KR20180041871A

KR20180041871A - 바이폴라 전고체 전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20180041871A
Application number: KR1020160134161A
Authority: KR
Inventors: 박상진; 윤용섭; 권오민; 민홍석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-25
Also published as: KR101905984B1

Abstract

본 발명은 바이폴라 전고체 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위셀을 2개 이상 직렬로 적층시키고, 각 단위셀의 가장자리부를 양면이 접착제로 표면 코팅된 절연필름으로 감싸는 형태로 제조함으로써 전극 간, 전극과 전해질간의 접촉력을 크게 향상시켜 정렬된 단위셀의 구조를 틀어짐 없이 그대로 유지시키고, 전지 내부의 단락 발생을 방지하며, 각 단위셀이 연속적으로 적층되어 공정성이 크게 향상된 바이폴라 전고체 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

바이폴라 전고체 전지 및 그 제조방법{BIPOLAR ALL SOLID BATTERY AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

이차 전지는 산화, 환원의 화학반응을 통해 화학에너지와 전기에너지가 상호 변환되어 충전과 방전을 반복하는 전지이며 일반적으로 양극, 음극, 분리막, 전해질이라는 네 가지 기본 요소를 포함하고 있다. 양극과 음극을 통틀어 전극이라 하며, 전극 재료의 구성요소 중에서도 실제로 반응을 일으키는 재료를 활물질이라고 칭하기도 한다.

일반적인 리튬이온 이차전지는 액체전해질 및 액체를 포함하는 전해질이 사용되고 있다. 그러나 액체전해질은 휘발성이 있어 폭발의 위험이 존재하고, 열적 안정성도 떨어지는 단점이 있다.

반면, 고체상의 전해질을 사용하는 전고체 전지(All solid state battery)의 경우, 폭발의 위험이 적고, 열적 안정성도 우수하다. 또한 집전체(바이폴라플레이트)에 전극을 적층하여 직렬연결을 가능하게 함으로써 높은 작동 전압을 구성할 수 있는데, 이 경우 액체전해질을 적용한 전지의 병렬 연결 방식보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.

전지를 적층하는 방식으로는 일반적으로 병렬 및 직렬방식이 있는데, 병렬방식은 집전체의 양면에 동일한 극의 전극합재가 위치하면서, 양극 및 음극이 적층되는 구조이며, 직렬방식은 집전체(바이폴라플레이트)의 일면에 양극합재, 반대면에 음극합재가 형성되어 있는 바이폴라 전극이 적층된 구조를 갖는다.

여기서 양극 합재란, 적어도 양극 활물질을 포함하며 추가로 도전재, 바인더, 전해질을 포함하는 층을 의미하며, 마찬가지로 음극 합재란, 적어도 음극활물질을 포함하며 추가로 도전재, 바인더, 전해질을 포함하는 층을 의미한다.

기존 액체전해질을 사용하는 전지와는 다르게, 전고체 셀을 적층하는데에 있어서는 전극과 전해질의 접촉 문제가 매우 크게 발생한다.

전고체 셀은 고체-고체간 접촉으로 리튬이온을 전달하기 때문에, 셀을 적층할 때에 각각 전극 및 전해질 간에 접촉 향상을 위해서는 전극/전해질 간 별도의 가압 또는 열처리 공정이 필수적이다. 가압력이 클수록 전극/전해질 간의 접촉이 향상되어 셀 특성이 향상됨을 확인하였으나, 이 경우 셀 내부에서 단락이 빈번하게 발생하였다.

단락이 발생하는 원인으로는 노칭(notching)하면서 발생한 기재 가장자리부의 버(Burr)가 고체전해질층을 파고 들어가 반대면 전극과 닿는 경우이며, 전극 적층 시 면적 불일치에 따른 응력 불균일로 이러한 현상이 더욱 심화된다.

이러한 단락을 해결하기 위한 방법으로 종래 한국공개특허 제2014-0009497호에서는 집전체의 표면 상에 보강층이 배치되어 있는 구조의 바이폴라 전고체 전지를 개시하고 있으나, 상기 문헌은 집전체들을 미리 타발하고 절연체, 양극, 음극, 고체전해질을 각각 낱장으로 따로 코팅해야 해서 연속 공정이 어려워 공정성이 불리한 문제가 있다. 또한 각 층의 전극간 정렬(align)을 맞추어 제작 및 유지하기가 어려운 문제가 있다.

한국공개특허 제2014-0009497호

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 단위셀을 2개 이상 직렬로 적층시키고, 각 단위셀의 가장자리부를 양면이 접착제(140)로 표면 코팅된 절연필름(100)으로 감싸는 형태로 제조함으로써 전극 간, 전극과 전해질간의 접촉력을 향상시켜 정렬된 단위셀의 구조를 틀어짐 없이 그대로 유지시킬 수 있으며, 전지 내부의 단락 발생을 방지할 수 있고, 각 단위셀을 절연필름(100)에 연속적으로 적층시켜 공정성을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 전극 간, 전극과 전해질간 정렬을 그대로 유지시키고, 전지 내부의 단락 발생을 방지할 수 있는 바이폴라 전고체 전지(500)를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 연속 공정이 가능한 바이폴라 전고체 전지(500)의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 음극 집전체(210), 상기 음극 집전체(210) 상에 형성되는 음극(220), 상기 음극(220) 상에 형성되는 고체전해질막(230), 상기 고체전해질막(230) 상에 형성되는 양극(321) 및 상기 양극(321) 상에 형성되는 양극 집전체(311)를 포함하는 단위셀(400)이 2개 이상 직렬로 적층되어 있고, 상기 직렬로 적층된 단위셀들은 각 단위셀(400)의 가장자리부를 감싸는 절연필름(100)을 포함하고, 상기 절연필름(100)은 양면이 접착제(140)로 표면 코팅된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지(500)를 제공한다.

또한 본 발명은 (a) 복수개의 홀(130)이 형성된 구조의 절연필름(100)을 준비하는 단계; (b) 음극 집전체(210) 상에, 음극(220) 및 고체전해질막(230)을 차례로 도포하여 음극층(200)을 제조하는 단계; (c) 양극 집전체(311) 상에, 양극(321)을 도포하여 양극층(300)을 제조하는 단계; (d) 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 상기 음극층(200)을 위치시키는 단계; (e) 상기 절연필름(100) 내 위치된 음극층(200) 상에 상기 양극층(300)을 적층하여 단위셀(400)을 제조하는 단계; (f) 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하여 2개 이상의 단위셀들을 직렬로 적층시키는 단계; 및 (g) 상기 적층된 단위셀들을 고온 가압하여 바이폴라 전고체 전지(500)를 제조하는 단계;를 포함하는 바이폴라 전고체 전지(500)의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 바이폴라 전고체 전지(500)는 단위셀(400)을 2개 이상 직렬로 적층시키고, 각 단위셀(400)의 가장자리부를 절연필름(100)으로 감싸는 형태로 제조함으로써 전극 간, 전극과 전해질간의 접촉력을 크게 향상시켜 정렬된 단위셀(400)의 구조를 틀어짐 없이 그대로 유지시킬 수 있으며, 전지 내부의 단락 발생을 방지할 수 있다.

또한, 각 단위셀(400)을 절연필름(100)에 연속적으로 적층시킴으로써 공정성을 향상시킬 수 있고, 전극 적층 시 면적 불일치로 인한 응력 불균일 현상을 방지할 수 있다.

아울러, 접착성 소재 및 황화수소 흡착재가 혼합된 접착제(140)로 표면 코팅된 절연필름(100)을 사용함으로써 전지 내부의 수분과 고체전해질 간의 반응으로 발생하는 황화수소를 흡착하여 유독성 가스의 발생을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 바이폴라 전고체 전지(500)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 양극층(300)의 정면도 및 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 바이폴라 전고체 전지(500)의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 양극층(300)의 정면도 및 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 절연필름(100)의 정면도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 음극층(200) 및 양극층(300)을 차례로 적층하여 단위셀(400)을 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 일면에만 캐리어 필름(120)을 부착된 절연필름(100)을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 양면에 캐리어 필름(120)이 부착된 절연필름(100)을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 절연필름(100)의 홀(130)에 단위셀(400)을 연속적으로 적용하여 직렬 구조의 바이폴라 전고체 전지(500)를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 절연필름(100)은 기존 리튬이온전지의 접착형 분리막에 비해 단위셀(400)의 가장자리부에만 존재하기 때문에 셀 성능에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 또한 상기 절연필름(100)은 각 단위셀(400)의 가장자리부를 감싸고 있어, 전극 간, 전극과 전해질간의 접촉력을 크게 향상시켜 정렬된 단위셀(400)의 구조를 틀어짐 없이 그대로 유지시킬 수 있고, 전지 내부의 단락 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용된 절연필름(100)은 절연 기능만 만족하면 모든 바인더류를 사용할 수 있으나, 리튬이온전지의 접착형 분리막은 전극에 사용된 바인더와 동일 종류만 가능하기 때문에 공정상 용이하지 않다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 절연필름(100)은 절연이 가능한 절연소재(150)로 폴리에틸렌, 폴리이미드, 실리콘, 불소 고무 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 불소 고무로는 바이톤(Viton)을 사용할 수 있고, 폴리테트라플루오로에틸렌으로는 테플론을 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 절연필름(100)은 두께가 10~200 ㎛인 것일 수 있다. 상기 절연필름(100)은 두께가 10 ㎛ 보다 얇으면 전극 적층 시 공정이 어려운 문제가 있고, 200 ㎛ 보다 두꺼우면 전극 두께보다 두꺼워져 바람직하지 않다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 접착제(140)는 접착성 소재와 황화수소 흡착재가 혼합된 것일 수 있다. 상기 접착제(140)의 접착성 소재는 바이폴라 전고체 전지(500)의 적층 시에는 접착력이 없다가 파우치 실링할 때 열 및 압력을 가해 접착성을 발현시킬 수 있다. 적층 시에 접착력이 있을 경우 공정성 확보가 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 접착성 소재는 전극 및 절연필름(100) 간, 전극 및 전극 간 컨택(contact)을 유지하고, 각 전극의 정렬(align)이 틀어지는 것을 방지하는 역할을 한다.

또한 상기 황화수소 흡착재는 단위셀(400) 내부의 수분과 고체전해질 간의 반응으로 발생하는 황화수소를 흡착하여 제거 또는 감소시키는 역할을 한다.

바람직하게는 접착성 소재인 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVdF)와 황화수소 흡착재인 산화아연(ZnO₂)이 80 : 20 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 이때, 상기와 같은 혼합비율을 벗어나는 경우 접착력이 저하될 문제가 있다.

또한 상기 접착제(140)는 1 ~ 10 ㎛ 두께로 표면 코팅된 것일 수 있다. 상기 접착제(140)의 코팅두께가 1 ㎛ 보다 미만이면 접착력이 부족할 수 있고, 10 ㎛ 보다 초과이면 접착 성분이 전지 내 저항으로 작용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 바이폴라 전고체 전지(500)의 단면도이다. 도 1을 살펴보면, 상기 바이폴라 전고체 전지(500)는 2 개 이상의 단위셀들이 직렬로 적층되어 있고, 절연필름(100)의 단부가 제1 양극의 가장자리부에 접촉되어 하나의 단위셀(400) 가장자리부를 모두 감싸도록 꺽여서 제2 양극의 가장자리부에 접촉되어 있는 구조로 이루어진 것을 보여준다.

이러한 경우, 상기 단위셀(400)은 양극 집전체(311), 음극 집전체(210), 음극(220) 및 고체전해질막(230)이 동일한 제1 면적을 가지되, 제1 면적은 양극(321) 면적 보다 큰 면적을 가지는 것일 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 양극층(300)의 정면도 및 측면도이다.

상기와 같은 구조로 바이폴라 전고체 전지(500)를 형성하게 되면, 양극(321)의 가장자리부까지 모든 용량을 사용할 수 있으며, 양극 집전체(311)의 버(burr)로 인한 전지 단락을 차단할 수 있다. 여기에서, 버(burr)는 전극 타발 시 기재가 연성에 의해 깨끗하게 절단되지 않고, 늘어나 띠 모양으로 돌출된 형태를 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 바이폴라 전고체 전지(500)의 단면도이다. 상기 도 3을 살펴보면, 상기 바이폴라 전고체 전지(500)는 2 개 이상의 단위셀들이 직렬로 적층되어 있고, 절연필름(100)의 단부가 제1 양극의 가장자리부 안쪽에 삽입된 형태로 접촉되어 하나의 단위셀(400) 가장자리부를 모두 감싸도록 꺽여서 제2 양극 가장자리부 안쪽에 삽입된 형태로 접촉되어 있는 구조로 이루어진 것을 보여준다.

이러한 경우, 상기 단위셀(400)은 양극(322) 및 양극 집전체(312)가 동일한 제2 면적을 가지고, 음극 집전체(210), 음극(220) 및 고체전해질막(230)이 동일한 제3 면적을 가지되, 제3 면적이 제2 면적보다 큰 면적을 가지는 것일 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 양극층(300)의 정면도 및 측면도이다. 상기 도 4에 나타낸 바와 같이 양극(322) 및 양극 집전체(312)의 면적을 동일하게 하여 바이폴라 전고체 전지(500)를 제조하게 되면 양극 코팅 시 패턴 코팅이 필요 없으며 전극 타발 시에도 기존과 동일한 공정을 적용할 수 있다.

상기와 같은 구조로 바이폴라 전고체 전지(500)를 형성하게 되면, 상기 절연필름(100)이 제1 양극의 가장자리부 안쪽에 삽입된 형태로 접촉되어 양극(322) 코팅 시 별도의 패턴 코팅을 하지 않아도 되는 이점이 있다. 또한 기존 전고체 전지와 동일하게 노칭 공정이 가능하고, 양극 집전체(312)의 버(burr)로 인한 단락을 차단할 수 있다.

한편, 본 발명은 (a) 복수개의 홀(130)이 형성된 구조의 절연필름(100)을 준비하는 단계; (b) 음극 집전체(210) 상에, 음극(220) 및 고체전해질막(230)을 차례로 도포하여 음극층(200)을 제조하는 단계; (c) 양극 집전체(311) 상에, 양극(321)을 도포하여 양극층(300)을 제조하는 단계; (d) 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 상기 음극층(200)을 위치시키는 단계; (e) 상기 절연필름(100) 내 위치된 음극층(200) 상에 상기 양극층(300)을 적층하여 단위셀(400)을 제조하는 단계; (f) 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하여 2개 이상의 단위셀들을 직렬로 적층시키는 단계; 및 (g) 상기 적층된 단위셀들을 고온 가압하여 바이폴라 전고체 전지(500)를 제조하는 단계;를 포함하는 바이폴라 전고체 전지(500)의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계는, (a-1) 복수개의 홀(130)이 형성된 구조의 절연필름(100)을 제조하는 단계; 및 (a-2) 상기 절연필름(100)의 양면에 접착제(140)를 도포하여 표면 코팅시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 절연필름(100)의 정면도 및 단면도이다. 상기 도 5에 나타낸 절연필름(100)은 복수개의 홀(130)이 형성된 구조로 이루어져 있으며, 절연필름(100)은 절연소재(150) 표면에 접착제층(140)이 형성된 형태로 이루어진 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 음극층(200) 및 양극층(300)을 차례로 적층하여 단위셀(400)을 제조하는 과정을 보여주는 도면이다. 상기 도 6에서 확인할 수 있듯이, 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 음극층(200) 및 양극층(300)을 차례로 적층하여 하나의 단위셀(400)을 제조하고, 이러한 과정을 반복적으로 수행하여 2 개 이상의 단위셀들을 직렬로 적층시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 및 (c) 단계는 통상의 방법에 의해 각각 음극층(200) 및 양극층(300)을 제조할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계에서는 상기 음극층(200)의 가장자리부를 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)이 완전히 감싸도록 하여 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 상기 음극층(200)을 위치시킬 수 있다.

상기 (d) 단계는 상기 절연필름(100)의 일면 또는 양면에 캐리어 필름(120)을 부착시킬 수 있으며, 그에 따라 전극 적층 시 제조 방법이 일부 상이할 수 있다. 상기 캐리어 필름(120)은 절연필름(100)을 고정시키고, 롤링(rolling) 시 절연필름의 형태를 유지시킬 수 있다. 상기 캐리어 필름(120)은 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 알루미늄 호일 (Al foil), 구리 호일(Cu foil) 및 SUS로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 일면에만 캐리어 필름(120)을 부착된 절연필름(100)을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 양면에 캐리어 필름(120)이 부착된 절연필름(100)을 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 상기 절연필름(100)의 일면에 캐리어 필름(120)을 부착시키는 경우 다음과 같은 방법으로 실시될 수 있다.

구체적으로 상기 (d) 단계에서 상기 절연필름(100)의 일면에 캐리어 필름(120)을 부착시킨 후 롤링 공정을 진행할 수 있다. 그 다음 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 상기 음극층(200)을 위치시키기 전에 양쪽에 텐션(tension)이 고르게 가해질 수 있도록 별도의 롤(roll)을 상기 절연필름(100)의 양쪽 가장자리를 고정시킨 후 상기 캐리어 필름(120)을 제거할 수 있다. 그런 다음 상기 음극층(200)의 가장자리부를 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)이 감싸도록 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 상기 음극층(200)을 위치시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 절연필름(100)의 양면에 캐리어 필름(120)을 부착시키는 경우 다음과 같은 방법으로 실시될 수 있다.

구체적으로 상기 (d) 단계에서 상기 절연필름(100)의 양면에 캐리어 필름(120)을 부착시킨 후 상기 절연필름(100)의 일면에 부착된 캐리어 필름(120)을 제거할 수 있다. 이때, 고체전해질막(230)과 닿은 부분의 캐리어 필름(120)만을 제거하는 것이 바람직하며, 여전히 다른 한면에 캐리어 필름(120)이 있기 때문에 텐션(tension)을 가하기 위한 별도의 롤 고정이 필요 없다. 그 다음, 상기 음극층(200)의 가장자리부를 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)이 감싸도록 상기 절연필름(100)의 하나의 홀(130)에 상기 음극층(200)을 위치시키고, 상기 절연필름(100)의 다른면에 부착된 캐리어 필름(120)을 제거할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계 후 금속 바(metal bar)를 이용하여 상기 절연필름(100)의 가장자리부를 고정시키고, 이미지 스캔을 이용하여 양극층(300)의 위치를 확인할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (e) 단계에서는 상기 절연필름(100) 내 위치된 음극층(200) 상에 상기 양극층(300)을 적층하여 단위셀(400)을 제조할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 절연필름(100)의 홀(130)에 단위셀(400)을 연속적으로 적용하여 직렬 구조의 바이폴라 전고체 전지(500)를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다. 상기 도 9를 살펴보면, 상기 (d) 및 (e) 단계가 연속적인 공정에 의해 적층되어 하나의 단위셀(400)을 제조할 수 있음을 보여준다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (f) 단계에서는 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하여 2개 이상의 단위셀들을 직렬로 적층시킬 수 있다. 이는 리튬이온전지의 젤리롤과 유사한 형태로 제작될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (f) 단계 및 상기 (g) 단계 사이에 상기 2개 이상의 단위셀들을 직렬로 적층시키고, 상기 적층된 단위셀들의 양 끝단에 탭이 있는 전극을 위치하도록 하여 탭 및 파우치로 실링하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 단위셀들은 각 단위셀 양 끝단의 양극, 음극에 탭 실링을 위한 무지부(탭 용접을 위해 코팅이 안된 기재 부분)가 존재할 수 있다. 이에 상기 무지부에 탭 용접을 실시한 후에 기존 전지와 동일하게 파우치 실링을 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (g) 단계에서는 상기 적층된 단위셀들과 접합된 상기 절연필름(100)에 접착성을 부여할 수 있는데, 이때 온도는 70 ~ 90 ℃ 이고, 압력은 1.5 ~ 2.5 bar의 조건에서 핫프레싱(hot pressing) 공정에 의해 수행될 수 있다.

또한, 상기 (g) 단계에서는 상기 단위셀(400)을 1 ~ 5 ton/㎠ 의 압력에서 1~10 분 동안 등방가압법에 의해 가압하여 바이폴라 전고체 전지(500)를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 바이폴라 전고체 전지(500)는 단위셀(400)을 2개 이상 직렬로 적층시키고, 각 단위셀(400)의 가장자리부를 절연필름(100)으로 감싸는 형태로 제조함으로써 전극 간, 전극과 전해질간의 접촉력을 크게 향상시켜 정렬된 단위셀(400)의 구조를 틀어짐 없이 그대로 유지시킬 수 있으며, 전지 내부의 단락 발생을 방지할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

제조예: 절연필름(100)의 제조

절연소재(150)로 폴리이미드를 사용하여 50 ㎛ 두께를 가지는 복수개의 홀(130)이 형성된 절연필름(100)을 제조하였다. 그 다음 폴리비닐리덴플루오라이드 및 산화아연이 80 : 20 중량비로 혼합하여 접착제(140)를 제조하였다. 그런 다음 상기 절연필름(100)의 양면에 상기 접착제(140)를 5 ㎛ 두께로 표면을 코팅한 후 80 ℃ 온도에서 건조하였다.

실시예 1: 바이폴라 전고체 전지(500)의 제조

통상의 방법에 의해 음극 집전체(210) 위에, 음극(220) 및 고체전해질막(230)을 차례로 도포하여 음극층(200)을 제조하였고, 양극 집전체(311) 위에 양극(321)을 도포하여 양극층(300)을 제조하였다. 그 다음 상기 절연필름(100) 일면에 캐리어 필름(120)을 부착시켰다. 전극과 절연필름(100)의 적층은 다음과 같은 롤링 공정을 통해 진행되었다.

상기 절연필름(100)으로부터 캐리어 필름(120)을 제거한 후 양쪽 가장자리를 롤(roll)로 고정시키면서 음극층(200)을 위치시킨 후 메탈바를 이용하여 절연필름(100)의 가장자리부를 고정시켰다.

그런 다음 이미지스캔을 이용하여 양극층(300)의 위치를 확인한 후 양극층(300)을 절연필름(100) 내 음극층(200) 위의 공간에 위치시켜 단위셀(400)을 제조하였다. 상기 단위셀(400) 위에 직렬 구조로 상기와 같은 방법을 반복하여 복수 개의 단위셀(400)을 적층시켰다.

그 다음 상기 단위셀들의 양 끝단을 탭 및 파우치를 실링한 후 80 ℃의 온도에서 2 bar의 조건으로 핫프레싱 공정을 수행하여 절연 필름에 접착성을 부여하였다. 그 다음 5 ton/㎠ 의 조건으로 5 분간 등방가압법을 수행하여 바이폴라 전고체 전지(500)를 제작하였다.

실시예 2: 바이폴라 전고체 전지(500)의 제조

양극층(300)의 제조까지 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 상기 절연필름(100) 양면에 캐리어 필름(120)을 부착시킨 후 다음과 같은 롤링 공정을 통해 적층하였다.

절연필름(100)으로부터 캐리어 필름(120) 한쪽을 제거한 후 음극층(200)을 위치시켰다. 그 다음 나머지 한쪽면의 캐리어 필름도 제거함과 동시에 메탈바를 이용하여 가장자리부를 고정시켰다. 그 이후 양극층(300) 적층과 바이폴라 전고체 전지(500) 제작은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

100: 절연필름
120: 캐리어 필름
130: 홀
140: 접착제
150: 절연소재
200: 음극층
210: 음극 집전체
220: 음극
230: 고체전해질막
300: 양극층
311, 312: 양극 집전체
321, 322: 양극
400: 단위셀
500: 바이폴라 전고체 전지

Claims

음극 집전체, 상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극, 상기 음극 상에 형성되는 고체전해질막, 상기 고체전해질막 상에 형성되는 양극 및 상기 양극 상에 형성되는 양극 집전체를 포함하는 단위셀이 2개 이상 직렬로 적층되어 있고,
상기 적층된 단위셀들은 각 단위셀의 가장자리부를 감싸는 절연필름을 포함하고, 상기 절연필름은 양면이 접착제로 표면 코팅된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 절연필름의 소재는 폴리에틸렌, 폴리이미드, 실리콘, 불소 고무 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 절연필름은 두께가 10~200 ㎛인 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 접착제는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 산화아연이 80 : 20 중량비로 혼합된 것이며, 상기 접착제는 1 ~ 10 ㎛ 두께로 표면 코팅된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 바이폴라 전고체 전지는 2 개 이상의 단위셀들에 대해 절연필름의 단부가 제1 양극의 가장자리부에 접촉되어 하나의 단위셀 가장자리부를 모두 감싸도록 꺽여서 제2 양극의 가장자리부에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제5항에 있어서,
상기 단위셀은 양극 집전체, 음극 집전체, 음극 및 고체전해질막이 동일한 제1 면적을 가지되, 제1 면적은 양극 면적 보다 큰 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제1항에 있어서,
상기 바이폴라 전고체 전지는 2 개 이상의 단위셀들에 대해 절연필름의 단부가 제1 양극의 가장자리부 안쪽에 삽입된 형태로 접촉되어 하나의 단위셀 가장자리부를 모두 감싸도록 꺽여서 제2 양극 가장자리부 안쪽에 삽입된 형태로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
제7항에 있어서,
상기 단위셀은 양극 및 양극 집전체가 동일한 제2 면적을 가지고, 음극 집전체, 음극 및 고체전해질막이 동일한 제3 면적을 가지되, 제3 면적이 제2 면적보다 큰 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지.
(a) 복수개의 홀이 형성된 구조의 절연필름을 준비하는 단계;
(b) 음극 집전체 상에, 음극 및 고체전해질막을 차례로 도포하여 음극층을 제조하는 단계;
(c) 양극 집전체 상에, 양극을 도포하여 양극층을 제조하는 단계;
(d) 상기 절연필름의 하나의 홀에 상기 음극층을 위치시키는 단계;
(e) 상기 절연필름 내 위치된 음극층 상에 상기 양극층을 적층하여 단위셀을 제조하는 단계;
(f) 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하여 2개 이상의 단위셀들을 직렬로 적층시키는 단계; 및
(g) 상기 적층된 단위셀들을 고온 가압하여 바이폴라 전고체 전지를 제조하는 단계;
를 포함하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 복수개의 홀이 형성된 구조의 절연필름을 제조하는 단계; 및
(a-2) 상기 절연필름의 양면에 접착제를 도포하여 표면 코팅시키는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 절연필름의 소재는 폴리에틸렌, 폴리이미드, 실리콘, 불소 고무 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 절연필름은 두께가 10~200 ㎛인 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 접착제는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 산화아연이 80 : 20 중량비로 혼합된 것이며, 상기 접착제는 1 ~ 10 ㎛ 두께로 표면 코팅된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (d) 단계에서는 상기 절연필름의 일면에 캐리어 필름을 부착시킨 후
상기 캐리어 필름을 제거하면서 별도의 롤을 이용하여 상기 절연필름의 양쪽 가장자리를 고정시키고,
상기 음극층의 가장자리부를 상기 절연필름의 하나의 홀이 감싸도록 상기 절연필름의 하나의 홀에 상기 음극층을 위치시키는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (d) 단계에서는 상기 절연필름의 양면에 캐리어 필름을 부착시킨 후 상기 절연필름의 일면에 부착된 캐리어 필름을 제거하고,
상기 음극층의 가장자리부를 상기 절연필름의 하나의 홀이 감싸도록 상기 절연필름의 하나의 홀에 상기 음극층을 위치시키고,
상기 절연필름의 다른면에 부착된 캐리어 필름을 제거하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전고체 전지의 제조방법.