KR20230075697A - 휘어진 형상의 이차전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 타겟 곡률 반경을 가지는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery)의 제조방법으로서,
(a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장하여 이차전지를 제조하는 단계;
(b) 상기 이차전지를 1차 활성화시키고, 디가싱 하는 단계;
(c) 상기 디가싱된 이차전지가 제1 곡률 반경을 가지도록 1차 핫 프레스 하는 단계;
(d) 상기 1차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 2차 활성화하는 단계; 및
(e) 상기 2차 활성화까지 완료된 이차전지가 제2 곡률 반경을 가지도록 2차 핫 프레스 하는 단계
를 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법에 관한 것이다.
(a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장하여 이차전지를 제조하는 단계;
(b) 상기 이차전지를 1차 활성화시키고, 디가싱 하는 단계;
(c) 상기 디가싱된 이차전지가 제1 곡률 반경을 가지도록 1차 핫 프레스 하는 단계;
(d) 상기 1차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 2차 활성화하는 단계; 및
(e) 상기 2차 활성화까지 완료된 이차전지가 제2 곡률 반경을 가지도록 2차 핫 프레스 하는 단계
를 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 휘어진 형상의 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는, 소비자의 취향에 따라 전자 디바이스가 점점 소형화, 박형화 되어 가고 있는 추세이므로, 불필요한 공간 낭비를 최소화하기 위해서는 전지의 형상 역시 소형화, 박형화가 요구되고 있다. 따라서, 이차전지의 형상을 디바이스의 형상에 따라 다양하게 구현함과 동시에 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 활용할 필요가 있다.
특히, 최근에는 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고 있으므로 종래 생산성 등을 고려한 평면형 디자인에서 탈피하여 다양한 형태의 디자인이 설계되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 노트북 등과 같은 디바이스는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계될 수 있다.
이와 같이, 외면에 곡면이 형성되어 있는 형태의 디자인이 다수 개발되고 있어 실용화되고 있는 바, 이에 맞춰 이차전지 역시 곡면을 가지는 휘어진 형상의 이차전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이때, 이차전지에 곡면을 형성하기 위하여, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 상태의 이차전지에 대해서 핫 프레스 지그 등에 위치시킨 상태에서 외력에 의해 이차전지 형상을 변형시키는 기술들이 사용되어 왔다.
이러한 과정의 순서도를 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 상태의 이차전지에 대해 1차 활성화를 수행하고(S11), 이후 1차 활성화 과정 중에 발생한 가스를 제거하기 위한 디가싱 과정을 수행한다(S12).
그리고, 휘어진 형상의 이차전지를 제조하기 위해 타켓 곡률 반경을 가지도록 핫 프레스 공정이 수행된다(S13).
이후에는, 이차전지의 용량 확인 및 출하 충전을 위한 2차 활성화를 수행하고(S14), 품질 검수를 거친 후(S15) 출하된다(S16).
그러나, 상기 핫 프레스 직후의 스프링 백 현상에 의해, 또한 2차 활성화 과정 동안에 타켓 곡률 반격 값이 변화되는 문제가 있어, 출하를 위한 용량 확인 및 출하 충전 등의 활성화 이후에 최종물에서 타겟 곡률 반경 구현에 어려움이 있었다.
따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 휘어진 형상의 이차전지의 제조방법에 대한 기술의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 출하를 위한 용량 확인 및 출하 충전 등의 활성화 이후에도 타겟 곡률 반경과 거의 유사한 곡률 반경을 유지할 수 있는 휘어진 형상의 이차전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법은,
타겟 곡률 반경을 가지는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery)의 제조방법으로서,
(a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장하여 이차전지를 제조하는 단계;
(b) 상기 이차전지를 1차 활성화시키고, 디가싱 하는 단계;
(c) 상기 디가싱된 이차전지가 제1 곡률 반경을 가지도록 1차 핫 프레스 하는 단계;
(d) 상기 1차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 2차 활성화하는 단계; 및
(e) 상기 2차 활성화까지 완료된 이차전지가 제2 곡률 반경을 가지도록 2차 핫 프레스 하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (b)의 1차 활성화는 충전 및 방전 과정을 포함할 수 있고, 상세하게, 상기 충전 및 방전은 각각 2회 이상 수행될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (c)의 1차 핫 프레스는 제1 곡률 반경이 타겟 곡률 반경과 동일하도록 수행될 수 있고, 70℃ 내지 90℃에서 수행될 수 있으며, 핫 프레스 지그에 의해 이차전지에 1 내지 10초 동안 압력을 가하여 수행될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (d)의 2차 활성화는 1차 충전, 1차 방전, 및 2차 충전 과정을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (e)의 2차 핫 프레스는 제2 곡률 반경이 타겟 곡률 반경보다 2 내지 8% 작도록 수행될 수 있고, 70℃ 내지 90℃에서 수행될 수 있으며, 핫 프레스 지그에 의해 이차전지에 1 내지 10초 동안 압력을 가하여 수행될 수 있다.
더 나아가, 상기 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법은, (f) 상기 2차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 냉각 단계에서, 이차전지는 타겟 곡률 반경을 가지도록 커브가 일부 회복될 수 있다.
본 발명에 따른 휘어진 형상의 이차전지의 제조방법은, 1차 활성화 공정 후에 1차 핫 프레스를 수행할 뿐 아니라, 용량 확인 및 출하 충전을 목적으로 하는 2차 활성화 공정 후에도 2차 핫 프레스를 추가로 수행하고, 2차 핫 프레스시 타겟 곡률 반경보다 작은 곡률 반경을 가지도록 핫 프레스를 수행함으로써, 2차 활성화 공정에서 발생하는 이차전지의 곡률 반경이 변경되는 스프링 백 문제를 보완함으로써, 타겟 곡률 반경을 만족하는 이차전지를 제조할 수 있다.
도 1은 종래 휘어진 형상의 이차전지를 제조하는 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 휘어진 형상의 이차전지를 제조하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 1에 따른 1차 핫 프레스 이후 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 1에 따른 최종 이차전지의 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 1에 따른 비교예 1에 따른 1차 핫 프레스 이후 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 1에 따른 비교예 1에 따른 최종 이차전지의 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 휘어진 형상의 이차전지를 제조하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 1에 따른 1차 핫 프레스 이후 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 1에 따른 최종 이차전지의 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 1에 따른 비교예 1에 따른 1차 핫 프레스 이후 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 1에 따른 비교예 1에 따른 최종 이차전지의 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자들은 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 도면 및 실시예를 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.
또한, 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 발명은 일 실시예에 따르면, 타겟 곡률 반경을 가지는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery)의 제조방법으로서,
(a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장하여 이차전지를 제조하는 단계;
(b) 상기 이차전지를 1차 활성화시키고, 디가싱 하는 단계;
(c) 상기 디가싱된 이차전지가 제1 곡률 반경을 가지도록 1차 핫 프레스 하는 단계;
(d) 상기 1차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 2차 활성화하는 단계; 및
(e) 상기 2차 활성화까지 완료된 이차전지가 제2 곡률 반경을 가지도록 2차 핫 프레스 하는 단계
를 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법이 제공된다.
상기 단계(a)에서 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 분리막을 적층하는 방법으로 제조된다.
여기서, 상기 양극은 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 양극 슬러리를 도포하고, 이를 건조, 및 압연함으로써 제조된다.
상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 양극재 총 중량에 대하여 1중량% 내지 30중량%, 상세하게는 1중량% 내지 10중량%, 더욱 상세하게는 1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극재 총 중량에 대하여 1중량% 내지 30중량%, 상세하게는 1중량% 내지 10중량%, 더욱 상세하게는 1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 슬러리를 도포하고, 이를 건조, 및 압연함으로써 제조된다.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOx(0 < x < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
이와 같이 제조된 전극조립체는 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 후 밀봉되어 휘어진 형상으로 성형과정을 거치지 않은 평평한 상태의 이차전지가 제조된다.
본 발명에서 사용되는 전해액으로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해액은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해액에는 상기 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해액 총 중량에 대하여 0.1중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 전지케이스는 이후 이차전지를 휘어진 형상으로 제조하기 위해, 파우치형 전지케이스일 수 있다.
파우치는, 일 예로, 절연층, 금속층 및 절연층의 3층 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속층은 알루미늄, 스틸, 스텐레이스 스틸 등으로 형성될 수 있으며, 절연층은 변성 폴리프로필렌(CPP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 제조된 이차전지는 이후 출하를 위한 과정이 수행되고, 이들 중간에 휘어진 형상을 가지도록 핫 프레스 하는 과정이 수행된다.
이러한 과정의 순서도를 하기 도 2에 도시하였다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 휘어진 형상의 이차전지의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 제조된 이차전지에 대해 1차 활성화 공정이 수행된다(S110).
상기 1차 활성화 공정은 충전 및 방전 과정을 수행함으로써, 이차전지 내부 구성요소들을 활성화시키는 단계이다.
상기 활성화 공정에서 충전 및 방전은 각각 1회 이상, 상세하게는 2회 이상 수행될 수 있다.
더욱 구체적으로는, 제조된 2차 전지를 2 내지 5일간 상온에서 에이징하고, 전체 용량의 SOC 40% 내지 SOC 65%로 충전하고, 2 내지 4일간 상온에서 다시 에이징한 후에, SOC 100%로 만충한 후, SOC 40% 내지 SOC 65%로 방전하는 과정을 거칠 수 있다.
이후에는 활성화 공정에 따라 발생한 가스를 이차전지 외부로 배출하는 디가싱 공정이 수행된다(S120).
상기 디가싱 공정은 밀봉되었던 이차전지의 일부 밀봉부를 밀봉 해제함으로써 수행할 수 있다. 이후에는 다시 재밀봉하여 전해액의 누액을 방지할 수 있다.
그리고, 이후에는 종래에서와 유사하게 1차 핫 프레스를 수행한다(S130).
상기 1차 핫 프레스는 평면형의 이차전지가 제1 곡률 반경을 가지도록 평면상 이차전지에 압력을 가하여 휘어진 형상을 가지도록 수행되는 단계이다.
여기서, 곡률 반경은 이차전지의 휘어진 형상이 원주 일부를 차지한다고 했을 때, 그 원주를 가지는 원의 반지름으로 표기된다.
이때, 상기 제1 곡률 반경은 타켓 곡률 반경과 동일할 수 있다.
상기 타켓 곡률 반경은 이러한 이차전지가 요청되는 디바이스에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 한정되지 아니한다. 다만, 타겟 곡률 반경이 너무 작은 경우에는, 이차전지 안전성에 문제가 될 수 있으므로, 이러한 문제가 없는 범위 내에서 선택될 수 있다.
따라서, 상기 제1 곡률 반경 역시 타겟 곡률 반경과 동일할 수 있다.
이러한 상기 1차 핫 프레스는 제1 곡률 반경을 가지도록 핫 프레스 지그 내에 평면형의 이차전지를 장착한 후 가압함으로써 형성할 수 있다.
이때, 상기 핫 프레스 지그에 의해 이차전지에 1 내지 10초동안 압력을 가하여 수행될 수 있다.
상기 시간을 벗어나, 너무 짧게 가압되는 경우, 이차전지가 충분히 제1 곡률 반경을 가지도록 휘어질 수 없고, 너무 길게 가압되는 경우에는 이차전지에 가해지는 응력이 커져 구성요소 등에 부정적인 영향이 작용하게 되는 바, 바람직하지 않다.
상기 압력은 또한, 이차전지의 구성 요소에 영향을 최소화 시키면서, 가해지는 응력이나 주름 발생 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 상세하게는 16 내지 28kgf/cm2, 더욱 상세하게는 18 내지 24kgf/cm2의 압력이 가해질 수 있다.
더욱이, 상기 1차 핫 프레스는 상기 가압과 동시에 열을 가하여 더욱 형상 변형이 용이하게 할 수 있으며, 구체적으로 70℃ 내지 90℃, 상세하게는 75℃ 내지 85℃에서 수행될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 너무 높은 온도로 열이 가해지는 경우 역시 구성요소들이 변형될 수 있는 바, 바람직하지 않고, 보다 낮은 온도의 경우 열의 인가에 따른 충분한 효과를 얻을 수 없는 바, 바람직하지 않다.
여기서, 상기 온도는 상기 핫 프레스를 수행하는 핫 프레스 지그의 온도를 의미한다.
상기 1차 핫 프레스 이후에는 2차 활성화 공정이 수행된다(S140).
상기 2차 활성화 공정은 상기 1차 활성화 공정과 다르게, 이차전지의 실질적인 방전 용량을 확인하고, 출하를 위한 충전을 일부 진행하기 위해 수행될 수 있다.
따라서, 상기 2차 활성화는 1차 충전, 1차 방전, 및 2차 충전 과정을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 2차 활성화는 충전 및 방전이 1회 이상, 또는 2회 이상 수행될 수 있으나, 충전의 횟수가 방전의 횟수보다 1회 많아, 최종적으로 이차전지가 충전된 상태까지 수행될 수 있다.
다만, 이때 상기 마지막 충전은 만충전일 수도 있으며, 일부 충전된 형태일 수 있다. 상세하게는 출하를 위해서는, 마지막 충전이 20% 내지 80%로 충전된 상태, 더욱 상세하게는 30% 내지 50%로 충전된 상태까지 수행될 수 있다.
종래에는 이후에 바로 출하되었으나, 본 발명에 따르면, 이러한 2차 활성화 이후에 다시 한번 2차 핫 프레스를 수행한다(S150).
상기 2차 활성화 후에는 이차전지의 곡률 반경이 더 크게 변화된다. 따라서, 원 타겟 곡률 반경을 만족하지 못하고, 타겟 곡률 반경보다 커질 수 있어, 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따르면 2차 활성화 이후에 다시 한번 2차 핫 프레스를 수행함으로써 타겟 곡률 반경을 더욱 만족시키는 범위로 제조가 가능하다.
이때, 상기 2차 핫 프레스는 이차전지가 제2 곡률 반경을 가지도록 수행될 수 있으며, 상기 제2 곡률 반경은 상세하게는 타겟 곡률 반경보다 2 내지 8%로 작도록 수행될 수 있다.
일반적으로 핫 프레스를 수행한 직후 다시 스프링 백 현상이 나타난다. 따라서, 최종적으로 타겟 곡률 반경을 만족시키기 위해, 상기 2차 핫 프레스는 스프링 백 현상을 고려하여 타겟 곡률 반경보다 작은 제2 곡률 반경을 가지도록 수행될 수 있다.
이때, 스프링 백 현상이 일어나는 그 정도를 고려하여, 상기 제2 곡률 반경은 타겟 곡률 반경보다 2 내지 8%로 작도록 수행될 수 있으며, 상세하게는 4 내지 6%로 작도록, 더욱 상세하게는 약 5%로 작도록 수행될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 8% 초과하여 작게하는 경우, 타겟 곡률 반경보다 너무 작아질 수 있고, 2% 미만으로 작게하는 경우, 타겟 곡률 반경보다 커질 수 있어 바람직하지 않다. 따라서, 스프링 백 현상 이후에 타켓 곡률 반경과 가장 유사한 범위를 가지기 위해서는 상기 범위를 만족하도록 제2 곡률 반경을 작게 수행할 수 있다.
이러한 상기 2차 핫 프레스 역시, 상기 1차 핫 프레스와 유사하게, 제2 곡률 반경을 가지도록 핫 프레스 지그 내에 평면형의 이차전지를 장착한 후 가압함으로써 형성할 수 있다.
이때, 상기 2차 핫 프레스는 1차 핫 프레스보다 더 작은 곡률 반경을 가지도록 수행되어야 하므로, 핫 프레스 지그의 곡률이 제2 곡률을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 2차 핫 프레스는 지그에 의해 이차전지에 1 내지 10초동안 압력을 가하여 수행될 수 있다.
상기 시간을 벗어나, 너무 짧게 가압되는 경우, 이차전지가 충분히 제2 곡률 반경을 가지도록 휘어질 수 없고, 너무 길게 가압되는 경우에는 이차전지에 부정적인 영향이 작용하게 되는 바, 바람직하지 않다.
상기 압력 역시 상기 1차 핫 프레스와 유사하게 이차전지의 구성 요소에 영향을 최소화 시키면서, 가해지는 응력이나 주름 발생 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 다만 제2 곡률 반경을 만족하도록 조금 더 높은 압력으로 수행될 수 있다. 상세하게는 16 내지 28kgf/cm2, 더욱 상세하게는 18 내지 24kgf/cm2의 압력이 가해질 수 있다.
더욱이, 상기 1차 핫 프레스는 상기 가압과 동시에 열을 가하여 더욱 형상 변형이 용이하게 할 수 있으며, 구체적으로 70℃ 내지 90℃, 상세하게는 75℃ 내지 85℃에서 수행될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 너무 높은 온도로 열이 가해지는 경우 역시 구성요소들이 변형될 수 있는 바, 바람직하지 않고, 보다 낮은 온도의 경우 열의 인가에 따른 충분한 효과를 얻을 수 없는 바, 바람직하지 않다.
여기서, 상기 온도는 상기 핫 프레스를 수행하는 핫 프레스 지그의 온도를 의미하는 것이 동일하다.
한편, 본 발명의 휘어진 현상의 이차전지 제조방법은, 상기 2차 핫 프레스 단계 후에 (f) 상기 2차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 냉각 단계에서, 상기 이차전지는 타겟 곡률 반경을 가지도록 커브가 일부 회복될 수 있다.
즉, 2차 핫 프레스 이후에는 바로 스프링 백 현상이 나타나게 되므로, 상기 2차 핫 프레스는 타겟 곡률 반경보다 작은 제2 곡률을 가지도록 수행함으로써, 이러한 문제를 해소할 수 있다.
따라서, 이와 같이 2차 핫 프레스를 추가 수행하는 경우, 본 발명에 따른 이차전지가 소망하는 타겟 곡률 반경에 거의 동일하게 도달할 수 있다.
이후에는, 출하를 위한 이차전지의 성능 테스트를 진행하고, 출하되게 되며, 이에 대해서는 본 명세서에서는 생략한다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위한 것이며, 어떠한 경우라도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.
<실시예 1>
평면형 이차전지 제조
평균 입경 5㎛의 LiCoO2분말(Umicore사 제조), 도전재로서 카본 블랙, 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드를 중량비로 96:2:2로 N-메틸피롤리돈 용매 중에 분산시켜 양극 활물질 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 활물질 조성물 슬러리를 닥터 블레이드((doctor blade) (갭: 170mm))를 사용하여 알루미늄 호일상에 약 166㎛ 의 두께로 도포하고, 진공 중 130℃의 조건에서 5시간 열처리하고 건조하였다. 이후, 상기 양극 활물질 조성물 슬러리가 도포된 알루미늄 호일을 롤 프레스로 압연하여 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하였다.
인조 흑연, 도전재로서 카본 블랙, 증점제로서 카르복시메틸셀룰오로스, 및 바인더로서 스티렌-부타디엔 고무를 중량비로 94:1:2:3로 물 용매 중에 분산시킨 후 혼합하여 음극 활물질 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 조성물 슬러리를 닥터 블레이드(갭: 160mm)를 사용하여 구리 호일 상에 약 225㎛ 두께로 도포하고 130℃의 진공오븐에서 5시간 열처리하고 건조하였다. 이후, 상기 음극 활물질 조성물 슬러리가 도포된 구리 호일을 롤 프레스로 압연하여 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조하였다.
분리막으로는 폴리에틸렌을 사용하여 전극조립체를 제조한 후, 파우치에 의해 밀봉하고, 파우치 내부에 , EC : PC : PP = 3 : 1 : 6(중량비)인 용매에 1.2M의 LiPF6가 들어있고 에 녹아있는 전해액을 주입하여 이차전지를 제조하였다.
1차 활성화 및 디가싱
상기 이차전지에 대해 60℃, 정전류(CC) 조건, 0.5kgf/cm2로 가압하여, SOC까지 1%까지 0.2C로 충전하고, 0.5kgf/cm2로 가압하여, SOC 17%까지 2.0C로 충전하고, 5kgf/cm2로 가압하여 SOC 49%까지 2.0C로 충전하고, 5kgf/cm2로 가압하며 SOC 65%mAh까지 1.5C로 충전한 후, 72시간 상온 에이징 후에 다시 상온, 정전류/정압류(CC/CV) 조건으로 만충전(4.4V/0.7C, 0.05C, cut-of), 정전류(CC) 조건으로 만방전(0.7C, 3V, cut-off) 후 SOC 66%까지 0.7C 재 충전한 후, 가스 포켓부에 구멍을 뚫어 디가싱 하고 이후 다시 재밀봉 후 가스 포켓을 제거하였다.
1차 핫 프레스
상기 디가싱이 된 이차전지를 전지 내측의 곡률 반경이 R95mm인 핫 프레스 지그 내에 장착하고, 22kgf/cm2의 압력으로 3초간 가압하였고, 지그의 온도를 80℃로 설정하였다.
2차 활성화
상기 1차 핫 프레스가 완료된 이차전지에 대해 25℃, 정전류/정전압(CC/CV) 조건으로 만충전(4.4V/0.7C, 0.05C cut-off), 정전류(CC) 조건으로 만방전(0.7C, 3V cut-off) 후 다시 25℃, 정전류(CC) 조건, 0.5C으로 SOC 50%까지 충전하였다.
2차 핫 프레스
상기 2차 활성화가 완료 된 이차전지를 전지 내측의 곡률 반경이 R90mm인 핫 프레스 지그 내에 장착하고, 22kgf/cm2의 압력으로 5초간 가압하였고, 지그의 온도를 80℃로 설정하였다. 이후 이차전지를 상온에서 냉각하여 이차전지 제조를 완료하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1에서 2차 핫 프레스 공정을 제외하고 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1과 같이 이차전지들을 제조하면서, 1차 핫 프레스 공정 이후, 그리고 최종 제조된 이차전지들에 대해 휘어진 정도, 즉 이차전지의 곡률 반경을 측정하여 그 결과를 하기 도 3 내지 도 6에 도시하였다.
상기 곡를 반경은 3D 스캐너로 셀 곡면을 스캐닝한 후 3점을 기준으로 원을 그리고 그 원의 반지름을 측정하였다.
하기 도 3 내지 도 6을 참조하면, 1차 핫 프레스 이후에는 유사한 곡률 반경을 가지지만, 본 발명에 따른 제조방법의 경우, 최종 제조된 이차전지가 거의 타겟 곡률 반경인 R95mm와 거의 동일한 곡률 반경을 가지는 반면, 비교예 1에 따른 최종 이차전지는 타겟 곡률 반경보다 큰 범위의 곡를 반경을 가지게 되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (12)
- 타겟 곡률 반경을 가지는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery)의 제조방법으로서,
(a) 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 전해액과 함께 전지케이스에 내장하여 이차전지를 제조하는 단계;
(b) 상기 이차전지를 1차 활성화시키고, 디가싱 하는 단계;
(c) 상기 디가싱된 이차전지가 제1 곡률 반경을 가지도록 1차 핫 프레스 하는 단계;
(d) 상기 1차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 2차 활성화하는 단계; 및
(e) 상기 2차 활성화까지 완료된 이차전지가 제2 곡률 반경을 가지도록 2차 핫 프레스 하는 단계
를 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (b)의 1차 활성화는 충전 및 방전 과정을 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 충전 및 방전은 각각 2회 이상 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (c)의 1차 핫 프레스는 제1 곡률 반경이 타겟 곡률 반경과 동일하도록 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (c)의 1차 핫 프레스는 70℃ 내지 90℃에서 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (c)의 1차 핫 프레스는 핫 프레스 지그에 의해 이차전지에 1 내지 10초 동안 압력을 가하여 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (d)의 2차 활성화는 1차 충전, 1차 방전, 및 2차 충전 과정을 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (e)의 2차 핫 프레스는 제2 곡률 반경이 타겟 곡률 반경보다 2 내지 8% 작도록 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (e)의 2차 핫 프레스는 70℃ 내지 90℃에서 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (e)의 2차 핫 프레스는 핫 프레스 지그에 의해 이차전지에 1 내지 10초 동안 압력을 가하여 수행되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제1항에 있어서,
휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법은, (f) 상기 2차 핫 프레스 과정을 거친 이차전지를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 냉각 단계에서, 상기 이차전지는 타겟 곡률 반경을 가지도록 커브가 일부 회복되는 휘어진 형상의 이차전지(curved battery) 제조방법.
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