KR20220019470A - 리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 그 제조 방법 - Google Patents

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이예연
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이윤지
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Abstract

본 발명에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템은, 양극 전극, 음극 전극 및 양극 전극과 음극 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하며, 전해액에 함침된 전극 조립체; 전극 조립체의 일면에 마련되고, 양극 전극 또는 음극 전극과 전기적으로 연결되며, 전극 조립체에 리튬을 공급하거나 전극 조립체로부터 탈리된 리튬을 수용하는 리튬부; 및 리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.

Description

리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 그 제조 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING LITHIUM ION SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬이온 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 이차전지의 고에너지 밀도를 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. Si, Ge, Sn, Pb 등은 리튬을 흡장 할 수 있는 금속으로 현재 리튬 이온전지에 주로 사용되고 있는 흑연의 용량의 비해 10배 이상의 이론 용량을 가지고 있다. 그러나 이러한 금속은 충방전 초기 효율이 흑연에 비해 매우 낮고, 부피팽창 등에 문제로 인해 실제 셀에는 흑연을 주성분으로 하여 10% 내외 혼합하여 사용되고 있다.
이러한 초기 효율 문제를 해결하기 위하여 셀을 최종 조립하기 전에 음극 전극에 별도의 리튬을 반응시키거나, 별도의 셀을 구성한 후 음극 전극에 리튬을 공급하고 리튬이 공급된 음극으로 셀을 재구성하는 방법 등이 알려져 있다.
하지만, 상기 서술한 방법은 공정성, 코스트, 실효성 측면에서 실제 제품에 적용하기 어려운 측면이 있다.
KR 10-2010-0002196
상술한 문제를 해결하기 위해 제안된 본 발명은 리튬이온이 통과할 수 잇는 통로가 마련된 양극 집전체 및 음극 집전체를 사용하여 리튬이온이 양극 전극 및 음극 전극을 통과할 수 있는 전극 조립체를 마련하고, 전극 조립체을 전해액에 함침한 후, 리튬부를 통해 전극 조립체 내의 음극 전극에 원하는 양의 리튬을 원하는 속도로 용이하게 공급함으로써, 배터리 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템은, 양극 전극, 음극 전극 및 양극 전극과 음극 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하며, 전해액에 함침된 전극 조립체; 전극 조립체의 일면에 마련되고, 양극 전극 또는 음극 전극과 전기적으로 연결되며, 전극 조립체에 리튬을 공급하거나 전극 조립체로부터 탈리된 리튬을 수용하는 리튬부; 및 리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
리튬부는 전해액 주입 후 음극 전극의 전위보다 전위가 낮은 물질일 수 있다.
리튬부는 Li-Metal, Al-Li 합금, Li3N, Li3-xMxN (M=Ni, Co, Cu, 0≤ x ≤1.0), Li7MnN4 및 Li3FeN2 중 하나일 수 있다.
리튬부는, 전해액 주입 후 음극 전극의 전위보다 전위가 높은 물질일 수 있다.
리튬부는 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al), xLi2MnO3·(1-x)LiMO2 (0 < x < 1, M = Ni, Mn, Co)의 layered oxides 타입, LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4 LiMn1.5Ni0.5O2의 스피넬 타입 및 LiFePO4, LiMnPO4, Li2MnSiO4, LiFeBO3의 폴리아니온 타입 중 하나일 수 있다.
양극 전극의 양극 집전체와 음극 전극의 음극 집전체에는 금속 이온이 통과할 수 있는 통로가 형성될 수 있다.
전극 조립체의 최외측에 위치한 전극의 외측에는 활물질이 코팅되지 않을 수 있다.
리튬부와 음극 전극 사이의 전압 차이를 측정하는 제1 전압측정부; 양극 전극과 음극 전극 사이의 전압 차이를 측정하는 제2 전압측정부; 리튬부와 양극 전극 또는 리튬부와 음극 전극 사이에 마련된 가변저항; 전원을 공급하는 전원공급부; 및 리튬부에서 전극 조립체로 공급되는 리튬 공급속도 및 리튬 공급량 중 하나 이상을 모니터링하는 모니터링부; 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부와 음극 전극 간의 전위 크기 관계, 리튬부와 양극 전극의 전위 크기 관계, 리튬부와 음극 전극 사이의 전위차, 및 양극 전극과 음극 전극 사이의 전위차 중 하나 이상에 기반하여, 리튬부에서 전극 조립체에 공급되는 리튬 공급량 및 리튬 공급속도 중 하나 이상을 조정할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위보다 같거나 높은 경우, 전원공급부를 통해 리튬부로부터 음극 전극에 리튬이온이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위보다 낮은 경우, 가변저항을 통해 리튬부로부터 음극 전극에 리튬이온이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위보다 높은 경우, 가변저항을 통해 음극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위와 같거나 낮은 경우, 전원공급부를 통해 음극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위와 같거나 높은 경우, 전원공급부를 통해 양극 전극에 리튬이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위보다 낮은 경우, 가변저항을 통해 양극 전극에 리튬이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위보다 높은 경우, 가변저항을 통해 양극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위와 같거나 낮은 경우, 전원공급부를 통해 양극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
컨트롤러는, 최소한 음극 전극의 표면에 리튬이 석출되는 시점까지 리튬부로부터 음극 전극에 리튬 이온이 공급되도록 할 수 있다.
컨트롤러는, 리튬부로부터 양극 전극과 음극 전극에 리튬 이온이 공급되도록 하되, 음극 전극에 공급된 총 리튬량은 음극 전극의 비가역용량 이상이고, 양극 전극에 공급된 총 리튬량은 양극 전극이 수용 가능한 최대 리튬량 이하가 되도록 할 수 있다.
컨트롤러는, 음극 전극에 공급된 총 리튬량 중 음극 전극의 비가역용량을 제외한 리튬을 탈리시켜 리튬부로 회수되도록 할 수 있다.
음극 전극에서 최초로 수용 가능한 리튬의 가용용량은 양극 전극에서 최초로 방출되는 리튬의 가용용량 이상일 수 있다.
양극 전극에 코팅된 활물질은 TiS2, VSe2, V2S5, Fe0.25V0.75S2, Cr0.75V0.25S2, NiPS3, FePS3, CuCo2S4, CuS, NbSe3, MoS3, Cr3O4, V6O13, V2O5, MoO3 및 Cu2.33V4O11 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지 제조 방법은, 양극 전극을 마련 하는 단계; 음극 전극을 마련하는 단계; 양극 전극과 음극 전극 사이에 분리막을 적층하여 전극 조립체를 형성하는 단계; 전극 조립체를 배터리 셀 케이스에 안착시키고 전해액을 주입하는 단계; 전극 조립체의 일면에 리튬부를 마련하는 단계; 및 리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 단계 이후에,
배터리 케이스 셀 케이스를 실링하는 단계; 및 에이징 및 화성 공정을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 프리리시에이션을 통해 음극 전극의 비가역 용량을 최소화함으로써 배터리 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 전극 조립체를 제작하고, 배터리 케이스에 삽입한 후, 프리리시에이션 공정을 수행함으로써, 공기와의 접촉 시간 및 접촉 면적을 최소화할 수 있다.
아울러, 전극 조립체의 외부에서 리튬을 공급함으로써, 리튬의 공급량을 자유롭게 조정할 수 있다.
더 나아가, 양극 전극 및 음극 전극에 타공을 형성하지 않음으로써, 타공 형성에 따른 에너지밀도의 손실을 최소화하고, 타공으로 인한 반응의 불균일을 최소화할 수 있다.
더 나아가, 리튬부를 통해 양극 전극에 리튬을 공급할 수 있음으로써, 최초에 리튬을 포함하지 않은 물질을 양극 활물질로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에 따라 리튬부에서 전극 조립체로 리튬이온이 공급되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에 따라 리튬부에서 전극 조립체로 리튬이온이 공급되는 것을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템은, 양극 전극(110), 음극 전극(120) 및 양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이에 위치하는 분리막(130)을 포함하며, 전해액(140)에 함침된 전극 조립체(100), 전극 조립체(100)의 일면에 마련되고, 양극 전극(110) 또는 음극 전극(120)과 전기적으로 연결되며, 전극 조립체(100)에 리튬을 공급하거나 전극 조립체(100)로부터 탈리된 리튬을 수용하는 리튬부(200) 및 리튬부(200)로부터 리튬이온이 전극 조립체(100)로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체(100)로부터 탈리되도록 하는 컨트롤러(300)를 포함할 수 있다.
또한, 리튬부(200)와 음극 전극(120) 사이의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부(400), 양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부(500), 리튬부(200)와 양극 전극(110) 또는 리튬부(200)와 음극 전극(120) 사이에 마련된 가변저항(600), 전원을 공급하는 전원공급부(700) 및 리튬부(200)에서 전극 조립체(100)로 공급되는 리튬 공급속도 및 리튬 공급량 중 하나 이상을 모니터링하는 모니터링부(800) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 제1 전압 측정부(400) 및 제2 전압 측정부(500)는 전압센서일 수 있으며, 모니터링부(800)는 전류측정장치로부터 측정된 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류 및 적산전류를 전달받아, 리튬부(200)로부터 전극 조립체(100)에 공급되는 리튬의 공급속도와 리튬의 공급량을 모니터링할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 모니터링부(800)는 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류 및 적산전류를 측정할 수 있는 전류센서일 수 있다.
음극 전극(120)은 음극 집전체(121) 및 음극 집전체(121)를 코팅하는 음극 코팅층을 포함할 수 있다. 여기서, 음극 집전체(121)에는 금속 이온이 통과할 수 있는 통로가 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 금속 이온이 통과할 수 있는 통로는 세공의 형태로 형성될 수 있다. 하지만, 이는 일실시예일 뿐, 금속 이온이 통과할 수 있는 통로가 형성된다면 해당 통로의 형태는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속 이온이 리튬이온인 경우, 해당 통로의 크기는 리튬이온이 이동할 수 있는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 음극 집전체(121)는 도전체라면 어떠 것이라도 무방하고, 실시예에 따라 구리, 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
음극 집전체(121)의 양면에는 음극 활물질(122)이 코팅될 수 있다. 다만, 음극 전극(120)이 전극 조립체(100)의 최외측에 위치한 경우, 실시예에 따라, 음극 집전체(121)의 양면에는 음극 활물질(122)이 코팅될 수 있으며, 다른 실시예에 따라, 음극 집전체(121)의 외측에는 음극 활물질(122)이 코팅되지 않을 수도 있다.
여기서 음극 활물질(122)은 금속계 활물질 및 탄소계 활물질을 포함할 수 있고, 이때 금속계 활물질은 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 탄소계 활물질은 탄소(원자)를 포함하고 동시에 전기 화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질로서, 실시예에 따라 흑연 활물질, 인조흑연, 천연흑연, 인조흑연 및 천연흑연의 혼합물, 인조흑연을 피복한 천연흑연 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
양극 전극(110)은 셀이 충전될 시 리튬이온을 방출하고 방전 시 리튬이온을 수용하는 역할을 한다.
구체적으로, 양극 전극(110)은 양극 집전체(111) 및 양극 집전체(111)를 코팅하는 양극 코팅층을 포함할 수 있다. 여기서, 양극 집전체(111)에는 금속 이온이 통과할 수 있는 통로가 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 금속 이온이 통과할 수 있는 통로는 세공의 형태로 형성될 수 있다. 하지만, 이는 일실시예일 뿐, 금속 이온이 통과할 수 있는 통로가 형성된다면 해당 통로의 형태는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속 이온이 리튬이온인 경우, 해당 통로의 크기는 리튬이온이 이동할 수 있는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 양극 집전체(111)는 도전체라면 어떠한 것이라도 무방하나, 사용범위 내에서 전기화학적으로 안정한 것이 바람직하다. 실시예에 따라 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있다.
아울러, 양극 코팅층은 양극 집전체(111) 상에 형성되고 양극 활물질(112)을 포함하는 양극 활물질(112)층 및 양극 활물질(112)층 상에 형성되고 도전재와 바인더를 포함하는 코팅층일 수 있다. 실시예에 따라, 양극 전극(110)이 전극 조립체(100)의 최외측에 위치한 경우, 양극 집전체(111)의 외측에는 양극 활물질(112)이 코팅되지 않는 것이 바람직하다.
이처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에 따르면, 양극 전극(110)과 음극 전극(120)에 직접 천공을 형성하는 것이 아니고, 양극 집전체(111) 및 음극 집전체(121)에만 금속 이온이 이동할 수 있는 통로를 형성함으로써, 전극 전체에 타공을 형성하는 것과 비교하여 에너지 밀도 손실을 최소화할 수 있으며, 전극 타공 시 발생하는 이물질에 대한 영향을 최소화할 수 있고, 전극 타공에 따른 셀의 반응이 불균일해지는 문제를 방지할 수 있다.
리튬부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전해액(140)에 함침된 전극 조립체(100)의 일면에 마련될 수 있고, 양극 전극(110) 또는 음극 전극(120)과 전기적으로 연결되며, 전극 조립체(100)에 리튬을 공급하거나 전극 조립체(100)로부터 탈리된 리튬을 수용할 수 있다.
실시예에 따라, 리튬부(200)는 전해액(140) 주입 후 음극 전극(120)의 전위보다 낮은 물질일 수 있다. 예를 들어, 리튬부(200)는 Li-Metal, Al-Li 합금, Li3N, Li3-xMxN (M=Ni, Co, Cu, 0≤x≤1.0), Li7MnN4 및 Li3FeN2 중 하나일 수 있다. 하지만, 이는 일 실시예일 뿐, 전해액(140) 주입 후 음극 전극(120)의 전위보다 낮은 전위를 갖는 물질이라면 이외의 물질도 본 발명에서의 리튬부(200)로 적용될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 리튬부(200)는 전해액(140) 주입 후 음극 전극(120)보다 전위가 높은 물질일 수 있다. 예를 들어, 리튬부(200)는 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al), xLi2MnO3·(1-x)LiMO2 (0 < x < 1, M = Ni, Mn, Co)의 layered oxides 타입, LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4 LiMn1.5Ni0.5O2의 스피넬 타입 및 LiFePO4, LiMnPO4, Li2MnSiO4, LiFeBO3의 폴리아니온 타입 중 하나일 수 있다. 하지만, 이는 일 실시예일 뿐, 전해액(140) 주입 후 음극 전극(120)의 전위보다 높은 전위를 갖는 물질이라면 이외의 물질도 본 발명에서의 리튬부(200)로 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조시스템에서 리튬부(200)로부터 리튬이온이 전극 조립체(100)로 공급되는 것과 리튬이온이 전극 조립체(100)로부터 탈리되는 것에 대해 설명하기로 한다.
컨트롤러(300)는 리튬부(200)로부터 리튬이온이 전극 조립체(100)로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체(100)로부터 탈리되도록 할 수 있다. 여기서, 컨트롤러(300)는, 본 발명에 포함된 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
구체적으로, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)와 음극 전극(120) 간의 전위 크기 관계, 리튬부(200)와 양극 전극(110)의 전위 크기 관계, 리튬부(200)와 음극 전극(120) 사이의 전위차, 및 양극 전극(110)와 음극 전극(120) 사이의 전위차 중 하나 이상에 기반하여, 리튬부(200)에서 전극 조립체(100)에 공급되는 리튬 공급량 및 리튬 공급속도 중 하나 이상을 조정할 수 있다.
실시예에 따라, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)의 전위가 음극 전극(120)의 전위보다 높은 경우, 전원공급부(700)를 통해 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 리튬이온이 공급되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급량 및 공급속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급속도를 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 증가시킬 수 있고, 반대로, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급속도를 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 감소시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급량을 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 증가시킬 수 있고, 반대로, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급량을 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 감소시킬 수 있다.
여기서, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬의 적정 공급량은 음극 전극(120)의 비가역 용량과 가용용량 등에 따라 조정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 음극 전극(120)의 총 비가역 용량이 20mAh인 경우, 컨트롤러(300)는 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 20mAh로 제어할 수 있다.
아울러, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 리튬을 공급할 경우, 컨트롤러(300)는 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량이 양극 전극(110)의 최대 수용량보다 같거나 작도록 제어하는 것이 바람직하다.
다른 실시예에 따라, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)의 전위가 음극 전극(120)의 전위와 같거나 낮은 경우, 가변저항(600)을 통해 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 리튬이온이 공급되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는, 가변저항(600)의 크기를 제어하여 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급량 및 공급속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급속도를 증가시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 감소시킴으로써 리튬 공급속도를 증가시킬 수 있고, 반대로, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급되는 리튬 공급속도를 감소시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 증가시킴으로써 리튬 공급속도를 감소시킬 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)의 전위가 음극 전극(120)의 전위보다 높은 경우, 가변저항(600)을 통해 음극 전극(120)으로부터 리튬이온이 탈리되어 리튬부(200)에 수용되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는, 가변저항(600)의 크기를 제어하여 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 음극 전극(120)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용량 및 수용속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 음극 전극(120)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용 속도를 증가시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 감소시킴으로써 리튬 수용속도를 증가시킬 수 있고, 반대로, 음극 전극(120)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용 속도를 감소시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 증가시킴으로써 리튬 수용속도를 감소시킬 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 리튬부(200)의 전위가 음극 전극(120)의 전위와 같거나 낮은 경우, 컨트롤러(300)는 전원공급부(700)를 통해 음극 전극(120)으로부터 리튬이온이 탈리되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는, 전원공급부(700)를 제어하여 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 음극 전극(120)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용량 및 수용속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 음극 전극(120)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용 속도를 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 증가시킴으로써, 리튬 수용속도를 증가시킬 수 있고, 반대로, 음극 전극(120)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용 속도를 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 감소시킴으로써 리튬 수용속도를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에서는 양극 전극(110)에 리튬을 포함하지 않는 경우, 리튬부(200)를 통해 양극 전극(110)에 리튬을 공급할 수 있다. 이때, 양극 전극(110)에 코팅된 양극 활물질(112)은 리튬을 수용할 수 있는 물질로서, TiS2, VSe2, V2S5, Fe0.25V0.75S2, Cr0.75V0.25S2, NiPS3, FePS3, CuCo2S4, CuS, NbSe3, MoS3, Cr3O4, V6O13, V2O5, MoO3 및 Cu2.33V4O11 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에서는 리튬이 포함되지 않은 양극 활물질(112)을 사용할 수 있다.
실시예에 따라, 리튬부(200)의 전위가 양극 전극(110)의 전위와 같거나 높은 경우, 컨트롤러(300)는 전원공급장치를 통해 양극 전극(110)에 리튬이 공급되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급량 및 공급속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급속도를 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 증가시킬 수 있고, 반대로, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급속도를 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 감소시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급량을 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 증가시킬 수 있고, 반대로, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급량을 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 감소시킬 수 있다.
다른 실시예에 따라, 리튬부(200)의 전위가 양극 전극(110)의 전위보다 낮은 경우, 컨트롤러(300)는 가변저항(600)을 통해 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 리튬이온이 공급되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는 가변저항(600)의 크기를 제어하여 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급량 및 공급속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급속도를 증가시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 감소시킴으로써 리튬 공급속도를 증가시킬 수 있고, 반대로, 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)에 공급되는 리튬 공급속도를 감소시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 증가시킴으로써 리튬 공급속도를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에서는 양극 전극(110)의 비가역이 클 경우, 양극 전극(110)으로부터 리튬이온을 탈리시켜 리튬부(200)에 수용되도록 할 수 있다.
실시예에 따라, 리튬부(200)의 전위가 양극 전극(110)의 전위보다 높은 경우, 컨트롤러(300)는 가변저항(600)을 통해 양극 전극(110)으로부터 리튬이온이 탈리되어 리튬부(200)에 수용되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는 가변저항(600)의 크기를 제어하여 전원공급부(700)로부터 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 양극 전극(110)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용량 및 수용속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 양극 전극(110)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용 속도를 증가시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 감소시킴으로써 리튬 수용속도를 증가시킬 수 있고, 반대로, 양극 전극(110)으로부터 탈리되어 리튬부(200)에 수용되는 리튬 수용 속도를 감소시키고자 하는 경우, 가변저항(600)의 저항을 증가시킴으로써 리튬 수용속도를 감소시킬 수 있다.
다른 실시예에 따라, 리튬부(200)의 전위가 양극 전극(110)의 전위와 같거나 낮은 경우, 컨트롤러(300)는 전원공급장치를 통해 양극 전극(110)으로부터 리튬이온이 탈리되도록 할 수 있다. 이때, 컨트롤러(300)는, 전원공급부(700)를 제어하여 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어함으로써, 양극 전극(110)으로부터 리튬부(200)로 수용되는 리튬 수용량 및 수용속도 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)는, 양극 전극(110)으로부터 리튬이온이 탈리되어 리튬부(200)로 수용되는 리튬 수용속도를 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 증가시킬 수 있고, 반대로, 양극 전극(110)으로부터 리튬이온이 탈리되어 리튬부(200)로 수용되는 리튬 수용속도를 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 전류의 세기를 감소시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(300)는 양극 전극(110)으로부터 리튬이온이 탈리되어 리튬부(200)로 수용되는 리튬 수용량을 증가시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 증가시킬 수 있고, 반대로, 양극 전극(110)으로부터 리튬이온이 탈리되어 리튬부(200)로 수용되는 리튬 수용량을 감소시키고자 하는 경우, 전원공급부(700)에서 공급되는 총 전류량을 감소시킬 수 있다.
한편, 컨트롤러(300)는, 상술한 방식에 따라, 최소한 음극 전극(120)의 표면에 리튬이 석출되는 시점까지 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 리튬 이온이 공급되도록 할 수 있다. 실시예에 따라, 컨트롤러(300)는 음극 전극(120)의 표면에 리튬이 석출되는 시점 이후에도 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 리튬 이온이 공급되도록 할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따르면, 컨트롤러(300)에서 최소한 음극 전극(120)의 표면에 리튬이 석출되는 시점까지 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 리튬 이온이 공급되도록 함으로써, 박막의 리튬이 코팅된 음극 전극(120)을 사용하는 것과 동일한 효과를 가질 수 있다.
한편, 컨트롤러(300)는, 상술한 바와 같이 리튬부(200)로부터 양극 전극(110)과 음극 전극(120)에 리튬이온이 공급되도록 하되, 음극 전극(120)에 공급된 총 리튬량은 음극 전극(120)의 비가역용량 이상으로 하고, 양극 전극(110)에 공급된 총 리튬량은 양극 전극(110)이 수용 가능한 최대 리튬량 이하로 하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 음극 전극(120)의 비가역 용량이 10인 경우, 리튬부(200)로부터 음극 전극(120)에 공급된 총 리튬량은 10 이상으로 하는 것이 바람직하다.
아울러, 컨트롤러(300)는, 상술한 방식에 기반하여 음극 전극(120)에 공급된 총 리튬량 중 음극 전극(120)의 비가역용량을 제외한 리튬을 탈리시켜 리튬부(200)로 회수되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 음극 전극(120)에 공급된 총 리튬량 중 음극 전극(120)의 비가역용량인 10을 제외한 리튬은 탈리시켜 리튬부(200)로 회수되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템에서, 음극 전극(120)에서 최초로 수용 가능한 리튬의 가용용량은 양극 전극(110)에 리튬을 공급한 후, 양극 전극(110)에서 최초로 방출되는 리튬의 가용용량 이상인 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조방법은, 양극 전극(110)을 마련 하는 단계, 음극 전극(120)을 마련하는 단계, 양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이에 분리막(130)을 적층하여 전극 조립체(100)를 형성하는 단계, 전극 조립체(100)를 배터리 셀 케이스에 안착시키고 전해액(140)을 주입하는 단계, 전극 조립체(100)의 일면에 리튬부(200)를 마련하는 단계 및 리튬부(200)로부터 리튬이온이 전극 조립체(100)로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체(100)로부터 탈리되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
아울러, 리튬부(200)로부터 리튬이온이 전극 조립체(100)로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체(100)로부터 탈리되도록 하는 단계 이후에, 배터리 케이스 셀 케이스를 실링하는 단계와 에이징 및 화성 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 방법의 각 단계에서의 실질적인 기술내용은 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조시스템에서의 기술적 내용과 동일하므로 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 제조 시스템 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명에 따르면, 프리리시에이션을 통해 음극 전극(120)의 비가역 용량을 최소화함으로써 배터리 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 양극 전극(110)에 포함된 리튬량이 100이고, 충전시 최초 음극 전극(120)에서 50의 리튬이 저장될 수 있으며, 음극 활물질(122) 자체의 최초 충전 및 방전 시의 비가역 용량이 10인 경우, 리튬부(200)를 통해 음극 활물질(122) 자체의 최초 충전 및 방전 시의 비가역 용량에 상응하는 리튬량을 음극 전극(120)에 공급함으로써, 추가된 리튬량만큼 배터리 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 전극 조립체(100)를 제작하고, 배터리 케이스에 삽입한 후, 프리리시에이션 공정을 수행함으로써, 공기와의 접촉 시간 및 접촉 면적을 최소화할 수 있다.
아울러, 전극 조립체(100)의 외부에서 리튬을 공급함으로써, 리튬의 공급량을 자유롭게 조정할 수 있다.
더 나아가, 양극 전극(110) 및 음극 전극(120)에 타공을 형성하지 않음으로써, 타공 형성에 따른 에너지밀도의 손실을 최소화하고, 타공으로 인한 반응의 불균일을 최소화할 수 있다.
더 나아가, 리튬부(200)를 통해 양극 전극(110)에 리튬을 공급할 수 있음으로써, 최초 리튬을 포함하지 않은 물질을 양극 활물질(112)로 사용할 수 있다.
100: 전극 조립체 110: 양극 전극
111: 양극 집전체 112: 양극 활물질
120: 음극 전극 121: 음극 집전체
122: 음극 활물질 130: 분리막
140: 전해액
200: 리튬부 300: 컨트롤러
400: 제1 전압 측정부 500: 제2 전압측정부
600: 가변저항 700: 전원공급부
800: 모니터링부

Claims (24)

  1. 양극 전극, 음극 전극 및 양극 전극과 음극 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하며, 전해액에 함침된 전극 조립체;
    전극 조립체의 일면에 마련되고, 양극 전극 또는 음극 전극과 전기적으로 연결되며, 전극 조립체에 리튬을 공급하거나 전극 조립체로부터 탈리된 리튬을 수용하는 리튬부; 및
    리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 컨트롤러;를 포함하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    리튬부는 전해액 주입 후 음극 전극의 전위보다 전위가 낮은 물질인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    리튬부는 Li-Metal, Al-Li 합금, Li3N, Li3-xMxN (M=Ni, Co, Cu, 0≤x ≤1.0), Li7MnN4 및 Li3FeN2 중 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    리튬부는, 전해액 주입 후 음극 전극의 전위보다 전위가 높은 물질인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    리튬부는 LiMO2 (M = Ni, Co, Mn, Al), xLi2MnO3·(1-x)LiMO2 (0 < x < 1, M = Ni, Mn, Co)의 layered oxides 타입, LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4 LiMn1.5Ni0.5O2의 스피넬 타입 및 LiFePO4, LiMnPO4, Li2MnSiO4, LiFeBO3의 폴리아니온 타입 중 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    양극 전극의 양극 집전체와 음극 전극의 음극 집전체에는 금속 이온이 통과할 수 있는 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    전극 조립체의 최외측에 위치한 전극의 외측에는 활물질이 코팅되지 않은 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    리튬부와 음극 전극 사이의 전압을 측정하는 제1 전압측정부;
    양극 전극과 음극 전극 사이의 전압을 측정하는 제2 전압측정부;
    리튬부와 양극 전극 또는 리튬부와 음극 전극 사이에 마련된 가변저항;
    전원을 공급하는 전원공급부; 및
    리튬부에서 전극 조립체로 공급되는 리튬 공급속도 및 리튬 공급량 중 하나 이상을 모니터링하는 모니터링부; 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부와 음극 전극 간의 전위 크기 관계, 리튬부와 양극 전극의 전위 크기 관계, 리튬부와 음극 전극 사이의 전위차, 및 양극 전극과 음극 전극 사이의 전위차 중 하나 이상에 기반하여, 리튬부에서 전극 조립체에 공급되는 리튬 공급량 및 리튬 공급속도 중 하나 이상을 조정하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위보다 같거나 높은 경우, 전원공급부를 통해 리튬부로부터 음극 전극에 리튬이온이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위보다 낮은 경우, 가변저항을 통해 리튬부로부터 음극 전극에 리튬이온이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위보다 높은 경우, 가변저항을 통해 음극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 음극 전극의 전위와 같거나 낮은 경우, 전원공급부를 통해 음극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위와 같거나 높은 경우, 전원공급부를 통해 양극 전극에 리튬이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위보다 낮은 경우, 가변저항을 통해 양극 전극에 리튬이 공급되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  16. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위보다 높은 경우, 가변저항을 통해 양극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  17. 청구항 9에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부의 전위가 양극 전극의 전위와 같거나 낮은 경우, 전원공급부를 통해 양극 전극으로부터 리튬이온이 탈리되도록 하되, 공급되는 전류의 세기, 총 전류량 및 전압 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    컨트롤러는, 최소한 음극 전극의 표면에 리튬이 석출되는 시점까지 리튬부로부터 음극 전극에 리튬 이온이 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  19. 청구항 1에 있어서,
    컨트롤러는, 리튬부로부터 양극 전극과 음극 전극에 리튬 이온이 공급되도록 하되, 음극 전극에 공급된 총 리튬량은 음극 전극의 비가역용량 이상이고, 양극 전극에 공급된 총 리튬량은 양극 전극이 수용 가능한 최대 리튬량 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  20. 청구항 1에 있어서,
    컨트롤러는, 음극 전극에 공급된 총 리튬량 중 음극 전극의 비가역용량을 제외한 리튬을 탈리시켜 리튬부로 회수되도록 하는 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  21. 청구항 1에 있어서,
    음극 전극에서 최초로 수용 가능한 리튬의 가용용량은 양극 전극에서 최초로 방출되는 리튬의 가용용량 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  22. 청구항 1에 있어서,
    양극 전극에 코팅된 활물질은 TiS2, VSe2, V2S5, Fe0.25V0.75S2, Cr0.75V0.25S2, NiPS3, FePS3, CuCo2S4, CuS, NbSe3, MoS3, Cr3O4, V6O13, V2O5, MoO3 및 Cu2.33V4O11 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 시스템.
  23. 양극 전극을 마련 하는 단계;
    음극 전극을 마련하는 단계;
    양극 전극과 음극 전극 사이에 분리막을 적층하여 전극 조립체를 형성하는 단계;
    전극 조립체를 배터리 셀 케이스에 안착시키고 전해액을 주입하는 단계;
    전극 조립체의 일면에 리튬부를 마련하는 단계; 및
    리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 단계;를 포함하는 리튬이온 이차전지 제조 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    리튬부로부터 리튬이온이 전극 조립체로 공급되도록 하거나 또는 리튬이온이 전극 조립체로부터 탈리되도록 하는 단계 이후에,
    배터리 케이스 셀 케이스를 실링하는 단계; 및
    에이징 및 화성 공정을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조 방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100002196A (ko) 2008-06-26 2010-01-06 히다치 가세고교 가부시끼가이샤 도전성 입자를 내재시킨 수지 필름 시트 및 도전성 입자를 내재시킨 수지 필름 시트로 전기적으로 접속된 전자 부품

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7846571B2 (en) * 2006-06-28 2010-12-07 Robert Bosch Gmbh Lithium reservoir system and method for rechargeable lithium ion batteries
JP5609807B2 (ja) * 2011-07-27 2014-10-22 三菱自動車工業株式会社 バッテリ装置のヒステリシス低減システム
US10770760B2 (en) * 2015-05-08 2020-09-08 Enovix Corporation Replenished negative electrodes for secondary batteries

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100002196A (ko) 2008-06-26 2010-01-06 히다치 가세고교 가부시끼가이샤 도전성 입자를 내재시킨 수지 필름 시트 및 도전성 입자를 내재시킨 수지 필름 시트로 전기적으로 접속된 전자 부품

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