KR20210152633A - 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20210152633A
KR20210152633A KR1020200069184A KR20200069184A KR20210152633A KR 20210152633 A KR20210152633 A KR 20210152633A KR 1020200069184 A KR1020200069184 A KR 1020200069184A KR 20200069184 A KR20200069184 A KR 20200069184A KR 20210152633 A KR20210152633 A KR 20210152633A
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ion secondary
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박상목
김용재
안승호
이윤지
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는, 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극; 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극; 양극 전극과 음극 전극 사이에 개재되고 지그재그 형태로 절곡된 분리막; 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 커버하는 외장재;를 포함하며, 음극 집전체는 일부분이 외장재 측으로 노출되는 노출부를 포함하고, 노출부는 외장재에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 형성될 수 있다.

Description

리튬이온 이차전지 및 그 제조방법{LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극 전극의 음극 집전체를 냉각매체에 접촉하고 있는 외장재에 접촉 또는 근접하게 함으로써, 열저항을 최소화하여 이차전지의 냉각 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차의 전동화가 급속히 진행되고 있으며, 배터리는 모터와 함께 전동화에 필수적인 구성요소이다. 배터리는 화학반응에 의해 작동하므로 온도에 따라 충전출력, 방전출력, 내구특성 등이 급격하게 변동하며 충방전 효율도 변동하게 된다.
따라서, 배터리를 효율적이고 안정적으로 사용하기 위하여 열관리 시스템이 필요하며, 시스템의 효율을 높이기 위해서는 배터리 셀의 발열량 최소화 및 배터리 셀의 열저항을 최소화하는 것이 필요하다.
KR 10-1136205 B1
상술한 문제를 해결하기 위해 제안된 본 발명은 음극 전극의 음극 집전체를 냉각매체에 접촉하고 있는 외장재에 접촉 또는 근접하게 함으로써, 열저항을 최소화하여 이차전지의 냉각 특성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는, 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극; 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극; 양극 전극과 음극 전극 사이에 개재되고 지그재그 형태로 절곡된 분리막; 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 커버하는 외장재;를 포함하며, 음극 집전체는 일부분이 외장재 측으로 노출되는 노출부를 포함하고, 노출부는 외장재에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 형성될 수 있다.
분리막은 양극 전극과 음극 전극 사이에 지그재그 형태로 개재되며, 한쪽면은 개방된 형태이고 개방된 면의 반대쪽면은 절곡되어 폐쇄된 형태일 수 있다.
노출부는 분리막 중 개방된 면 측으로 노출되어 외장재에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 형성될 수 있다.
분리막 중 개방된 면의 반대쪽에 형성된 절곡부 끝단의 위치는 음극 전극에서 음극 활물질이 코팅된 코팅부 끝단의 위치와 같거나 코팅부 끝단의 위치 보다 외장재 측에 근접하게 형성될 수 있다.
음극 집전체는 Cu, Ni, Ag, Au 및 Pt 중 하나의 물질이고, 두께는 3um 이상 10um 이하일 수 있다.
외장재는 냉각매체 또는 냉각매체가 이동하는 챔버와 적어도 한면이 접촉될 수 있다.
노출부는 외장재 중 냉각매체 또는 냉각매체가 이동하는 챔버와 접촉된 면에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 근접될 수 있다.
음극 전극은, 음극 집전체의 일면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부를 포함하고, 코팅부 측으로 음극 집전체가 절곡된 형태일 수 있다.
음극 전극은, 음극 집전체의 일면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부를 포함하고, 코팅부 반대측으로 음극 집전체가 절곡된 형태일 수 있다.
음극 전극은, 음극 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부를 포함하고, 코팅부 또는 코팅부 반대측으로 음극 집전체가 절곡된 형태일 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법은, (1) 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극을 마련하는 단계; (2) 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극을 마련하는 단계; (3) 분리막을 지그재그 형태로 절곡시켜 양극 전극과 음극 전극 사이에 개재하는 단계; (4) 외장재로 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 커버하는 단계; 및 (5) 외장재 내에 전해액을 주입하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (2)는, 음극 집전체의 일면에 음극 활물질을 코팅시켜 코팅부를 형성하는 단계; 및 코팅부 측 또는 코팅부 반대측으로 음극 집전체를 절곡시키는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (2)는, 음극 집전체의 양면에 음극 활물질을 코팅시켜 코팅부를 형성하는 단계; 및 코팅부 측 또는 코팅부 반대측으로 음극 집전체를 절곡시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 음극 전극의 음극 집전체를 냉각매체에 접촉하고 있는 외장재에 접촉 또는 근접하게 함으로써, 열저항을 최소화하여 이차전지의 냉각 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 열전달이 이루어지는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법에서 음극 전극 및 이차전지를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법에서 음극 전극 및 이차전지를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법에서 음극 전극 및 이차전지를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 열전달이 이루어지는 것을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법에서 음극 전극 및 이차전지를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법에서 음극 전극 및 이차전지를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법에서 음극 전극 및 이차전지를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지는 양극 전극(100), 음극 전극(200), 분리막(300) 및 외장재(400)를 포함할 수 있으며, 리튬이온이 이동할 수 있도록 하는 전해액(700), 외부로 전기를 전달하는 역할을 하는 양극탭(600)/음극탭(500)을 더 포함할 수 있다.
양극 전극(100)은 셀이 충전될 시 리튬이온을 방출하고 방전 시 리튬이온을 수용하는 역할을 한다.
구체적으로, 양극 전극(100)은 양극 집전체(110)의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 코팅부(120)를 포함할 수 있다. 여기서, 양극 집전체(110)는 도전체라면 어떠한 것이라도 무방하며, 실시예에 따라 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있다.
아울러, 양극 코팅부(120)는 양극 집전체(110) 상에 형성되고 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층 및 양극 활물질층 상에 형성되고 도전재와 바인더를 포함하는 코팅층일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서, 양극 활물질은 리튬을 포함하는 고용체 산화물이지만 전기화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.
음극 전극(200)은 음극 집전체(210)를 포함하고, 음극 집전체(210)는 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 코팅부(220)를 포함할 수 있다. 여기서, 음극 집전체(210)는 실시예에 따라, Cu, Ni, Ag, Au 및 Pt 중 하나의 물질일 수 있다. 하지만, 이는 일실시예일 뿐, 음극 집전체(210)는 도전체이고 리튬이온 이차전지의 구동 전압 범위 내에서 전기화학적으로 안정한 물질이면 어떠한 것이라도 무방하다.
아울러, 음극 집전체(210)의 두께는 3um 이상 10um 이하일 수 있다. 여기서, 음극 집전체(210)의 두께를 3um 이상 10um 이하로 하는 것은 음극 집전체(210)의 두께가 일정 두께 이하로 얇아질 경우 셀의 내부저항을 증가하는데 차량용 배터리 셀의 경우 내부 저항을 최소화하기 위해 일정 두께 이상의 집전체를 사용해야하기 때문이다.
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 음극 집전체(210)는 일부분이 외장재(400) 측으로 노출되는 노출부(230)를 포함하며, 노출부(230)는 외장재(400)에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 형성될 수 있다. 아울러, 노출부(230)는 분리막(300)의 개방된 면 측으로 노출되어 외장재(400)에 접촉되거나 기 설정된 이하로 접근되도록 형성될 수 있다.
여기서, 외장재(400)는 양극 전극(100), 음극 전극(200) 및 분리막(300)을 커버하는 것으로서, 냉각매체(800) 또는 냉각매체(800)가 이동하는 챔버와 적어도 한면이 접촉될 수 있다. 여기서, 냉각매체(800)란 실시예에 따라 냉각수일 수 있으며, 다른 실시예에 따라 냉매일 수 있다.
일반적으로 배터리의 충전 및 방전 시 내부 반응 등으로 인해 열이 발생하고, 계속적인 발열은 셀 내부의 온도를 상승시켜 배터리의 성능 열화를 일으킬 수 있으며, 온도가 일정 수준 이상으로 올라가면 발연/발화 등의 안전사고가 발생할 수 있기 때문에 배터리의 냉각이 필요하다.
이를 위해 종래에 배터리 셀을 커버하는 외장재(400)가 냉각매체(800) 또는 냉각매체(800)가 이동하는 챔버와 적어도 한면이 접촉되도록 하여 외장재(400) 내의 배터리 셀이 간접적으로 냉각되도록 하였다. 하지만, 종래에는 냉각매체(800) 또는 냉각매체(800)가 이동하는 챔버와 접촉되는 외장재(400)의 면과 전극 조립체 사이에 공간이 형성되어, 해당 공간이 전극 조립체로부터 외장재(400)로의 열 이동을 방해하는 열저항으로 작용하여 배터리 셀의 냉각 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 개선하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서는 음극 집전체(210)의 노출부(230)를 도 2 및 도 3과 같이 외장재(400) 중 냉각매체(800) 또는 냉각매체(800)가 이동하는 챔버와 접촉된 면에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 근접되도록 함으로써, 외장재(400)와 노출부(230) 사이의 열전달 경로가 짧아지도록 하고, 전도에 의한 열전달도 가능해지도록 함으로써, 열저항을 감소시킬 수 있으며, 그 결과 전극 조립체의 냉각이 보다 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 음극 전극(200)은 음극 집전체(210)의 일면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부(220)를 포함하고, 코팅부(220) 측으로 음극 집전체(210)가 절곡된 형태일 수 있다. 또한, 음극 전극(200)은 음극 집전체(210)의 일면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부(220)를 포함하고, 코팅부(220) 반대측으로 음극 집전체(210)가 절곡된 형태일 수도 있다. 아울러, 음극 전극(200)은 음극 집전체(210)의 양면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부(220)를 포함하고, 코팅부(220) 또는 코팅부(220) 반대측으로 음극 집전체(210)가 절곡된 형태일 수도 있다.
분리막(300)은 양극 전극(100)과 음극 전극(200) 사이에 위치하여 양극 전극(100)과 음극 전극(200)을 전기적으로 분리하는 역할을 하며, 양극 전극(100)과 음극 전극(200) 사이에 이온이 이동할 수 있는 다공성 막으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 분리막(300)은 양극 전극(100)과 음극 전극(200) 사이에 개재되고 지그재그 형태로 절곡될 수 있다. 보다 구체적으로, 분리막(300)은 양극 전극(100)과 음극 전극(200) 사이에 지그재그 형태로 개재되며 한쪽면은 개방된 형태이고, 개방된 면의 반대쪽 면은 절곡되어 폐쇄된 형태일 수 있다.
아울러, 분리막(300) 중 개방된 면의 반대쪽에 형성된 절곡부(310) 끝단의 위치는 음극 전극(200)에서 음극 활물질이 코팅된 코팅부(220) 끝단의 위치와 같거나 코팅부(220) 끝단의 위치 보다 외장재(400) 측에 근접하게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서는 음극 집전체(210)의 일면을 음극 활물질로 코팅하고 코팅부 측으로 절곡하여 음극 전극(200)을 형성하여, 도 4와 같이 전극 조립체의 최외각에 위치하는 음극 전극(200)이 단면으로 조립되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서는 음극 집전체(210)의 일면을 음극 활물질로 코팅하고 코팅부 반대측으로 절곡해서 음극 전극(200)을 형성하여, 음극 집전체(210)의 노출부(230)가 외장재(400)에 접촉되도록 도 5와 같이 전극 조립체가 형성되도록 할 수 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서는 음극 집전체(210)의 일면을 음극 활물질로 코팅하고 코팅부 반대측으로 절곡하여 음극 전극(200)을 형성하며, 최외각에 위치하는 음극 전극(200)을 절단하여 음극 집전체(210)의 노출부(230)가 외장재(400)에 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 도 6과 같이 전극 조립체가 형성되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이다. 도 7과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법은, (1) 양극 집전체(110)의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극(100)을 마련하는 단계; (2) 음극 집전체(210)의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극(200)을 마련하는 단계; (3) 분리막(300)을 지그재그 형태로 절곡시켜 양극 전극(100)과 음극 전극(200) 사이에 개재하는 단계; (4) 외장재(400)로 양극 전극(100), 음극 전극(200) 및 분리막(300)을 커버하는 단계; 및 (5) 외장재(400) 내에 전해액(700)을 주입하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 단계 (2)는, 도 8 및 도 9와 같이 음극 집전체(210)의 일면에 음극 활물질을 코팅시켜 코팅부를 형성하는 단계; 및 코팅부(220) 측 또는 코팅부(220) 반대측으로 음극 집전체(210)를 절곡시키는 단계;를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 단계 (2)는, 도 10과 같이 음극 집전체(210)의 양면에 음극 활물질을 코팅시켜 코팅부(220)를 형성하는 단계; 및 코팅부(220) 측 또는 코팅부(220) 반대측으로 음극 집전체(210)를 절곡시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법의 각 단계에서의 세부적인 기술적인 특징은 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
100: 양극 전극 110: 양극 집전체
120: 양극 코팅부
200: 음극 전극 210: 음극 집전체
220: 음극 코팅부 230: 노출부
300: 분리막 310: 절곡부
400: 외장재
500: 음극탭 600: 양극탭
700: 전해액 800: 냉각매체

Claims (13)

  1. 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극;
    음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극;
    양극 전극과 음극 전극 사이에 개재되고 지그재그 형태로 절곡된 분리막;
    양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 커버하는 외장재;를 포함하며,
    음극 집전체는 일부분이 외장재 측으로 노출되는 노출부를 포함하고, 노출부는 외장재에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    분리막은 양극 전극과 음극 전극 사이에 지그재그 형태로 개재되며, 한쪽면은 개방된 형태이고 개방된 면의 반대쪽면은 절곡되어 폐쇄된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    노출부는 분리막 중 개방된 면 측으로 노출되어 외장재에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 접근되도록 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    분리막 중 개방된 면의 반대쪽에 형성된 절곡부 끝단의 위치는 음극 전극에서 음극 활물질이 코팅된 코팅부 끝단의 위치와 같거나 코팅부 끝단의 위치 보다 외장재 측에 근접하게 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    음극 집전체는 Cu, Ni, Ag, Au 및 Pt 중 하나의 물질이고, 두께는 3um 이상 10um 이하인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    외장재는 냉각매체 또는 냉각매체가 이동하는 챔버와 적어도 한면이 접촉된 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    노출부는 외장재 중 냉각매체 또는 냉각매체가 이동하는 챔버와 접촉된 면에 접촉되거나 기 설정된 거리 이하로 근접되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    음극 전극은, 음극 집전체의 일면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부를 포함하고, 코팅부 측으로 음극 집전체가 절곡된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    음극 전극은, 음극 집전체의 일면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부를 포함하고, 코팅부 반대측으로 음극 집전체가 절곡된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    음극 전극은, 음극 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 코팅부를 포함하고, 코팅부 또는 코팅부 반대측으로 음극 집전체가 절곡된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  11. (1) 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 전극을 마련하는 단계;
    (2) 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 전극을 마련하는 단계;
    (3) 분리막을 지그재그 형태로 절곡시켜 양극 전극과 음극 전극 사이에 개재하는 단계;
    (4) 외장재로 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 커버하는 단계; 및
    (5) 외장재 내에 전해액을 주입하는 단계;를 포함하는 리튬이온 이차전지 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    단계 (2)는,
    음극 집전체의 일면에 음극 활물질을 코팅시켜 코팅부를 형성하는 단계; 및
    코팅부 측 또는 코팅부 반대측으로 음극 집전체를 절곡시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    단계 (2)는,
    음극 집전체의 양면에 음극 활물질을 코팅시켜 코팅부를 형성하는 단계; 및
    코팅부 측 또는 코팅부 반대측으로 음극 집전체를 절곡시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조방법.
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