KR20240023075A - 음극판, 이를 포함하는 전극조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

음극판, 이를 포함하는 전극조립체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극판; 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극; 상기 양극과 음극판 사이에 개재된 분리막; 및 상기 음극판 및 분리막이 적층되고 지그재그로 절곡된 절곡영역을 포함하며, 상기 절곡영역의 내부의 중첩되는 분리막 사이에 상기 양극이 삽입된, 전극조립체를 제공할 수 있다.

Description

음극판, 이를 포함하는 전극조립체 및 그 제조방법{NEGATIVE PLATE, ELECTRODE ASSEMBLY INCLUDING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTURING THE NEGATIVE PLATE AND ELECTORDE ASSEMBLY}
본 발명은 판상의 음극을 지그재그 형태로 절곡("z-폴딩"이라고도 함)시켜 이루어진 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도 높은 에너지 밀도와 고전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체와 전해액을 포함하며, 상기 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되고 있다.
또한, 리튬 이차전지는 상기 전극조립체의 구조에 따라 크게 젤리-롤형 (권취형)과 스택형 (적층형)으로 구분된다. 예를 들면, 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱하여 전극을 제조하고, 상기 전극을 원하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단한 다음, 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막하고, 나선형으로 감아 제조된다.
상기 젤리-롤형 전극조립체는 분리막, 음극 및 양극을 나선형으로 감아 제조하므로, 제작 속도가 빠른 장점이 있다. 그러나, 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용하는 경우 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 또한, 굴곡부에 높은 스트레스가 가해져 전극의 변형이 발생하는 문제점이 있으며, 이로 인해 전지의 성능 저하가 수반된다.
한편, 상기 스택형 전극조립체는 판상의 집전체를 원하는 사이즈로 컷팅하여 복수의 양극 및 음극 단위체들을 제조한 후, 이를 순차적으로 적층한 구조이다. 상기 스택형 전극조립체는 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있으며, 충방전 시 전극의 굴곡부에 가해지는 스트레스로 인해 전극의 변형이 발생하는 문제점은 발생하지 않는다. 그러나, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체의 장점인 공정성이 우수한 효과를 갖고, 스택형 전극조립체의 장점인 전극의 변형을 방지하여 전지의 성능이 우수한 효과를 갖는 음극판, 이를 포함하는 전극조립체 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극판; 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극; 상기 양극과 음극판 사이에 개재된 분리막; 및 상기 음극판 및 분리막이 적층되고 지그재그로 절곡된 절곡영역을 포함하며, 상기 절곡영역의 내부의 중첩되는 분리막 사이에 상기 양극이 삽입된, 전극조립체를 제공한다.
상기 음극판은 음극 활물질층 및 음극 활물질층을 포함하지 않는 음극 무지부가 교대로 형성될 수 있다.
상기 음극판은 절곡영역의 내부에 음극 활물질층이 위치하고, 절곡영역의 외부에 음극 무지부가 위치할 수 있다.
상기 음극 무지부는 상기 음극 집전체의 상부 및 하부에 교대로 형성된 것일 수 있다.
상기 지그재그로 절곡된 음극판은 외최측에 위치하는 최초 음극 활물질층과 마지막 음극 활물질층 및 상기 최초 음극 활물질층과 마지막 음극 활물질층 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간 음극 활물질층을 포함하고, 상기 최초 음극 활물질층 및 마지막 음극 활물질층은 중간 음극 활물질층보다 크기가 작을 수 있다.
상기 양극의 양면에 하나의 중간 음극 활물질층이 대면할 수 있다.
상기 최초 음극 활물질층 및 마지막 음극 활물질층은 음극판의 동일면에 위치하거나 또는 반대면에 위치할 수 있다.
상기 음극판의 양면에 분리막이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 음극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질을 도포하여 음극판을 제조하는 단계; 양극 집전체의 적어도 일면 상에 양극 활물질을 도포하여 양극을 제조하는 단계; 상기 양극과 음극판 사이에 분리막을 개재하는 단계; 상기 음극판 및 분리막을 지그재그로 절곡시켜 절곡영역을 형성하는 절곡 단계; 및 상기 절곡영역의 내부의 중첩되는 분리막 사이에 상기 양극을 삽입하는 삽입 단계를 포함하는 전극조립체 제조방법을 제공한다.
상기 상기 음극판을 제조하는 단계에서, 상기 음극판은 음극 활물질층 및 음극 활물질층을 포함하지 않는 음극 무지부가 교대로 형성되는 것일 수 있다.
상기 절곡 단계는 상기 절곡영역의 내부에 음극 활물질층이 위치하고, 절곡영역의 외부에 음극 무지부가 위치하게 절곡시키는 것일 수 있다.
상기 음극 무지부는 상기 음극 집전체의 상부 및 하부에 교대로 형성되는 것일 수 있다.
상기 음극 무지부의 너비를 0.5mm 내지 10cm로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 전극조립체를 제조하는 속도가 빨라 공정성이 우수하며, 이차전지의 제조 시 또는 충방전 시 발생하는 전극의 변형을 방지하여 이차전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 Z-폴딩 전에, 음극판, 양극 및 분리판이 배열된 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타난 배열 구조가 Z-폴딩되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 단면을 나타낸 도면이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 판상의 음극을 지그재그 형태로 절곡 ("z-폴딩"이라고도 함)시켜 이루어진 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 Z-폴딩 전에, 음극판, 양극 및 분리판이 배열된 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 나타난 배열 구조가 Z-폴딩되는 과정을 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 단면을 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는 음극 집전체(10), 음극 활물질층(20), 및 음극 무지부(30)가 구비된 음극판을 포함한다. 상기 음극판은 도 1에 나타낸 바와 같이 일 방향으로 장방향의 하나의 판상을 갖는다. 이러한 판상의 음극을 사용하여 지그재그 형태로 절곡시켜 전극조립체를 제조함으로써, 종래 스택형 전극조립체 제조에 있어서 음극판을 개별 음극 단위로 컷팅하여 음극 단위체를 제조하는 단계가 추가적으로 포함되지 않아 공정성이 향상되는 효과가 있다.
상기 음극 집전체(10)의 적어도 일면 상에 음극 활물질이 도포되어 음극 활물질층(20)이 형성된다. 특히, 상기 음극 활물질이 일정 간격으로 이격되도록 형성됨으로써, 상기 음극 집전체 상에는 음극 활물질층(20)이 형성되지 않은 음극 무지부(30)가 형성된다.
상기 음극판은 음극 활물질층(20) 및 음극 활물질층(20)을 포함하지 않는 음극 무지부(30)가 교대로 형성된다. 일반적으로 리튬 이차전지는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하므로, 음극 활물질이 도포된 면적 내에 양극이 위치하여야 한다. 그런데, 상기 음극 무지부가 음극 집전체의 상부 및 하부에서 동일한 위치에 형성되는 경우, 판상의 음극을 z-폴딩할 때 양극이 음극의 면적에 위치되도록 하기 위해 별도의 얼라인먼트(Alignment) 제어 공정이 필요하다. 즉, 상기 음극 무지부가 음극 집전체의 상부 및 하부의 동일한 위치에 형성되면 별도의 얼라인먼트 제어 공정이 필요함으로써 공정이 복잡해지고 공정 운영 비용이 높아지는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예인 음극판은, 상기 음극 무지부(30)가 음극 집전체(10)의 상부 및 하부에 교대로 형성됨으로써 판상의 음극을 z-폴딩 시 별도의 얼라인먼트(Alignment) 제어 공정을 수행하지 않더라도 음극의 면적에 양극을 위치시킬 수 있어 공정이 간단하고 경제적이다. 또한, 상기 음극 무지부(30)가 음극 집전체(10)의 상부 및 하부에 교대로 형성되는 경우가 동일한 위치에 음극 무지부가 형성되는 경우에 비하여 전극 사이즈를 줄일 수 있어 경제적인 효과가 있다.
상기 음극 무지부(30)가 교대로 형성된다고 함은 도 1에 나타낸 바와 같은 형상을 갖도록 형성되는 것일 수 있다. 즉, 음극집전체의 양면에 음극 활물질이 도포되되, 일면에 있어서는 양극의 크기와 대응하는 크기의 음극 활물질이 도포되고, 소정 크기의 무지부가 형성되며, 이어서 음극 활물질이 도포된다. 이때, 상기 음극 무지부(30)가 형성된 면의 반대면에는 상기 일면의 음극 활물질층(20), 음극 무지부(30) 및 음극 활물질층(20)이 형성된 영역에 대응하여 음극 활물질이 연속적으로 도포되고, 이어서 음극 무지부(30)가 형성된다.
따라서, 상기 음극 집전체(10)의 일면에 있어서, 최초의 음극 활물질층(20)의 크기(면적)는 대응하는 양극의 크기(면적)와 동일한 크기를 가지며, 그 이후에는 양극 활물질층(50) 크기의 두배 및 무지부에 대응하는 크기의 합에 해당하는 크기로 음극 활물질층(20)이 도포된 후에 음극 무지부(30)를 포함한다. 한편, 상기 음극 집전체(10)의 일면에 있어서 마지막의 음극 활물질층(20)의 크기는 도 1에 나타낸 바와 같이 최초와 동일할 수 있으나, 두번째 이후의 음극 활물질층(20) 코팅과 동일한 패턴일 수 있다. 이 경우, 반대면의 마지막 음극 활물질(20)의 크기가 양극 활물질층(50)의 크기와 동일한 크기를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 음극 무지부(30)는 전극조립체 제조를 위해 절곡할 때, 절곡되는 영역이다. 이와 같이 음극 무지부(30)를 포함함으로써 절곡시 음극 활물질이 음극 집전체(10)로부터 탈락하는 것을 방지할 수 있음은 물론, 전극조립체의 전체적인 전지 사이즈를 줄일 수 있다. 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 절곡시에는 상기 음극 무지부(30)가 외부를 향하도록 절곡되는 것이 음극 활물질의 도포량을 줄일 수 있어 보다 바람직하다. 즉, 절곡시에는 절곡되는 부분의 외부가 곡률반경이 크고, 내부의 곡률반경은 상대적으로 작기 때문에, 내부에 비하여 외부에 무지부를 크게 형성할 수 있으며, 따라서, 상대적으로 외부에 음극 무지부(30)를 형성하는 것이 음극 활물질의 도포량을 줄일 수 있다.
상기 음극 무지부(30)의 너비는 절곡시의 절곡부에 형성되는 곡률반경을 고려하여 설정할 수 있으며, 그 범위 내에서라면 가급적 짧을수록 유리하나, 예를 들어, 0.5mm 내지 10cm인 것이 바람직하다. 상기 음극 무지부(30)의 너비가 0.5mm 미만이면 너비가 지나치게 짧아 코팅 공정에서 그 길이를 구현하기 매우 어려우며, 스택킹(Stacking) 공정에서 적층시 활물질층에 크랙이 발생할 수 있다. 한편, 상기 음극 무지부(30)의 너비가 10cm 초과하면 에너지 밀도가 높은 전지를 제공할 수 없으며, 이로 인해 전지 자체의 가격이 낮아 비경제적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는 양극 집전체(40), 및 상기 양극 집전체(40)의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층(50)을 포함하는 양극을 포함한다. 상기 양극은 상기 음극 집전체(10)의 양면에 음극 활물질이 도포된 음극판의 상부 및 하부에 교대로 배열된다.
또한, 상기 전극조립체는 상기 음극판과 양극 사이에 개재된 분리막(60)을 포함한다. 상기 분리막은 음극판과 유사한 일 방향으로 장방향이며, 상기 음극판이 지그재그 형태로 절곡될 때 함께 절곡되어 상기 음극판과 양극 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 다른 전극조립체는 상기 음극판 및 분리막(60)이 적층되고 지그재그로 절곡된 절곡영역을 포함하며, 상기 절곡영역의 내부의 중첩되는 분리막 사이에 상기 양극이 삽입될 수 있다.
도 2는 도 1에 나타난 배열 구조가 Z-폴딩되는 과정을 보여주는 단면도이다. 도 2에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는, 상기 음극 무지부(30)가 전극조립체의 외부 방향으로 향하도록 지그재그 형태로 절곡된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 제조방법을 설명한다.
본 발명의 전극조립체 제조방법은, 음극판을 제조하는 단계, 양극을 제조하는 단계, 양극, 음극판 및 분리막(60)을 배열하는 단계, 및 음극 무지부(30)를 지그재그 형태로 절곡시키는 단계를 포함한다.
먼저, 음극 집전체(10)의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질을 도포하여 음극판을 제조한다. 음극 집전체(10) 상에 도포된 음극 활물질을 건조 및 프레싱하여 음극 활물질층(20)을 형성할 수 있다.
상기 음극판을 제조하는 단계에서, 상기 음극판은 음극 활물질층(20) 및 음극 활물질층(20)을 포함하지 않는 음극 무지부(30)가 교대로 형성될 수 있다.
또한, 양극 집전체(40)의 적어도 일면 상에 양극 활물질을 도포하여 양극을 제조한다. 양극 집전체(40) 상에 도포된 양극 활물질을 건조 및 프레싱하여 양극 활물질층(50)을 형성할 수 있다.
상기 음극판 및 양극 사이에 일 방향으로 장방향의 분리막(60)을 개재한다. 상기 음극판에서 양극이 배열되는 위치는, 음극 무지부(30)가 형성되지 않고 양면에 음극 활물질층(20)이 형성된 위치인 것이 바람직하다. 한편, 상기 음극판 양면에 분리막을 배열한 후 상기 양극을 교대로 배열하거나, 상기 음극판의 상부 및 하부에 양극을 교대로 배열한 후 음극판과 양극 사이에 분리막(60)을 개재할 수 있다.
상기 음극판 및 분리막(60)을 지그재그로 절곡시켜 절곡영역을 형성하는 절곡 단계를 포함할 수 있다. 상기 절곡 단계는 상기 절곡영역의 내부에 음극 활물질층(20)이 위치하고, 절곡영역의 외부에 음극 무지부(30)가 위치하게 절곡시키는 것일 수 있다.
상기 지그재그로 절곡된 음극판은 외최측에 위치하는 최초 음극 활물질층(20)과 마지막 음극 활물질층(20) 및 상기 최초 음극 활물질층(20)과 마지막 음극 활물질층(20) 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간 음극 활물질층(20)을 포함하고, 상기 최초 음극 활물질층(20) 및 마지막 음극 활물질층(20)은 중간 음극 활물질층(20)보다 크기가 작게 제조될 수 있다.
상기 음극 무지부(30)의 너비를 0.5mm 내지 10cm로 제어할 수 있다. 상기 음극 무지부(30)의 너비가 0.5mm 미만이면 너비가 지나치게 짧아 코팅 공정에서 그 길이를 구현하기 매우 어려우며, 스택킹(Stacking) 공정에서 적층시 활물질층에 크랙이 발생할 수 있다. 한편, 상기 음극 무지부(30)의 너비가 10cm 초과하면 에너지 밀도가 높은 전지를 제공할 수 없으며, 이로 인해 전지 자체의 가격이 낮아 비경제적이다.
이상에서 본 발명의 구현예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10: 음극 집전체
20: 음극 활물질층
30: 음극 무지부
40: 양극 집전체
50: 양극 활물질층
60: 분리막

Claims (14)

  1. 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극판;
    양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극;
    상기 양극과 음극판 사이에 개재된 분리막; 및
    상기 음극판 및 분리막이 적층되고 지그재그로 절곡된 절곡영역을 포함하며, 상기 절곡영역의 내부의 중첩되는 분리막 사이에 상기 양극이 삽입된, 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극판은 음극 활물질층 및 음극 활물질층을 포함하지 않는 음극 무지부가 교대로 형성된, 전극조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음극판은 절곡영역의 내부에 음극 활물질층이 위치하고, 절곡영역의 외부에 음극 무지부가 위치하는, 전극조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 음극 무지부는 상기 음극 집전체의 상부 및 하부에 교대로 형성된 것인, 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지그재그로 절곡된 음극판은 외최측에 위치하는 최초 음극 활물질층과 마지막 음극 활물질층 및 상기 최초 음극 활물질층과 마지막 음극 활물질층 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간 음극 활물질층을 포함하고,
    상기 최초 음극 활물질층 및 마지막 음극 활물질층은 중간 음극 활물질층보다 크기가 작은, 전극조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양극의 양면에 하나의 중간 음극 활물질층이 대면하는, 전극 조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 최초 음극 활물질층 및 마지막 음극 활물질층은 음극판의 동일면에 위치하거나 또는 반대면에 위치하는, 전극조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음극판의 양면에 분리막이 배치된, 전극조립체.
  9. 음극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질을 도포하여 음극판을 제조하는 단계;
    양극 집전체의 적어도 일면 상에 양극 활물질을 도포하여 양극을 제조하는 단계;
    상기 양극과 음극판 사이에 분리막을 개재하는 단계;
    상기 음극판 및 분리막을 지그재그로 절곡시켜 절곡영역을 형성하는 절곡 단계; 및
    상기 절곡영역의 내부의 중첩되는 분리막 사이에 상기 양극을 삽입하는 삽입 단계를 포함하는, 전극조립체 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 음극판을 제조하는 단계에서, 상기 음극판은 음극 활물질층 및 음극 활물질층을 포함하지 않는 음극 무지부가 교대로 형성되는 것인, 전극조립체 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 절곡 단계는 상기 절곡영역의 내부에 음극 활물질층이 위치하고, 절곡영역의 외부에 음극 무지부가 위치하게 절곡시키는 것인, 전극조립체 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 음극 무지부는 상기 음극 집전체의 상부 및 하부에 교대로 형성되는 것인, 전극조립체 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 지그재그로 절곡된 음극판은 외최측에 위치하는 최초 음극 활물질층과 마지막 음극 활물질층 및 상기 최초 음극 활물질층과 마지막 음극 활물질층 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간 음극 활물질층을 포함하고,
    상기 최초 음극 활물질층 및 마지막 음극 활물질층은 중간 음극 활물질층보다 크기가 작게 제조되는 것인, 전극조립체 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 음극 무지부의 너비를 0.5mm 내지 10cm로 제어하는 전극조립체 제조 방법.
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