KR20190054516A - 전극 조립체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체 - Google Patents

전극 조립체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 양극판 및 음극판을 제조하는 단계, 그리고 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 세퍼레이터를 위치시키는 단계를 포함하고, 상기 양극판 및 상기 음극판을 제조하는 단계는 집전체용 포일의 양면에 마스크를 위치시키는 단계, 상기 마스크가 배치된 상기 집전체용 포일의 양면에 슬러리를 도포하는 단계, 그리고 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

전극 조립체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체{MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE ASSEMBLY AND ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 전극 조립체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 특히 많은 연구가 행해지고 있으며, 상용화 되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면 하나 또는 수 개의 이차전지를 포함하여 사용하는 저용량 이차전지와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 전지 팩 단위의 모터 구동용 대용량 이차전지로 구분할 수 있다.
저용량 이차전지(이하, "소형전지")는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용된다. 대용량 이차전지(이하, "전지모듈")는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용된다.
소형전지가 하나의 셀로 구성될 때에는 주로 원통형이나 사각형의 외형으로 형성될 수 있다. 이를 위해 양, 음극 집전체 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하고 이를 와류 상으로 권취하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 만든 이후 전지캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.
본 발명은 제조 공정이 단순한 전극 조립체의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 양극판 및 음극판을 제조하는 단계, 그리고 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 세퍼레이터를 위치시키는 단계를 포함하고, 상기 양극판 및 상기 음극판을 제조하는 단계는 집전체용 포일의 양면에 마스크를 위치시키는 단계, 상기 마스크가 배치된 상기 집전체용 포일의 양면에 슬러리를 도포하는 단계, 그리고 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 마스크를 제거하는 단계는 슬러리의 건조 전에 실시될 수 있다.
상기 마스크는 상기 포일에 점착 가능한 물질을 포함할 수 있다.
상기 마스크를 위치시키는 단계에서, 상기 마스크는 복수개 사용되고, 복수개의 마스크 사이의 이격 거리가 일정할 수 있다.
상기 마스크가 제거된 영역은 슬러리가 도포되지 않은 무지부를 형성하고 상기 마스크와 중첩하지 않은 영역은 슬러리가 도포된 유지부를 형성할 수 있다.
상기 유지부와 상기 무지부 사이의 경계가 직선 형태일 수 있다.
상기 슬러리를 도포하는 단계는 연속적으로 수행될 수 있다.
일 실시예에 따른 젤리-롤 타입 전극 조립체는 전술한 전극 조립체의 제조 방법을 통해 제조된 양극판 및 음극판, 그리고 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함한다.
본 발명에 의하면 패턴 형상에 상관 없이 슬러리 코팅 공정을 연속적으로 진행할 수 있으므로 공정에 소요되는 시간이 절감될 수 있다. 또한 슬러리 코팅 공정을 통해 제조되는 전극의 품질이 향상된 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극판 및 양극판의 제조 공정에 대한 단면도이다.
도 2는 제조 공정 중에 집전체용 포일 상에 슬러리가 도포된 평면도이다.
도 3은 제조 공정 중에 마스크가 제거된 집전체용 포일에 대한 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 전극 조립체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 도 4에 따른 전극 조립체를 권취한 형태의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 위에 있다고 할 때, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극판 및 음극판의 일부 제조 공정에 대한 단면도이고, 도 2는 제조 공정 중에 집전체용 포일 상에 슬러리가 도포된 평면도이고, 도 3은 제조 공정 중에 마스크가 제거된 집전체용 포일에 대한 평면도이다.
전극 조립체는 양극판, 음극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기 양극판 및 음극판의 제조 방법에 대해 먼저 설명한다.
우선 양극판 또는 음극판의 집전체, 즉 베이스가 되는 포일(F)을 준비한다. 포일(F)은 일 예로 알루미늄(Al)을 포함하거나 구리(Cu)를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
포일(F) 위에 무지부를 형성하기 위한 마스크(MASK)를 배치한다. 마스크(MASK)는 무지부가 위치하는 영역과 중첩하도록 배치될 수 있다. 마스크(MASK)는 실시예에 따라 포일(F)의 양면에 위치할 수 있다. 마스크(MASK)는 포일(F)의 양면에서 동일한 위치에 배치될 수 있다.
실시예에 따르면 마스크(MASK)를 준비하는 단계에서, 마스크(MASK)는 복수개 준비될 수 있다. 복수의 마스크(MASK)는 소정의 간격으로 이격되도록 반복 배치될 수 있다. 복수의 마스크(MASK) 사이의 이격된 거리는 일정할 수 있다.
마스크(MASK)는 폴리머 재질일 수 있으며, 일 예로 점착이 가능한 형태로 제공될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니며 마스크(MASK)는 포일(F) 상에 고정되는 어떠한 형태로도 제공될 수 있음은 물론이다.
포일(F) 상의 소정에 위치에 마스크(MASK)가 배치되면 슬러리 코팅부(100)를 이용하여 포일(F) 상에 활물질을 도포한다. 활물질은 포일(F) 상에 용이하게 도포될 수 있도록 도전제, 바인더, 용매 등의 물질과 함께 슬러리 형태로 제공될 수 있다.
일 실시예에 따라 활물질은 라인 형태로 제공될 수 있다. 활물질을 포함하는 슬러리는 도 2에 도시된 바와 같이 포일(F) 전면을 덮도록 제공될 수 있다. 슬러리는 포일(F) 뿐만 아니라 마스크(MASK) 상에도 위치한다.
다음 도 3에 도시된 바와 같이 슬러리가 도포된 포일(F)에서 마스크를 제거한다. 실시예에 따라 마스크는 활물질이 건조되기 전에 제거될 수 있다.
집전체용 포일은 활물질이 도포된 유지부(A) 및 활물질이 제거된 무지부(B)를 포함할 수 있다. 이와 같이 마스크를 사용하여 유지부(A) 및 무지부(B)를 제조하는 방법에 따르면, 유지부(A)와 무지부(B) 사이의 경계가 일정할 수 있다. 즉, 유지부(A)와 무지부(B) 사이의 경계가 직선 형태일 수 있다.
그리고 나서 활물질이 도포된 포일은 건조로에 투입된다. 건조 공정을 진행한 이후 압연 단계를 통하여 프레스, 압연롤 등으로 가압될 수 있다. 이후 슬리팅 단계를 통하여 활물질이 코팅된 유지부와 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함하면서 일 전극 조립체의 크기에 맞도록 포일을 절단한다.
이와 같은 공정을 통해 제조된 음극판 및 양극판을 준비하고, 이들 사이에 세퍼레이터를 위치시켜 전극 조립체를 제공할 수 있다.
전술한 제조 공정에 따르면 포일 양면에 활물질을 코팅하는 공정에서 마스크를 사용하는 일 실시예에 따르면 공정이 단순화될 수 있으며 품질이 향상된 양극판 또는 음극판의 제공이 가능할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 이와 같은 제조 공정에 따라 제조된 양극판(10) 및 음극판(20)을 포함하는 전극 조립체(50)에 대해 설명한다. 도 4는 일 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 전극 조립체를 설명하기 위한 평면도이고, 도 5는 도 4에 따른 전극 조립체를 권취한 형태의 사시도이다.
먼저 도 4는 양극판(10), 음극판(20) 및 2 매의 세퍼레이터(30)가 권취 전에 적층되어 있는 상태를 나타낸다. 양극판(10), 음극판(20) 및 세퍼레이터(30)의 매수는 이에 제한되는 것은 아니며 변경 가능하다.
양극판(10)은 양극 집전체에 활물질이 도포된 유지부(11)와 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부에는 일 방향으로 돌출되는 양극 탭(12)이 위치한다. 음극판(20)은 음극 집전체에 음극 활물질이 도포된 유지부(21)와 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부에는 일 방향으로 돌출되는 음극 탭(22)이 위치한다. 세퍼레이터(30)는 양극판(10)과 음극판(20) 사이를 절연시키도록 배치된다. 양극판(10)과 음극판(20)은 세퍼레이터(30)를 통해 서로 전기적으로 분리되는 상태로 권취되어 전극 조립체(50)를 형성한다.
일 실시예에 따르면 양극판(10) 및 음극판(20)이 포함하는 유지부 및 무지부는 마스크를 이용한 슬러리 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 이에 유지부와 무지부 사이의 경계가 매끄러울 수 있으며 향상된 품질읜 양극판(10) 및 음극판(20)을 제공할 수 있다.
양극판(10)은 알루미늄과 같은 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 도포된 형태를 가질 수 있다. 양극 활물질로는 스피넬형 입방정, 층상형 육방정, 올리빈형 사방정, 삼사정 등의 결정 구조를 가지는 리튬과 전이 금속과의 복합화합물이 이용될 수 있다. 고출력, 고에너지 밀도 또한 장수명 등의 관점에서는, 리튬과 니켈, 망간, 코발트를 함유하는 층상형 육방정을 포함할 수 있다.
양극 탭(12)은 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 위치한다. 양극 탭(12)은 초음파 용접, 레이저 용접, 저항 용접 등의 방식에 의해 부착될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이와 같은 양극 탭(12)의 부착 방식에 의해 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 출원 시점에서 공지된 다양한 탭 부착 기술이 본 발명에 채용될 수 있다.
음극판(20)은 구리와 같은 음극 집전체의 양면에 음극 활물질이 도포된 형태를 가진다. 음극 활물질은 대부분 인산철리튬, 인산망간리튬, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물 또는 기타 적절한 리튬 함유물을 함유하는 조성물을 포함할 수 있다.
음극 탭(22) 역시 양극 탭(12)과 마찬가지로, 음극 집전체에서 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 부착될 수 있다. 음극 탭(22)은 초음파 용접, 레이저 용접, 저항 용접 방식과 같은 다양한 부착 방식이 적용될 수 있다.
양극 집전체는 알루미늄을 포함할 수 있으며 음극 집전체는 구리를 포함할 수 있다. 양극 집전체가 음극 집전체에 비해 경량인 것으로부터 이차전지 전체적으로 경량화를 도모할 수 있어 중량 에너지 밀도의 향상을 도모할 수 있다.
양극 탭(12)과 음극 탭(22)은 금속성이며 도전성이고, 예를 들면 양극 집전체나 음극 집전체를 형성하는 것과 동일하거나 유사한 금속 포일일 수도 있다.
세퍼레이터(30)는 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 배치되어 양극판(10)과 음극판(20) 사이를 절연시킨다. 또한 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 활물질 이온이 교환될 수 있도록 한다. 또한 양극판(10) 또는 음극판(20)의 외측에 또 다른 세퍼레이터(30)가 위치되어 전극 조립체의 권취시 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 절연 상태가 이루어지도록 할 수 있다.
양극판(10), 음극판(20) 및 세퍼레이터(30)의 구성이나 재질, 제조 방법 등에 대하여 본 명세서에 설명된 내용 이외에도, 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 자에게 널리 알려져 있는 내용이 본 발명에 채용될 수 있으며, 이러한 내용에 대해서는 본 명세서에서 그 상세한 설명을 생략한다.
양극 탭(12)과 음극 탭(22)의 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 양극판(10) 양쪽 방향에 양극 탭(12)이 배치될 수도 있고, 음극판(20)의 양쪽 방향에 음극 탭(22)이 배치될 수도 있다. 양극판(10)과 음극판(20)의 각 단부에 탭들을 배치함으로써 그들로부터 더욱 균일한 전하 커플링을 제공할 수 있다. 물론 양극판(10) 또는 음극판(20)이 포함하는 무지부의 형태에 따라 중간 부분에 양극 탭(12)이나 음극 탭(22)이 배치되는 경우도 가능할 수 있다.
도 5에 도시된 전극 조립체(50)는 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 세퍼레이터(30)가 개재되어 권취된 후 외장테이프(미도시)로 마감한 대략적인 사시도이다. 도 5에서 전극 조립체(50)는 원통형인 경우를 예로 들어 도시하였으나, 전극 조립체(50)는 플랫 튜브형일 수도 있다. 이와 같이 단면 형상이 다른 전극 조립체 는 예를 들면 권취 시의 축심의 단면 형상을 바꿈으로써 제작할 수 있다. 본 명세서는 도시하지 않았으나 전극 조립체(50)의 중심부에 위치하는 축심을 포함할 수도 있으며 실시예에 따라 권취 시에 이용한 축심을 전극 조립체(50) 제작 후에 제거할 수도 있다.
이와 같이 제조된 전극 조립체(50)는 케이스에 실장될 수 있다. 케이스 내부에는 전극 조립체(50)와 함께 전해액이 수납된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
MASK: 마스크
F: 집전체용 포일
100: 슬러리 코팅부

Claims (8)

  1. 양극판 및 음극판을 제조하는 단계, 그리고
    상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 세퍼레이터를 위치시키는 단계를 포함하고,
    상기 양극판 및 상기 음극판을 제조하는 단계는,
    집전체용 포일의 양면에 마스크를 위치시키는 단계,
    상기 마스크가 배치된 상기 집전체용 포일의 양면에 슬러리를 도포하는 단계, 그리고
    상기 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 마스크를 제거하는 단계는 슬러리의 건조 전에 실시되는 전극 조립체의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 마스크는 상기 포일에 점착 가능한 물질을 포함하는 전극 조립체의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 마스크를 위치시키는 단계에서,
    상기 마스크는 복수개 사용되고, 복수개의 마스크 사이의 이격 거리가 일정한 전극 조립체의 제조 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 마스크와 중첩하는 영역은 슬러리가 도포되지 않은 무지부를 형성하고
    상기 마스크와 중첩하지 않은 영역은 슬러리가 도포된 유지부를 형성하는 전극 조립체의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 유지부와 상기 무지부 사이의 경계가 직선 형태인 전극 조립체의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 슬러리를 도포하는 단계는 연속적으로 수행되는 전극 조립체의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항에 따른 제조 방법을 통해 제조된 양극판 및 음극판, 그리고
    상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 젤리-롤 타입 전극 조립체.
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