KR20180118619A - 전고체 2차전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
복수의 가전지체(7, 7)로 구성되는 전고체 2차전지(10)의 제조방법이다. 정극합재(2), 고체전해질(3) 및 부극합재(4)가 적층된 것을, 1쌍의 전극집전체(1, 5)의 사이에서 가압함으로써 복수의 가전지체(7, 7)를 각각 형성하는 공정과, 전극집전체(1, 5) 상호간이 마주 보도록 복수의 가전지체(7, 7)를 포개진 상태에서 가압성형하는 공정을 구비한다. 마주 보는 전극집전체(1, 5)로서 표면이 조화된 것을 사용한다.
Description
본 발명은, 예를 들면 리튬이온 전도성의 고체전해질을 사용한 전고체 2차전지(全固體 2次電池) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 전지의 전해질로서 리튬이온 전도성의 고체전해질을 사용한 전고체 2차전지가 있다. 이 전고체 2차전지는, 정극합재층(正極合材層)과, 부극합재층(負極合材層)과, 고체전해질층과, 정극집전체(正極集電體)와, 부극집전체(負極集電體)를 갖는다. 여기에서 정극합재층은, 정극활물질(正極活物質)과 리튬이온 전도성의 고체전해질로 이루어진다. 부극합재층은, 부극활물질(負極活物質)과 리튬이온 전도성의 고체전해질로 이루어진다. 고체전해질층은, 이들 정극합재층과 부극합재층의 사이에 배치되어 있다. 정극집전체는, 금속제(金屬製)로서 정극합재층의 표면에 형성되어 있다. 부극집전체는, 금속제로서 부극합재층의 표면에 형성되어 있다.
이 전고체 2차전지는, 예를 들면 통모양의 금형 내에 분말모양의 정극합재층을 충전(充塡)한 후에, 분말모양의 고체전해질을 충전하고, 다음에 분말모양의 부극합재층을 충전한 후에, 프레스핀 등의 가압구에 의하여 고압력으로 가압성형(加壓成型)함으로써 제조되고 있었다.
그러나 상기의 제조방법에 의하면, 고압력으로 프레스가 실시되기 때문에, 정극합재층 및 부극합재층(이하, 양자를 통합하여 「전극합재층(電極合材層)」이라고 총칭하는 경우가 있다)에 내부응력(內部應力)이 발생한다. 또한 가압력을 해제하면, 정극합재와 부극합재와 정극집전체와 부극집전체의 연장율의 차이에 기인하는 마찰력이 전극합재층에 작용한다. 그 때문에 전지가 그 두께방향으로 만곡(彎曲)되어 버리게 된다.
이러한 만곡을 막는 방법으로서, 정극집전체 및 부극집전체(이하, 양자를 통합하여 「전극집전체(電極集電體)」라고 총칭하는 경우가 있다)의 양면에, 서로 대칭으로 변형되는 전극합재층을 배치하여, 전지 자체가 만곡되지 않도록 한 것이 있다(예를 들면 특허문헌1을 참조). 그리고 이 전지를 예를 들면 건식(乾式)에 의하여 제조하는 경우에는, 전극집전체의 양면에 전극합재층이 정전도포(靜電塗布) 등에 의하여 형성되어 있었다.
상기에서 설명한 특허문헌1의 제조방법에 의하면, 전극집전체의 양면에 전극합재층을 형성하는 데에 정전도포가 사용되고 있다. 그 때문에, 실제로 제조하는 경우에는, 일방(一方)의 표면에 전극합재를 정전도포한 후에, 반전시켜서 타방(他方)의 표면에 전극합재를 정전도포하게 된다. 그리고 반전시켜서 타방의 표면에 전극합재를 정전도포할 때에, 일방의 표면에 정전도포된 전극합재가 낙하할 우려가 있다. 또한 이러한 사태를 회피하기 위하여 전극집전체를 연직으로 하고 그 양면에 전극합재를 정전도포하는 것도 생각할 수 있지만, 그 작업이 매우 어렵게 된다는 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 제조 시에 생기는 전고체 2차전지의 만곡을 용이하게 방지할 수 있는 전고체 2차전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 전고체 2차전지의 제조방법은, 복수의 가전지체로 구성되는 전고체 2차전지의 제조방법으로서, 정극합재, 고체전해질 및 부극합재가 적층된 것을, 1쌍의 전극집전체의 사이에서 가압함으로써, 복수의 가전지체를 각각 형성하는 공정과, 상기 전극집전체 상호간이 마주 보도록 복수의 가전지체를 포갠 상태에서 가압성형하는 공정을 구비하고, 마주 보는 상기 전극집전체로서 표면이 조화(粗化)된 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전고체 2차전지의 제조방법에 의하면, 표면이 조화된 전극집전체 상호간이 마주 보도록 가전지체를 포개어 가압성형함으로써, 그 조화된 표면이 서로 파고들어간 상태(물려들어간 상태라고도 할 수 있다)가 되어, 만곡에 의하여 가전지체 상호간이 떨어지려고 하는 힘이 없어지고, 이에 따라 성형압력을 해제하더라도 만곡되지 않는 전고체 2차전지가 얻어진다. 따라서 제조 시에 생기는 전고체 2차전지의 만곡을 용이하게 방지하는 것이 가능하게 된다.
도1은, 본 발명의 실시형태1에 관한 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도2는, 동(同) 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도3은, 가전지체의 만곡이 발생하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도4는, 가전지체의 만곡이 발생하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도5는, 가전지체의 만곡이 발생하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도6은, 요철부의 일례인 피트를 설명하는 도면이다.
도7은, 요철부의 일례인 홀을 설명하는 도면이다.
도8은, 요철부의 일례인 산골짜기를 설명하는 도면이다.
도9는, 본 발명의 실시형태2에 관한 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도10은, 가전지체의 만곡을 방지하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도11은, 가전지체의 만곡을 방지하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도12는, 만곡된 상태의 가전지체를 나타내는 도면이다.
도13은, 본 발명의 실시형태3 또는 실시형태4에 관한 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도14는, 동 전고체 2차전지의 제조방법의 바람직한 태양을 설명하는 단면도이다.
도15는, 동 가전지체가 변형되었을 경우의 단면도이다.
도2는, 동(同) 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도3은, 가전지체의 만곡이 발생하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도4는, 가전지체의 만곡이 발생하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도5는, 가전지체의 만곡이 발생하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도6은, 요철부의 일례인 피트를 설명하는 도면이다.
도7은, 요철부의 일례인 홀을 설명하는 도면이다.
도8은, 요철부의 일례인 산골짜기를 설명하는 도면이다.
도9는, 본 발명의 실시형태2에 관한 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도10은, 가전지체의 만곡을 방지하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도11은, 가전지체의 만곡을 방지하는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도12는, 만곡된 상태의 가전지체를 나타내는 도면이다.
도13은, 본 발명의 실시형태3 또는 실시형태4에 관한 전고체 2차전지의 제조방법을 설명하는 단면도이다.
도14는, 동 전고체 2차전지의 제조방법의 바람직한 태양을 설명하는 단면도이다.
도15는, 동 가전지체가 변형되었을 경우의 단면도이다.
(실시형태1)
이하, 본 발명의 실시형태에 관한 전고체 2차전지(全固體 2次電池) 및 그 제조방법을 도면에 의거하여 설명한다.
(가전지체(假電池體)의 형성공정)
우선 도1에 나타내는 바와 같이 얇은 판모양의 금속제(金屬製)의 정극집전체(正極集電體)(1)와, 이 정극집전체(1)의 상면에 배치되는 정극합재층(正極合材層)(2)과, 이 정극합재층(2)의 상면에 배치되는 리튬이온 전도성의 고체전해질층(固體電解質層)(3)과, 이 고체전해질층(3)의 상면에 배치되는 부극합재층(負極合材層)(4)과, 이 부극합재층(4)의 상면에 배치되는 얇은 판모양의 금속제의 부극집전체(負極集電體)(5)를 적층하여 적층체를 형성한다.
정극합재층(2), 고체전해질층(3), 부극합재층(4)으로서는 분말(분체(粉體))의 것이 사용된다. 또 도1에 있어서, 정극집전체(1) 및 부극집전체(5)에 대해서는 해칭이 생략되어 있다. 다른 도면에서도 동일하다. 정극합재층(2), 고체전해질층(3) 및 부극합재층(4)의 각 층의 구체적인 형성방법은, 정전 스크린법(靜電 screen法), 정전 스프레이법(靜電 spray法), 그 이외에 분체를 퇴적시키는 방법이면, 어떤 방법이더라도 좋다.
그 후에 필요한 힘(예를 들면 0.1∼100MPa의 힘)으로 이 적층체를 가압(가가압(假加壓))함으로써 가전지체(7)를 형성한다. 여기에서 정극집전체(1)의 양면(양방의 표면) 및 부극집전체(5)의 양면에는, 조화처리(粗化處理)가 실시된 표면(이하, 요철부(凹凸部)라고도 표현하는 경우가 있다)이 형성되어 있고, 이 가압에 의하여, 내측표면(정극합재층(2) 또는 부극합재층(4)과 접하는 표면)의 요철부에 분말모양의 정극합재 및 부극합재가 물려들어간 상태(파고들어간 상태라고도 표현할 수 있다)가 된다. 또한 이때의 가압력은 가전지체(7)가 변형되지 않을 정도의 크기이기 때문에, 가전지체(7)는 대략 평탄한 형상이다.
(가압성형공정)
다음에, 도2에 나타내는 바와 같이 1쌍의 가전지체(7, 7)를 각각의 정극집전체(1, 1) 상호간이 서로 접촉하도록 포개고, 소정의 성형압력(예를 들면 100MPa∼1000MPa의 압력)으로 가압성형한다. 이 공정은, 예를 들면 1쌍의 평판블록(9, 9)의 사이에 1쌍의 가전지체(7, 7)를 사이에 두고 가압함으로써 실시된다.
여기에서 1개의 가전지체(7)에 대하여 가압성형을 하면, 가전지체(7, 7)는 만곡(彎曲)하게 된다. 가전지체(7)가 만곡되는 메커니즘에 대하여 도3∼도5를 참조하면서 설명한다. 또 여기에서는, 설명을 하기 위하여 1쌍의 가전지체(7, 7)가 아니라, 1개의 가전지체(7)를 사용하면서 설명한다.
도3의 파선부분은 가압성형공정 이전의 가전지체(7)를 나타내고, 실선부분은 가압성형 중의 가전지체(7)를 나타낸다. 도3에 나타내는 바와 같이 가전지체(7)에 성형압력(p)을 가하여 압축하면, 연직방향의 내부응력(a) 및 수평방향의 내부응력(b)이 발생한다. 이때에 가전지체(7)는 평판블록으로부터 마찰력(c)을 받게 된다. 가압성형 중에 있어서, 연직방향의 내부응력(a)은 성형압력(p)과 상쇄되고, 수평방향의 내부응력(b)은 마찰력(c)과 상쇄된다.
도4의 파선부분은 가압성형공정 중의 가전지체(7)를 나타내고, 실선부분은 가압성형공정 이후의 가전지체(7)를 나타낸다. 도3에 나타내는 성형압력(p)이 해제되면, 동시에 마찰력(c)도 해제되기 때문에, 도4에 나타내는 바와 같이 연직방향의 내부응력(a) 및 수평방향의 내부응력(b)이 개방된다. 그 때문에 가전지체(7)는 수평방향 및 연직방향으로 연장되게 된다.
여기에서 수평방향의 연장율은, 각 층의 재료나 전극합재층의 입경(粒徑), 두께에 의존한다. 부극합재층(4)의 연장율이 정극합재층(2)의 연장율을 상회하는 경우에, 성형압력(p)의 해제와 함께 수평방향의 내부응력(b)이 개방됨으로써, 도5에 나타내는 바와 같이 가전지체(7)는 부극합재층(4)이 외측으로 부풀어서 원호형상으로 변형된다. 바꾸어 말하면, 가전지체(7)의 정극집전체(1)측에는 오목모양부(8)가 형성된다.
그래서 본 실시형태에서는, 도2에 나타내는 바와 같이 1쌍의 가전지체(7, 7)를 각각의 정극집전체(1, 1) 상호간이 서로 접촉하도록 포개진 상태에서 가압성형하는 것으로 하고 있다. 정극집전체(1)에는 조화된 표면(요철부)이 형성되어 있기 때문에, 가압성형공정에 의하여 정극집전체(1, 1) 상호간의 표면의 요철부가 서로 파고들어간 상태(물려들어간 상태라고도 할 수 있다)가 되어, 정극집전체(1, 1) 상호간이 각각의 요철부에 의하여 서로 접합(접착)된다. 그 때문에 만곡에 의하여 가전지체(7, 7) 상호간이 떨어지려고 하는 힘이 없어지고, 이에 따라 성형압력을 해제하더라도 만곡되지 않는 전고체 2차전지(10)가 얻어진다. 특히 가전지체(7)를 단체(單體)로 가압하였을 경우의 전지의 변형량(δ)(정극집전체(1) 등의 전극집전체(電極集電體)의 변형량(δ)이며 도5를 참조)이 전지의 폭(L)에 대하여, δ > 0.06L 또는 δ > 3mm를 넘는 경우에 효과가 있다.
여기에서 정극합재층(2)은, 정극활물질(正極活物質)에 리튬이온 전도성의 무기고체전해질이 혼합된 것이다. 정극활물질로서는, 예를 들면 산화물계의 코발트산리튬(LiCoO2), 니켈산리튬(LiNiO2), 망간산리튬(LiMnO2) 등이 사용된다. 또 무기고체전해질로서는, 예를 들면 황화물계의 Li2S(80mol%)-P2S5(20mol%)가 사용된다. 이들 정극활물질과 고체전해질의 혼합비율은 95 대 5∼30 대 70의 범위가 되고, 예를 들면 70 대 30이다.
부극합재층(4)은, 부극활물질(負極活物質)에 리튬이온 전도성의 무기고체전해질이 혼합된 것이다. 부극활물질로서는, 예를 들면 천연흑연, 인조흑연, 흑연탄소섬유, 수지소성탄소 등의 탄소재료, 실리콘, 주석, 리튬 등이 사용되고, 또 고체전해질로서는, 상기 정극합재층(2)의 경우와 동일한 Li2S(80mol%)-P2S5(20mol%)가 사용된다. 이들 부극활물질과 고체전해질의 혼합비율은 95 대 5∼30 대 70의 범위가 되고, 예를 들면 60 대 40이다.
고체전해질층(3)에는, 상기한 바와 같이 황화물계의 무기고체전해질인 Li2S-P2S5(예를 들면 조성비가 80 대 20의 것)가 사용된다. 또한 1000MPa에서의 압축 시의 변형이 40% 이상이 되는 것이 사용된다.
정극집전체(1)로서는, 예를 들면 두께가 20μm인 에치드 알루미늄(etched aluminum)(표면 전해처리 알루미늄박이라고도 한다)이 사용된다. 이 에치드 알루미늄은, 그 양면(양방의 표면)에 조화처리가 실시된 것으로, 구체적으로는 도6에 나타내는 바와 같이 에칭에 의하여 확면처리(擴面處理)가 실시되어 다수의 피트(pit)(가는 홀(hole))(d)가 형성된 것이다. 또 에치드 알루미늄의 조화처리로서는, 피트(d)를 대신하여, 도7에 나타내는 바와 같이 내부가 부풀어 커지도록 우묵하게 들어간 홀(e)을 형성하는 것이더라도 좋고, 또 도8에 나타내는 예각(銳角) 모양의 산골짜기(f)를 형성하는 것이더라도 좋다. 또한 정극집전체(1)의 두께는 예를 들면 5∼40μm의 범위인 것에 대하여, 피트(d), 홀(e), 산골짜기(f) 등의 깊이(h)는 2∼20μm로 할 수 있고, 4∼10μm로 하는 것이 바람직하다. 전술한 조화처리가 실시된 표면은, 통합하여 요철부라고 불리어지고 있다.
부극집전체(5)로서는, 양면이 조화처리된 즉 요철부가 형성된 두께가 18μm 정도인 얇은 판모양의 구리가 사용된다. 구체적으로는, 부극집전체(5)의 표면에 구리입자를 석출시키는 조화처리가 실시된다. 이 판모양의 구리를 표면 전해처리 동박이라고도 한다. 이 경우의 요철부의 깊이에 대해서는, 2∼20μm(부극집전체(5)의 판두께가 20μm 이하인 경우에는, 그 판두께 이하)로 할 수 있고, 4∼10μm로 하는 것이 바람직하다.
전고체 2차전지(10)의 전체로서는, 예를 들면 원형 또는 정사각형의 것으로, 구체적인 크기(원형인 경우에는 직경)로서는 30∼300mm 정도이다. 전고체 2차전지(10)의 두께는 예를 들면 0.6∼5.0mm 정도이다.
그런데 상기 실시형태는, 오목모양부(8)가 형성되는 정극집전체(1) 상호간을 마주 보게 하여, 가전지체(7, 7)를 가압성형하는 태양이지만, 본 발명은 이 태양에 한정되지 않는다. 예를 들면 정극합재층(2)의 연장율이 부극합재층(4)의 연장율을 상회하는 경우에는, 부극집전체(5)에 오목모양부가 형성된다. 이 경우에 오목모양부를 마주 보게 하기 위해서는, 정극집전체(1) 상호간이 아니라, 부극집전체(5) 상호간을 마주 보도록 한다.
또한 가전지체(7, 7) 상호간을 포갤 때에 오목모양부 상호간이 마주 보도록 하는 것을 기술하였지만, 본 발명은 이 태양에 한정되지 않는다. 즉 오목모양부의 반대측의 볼록모양부 상호간을 마주 보게 하여 포개어도 좋다.
또한 정극집전체(1)와 부극집전체(5)를 마주 보게 하여도 좋다. 이 경우에 가압성형공정에 있어서, 1쌍의 가전지체(7, 7)가 같은 방향으로 만곡하기 쉽게 되기 때문에, 전고체 2차전지의 만곡을 방지할 수 없는 것은 아닐까라고도 생각할 수 있다. 그러나 가전지체(7, 7)를 가압성형하면, 전극집전체(1, 5) 상호간의 사이에서 마찰력이 발생한다. 이 마찰력은, 전극집전체(1, 5)의 조화된 표면 상호간이 서로 물려들어감으로써 발생한다. 성형압력을 해제하면, 가전지체(7, 7)는 내부응력이 개방됨으로써 만곡하려고 하지만, 이 힘은 상기의 마찰력에 의하여 없어진다. 이에 따라 만곡이 없는 전고체 2차전지를 얻는 것이 가능하게 된다.
또 전극집전체(1, 5)는, 양면의 전체 영역이 조화처리된 것에 한정되지 않는다. 전극집전체(1, 5)의 표면 중에서 전극합재층(2, 4)과 접촉되는 표면이나, 다른 가전지체(7)의 전극집전체(1, 5)와 접합되는 표면만이 조화처리되는 태양이더라도 좋다. 즉 이들의 표면에 대해서는, 전극합재층(2, 4)의 분말이나 다른 가전지체(7)의 전극집전체(1, 5)의 요철부가, 전극집전체(1, 5)의 요철부에 물려들어가서 접합력을 얻기 때문에, 조화처리가 실시될 필요가 있다. 한편 전극합재층(2, 4)에 접촉되지 않는 표면이나 다른 가전지체(7)의 전극집전체(1, 5)와 접합되지 않는 표면은 조화될 필요는 없다.
(실시형태2)
다음에 실시형태2에 관한 전고체 2차전지의 제조방법에 대하여 설명한다. 실시형태1과 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 다른 구성에 대하여 설명을 한다. 실시형태1은, 전극집전체(1, 5)에 조화된 표면(요철부)을 형성하여 요철부가 서로 파고들어간 상태로 함으로써, 전고체 2차전지(10)의 만곡을 방지하는 태양이다. 이것에 부가하여 실시형태2는, 도9에 나타내는 바와 같이 가압성형공정 이후에, 그 가압성형의 압력 이하의 압력을 계속하여 가전지체(7, 7)에 가함으로써, 전고체 2차전지의 만곡을 더 효과적으로 방지하는 태양이다. 이하, 자세한 내용을 설명한다.
도3 및 도4를 사용하여 설명한 바와 같이 성형압력(p)이 해제되면, 동시에 마찰력(c)도 해제되기 때문에, 도4에 나타내는 바와 같이 연직방향의 내부응력(a) 및 수평방향의 내부응력(b)이 개방된다. 그 때문에 가전지체(7)는 수평방향 및 연직방향으로 연장되게 되지만, 전극합재층(2, 4)의 연장이 완료되기 위해서는 시간이 걸린다. 즉 내부응력(a, b)은, 매우 짧은 시간에 개방되는 것이 아니라, 잔류응력으로서 축적되면서 전극합재층(2, 4)의 연장과 함께 서서히 개방된다. 연직방향의 연장에 관해서는, 가전지체(7)의 두께가 100∼500μm 정도이기 때문에 무시할 수 있을 만큼 작지만, 수평방향의 연장에 관해서는, 가전지체(7)의 폭이 30∼300mm 정도이기 때문에 무시할 수 없을 만큼 커지게 된다.
한편 성형압력(p)을 완전하게는 해제하지 않고 일정 시간 가전지체(7)의 형상을 유지하면, 변형되지 않은 채 잔류응력이 완화된다. 가전지체(7)의 형상을 유지하기 위한 구체적인 방법으로서는, 예를 들면 도10 및 도11에 나타내는 방법이 있다. 도10에서는, 가압성형공정에 있어서 1쌍의 평판블록(치구(治具))(9, 9)을 사용하여, 이들 평판블록(9, 9) 상호간의 사이에 가전지체(7)를 끼운 상태에서 성형압력(p)을 가한다. 다음에 도11에서는, 성형압력(p)을 가한 채 평판블록(9, 9) 상호간을 나사(S)로 서로 고정한다. 그 후에 성형압력(p)을 해제한다. 이때에 평판블록(9)의 자체중량과 나사(S)의 가압력에 의하여 가전지체(7)의 형상은 유지된다. 여기에서 평판블록(9)의 자체중량과 나사(S)의 가압력(이하, 형상유지압력이라고 부른다)은, 예를 들면 가로와 세로가 각각 100mm인 전지에 대하여 1000N 이하(압력환산으로 0.1MPa 이하)이다.
표1은, 평판블록(9, 9) 상호간을 나사(S)로 고정한 상태에서, 성형압력(p)을 해제한 후에 방치한 시간(완화시간)과, 1개의 가전지체(7)의 만곡량의 관계를 나타낸다. 여기에서 만곡량이라는 것은, 가전지체(7)의 전체높이(T)(도12를 참조)에서 전지두께(t)를 뺀 값이다. 또한 성형압력(p)은 1000MPa로 하고, 형상유지압력은 동일한 압력을 가하는 것이 곤란하였기 때문에, 가로와 세로가 각각 100mm인 전지에 대하여 50N∼1000N(압력환산으로 0.005MPa∼0.1MPa)의 범위 내로 하였다. 또 상기 압력의 수치는 대기압을 고려하지 않고 있다. 표1로부터 알 수 있는 바와 같이 완화시간이 2시간 이상인 경우에, 완화시간이 0.5시간이나 1시간일 때와 비교하여, 만곡량을 반 이하로 억제할 수 있었다.
이 결과는, 1개의 가전지체(7)뿐만 아니라, 1쌍의 가전지체(7, 7)에서도 적합하다. 그래서 본 실시형태에 관한 전고체 2차전지의 제조방법은, 1쌍의 가전지체(7, 7)를 가압성형하는 공정 이후에, 그 압력을 완전하게는 해제하지 않고, 성형압력(p) 이하의 압력(형상유지압력)으로 2시간 이상 계속하여 압력을 가하는 공정을 구비한다. 이에 따라 1쌍의 가전지체(7, 7)가 변형되지 않은 채, 이들의 가전지체(7, 7)에 남은 잔류응력이 완화된다. 그 때문에 1쌍의 가전지체(7, 7)의 만곡을 실시형태1보다 효과적으로 방지하는 것이 가능하게 된다.
1쌍의 가전지체(7, 7)의 형상을 유지하는 구체적인 태양으로서는, 도9에 예시하는 바와 같이 1쌍의 평판블록(9, 9)을 나사(S)로 고정하고, 평판블록(9, 9) 상호간의 사이에 1쌍의 가전지체(7, 7)를 끼우고, 평판블록(9)의 자체중량과 나사(S)의 가압력에 의하여 형상유지압력을 가함으로써 실시된다. 이 경우에 1쌍의 가전지체(7, 7) 압력을 계속하여 걸 필요가 없으며, 방치하는 것만으로 1쌍의 가전지체(7, 7)의 형상을 유지하는 것이 가능한다. 단, 프레스핀 등으로 가전지체(7)에 형상유지압력을 계속하여 걸도록 하여도 좋다.
또 형상유지압력을 계속하여 가하는 시간(완화시간)이 2시간 이상인 것을 기술하였지만, 완화시간은, 가전지체(7, 7)의 크기나 각 구성의 연장율 등에 의존하며, 이들의 요소에 의하여 적절하게 결정된다. 표1의 결과로부터, 특히 가전지체(7, 7)의 폭이 30mm∼300mm 정도로서 가전지체(7)를 구성하는 재료로서 전술한 재료를 사용한 경우에는, 2시간 이상 형상유지압력을 계속하여 가하는 것이 바람직하다고 판단된다.
(실시형태3)
다음에 실시형태3에 관한 전고체 2차전지의 제조방법에 대하여 설명한다. 실시형태1과 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 다른 구성에 대하여 설명을 한다. 실시형태1은, 전극집전체(1, 5)에 조화된 표면(요철부)을 형성하여 두고, 요철부가 서로 파고들어간 상태로 함으로써 전극집전체(1, 5)의 상호간을 서로 접합하는 태양이다. 이에 대하여 실시형태3은, 도13에 나타내는 바와 같이 전극집전체(1, 5)에 조화된 표면(요철부)을 형성하여 둠과 아울러, 전극집전체(1, 5) 상호간의 사이에 접합재(11)를 삽입시킨 상태에서 가전지체(7, 7) 상호간을 포개어서 가압성형함으로써, 전극집전체(1, 5) 상호간을 서로 접합하는 태양이다. 여기에서 접합재(11)는, 소성변형(塑性變形)이 가능한 것으로서 예를 들면 수지시트(樹脂sheet)이다.
이 방법으로 제조된 전고체 2차전지(10a)는, 실시형태1 및 실시형태2의 방법으로 제조된 전고체 2차전지(10)의 구성에 추가하여, 마주 보는 전극집전체(1, 5) 상호간의 사이에 삽입되는 접합재를 더 구비하고 있다. 본 실시형태에 관한 전고체 2차전지(10a)의 제조방법에 의하면, 가압성형공정에 의하여 접합재(11)가 소성변형되어 정극집전체(1)의 외측표면(정극합재층(2)이 형성되는 표면과 반대측의 표면)의 요철부에 물려들어가서, 앵커효과(anchor effect)에 의하여 정극집전체(1) 상호간이 강고하게 접합된다. 이에 따라 접합재(11)를 사이에 두고 정극집전체(1) 상호간이 접합되어 일체화됨으로써, 가전지체(7, 7)가 만곡되려고 하는 힘을 없애어, 만곡이 없는 전고체 2차전지(10a)를 얻을 수 있다.
또한 실시형태3에 있어서도, 도14에 나타내는 바와 같이 실시형태2와 마찬가지로, 가압성형공정 이후에 그 가압성형의 압력 이하의 압력을 계속하여 가전지체(7, 7)에 가함으로써, 전고체 2차전지(10a)의 만곡을 더 효과적으로 방지하는 것이 가능하게 된다.
그런데 접합재(11)로서는, 소성변형이 가능한 것에 한정되지 않으며, 예를 들면 접착제나 땜납 등과 같이 유동성을 갖는 것이더라도 좋다. 전극집전체(1, 5)가 요철부를 갖고 있고, 접합재(11)로서 유체의 접착제나 땜납이 사용되는 경우에, 이 접합재(11)가 요철부에 흘러들어간 상태로 경화됨으로써, 앵커효과에 의한 접합력이 발생한다.
(실시형태4)
다음에 실시형태4에 관한 전고체 2차전지의 제조방법에 대하여 설명한다. 실시형태3과 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 다른 구성에 대하여 설명을 한다. 실시형태3은, 전극집전체(1, 5)에 조화된 표면(요철부)을 형성하여 둠과 아울러, 전극집전체(1, 5) 상호간의 사이에 접합재(11)를 삽입시킨 상태에서 가전지체(7, 7) 상호간을 포개어서 가압성형하는 태양이다. 이에 대하여 실시형태4는, 전극집전체(1, 5)에 조화된 표면(요철부)을 형성하지 않고, 전극집전체(1, 5) 상호간의 사이에 접합재(11)를 삽입시킨 상태에서, 가전지체(7, 7) 상호간을 포개어서 가압성형하는 태양이다.
전극집전체(1, 5)의 표면에 조화처리가 실시되지 않은 경우에, 앵커효과에 의한 접합력은 기대할 수 없지만, 다른 접합법 예를 들면 정전기력(靜電氣力)이나 감압흡착(減壓吸着) 혹은 화학적 접합법 등에 의하여 전극집전체(1, 5) 상호간을 접합시킬 수 있다. 정전기력은, 접합재(11)를 마찰대전(摩擦帶電)시킴으로써 얻어진다. 감압흡착은, 예를 들면 표면에 미세한 구멍이 형성된 접합재(11)를 가압함으로써, 그 미세한 구멍으로부터 접합재(11)의 외부로 공기가 빠지기 시작함으로써, 흡입반(吸入盤)의 원리를 이용하여 얻어진다. 화학적 접합법으로서는, 반데르발스의 힘(van der Waals forces)이나 공유결합 등을 들 수 있다. 또한 이들의 접합법을 조합시켜서 접합하여도 좋다. 본 실시형태에 있어서의 접합재(11)로서는, 예를 들면 양면점착테이프가 사용되며, 그 점착력에 의하여 전극집전체(1, 5) 상호간이 접합되고, 이에 따라 만곡이 없는 전고체 2차전지가 얻어진다.
또한 실시형태4에 있어서도, 실시형태2와 마찬가지로 가압성형공정 이후에, 그 가압성형의 압력 이하의 압력을 계속하여 가전지체(7, 7)에 가함으로써, 전고체 2차전지의 만곡을 더 효과적으로 방지하는 것이 가능하게 된다.
또 상기 실시형태1∼4에 있어서, 2개의 가전지체(7, 7)로 구성된 전고체 2차전지(10)에 대하여 설명하였지만, 2개에 한정되지 않으며, 3개 이상의 가전지체(7)로 전고체 2차전지가 구성되는 태양이더라도 좋다. 3개 이상인 경우에, 마주 보는 정극집전체(1, 1) 상호간 뿐만 아니라, 부극집전체(5, 5) 상호간도 서로 접합된다.
또한 상기 실시형태1∼4에 관한 전고체 2차전지(10)(또는 (10a))의 제조방법은, 적층체를 가가압하여 가전지체(7, 7)를 각각 형성한 후에, 1쌍의 가전지체(7, 7)를 더 가압성형함으로써 전고체 2차전지(10)(또는 (10a))를 얻는 태양이지만, 이것에 대신하여 적층체를 형성한 후에 가가압하지 않고, 1쌍의 적층체를 가압성형하여 전고체 2차전지(10)(또는 (10a))를 얻을 수 있도록 하여도 좋다. 즉 적층체를 가가압하여 가전지체(7, 7)를 개별로 형성하지 않고, 1쌍의 적층체를 포갠 상태에서 가압함으로써 1쌍의 가전지체(7, 7)를 형성함과 동시에 전고체 2차전지(10)를 얻게 된다. 실시형태1∼4의 제조방법에서는, 일방(一方)의 가전지체(7)의 가가압과, 타방(他方)의 가전지체(7)의 가가압과, 이들의 가전지체(7, 7)를 포갠 상태에서의 가압(가압성형)으로 3회의 가압이 필요하게 된다. 한편 이 제조방법에 의하면, 1회의 가압(가압성형)에 의하여 전고체 2차전지(10)를 얻는 것이 가능하게 되어, 전고체 2차전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 상기의 설명에 있어서는, 이해하기 쉽게 하기 위하여 전극집전체(1, 5), 전극합재층(2, 4), 고체전해질층(3)을 단지 포개진 것으로서 설명 및 도면에 나타내었지만, 더 구체적으로는 도15와 같은 단면 구조가 된다. 즉 정극집전체(1)의 상면의 중앙에 정극합재층(2)이 배치됨과 아울러, 이 정극합재층(2)의 전체를 덮도록 고체전해질층(3)이 배치되고, 이 고체전해질층(3)의 주위의 정극집전체(1)를 덮도록 절연부재(절연필름)(12)가 배치되고, 그리고 이 고체전해질층(3)의 상면에 부극합재층(4)이 배치되고, 이 부극합재층(4)의 상면에, 정극집전체(1)와 대략 동일한 크기의 부극집전체(5)가 배치된 것이다.
Claims (5)
- 복수의 가전지체(假電池體)로 구성되는 전고체 2차전지(全固體 2次電池)의 제조방법으로서,
정극합재(正極合材), 고체전해질 및 부극합재(負極合材)가 적층된 것을, 1쌍의 전극집전체(電極集電體)의 사이에서 가압함으로써, 복수의 가전지체를 각각 형성하는 공정과,
상기 전극집전체 상호간이 마주 보도록 복수의 가전지체를 포갠 상태에서 가압성형하는 공정을
구비하고,
마주 보는 상기 전극집전체로서, 표면이 조화(粗化)된 것을 사용하는 것을
특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서
상기 가압성형하는 공정 이후에, 그 가압성형의 압력 이하의 압력을 계속하여 가하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가압성형하는 공정을 할 때에, 마주 보는 상기 전극집전체 상호간의 사이에 접합재(接合材)를 삽입한 상태에서, 상기 복수의 가전지체 상호간을 포개어 가압성형하는 것을 특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조방법.
- 정극합재층과, 부극합재층과, 이들 정극합재층과 부극합재층의 사이에 배치되는 고체전해질층과, 상기 정극합재층 및 부극합재층의 표면에 각각 형성되는 전극집전체를 각각 갖는 복수의 가전지체를 구비하고,
상기 전극집전체 상호간이 마주 보도록 상기 복수의 가전지체가 포개져 있고,
마주 보는 상기 전극집전체로서, 표면이 조화된 것이 사용되고 있는 것을
특징으로 하는 전고체 2차전지.
- 제4항에 있어서,
마주 보는 상기 전극집전체 상호간의 사이에 삽입되는 접합재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전고체 2차전지.
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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