KR20150045388A - 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법 및 이에 의하여 제조된 전극 - Google Patents

케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법 및 이에 의하여 제조된 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하는 전극에 금속탭을 용접하는 방법으로,
a) 상기 도전재층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계; 및
b) 상기 제거된 도전재층 하부의 집전체의 표면에 금속탭을 위치시킨 후, 용접하는 단계를 포함하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법 및 이에 의하여 제조된 전극에 관한 것이다.
본 발명은 종래의 용접 방법으로는 용접 성능이 좋지 않았던 케이블형 전지의 전극을 금속탭과 연결할 수 있다는 장점이 있다.

Description

케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법 및 이에 의하여 제조된 전극{A Welding Method of Metal Tab for Electrode layer of Cable-Type Secondary Battery and Electrode layer for Cable-Type Secondary Battery using The Same}
본 발명은 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법 및 이에 의하여 제조된 전극에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치 등에 널리 이용되고 있으며, 특히 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
이 중에서도, 최근에는 모바일 디바이스의 발달로 인하여 변형이 자유로운 케이블형 이차전지가 요구되고 있다. 그런데 이러한 케이블형 이차전지의 제조 공정 중에는 케이블형 이차전지의 전극층과 금속탭을 용접하는 공정이 포함되는데, 케이블형 이차전지의 경우, 전극층을 둘러싸고 있는 도전층 및 절연층이 폴리머 재질로 구성되어 있어, 종래의 용접 방법으로는 전극층 상에 용접을 하더라도 용접 특성이 좋지 않다는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 예를 들어, 한국 공개 특허 10-2013-0040552호에서는 전극부와 단자부의 미끄러짐을 최소화하여 용접 접합이 용이하고 용접 성능을 향상시키고 있으나, 이를 케이블형 이차전지의 전극층과 금속탭을 용접하는데 적용하더라도 용접 특성의 개선에 한계가 있었다.
한국 공개특허 10-2013-0040552호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
펄스 레이저를 이용하여 종래의 방법으로는 용접이 불가능하였던 케이블형 이차전지의 전극과 금속탭 간의 용접을 가능하게 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하는 전극에 금속탭을 용접하는 방법으로,
a) 상기 도전재층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계; 및
b) 상기 제거된 도전재층 하부의 집전체의 표면에 금속탭을 위치시킨 후, 용접하는 단계를 포함하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하고,
상기 도전재층의 일부가 제거된 집전체의 표면상에 금속탭이 용접된 케이블 전지용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 한쪽 단에 소정 길이로 연장 형성되는 제1 금속탭을 구비하는 와이어형 내부집전체; 상기 내부집전체의 표면에 형성되는 내부전극 활물질층; 상기 내부전극 활물질층의 외면에 형성되어 있는 분리층; 및 상기 분리층 외면에 형성되고, 외부전극 활물질층과 그 한쪽 단에 소정 길이로 연장되는 제2금속탭을 구비하는 집전체를 가지는 외부전극을 포함하는, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 케이블형 이차전지로서, 상기 외부전극이 상기 케이블 전지용 전극인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법에 의하면, 종래의 초음파 용접으로는 불가능하였던, 케이블형 전지의 전극과 금속탭의 용접을 가능하게 할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 케이블형 전극의 구조를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 용접 방법의 도전재층 제거 단계를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 용접 방법의 금속탭 용접 단계를 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 용접 방법에 의하여 제조된 전극을 단계별로 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법은 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하는 전극에 금속탭을 용접하는 방법으로,
a) 상기 도전재층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계;
b) 상기 제거된 도전재층 하부의 집전체의 표면에 금속탭을 위치시킨 후, 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법은 케이블 전지의 전극이 폴리머 재질로 코팅되어 있는 경우, 금속탭과 전극을 용접하는 경우에 적용될 수 있다.
본 발명의 케이블 전지용 전극은 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층, 상기 도전재층 상에 형성된 활물질층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하는 구조이며, 상기 활물질층을 IPA와 같은 알코올을 이용하여 제거하게 되면, 도 1에서와 같이 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하는 구조가 된다.
상기 케이블 전지용 집전체는 필요에 따라서, 외부집전체 또는 내부집전체일 수 있다.
상기 케이블 전지용 집전체는 필요에 따라서, 케이블 전지용 양극 또는 케이블 전지용 음극일 수 있다.
상기 케이블 전지용 집전체는 파이프형 집전체, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체일 수 있다.
상기 케이블 전지용 집전체는 특별한 제한은 없으나, 가격 및 전지의 작동 범위내에서 집전체 금속의 전기 화학적 안정성을 고려하여 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 사용할 수 있다.
상기 도전재층으로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 폴리머 필름층으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 폴리이미드 수지, PET 수지 및 PE 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 전극의 적층 구조가 도전재층 및 폴리머 필름층을 포함하고 있으며, 상기 도전재층 및 폴리머 필름층이 폴리머 재질로 구성되는 경우에, 종래에 사용하는 용접 방법으로는 전극과 금속탭을 용접하더라도 용접 특성이 좋지 않다는 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, a) 단계에서 상기 전극의 적층 구조 중 도전재층의 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거한다. 본 발명에 있어서, 상기 펄스 레이저는 세기를 조절할 수 있고, 도전재층과 전극층에 흡수 가능한 파장을 조사할 수 있으며, 동시에 도전재층의 제거 및 금속탭 용접에 용이한 피크 출력이 가능한 레이저라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 a) 단계를 구체적으로 살펴보면, 도 4의 (a) 에 나타난 바와 같이 도전재층 및 폴리머 필름층으로 둘러싸인 전극층에 대하여, 도 2와 같이 펄스 레이저를 이용하여, 상기 전극 상의 도전재층에 조사를 하여, 금속탭을 용접하려고 하는 위치의 전극층 표면의 도전재층을 제거한다. 이를 통하여 도 4의 (b)와 같이 도전재층의 일부가 제거된 상태로 만들 수 있다. 상기 a) 단계에서 사용되는 펄스 레이저의 세기는 사용자의 필요에 따라 적정 범위로 조절될 수 있으며, 바람직하게는 IR 파장의 50W pulse laser 이용 시 평균 출력 밀도 1M 내지 2MW/cm2 의 범위 하에서 조사할 수 있으며, 보다 바람직하게는 평균 출력 밀도 1.3M 내지 1.7MW/cm2 의 범위 하에서 조사할 수 있다.
상기와 같이 금속탭을 용접하려는 전극층의 부분의 표면에 위치하는 도전층을 제거한 후, 본 발명은 b) 단계에서 상기 제거된 도전재층 하부의 집전체의 표면에 금속탭을 위치시킨 후, 이를 용접한다.
상기 b) 단계의 용접은 펄스 레이저를 조사하거나 또는 초음파를 인가하여 용접할 수 있다.
상기 펄스 레이저를 조사하여 용접하는 경우, 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이 도전재층의 일부가 제거된 전극(구체적으로는 양극)에 대하여, 도 3과 같이 펄스 레이저를 이용하여, 도전재층이 제거된 부분 하부에 노출되는 집전체의 표면에 금속탭을 위치 시킨 후, 금속탭 상에 펄스 레이저를 조사하여, 전극과 금속탭을 용접한다. 이를 통하여 도 4의 (c)와 같이 전극(구체적으로는 양극)과 금속탭이 용접된 케이블형 이차전이의 전극을 완성할 수 있다. 상기 b) 단계에서 사용되는 펄스 레이저의 세기는 사용자의 필요에 따라 적정 범위로 조절될 수 있으며, 바람직하게는 IR 파장의 500W pulse laser 이용 시 평균 출력 밀도 3MW/cm2 이상의 범위 하에서 조사할 수 있으며, 보다 바람직하게는 평균 출력 밀도 3M 내지 4MW/cm2 의 범위 하에서 조사할 수 있다.
상기 금속탭으로는 특별한 제한은 없으나, 가격 및 전지의 작동 범위에서 집전체 금속의 전기 화학적 안정성을 동시에 고려할 때, 바람직하게는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 및 알루미늄-카드뮴합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 제조된 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 초음파를 인가하여 용접하는 경우, 사용자의 필요에 따라 적정 범위로 조절될 수 있다.
또한, 본 발명은 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하고,
상기 도전재층의 일부가 제거된 집전체의 표면상에 금속탭이 용접된 케이블 전지용 전극을 제공한다.
상기 전극은 상기 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명의 케이블 전지용 전극에 있어서, 상기 케이블 전지용 집전체, 상기 도전재층, 상기 폴리머 필름층 및 상기 금속탭의 구성은 상기 상기 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법에서 살펴본 바와 동일하다.
또한, 본 발명은 한쪽 단에 소정 길이로 연장 형성되는 제1 금속탭을 구비하는 와이어형 내부집전체; 상기 내부집전체의 표면에 형성되는 내부전극 활물질층; 상기 내부전극 활물질층의 외면에 형성되어 있는 분리층; 및 상기 분리층 외면에 형성되고, 외부전극 활물질층과 그 한쪽 단에 소정 길이로 연장되는 제2금속탭을 구비하는 집전체를 가지는 외부전극을 포함하는, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 케이블형 이차전지로서, 상기 외부전극은 본 발명의 케이블 전지용 전극인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 케이블형 이차전지는 상기 구성 외에도 다양한 구성을 더 포함할 수 있으며, 그 포함 형태는 당업계에서 일반적으로 사용되는 것이라면, 특별한 제한은 없다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하는 전극에 금속탭을 용접하는 방법으로,
    a) 상기 도전재층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계; 및
    b) 상기 제거된 도전재층 하부의 집전체의 표면에 금속탭을 위치시킨 후, 용접하는 단계를 포함하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이블 전지용 집전체는 케이블 전지용 양극 또는 케이블 전지용 음극인 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이블 전지용 집전체는 파이프형 집전체, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체인 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이블 전지용 집전체는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전재층은 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리머 필름층은 폴리이미드 수지, PET 수지 및 PE 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속탭은 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 및 알루미늄-카드뮴합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 펄스 레이저를 IR 파장의 50W pulse laser 이용 시 평균 출력 밀도 1M 내지 2 MW/cm2 의 범위로 조사하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 펄스 레이저를 IR 파장의 50W pulse laser 이용 시 평균 출력 밀도 1.3M 내지 1.7 MW/cm2 의 범위로 조사하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 단계에서, 펄스 레이저를 조사하거나 또는 초음파를 인가하여 용접하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 펄스 레이저는, IR 파장의 500W pulse laser 이용 시 평균 출력 밀도3MW/cm2 이상의 범위로 조사하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 펄스 레이저는, IR 파장의 500W pulse laser 이용 시 평균 출력 밀도3M 내지 4MW/cm2 의 범위로 조사하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극층의 금속탭 용접 방법.
  13. 케이블 전지용 집전체, 상기 집전체의 외면에 형성된 도전재층 및 상기 집전체의 내면에 형성된 폴리머 필름층을 포함하고,
    상기 도전재층의 일부가 제거된 집전체의 표면상에 금속탭이 용접된 케이블 전지용 전극.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 케이블 전지용 집전체는 케이블 전지용 양극 또는 케이블 전지용 음극인 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 케이블 전지용 집전체는 파이프형 집전체, 권선된 와이어형 집전체, 권선된 시트형 집전체 또는 메쉬형 집전체인 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 케이블 전지용 집전체는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 도전재층은 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 폴리머 필름층은 폴리이미드 수지, PET 수지 및 PE 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속탭은 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 및 알루미늄-카드뮴합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 전극은 청구항 1의 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 케이블 전지용 전극.
  21. 한쪽 단에 소정 길이로 연장 형성되는 제1 금속탭을 구비하는 와이어형 내부집전체;
    상기 내부집전체의 표면에 형성되는 내부전극 활물질층;
    상기 내부전극 활물질층의 외면에 형성되어 있는 분리층; 및
    상기 분리층 외면에 형성되고, 외부전극 활물질층과 그 한쪽 단에 소정 길이로 연장되는 제2금속탭을 구비하는 집전체를 가지는 외부전극을 포함하는, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 케이블형 이차전지로서,
    상기 외부전극은 청구항 13의 케이블 전지용 전극인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.

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