WO2018169213A1 - 이차 전지용 전극 제조방법 및 그에 따라 제조된 이차 전지용 전극 - Google Patents

이차 전지용 전극 제조방법 및 그에 따라 제조된 이차 전지용 전극 Download PDF

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secondary battery
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이대원
박동혁
성기은
김준완
전현진
김재홍
김상욱
이학식
박성철
김정기
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an electrode for a secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing a plurality of unit electrodes from a continuous electrode sheet, notching and receiving a conventional roll material
  • the present invention relates to a method of improving a process of going through two stages of cutting, and to discharge a plurality of unit electrodes from a pattern coated material through a single process using a cutter or a mold.
  • a secondary battery is formed by applying an active material to the surface of a current collector to form a positive electrode and a negative electrode, and forming an electrode assembly through a separator therebetween, and then into a pouch-shaped case of a cylindrical or rectangular metal can or an aluminum laminate sheet. It is mounted, and is prepared by injecting or incorporating a liquid electrolyte mainly into the electrode assembly or using a solid electrolyte.
  • the electrode assembly is manufactured in various sizes according to the size and shape of the battery case and the capacity required in the field used, for this purpose, it is necessary to cut the electrode and the separator constituting the electrode assembly to a predetermined size.
  • the present invention aims to solve the above problems of the prior art.
  • the present invention provides a method for manufacturing an electrode for a secondary battery by introducing a single process of winding the electrode sheet in the longitudinal direction of the unit electrode to be made, and cutting at once in the shape of the unit electrode using a cutter or a mold.
  • the electrode manufacturing method of obtaining a plurality of unit electrodes from a continuous electrode sheet is coated on one or both sides, the electrode coated portion and the uncoated portion of the electrode sheet
  • the electrode sheet in the first step, is supplied in the same width as that of the unit electrode to be manufactured.
  • the process of the unit electrode in the second step is made by pressing a die or cutter of the shape corresponding to the shape of the unit electrode to the electrode sheet.
  • a method of manufacturing a secondary battery electrode further comprising the step of: stacking the unit electrode manufactured in the second step.
  • an electrode for a secondary battery manufactured by the above method is provided.
  • a secondary battery including the electrode is provided.
  • the battery is any one selected from a lithium ion battery, a lithium polymer battery, and a lithium ion polymer battery.
  • a battery pack comprising at least one secondary battery.
  • a device including the battery pack as a power source is provided.
  • the device is a mobile phone, portable computer, smart phone, smart pad, netbook, wearable electronics, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, And it is any one selected from the power storage device.
  • LEV Light Electronic Vehicle
  • electric vehicle hybrid electric vehicle
  • plug-in hybrid electric vehicle And it is any one selected from the power storage device.
  • an electrode sheet having a width equal to the width of a unit electrode to be made is wound and supplied in the longitudinal direction of the unit electrode, and a single process for cutting a single shape according to the shape of the unit electrode using a cutter or a mold is introduced for a secondary battery.
  • a method of making an electrode is provided.
  • the method of manufacturing an electrode for a secondary battery includes a first step of continuously supplying an electrode sheet in which portions coated with an electrode active material and uncoated portions are alternately arranged along an advancing direction (MD direction) of the electrode sheet; And a second step of cutting the uncoated portion of the electrode active material of the electrode sheet supplied from the first step to process the electrode sheet into a unit electrode.
  • the present invention also provides a secondary battery electrode manufactured by the above method, a secondary battery including the electrode, a battery pack using the secondary battery, a device using the battery pack.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing in cross section a coating and electrode manufacturing process of the electrode sheet according to the prior art.
  • FIG 2 is an exemplary view showing a manufacturing process of a secondary battery electrode according to the prior art.
  • FIG 3 is an exemplary view showing in cross section a coating and electrode manufacturing process of the electrode sheet according to the present invention.
  • FIG 4 is an exemplary view showing a manufacturing process of a secondary battery electrode according to the present invention.
  • the electrode manufacturing method of obtaining a plurality of unit electrodes from a continuous electrode sheet coated with an electrode active material on one side or both sides, a portion coated with an electrode active material and an uncoated portion A first step of continuously supplying electrode sheets arranged alternately along a traveling direction (MD direction) of the electrode sheet; And a second step of cutting the uncoated portion of the electrode active material of the electrode sheet supplied from the first step to process the electrode sheet into a unit electrode.
  • the continuous electrode sheet having the electrode active material coated on one or both surfaces thereof is made by applying the electrode active material to aluminum or copper in a thin plate, and the method of applying the electrode active material is divided into a line coating and a pattern coating.
  • Line coating is a method of continuously coating in the direction in which the thin plate proceeds
  • pattern coating is a method of repeatedly coating in the vertical direction of the direction in which the thin plate proceeds.
  • FIG. 1 illustrates a process of manufacturing an electrode by line coating an electrode sheet according to the related art.
  • the coating of the electrode active material is applied to the center portion of the electrode sheet to form the coating portion 2, and the uncoated portion 3 to which the electrode active material is not coated is formed on the edge portion of the sheet.
  • Figure 2 shows a method of manufacturing a secondary battery electrode according to the prior art.
  • the line-coated electrode sheet is wound and supplied in units of rolls 1, and the uncoated portion 3 on the side is processed through the notching process.
  • a mold having the shape of the unit electrode 6 is used to cut off the remainder while leaving a part of the aluminum or copper sheet for connecting the electrodes in the plain portion 3. It can also be done through
  • the electrode sheet which has undergone the notching 4 process is rewound, and the rewound electrode sheet is supplied to the cutting 5 process.
  • the electrode sheet is cut out with the unit electrode 6 using a cutter or a laser.
  • the winding of the electrode sheet may further include mechanisms and devices such as a winder, a dancer, and an EPC for driving the electrode sheet roll. These are arranged for the purpose of correcting the traveling direction of the electrode sheet, adjusting the tension applied to the electrode sheet or inspecting the product.
  • the EPC sensor is disposed for meandering correction of the electrode sheet, and is monitored by correcting the position of the electrode sheet.
  • FIG 3 shows the process of manufacturing the electrode by pattern coating the electrode sheet in accordance with the present invention.
  • the electrode active material is applied to the entire traveling direction (MD direction), and the uncoated portion 3 to which the electrode active material is not applied appears alternately with the coating portion 2 to which the electrode active material is applied.
  • the present invention shows a method for manufacturing a secondary battery electrode according to the present invention. Unlike the prior art, which goes through the two-step process of notching 4 and cutting 5, the present invention cuts the roll sheet electrode sheet at a time while manufacturing it as a unit electrode.
  • Pattern coating is cut to the width of the unit electrode in the wound state of the electrode sheet roll appearing alternately coated and uncoated portion regularly.
  • the cut electrode sheet roll 1 is again unfolded and continuously fed to a press having a mold 7 consistent with the shape of the distal end of the unit electrode 6.
  • the electrode sheet pressed by the mold 7 immediately becomes the unit electrode 6.
  • the manufactured unit electrodes 6 may then be directly stacked or used alone in assembling secondary batteries.
  • the unit electrode 6 Since the unit electrode 6 has a rectangular electrode active material coating portion protruding from the width of the electrode lead in the width direction, and the rectangular corner portion is rounded like a rounding process, the end shape of the unit electrode 6 is The electrode lead portion has irregularities, and the opposite side is a straight line with a slightly bent tip.
  • the mold 7 conforming to the above shape must simultaneously press the end of the uneven portion of one unit electrode 6 and the end of the straight portion of the unit electrode 6 to be made at the same time. There is a depression in the form of 'c'.
  • the electrode sheet roll 1 used in the present invention is pattern coated and has a structure in which portions coated with the electrode active material and uncoated portions are alternately arranged along the traveling direction (MD direction) of the electrode sheet.
  • MD direction traveling direction
  • the cutter or mold 7 matching the shape corresponding to the connection portion of the unit electrode 6 is punched and pressed on the electrode sheet placed on the die to cut the electrode sheet in the driving direction.
  • the part where the cutter or the die 7 is pressed corresponds to the plain portion 3 of the pattern coating, and the electrode sheet which is pressed and cut out becomes the unit electrode 6 as it is, so that the entire process is simplified.
  • the cutter or the mold 7 used in the present invention has a shape that covers the electrode connection part in a '-' shape, and the electrode sheet is still cut off from the unit electrode 6 in the driving direction by a single press. Separate into unsupported electrode sheets.
  • notching or cutting was also performed using a laser. This was introduced for the purpose of precise cutting in order to damage other adjacent unit electrodes as much as possible, but had the disadvantages of high initial equipment cost and long process time.
  • the unit electrode is completely separated from the electrode sheet by one press, the necessity of precise machining is reduced to less damage the adjacent unit electrodes, and thus, precision processing using a laser is not required. The manufacturing cost of the electrode is reduced.
  • the electrode sheet may be supplied in the same width as that of the unit electrode to be manufactured.
  • the unit electrode is produced with only one press, thus eliminating the need to introduce a laser, thereby simplifying the process.
  • the method of manufacturing an electrode for a secondary battery according to the present invention may further include stacking the manufactured unit electrodes.
  • a unit such as a lamination roller, folding, Z-folding, or a mechanism for collecting unit electrodes may be further included.
  • Secondary battery electrode of the present invention manufactured by the above method has the advantage of simplifying the existing process made of notching and cutting to a single process to lower the unit cost of the product and simplify the installation.
  • the present invention also has a feature to provide a secondary battery comprising a secondary battery electrode manufactured by the above method.
  • the secondary battery according to the present invention comprises an electrode assembly formed by stacking two different polarities of electrodes separated by a separator, and the electrode assembly includes a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material. , And a separator.
  • the positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler may be further added to the mixture.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • 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.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof 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 oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive material 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 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 is manufactured by coating and drying a negative electrode material on the negative electrode current collector, and if necessary, the components as described above may be further included.
  • the negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel 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 may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the negative electrode material includes amorphous carbon or crystalline carbon, and specifically, carbon such as hardly graphitized carbon and 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, Group 2, Group 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 , Oxides such
  • a conventionally known polyolefin-based separator or a composite separator in which an organic and inorganic composite layer is formed on the olefin-based substrate may be used, and is not particularly limited.
  • the electrolyte according to the present invention is a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, which consists of a non-aqueous electrolyte and lithium.
  • a nonaqueous electrolyte a nonaqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
  • organic solid electrolytes examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyagitation lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to dissolve in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4-phenyl lithium borate, and imide Can be.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, etc.
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.
  • the battery is any one selected from a lithium ion battery, a lithium polymer battery, and a lithium ion polymer battery. This is classified according to the properties of the electrolyte, and the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte are as described above.
  • the present invention may also provide a battery pack comprising at least one secondary battery.
  • the device including the battery pack as a power source
  • the device is a mobile phone, portable computer, smart phone, smart pad, netbook, wearable electronics, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, hybrid electric It may be selected from the group consisting of a vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • electrode sheet roll 2 electrode active material coating part

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Abstract

이차 전지용 전극을 재단하는 공정을 단순화하기 위하여 만들어질 단위 전극의 폭과 같은 폭을 갖는 전극시트를 단위 전극의 길이방향으로 권취하여 공급하고, 커터 또는 금형을 이용하여 단위 전극의 모양대로 한번에 잘라내는 단일공정을 도입하여 이차 전지용 전극을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 이차 전지용 전극의 제조방법은 전극 활물질이 도포된 부분과 미도포된 부분이 전극시트의 진행방향(MD 방향)을 따라 교번하여 배열되는 전극시트를 연속적으로 공급하는 제1단계; 및 상기 제1단계로부터 공급된 상기 전극시트의 전극 활물질이 미도포된 부분을 재단하여 상기 전극시트를 단위 전극으로 가공하는 제2단계;로 이루어진다.

Description

이차 전지용 전극 제조방법 및 그에 따라 제조된 이차 전지용 전극
본 발명은 이차 전지용 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극들을 제조하기 위한 방법으로서, 기존의 롤(Roll) 자재를 공급받아 노칭(Notching) 및 커팅(Cutting)의 2단계를 거치던 공정을 개선하여, 패턴 코팅된 자재로부터 커터 또는 금형을 이용한 단일 공정을 통하여 다수의 단위 전극들을 배출할 수 있는 방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경 오염의 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로, 이차전지는 집전체의 표면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 합침시키거나 고체 전해질을 사용하여 제조된다.
여기서, 전극조립체는 전지케이스의 크기 및 형태와 사용되는 분야에서 요구되는 용량 등에 따라 다양한 크기로 제조되는데, 그러기 위해서는 전극조립체를 구성하는 전극 및 분리막을 소정의 크기로 재단하는 공정이 필수적이다.
전극 및 분리막의 재단공정으로는 기존의 전극시트 롤(Roll) 자재를 공급받아 노칭(Notching) 및 커팅(Cutting)의 2단계를 거치던 공정이 있으나, 노칭 공정 후 롤로 재권취하고, 이 노칭된 롤을 다시 커팅하여 적층하게 되므로 공정이 길어지고 복잡해지는 문제가 있다.
또한 공정이 길어지고 복잡해짐에 따라 단위 전극의 제조 단가가 상승한다는 경제적인 측면에서의 문제도 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 전극시트를 만들어질 단위 전극의 길이방향으로 권취하고, 커터 또는 금형을 이용하여 단위 전극의 모양대로 한번에 잘라내는 단일공정을 도입하여 이차전지용 전극을 제조하는 방법을 제시한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극을 얻는 전극 제조방법에 있어서, 전극 활물질이 도포된 부분과 미도포된 부분이 전극시트의 진행방향(MD 방향)을 따라 교번하여 배열되는 전극시트를 연속적으로 공급하는 제1단계; 및 상기 제1단계로부터 공급된 상기 전극시트의 전극 활물질이 미도포된 부분을 재단하여 상기 전극시트를 단위 전극으로 가공하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 제1단계에서 전극시트는 제조될 단위 전극의 폭과 같은 폭으로 공급된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 제2단계에서 단위 전극으로 가공은 단위 전극 모양과 일치하는 형상의 금형 또는 커터를 전극시트에 프레스하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 제2단계에서 제조된 단위 전극을 적층하는 단계;를 더 포함하는 이차 전지용 전극의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 방법으로 제조된 이차전지용 전극이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전극을 포함하는 이차전지가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전지는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 중에서 선택된 어느 하나인 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 이차 전지를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 어느 하나인 것이다.
본 발명에 따르면 만들어질 단위 전극의 폭과 같은 폭을 갖는 전극시트를 단위 전극의 길이방향으로 권취하여 공급하고, 커터 또는 금형을 이용하여 단위 전극의 모양대로 한번에 잘라내는 단일공정을 도입하여 이차 전지용 전극을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 이차 전지용 전극의 제조방법은 전극 활물질이 도포된 부분과 미도포된 부분이 전극시트의 진행방향(MD 방향)을 따라 교번하여 배열되는 전극시트를 연속적으로 공급하는 제1단계; 및 상기 제1단계로부터 공급된 상기 전극시트의 전극 활물질이 미도포된 부분을 재단하여 상기 전극시트를 단위 전극으로 가공하는 제2단계;를 포함한다.
또한 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 이차 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 이차전지, 상기 이차전지를 이용한 전지팩, 상기 전지팩을 이용한 디바이스를 제공한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전극 시트의 코팅 및 전극 제조 공정을 단면으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 이차 전지용 전극의 제조 공정을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 시트의 코팅 및 전극 제조 공정을 단면으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 공정을 나타낸 예시도이다.
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시예에서는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조방법은 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극을 얻는 전극 제조방법에 있어서, 전극 활물질이 도포된 부분과 미도포된 부분이 전극시트의 진행방향(MD 방향)을 따라 교번하여 배열되는 전극시트를 연속적으로 공급하는 제1단계; 및 상기 제1단계로부터 공급된 상기 전극시트의 전극 활물질이 미도포된 부분을 재단하여 상기 전극시트를 단위 전극으로 가공하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트는 박판의 알루미늄 또는 구리에 전극 활물질을 도포하여 만들어지며, 전극 활물질을 도포하는 방식은 라인 코팅과 패턴 코팅으로 나누어진다. 라인 코팅은 박판이 진행되는 방향으로 연속적으로 코팅되는 방법이고, 패턴 코팅은 박판이 진행되는 방향의 수직 방향으로 반복적으로 코팅되는 방법이다.
도 1은 종래 기술에 따라 전극 시트를 라인 코팅하여 전극을 제조하는 과정을 나타낸 것이다. 라인 코팅에서는 전극 시트의 가운데 부분에 전극 활물질을 도포하여 코팅부(2)를 형성하고, 시트의 가장자리 부분에 전극 활물질이 도포되지 않는 무지부(3)가 형성된다.
도 2는 종래 기술에 따른 이차 전지용 전극의 제조방법을 나타낸 것이다. 종래 기술은 라인 코팅된 전극 시트를 롤(1) 단위로 권취하여 공급하며, 이를 노칭(4) 공정을 통해 측면의 무지부(3)를 가공한다. 노칭(4) 공정에서는 단위 전극(6)의 모양을 가진 금형을 이용하여 무지부(3) 중에서 전극을 연결하기 위한 알루미늄 또는 구리 박판의 일부를 남겨둔 채 나머지를 잘라내게 되며, 이 과정은 레이저를 통해서 이루어질 수도 있다. 노칭(4) 공정을 거친 전극 시트는 재권취되며, 재권취된 전극 시트는 커팅(5) 공정으로 공급된다. 커팅 공정에서는 커터 또는 레이저를 이용하여 단위 전극(6)으로 전극 시트를 잘라내게 된다.
상기 전극 시트를 권취하는 과정은 전극 시트 롤을 주행시키기 위한 와인더(winder), 덴서(dancer), EPC 등의 기구 및 장치가 추가로 포함될 수 있다. 이들은 전극 시트의 진행 방향을 바로잡거나 전극 시트에 걸리는 장력을 조절하거나 제품을 검사하기 위한 목적으로 배치된다. EPC 센서는 전극 시트의 사행 보정을 위해 배치되며, 전극 시트의 위치를 모니터링하여 보정하게 된다.
도 3은 본 발명에 따라 전극 시트를 패턴 코팅하여 전극을 제조하는 과정을 나타낸 것이다. 패턴 코팅에서는 진행방향(MD 방향) 전체에 대하여 전극 활물질을 도포하며, 전극 활물질이 도포되지 않는 무지부(3)가 전극 활물질이 도포되는 코팅부(2)와 규칙적인 간격으로 번갈아 가면서 나타나게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조방법을 나타낸 것이다. 종래 기술이 노칭(4)과 커팅(5)의 2단계 공정을 거치는 것과 달리, 본 발명은 롤 형태의 전극 시트를 주행시키면서 한번에 잘라내어 단위 전극으로 제조한다.
본 발명에 따른 단위 전극의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다. 패턴 코팅되어 코팅부와 무지부가 규칙적으로 번갈아가며 나타나는 전극시트 롤을 권취된 상태에서 단위 전극의 폭으로 재단한다. 재단된 전극시트 롤(1)은 다시 펴져 연속적으로 단위 전극(6)의 말단부 형상과 일치하는 금형(7)을 가진 프레스로 공급된다. 금형(7)에 의해 프레스 된 전극 시트는 바로 단위 전극(6)이 된다. 제조된 단위 전극(6)은 이후 바로 적층되거나 또는 단독으로 이차 전지의 조립에 사용될 수 있다.
단위 전극(6)은 직사각형의 전극활물질 코팅부에 폭 방향으로 전극 리드가 될 부분이 튀어나와있고, 직사각형의 모서리 부분은 라운딩 처리한 것처럼 둥글게 깎여 있는 형상이므로, 단위 전극(6)의 말단부 형상은 전극 리드가 될 부분은 요철이 있고, 반대편은 끝이 약간 구부러진 직선이 된다. 상기 형상과 일치하는 금형(7)은 하나의 단위 전극(6)의 요철부 말단과 그 다음 만들어질 단위 전극(6)의 직선부 말단을 동시에 프레스해야 하므로, 전체적으로 ‘자 형상을 갖고 가운데 부분에 ’ㄷ‘자 형태로 움푹 들어간 부분이 존재한다.
본 발명에 사용되는 전극 시트 롤(1)은 패턴코팅된 것이며, 전극 활물질이 도포된 부분과 미도포된 부분이 전극 시트의 진행방향(MD 방향)을 따라 교번하여 배열되는 구조이다. 패턴코팅된 전극 시트가 연속적으로 공급되면 단위 전극(6)의 연결부에 해당하는 모양과 일치하는 커터 또는 금형(7)이 펀치가 되어 다이 위에 놓인 전극 시트에 프레스되어 주행 방향으로 전극 시트가 잘려나간다. 커터 또는 금형(7)이 프레스되는 부분은 패턴코팅 중 무지부(3)에 해당하며, 프레스되어 잘려나간 전극 시트는 그대로 단위 전극(6)이 되는 것이므로 전체 공정이 단순해진다.
본 발명에 사용되는 커터 또는 금형(7)은 종래 기술과는 달리 전극 연결부를 ‘ㄷ’자 형상으로 덮는 모양을 가지며, 한 번의 프레스에 의해 전극 시트를 주행 방향의 단위 전극(6)과 아직 잘려지지 않은 전극 시트로 분리시킨다.
종래 기술에서는 레이저를 이용하여 노칭 또는 커팅하기도 하였다. 이는 인접한 다른 단위 전극을 최대한 덜 손상시키기 위하여 정밀하게 잘라내기 위한 목적으로 도입된 것이나, 초기 설비비용이 많이 들고 공정시간이 길어진다는 단점이 있었다. 본 발명에서는 한 번의 프레스에 의하여 단위 전극을 전극 시트로부터 완전히 분리해 내므로 인접한 단위 전극을 덜 손상시키기 위하여 정밀하게 가공할 필요성이 줄어들게 되므로 레이저를 이용한 정밀가공을 요하지 않고, 따라서 공정이 단순해지고 단위 전극의 제조 단가가 감소하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 이차 전지용 전극의 제조 방법에 있어서 전극 시트는 제조될 단위 전극의 폭과 같은 폭으로 공급되는 것을 특징으로 한다. 단위 전극과 같은 폭으로 공급함으로써 한 번의 프레스만으로 단위 전극이 생산되게 되며, 따라서 레이저를 도입할 필요가 없게 되고, 공정이 단순해지는 효과가 있다.
본 발명에 이차 전지용 전극의 제조방법은 제조된 단위 전극을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이를 위하여 적층 롤러, 폴딩, Z-폴딩 등의 유닛이나, 단위 전극을 모으기 위한 기구가 더 포함될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 이차 전지용 전극은 노칭 및 커팅으로 이루어지던 기존 공정을 단일 공정으로 단순화하여 제품의 단가를 낮추고 설비를 단순화 할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 이차 전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공하는 데에도 그 특징을 가진다.
본 발명에 따른 이차전지는 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 분리막으로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극 조립체를 수납하여 이루어지며, 상기 전극 조립체는 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막으로 구성된 것이다.
구체적으로 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3임)으로 표현되는 니켈 사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithiumintercalation material)을 주성분으로 하는 화합물과 혼합 사용할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 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, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 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.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 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 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 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, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유,무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4,LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
상기 전지는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 중에서 선택된 어느 하나인 것이다. 이는 전해액의 성상에 따른 분류로서 양극 및 음극, 전해질은 상술한 바와 같다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
이상에서, 본 발명은 비록 한정된 도면들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
<부호의 설명>
1 : 전극 시트 롤 2 : 전극 활물질 코팅부
3 : 전극 활물질 무지부 4 : 노칭
5 : 커팅 6 : 단위 전극
7 : 금형 또는 커터

Claims (10)

  1. 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트로부터 다수의 단위 전극을 얻는 전극 제조방법에 있어서,
    전극 활물질이 도포된 부분과 미도포된 부분이 전극시트의 진행방향(MD 방향)을 따라 교번하여 배열되는 전극시트를 연속적으로 공급하는 제1단계; 및
    상기 제1단계로부터 공급된 상기 전극시트의 전극 활물질이 미도포된 부분을 재단하여 상기 전극시트를 단위 전극으로 가공하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단계에서 전극시트는 제조될 단위 전극의 폭과 같은 폭으로 공급되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2단계에서 단위 전극으로 가공은 단위 전극 모양과 일치하는 형상의 금형 또는 커터를 전극시트에 프레스하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2단계에서 제조된 단위 전극을 적층하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극의 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 이차 전지용 전극.
  6. 제 5항에 따른 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전지는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7항에 따른 이차 전지를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
PCT/KR2018/001731 2017-03-13 2018-02-09 이차 전지용 전극 제조방법 및 그에 따라 제조된 이차 전지용 전극 WO2018169213A1 (ko)

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