KR20240054791A - 공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 복수의 롤 부재에서 양극 시트, 분리막 시트 및 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계, 상기 언와인딩된 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트가 한 쌍의 가이드 롤 사이를 통과하면서 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 포함하는 상기 적층체를 타발(punch)하는 단계를 포함하고, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각은 상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있으며, 상기 적층체를 타발하는 것은, 상기 비전도성 물질이 도포된 부분을 타발(punch)한다.
Description
본 발명은 전극 조립체 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공정성과 안전성이 향상된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차 전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 양극 또는 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 슬러리의 형태로 집전체에 코팅 및 건조하여 전극 합제층을 형성시켜 양극과 음극을 제조하고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 분리막을 개재시키고, 이를 라미네이션한 전극 조립체를 전해액과 함께 전지 케이스에 내장시킴으로써 제조된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀 셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이 셀(bi-cell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극 조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 전지셀 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위 셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극 조립체도 개발되었다.
스택형 전극 조립체를 제조하는 경우에 양극, 분리막, 및 음극을 각각 별개의 공정으로 제조한 후 이들을 적층하여 동시에 열과 압력을 가해 접합하는 라미네이션 방법으로 제조하는 것이 일반적이다. 이때, 라미네이션 방법으로 전극과 분리막을 접합하기 전에 전극 조립체의 형태를 구현하기 위한 타발 공정을 진행할 수 있다. 타발 공정은 양극과 음극을 개별적으로 타발을 한 후에 이들을 분리막과 함께 적층한 후에 라미네이션 방법으로 스택형 전극 조립체를 제조할 수 있다.
하지만, 이처럼 전극을 개별적으로 타발한 후에 적층하면서 스택형 전극 조립체를 제조하게 되면 조립 공정 시간이 길어지고 비용이 증가하는 문제가 있다.
또, 전극 조립체에서 분리막이 열에 의해 수축되어 양극과 음극의 접촉에 따른 쇼트 현상을 방지하기 위해서나 타발 과정에서 음극 및 양극 대비하여 분리막을 크게 절단한 후 이들을 적층하는 경우가 있는데, 이렇게 하면 필요한 양보다 더 많은 양의 분리막을 절단하기 때문에 생산 단가가 높아질 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 타발 및 적층 공정의 복잡성을 줄여 공정성을 높이는 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 타발 과정에서 쇼트 현상의 원인 발생을 미연에 방지하여 제품 품질을 높일 수 있는 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 공정 중에 타발 위치를 정확하게 설정하여 생산 수율을 증가시키는 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 복수의 롤 부재에서 양극 시트, 분리막 시트 및 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계, 상기 언와인딩된 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트가 한 쌍의 가이드 롤 사이를 통과하면서 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 포함하는 상기 적층체를 타발(punch)하는 단계를 포함하고, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각은 상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있으며, 상기 적층체를 타발하는 것은, 상기 비전도성 물질이 도포된 부분을 타발(punch)한다.
상기 적층체를 타발하는 단계는, 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 동시에 타발할 수 있다.
상기 음극 시트는 리튬 금속을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 비전도성 물질이 도포된 부분에는 상기 적층체의 타발 위치를 가이드하는 마커부가 형성될 수 있다.
상기 마커부는 상기 비전도성 물질을 도포하는 과정에서 상기 비전도성 물질이 도포되는 라인과 동일선 상에 형성될 수 있다.
상기 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 고분자 물질은 PE(polyethylene) 계열을 사용할 수 있다.
상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각에 상기 활물질과 상기 비전도성 물질을 교대로 도포하는 단계는, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트가 상기 롤 부재에서 언와인딩되는 단계 이전에 수행될 수 있다.
상기 적층체를 형성하기 위해 상기 가이드 롤을 통과하는 단계는, 상기 복수의 롤 부재에서 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트 및 상기 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계 이후 바로 수행될 수 있다.
상기 적층체를 타발하는 단계는, 절단 부재를 사용하고, 상기 비전도성 물질이 연성을 갖는 물질로 형성되어 상기 절단 부재에 전극 물질이 묻어 나지 않도록 할 수 있다.
상기 절단 부재는 상기 양극 시트, 상기 분리막, 및 상기 음극 시트를 직접적으로 커팅할 수 있다.
상기 적층체를 타발하는 방향은, 상기 가이드 롤의 주행 방향에 수직할 수있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 상기에서 설명한 전극 조립체 제조 방법에 의해 제조된 전극 조립체로서, 상기 적층체의 타발 이후 형성된 양극, 분리막, 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 상기 음극은 각각 활물질층과 상기 활물질층의 양 측부에 위치하는 비전도성층을 포함한다.
상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 상기 양극, 상기 분리막, 및 상기 음극 각각의 폭은 서로 동일할 수 있다.
상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 상기 양극과 상기 음극에 각각 포함되어 있는 양극 활물질층과 음극 활물질층의 폭은 서로 동일할 수 있다.
실시예들에 따르면, 양극 시트/분리막/음극 시트를 동시에 언와인딩한 후 동시에 타발함으로써, 타발 및 적층 공정의 복잡성을 줄일 수 있다.
또한, 양극/음극의 양 단부에 비전도성층을 형성함으로써, 측면부 쇼트 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 타발 과정에서 절단 부재가 직접 전극 물질과 맞닿아 절단 부재에 뭍은 전극 물질이 다른 극성을 갖는 전극을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 비전도성층에 마커부를 형성함으로써, 공정 중에 타발 위치를 정확하게 설정하여 생산 수율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 전극 조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 적층체를 타발하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4의 적층체를 타발한 이후 형성된 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 전극 조립체 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 전극 조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 적층체를 타발하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4의 적층체를 타발한 이후 형성된 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 전극 조립체 제조 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 전극 조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 적층체를 타발하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치는 복수의 롤 부재(100, 200, 300)를 포함하고, 복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 각각 언와인딩된 시트들(110, 210, 310)을 운반하는 이송 부재(미도시), 복수의 시트들(110, 210, 310)을 가이드하는 한 쌍의 가이드 롤(400), 및 복수의 시트들(110, 210, 310)을 타발하는 절단 부재(500)를 포함한다.
복수의 롤 부재(100, 200, 300)는 양극 시트(110)를 권취하고 있는 제1 권취롤(100), 분리막 시트(210)를 권취하고 있는 제2 권취 롤(200), 및 음극 시트(310)를 권취하고 있는 제3 권취 롤(300)을 포함한다. 이때, 양극 시트(110)는 타발되지 않은 상태이고, 후술하는 것처럼 양극 집전체 상에 양극 활물질층과 비전도성층이 형성된 상태에서 일 방향으로 길게 뻗어 있는 시트 형태로 제1 권취 롤(100)에 감겨 있는 상태일 수 있다. 분리막 시트(210) 역시 타발되지 않은 상태에서 제2 권취 롤(200)에 감겨 있는 상태일 수 있다. 음극 시트(310) 역시 타발되지 않은 상태이고, 후술하는 것처럼 음극 집전체 상에 음극 활물질층과 비전도성층이 형성된 상태에서 일 방향으로 길게 뻗어 있는 시트 형태로 제3 권취 롤(300)에 감겨 있는 상태일 수 있다.
상기 이송 부재는 컨베이어 벨트 유닛일 수 있고, 상기 시트들(110, 210, 310)을 일 방향(x축 방향)으로 운송하는 역할을 할 수 있다.
가이드 롤(400)은 상하로 이격 배열되어 있는 상부 가이드 롤(410)과 하부 가이드 롤(420)을 포함하고, 이들 사이를 상기 시트들(110, 210, 310)이 통과할 수 있다.
절단 부재(500)는 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 직접적으로 커팅하는 타발 나이프(knife)일 수 있다. 절단 부재(500)는 상기 시트들(110, 210, 310)이 이송되는 제1 방향(x축 방향)에 수직한 방향으로 상기 시트들(110, 210, 310)을 커팅할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 사용하여 전극 조립체를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)가 각각 언와인딩되어 제1 방향(x축 방향)을 따라 이송되고, 언와이딩되면서 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)가 이송 방향(x축 방향)에 수직한 방향으로 서로 밀착할 수 있다. 다시 말해, 복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 상기 시트들(110, 210, 310)이 적층된 상태가 되도록 언와인딩될 수 있다.
언와인딩된 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)는 한 쌍의 가이드 롤(400) 사이를 통과하면서 적층체를 형성할 수 있다. 적층체 형태가 된 상기 시트들(110, 210, 310)은 상하로 이격 배열되어 있는 상부 가이드 롤(410)과 하부 가이드 롤(420) 사이를 통과할 수 있다. 상기 적층체를 형성하기 위해 가이드 롤(400)을 통과하는 단계는, 복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)가 각각 언와인딩되는 단계 이후 바로 수행되는 것이 바람직하다.
한 쌍의 가이드 롤(420) 사이를 통과하여 형성된 적층체는 아직 연속적인 시트 형태를 유지할 수 있다. 또한, 적층된 상태가 되도록 언와인딩된 상기 시트들(110, 210, 310)이 한 쌍의 가이드 롤(420) 사이를 통과하면서 좀 더 밀착되면서 적층체를 형성할 수 있다. 이후 상기 시트들(110, 210, 310)이 제1 방향(x축 방향)으로 이송되면서 적층된 상태를 유지할 수 있다. 이후, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)가 서로 접합하도록 열과 압력을 가하는 라미네이션 공정이 수행될 수도 있다.
도 2는 한 쌍의 가이드 롤(400)을 복수의 시트들(110, 210, 310)이 통과한 이후에 절단 부재(500)에 의해 타발되는 부분들 개략적으로 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 포함하는 상기 적층체를 절단 부재(500)를 사용하여 타발(punch)할 수 있다. 이때, 절단 부재(500)는 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 직접적으로 커팅할 수 있다.
양극 시트(110)는 가이드 롤(400)의 주행 방향에 수직한 방향(y축 방향)을 따라 활물질층(111)이 형성되어 있는 유지부와, 활물질이 코팅되어 있지 않은 무지부(112)가 위치할 수 있다. 상기 유지부와 무지부(112)는 -y축 방향으로 차례로 배열될 수 있다. 활물질층(111)은, 양극 활물질과, 바인더, 도전재를 포함하는 양극 합제층일 수 있다. 일례로, 활물질층(111)은, 양극 활물질과, 바인더, 및 도전재를 슬러리 형태로 집전체 상에 코팅 및 건조하여 형성할 수 있다.
음극 시트(310)는 가이드 롤(400)의 주행 방향에 수직한 방향(y축 방향)을 따라 활물질층(311)이 형성되어 있는 유지부와, 활물질이 코팅되어 있지 않은 무지부(312)가 위치할 수 있다. 상기 유지부와 무지부(312)는 y축 방향으로 차례로 배열될 수 있다. 활물질층(311)은, 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 포함하는 음극 합제층일 수 있다. 일례로, 활물질층(311)은, 음극 활물질과, 바인더, 및 도전재를 슬러리 형태로 집전체 상에 코팅 및 건조하여 형성할 수 있다.
다시 말해, 양극 시트(110)와 음극 시트(310)에 각각 형성되는 무지부(112, 312)는, 유지부 기준으로 서로 다른 방향에 배치될 수 있다. 이때, 양극 시트(110)와 음극 시트(310)에 각각 형성되는 탭 모양의 돌출부는 상기 유지부 기준으로 서로 다른 방향에 배치될 수 있다. 여기서, 탭 모양의 돌출부는 전극 탭으로 사용될 수 있다. 다시 말해, 무지부(112, 312)를 그대로 전극 탭으로 사용할 수 있고, 다른 예로써, 상기 탭 모양의 돌출부는 별도의 전극 탭이 부착되기 쉬운 모양을 만들어준 것일 수도 있다.
도 3은 상기 적층체를 타발하는 과정에서 수직 방향(도 1의 z축 방향)으로서로 중첩되어 있는 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 z축 방향을 따라 보았을 때 평면적으로 분리해 놓은 상태를 나타낸다.
도 3을 참고하면, 상기 적층체를 타발할 때, 양극 시트(110)와 음극 시트(310) 각각은 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있는 상태일 수 있다. 양극 시트(110)와 음극 시트(310) 각각에 상기 활물질과 상기 비전도성 물질을 교대로 도포하는 단계는, 양극 시트(110)와 음극 시트(310)가 롤 부재(100, 300)에서 언와인딩되는 단계 이전에 수행될 수 있다. 상기 적층체를 타발하는 단계는, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 동시에 타발할 수 있다. 상기 적층체를 타발하는 방향은, 가이드 롤(400)의 주행 방향에 수직한 방향(도 1의 z축 방향)일 수 있다.
본 실시예에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 동시에 타발하기 때문에 기존처럼 전극과 분리막을 개별적으로 타발한 후에 적층하면서 스택형 전극 조립체를 제조할 때 조립 공정 시간이 길어지고 비용이 증가하는 문제를 해소할 수 있다.
이처럼, 상기 시트들(110, 210, 310)을 동시에 타발하게 되면 절단 부재(500)에 전극 물질이 묻어 날 수 있다. 상기 시트들(110, 210, 310)이 주행하면서 일정 간격으로 상기 적층체를 타발하게 되는데, 전극 물질이 절단 부재(500)에 묻어 있는 상태에서 상기 적층체를 커팅하면 절단 부재(500)에 묻어 있는 전극 물질과 다른 극성의 전극 시트에 상기 전극 물질이 닿게 될 수 있다. 그렇게 되면, 전극의 품질이 떨어지게 되고 결국 전지의 수명이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 적층체를 타발할 때, 상기 비전도성 물질이 도포된 전극 부분을 타발(punch)한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비전도성층(113, 313)을 가로지르는 타발 위치선(610)을 따라 도 2의 절단 부재(500)가 상기 적층체를 커팅할 수 있다.
상기 비전도성 물질이 도포된 부분에는 상기 적층체의 타발 위치를 가이드하는 마커부(600)가 형성될 수 있다. 마커부(600)는 상기 비전도성 물질을 도포하는 과정에서 상기 비전도성 물질이 도포되는 라인과 동일선 상에 형성될 수 있다. 다시 말해, 도 3에 도시한 바와 같이 타발 위치선(610)과 실질적으로 동일선 상에 마커부(600)가 형성되는 것이 바람직하다.
일례로, 활물질과 비전도성 물질을 도포할 때, 비전도성 물질의 도포 장치와 마커부 형성 장치를 연동하여 비전도성 물질이 도포되는 부분의 중앙 위치에 마커를 남겨 마커부(600)를 형성할 수 있다.
마커부(600)가 형성됨으로써, 자동화 공정 중에 절단 부재(500)의 타발 위치를 보다 정확하게 찾을 수 있고 이에 따라 생산 수율 향상 효과를 기대할 수 있다. 본 실시예에 따른 마커부(600)는 상기 타발 위치를 정확히 찾는 역할 뿐만 아니라, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)가 복수의 릴 부재(100, 200, 300)로부터 언와인딩할 때 얼라인(align)을 맞추는 역할을 할 수 있다.
도 4를 참고하면, 양극 시트(110)는 양극 집전체(115)의 적어도 일면에 활물질층(111)과 비전도성층(113)이 형성될 수 있고, 음극 시트(310)는 음극 집전체(315)의 적어도 일면에 활물질층(311)과 비전도성층(313)이 형성될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 타발 위치선(610)을 따라 도 2의 절단 부재(500)가 상기 적층체를 수직 방향(z축 방향)으로 커팅함으로써, 양극 시트(110)의 비전도성층(113), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)의 비전도성층(313)이 동시에 타발된다. 절단 부재(500)의 좌우 폭은 서로 이웃하는 타발 위치선(610)의 간격에 대응할 수 있다.
본 실시예에 따른 비전도성층(313)을 형성하는 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 일례로 고분자 물질은 PE(polyethylene) 계열을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 높은 연성을 갖는 고분자 물질이면 사용 가능성이 있다. 본 실시예에 따른 비전도성 물질은, 세라믹보다 연성이 크고 일반적인 금속 물질보다 연성이 큰 것이 바람직하다. 상기 비전도성 물질은, 연성이 높은 편인 리튬 금속과 유사한 연성을 가질 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 음극 시트(310)는 리튬 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 리튬 이온 전지에서 음극 활물질로 탄소계 물질, 실리콘, 리튬 금속 등이 사용되고 있는데, 이 중 리튬 금속은 가장 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 이처럼 리튬 금속 전지를 사용하게 되면, 리튬 금속의 높은 반응성과 전지 충방전시 음극에 부피 팽창, 및 음극에 리튬 금속이 전착 및 박리되는 과정에서 발생하는 표면 불균일 현상 등으로 인해 전해액과 리튬 금속 전극 사이에 안정한 계면이 형성되지 못하고 지속적인 전해액 분해 반응이 발생할 수 있다. 이러한 전해액 부반응은 전지 저항을 급격히 증가시키면서 전지의 수명을 단축시킬 수 있다.
상기 문제를 감소시키기 위해, 리튬 금속 전지를 사용하는 경우에는 전지 셀에 강한 압력을 상시 줄 필요가 있고, 이러한 압력을 주기 위해 스프링이나 강한 압착제를 사용할 수 있다. 즉, 충방전시 강한 압력이 가해지지 않으면 전지의 수명이 감소하기 때문에, 리튬 금속 전지 사용시에 전지 셀에 강한 압력이 가해질 수 있는데, 본 실시예에 따르면 비전도성층(113, 313)을 연성이 높은 고분자 물질을 사용하여 형성하기 때문에, 강한 압력 조건 하에서도 비전도성층(113, 313)이 깨지지 않고, 집전체(115, 315)에 손상을 가하지 않을 수 있다. 만약, 비전도성층(113, 313)이 세라믹과 같이 연성이 작은 물질로 형성되면 강한 압력 조건 하에서 깨질 수 있다.
도 5는 도 4의 적층체를 타발한 이후 형성된 단위 셀을 나타내는 도면이다. 도 6은 종래의 전극 조립체 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 단위 셀(700)은 앞에서 설명한 전극 조립체 제조 방법에 의해 형성될 수 있다. 단위 셀(700)는, 상기 적층체의 타발 이후에 형성된 양극(118), 분리막(218), 및 음극(318)을 포함한다. 이때, 양극(118)과 음극(318)은 각각 활물질층(111, 311)과 활물질층(111, 311)의 양 측부에 위치하는 비전도성층(113, 313)을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 도 1의 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)을 기준으로 양극(118), 분리막(218), 및 음극(318) 각각의 폭은 실질적으로 서로 동일하다. 이는 본 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법에서 양극 시트, 분리막, 음극 시트의 동시 타발이 이루어지기 때문이다. 이때, 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)은 도 5의 전극 탭(116)이 돌출된 방향(y축 방향)에 수직하고, 앞에서 설명한 양극(118), 분리막(218), 및 음극(318) 각각의 폭은 전극 탭(116)이 돌출된 방향 기준으로 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예에 따르면, 도 1의 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)을 기준으로 양극(118)과 음극(318)에 각각 포함되어 있는 양극 활물질층(111)과 음극 활물질층(311)의 폭은 서로 동일할 수 있다. 도 6을 참고하면, 기존에 양극(11)과 음극(31)을 개별적으로 타발을 한 후 적층하는 경우에는, 양극과 음극의 접촉에 따른 쇼트 현상을 방지하기 위해서나 타발 과정에서 음극(31) 및 양극(11) 대비하여 분리막(21)을 크게 절단하게 되나, 본 실시예에서는 실질적으로 전극의 폭에 대응하는 양극 활물질층(111)과 음극 활물질층(311)의 폭을 동일하게 하더라도 비전도성층(113, 313)이 형성되어 있기 때문에 쇼트 현상을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 적층체 상태에서 타발을 하게 되면, 복수의 시트들 중 적어도 하나가 밀리는 현상이 발생할 가능성이 있는데 비전도성층(113, 313)이 양극(118)과 음극(318)이 접촉할 수 있는 부위를 커버함으로써 쇼트 현상을 방지할 수 있다.
도 1을 다시 참고하면, 적층체 상태에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 동시 타발한 이후에 형성된 도 5의 단위 셀(700)들은 픽 앤 플레이스(pick & place) 방식으로 운반 적층되어 전극 조립체를 형성할 수 있다. 다른 예로, 적층체 상태에서 타발되어 형성된 단위 셀(700)들은 매거진과 같은 적재함에 적재되어 보관될 수 있다. 이후 상기 적재함에 보관되어 있는 단위 셀(700)들은 다시 픽 앤 플레이스(pick & place) 방식으로 운반 적층되어 전극 조립체를 형성할 수 있다.
이후 적어도 하나의 단위 셀(700)을 포함하는 전극 조립체를 전해액과 함께 전지 케이스에 내장시킴으로써 전지 셀을 제조할 수 있다.
이상에서는 설명의 편의상, 양극/분리막/음극의 3개 층을 언와인딩하여 동시 작업하는 것으로 설명하고 있으나, 적층체를 형성할 때 서로 다른 극성의 전극은 분리막으로 분리되어 상호 절연되어야 하므로, 적층체를 형성하기 위한 기본 유닛의 한쪽 끝은 분리막으로 마감될 수 있다. 일례로, 양극/분리막/음극/분리막의 4개 층을 기본 유닛으로 하거나, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막의 6개 층 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막의 6개 층을 기본 유닛으로 할 수도 있으며, 그 이상의 층도 기본 유닛으로 하여 동시 작업 가능할 수 있다.
구체적으로, 양극/분리막/음극/분리막의 4개 층을 기본 유닛으로 할 때, 도 1의 제3 권취 롤(300) 아래 분리막 시트를 권취하고 있는 권취 롤을 배치하고, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)와 더불어 언와인딩되고, 앞에서 설명한 본 실시예에 따른 적층체를 형성할 때, 기본 유닛의 한쪽 끝이 분리막이 되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100, 200, 300: 권취 롤
110: 양극 시트
111, 311: 활물질층
112, 312: 무지부
113, 313: 비전도성층
115, 315: 집전체
118: 양극
210: 분리막 시트
218: 분리막
310: 음극 시트
318: 음극
400: 가이드 롤
500: 절단 부재
600: 마커부
610: 타발 위치선
110: 양극 시트
111, 311: 활물질층
112, 312: 무지부
113, 313: 비전도성층
115, 315: 집전체
118: 양극
210: 분리막 시트
218: 분리막
310: 음극 시트
318: 음극
400: 가이드 롤
500: 절단 부재
600: 마커부
610: 타발 위치선
Claims (15)
- 복수의 롤 부재에서 양극 시트, 분리막 시트 및 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계,
상기 언와인딩된 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트가 한 쌍의 가이드 롤 사이를 통과하면서 적층체를 형성하는 단계, 및
상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 포함하는 상기 적층체를 타발(punch)하는 단계를 포함하고,
상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각은 상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있으며,
상기 적층체를 타발하는 것은, 상기 비전도성 물질이 도포된 부분을 타발(punch)하는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 적층체를 타발하는 단계는, 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 동시에 타발하는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 음극 시트는 리튬 금속을 포함하도록 형성되는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 비전도성 물질이 도포된 부분에는 상기 적층체의 타발 위치를 가이드하는 마커부가 형성되어 있는 전극 조립체 제조 방법. - 제4항에서,
상기 마커부는 상기 비전도성 물질을 도포하는 과정에서 상기 비전도성 물질이 도포되는 라인과 동일선 상에 형성되는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함하는 전극 조립체 제조 방법. - 제6항에서,
상기 고분자 물질은 PE(polyethylene) 계열을 사용하는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각에 상기 활물질과 상기 비전도성 물질을 교대로 도포하는 단계는, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트가 상기 롤 부재에서 언와인딩되는 단계 이전에 수행되는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 적층체를 형성하기 위해 상기 가이드 롤을 통과하는 단계는, 상기 복수의 롤 부재에서 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트 및 상기 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계 이후 바로 수행되는 전극 조립체 제조 방법. - 제1항에서,
상기 적층체를 타발하는 단계는, 절단 부재를 사용하고, 상기 비전도성 물질이 연성을 갖는 물질로 형성되어 상기 절단 부재에 전극 물질이 묻어 나지 않도록 하는 전극 조립체 제조 방법. - 제10항에서,
상기 절단 부재는 상기 양극 시트, 상기 분리막, 및 상기 음극 시트를 직접적으로 커팅하는 전극 조립체 제조 방법. - 제10항에서,
상기 적층체를 타발하는 방향은, 상기 가이드 롤의 주행 방향에 수직한 전극 조립체 제조 방법. - 양극, 분리막, 및 음극이 기 설정된 방향으로 적층되어 있고,
상기 양극과 상기 음극은 각각 활물질층과 상기 활물질층의 양 측부에 위치하는 비전도성층을 포함하며,
상기 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함하는 전극 조립체. - 제13항에서,
상기 기 설정된 방향과 수직하고, 상기 양극 또는 상기 음극의 전극 탭이 돌출된 방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 양극, 상기 분리막, 및 상기 음극 각각의 폭은 서로 동일한 전극 조립체. - 제14항에서,
상기 전극 탭이 돌출된 방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 양극과 상기 음극에 각각 포함되어 있는 양극 활물질층과 음극 활물질층의 폭은 서로 동일한 전극 조립체.
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