WO2017099406A1 - 전극 조립체의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 전극 조립체가 적용된 전기 화학 소자 - Google Patents

전극 조립체의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 전극 조립체가 적용된 전기 화학 소자 Download PDF

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electrode assembly
laser
manufacturing
separator
cutting
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추소영
김태수
이진수
신부건
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주식회사 엘지화학
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrode assembly and an electrochemical device to which the electrode assembly manufactured by the method is applied.
  • a lithium secondary battery is formed in a structure that seals an electrode assembly and an electrolyte in a battery case, and is classified into a cylindrical battery, a square battery, and a pouch-type battery according to its appearance.
  • Lithium ion batteries, lithium It may be classified into an ionic polymer battery and a lithium polymer battery. Due to the recent trend toward the miniaturization of mobile devices, the demand for thinner rectangular batteries and pouch-type batteries is increasing, and in particular, there is a high interest in pouch-type batteries that are easily deformed and have a small weight. .
  • the shapes of the battery cells are also required to be varied, and accordingly, curved shapes of various types of battery cells, for example, part of the battery cells, which deviate from the conventional rectangular shape.
  • the development of the battery cell in which the form was introduced is attempted.
  • a separator included as a component of a secondary battery has generally been manufactured by cutting a separator by manufacturing a mold to obtain a desired shape.
  • the mold production time is long, there is a time limit and there are problems such as wear of the mold.
  • the thickness of the separator is also thin, and when cutting into a mold, there is a problem in that the separator is not cut without sagging.
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above,
  • the present invention provides a method of manufacturing an electrode assembly having a structure in which a plurality of unit cells including a cathode, an anode, and a separator are stacked.
  • It provides a method of manufacturing an electrode assembly comprising the step of cutting the separator included in the electrode assembly in a desired shape using a laser.
  • the present invention also provides an electrochemical device in which an electrode assembly manufactured by the above manufacturing method is housed in a case.
  • the electrode assembly having a separator having a desired shape can be manufactured simply and economically using a laser.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing the step of winding by feeding the notched electrode to the surface of the separator in the method of manufacturing an electrode assembly of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the step of cutting the separator using a laser in the present invention.
  • 3 and 4 are front and side views of the electrode assembly cut according to Comparative Example 1, respectively.
  • 5 and 6 are front and side views of the electrode assembly cut according to Comparative Example 2, respectively.
  • FIG. 7 is a photograph of an eleventh layer of an electrode assembly cut in accordance with Example 1.
  • FIG. 8 is a photograph of an eleventh layer of an electrode assembly cut in accordance with Example 6.
  • FIG 9 and 10 are front and side views of the electrode assembly cut according to Example 1, respectively.
  • 11 and 12 are front and side views of the electrode assembly cut according to Example 6, respectively.
  • It relates to a method of manufacturing an electrode assembly comprising the step of cutting the separator included in the electrode assembly in a desired shape using a laser.
  • the electrode assembly having a structure in which a plurality of unit cells including the positive electrode, the negative electrode, and the separator are stacked may be just a structure including the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and is not particularly limited. That is, in the present invention, the electrode assembly includes a single electrode in which a cathode and an anode are alternately stacked with a separator interposed therebetween, or a plurality of unit cells are stacked with a separator interposed therebetween (ie , A stacked electrode assembly), or a single electrode or unit cells may be a structure (ie, a stack-foldable electrode assembly) surrounded by a long sheet-type separator.
  • the unit cell refers to a unit cell structure including a positive electrode, a negative electrode and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and may include at least one or more positive electrodes, at least one or more negative electrodes, and at least one or more separators.
  • the number, arrangement, etc. of the positive electrode, the negative electrode, and the separator constituting one unit cell are not particularly limited.
  • the unit cell is one in which electrodes disposed on both outermost sides of the unit cell, such as anode / separation film / cathode / separation film / anode or cathode / separation film / anode / separation film / cathode, have the same polarity.
  • the electrodes disposed on both outermost sides of the unit cell such as the anode / separation film / cathode or the anode / separation film / cathode / separation film / anode / separation film / cathode may have opposite polarities.
  • the stacked electrode stack is not only manufactured in a conventional manner of sequentially stacking anodes, separators, and cathodes one by one, but also such as cathode / separator / anode / separator or anode / separator / cathode / separator.
  • the base unit After fabricating the base unit having a sequential stacked structure, the base unit includes an electrode laminate manufactured by a method of stacking the base units via a separator (commonly referred to as a lamination and stack method).
  • the base units may include two or more anodes and cathodes, one side of the outermost surface of the base unit may be composed of a separator, the other surface may be composed of an electrode.
  • the electrode laminates are not limited to the above-described basic units, and may be used by mixing electrode structures and / or separators having different structures in the above-described basic units.
  • the electrode stack manufactured by the lamination and stack method may use an electrode structure or separator formed of a separator / anode / separator or a separator / cathode / separator in a top layer or a bottom layer, and the basic units described above may be used in the remaining part. It may be configured to include.
  • the sum of the number of anodes and cathodes included in the entire electrode stack and the number of separators may be the same, and a separator or the like may be disposed at the outermost portion of the electrode stack.
  • the number of separators may be one more than the sum of the number of anodes and cathodes.
  • the term 'stack and folding' is a method of arranging and then folding a single electrode and / or at least one electrode stack in which at least one anode, separator and cathode are stacked on a long sheet-type separator.
  • the folding method is not particularly limited, and various folding methods well known in the art, for example, folding a sheet-type separator in a zigzag form (referred to as a Z-folding type or a folding type), a sheet-type separator At least one cathode and anode are laminated on one surface of the electrode stack via a separator and then rolled up, or a single electrode is alternately arranged on both sides of the sheet separator, and then the sheet separator is rolled and the like. It should be understood as a concept encompassing all of the same folding methods.
  • the term 'separation membrane' is used as a term encompassing both a sheet-like separator cut into a predetermined size and a sheet-type separator having a long length.
  • the stack-foldable electrode assembly is not limited thereto.
  • Figure 1 shows a schematic diagram showing the step of winding by feeding the notched electrode to the surface of the separator in the manufacturing method of the present invention when the electrode assembly is a stack-folding type.
  • the stacked unit cell is preferably a full cell or a bi-cell, but is not limited thereto.
  • the structure of the full cell or bi-cell as a unit cell is not particularly limited and known full cells or bi-cells may be used, and preferably, an anode / separation membrane / cathode stacked structure, or an anode / separation membrane / cathode / separation membrane / anode / Separation membrane / cathode laminated structure and the like.
  • the number of unit cells may be determined by various factors such as the structure of the unit cell, such as each full cell or bi-cell, and the desired capacity of the battery to be finally manufactured. It can be a dog.
  • the separator, the positive electrode and the negative electrode included in the electrode assembly is not limited in the range as long as the conventional separator, positive electrode and negative electrode known or commercially available.
  • the negative electrode may be a lithium current, a lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, graphite, silicon compound in a negative electrode current collector manufactured by copper, nickel, aluminum or an alloy containing at least one of them. It may be formed by coating a negative electrode active material, such as a tin compound, a titanium compound or an alloy containing at least one or more thereof.
  • the positive electrode for example, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron phosphate in a positive electrode current collector made of aluminum, nickel, copper or an alloy containing at least one of them Or, it may be formed by coating a positive electrode active material such as compounds and mixtures containing one or more of these. In this case, the areas where the electrode active material is coated in the positive electrode and the negative electrode constituting one unit cell may be the same, or may be different. In addition, the electrode active materials may be coated on both sides of the current collector, or may be coated only on one surface of the current collector to form a tab portion.
  • the separator is, for example, a multi-layer film made of polyethylene, polypropylene or a combination thereof having a microporous structure, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyacrylonitrile or polyvinylidene fluoride It may be a polymer film for a solid polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte such as hexafluoropropylene copolymer.
  • the frequency, pulse width, power, and cutting speed of the laser can be adjusted to an appropriate range according to the needs of the user.
  • it is preferable to control in the following range but is not limited to the following range.
  • the frequency of the laser is preferably 20 kHz to 70 kHz, more preferably 20 kHz to 50 kHz, but is not limited thereto.
  • the frequency of the laser is less than 20 kHz is not enough cut is made, and if it exceeds 70 kHz it is preferable to perform laser cutting at a frequency in the above range because there is a disadvantage that the carbonization occurs when the cut cross-section is contaminated.
  • the pulse width of the laser is 10 ns or less, sufficient heat transfer to the substrate is not achieved, and when the laser width is 100 ns or more, the cutting cross section is contaminated by heat effects. Therefore, the pulse width of the laser is preferably 10 ns to 100 ns. One is not limited thereto. More preferably, it is 25 ns-90 ns.
  • the cutting speed of the laser is preferably 400 mm / s to 6000 mm / s, but is not limited thereto.
  • the thermal effect is maximized due to maximal thermal effect, and if the cutting speed exceeds 6000 mm / s, there is a disadvantage that sufficient cutting is not made, so the laser cutting at the cutting speed of the above range. It is preferable to carry out.
  • the process speed of the laser calculated by the formula represented by the following Equation 1 is preferably 20 mm / s to 300 mm / s, but is not limited thereto.
  • Process speed cutting speed of the laser / number of times the laser is cut.
  • the process speed of the cutting step using the laser is less than 20 mm / s has a disadvantage in that the process time is long during the production of the product, the economical efficiency is lowered, and if it exceeds 300 mm / s there is a disadvantage that not enough cutting is made in the above range It is desirable to perform laser cutting at process speed.
  • Cutting using the laser is performed at a frequency of 20 kHz to 50 kHz of the laser, a pulse width of 10 ns to 100 ns of the laser and a cutting speed of 400 mm / s to 6000 mm / s of the laser to achieve the effect of the present invention. Most preferred but not limited thereto.
  • Cutting using the laser is most preferably carried out at the cutting speed of 400 mm / s to 6000 mm / s and the laser processing speed of 20 mm / s to 300 mm / s to achieve the effect of the present invention. It is not limited to this.
  • the step of cutting using the laser is preferably performed in a folding cell in which unit cells are stacked, but the process time and the process cost saving effect are excellent, but are not limited thereto.
  • the present invention also relates to an electrochemical device to which the electrode assembly manufactured in the manufacturing method is applied.
  • the electrode assembly according to the present invention can be applied to an electrochemical device that produces electricity by an electrochemical reaction between an anode and a cathode.
  • electrochemical devices may be a supercapacitor, ultracapacitor, secondary battery, fuel cell, electrolysis device, electrochemical reactor, etc.
  • the electrochemical device is preferably a secondary battery, but is not limited thereto.
  • Lithium secondary batteries have recently been used as power sources for medium and large devices as well as small devices.
  • a battery module using the secondary battery according to the present invention as one unit cell.
  • a battery pack including such a battery module includes a 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 a power source for electric commercial vehicles.
  • Example 1-5 Cutting of Separator in Electrode Assembly by Laser
  • SRS Safety-reinforcing separators
  • Separation membrane manufactured by LG Chemical Co., Ltd.
  • Al 2 O 3 layer with SRS Safety-reinforcing separators
  • Table 2 shows a separator (manufactured by LG Chemical Co., Ltd.) coated with an Al 2 O 3 layer with SRS (Safety-reinforcing separators) on both sides of polyethylene, which is used to manufacture an electrode assembly using a laser cutting machine (manufactured by SPI, G4).
  • a separator of the desired shape was prepared by cutting under the conditions shown in Fig. 1.
  • Fig. 3 Comparative Example 1, Front
  • Fig. 4 Comparative Example 1, Side
  • Fig. 5 Comparative Example 2, Front Side
  • FIG. 6 Comparative Example 2, Side View
  • Example 1 45 25 35 1000 20 50 Example 2 20 35 400 10 40 Example 3 50 35 500 10 50 Example 4 50 35 400 10 40 Example 5 100 35 400 15 26.7 Example 6 180 90 50 5000 30 166.7 Example 7 90 35 4000 20 200 Comparative Example 1 45 120 50 200 20 10 Comparative Example 2 120 50 300 20 15
  • Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 2 were compared with the naked eye to determine the cutting degree, the carbonization degree and whether the separator is included in the electrode assembly cut in accordance with the cut assembly, the results are shown in Table 2 Indicated.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 전극 조립체를 포함하는 전기 화학 소자에 대한 것으로, 본 발명에 따르면 원하는 모양의 분리막을 갖는 전극 조립체를 레이저를 사용하여 간단하고 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

전극 조립체의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 전극 조립체가 적용된 전기 화학 소자
본 출원은 2015년 12월 09일자 한국 특허 출원 제10-2015-0174803호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 전극 조립체가 적용된 전기 화학 소자에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 전지 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되며, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
최근 다양한 디자인의 모바일 기기에 대한 수요가 증가하면서, 전지셀의 형상도 다양할 것이 요구되고 있고, 이에 따라 종래의 사각 형태에서 벗어난 다양한 형태의 전지셀들, 예를 들면, 전지셀의 일부에 곡선 형태가 도입되어 있는 전지셀의 개발이 시도되고 있다.
다양한 전지셀을 양산하기 위해서는 몇 가지 기술적인 문제점이 해결되어야 하는데, 그 중 한 가지가 전극 사이에 개재되는 분리막의 처리에 관한 것이다.
종래에는 이차전지의 구성 요소로 포함되는 분리막은 원하는 모양을 얻기 위해 금형을 제작하여 분리막을 컷팅하는 것이 일반적이었다. 그러나 금형 제작에는 소요기간이 길어 시간적 제한이 있고 금형의 마모 등의 문제가 있었다. 또한 얇은 두께의 셀을 구현하기 위해 분리막 또한 두께가 얇아짐에 따라 금형으로 컷팅 시, 컷팅되지 않고 분리막이 늘어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
적층 구조의 전극 조립체를 레이저로 컷팅하여 원하는 모양의 분리막을 재단할 수 있는 신규한 적층 구조의 전극 조립체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또 본 발명의 목적은 상기 제조 방법으로 제조된 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 다수의 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 전극 조립체의 제조 방법으로서,
상기 전극 조립체에 포함된 분리막을 원하는 모양으로 레이저를 이용해 컷팅하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법을 제공한다.
또 본 발명은 상기의 제조 방법에 의해 제조된 전극 조립체가 케이스에 수납된 전기 화학 소자를 제공한다.
본 발명에 따르면 원하는 모양의 분리막을 갖는 전극 조립체를 레이저를 사용하여 간단하고 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본원 발명의 전극 조립체의 제조 방법에서 노칭된 전극을 분리막의 표면에 공급하여 권취하는 단계를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본원 발명에서 분리막을 레이저를 이용해 컷팅하는 단계를 나타낸 모식도이다.
도 3 및 도 4는 각각 비교예 1에 따라 컷팅된 전극 조립체의 전면 사진과 측면 사진이다.
도 5 및 도 6은 각각 비교예 2에 따라 컷팅된 전극 조립체의 전면 사진과 측면 사진이다.
도 7은 실시예 1에 따라 컷팅된 전극 조립체의 11번째 층의 사진이다. (스케일 바 500 ㎛)
도 8은 실시예 6에 따라 컷팅된 전극 조립체의 11번째 층의 사진이다. (스케일 바 500 ㎛)
도 9 및 도 10은 각각 실시예 1에 따라 컷팅된 전극 조립체의 전면 사진과 측면 사진이다.
도 11 및 도 12는 각각 실시예 6에 따라 컷팅된 전극 조립체의 전면 사진과 측면 사진이다.
본 발명은,
양극, 음극 및 분리막을 포함하는 다수의 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 전극 조립체의 제조 방법으로서,
상기 전극 조립체에 포함된 분리막을 원하는 모양으로 레이저를 이용해 컷팅하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,
상기 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 다수의 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 전극 조립체는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 구조체이기만 하면 되며, 특별히 한정되지는 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 상기 전극 조립체는 단일 전극인 음극과 양극이 분리막을 개재한 상태로 교대로 적층되어 있는 형태 또는 다수의 단위셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 형태의 전극 조립체(즉, 스택형 전극 조립체)일 수도 있고, 단일 전극이나 단위셀들이 길이가 긴 시트형 분리막에 의해 감싸져 있는 구조(즉, 스택-폴딩형 전극 조립체)일 수 있다.
이때, 상기 단위셀은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 하나의 단위 전지구조를 의미하는 것으로, 적어도 하나 이상의 양극, 적어도 하나 이상의 음극 및 적어도 하나 이상의 분리막을 포함하면 되고, 하나의 단위셀을 구성하는 양극, 음극, 분리막의 개수나 배열 등은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 단위셀은 양극/분리필름/음극/분리필름/양극 또는 음극/분리필름/양극/분리필름/음극 등과 같이 단위셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 동일한 극성을 갖는 것일 수도 있고, 양극/분리필름/음극 또는 양극/분리필름/음극/분리필름/양극/분리필름/음극과 같이 단위셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 반대의 극성을 갖는 것일 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 스택형 전극 적층체는, 양극, 분리막, 음극을 하나씩 순차적으로 적층하는 전통적인 방식으로 제조되는 것뿐 아니라, 음극/분리막/양극/분리막 또는 양극/분리막/음극/분리막과 같은 순차적 적층 구조를 갖는 기본 단위체를 제조한 후, 이 기본 단위체들을 분리막을 개재하여 적층하는 방식(통상 '라미네이션 앤 스택 방식'으로 지칭됨)으로 제조된 전극 적층체를 포함한다. 이때, 상기 기본 단위체들은 양극과 음극을 2개 이상 포함할 수 있으며, 기본 단위체의 최외각면 중 일면은 분리막으로 구성되고, 타면은 전극으로 구성될 수 있다.
상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체의 경우, 상기에서 설명한 기본 단위체들만으로 이루어져야 하는 것은 아니며, 상기에서 설명한 기본 단위체에 다른 구조의 전극 구조체 및/또는 분리막을 혼합하여 사용할 수도 있다. 예를 들면, 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체는, 최상층부 또는 최하층부에 분리막/양극/분리막 또는 분리막/음극/분리막으로 이루어진 전극 구조체 또는 분리막을 사용하고, 나머지 부분에는 상기한 기본 단위체들을 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체의 경우, 전극 적층체 전체에 포함되는 양극과 음극의 개수의 합과 분리막의 개수가 동일하게 구성될 수도 있고, 전극 적층체의 최외각에 분리막 등을 추가하여, 분리막의 개수가 양극과 음극의 개수의 합보다 1개 더 많게 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 '스택 앤 폴딩'이라는 용어는, 길이가 긴 시트형 분리막 상에 단일 전극 및/또는 적어도 하나 이상의 양극, 분리막, 음극들이 적층된 전극 적층체들을 배치한 다음 폴딩하는 방식을 통칭하는 것으로, 폴딩 방식은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 폴딩 방식, 예를 들면, 시트형 분리막을 지그재그 형태로 접는 방식(Z-폴딩형 또는 병풍형으로 지칭됨), 시트형 분리막의 일면에 적어도 하나 이상의 음극과 양극을 분리막을 개재하여 적층시킨 전극 적층체들을 배치한 다음 감아서 마는 방식, 또는 시트형 분리막의 양면에 단일 전극들을 교대로 배치한 다음 시트형 분리막을 감아서 마는 방식 등과 같은 다양한 폴딩 방식들을 모두 포괄하는 개념으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 '분리막'이라는 용어는 소정의 크기로 재단된 매엽형(枚葉型) 분리막과 길이가 긴 시트형 분리막을 모두 포괄하는 용어로 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,
스택-폴딩형 전극 조립체인 것이 가장 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 도 1에 전극 조립체가 스택-폴딩형인 경우 본원 발명의 제조 방법에서 노칭된 전극을 분리막의 표면에 공급하여 권취하는 단계를 나타낸 모식도를 나타내었다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,
상기 적층형 단위셀은 풀 셀(full cell) 또는 바이 셀(Bi-cell)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
단위셀인 상기 풀 셀 또는 바이 셀의 구조는 특별히 제한되지 않으며 공지의 풀 셀 또는 바이 셀들을 사용할 수 있고, 바람직하게는 양극/분리막/음극 적층구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 적층 구조 등을 가질 수 있다.
상기 풀 셀 또는 바이 셀 등의 단위셀들의 수는 각 풀 셀 또는 바이 셀 등의 단위셀의 구조와 최종 제조되는 전지의 소망하는 용량 등 다양한 요소들에 의하여 결정될 수 있으며, 바람직하게는 6 내지 30개 일 수 있다.
상기 전극 조립체에 포함되는 분리막, 양극 및 음극은 공지 또는 시판 중인 일반적인 분리막, 양극 및 음극이라면 그 범위에 제한이 없다. 예를 들면, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 음극 전류 집전체에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들 중 적어도 1종 이상을 포함하는 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 양극은, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 양극 전류 집전체에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 이때, 하나의 유닛셀을 구성하는 양극과 음극에서 전극 활물질이 코팅되는 면적은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 또한, 상기 전극 활물질들은 전류 집전체의 양면에 코팅될 수도 있고, 탭부 등의 형성을 위해 전류 집전체의 일면에만 전극 활물질을 코팅할 수도 있다.
한편, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
다음으로, 상기 전극 조립체에 포함된 분리막을 원하는 모양으로 레이저를 이용해 컷팅하는 단계에 대해 상세하게 설명한다.
전술한 바와 같이, 다양한 전지셀을 양산하기 위해서 다양한 모양의 분리막이 요구되는데, 종래 기술과 같이 금형을 제작하여 분리막을 컷팅하는 경우 전술한 단점들이 있었으며 이를 해결하기 위하여 본원 발명은 분리막을 원하는 모양으로 레이저를 이용해 컷팅하는 단계를 수행한다. 레이저를 이용하여 컷팅하는 경우 종래 기술의 금형 제작의 단점을 보완하여 시간 및 공정비의 절감을 달성할 수 있다.
상기 레이저의 주파수, 펄스 폭, 출력 및 컷팅 속도는 사용자의 필요에 따라 적정 범위로 조절될 수 있다. 다만 본원 발명의 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 범위로 조절하는 것이 바람직하나 하기 범위로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서,
상기 레이저의 주파수는 20 kHz 내지 70 kHz인 것이 바람직하고, 20 kHz 내지 50 kHz 인 것이 더 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 레이저의 주파수가 20 kHz 미만이면 충분한 컷팅이 이루어지지 않으며, 70 kHz 를 넘으면 컷팅 시 탄화가 일어나 컷팅 단면이 오염되는 단점이 있기 때문에 상기 범위의 주파수로 레이저 컷팅을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서,
레이저의 펄스 폭이 10 ns 이하이면 기재에 충분한 열 전달이 이루어지지 않고, 100 ns 이상이면 열 영향에 의해 컷팅 단면이 오염되는 단점이 있기 때문에 상기 레이저의 펄스 폭은 10 ns 내지 100 ns인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 보다 바람직하게는, 25 ns 내지 90 ns이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,
상기 레이저의 컷팅 속도는 400 mm/s 내지 6000 mm/s인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 레이저의 컷팅 속도가 400 mm/s 미만이면 열영향이 극대화되어 분리막이 오그라드는 현상이 발생하며, 6000 mm/s 를 넘으면 충분한 컷팅이 이루어지지 않는 단점이 있기 때문에 상기 범위의 컷팅 속도로 레이저 컷팅을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서,
하기 식 1로 표시되는 식에 의해 계산되는 상기 레이저의 공정 속도는 20 mm/s 내지 300 mm/s인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
[식 1]
공정 속도 = 레이저의 컷팅 속도/레이저의 컷팅 횟수.
상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계의 공정 속도가 20 mm/s 미만이면 제품 생산 시 공정 시간이 길어져 경제성이 떨어지는 단점이 있으며, 300 mm/s 를 넘으면 충분한 컷팅이 이루어지지 않는 단점이 있기 때문에 상기 범위의 공정 속도로 레이저 컷팅을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 있어서,
상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계는 레이저의 주파수 20 kHz 내지 50 kHz, 레이저의 펄스 폭 10 ns 내지 100 ns 및 레이저의 컷팅 속도 400 mm/s 내지 6000 mm/s에서 수행하는 것이 본원 발명의 효과 달성을 위해 가장 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,
상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계는 레이저의 컷팅 속도 400 mm/s 내지 6000 mm/s 및 레이저의 공정 속도는 20 mm/s 내지 300 mm/s에서 수행하는 것이 본원 발명의 효과 달성을 위해 가장 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서,
상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계는 단위셀들이 적층된 폴딩셀에서 수행하는 것이 공정 시간과 공정비 절감 효과가 우수하여 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
또 본 발명은 상기 제조 방법에 제조된 전극 조립체가 적용된 전기 화학 소자에 대한 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 양극과 음극 사이의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기 화학 소자에 적용될 수 있다. 전기 화학 소자의 대표적인 예는 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 이차전지, 연료전지, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등일 수 있으며,
본 발명의 일 실시예에 있어서,
상기 전기 화학 소자는 이차전지인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
리튬 이차전지는 최근에 소형 디바이스뿐만 아니라, 중대형 디바이스에도 전원으로 사용되고 있다. 그런데 중대형 디바이스에 전원으로 사용되려면, 본 발명에 따른 이차전지를 하나의 단위 전지로 하여 전지 모듈을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지 팩은, 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 상용차 등에 전원으로 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 비한정적인 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명한다. 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 질량 기준이다.
실시예
실시예 1-5. 레이저에 의한 전극 조립체에 포함된 분리막의 컷팅
레이저 컷팅 기기(VGEN 사 제조, VGEN-ISP-1-40-50)를 사용하여 전극 조립체 제조에 사용되는, 폴리에틸렌의 양면에 SRS(Safety-reinforcing separators로 Al2O3층이 코팅되어 있는 분리막(LG화학㈜ 제조)을 하기 표 1에 나타난 조건으로 컷팅하여 원하는 모양의 분리막을 제조하였다.
실시예 1에 따라 컷팅된 전극 조립체 단면의 전면 및 측면을 사진으로 찍어 각각 도 9 및 도 10에 나타내었다.
실시예 6-7. 레이저에 의한 전극 조립체에 포함된 분리막의 컷팅
레이저 컷팅 기기(IPG 사 제조, YLP-2000)를 사용하여 전극 조립체 제조에 사용되는, 폴리에틸렌의 양면에 SRS(Safety-reinforcing separators로 Al2O3층이 코팅되어 있는 분리막(LG화학㈜ 제조)을 하기 표 1에 나타난 조건으로 컷팅하여 원하는 모양의 분리막을 제조하였다.
실시예 6에 따라 컷팅된 전극 조립체 단면의 전면 및 측면을 사진으로 찍어 각각 도 11 및 도 12에 나타내었다.
비교예 1-2. 레이저에 의한 전극 조립체에 포함된 분리막의 컷팅
레이저 컷팅 기기(SPI 사 제조, G4)를 사용하여 전극 조립체 제조에 사용되는, 폴리에틸렌의 양면에 SRS(Safety-reinforcing separators로 Al2O3층이 코팅되어 있는 분리막(LG화학㈜ 제조)을 하기 표 1에 나타난 조건으로 컷팅하여 원하는 모양의 분리막을 제조하였다. 비교예 1-2에 의해 컷팅한 분리막 단면의 사진을 도 3(비교예 1, 전면), 도 4(비교예 1, 측면), 도 5(비교예 2, 전면) 및 도 6(비교예 2, 측면)에 나타내었다.
번호 설정 출력(W) 펄스 폭(ns) 주파수(kHz) 컷팅 속도(mm/s) 반복횟수(회) 공정 속도(mm/s)
실시예 1 45 25 35 1000 20 50
실시예 2 20 35 400 10 40
실시예 3 50 35 500 10 50
실시예 4 50 35 400 10 40
실시예 5 100 35 400 15 26.7
실시예 6 180 90 50 5000 30 166.7
실시예 7 90 35 4000 20 200
비교예 1 45 120 50 200 20 10
비교예 2 120 50 300 20 15
상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2에 따라 컷팅한 전극 조립체에 포함된 분리막의 컷팅 정도, 탄화 정도 및 분리막이 오그라들었는지 여부를 육안으로 확인하여 비교하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
번호 컷팅여부 탄화여부 분리막 오그라듦
실시예 1 O X X
실시예 2 O X X
실시예 3 O X X
실시예 4 O X X
실시예 5 O X X
실시예 6 O X X
실시예 7 O X X
비교예 1 O O O
비교예 2 O O O
비교예 1-2 에 비하여 실시예 1-6의 조건으로 분리막의 레이저 컷팅을 수행할 때, 분리막이 탄화되거나 오그라들지 않고 컷팅되어 본원발명의 효과를 달성할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (13)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 다수의 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 전극 조립체의 제조 방법으로서,
    상기 전극 조립체에 포함된 분리막을 원하는 모양으로 레이저를 이용해 컷팅하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위셀은 풀 셀(full cell) 또는 바이 셀(Bi-cell)인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 주파수는 20 kHz 내지 70 kHz인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 주파수는 20 kHz 내지 50 kHz인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 펄스 폭은 10 ns 내지 100 ns인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 컷팅 속도는 400 mm/s 내지 6000 mm/s인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    하기 화학식 1로 표시되는 식에 의해 계산되는 상기 레이저의 공정 속도는 20 mm/s 내지 300 mm/s인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법:
    [화학식 1]
    공정 속도 = 레이저의 컷팅 속도/레이저의 컷팅 횟수.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계는 레이저의 주파수 20 kHz 내지 50 kHz, 레이저의 펄스 폭 10 ns 내지 100 ns 및 레이저의 컷팅 속도 400 mm/s 내지 6000 mm/s에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계는 레이저의 컷팅 속도 400 mm/s 내지 6000 mm/s 및 레이저의 공정 속도는 20 mm/s 내지 300 mm/s에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저를 이용해 컷팅하는 단계는 단위셀들이 적층된 이후에 수행하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체의 제조 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 전극 조립체를 포함하는 전기 화학 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전기 화학 소자는 이차 전지인 것을 특징으로 하는 전기 화학 소자.
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