전 공정(S9) 이후에 출하충전 공정(S10)을 포함할 수 있다. 상기 출하충전 공정(S10)은 이차전지의 출하를 위해 용량의 50%로 충전하는 방식으로 진행되며, 공지된 다양한 출하 충전 공정이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 이차전지의 활성화 공정 중 방전공정에서 용량 컷-오프(cut-off)를 이용하여 이차전지의 공정용량을 측정하는 방법을 제공한다.
상기 공정용량은 1C-rate의 방전용량 및 0.2C-rate의 방전용량의 총합일 수 있다.
도 2는 종래 이차전지 및 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 활성화 공정 중 방전공정에서 이차전지에서 발생하는 온도와 시간에 대한 그래프이다.
구체적으로, 도 2의 (a)는 종래 전압 컷-오프시 이차전지에서 발생하는 온도변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 2의 (b)는 본 발명에 따른 용량 컷-오프시 이차전지에서 발생하는 온도변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2(b)에 나타난 바와 같이, 전압 컷-오프시 발생하는 온도에 의해 이차전지의 용량 편차가 발생할 수 있지만, 본 발명에 따른 용량 컷-오프시 온도에 의한 영향이 거의 없으므로 이차전지의 용량 편차 또한 발생하지 않는다.
즉, 종래 전압 컷-오프시 발생하는 온도 변화 그래프(도 2(a))와 본 발명의 용량 컷-오프시 이차전지에서 발생하는 온도 변화 그래프(도 2(b))의 범위를 구체적으로 살펴보면, 1 C-rate 방전 구간에서 용량 컷-오프 방식을 통해 1 C-rate에서의 방전 시간이 단축됨에 따라 발열량 및 온도 편차가 감소하게 된다(도 2(a) 및 (b)의 ① 참고). 또한, 온도 편차가 감소함에 따라 1C-rate 및 0.2C-rate 구간에서의 용량 편차도 개선되며(도 2(a) 및 (b)의 ② 참고), 0.2C-rate 구간에서도 온도 변화 편차도 감소된 것을 알 수 있다. 또한, 0.2C-rate 구간에서는 방전에 따른 시간이 길어져 냉각 팬을 통한 이차전지의 냉각이 가능하기 때문에 온도 편차를 감소시킬 수 있고 온도에 의한 용량 편차가 감소될 수 있다(도 2(a) 및 (b)의 ③ 참고).
도 3은 종래 이차전지 및 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 활성화 공정 중 방전공정에서 측정된 공정용량 및 실제용량의 분포를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 3(a)는 종래 전압 컷-오프 방식으로 측정된 공정용량(측정용량)과 실제용량(3V, 0.2C-rate로 측정)의 분포를 나타낸 그래프이고, 도 3(b)는 본 발명의 용량 컷-오프 방식으로 측정된 공정용량과 실제용량의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 전압 컷-오프 방식으로 측정된 공정용량과 실제용량은 상관성(R2)이 약 35%로 나타났으나 (도 3(a) 참조), 용량 컷-오프 방식으로 측정된 공정용량과 실제용량은 상관성(R2)이 약 71%로 2배 증가(도 3(b) 참조)한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 용량 컷-오프 방식으로 측정된 공정용량과 실제용량과의 분포는 직선 형태의 일차함수 상에서 일정하게 분포하고 있지만 종래 전압 컷-오프 방식은 공정용량과 실제용량과의 차이로 인해 분포 범위가 넓어지고 산발적으로 분포되어 있으므로, 실제 용량이 낮은 이차전지를 효과적으로 선별할 수 있다.

Claims (12)

  1. 이차전지를 제조하기 위한 활성화 공정 중 용량 컷-오프(cut-off)를 이용하여 방전 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화 공정은 방전 공정 전에 제1 상온 에이징(Aging) 공정, 제1 충전 공전, 고온 에이징 공정, 제2 상온 에이징 공정 및 제2 충전 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 충전 공정 이후에 제3 상온 에이징 공정 및 제3 충전 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 고온 에이징 공정 이후에 탈가스(degassing) 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 충전 공정은 충전 전압이 3.0-3.8V, 충전 전류가 0.045-0.6C인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 충전 공정은 충전 전압이 3.8-4.6V, 충전 전류가 0.5-1C인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 충전 공정은 이차전지 용량의 10-40%로 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 고온 에이징 공정은 40-70℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화 공정은 방전 공정 후 출하충전 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 출하충전 공정은 이차전지 용량의 50%로 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  11. 이차전지의 활성화 공정 중 방전 공정에서 용량 컷-오프(cut-off) 방식을 이용하여 이차전지의 공정용량을 측정하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 공정용량은 1C-rate의 방전용량 및 0.2C-rate의 방전용량의 총합인 것을 특징으로 하는 이차전지의 공정용량을 측정하는 방법.
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