WO2022270837A1 - 전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 리튬 이차 전지 - Google Patents

전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 리튬 이차 전지 Download PDF

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metal lead
lithium
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이재길
박기수
이현수
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Definitions

  • the present invention relates to a bonding method between an electrode tab and a metal lead and a lithium secondary battery.
  • lithium secondary batteries capable of charging and discharging, and furthermore, lithium secondary batteries has become a focus of interest. Recently, in developing such batteries, in order to improve capacity density and specific energy, a new electrode Research and development on battery design is being actively conducted.
  • a lithium metal battery being developed as a next-generation battery has an anode made only of lithium.
  • lithium has a low melting point compared to other metals, is brittle and easily broken, and is potentially explosive when exposed to air, making it difficult to develop into a battery.
  • bonding the lithium electrode tab of the lithium negative electrode and the metal lead is known to be a very difficult task due to the brittle nature of the lithium electrode tab.
  • FIG. 1 a technique of bonding the metal lead and the lithium electrode tab by pressing them in a laminated state is used.
  • this method since the nature of the lithium electrode tab is brittle, it is difficult to control the joint strength and the joint size because the degree of spreading of the lithium electrode tab is different depending on the amount of pressing pressure and the pressing time. That is, the shape of the outer circumferential portion of the lithium electrode tab is formed differently for each operation, and the ends of the outer circumferential portion are also jagged, making it difficult to form a junction in a uniform shape. In addition, it is also difficult to uniformly form the thickness of the lithium electrode tab and the area of the junction.
  • the conventional method as described above has a disadvantage in that the production efficiency of the battery is low because lithium sticks to the pressurizing device that presses the lithium electrode tab, causing bonding defects, and thus increasing the time required for the bonding process.
  • the present invention was made to solve the above problems of the prior art,
  • a lithium secondary battery including an electrode bonding structure of a lithium electrode tab and a metal lead,
  • a lithium secondary battery characterized in that both side surfaces in the longitudinal direction of the lithium electrode tab bonded to the metal lead are molded into a plane.
  • the bonding method of the lithium electrode tab and the metal lead of the present invention uniformly forms the shape of the outer circumference of the lithium electrode tab, uniformly forms the thickness of the lithium electrode tab, and reliably controls the bonding area, so that the lithium electrode It is possible to easily adjust the joint strength and joint size between the tab and the metal lead.
  • the bonding method of the electrode tab and the metal lead of the present invention significantly improves process efficiency, provides an effect of minimizing bonding defects, and provides an effect of minimizing resistance deviation between cells.
  • the lithium secondary battery of the present invention includes a bonding structure between a lithium electrode tab and a metal lead having excellent bonding strength, it provides improved quality.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a conventional method of bonding a lithium electrode tab and a metal lead;
  • FIGS. 2 and 3 are perspective views schematically showing an embodiment of a method of bonding a lithium electrode tab and a metal lead according to the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing an embodiment of a molding mold used in the method of bonding a lithium electrode tab and a metal lead according to the present invention
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a bonding mechanism of a method of bonding a lithium electrode tab and a metal lead according to the present invention.
  • the nature of the lithium electrode tab is brittle, it is difficult to control the joint strength and the joint size because the degree of spreading of the lithium electrode tab is different depending on the amount of pressing pressure and the pressing time. That is, the shape of the outer circumferential portion of the lithium electrode tab is formed differently for each operation, and the ends of the outer circumferential portion are also jagged, making it difficult to form a junction in a uniform shape. In addition, it is also difficult to uniformly form the thickness of the lithium electrode tab and the area of the junction.
  • the junction between the lithium electrode tab and the metal lead formed by this method has a problem in that the thickness and area are not constant, resulting in a large resistance deviation between cells. If the junction area is insufficient, the junction is easily broken, resulting in many defects during cell assembly. did
  • lithium sticks to the pressurizing device for pressurizing the lithium electrode tab, resulting in bonding failure, and also increases the time required for the bonding process, thereby reducing the production efficiency of the battery.
  • the present invention is characterized in that the joint strength and the joint size are easily adjusted by bonding the lithium electrode tab 22 and the metal lead 30 using the molding mold 10 . That is, in the bonding method of the present invention, by using the mold 10, the shape of the outer circumference of the lithium electrode tab 22 can be uniformly formed into the shape of the mold groove 12 formed in the mold 10, In addition, it is possible to reliably adjust the junction area between the lithium electrode tab and the metal lead due to this effect. In addition, the thickness of the lithium electrode tab 22 can be formed uniformly by the action of the forming mold 10 . That is, since the wall forming the molding groove 12 in the mold 10 functions as a stopper when pressurized, even if the pressure on the metal lead 30 is not finely adjusted when pressurized, the thickness of the electrode tab 22 can be formed uniformly.
  • the lithium electrode tab 22 does not directly contact the pressurizing device, but only contacts the molding groove 12 of the mold, there is a problem in that bonding failure occurs due to lithium sticking to the pressurizing device. It does not occur, and the problem of lengthening the time required for the bonding process due to lithium sticking to the pressurization device also provides an effect that does not occur.
  • the molding groove 12 of step (a) is formed at the front end of the molding mold 10 in the direction of the metal lead 30, as shown in FIGS. 2 and 4 (a). It may be formed in a continuous form to the distal end.
  • This type of forming groove 12 is preferable because it is possible to uniformly control the shape of both side surfaces of the lithium electrode tab 22 in the longitudinal direction.
  • the molding groove 12 of the step (a) is a rectangular groove with one side open.
  • the open side may be located on the side of the electrode 20 coupled with the lithium electrode tab 22 .
  • Molding grooves 12 of this type are preferable because it is possible to uniformly control the shape of both side surfaces of the lithium electrode tab 22 in the longitudinal direction as well as the distal end.
  • the molding groove 12 may have a width of 0.5 to 1 time compared to the width of the metal lead 30 .
  • the width of the molding groove is larger than that of the metal lead, a portion of the lithium electrode tab 22 that is not joined to the metal lead 30 may be formed during bonding, and a portion where the metal lead 30 does not exist when pressurized. This is undesirable because the lithium electrode tab 22 may rise and cause a resistance deviation between cells.
  • the depth of the molding groove 12 is smaller than the thickness of the lithium electrode tab 22 . This is because when the metal lead 30 is pressed to bond the metal lead 30 and the lithium electrode tab 22, the thickness of the lithium electrode tab 22, which has a soft property, becomes thinner and spreads in the lateral direction. In order to uniformly form the thickness of the electrode tab 22, as shown in FIG. This is because it is necessary to act as a stopper to stop it.
  • the molding groove 12 is formed wider than the width of the lithium electrode tab 22 . This is because, since the lithium electrode tab 22 is stretched in the transverse direction when pressing in the thickness direction, a space capable of accommodating the stretched portion must exist in the molding groove.
  • a step of welding the lithium electrode tab and the metal lead may be further included after step (d).
  • the welding step is not necessarily a required step. That is, since the metal lead and the lithium electrode tab can be bonded without welding through various bonding structures, the welding step can be selectively performed.
  • a release agent is applied to the molding groove 12, or , The step of covering the release film may be further included.
  • FIG. 5 The bonding mechanism of the bonding method of the lithium electrode tab and the metal lead of the present invention is illustrated in FIG. 5 .
  • Figure 5 (a) shows cross-sections of the lithium electrode tab 22 and the metal lead 30 in the width direction (transverse direction) before bonding and after bonding.
  • the brittle lithium electrode tab 22 expands in the transverse direction. While being molded in the form of the molding groove 12, it is bonded to the metal lead 30 at the same time.
  • FIG. 5(b) shows cut sections in the length direction (longitudinal direction) of the lithium electrode tab 22 and the metal lead 30 divided into before bonding and after bonding.
  • the lithium electrode tab 22 having a brittle property ( As shown in a), at the same time as expanding in the transverse direction, as shown in (b), the thickness is reduced while being molded in the form of a molding groove 12. In addition, it is bonded to the metal lead 30 by this mechanism.
  • FIG. 5(c) shows the deformation behavior of the lithium electrode tab 22 due to pressurization from the upper direction of the lithium electrode tab 22 .
  • the brittle lithium electrode tab 22 expands in the transverse direction. While being molded in the form of a molding groove (12).
  • the present invention also relates to the present invention.
  • a lithium secondary battery including a laminated junction structure of a lithium electrode tab and a metal lead,
  • It relates to a lithium secondary battery in which both side surfaces of the lithium electrode tab bonded to the metal lead in the longitudinal direction are flat.
  • the plane may be a surface formed by a molding mold.
  • the contents described in the bonding method of the electrode tab and the metal lead may be equally applied to the lithium secondary battery. Therefore, the contents overlapping with the above contents are omitted.
  • the end surface of the metal lead direction of the lithium electrode tab bonded to the metal lead may be formed in a flat shape.
  • the uniform surface may be a surface molded by a molding mold.
  • upper and lower surfaces of the lithium electrode tab bonded to the metal lead may be molded into a plane having a uniform thickness.
  • upper and lower surfaces of the lithium electrode tab bonded to the metal lead may be molded into a plane having a uniform thickness.
  • a lithium electrode tab 22 having a step and a metal lead 30 are laminated at the lower end of the step. It may include a bonded form in a state of being.
  • a lithium electrode tab 22 having a step and a metal lead 30 are laminated at the lower end of the step. It may include a form in which the lithium electrode tab 22 is bonded, and the surface opposite to the stacking of the metal lead 30 of the lithium electrode tab 22 may also include a form in which a step is included.
  • It may be formed by stacking one end of the metal lead 30 on top of the lithium electrode tab 22 and pressing the top of the stacked metal lead 30 .
  • the end surface of the metal lead bonded to the lithium electrode tab 22 may be bonded to the stepped surface of the lithium electrode tab without a gap to form a laminated bonding structure.
  • the meaning of no gap means practically no gap.
  • the lithium secondary battery may include a free-standing lithium electrode.
  • the lithium secondary battery may be manufactured by including a negative electrode and a positive electrode that are free-standing lithium electrodes, an electrolyte interposed between the negative electrode and the positive electrode, and a separator.
  • the lithium secondary battery of the present invention may be manufactured by a known method by a configuration known in the art, except for the junction structure between the lithium electrode tab and the metal lead.
  • a configuration known in the art except for the junction structure between the lithium electrode tab and the metal lead.
  • the positive electrode included in the lithium secondary battery of the present invention may include a positive electrode active material, a binder, and a conductive material.
  • the binder is a component that assists in the bonding of the positive electrode active material and the conductive material and the bonding to the current collector, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVdF/ HFP), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE) ), polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber,
  • the binder may be added in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode.
  • the conductive material included in the positive electrode is not particularly limited as long as it does not cause side reactions in the internal environment of the lithium secondary battery and does not cause chemical change in the battery and has excellent electrical conductivity.
  • graphite or conductive carbon may be used. and, for example, graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, denka black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; a carbon-based material whose crystal structure is graphene or graphite; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; fluorinated carbon; metal powders such as aluminum and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive oxides such as titanium oxide; And conductive polymers such as polyphenylene derivatives; may be used alone or in combination of two or more, but are not necessarily limited thereto.
  • the conductive material may be added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode.
  • the positive electrode of the present invention can be manufactured by dispersing and mixing the positive electrode active material, binder, and conductive material in a dispersion medium (solvent) to form a slurry, applying the slurry on a positive electrode current collector, and then drying and rolling.
  • a dispersion medium solvent
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • DMF dimethyl formamide
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • ethanol isopropanol
  • water and mixtures thereof
  • the positive current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), aluminum (Al ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) surface-treated on the surface of aluminum (Al) or stainless steel, etc. may be used, but is not necessarily limited thereto.
  • the shape of the positive electrode current collector may be in the form of a foil, film, sheet, punched one, porous body, foam or the like.
  • the separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween and to provide a passage for lithium ions.
  • olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene, glass fibers, and the like may be used in the form of sheets, multilayers, microporous films, woven fabrics and nonwovens, but are not necessarily limited thereto.
  • a solid electrolyte such as a polymer (eg, organic solid electrolyte, inorganic solid electrolyte, etc.) is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • a solid electrolyte or a liquid electrolyte may be used as the electrolyte, and a non-aqueous electrolyte (non-aqueous organic solvent) may be used as the liquid electrolyte, for example.
  • a non-aqueous electrolyte non-aqueous organic solvent
  • carbonate, ester, ether, or ketone may be used alone or in combination of two or more, but is not necessarily limited thereto.
  • Lithium salt may be further added to the electrolyte and used (so-called non-aqueous electrolyte containing lithium salt), and the lithium salt may be a known material that is easily soluble in non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF3SO3, LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , 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 borate lithium, imide, and the like, but are not necessarily limited thereto.
  • the lithium secondary battery of the present invention may be manufactured according to a conventional method in the art. For example, it can be prepared by inserting a porous separator between an anode and a cathode and injecting a non-aqueous electrolyte.

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Abstract

본 발명은 리튬 전극탭 성형틀을 사용하는 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 상기 방법에 의해 제조된 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합구조를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.

Description

전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 리튬 이차 전지
본 출원은 2021년 6월 21일자 한국 특허 출원 제10-2021-0079944호 및 2022년 6월 20일자 한국 특허 출원 제10-2022-0074655호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함한다.
본 발명은 전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아짐에 따라, 휴대폰, 태블릿(tablet), 랩탑(laptop) 및 캠코더, 나아가서는 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 에너지까지 적용분야가 확대되면서, 전기화학소자에 대한 연구 및 개발이 점차 증대되고 있다.
상기 전기화학소자 중에서도 충·방전이 가능한 리튬 이차 전지, 더 나아가서는 리튬 이차 전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
이러한 추세에 따라 차세대 전지로 개발되고 있는 리튬 메탈 전지는 음극이 리튬으로만 이루어져 있다. 그런데, 상기 리튬은 다른 금속들에 비해 융점이 낮고, 물러서 쉽게 끊어지며, 공기 중 노출되었을 때 폭발 위험성 등이 잠재하여, 전지로 개발하는 것이 어려운 것으로 알려져 있다.
특히, 상기 리튬 음극의 리튬 전극탭과 메탈 리드를 접합하는 것은 리튬 전극탭의 무른 성질로 인하여 매우 어려운 작업으로 알려져 있다.
즉, 종래 리튬 이온 전지의 경우 탭 용접 시 음극(구리) 또는 양극(알루미늄) 탭과 리드(구리, 니켈 등) 사이를 초음파 용접, 레이저 용접 또는 저항 용접 방식으로 용접하고 있으나, 상기 리튬 음극의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 용접에는 이러한 기술을 적용하기가 어렵다.
그러므로, 종래 기술에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 메탈 리드와 리튬 전극탭을 적층한 상태에서 가압함으로써 이들을 접합하는 기술이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법을 사용하는 경우, 리튬 전극탭의 성질이 무르기 때문에 가압 압력의 크기와 가압 시간에 따라 리튬 전극탭이 눌려서 퍼지는 정도가 달라서 접합 강도와 접합부 규격을 조절하는 것이 어려웠다. 즉, 리튬 전극탭의 외주부의 형태가 작업시마다 다르게 형성되고, 외주부의 말단도 들쭉날쭉하게 형성되어 균일한 형상으로 접합부를 형성하기 어려웠다. 또한, 리튬 전극탭의 두께 및 접합부의 면적을 일정하게 형성하는 것도 어려웠다.
더 나아가서, 상기와 같은 종래의 방법은 리튬 전극탭을 가압하는 가압장치에 리튬이 달라붙어 접합불량을 발생시키고, 이에 따라 접합공정에 걸리는 시간도 증가시키므로 전지의 생산효율이 낮다는 단점도 갖는다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국 특허 공개 제10-2020-0009230호
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서,
리튬 전극탭의 외주부 형태를 균일하게 형성시키며, 리튬 전극탭의 두께를 균일하게 형성시키며, 접합 면적을 신뢰성 있게 조절하는 것이 가능하므로, 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합 강도와 접합부 규격을 용이하게 조절할 수 있으며, 셀 간 저항 편차를 최소화 하며, 공정효율도 크게 향상시키는 전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 상기 방법에 의해 형성된 접합 구조를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 리튬 전극탭 성형틀을 준비하는 단계;
(b) 상기 성형틀의 성형홈에 리튬 전극탭 일단부를 위치시키는 단계;
(c) 상기 성형홈에 위치된 리튬 전극탭 상부에 메탈 리드의 일단부를 적층시키는 단계; 및
(d) 상기 적층된 메탈 리드 상부를 가압하는 단계;를 포함하는 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
리튬 전극탭과 메탈 리드의 전극 접합 구조를 포함하는 리튬 이차 전지로서,
상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 길이 방향 양쪽 측면이 평면으로 성형된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법은 리튬 전극탭의 외주부의 형태를 균일하게 형성시키며, 리튬 전극탭의 두께를 균일하게 형성시키며, 접합 면적을 신뢰성 있게 조절하는 것이 가능하므로, 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합 강도와 접합부 규격을 용이하게 조절하는 것을 가능한다.
또한, 본 발명의 전극탭과 메탈 리드의 접합방법은 공정효율을 현저하게 개선시키며, 접합불량을 최소화 하는 효과를 제공하며, 셀 간 저항 편차를 최소화 하는 효과를 제공한다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 접합 강도가 우수한 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합구조를 포함하므로, 개선된 품질을 제공한다.
도 1은 종래기술의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법을 모식적으로 도시한 사시도이며,
도 2 및 도 3은 본 발명의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법의 일 실시형태를 모식적으로 도시한 사시도이며,
도 4는 본 발명의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법에 사용되는 성형틀의 일 실시형태를 모식적으로 도시한 사시도이며,
도 5는 본 발명의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법의 접합 메커니즘을 모식적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법은, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이,
(a) 리튬 전극탭 성형틀(10)을 준비하는 단계;
(b) 상기 성형틀의 성형홈(12)에 리튬 전극탭(22) 일단부를 위치시키는 단계;
(c) 상기 성형홈(12)에 위치된 리튬 전극탭(22) 상부에 메탈 리드(30)의 일단부를 적층시키는 단계; 및
(d) 상기 적층된 메탈 리드(30) 상부를 가압하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
종래 기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 성형틀을 사용하지 않고, 리튬 전극탭(22) 일단부와 메탈 리드(30)의 일단부를 적층시킨 후, 가압하여 리튬 전극탭과 메탈 리드를 접합시켰다.
그러나, 이러한 방법을 사용하는 경우, 리튬 전극탭의 성질이 무르기 때문에 가압 압력의 크기와 가압 시간에 따라 리튬 전극탭이 눌려서 퍼지는 정도가 달라서 접합 강도와 접합부 규격을 조절하는 것이 어려웠다. 즉, 리튬 전극탭의 외주부의 형태가 작업시마다 다르게 형성되고, 외주부의 말단도 들쭉날쭉하게 형성되어 균일한 형상으로 접합부를 형성하기 어려웠다. 또한, 리튬 전극탭의 두께 및 접합부의 면적을 일정하게 형성하는 것도 어려웠다.
또한, 이러한 방법에 따라 형성된 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합부는 두께 및 면적이 일정하지 않아 셀 간 저항 편차가 커지는 문제가 있었으며, 접합 면적이 부족한 경우에는 접합부가 쉽게 끊어져 셀 조립 중 불량이 많이 발생하였다.
한편, 상기와 같은 종래의 방법은 리튬 전극탭을 가압하는 가압장치에 리튬이 달라붙어 접합불량을 발생시키고, 또한, 접합공정에 걸리는 시간도 증가시키므로 전지의 생산효율을 저하시키는 원인으로 작용하였다.
본 발명은 성형틀(10)을 사용하여 리튬 전극탭(22)과 메탈 리드(30)를 접합시킴으로써, 접합 강도와 접합부 규격을 용이하게 조절하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 접합방법은 상기 성형틀(10)을 사용함으로써, 리튬 전극탭(22)의 외주부의 형태를 성형틀(10)에 형성된 성형홈(12)의 형상으로 균일하게 형성시킬 수 있으며, 또한, 이러한 효과에 의해 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합 면적을 신뢰성 있게 조절하는 것이 가능하다. 또한, 상기 성형틀(10)의 작용에 의해 리튬 전극탭(22)의 두께도 균일하게 형성시킬 수 있다. 즉, 상기 성형틀(10)에서 성형홈(12)을 형성하는 벽체가 가압시 스토퍼로 기능하므로, 가압시 메탈 리드(30)에 대한 압력을 미세하게 조절하지 않더라도, 전극탭(22)의 두께를 균일하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 접합방법에서 리튬 전극탭(22)은 가압 장치와 직접적으로 접촉하지 않고, 성형틀의 성형홈(12)에만 접촉되므로, 가압장치에 리튬이 달라붙어 접합불량이 발생하는 문제가 발생되지 않고, 가압 장치에 리튬이 달라붙어서 접합공정에 걸리는 시간이 길어지는 문제도 발생되지 않는 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (a) 단계의 성형홈(12)은 도 2 및 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 성형틀(10)의 메탈 리드(30) 방향 선단부에서 말단부까지 연속된 형태로 형성될 수 있다.
이러한 형태의 성형홈(12)은 리튬 전극탭(22)의 길이방향 양 측면부의 형상을 균일하게 제어하는 것이 가능하므로 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (a) 단계의 성형홈(12)은 도 3 및 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 성형홈(12)은 사각형 홈에서 한 변이 오픈된 형태일 수 있다. 이 때, 상기 오픈된 한 변이 리튬 전극탭(22)과 결합된 전극(20) 쪽에 위치할 수 있다.
이러한 형태의 성형홈(12)은 리튬 전극탭(22)의 길이방향 양 측면부뿐만 아니라 말단부 형상도 균일하게 제어하는 것이 가능하므로 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 성형홈(12)은 메탈 리드(30)의 폭과 대비하여 0.5배 내지 1배의 너비를 가질 수 있다. 성형홈의 폭이 메탈 리드의 폭보다 클 경우, 접합시 리튬 전극탭(22) 중 메탈 리드(30)와 접합하지 않는 부분이 형성될 수 있으며, 가압시 메탈 리드(30)가 존재하지 않는 부분으로 리튬 전극탭(22)이 솟아 올라 셀 간 저항 편차를 발생시키는 원인이 될 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 성형홈(12)의 깊이는 리튬 전극탭(22)의 두께보다 얕게 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 메탈 리드(30)와 리튬 전극탭(22)을 접합시키기 위하여 메탈 리드(30)를 가압하는 경우, 성질이 무른 리튬 전극탭(22)의 두께가 얇아지면서 횡방향으로 퍼져 나가게 되는데, 리튬 전극탭(22)의 두께를 균일하게 형성하기 위해서는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 성형틀(10)에서 성형홈(12)을 형성하는 벽체가 메탈 리드(30)의 가압을 중지시키는 스토퍼로 작용하는 것이 필요하기 때문이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 성형홈(12)은 리튬 전극탭(22)의 폭보다 넓게 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 리튬 전극탭(22)은 두께 방향 가압시 횡방향으로 늘어나게 되므로, 이러게 늘어난 부분이 수용될 수 있는 공간이 성형홈에 존재하여야 하기 때문이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (d) 단계 후에 리튬 전극탭과 메탈 리드를 용접시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 그러나, 상기 용접단계는 필수적으로 요구하는 단계는 아니다. 즉, 메탈 리드와 리튬 전극탭은 다양한 결합구조에 의해 용접없이 접합시키는 것도 가능하므로, 상기 용접단계는 선택적으로 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (b) 단계에서 성형틀(10)의 성형홈(12)에 리튬 전극탭(22) 일단부를 위치시키는 단계 전에 상기 성형홈(12)에 이형제를 도포하거나, 이형필름을 덮는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법의 접합 메커니즘을 도 5에 예시하였다. 도 5의 (a) 도면은 리튬 전극탭(22)과 메탈 리드(30)의 폭방향(횡방향) 절단면을 접합전과 접합후로 나누어 도시한 것이다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 메탈 리드(30) 및 성형틀(10)의 어느 한 방향 이상에서 압력이 가해지는 경우, 무른 성질을 갖는 리튬 전극탭(22)은 횡방향으로 팽창하면서 성형홈(12)의 형태로 성형되는 동시에 메탈 리드(30)와 접합된다.
도 5의 (b) 도면은 리튬 전극탭(22)과 메탈 리드(30)의 길이방향(종방향) 절단면을 접합전과 접합후로 나누어 도시한 것이다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 메탈 리드(30) 및 성형틀(10)의 어느 한 방향 이상에서 압력이 가해지는 경우, 무른 성질을 갖는 리튬 전극탭(22)은, 위의 (a)에 도시된 바와 같이, 횡방향으로 팽창하는 동시에, (b)에 도시된 바와 같이 두께가 얇아지면서 성형홈(12)의 형태로 성형된다. 또한, 이러한 메커니즘에 의해 메탈 리드(30)와 접합된다.
도 5의 (c) 도면은 가압에 의한 리튬 전극탭(22)의 변형 거동을 리튬 전극탭(22)의 상방향에서 도시한 것이다. 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 메탈 리드(30) 및 성형틀(10)의 어느 한 방향 이상에서 압력이 가해지는 경우, 무른 성질을 갖는 리튬 전극탭(22)은 횡방향으로 팽창하면서 성형홈(12)의 형태로 성형된다.
본 발명은 또한,
리튬 전극탭과 메탈 리드의 적층 접합 구조를 포함하는 리튬 이차 전지로서,
상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 길이 방향 양쪽 측면이 평면으로 성형된 형태인 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
상기 평면은 성형틀에 의해 성형된 면일 수 있다.
상기 전극탭과 메탈 리드의 접합방법에서 설명된 내용은 상기 리튬 이차 전지에 관하여 동일하게 적용될 수 있다. 그러므로, 전술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 메탈 리드 방향 말단면은 평면으로 성형된 형태일 수 있다.
상기 균일한 면은 성형틀에 의해 성형된 면일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 상부면과 하부면이 균일한 두께의 평면으로 성형된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 상부면과 하부면이 균일한 두께의 평면으로 성형된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 적층 접합 구조는, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 단차가 형성된 리튬 전극탭(22)과 상기 단차의 아랫 단에 메탈 리드(30)가 적층된 상태로 접합된 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 적층 접합 구조는, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 단차가 형성된 리튬 전극탭(22)과 상기 단차의 아랫 단에 메탈 리드(30)가 적층된 상태로 접합된 형태를 포함하며, 상기 리튬 전극탭(22)의 메탈 리드(30) 적층 반대면도 단차를 포함하는 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 단차는, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 리튬 전극탭 성형틀(10)의 성형홈(12)에 리튬 전극탭(22) 일단부를 위치시키고, 상기 리튬 전극탭(22) 상부에 메탈 리드(30)의 일단부를 적층시키고, 상기 적층된 메탈 리드(30) 상부를 가압하는 과정에 의해 형성된 것일 수 있다.
상기에서 리튬 전극탭(22)에 접합된 메탈 리드 말단면은 리튬 전극탭의 단차 형성면과 틈이 없이 접합된 형태로 적층 접합 구조를 형성할 수 있다. 여기에서 틈이 없다는 의미는 실질적으로 틈이 없는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 리튬 이차 전지는 프리스탠딩 리튬 전극을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 리튬 이차 전지는 프리스탠딩 리튬 전극인 음극, 양극, 상기 음극과 양극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 상기 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합구조를 제외하고는 이 분야에 공지된 구성에 의해 공지의 방법으로 제조될 수 있다. 이하에서 양극, 전해질 및 분리막에 대한 구체적인 예를 들어 설명한다.
양극
본 발명의 리튬 이차 전지에 포함되는 양극은, 양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 포함할 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더는 통상적으로 양극 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부 첨가될 수 있다.
상기 양극에 포함되는 도전재는 리튬 이차 전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 첨가될 수 있다.
상기 양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연함으로써, 본 발명의 양극을 제조할 수 있다. 상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.
분리막
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬이온의 이동 통로를 제공하는 역할을 한다. 상기 분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
전해질
상기 전해질로는 고체전해질 또는 액체전해질이 사용될 수 있으며, 상기 액체전해질로는 예를 들어, 비수계 전해액(비수계 유기 용매)이 사용될 수 있다. 상기 비수계 전해액으로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(Franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란과 같은 테트라하이드로푸란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련되어 설명되었지만,
발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
[부호의 설명]
10: 성형틀 12: 성형홈
20: 리튬 전극 22: 리튬 전극탭
30: 메탈 리드 40: 전극 리드 필름

Claims (14)

  1. (a) 리튬 전극탭 성형틀을 준비하는 단계;
    (b) 상기 성형틀의 성형홈에 리튬 전극탭 일단부를 위치시키는 단계;
    (c) 상기 성형홈에 위치된 리튬 전극탭 상부에 메탈 리드의 일단부를 적층시키는 단계; 및
    (d) 상기 적층된 메탈 리드 상부를 가압하는 단계;를 포함하는 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 성형홈은 성형틀의 메탈 리드 방향 선단부에서 말단부까지 연속된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 전극탭과 메탈 리드의 접합방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 성형홈은 사각형 홈에서 한 변이 오픈된 형태이며, 상기 오픈된 한 변이 리튬 전극탭과 결합된 전극 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극탭과 메탈 리드의 접합방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 성형홈은 메탈 리드의 폭과 대비하여 0.5 내지 1 배의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 전극탭과 메탈 리드의 접합방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계 후에 리튬 전극탭과 메탈 리드를 용접시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극탭과 메탈 리드의 접합방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계 전에 상기 성형홈에 이형제를 도포하거나, 이형필름을 덮는 단계를 더 포함 것을 특징으로 하는 전극탭과 메탈 리드의 접합방법.
  7. 리튬 전극탭과 메탈 리드의 적층 접합 구조를 포함하는 리튬 이차 전지로서,
    상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 길이 방향 양쪽 측면이 평면으로 성형된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적층 접합 구조는 단차가 형성된 리튬 전극탭과 상기 단차의 아랫 단에 메탈 리드가 적층된 상태로 접합된 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 전극탭의 메탈 리드 적층 반대면도 단차를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 단차는 리튬 전극탭 성형틀의 성형홈에 리튬 전극탭 일단부를 위치시키고, 상기 리튬 전극탭 상부에 메탈 리드의 일단부를 적층시키고, 상기 적층된 메탈 리드 상부를 가압하는 과정에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기에서 리튬 전극탭에 접합된 메탈 리드 말단면은 리튬 전극탭의 단차 형성면과 틈이 없이 접합된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 메탈 리드 방향 말단면이 평면으로 성형된 리튬 이차 전지.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 메탈 리드와 접합된 리튬 전극탭의 상부면과 하부면이 균일한 두께의 평면으로 성형된 리튬 이차 전지.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 리튬 이차 전지는 프리스탠딩 리튬 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
PCT/KR2022/008683 2021-06-21 2022-06-20 전극탭과 메탈 리드의 접합방법 및 리튬 이차 전지 WO2022270837A1 (ko)

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