KR20220076100A - 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법 - Google Patents

라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220076100A
KR20220076100A KR1020200164914A KR20200164914A KR20220076100A KR 20220076100 A KR20220076100 A KR 20220076100A KR 1020200164914 A KR1020200164914 A KR 1020200164914A KR 20200164914 A KR20200164914 A KR 20200164914A KR 20220076100 A KR20220076100 A KR 20220076100A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lamination
stack
secondary battery
separator
manufacturing
Prior art date
Application number
KR1020200164914A
Other languages
English (en)
Inventor
김덕환
오세영
이고은
김대홍
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to KR1020200164914A priority Critical patent/KR20220076100A/ko
Publication of KR20220076100A publication Critical patent/KR20220076100A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H01M50/461—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes with adhesive layers between electrodes and separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법에 관한 것으로, 식 1에 따른 온도로 라미네이션 공정을 수행함으로써, 단위체 스택부와 단위체 스택부의 접착력을 향상시키고, 충방전 과정에서 전극 팽창율 차이에 의한 벤딩 현상을 방지할 수 있다.

Description

라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법{METHOD FOR LAMINATION AND STACK TYPE SECONDARY BATTERY}
본 발명은 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리 롤형) 구조 또는 스택 앤 폴딩형 구조로 분류될 수 있다. 그런데 스택형 구조는 전극 조립체를 구성하는 전극 단위(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극 조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 전극 조립체를 생산하기 위해 매우 많은 공정이 요구된다는 단점이 있다. 그리고 스택 앤 폴딩형 구조는 일반적으로 2대의 라미네이션 장비와 1대의 폴딩 장비가 요구되기 때문에, 전극 조립체의 제조 공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 특히, 스택 앤 폴딩형 구조는 폴딩을 통해 풀셀이나 바이셀을 적층하기 때문에 풀셀이나 바이셀을 정밀하게 정렬하기 어렵다는 단점도 있다.
이에 라미네이션 앤 스택형 구조의 전극 조립체가 등장하게 되었다. 라미네이션 앤 스택형 구조는, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성된 기본 단위체를 라미네이션하여 기본 단위체 내에서 전극과 분리막 사이에 접착력을 부여하고, 이 같은 기본 단위체를 반복적으로 단순히 적층하는 것에 의해 제조될 수 있다.
한편 이차전지는 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하여 전해액을 주입하고 밀봉하는 조립 공정과, 전해액이 전극과 분리막 등에 잘 웨팅되도록 하는 프리에이징 공정 및 전지 구조를 안정화시키고 사용 가능한 상태가 되도록 하는 활성화 공정 등을 거쳐 제조되는데, 상기 활성화 공정에서는 전류의 원활한 통전을 위해 소정의 지그에 이차전지를 탑재하고 활성화에 필요한 조건으로 충방전 등의 처리를 하게 된다. 이를 지그 포메이션이라 칭하기도 한다. 이차전지에 있어서는 그 특성상 첫 사이클시 양극활물질의 활성화 및 음극에서의 안정적인 표면막(SEI, Solid Electrolyte Interface) 생성을 위해 이러한 활성화 공정이 필수적으로 선행되어야 한다. 그리고, 상기 지그 포메이션시, 초기 충전에 의해 발생하는 가스로 인한 불균일한 SEI 막의 형성을 방지하기 위해, 충전과 동시에 가압을 진행하기도 한다.
위와 같은 활성화 공정시, 이차전지가 충방전되면 양극과 음극은 부피가 팽창하게 되는데, 라미네이션 앤 스택형 구조의 전극 조립체가 적용된 이차전지의 활성화 공정 시에는, 이차전지의 전장 방향으로 구부러지거나 휘어지는 벤딩 현상이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명의 일 측면은 라미네이션 스택형 전극 조립체에서, 활성화 공정에 의해 전극 조립체가 구부러지거나 휘어지는 현상을 개선하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면은 전극 조립체의 벤딩 현상을 개선함으로써, 전지의 생산성을 향상시키는 데에도 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 하기 구현예들에 따른 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체를 제조하는 기본 단위체 제조 단계(S100);
상기 기본 단위체를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부를 제조하는 단위체 스택부 제조 단계(S200);
상기 단위체 스택부를 포함하는 스택형 전극 조립체를 전지 케이스에 수납한 후, 전해액을 주입하여 밀봉하는 조립 단계(S300);
열과 압력을 가하여, 상기 단위체 스택부 내에서, 상기 하나의 기본 단위체의 제2 분리막과 인접한 기본 단위체의 제1 전극을 서로 접착시키는 라미네이션 단계(S400); 및
1차 포메이션 공정을 수행하는 단계(S500)을 포함하며,
이 때, 상기 S400 단계는 하기 식 1에 따른 온도(Tset)로 열을 가하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법에 관한 것이다:
[식 1]
Figure pat00001
여기에서, Tset: 외부 설정 온도, Tmax: 바인더 접착력 최대 온도, A [mm2]: 스택형 전극 조립체의 면적, L [mm]: 스택형 전극 조립체의 두께, m [g]: 스택형 전극 조립체의 질량이다.
상기 분리막은 다공성 고분자 기재 및 상기 다공성 고분자 기재의 표면에 무기물 입자와 접착성 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 (S400) 단계는, 상기 식 1에 따라 설정된 외부 온도 (Tset)으로 가열할 수 있다.
상기 (S400) 단계는, 가압 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.
상기 가압 단계에서의 압력은, 1 내지 10kgf/㎠ 이며, 가압 시간은 3 내지 15분일 수 있다.
상기 1차 포메이션 공정은 45 ℃ 이하의 온도로 수행될 수 있다.
상기 전해액의 용매는 선형 카보네이트 또는 환형 카보네이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스택형 전극 조립체의 크기에 따라 일정한 시간 내에 셀의 내부에 있는 바인더 고분자의 접착력을 극대화할 수 있는 온도를 설정할 수 있다.
이에 따라, 벤딩 현상을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 동시에 생산성이 개선된 이차 전지의 제조방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에서는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체를 제조하는 기본 단위체 제조 단계(S100);
상기 기본 단위체를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부를 제조하는 단위체 스택부 제조 단계(S200);
상기 단위체 스택부를 포함하는 스택형 전극 조립체를 전지 케이스에 수납한 후, 전해액을 주입하여 밀봉하는 조립 단계(S300);
열과 압력을 가하여, 상기 단위체 스택부 내에서, 상기 하나의 기본 단위체의 제2 분리막과 인접한 기본 단위체의 제1 전극을 서로 접착시키는 라미네이션 단계(S400); 및
1차 포메이션 공정을 수행하는 단계(S500)을 포함하며,
이 때, 상기 S400 단계는 하기 식 1에 따른 온도(Tset)로 열을 가하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 식 1은 다음과 같다.
Figure pat00002
상기 식 1에서, Tset: 외부 설정 온도, Tmax: 바인더 접착력 최대 온도, A [mm2]: 스택형 전극 조립체의 면적, L [mm]: 스택형 전극 조립체의 두께, m [g]: 스택형 전극 조립체의 질량이다.
이하, 상기 단계를 구체적으로 검토한다.
먼저, 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체를 제조하는 기본 단위체 제조 단계(S100)이다.
이 때, 제1 전극이 양극이면 제2 전극은 음극이다. 이 때, 제1 전극이 음극이면 제2 전극은 양극이다. 이 때, 제1 분리막과 제2 분리막은 각각 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
상기 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막을 순차적으로 적층한 후, 상기 전극과 분리막 사이를 접착시킬 수 있다. 접착의 방법은 다양할 수 있다. 예를 들어, 라미네이터를 이용할 수 있다. 보다 구체적으로, 라미네이터를 이용하여 압력을 가하거나 압력과 열을 가할 수 있다. 이와 같은 접착은 단위체 스택부를 제조할 때 기본 단위체의 적층을 보다 용이하게 한다.
또는 접착력을 가지는 다공성 코팅층을 구비하는 분리막을 통해 전체적으로 전극을 분리막에 접착시킬 수 있다. 보다 상술한다. 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재와 같은 다공성 고분자 기재, 및 상기 다공성 고분자 기재의 일면 또는 면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함할 수 있다. 이때 다공성 코팅층은 무기물 입자들과 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성될 수 있다.
여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 또한 바인더 고분자는 전극을 분리막에 접착시킬 수 있다. 바인더 고분자는 다공성 코팅층에 전체적으로 분포하므로, 접착면의 전체에서 빈틈없이 접착이 일어날 수 있다. 따라서 이와 같은 분리막을 이용하면 전극을 보다 안정적으로 분리막에 고정 시킬 수 있다. 이와 같은 접착을 강화하기 위해 전술한 라미네이터를 이용할 수 있다.
이 후, 상기 기본 단위체를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부를 제조하는 단위체 스택부 제조단계이다(S200).
상기 단위체 스택부는 상기 기본 단위체가 반복적으로 적층되어 형성되어 있는 것이다. 또한, 상기 기본 단위체와 인접한 기본 단위체 사이의 계면이 접착되어 있다.
종래의 라미네이션 앤 스택형 구조의 전극 조립체는, 기본 단위체 내의 전극과 분리막 사이는 접착력이 형성되어 있는 반면, 단위체 스택부는 기본 단위체의 단순 적층에 의해 형성된 구조였다. 즉, 기본 단위체와 기본 단위체 사이에는 접착력이 형성되어 있지 않다. 이와 같은 구조의 전극 조립체를 충전하게 되면, 제1 전극과 제2 전극이 팽창될 때, 제1 전극과 제2 전극의 각 부피 팽창율이 상이하므로, 기본 단위체가 전체적으로 휘어지는 벤딩 현상이 발생하게 된다.
반면, 본 발명의 경우, 라미네이션 공정에서 하기 식 1과 같은 온도로 열을 가하여 분리막 표면에 도포된 접착성 바인더 고분자의 접착력을 극대화시키므로, 후속 공정에서 양극과 음극이 팽창하게 되더라도 부피 팽창에 의한 응력을 완화할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체의 벤딩 현상을 방지할 수 있다.
S300 단계는, 상기 단위체 스택부를 포함하는 스택형 전극 조립체를 전지 케이스에 수납한 후, 전해액을 주입하여 밀봉하는 조립 단계이다.
상기 S300 단계는, 상기에서 제조된 전극 조립체를 전지 케이스에 삽입한 후 전해액을 투입하는 것을 포함한다. 경우에 따라서는 상기 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막에 상기 전해액이 잘 함침될 수 있도록 조립된 이차전지를 상온, 상압 조건에서 소정의 시간 동안 보관하는 단계(프리에이징)를 더 포함할 수 있다.
이 후, 상기 상기 단위체 스택부 내에서, 상기 하나의 기본 단위체의 제2 분리막과 인접한 기본 단위체의 제1 전극을 서로 접착시키는 라미네이션 단계(S400)이다.
전술한 접착성 바인더 고분자는, 무기물 입자들과 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정시키는 것이다. 상기 접착성 바인더 고분자는 가열에 의해 접착력이 나타나는데, 접착성 바인더 고분자의 종류별로 접착력이 극대화되는 온도가 상이하였다.
이에 따라, 상기 S400 단계에서 하기 식 1에 따른 온도(Tset)로 열을 가하여, 접착성 바인더 고분자가 스택형 전극 조립체의 크기에 따라, 일정한 시간 내에 셀의 내부에 있는 접착성 바인더 고분자의 접착력을 극대화할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00003
식 1에서, Tset: 외부 설정 온도, Tmax: 접착성 바인더 고분자의 접착력 최대 온도, A [mm2]: 스택형 전극 조립체의 면적, L [mm]: 스택형 전극 조립체의 두께, m [g]: 스택형 전극 조립체의 질량이다.
이 때, 상기 식 1은 다음과 같은 방법을 통해 고안하였다.
푸리에 법칙에 의해, 열전달율은 면적(A)에 비례하고 두께(L)에 반비례한다. Q=cmt 에 의해, 열량에서 질량이 클수록 온도 변화가 적으므로, A/Lm을 내부 온도 변화에 영향을 주는 인자로 선정하였다. 구체적으로, 셀의 면적이 작을수록, 두께 및 질량이 클수록 내부온도 변화량이 적으므로 5분내에 Tmax에 도달하기 위하여 Tset 온도가 커져야 하기 때문이다. 이 후, 각기 다른 A/Lm 값을 갖는 셀들의 외부 설정 온도, 내부 온도를 실측하여 회귀 분석을 통해 상기 식 1을 고안하였다. 구체적으로, 상기 식 1은 5분간 가열시간을 주었을 때 내부 온도가 Tmax에 도달하도록 식1에 따라서 Tset 값을 설정한 것이다.
상기 라미네이션 단계(S400)은 단위체 스택부를 구성하는 기본 단위체와 인접한 기본 단위체 사이의 접착력을 부여하는 단계이다.
구체적으로, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 내 바인더 고분자의 접착력이 향상되어 기본 단위체 사이를 접착시키는 것이다.
이 때, 상기 라미네이션 단계의 온도는 상기 접착성 바인더 고분자의 물성을 고려하여, 상기 식 1에 따라 제어될 수 있다. 구체적으로, 스택형 전극 조립체의 면적, 두께, 무게를 식 1과 같이 제어하는 경우, 접착력이 극대화되는 것을 발견하였다.
상기 (S400)단계는, 가압 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.
상기 가압 단계에서의 압력은, 1 내지 10kgf/㎠ 이며, 가압 시간은 3 내지 15분일 수 있다. 더욱 바람직하게는 5 내지 8분일 수 있다. 가압 시간은 전극 조립체의 두께, 분리막에 코팅된 바인더의 물성을 고려해 상기 범위 내에서 적절히 선택될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 라미네이션 단계(S400)는 최초 포메이션 공정 이전에 수행된다.
본 발명에 있어서 상기 포메이션 공정이란 전극의 구조를 안정화 시키기 위해, 전지 용량(SOC;State of charge)일부 용량으로 충전하거나 만충전하는 초기 충전을 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
상기 초기 충전 단계를 통해, 양극으로 사용되는 리튬 전이금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 사용되는 탄소 전극으로 이동하는데, 이때 리튬 이온은 반응성이 강하므로 탄소 음극과 반응하여 Li2CO3, LiO, LiOH등의 화합물을 만들어내고, 이러한 화합물에 의해 음극 표면에 SEI 막이 형성된다. SEI 막은 전지의 이온 이동량이 많아질 때 형성되는 부도체이며, SEI 막이 형성되면 추후 전지 충전 시 음극에서 리튬 이온과 다른 물질이반응하는 것을 막아준다. 또한 SEI 막은 일종의 이온 터널의 기능을 수행할 수 있으며, 리튬 이온만을 통과시키는 역할을 한다. SEI 막이 형성되고 나면 리튬 이온은 음극이나 다른 물질과 반응하지 않으므로, 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지되고 리튬 이차전지의 충방전이 가역적으로 유지되어 전지 수명이 향상된다. 그리고 SEI막이 고온에서 방치되거나 충방전이 반복적으로 수행되는 경우에도 쉽게 붕괴되지 않기 때문에 전지의 두께 변화도 덜 발생하게 된다.
상기 초기 충전을 수행하는 경우 다량의 부반응 가스가 발생하여 부반응 가스의 흐름에 따라 SEI 막이 균일하게형성되지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 초기 충전하는 동시에 이차전지를 가압하는 공정을 수행할 수 있다. 상기 가압은 지그(jig) 등을 이용하여 수행될 수 있으나, 이차전지를 가압할 수 있는 수단이면 이제 제한되는 것은 아니다. 상기 가압은 전지셀에 100 gf/㎠ 내지 500 kgf/㎠로 가해질 수 있다.
상기 포메이션 공정에 의해, 제1 전극 및 제2 전극의 부피가 팽창하게 되므로, 본 발명의 목적 달성을 위해서는 1차 포메이션 공정 또는 최초 포메이션 공정 이전에 상기 라미네이션 단계(S400)가 수행되는 것이 바람직하다.
이때 상기 포메이션 공정 시의 온도는 45℃ 이하일 수 있다. 1차 포메이션 공정 시, 온도가 45℃를 초과할 경우, 분리막에 도포된 코팅 물질에 포함된 바인더가 접착력이 생기면서 기본 단위체와 인접한 기본 단위체를 접착시킬 수 있으므로, 1차 포메이션 공정 이전에 굳이 가열가압 공정을 수행할 필요가 없기 때문에, 본 발명의 제조방법은 1차 포메이션 공정 시의 온도를 45℃ 이하로 설정해야 하는 경우에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
상기와 같이 라미네이션 및 포메이션 공정을 수행한 이후에는, 에이징 공정, 탈가스 공정, 포메이션 공정 중 하나 이상의 공정을 추가로 포함할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 측정 대상체의 구조에 따른 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법을 구체적으로 설명한다. 그러나, 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1
양극의 제조
양극 활물질로 LiCoO2 96.25중량%, 도전재로 카본 블랙 1.5중량%, 바인더로 PVDF 2.25중량%를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체인 두께 12 ㎛ 의 알루미늄(Al) 박막에 도포, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.
음극의 제조
음극 활물질로 탄소 분말 96중량%, 도전재로 카본 블랙 3 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) 1중량%를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP)에 첨가하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 음극 집전체인 두께 10 ㎛의 구리(Cu) 박막에 도포, 건조하여 음극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.
기본 단위체의 제조
폴리올레핀 다공성 기재의 양면에 바인더 A를 포함하는 코팅 물질이 코팅된 분리막을 준비하고, 상기 양극/ 상기 분리막/ 상기 음극/ 상기 분리막을 라미네이터를 이용해 기본 단위체를 제조하였다.
상기 바인더 A는 분자량이 380~400 Kg/mol인 PVdF-HFP 공중합체(PVdF 대비 HFP 함량이 8 mol% 이상이며 Tm이 150 ℃ 이상인 고분자 물질)와 분자량 250~300 kg/mol이며 Tm이 160
Figure pat00004
이상인 PVDF-CTFE 공중합체와의 혼합물이다.
조립 단계
상기 기본 단위체 3개를 적층하여 단위체 스택부를 만들고, 상기 단위체 스택부를 CPP/알루미늄/나일론의 라미네이트 시트의 파우치 외장재 내에 수납하였다. LiPF6 를 포함하는 에틸 메틸 카보네이트 전해액을 주입하고 파우치 외장재를 열융착시켜 이차전지의 조립을 완료하였다.
제조예 2
상기 제조예 1에서 제조된 기본단위체를 이용하여 다음의 조립 단계를 수행한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.
조립단계
상기 기본 단위체를 25 층 적층하여 단위체 스택부를 만들고, 상기 단위체 스택부를 CPP/알루미늄/나일론의 라미네이트 시트의 파우치 외장재 내에 수납하였다. LiPF6 를 포함하는 에틸 메틸 카보네이트 전해액을 주입하고 파우치 외장재를 열융착시켜 이차전지의 조립을 완료하였다.
[T max 측정]
비교예 1, 2, 실시예 1
상기 제조예 1의 조립 완료된 이차전지를 상온에서 약 36시간 숙성시킨 후, 상기 전극 조립체가 내장된 파우치를 가압 지그에 장착하여 5kgf/cm2의 압력으로, 60℃, 70℃, 65℃의 온도에서 11분간 각각 가압하였다. 이후 상온에서 상기 이차전지를 5kgf/cm2의 압력으로 가압하면서 충전한 후, 만방전하였다.
실험예 1 - 충전 후 접착력 측정 (T max 측정)
비교예1, 2, 실시예 1에서 제조된 파우치를 개봉해 전극 조립체를 꺼낸 후 접착력 측정을 위한 시료를 채취하고, 즉시 슬라이드 글래스 상에 접착하였다. 이 후, 90°, 200mm/min의 속도로 Peel off를 진행해 접착력 측정하였다. 이에 따른 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1로부터 바인더 A의 Tmax가 65 ℃임을 확인할 수 있었다.
구분 온도 (℃) 접착력 (gf/20mm)
비교예 1 60 2.3
비교예 2 70 5.8
실시예 1 65 8.8
[T set 설정]
비교예 3, 실시예 2
상기 제조예 2의 조립 완료된 이차전지. 전극 조립체의 면적/(두께x무게) 값은 5.69 이었다.
제조예 2에서 제조된 이차전지를 상온에서 약 36시간 숙성시킨 후, 파우치를 가압 지그에 장착하여 5kgf/cm2의 압력으로, 62℃, 66℃의 온도에서 5분간 각각 가압하였다. 이후 55℃에서 상기 이차전지를 5kgf/cm2의 압력으로 가압하면서 충전한 후, 만방전하였다.
비교예 4, 실시예 3
상기 제조예 2의 조립 완료된 이차전지. 전극 조립체의 면적/(두께x무게) 값은 2.20 이었다.
제조예 2에서 제조된 이차전지를 상온에서 약 36시간 숙성시킨 후, 파우치를 가압 지그에 장착하여 5kgf/cm2의 압력으로, 65℃, 72℃의 온도에서 5분간 가압하였다. 이후 55℃에서 상기 이차전지를 5kgf/cm2의 압력으로 가압하면서 충전한 후, 만방전하였다.
실험예 2 - 벤딩 여부 측정 (T set 설정)
비교예 3, 4 실시예 2, 3 각 이차전지에 대하여 30kgf 의 힘을 2초간 가한 후 두께 측정 d1, 90kgf의 힘을 2초간 가한 후 두께 측정d2 로 산정하였다. d1과 d2의 차이가 100um이하인 경우 벤딩이 일어나지 않은 것으로 하였다. 이에 따른 결과를 하기 표 2, 표 3에 각각 나타내었다. 식 1에 따라 비교예 3-4, 실시예 2-3의 Tset 값을 구할 수 있고, 이와 유사한 온도에서 벤딩 현상이 개선되는 것을 확인하였다. 65 ℃의 경우 전극 조립체의 내부가 5분내에 65 ℃까지 도달하지 못한 것으로 보인다.
구분 A/Lm Tset (℃) 실험온도 (℃) 벤딩
비교예 3 5.69 65.6 65 O
실시예 2 66 X
구분 A/Lm Tset(℃) 실험온도(℃) 벤딩
비교예 4 2.2 71.8 65 O
실시예 3 72 X
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체를 제조하는 기본 단위체 제조 단계(S100);
    상기 기본 단위체를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부를 제조하는 단위체 스택부 제조 단계(S200);
    상기 단위체 스택부를 포함하는 스택형 전극 조립체를 전지 케이스에 수납한 후, 전해액을 주입하여 밀봉하는 조립 단계(S300);
    상기 단위체 스택부 내에서, 상기 하나의 기본 단위체의 제2 분리막과 인접한 기본 단위체의 제1 전극을 서로 접착시키는 라미네이션 단계(S400); 및
    1차 포메이션 공정을 수행하는 단계(S500)을 포함하며,
    이 때, 상기 S400 단계는 하기 식 1에 따른 온도(Tset)로 열을 가하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법:
    [식 1]
    Figure pat00005

    Tset: 외부 설정 온도, Tmax: 접착성 바인더 고분자의 접착력 최대 온도, A [mm2]: 스택형 전극 조립체의 면적, L [mm]: 스택형 전극 조립체의 두께, m [g]: 스택형 전극 조립체의 질량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리막과 제2 분리막은 각각 독립적으로 다공성 고분자 기재 및 상기 다공성 고분자 기재의 표면에 무기물 입자와 접착성 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (S400) 단계는, 상기 식 1에 따라 설정된 외부 온도 (Tset)으로 가열하는 단계인 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (S400) 단계는, 가압 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가압 단계에서의 압력은, 1 내지 10kgf/㎠ 이며, 가압 시간은 3 내지 15분인 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 포메이션 공정은 45 ℃ 이하의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해액의 용매는 선형 카보네이트 또는 환형 카보네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법.
KR1020200164914A 2020-11-30 2020-11-30 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법 KR20220076100A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200164914A KR20220076100A (ko) 2020-11-30 2020-11-30 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200164914A KR20220076100A (ko) 2020-11-30 2020-11-30 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220076100A true KR20220076100A (ko) 2022-06-08

Family

ID=81981876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200164914A KR20220076100A (ko) 2020-11-30 2020-11-30 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220076100A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3615491B2 (ja) 非水電解質二次電池およびその製造法
US7931983B2 (en) Lithium ion secondary battery
EP2557626B1 (en) Stack-type cell, enhanced bi-cell, electrode assembly for secondary battery using same, and manufacturing method therefor
CN103155218B (zh) 非水系二次电池用隔膜及非水系二次电池
KR101528027B1 (ko) 전극조립체의 제조공정
JP2012195314A (ja) 非水電解質二次電池
KR101523427B1 (ko) 전극조립체의 제조공정
KR20180081072A (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
EP1065743A2 (en) Lithium ion polymer secondary battery and gelatinous polymer electrolyte for sheet battery
KR20070085876A (ko) 바이폴라 전지
CN111357133B (zh) 非水系二次电池用隔膜及非水系二次电池
KR101664945B1 (ko) 전극 조립체의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체
KR20130126365A (ko) 리튬 이차전지의 제조방법
CN109755652B (zh) 薄膜外装电池的加压方法和制造方法
JP2004253155A (ja) バイポーラ電池
KR20170073281A (ko) 이차 전지
US11824154B2 (en) Stack type electrode assembly in which bending phenomenon is alleviated, and manufacturing method therefor
KR20200141859A (ko) 전극조립체 및 그 제조방법
KR101521684B1 (ko) 분리막 제조공정 및 이에 따른 분리막을 포함하는 전기화학소자
EP0994522A2 (en) Lithium polymer battery
KR20220076100A (ko) 라미네이션 앤 스택형 이차전지의 제조방법
KR20180032763A (ko) 전극과 분리막이 부분 결착된 전극조립체
KR102197360B1 (ko) 향상된 기계적 강도의 단면 전극을 포함하고 있는 전극조립체
US20210280944A1 (en) Separator for electrochemical device and method for manufacturing the same
JP2003157823A (ja) 二次電池およびその製造方法