KR20170094916A - 전극조립체 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극조립체 - Google Patents

전극조립체 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 유닛셀들이 분리필름으로 권취되어 있는 전극조립체를 제조하는 방법으로서, (a) 양극 또는 음극으로 이루어진 극판들 사이에 분리막이 개재된 구조의 유닛셀들을 제조하는 과정; (b) 유닛셀들을 시트형 분리필름의 상면에 소정의 간격으로 배열하는 과정; (c) 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐(mandrel)로 고정하는 과정; (d) 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정; 및 (e) 맨드렐에 의해 제 1 유닛셀을 회전시켜 유닛셀들을 순차적으로 권취하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법을 제공한다.

Description

전극조립체 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극조립체 {Method Preparing Electrode Assembly And Electrode Assembly Prepared Using the Same}
본 발명은 전극조립체 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시된 바가 있다. 본 출원에서는 이러한 구조의 전극조립체를 스택/폴딩형 전극조립체로서 칭한다.
상기와 같은 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 전지케이스에 내장한 구조의 이차전지는 다양한 형태일 수 있으며, 그것의 대표적인 예가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스를 사용하는 리튬이온 폴리머 전지(LiPB)이다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로서 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
일반적으로 상기와 같은 권취 구조의 전극조립체는 맨드렐(mandrel)을 이용하는 권취 과정을 통해 제조된다. 도 1에는 종래 사용되는 맨드렐이 모식적으로 도식되어 있고, 도 2 및 도 3에는 이러한 맨드렐을 사용하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 맨드렐(10)은 그립퍼들(13, 14)로 이루어지고, 이러한 그립퍼들(13, 14)은 유니셀(15)의 상면과 상기 유니셀(15)이 게재된 분리필름(17)의 하면을 고정하기 위한 레그(11, 12)를 포함한다. 일반적으로 상기 레그들(11, 12)은 모두 유니셀(15)과 분리필름(17)의 경계에서 상당히 이격되어 위치하며, 상호 인접할 수 있는 만큼 충분한 길지 않다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 종래의 맨드렐(10)을 이용하여 유닛셀(15)을 권취하는 경우 (a) 부분에서 볼 수 있듯이, 유닛셀(15)이 권취된 뒤 권취 개시 부위 부분의 분리막이 접힐 수 있어, 유니셀(15) 외면이 분리막(17)으로 완전히 도포되지 않을 수 있다. 따라서, 이어지는 권취 과정에서 서로 인접한 유니셀(15)과 유닛셀(16)의 전극이 접촉할 수 있어 단락이 발생할 수 있고, 이러한 단락은 전압 강하를 유발하여 전지의 성능을 저하시키는 문제가 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 일부 선행기술들에서는, 맨드렐의 구조를 부분적으로 변경하여, 권취 과정에서 유닛셀의 끝 단까지 고정하는 구조를 적용하고 있으나, 맨드렐 구조 자체를 변경하는 경우, 유닛셀을 고정하기 위한 그립퍼들의 위치 공차가 중요하므로, 제조과정이 상단히 복잡해 질 수 있으며, 상기 위치 공차가 유닛셀의 폭을 벗어나는 경우, 제조된 전극조립체의 전반적인 폭이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극조립체를 제조하는 방법으로서, 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐(mandrel)로 고정하고, 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정을 포함하여 전극조립체를 제조하는 경우, 권취 공정에서 발생할 수 있는 내부 단락 및 그로 인한 전압 강하를 방지할 수 있고, 전지의 성능 저하를 방지하고 안전성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은, 둘 이상의 유닛셀들이 분리필름으로 권취되어 있는 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 양극 또는 음극으로 이루어진 극판들 사이에 분리막이 개재된 구조의 유닛셀들을 제조하는 과정;
(b) 유닛셀들을 시트형 분리필름의 상면에 소정의 간격으로 배열하는 과정;
(c) 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐(mandrel)로 고정하는 과정;
(d) 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정; 및
(e) 맨드렐에 의해 제 1 유닛셀을 회전시켜 유닛셀들을 순차적으로 권취하는 과정;
을 포함하도록 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은, 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐(mandrel)로 고정하고, 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정을 포함함으로써, 권취 공정에서 발생할 수 있는 내부 단락 및 그로 인한 전압 강하를 방지할 수 있고, 전지의 성능 저하를 방지하고 안전성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유닛셀들은, 극판보다 상대적으로 큰 크기를 가진 분리막이 교대로 적층되어 상호 접합되어 있는 구조로 이루어져 있고, 분리막이 극판의 외주변을 넘어 연장되어 있는 부위인 분리막 잉여부를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조의 유닛셀들은, 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양측 외면들에 각각 위치한 극판들의 전극 종류가 서로 다른 구조의 셀일 수 있으며, 예를 들어, 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 풀셀 구조일 수 있다.
또한, 상기 유닛셀들은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양측 외면들에 각각 위치한 전극의 종류가 동일한 구조의 셀일 수 있으며, 예를 들어, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위 구조를 갖는 바이셀 구조일 수 있다.
따라서, 상기 과정(a)에서, 유닛셀들 중에 권취 종료 부위의 2개의 유닛셀들은 양측 외면들에 각각 음극이 위치하는 구조의 C형 바이셀들로 구성될 수 있다.
본 발명에서는, 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 "C형 바이셀"로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"로서 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열 융착 방식을 들 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은, 유닛셀들을 시트형 분리필름의 상면에 소정의 간격으로 배열하는 과정을 포함한다.
구체적으로, 상기 과정(b)에서, 제 1 유닛셀에 이웃한 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 제 1 유닛셀로부터 이격된 거리에 배열되고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 권취 폭에 대응하여 점증하도록 분리필름 상에 배열되는 것이 바람직하다.
상기에서 제 1 유닛셀과 제 2 유닛셀 사이를 소정의 간격으로 이격시켜 주는 것은, 권취 과정에서 1회 권취시 제 1 유닛셀의 외면이 분리필름으로 완전히 감싸진 상태에서 다른 유닛셀의 전극과 대면하게 해 줌으로써, 근본적으로 전극끼리 접촉하여 일어날 수 있는 단락 등을 방지하기 위함이다.
따라서, 이러한 구조의 전극조립체를 제조하는 경우, 적층되는 면에서의 전극은 서로 다른 전극이 대향하도록 배치되어야 하며, 이를 위하여, 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 하고, 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 C형 바이셀과 A형 바이셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.
본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐로 고정하는 과정을 포함하며, 이러한 맨드렐의 구조는 유닛셀을 고정한 상태에서 권취하기 위한 것이라면, 그 구조에 있어서 특별한 제한이 없다.
구체적으로, 상기 과정(c)의 멘드릴은, 제 1 유닛셀의 상면을 고정하는 하나 이상의 상부 레그(leg)와, 상기 상부 레그에 대응하여 분리필름의 하면을 고정하는 하나 이상의 레그로 이루어진 그립퍼(gripper)를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 그립퍼는 2개의 상부 레그들과 2개의 하부 레그들을 포함하고, 제 1 유닛셀에서 분리막 잉여부를 제외한 상면과 분리필름의 하면을 고정하는 구조로 위치하는 구조일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정을 포함한다.
구체적으로, 상기 과정(d)에서, 분리필름에 가열 압착되는 외측 단부 부위의 분리막 잉여부는, 제 1 유닛셀에 이웃한 제 2 유닛셀의 반대 방향에 위치한 제 1 유닛셀의 단부 부위인 것이 바람직하다.
즉, 분리필름의 권취 개시점에서 제 1 유닛셀의 단부 부위에 위치하는 분리막 잉여부가 분리필름에 가열 압착되는 과정을 포함함으로써, 권취 과정에서 분리막이 접히는 문제점을 해소할 수 있다.
이러한 열 압착 과정은 열에 의하여 분리막과 분리필름을 융착 또는 접착하기 위한 구조를 가지는 장치가 사용되며, 그 구조에 있어서 특별히 제한이 없다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(d)의 가열 압착은 히팅 다이에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
상기 히팅 다이는 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 분리막 잉여부의 상단으로부터 하단까지의 전체 부위를 가열 압착하는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 히팅 다이는 분리막 잉여부에 대응하는 제 1 유닛셀의 극판 단부 부위를 함께 가열 압착하는 구조일 수 있으며, 예를 들어, 제 1 유닛셀의 가로 길이에 대해서 5% 내지 10% 범위의 부위를 포함하여 가압하는 구조로 가열 압착하는 구조일 수 있다.
일반적으로, 전극조립체에 포함되는 유닛셀은 극판들과 분리막을 포함하여도 상당히 얇은 두께로 제조되므로, 상기와 같이, 히팅 다이가 제 1 유닛셀의 극판 단부 부위를 함께 가열하더라도, 제 1 유닛셀의 잉여 분리막과 분리필름 사이에 열이 전달될 수 있고, 열에 의해 적어도 제 1 유닛셀의 최 하단에 위치하는 분리막 잉여 부위가 분리필름에 안정적으로 압착할 수 있다.
구체적으로, 상기 가열 압착되는 분리막 잉여부는 0.2 내지 3 mm의 폭을 가질 수 있고, 제 1 유닛셀의 극판 단부 부위를 함께 가열 압착하므로, 히팅 다이의 위치를 조정하기 수월하며, 상기 가열 압착에 의해 분리막 잉여부는 분리필름에 융착 또는 접착하는 것이 가능하다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체 제조방법 제조되는 전그조립체를 제공할 수 있고, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공할 수 있다.
참고로, 상기 이차전지는 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지일 수 있으며, 상기 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공할 수 있고, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은, 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐(mandrel)로 고정하고, 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정을 포함함으로써, 권취 공정에서 발생할 수 있는 내부 단락 및 그로 인한 전압 강하를 방지할 수 있고, 전지의 성능 저하를 방지하고 안전성을 확보할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 맨드렐의 구조를 나타내는 모식도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 맨드렐을 사용하여 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도들이다;
도 4 내지 10 은 본 발명의 하나의 실시예에 전극조립체 제조방법의 순서를 나타내는 모식도들이다;
도 11 은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 유닛셀이 풀셀 구조인 경우의 권취 구조를 나타내는 모식도이다;
도 12 는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 유닛셀이 바이셀 구조인 경우의 권취 구조를 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4 내지 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 전극조립체 제조방법의 순서를 나타내는 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하여 전극조립체 제조방법을 설명하면, 먼저, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 양극(191) 및 음극(192) 사이에 분리막(193)이 개재된 구조의 제 1 유닛셀(101)을 제조하는 과정을 포함한다.
제 1 유닛셀(101)은 양극(191) 및 음극(192) 보다 상대적으로 큰 크기를 가지는 분리막(193)이 적층되어 상호 접합되어 있는 구조로 이루어져 있고, 분리막(193)이 양극(191) 및 음극(192)의 외주변을 넘어 연장되어 있는 부위가 분리막 잉여부(194)를 형성하고 있다.
이때, 제 1 유닛셀(101)은 1개의 양극(191)이 상단에 위치하고, 그것의 하단에 분리막(193)이 개재된 상태로 음극(192)이 적층된 구조로서, 양측 외면들에 각각 위치하는 극판들의 전극 종류가 서로 다른 풀셀 구조를 이루고 있으며, 이하에서 설명하는 바와 같이, 양극(191) 및 음극(192)의 적층 위치가 동일하거나, 또는 다른 구조로 구성된 복수의 유닛셀들을 사용하여 전극조립체를 제조할 수 있다.
도 4에서는 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀 구조의 제 1 유닛셀(101)을 제조한 것으로 도시되어 있지만, 설계되는 전극조립체의 구조에 따라 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극이 위치되는 바이셀 구조의 유닛셀로 제조하는 것이 가능함은 물론이다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 분리필름(300) 상에 제 1 유닛셀(101)을 시작으로 순차적으로 복수의 유닛셀들(111, 121)이 배치되게 되며, 도 6 및 7에 도시되어 있는 바와 같이, 분리필름(300)의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀(101)을 맨드렐(150)로 고정하는 과정을 포함한다.
구체적으로, 맨드렐(150)은 제 1 유닛셀(101)의 상단 부위를 고정하는 제 1 그립퍼(160)를 포함하고, 상기 제 1 그립퍼(160)와 제 1 유닛셀(101)의 하단 부위를 고정하는 제 2 그립퍼(170)를 포함하고 있다.
제 1 그립퍼(160)는 제 1 유닛셀(101)의 상면을 고정하는 2개의 상부 레그(161, 162)와 이에 대응하여 분리필름(300)의 하면을 고정하는 2개의 하부 레그(163, 164)를 포함하고 있고, 제 2 그립퍼(170)는 제 1 유닛셀(101)의 상면을 고정하는 2개의 상부 레그(171, 172)와 이에 대응하여 분리필름(300)의 하면을 고정하는 2개의 하부 레그(173, 174)를 포함하고 있다.
제 1 그립퍼(160) 및 제 2 그립퍼(170)는 제 1 유닛셀(101)에서 분리막 잉여부(194)를 제외한 상면과 분리필름(300)의 하면을 고정하는 구조로 위치하고 있으며, 상기 구조에 따라, 제 1 유닛셀(101) 좌측 또는 우측에 위치하는 분리막 잉여부(194)가 노출될 수 있는 구조로 고정된다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 분리필름(300)의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀(101)은 맨드렐(150)에 고정된 상태로 위치하게 되며, 히팅 다이(101)에 의하여 제 1 유닛셀()에 이웃한 제 2 유닛셀(111)의 반대 방향에 위치하는 제 1 유닛셀(101)의 단부 부위의 분리막 잉여부(194)가 가열 압착되는 과정을 포함한다.
이때, 히팅 다이(180)는 분리막 잉여부(194)에 대응하는 제 1 유닛셀(101)의 극판 단부 부위가 일부 중첩되도록 위치가 조정되어 함께 가열 압착하는 구조로 구성되며, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 가열 압착에 의하여, 분리막 잉여부(194)의 하면 일부가 분리필름(300)의 상면에 융착되어 고정된다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은, 제 1 유닛셀(101)의 분리막 잉여부(194)가 분리필름(300)에 열 융착된 상태에서, 맨드렐(150)에 의해 제 1 유닛셀(101)을 회전시켜 유닛셀들을 순차적으로 권취하여 전극조립체를 제조하므로, 권취 과정에서 권취 개시 부분(a)의 분리막이 접히지 않고, 그 이후에 이어지는 권취 과정에서도 제 1 유닛셀(101)이 제 2 유닛셀(111)에 접촉되어 단락이 발생할 우려가 없다.
도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 유닛셀이 풀셀 구조인 경우의 권취 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀 구조의 유닛셀들(201, 211, 221, 231, 241)이 분리필름(300) 상에 배치되어 있고, 제 1 유닛셀(201)의 분리막 잉여부(294)가 분리필름(300)과 열 융착된 상태로 고정되어 있으며, 제 1 유닛셀(201)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 전극조립체를 제조한다.
이 때, 유닛셀들(201, 211, 221, 231, 241)의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 유닛셀(201)과 제 2 유닛셀(211)은 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 유닛셀(201)의 외면이 분리필름(300)으로 완전히 도포된 후 제 1 유닛셀(201)의 하단면 전극(음극)이 제 2 유닛셀(211)의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
제 2 유닛셀(211) 이후의 유닛셀들(221, 231, 241)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름(300)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 유닛셀들(201, 211, 221, 231, 241)은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 하나의 바람직한 예로, 제 1 유닛셀(201)과 제 2 유닛셀(211)은 상단면 전극이 양극인 풀셀 구조이고, 제 3 유닛셀(221)은 상단면 전극이 음극인 풀셀 구조이며, 제 4 유닛셀(231)은 상단면 전극이 양극인 풀셀 구조이고, 제 5 유닛셀(241)은 상단면 전극이 음극인 풀셀 구조로 이루어져 있다.
즉, 제 1 유닛셀(201)을 제외하면 상단면 전극이 양극인 유닛셀들(211, 231)과 상단면 전극이 음극인 유닛셀들(221, 241)이 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 유닛셀이 바이셀 구조인 경우의 권취 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극이 위치되는 바이셀 구조의 유닛셀들(402, 412, 422, 432, 442)이 분리필름(500) 상에 배치되어 있고, 제 1 유닛셀(402)의 분리막 잉여부(494)가 분리필름(500)과 열 융착된 상태로 고정되어 있으며, 제 1 유닛셀(402)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 형 전극조립체를 제조한다.
이 때, 유닛셀들(402, 412, 422, 432, 442)의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 유닛셀 (402)과 제 2 유닛셀 (412)은 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 유닛셀 (402)의 외면이 분리필름(300)으로 완전히 도포된 후 제 1 유닛셀(402)의 하단면 전극(음극)이 제 2 유닛셀 (412)의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
제 2 유닛셀(412) 이후의 유닛셀들(422, 432, 442)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름 (500)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 유닛셀들(402, 412, 422, 432, 442)은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 하나의 바람직한 예로, 제 1 유닛셀 (402)은 외부 전극이 음극인 바이셀 구조이고, 제 2 유닛셀 (412)과 제 3 유닛셀 (422)은 외부 전극이 양극인 바이셀 구조이며, 제 4 유닛셀(432)과 제 5 유닛셀(442)은 외부 전극이 음극인 바이셀 구조로 이루어져 있다.
즉, 제 1 유닛셀 (402)을 제외하면 외부 전극이 양극인 유닛셀들(412, 422)과 외부 전극이 음극인 유닛셀들(432, 442)이 두 개 단위로 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 둘 이상의 유닛셀들이 분리필름으로 권취되어 있는 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 양극 또는 음극으로 이루어진 극판들 사이에 분리막이 개재된 구조의 유닛셀들을 제조하는 과정;
    (b) 유닛셀들을 시트형 분리필름의 상면에 소정의 간격으로 배열하는 과정;
    (c) 분리필름의 권취 개시 부위에 위치하는 제 1 유닛셀을 맨드렐(mandrel)로 고정하는 과정;
    (d) 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 극판의 외주변을 넘어 연장된 분리막 잉여부를 분리필름에 가열 압착하는 과정; 및
    (e) 맨드렐에 의해 제 1 유닛셀을 회전시켜 유닛셀들을 순차적으로 권취하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀들은, 극판보다 상대적으로 큰 크기를 가진 분리막이 교대로 적층되어 상호 접합되어 있는 구조로 이루어져 있고, 분리막이 극판의 외주변을 넘어 연장되어 있는 부위인 분리막 잉여부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유닛셀들은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양측 외면들에 각각 위치한 극판들의 전극 종류가 서로 다른 풀셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 유닛셀들은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양측 외면들에 각각 위치한 전극의 종류가 동일한 바이셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 과정(a)에서, 유닛셀들 중에 권취 종료 부위의 2개의 유닛셀들은 양측 외면들에 각각 음극이 위치하는 구조의 C형 바이셀들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)에서, 제 1 유닛셀에 이웃한 제 2 유닛셀이 적어도 하나의 유닛셀에 대응하는 간격으로 제 1 유닛셀로부터 이격된 거리에 배열되고, 제 2 유닛셀 이후의 유닛셀들은 각각의 간격이 권취 폭에 대응하여 점증하도록 분리필름 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)의 멘드릴은, 제 1 유닛셀의 상면을 고정하는 하나 이상의 상부 레그(leg)와, 상기 상부 레그에 대응하여 분리필름의 하면을 고정하는 하나 이상의 레그로 이루어진 그립퍼(gripper)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 그립퍼는 2개의 상부 레그들과 2개의 하부 레그들을 포함하고, 제 1 유닛셀에서 분리막 잉여부를 제외한 상면과 분리필름의 하면을 고정하는 구조로 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)에서, 분리필름에 가열 압착되는 외측 단부 부위의 분리막 잉여부는 제 1 유닛셀에 이웃한 제 2 유닛셀의 반대 방향에 위치한 제 1 유닛셀의 단부 부위인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)의 가열 압착은 히팅 다이에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 히팅 다이는 제 1 유닛셀의 외측 단부 부위에서 분리막 잉여부의 상단으로부터 하단까지의 전체 부위를 가열 압착하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 히팅 다이는 분리막 잉여부에 대응하는 제 1 유닛셀의 극판 단부 부위를 함께 가열 압착하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 압착되는 분리막 잉여부는 0.2 내지 3 mm의 폭을 가진 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 압착에 의해 분리막 잉여부는 분리필름에 융착 또는 접착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 하나에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 15 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제 16 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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