WO2014003485A1 - 전극조립체, 전극조립체의 제조공정 및 전극조립체를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

전극조립체, 전극조립체의 제조공정 및 전극조립체를 포함하는 전기화학소자 Download PDF

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김혁수
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이향목
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Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing process of a unit structure for implementing an electrode assembly formed by a lamination method, not manufactured by a folding method, and an electrochemical device including the same.
  • Secondary batteries are proposed to solve air pollution in conventional gasoline and diesel vehicles that use fossil fuels, such as electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and parallel hybrid electric vehicles (PHEVs). Although it is also attracting attention as a power source, such as automobiles, due to the need for a high output, large capacity, such as a car, a medium-large battery module that electrically connects a plurality of battery cells are used.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • PHEVs parallel hybrid electric vehicles
  • the medium-large battery module is preferably manufactured in a small size and weight, it is possible to be filled with a high degree of integration, and a light-weight square battery, a pouch-type battery, etc., are mainly used as battery cells of a medium-large battery module.
  • the electrode assembly is accommodated in the case of the battery cell, and is generally classified according to the structure of the electrode assembly having the anode / separation membrane / cathode structure.
  • a jelly-roll (wound) electrode assembly having a structure in which long sheets of anodes and cathodes are wound with a separator interposed therebetween, and a plurality of anodes and cathodes cut in predetermined size units through the separator It can be classified into a stack type (laminated) electrode assembly and a stack / fold type electrode assembly sequentially stacked in a state.
  • an electrode assembly 1 having a stack / folding structure is a full cell in which anode / separation membrane / cathode is sequentially positioned as a unit cell (hereinafter, referred to as a “full cell”) (2, 3, 4...) Are overlapped, and a separator sheet 5 is interposed in each overlapping portion.
  • the separator sheet 5 has a unit length that can wrap the full cell, and bends inwards every unit length so as to wrap each full cell continuously from the center full cell 10 to the outermost full cell 14 to overlap the full cell. Intervened in The end of the separator sheet 5 is finished by heat fusion or by attaching an adhesive tape 6 or the like.
  • Such a stack / foldable electrode assembly is, for example, by arranging full cells 2, 3, 4... On a long length of separator sheet 5 and winding up sequentially starting at one end of the separator sheet 5.
  • a temperature gradient is generated between the electrode assemblies 1a, 1b, and 2 at the center and the electrode assemblies 3 and 4 at the outer portion, so that the heat dissipation efficiency is different. have.
  • the process of forming such an electrode assembly has two limitations in reducing the tact time of the process, as the folding process is added as two separate equipments from the lamination facility forming each electrode assembly.
  • the alignment between the electrode assemblies disposed on the upper and lower parts is difficult to precisely implement in a structure in which the folded structure is implemented, there are many difficulties in implementing an assembly of reliable quality.
  • FIG. 2 illustrates a type A and C type bi-cell structures which are basic structures that can be applied instead of the full cell applied to the electrode assembly of the stack / folding structure described above with reference to FIG. 1, and are wound around the electrode assembly of the stack / folding structure.
  • (a) bi-cell (A type bi-cell) of anode / separation membrane / cathode / separation membrane / anode structure or (b) bicell of cathode / separation membrane / anode / separation membrane / cathode structure ('C type bi-cell') structure can be arranged.
  • the double-sided anode 10 the separator 20, the double-sided cathode 30, the separator 40, and the double-sided anode 50 are sequentially formed.
  • the double-sided cathode 30, the separator 20, the double-sided anode 10, the separator 40, and the double-sided cathode 60 which are the stacked structures of the 'A-type bi-cell' or (b), are sequentially It is implemented as a 'C-type bi-cell' stacked structure.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2001-0045056
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2011-0082745
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and deviated from the conventional manufacturing method of the electrode assembly, which must produce two types of bicells (ie, A-type and C-type), there is only one unit structure.
  • the manufacturing of the present invention it is to provide a structure of the manufacturing method and the electrode assembly to realize the shortening and unification of the manufacturing process of the medium-large-sized lithium ion polymer battery and further improve the equipment investment and productivity.
  • the lamination facility for manufacturing the A-type bi-cell according to the prior art or the lamination facility for manufacturing the C-type bi-cell can be utilized as it is, the A-type bi-cell or C-type bi It is to manufacture a unit structure of a new structure by using it as it is without discarding the cell.
  • the present invention comprises a first step of laminating a bi-cell of the first electrode / separator / second electrode / separator / first electrode structure; A second process of laminating a first separator on any one of the two first electrodes; And a third process of laminating the second separator / second electrode on the other of the first electrodes in order, thereby manufacturing a unit structure and forming an electrode assembly using the unit structure.
  • an electrode assembly is formed of a unit structure manufactured through such a manufacturing process, and a secondary battery and a medium-large battery module are manufactured using the electrode assembly.
  • the manufacturing process and the electrode assembly to realize the shortening and unification of the manufacturing process of the medium-large-size lithium-ion polymer battery and further improve the equipment investment and productivity A structure can be provided.
  • the lamination facility for manufacturing the A-type bi-cell or the lamination facility for manufacturing the C-type bi-cell according to the prior art can be utilized as it is, without discarding the A-type or C-type bicell according to the prior art It can be used as it is to produce a unit structure of a new structure.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a folding structure of a conventional stack / foldable electrode assembly.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of A and C type bicells applied to the stack / folding folding electrode assembly of FIG. 1 instead of a full cell.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a manufacturing process of a unit structure included in an electrode assembly according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a process of manufacturing a unit structure using a manufacturing facility for manufacturing the unit structure of FIG.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a unit structure according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a unit structure according to the present invention.
  • FIG. 7 illustrates an embodiment in which a fixing member for fixing an electrode assembly according to the present invention is applied.
  • the manufacturing process of the electrode assembly according to the present invention is to manufacture the unit structure as the core content, specifically, the first electrode / separator / second electrode / separator / first agent formed by laminating the bicell of the first electrode structure
  • the unit structure may be manufactured through a third process of sequentially laminating the second separator / second electrode on the other one of the two first electrodes.
  • the first electrode / second electrode may be a cathode / anode or an anode / cathode in order, but for convenience of description, the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode. do.
  • the unit structure of such a structure is first laminated with the first negative electrode material, the separator, the positive electrode material, the separator, and the second negative electrode material in order, and then loaded into the laminator and then laminated to the first negative electrode / membrane / anode.
  • a bi-cell (C-type bi-cell) having a separator / second cathode structure is produced (first step).
  • FIG. 3 an exemplary embodiment in which the second process and the third process are performed at the same time is shown. Therefore, in the second process, the first separator is disposed on the second cathode, and the second separator and the anode are processed in the third process. The step of disposing on the first cathode is first performed, and after these steps, laminating may be performed to complete the second process and the third process together.
  • Figure 4 corresponds to the manufacturing process performed in the actual manufacturing facilities of the manufacturing process (Fig. 3) of the unit assembly conceptually shown through a block diagram.
  • the first laminator L1 and the second laminator L2 have a traveling direction of the C-type bicell on one manufacturing line so that the first to third processes can be implemented in a continuous process.
  • the first cathode material, the separator, the cathode material, the separator, and the second cathode material are sequentially loaded and laminated.
  • loading means supplying the base material used as a material of each structure (namely, a 1st negative electrode material, a separator, a positive electrode material, and a 2nd negative electrode material) to a laminator.
  • These substrates are simultaneously supplied to the first laminator L1 via a loading unit (loading roll), and the supplied substrates are first cathode 140 / separator 150 / anode 160 by the first laminator L1. It is stacked (see 'X' in FIG. 4) in the order of the separation membrane 170 and the second cathode 180.
  • the second process and the third process may be simultaneously performed in one second laminator L2. That is, the first separation membrane (C) is formed on the second cathode 180 of the C-type bi-cell stacked with the first cathode 140, the separator 150, the anode 160, the separator 170, and the second cathode 180.
  • a unit structure may be manufactured as a result of simultaneously performing the second process of laminating 110 and the third process of laminating the second separator / anode on the first cathode in the order of the second laminator L2.
  • the second separator / anode is supplied to the second laminator L2 in the form of a roll rather than a sheet
  • the first separator 110 is placed on the second cathode 180 while the loading of the second separator 130 and the anode 120 to be supplied onto the first cathode 140 is stopped.
  • the second process is performed, and then the second separator is placed on the first cathode 140 while the loading of the first separator 110 to be supplied onto the second cathode 180 is stopped.
  • the third process may be performed. As described above, even when both the first separator and the second separator / anode are supplied to the second laminator L2 in the form of a roll, it is possible to sequentially perform the second process and the third process.
  • both the second process and the third process do not have to be performed by the second laminator L2, and the second laminator L2 is used for the second process and a separate laminator is used for the third process. It is a matter of course that the embodiments can be assumed.
  • the separators 110, 130, 150, and 170 may be coated with a coating material having an adhesive force.
  • the coating material may be a mixture of inorganic particles and a binder polymer.
  • the inorganic particles may improve thermal stability of the separators 110, 130, 150, and 170. That is, the inorganic particles may prevent the separation membranes 110, 130, 150, and 170 from contracting at a high temperature.
  • the binder polymer may fix the inorganic particles. As a result, the inorganic particles may have a predetermined pore structure.
  • the binder polymer may stably maintain the inorganic particles in the separators 110, 130, 150, and 170, thereby improving mechanical stability of the separators 110, 130, 150, and 170.
  • the binder polymer can more stably bond the separator to the electrode.
  • SRS Safety Reinforced Separator
  • the second separator 130 may be coated with a coating material having adhesion to both surfaces, and the first separator 110 may be coated with only one surface facing the electrode. This can reduce the manufacturing cost of the unit structure.
  • the bicell illustrated in FIG. 2 two vision inspectors were required because the electrodes were exposed on both sides of the bicell, but in the case of the unit structure according to the present invention, one side of both surfaces of the first separator 110 was formed. Since there is no need to install a vision inspector only in the vicinity of the electrode located on the opposite side of the first separator of the unit structure, there is an advantage that can lower the cost of the equipment.
  • separators 110, 130, 150, and 170 For reference, when a coating material having adhesive strength is applied to the separators 110, 130, 150, and 170, it is not preferable to directly apply pressure to the separators 110, 130, 150, and 170 with a predetermined object.
  • the separators 110, 130, 150, and 170 typically extend longer than the electrodes. Therefore, an attempt may be made to fuse the edges of the separators 110, 130, 150, and 170 with each other through, for example, ultrasonic welding. However, such ultrasonic welding needs to press the object directly with a mechanism called a horn.
  • the horns may adhere to the separators due to the coating material having the adhesive force. This can lead to device failure. Therefore, when a coating material having an adhesive force is applied to the separators 110, 130, 150, and 170, it is not preferable to apply a process of directly applying pressure to the separators 110, 130, 150, and 170 with a predetermined object.
  • the process in a state in which the temperature applied to laminating in the second process and the third process is 20 to 50 ° C. lower than the temperature applied to the laminating in the first process, and applied to the laminating in the second process and the third process. It is also possible to proceed with the process in a state where the pressure is 40 to 60% of the pressure applied to the laminating in the first process. As such, when the temperature and the pressure in the second process and the third process are differentiated from the temperature and the pressure in the first process, the process conditions are simplified, and the cost for performing the process is reduced.
  • temperatures applied to the upper block and the lower block may be different.
  • the temperature of the lower block of the second laminator L2 in contact with the second separator / anode is maintained at about 10 to 30 ° C. higher than the upper block of the second laminator L2 in contact with the first separator, thereby unnecessary power consumption. Can be reduced.
  • a line facility for manufacturing an A-type bicell and a line facility for manufacturing a C-type bicell are constructed and manufactured separately. Two kinds of bicells had to be stacked.
  • the first process can be performed by only one of the line equipment for manufacturing the A-type bi-cell and the line equipment for manufacturing the C-type bi-cell, and the second process and the third process are applied to the line equipment.
  • the unit structure can be manufactured in a continuous process by laying down equipment for performing the process.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a unit structure according to the present invention
  • Figure 6 is a cross-sectional view of the unit structure according to the present invention.
  • the unit structure may be manufactured using a C-type bicell or may be manufactured using an A-type bicell.
  • the first cathode 140, the separator 150, the anode 160, the separator 170, and the second cathode 180 may be formed through the first process.
  • a second process of manufacturing a C-type bi-cell having a structure, and laminating the first separator 110 on the second cathode 180 of the C-type bicell, and the second separator 130 / anode on the first cathode It can be seen that the unit structure having the structure shown in FIG. 6 can be manufactured through the third process of laminating the 120 in order.
  • the electrode assembly is manufactured using the unit structure having such a structure, the manufacturing process of the medium and large lithium ion polymer battery can be shortened and unified, and the investment of the equipment can be reduced and the productivity can be improved.
  • the secondary battery may be implemented only by the lamination process, thereby maximizing the effect of simplifying the process and reducing the cost.
  • FIG. 7 illustrates an embodiment in which a fixing member for fixing an electrode assembly according to the present invention is applied.
  • the electrode assembly according to the present invention may further include a fixing member (T1) for fixing the side or the front surface of the unit structure itself or a side or the front surface of the electrode assembly 100 formed by stacking a plurality of unit structures.
  • T1 fixing member for fixing the side or the front surface of the unit structure itself or a side or the front surface of the electrode assembly 100 formed by stacking a plurality of unit structures.
  • fixing may be performed by using a separate member on the side of the stacked structure, and the fixing unit may be stacked as shown in FIG.
  • the front surface of the electrode assembly may be implemented in a manner of taping, or as shown in FIG. 7 (b), it may be implemented as a fixing member (T2) for fixing only the side of the electrode assembly.
  • the material of the fixing member may be different from that of the separator.
  • the separator is a polyethylene film, a polypropylene film, or a multilayer film produced by a combination of these films, and polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, or polyvinylidene fluoride hexa
  • One selected from the group consisting of polymer films for polymer electrolytes of fluoropropylene copolymers can be used.
  • Electrodes provided in the basic unit are classified into a positive electrode or a negative electrode, and are manufactured by mutually bonding with a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the positive electrode may be prepared by, for example, applying a slurry, which is a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, onto a positive electrode current collector, followed by drying and pressing. If necessary, a filler may be further added to the mixture. Implementing the anode in a sheet form mounted on a roll can improve the manufacturing process speed of the basic unit.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 mu m.
  • the material of such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of the steel may be used. Fine concavities and convexities may be formed on the surface of the positive electrode current collector to increase the adhesion of the positive electrode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive material and the bonding to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting the expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode may be manufactured by coating, drying, and pressing a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and optionally, a conductive material, a binder, a filler, and the like may be further included.
  • a negative electrode active material on a negative electrode current collector
  • a conductive material such as aluminum, copper, copper, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium, magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium magnesium
  • the negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 mu m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • a surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or stainless steel may be used.
  • Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver and the like, aluminum-cadmium alloy and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric may be available.
  • the negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, 2, and 3 elements of the periodic table, halogen; 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , metal oxides such as and Bi 2 O 5 ;
  • the separation membrane realizes simple lamination by forming a basic unit in a simple lamination process regardless of a folding process or a roll process.
  • the adhesion of the separator and the electrode may be achieved by pressure (or pressure and heat) inside the laminator. This enables stable interfacial contact between the electrode and the separator sheet.
  • the separator has an insulating property and a porous structure capable of moving ions
  • the material thereof is not particularly limited.
  • an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength may be used.
  • the pore diameter is generally 0.01-10 ⁇ m and the thickness is generally 5-300 ⁇ m.
  • the separator may be, for example, an olefin polymer such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • an olefin polymer such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity
  • Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • the electrolyte may also serve as a separator.
  • the multilayer film or polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, or poly film produced by polyethylene film, polypropylene film, or a combination of these films It may be a polymer film for polymer electrolyte or gel polymer electrolyte, such as a vinylidene fluoride hexafluoropropylene (polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) copolymer.
  • a polymer film for polymer electrolyte or gel polymer electrolyte such as a vinylidene fluoride hexafluoropropylene (polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) copolymer.
  • the electrode assembly 100 may be applied to an electrochemical cell that produces electricity by an electrochemical reaction between a positive electrode and a negative electrode.
  • an electrochemical cell a super capacitor, an ultra capacitor, ultra capacitors), secondary batteries, fuel cells, various sensors, electrolysis devices, electrochemical reactors, and the like, and secondary batteries are particularly preferred.
  • the secondary battery has a structure in which the electrode assembly capable of charging and discharging is embedded in a battery case in a state impregnated with an ion-containing electrolyte solution.
  • the secondary battery may be a lithium secondary battery.
  • a lithium secondary battery has attracted much attention as a power source for large devices as well as small mobile devices, and it is desirable to have a small weight when applied to such a field.
  • a structure in which the electrode assembly is incorporated in a pouch type case of an aluminum laminate sheet may be preferable. Since such a lithium secondary battery is known in the art, the description thereof will be omitted.
  • the secondary battery including the electrode assembly of the present invention may be preferably used in a medium-large battery module having the unit cell.
  • a power tool (power tool); Electric vehicles selected from the group consisting of electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); E-bikes; E-scooters; Electric golf carts; Electric trucks; And it can be used as one or more power source selected from the medium-large device group consisting of electric commercial vehicles.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • PHEVs plug-in hybrid electric vehicles
  • E-bikes E-scooters
  • Electric golf carts Electric trucks
  • Electric trucks And it can be used as one or more power source selected from the medium-large device group consisting of electric commercial vehicles.
  • the medium-large battery module is configured to provide a high output capacity by connecting a plurality of unit cells in series or in series / parallel manner, which is well known in the art, and thus, description thereof is omitted herein.

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Abstract

본 발명은 적층공법으로 형성되는 전극조립체를 구현하는 단위구조체의 제조공정 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전극조립체의 제조공정은: 제1 전극/분리막/제2 전극/분리막/제1 전극 구조의 바이셀을 라미네이팅하여 형성하는 제1 공정; 상기 두 개의 제1 전극 중 어느 하나의 제1 전극 상에 제1 분리막을 라미네이팅하는 제2 공정; 및 상기 두 개의 제1 전극 중 다른 하나의 제1 전극 상에 제2 분리막/제2 전극을 순서대로 라미네이팅 하는 제3 공정;을 통하여 단위구조체를 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

전극조립체, 전극조립체의 제조공정 및 전극조립체를 포함하는 전기화학소자
본 발명은 폴딩 공법으로 제조하지 않고, 적층공법으로 형성되는 전극조립체를 구현하는 단위구조체의 제조공정 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
본 출원은 2012년 6월 28일에 출원된 한국특허출원 제10-2012-0069831호 및 2013년 6월 27일에 출원된 한국특허출원 제10-2013-0074675호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 병렬형 하이브리드 전기자동차(PHEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있는데, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력, 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
그런데, 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 가벼운 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다.
전지셀의 케이스 내에는 전극조립체가 수용되어 있으며, 일반적으로는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류된다.
대표적으로, 긴 시트 형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조로 이루어진 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 그리고, 스택/폴딩형 전극조립체로 분류할 수 있다.
먼저, 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체에 대하여 먼저 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 스택/폴딩형 구조의 전극조립체(1)는 단위 셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀(full cell, 이하, '풀셀'이라 한다.)(2, 3, 4 …)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 분리막 시트(5)가 개재되어 있다. 분리막 시트(5)는 풀셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀셀(10)로부터 시작되어 최 외각의 풀셀(14)까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸서 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 분리막 시트(5)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(6) 등을 붙여서 마무리한다. 이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 예를 들어, 긴 길이의 분리막 시트(5) 상에 풀셀들(2, 3, 4 …)을 배열하고 분리막 시트(5)의 일단부에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다. 그러나 이러한 구조에서 중심부의 전극조립체(1a, 1b, 2)와 외각부의 전극조립체(3, 4) 사이에는 온도 구배가 일어나 방열효율이 상이하게 되는바, 장시간 사용하는 경우 수명이 짧아지게 되는 문제가 있다.
이러한 전극조립체를 형성하는 공정은 각 전극조립체를 형성하는 라미네이션 설비 2대와 별개의 장비로 폴딩 장비 1대가 추가되어, 공정이 진행되는바, 공정의 택타임(tact time)을 줄이는 데에는 한계가 있었으며, 특히 폴딩되어 적층구조를 구현하는 구조에서 상하부에 배치되는 전극조립체간의 정렬(aligning)이 정밀하게 구현하기 어려워 신뢰성 있는 품질의 조립체를 구현하는 데에는 많은 어려움이 있다.
도 2는 도 1에서 상술한 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 적용된 풀셀 대신 적용될 수 있는 기본구조체인 A형 및 C형 바이셀 구조를 도시한 것으로서, 스택/폴딩형 구조의 전극조립체 중 권취 개시점인 중앙부에는 분리막 시트로 감싸인 (a) 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀('A형 바이셀') 또는 (b) 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀('C형 바이셀') 구조가 배치될 수 있다.
즉, 종래의 바이셀 구조는 도 2의 (a)에 도시된 것과 같이, 양면양극(10), 분리막(20), 양면음극(30), 분리막(40), 양면양극(50)이 순차로 적층된 구조인 'A형 바이셀', 또는 (b)에 도시된 구조와 같은 양면음극(30), 분리막(20), 양면양극(10), 분리막(40), 양면음극(60)이 순차로 적층된 구조인 ‘C형 바이셀’로 구현된다.
이러한 폴딩 공정이 적용되는 전극조립체의 구조에서는 폴딩 설비가 별도로 필요하게 되며, 바이셀 구조를 적용하는 경우에는 바이셀도 2가지의 타입(즉, A형, C타입)으로 제작하여 적층을 수행하게 되며, 폴딩 전 긴 분리막 시트 상에 배치하는 바이셀과 바이셀 간의 간격을 정확하게 유지하는 것에 큰 어려움이 존재하게 된다. 즉 폴딩하게 되는 경우, 상하 유닛셀(풀셀 또는 바이셀을 의미함) 간의 정확한 정렬을 구현하기 어려워지며, 고용량의 셀을 제작하는 경우 형교환의 시간이 많이 소요되는 문제도 아울러 발생하게 된다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 1) 한국공개특허 제2001-0045056호
(특허문헌 2) 한국공개특허 제2011-0082745호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 반드시 2가지의 타입(즉, A형, C형)의 바이셀을 제조해야만 하는 종래의 전극조립체의 제조방식에서 벗어나, 단 한가지의 단위구조체를 제조하는 것을 통하여, 중대형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조공정의 단축 및 일원화를 구현하고 나아가 설비투자감소 및 생산성을 향상시킬 수 있도록 하는 제조공법 및 전극조립체의 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 종래기술에 따른 A형 바이셀을 제조하기 위한 라미네이션 설비 또는 C형 바이셀을 제조하기 위한 라미네이션 설비를 그대로 활용할 수 있고, 종래기술에 따른 A형 바이셀 또는 C형 바이셀을 폐기하지 않고서 이를 그대로 활용하여 새로운 구조의 단위구조체를 제조하는 것에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 제1 전극/분리막/제2 전극/분리막/제1 전극 구조의 바이셀을 라미네이팅하여 형성하는 제1 공정; 상기 두 개의 제1 전극 중 어느 하나의 제1 전극 상에 제1 분리막을 라미네이팅하는 제2 공정; 및 상기 두 개의 제1 전극 중 다른 하나의 제1 전극 상에 제2 분리막/제2 전극을 순서대로 라미네이팅 하는 제3 공정;을 통하여 단위구조체를 제조하고, 이 단위구조체로 전극조립체를 형성한다.
또한, 이와 같은 제조공정을 통해 제조되는 단위구조체로 전극조립체를 형성하고, 이 전극조립체를 이용하여 이차전지 및 중대형 전지모듈을 제조한다.
본 발명에 따르면, 단 한가지 타입의 단위구조체를 제조하는 것을 통하여, 중대형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조공정의 단축 및 일원화를 구현하고 나아가 설비투자감소 및 생산성을 향상시킬 수 있도록 하는 제조공법 및 전극조립체의 구조를 제공할 수 있다.
또한, 종래기술에 따른 A형 바이셀을 제조하기 위한 라미네이션 설비 또는 C형 바이셀을 제조하기 위한 라미네이션 설비를 그대로 활용할 수 있고, 종래기술에 따른 A형 바이셀 또는 C형 바이셀을 폐기하지 않고서 이를 그대로 활용하여 새로운 구조의 단위구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 폴딩 구조를 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 스택/폴딩폴딩형 전극조립체에 풀셀 대신 적용되는 A, C형 바이셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체에 포함되는 단위구조체의 제조공정을 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 3의 단위구조체의 제조를 위한 제조설비를 이용하여 단위구조체가 제조되는 공정을 나타낸 개략도이다.
도 5은 본 발명에 따른 단위구조체의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 단위구조체의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전극조립체를 고정하는 고정부재를 적용한 실시예를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에 따른 전극조립체의 제조공정은 단위구조체를 제조하는 것을 핵심적인 내용으로 하며, 구체적으로는 제1 전극/분리막/제2 전극/분리막/제1 전극 구조의 바이셀을 라미네이팅하여 형성하는 제1 공정과, 제1 공정에 의하여 형성된 바이셀에 포함된 두 개의 제1 전극 중 어느 하나의 제1 전극 상에 제1분리막을 라미네이팅 하는 제2 공정과, 제1 공정에 의하여 형성된 바이셀에 포함된 두 개의 제1 전극 중 다른 하나의 제1 전극 상에 제2분리막/제2 전극을 순서대로 라미네이팅 하는 제3 공정을 통하여 단위구조체가 제조될 수 있다.
여기서, 제1 전극/제2 전극은 순서대로 음극/양극 또는 양극/음극이 될 수 있으나, 설명의 편의를 위해서 이하에서는 제1 전극이 음극이고, 제2 전극이 양극인 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 이와 같은 구조의 단위구조체는 먼저 제1 음극재, 분리막, 양극재, 분리막, 제2 음극재를 순서대로 적층하고 이를 라미네이터에 로딩한 후 라미네이팅하여 제1음극/분리막/양극/분리막/제2음극 구조의 바이셀(C형 바이셀)을 제조한다(제1 공정).
다음으로, C형 바이셀의 제2 음극 상에 제1 분리막을 라미네이팅하는 제2 공정과, C형 바이셀의 제1 음극 상에 제2 분리막 및 양극을 이 순서대로 라미네이팅하는 제3 공정이 수행된다.
다만, 도 3에서는 제2 공정과 제3 공정이 동시에 수행되는 예시적 실시예가 도시되어 있으므로, 제2 공정에서 제1 분리막을 제2 음극 상에 배치하는 것과 제3 공정에서 제2 분리막과 양극을 제1 음극 상에 배치하는 단계가 먼저 수행되며, 이 단계들 이후에 라미네이팅이 수행되어 제2 공정과 제3 공정이 함께 완료될 수 있다.
도 4는 블록도를 통하여 개념적으로 나타낸 단위조립체의 제조공정(도 3)을 실제 제조설비에서 수행되는 제조공정으로 나타낸 것에 해당한다.
도 4에 도시된 것과 같이, 제1 공정 내지 제3 공정이 연속공정으로 구현될 수 있도록 제1라미네이터(L1)과 제2라미네이터(L2)는 하나의 제조라인 상에 C형 바이셀의 진행방향에 따라 배치될 수 있으며, 제1라미네이터(L1)에서는 제1음극재, 분리막, 양극재, 분리막, 제2음극재가 순차로 로딩되어 적층되면서 라미네이팅 된다. 여기에서 로딩이란 각 구성의 재료가 되는 기재(즉, 제1 음극재, 분리막, 양극재, 제2 음극재)를 라미네이터로 공급하는 것을 의미한다. 이 기재들을 로딩 유닛(로딩롤)을 통하여 제1라미네이터(L1)로 동시에 공급되고, 공급된 기재들이 제1라미네이터(L1)에 의하여 제1음극(140)/분리막(150)/양극(160)/분리막(170)/제2음극(180)의 순서로 적층(도 4의 'X' 참조)된다.
이후, 제2 공정 및 제3 공정은 하나의 제2라미네이터(L2)에서 동시에 수행될 수 있다. 즉, 제1음극(140)/분리막(150)/양극(160)/분리막(170)/제2음극(180)으로 적층되는 C형 바이셀의 제2음극(180) 상에 제1분리막(110)을 라미네이팅하는 제2 공정과 제1 음극 상에 제2분리막/양극을 순서대로 라미네이팅 하는 제3 공정이 제2라미네이터(L2)에 의하여 동시에 수행된 결과 단위구조체가 제조될 수 있다.
다만, 도 4에는 제1 분리막과, 제2 분리막/양극 모두 롤 형태로 제2라미네이터(L2)에 공급되는 실시예가 도시되어 있으나, 롤이 아닌 단순 시트형태로 공급되는 실시예도 얼마든지 상정할 수 있으며 이 경우 제2 공정과 제3 공정은 순차적으로 수행될 수도 있다.
또한, 반드시 제2 분리막/양극 모두를 시트형태가 아닌 롤 형태로 제2라미네이터(L2)에 공급하더라도 제2 공정과 제3 공정을 순차적으로 수행하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 4를 기준으로 제1음극(140) 상으로 공급되어야 할 제2분리막(130) 및 양극(120)의 로딩을 중단한 채로 제2 음극(180) 상으로 제1분리막(110)을 공급한 상태에서 라미네이팅을 하면 제2 공정이 수행되고, 다음으로 제2 음극(180) 상으로 공급되어야 할 제1분리막(110)의 로딩을 중단한 채로 제1음극(140) 상으로 제2분리막(130) 및 양극(120)을 공급한 상태에서 라미네이팅을 하면 제3 공정이 수행될 수 있다. 이와 같이, 제1 분리막과, 제2 분리막/양극 모두 롤 형태로 제2라미네이터(L2)에 공급되는 경우라도 제2 공정과 제3 공정을 순차적으로 수행하는 것이 가능하다.
여기서, 제2 공정과 제3 공정 모두가 제2라미네이터(L2)에 의하여 수행되어야만 하는 것은 아니고, 제2라미네이터(L2)는 제2 공정 전용으로 사용되고 이와는 별개의 라미네이터가 제3 공정 전용으로 사용되는 실시예도 얼마든지 상정할 수 있음은 물론이다.
한편, 분리막(110, 130, 150, 170)은 접착력을 가지는 코팅 물질로 표면이 코팅될 수 있다. 이때 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물일 수 있다. 여기서 무기물 입자는 분리막(110, 130, 150, 170)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막(110, 130, 150, 170)이 수축하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시킬 수 있다. 이로 인해 무기물 입자는 소정의 기공 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 기공 구조로 인해, 무기물 입자가 분리막(110, 130, 150, 170)에 코팅되어 있더라도 양극으로부터 음극으로 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 또한 바인더 고분자는 무기물 입자를 분리막(110, 130, 150, 170)에 안정적으로 유지시켜 분리막(110, 130, 150, 170)의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 더욱이 바인더 고분자는 분리막을 전극에 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다. 이와 같은 방식으로 이루어지는 분리막의 코팅을 SRS(Safety Reinforced Separator) 코팅이라 한다.
그런데, 단위구조체가 제조된 상태를 기준으로 제2 분리막(130)은 양면에 전극(120, 140)이 위치하는데 반해, 제1 분리막(110)은 일면에만 전극(180)이 위치한다. 따라서, 제2 분리막(130)은 양면에 접착력을 가지는 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 제1 분리막(110)은 전극을 바라보는 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 이를 통해 단위구조체의 제조원가를 절감할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바이셀의 경우 바이셀의 양면 모두에 전극이 노출되어 있으므로 비전 검사기가 2대 필요했으나, 본 발명에 따른 단위구조체의 경우 제1 분리막(110)의 양면 중 일면에는 전극이 없기 때문에 단위구조체의 제1 분리막의 반대편에 위치한 전극 근방에만 비전 검사기를 설치해도 족하며, 이를 통해 설비의 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
참고로, 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막(110, 130, 150, 170)에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막(110, 130, 150, 170)에 직접 압력을 가하는 것은 바람직하지 않다. 분리막(110, 130, 150, 170)은 통상적으로 전극보다 외측으로 길게 연장된다. 따라서 분리막(110, 130, 150, 170)의 가장자리를 예컨대 초음파 융착을 통하여 서로 융착시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 이와 같은 초음파 융착은 혼(horn)이라는 기구로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 이와 같이 혼으로 분리막(110, 130, 150, 170)의 가장자리를 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅 물질로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다. 따라서 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막(110, 130, 150, 170)에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막(110, 130, 150, 170)에 직접 압력을 가하는 공정을 적용하는 것은 바람직하지 않다.
제2 공정, 제3 공정에서 라미네이팅에 인가되는 온도가 제1 공정에서 라미네이팅에 인가되는 온도보다 20~50℃ 낮은 상태에서 공정을 진행하는 것이 가능하고, 제2 공정, 제3 공정에서 라미네이팅에 인가되는 압력이 제1 공정에서 라미네이팅에 인가되는 압력의 40~60%인 상태에서 공정을 진행하는 것도 가능하다. 이와 같이 제2 공정, 제3 공정에서의 온도 및 압력을 제1 공정에서의 온도 및 압력과 차별화하면 공정 조건이 간소화되며, 공정을 수행하는 데에 소요되는 비용이 절감되는 효과가 있다.
나아가 제1 공정을 수행하는 제1라미네이터(L1) 이외의 나머지 라미네이터의 경우 상부 블록 및 하부 블록에 인가되는 온도를 다르게 할 수 있다.
예컨대, 제1 분리막과 접촉하는 제2 라미네이터(L2)의 상부 블록보다, 제2분리막/양극과 접촉하는 제2 라미네이터(L2)의 하부 블록의 온도를 10~30℃가량 높게 유지하여 불필요한 전력소모를 줄일 수 있다.
종래의 바이셀(Bi-Cell)을 이용하여 전극조립체를 제조하려면, A형 바이셀을 제조하기 위한 라인설비와, C형 바이셀을 제조하기 위한 라인 설비를 각각 구축하여 별개로 제조한 후, 두 가지 종류의 바이셀을 적층해야만 했다. 이에 반해, 본 발명의 경우 A형 바이셀 또는 C형 바이셀 중 어느 하나의 바이셀만을 이용하여 동일한 구조의 단위구조체를 제조하고, 이 단위구조체를 적어도 하나 또는 복수 개 적층하는 것에 의하여 전극조립체를 형성할 수 있다. 따라서, A형 바이셀을 제조하기 위한 라인설비와 C형 바이셀을 제조하기 위한 라인 설비 중 어느 하나의 라인설비만으로도 제1 공정의 수행이 가능하고, 이 라인설비에 제2 공정을 및 제3 공정을 수행하는 설비를 부설하는 것에 의하여 연속공정으로 단위구조체를 제조할 수 있다.
도 5은 본 발명에 따른 단위구조체의 분해사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 단위구조체의 단면도이다. 이와 같은 단위구조체는 앞서 설명한 바와 같이 C형 바이셀을 이용해서 제작하거나 A형 바이셀을 이용하여 제작할 수도 있다. 다만, C형 바이셀을 이용하여 제작한 경우를 예로 들면, 제1 공정을 통하여 제1음극(140)/분리막(150)/양극(160)/분리막(170)/제2음극(180) 구조를 갖는 C형 바이셀을 제조하고, C형 바이셀의 제2음극(180) 상에 제1분리막(110)을 라미네이팅하는 제2 공정과, 제1 음극 상에 제2분리막(130)/양극(120)을 순서대로 라미네이팅 하는 제3 공정을 통해 도 6에 도시된 구조의 단위구조체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 단위구조체를 사용하여 전극조립체를 제조하면 중대형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조공정의 단축 및 일원화를 구현할 수 있으며, 설비투자감소 및 생산성을 향상이 가능함은 물론, 종래와 같은 폴딩공정이 아니라 적층 공정만으로 이차전지를 구현하여, 공정의 간소화 및 원가 절감의 효과를 극대화할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 전극조립체를 고정하는 고정부재를 적용한 실시예를 도시한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 단위구조체 자체의 측면 또는 전면을 고정하거나 복수 개의 단위구조체가 적층되어 형성된 전극조립체(100)의 측면 또는 전면을 고정하는 고정부재(T1)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 단순 적층구조로 인해 적층의 안정성을 확보하기 위해, 적층된 구조의 측면에 별개의 부재를 이용하여 고정을 수행할 수 있으며, 이러한 고정부는 도 7(a)에 도시된 것과 같이, 적층된 상기 전극조립체의 전면을 테이핑하는 방식으로 구현하거나, 도 7(b)에 도시된 것과 같이, 전극 조립체의 측면만을 고정하는 고정부재(T2)로 구현하는 것이 가능하다. 그리고, 이 고정부재의 재질은 분리막의 재질과는 다르게 채택될 수 있다.
물론, 별개의 고정부를 이용하는 외에, 단위구조체나 적층된 전극조립체에서 측면으로 돌출되는 분리막의 말단을 열융착하여 상기 전극조립체를 고정하는 구조로 구현할 수도 있다. 상기 분리막은, 미세 다공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 이용할 수 있다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 전극조립체를 구성하는 구성요소의 구체적인 재료 및 구성상의 특징을 설명하기로 한다.
[양극구조]
기본 단위체에 구비되는 전극은 양극 또는 음극으로 구별되고, 양극 및 음극의 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물인 슬러리를 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진재를 더 첨가하기도 한다. 양극을 롤에 장착되는 시트형으로 구현하면 기본 단위체의 제조공정속도를 향상시킬 수 있다.
[양극 집전체]
양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체의 재료는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
[양극 활물질]
양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 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, x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3,LiMn2O3,LiMnO2등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2);LiV3O8,LiFe3O4,V2O5,Cu2V2O7등의 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; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4;디설파이드 화합물;Fe2(MoO4)3등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
[음극 구조]
음극은 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 음극을 롤에 장착되는 시트형으로 구현하면 기본 단위체의 제조공정속도를 향상시킬 수 있다
[음극 집전체]
음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
[음극 활물질]
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1),LixWO2(0≤x≤1),SnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn,Fe,Pb,Ge;Me’:Al,B,P,Si,주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐;0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2,PbO,PbO2,Pb2O3,Pb3O4,Sb2O3,Sb2O4,Sb2O5,GeO,GeO2,Bi2O3,Bi2O4,andBi2O5등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등이 사용될 수 있다.
[분리막]
분리막은 폴딩공정이나 롤(roll) 공정과는 무관히 단순 적층공정으로 기본 단위체를 형성하여 단순 적층을 구현하게 된다. 특히, 분리막과 전극의 접착은 라미네이터 내부에서 압력(또는 압력과 열)에 의해 이루어 질 수 있다. 이로 인하여, 전극과 분리막 시트 사이의 안정적인 계면 접촉이 가능하게 된다.
분리막은 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리막 또는 분리막 시트의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다.
또한 분리막은, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 전극조립체(100)가 적용될 수 있는 전기화학소자에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 전극조립체(100)는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등을 들 수 있고, 그 중에서 이차전지가 특히 바람직하다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (17)

  1. 제1 전극, 제2 전극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체의 제조공정에 있어서,
    제1 전극/분리막/제2 전극/분리막/제1 전극 구조의 바이셀을 라미네이팅하여 형성하는 제1 공정;
    상기 두 개의 제1 전극 중 어느 하나의 제1 전극 상에 제1 분리막을 라미네이팅하는 제2 공정; 및
    상기 두 개의 제1 전극 중 다른 하나의 제1 전극 상에 제2 분리막/제2 전극을 순서대로 라미네이팅 하는 제3 공정;을 통하여 단위구조체를 제조하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위구조체를 복수 개 적층하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공정과 상기 제3 공정은 별개의 라미네이터에 의하여 수행되는 전극조립체의 제조공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공정 및 제3 공정은,
    하나의 라미네이터에 의하여 동시에 또는 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 분리막은 양면에 접착력을 가지는 코팅 물질이 코팅되고, 상기 제1 분리막은 상기 제1 전극과 접촉하는 일면에만 접착력을 가지는 코팅 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이셀에 포함된 분리막은 양면에 접착력을 가지는 코팅 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
    집전체의 양면에 활물질이 코팅된 구조를 갖는 양면 전극인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공정 또는 제3 공정에서의 라미네이팅에 인가되는 온도는 상기 제1 공정에서의 라미네이팅에 인가되는 온도보다 20~50℃ 낮은 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공정 또는 제3 공정에서의 라미네이팅에 인가되는 압력은 상기 제1 공정에서의 라미네이팅에 인가되는 압력의 40~60%인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  11. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 공정을 수행하는 라미네이터 이외의 나머지 라미네이터의 상부 블록 및 하부 블록에 인가되는 온도는 10~30℃만큼 차이 나는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조공정.
  12. 청구항 1에 따른 전극조립체의 제조공정에 의하여 제조된 단위구조체를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 단위구조체의 측면 또는 전면을 고정하는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 전극조립체의 측면 또는 전면을 고정하는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 분리막과 재질이 다른 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
    집전체의 양면에 활물질이 코팅된 구조를 갖는 양면 전극인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 청구항 12에 따른 전극조립체를 포함하는 전기화학소자.
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