WO2024085542A1 - 공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체 - Google Patents

공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체 Download PDF

Info

Publication number
WO2024085542A1
WO2024085542A1 PCT/KR2023/015784 KR2023015784W WO2024085542A1 WO 2024085542 A1 WO2024085542 A1 WO 2024085542A1 KR 2023015784 W KR2023015784 W KR 2023015784W WO 2024085542 A1 WO2024085542 A1 WO 2024085542A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sheet
separator
electrode assembly
electrode sheet
negative electrode
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/015784
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
임훈희
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Publication of WO2024085542A1 publication Critical patent/WO2024085542A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • 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 an electrode assembly and an electrode assembly manufactured using the same, and more specifically, to a method of manufacturing an electrode assembly with improved fairness and safety and an electrode assembly manufactured using the same.
  • secondary batteries are receiving much attention as an energy source for not only mobile devices such as mobile phones, digital cameras, laptops, and wearable devices, but also power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • This lithium secondary battery manufactures a positive electrode and a negative electrode by coating and drying a positive or negative electrode active material, a binder, and a conductive material on a current collector in the form of a slurry to form an electrode mixture layer, and a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is manufactured by embedding the laminated electrode assembly in a battery case together with an electrolyte.
  • /A stacked/folded electrode assembly was developed by folding a bi-cell with an anode (cathode) structure using a long continuous separator film.
  • a lamination/stacked electrode is constructed by stacking unit cells in which electrodes and separators are alternately stacked and laminated. Assemblies were also developed.
  • a punching process may be performed to implement the shape of the electrode assembly.
  • the positive and negative electrodes are individually punched and then stacked together with a separator to produce a stacked electrode assembly using a lamination method.
  • the separator is cut larger than the cathode and anode and then laminated. Because a larger amount of separator is cut, production costs may increase.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing an electrode assembly that improves fairness by reducing the complexity of the punching and lamination process, and an electrode assembly manufactured using the same.
  • the present invention provides a method for manufacturing an electrode assembly that can improve product quality by preventing the cause of a short circuit during the punching process, and an electrode assembly manufactured using the same.
  • a method of manufacturing an electrode assembly includes the steps of unwinding a positive electrode sheet, a separator sheet, and a negative electrode sheet from a plurality of roll members, respectively, and the unwinding the positive electrode sheet, the separator sheet, and the negative electrode sheet. Forming a laminate while passing between a pair of guide rolls, and punching the laminate including the positive electrode sheet, the separator sheet, and the negative electrode sheet, the positive electrode sheet and Each of the negative electrode sheets is alternately coated with an active material and a non-conductive material based on the traveling direction of the guide roll, and when punching the laminate, the portion where the non-conductive material is applied is punched.
  • the positive electrode sheet, the separator sheet, and the negative electrode sheet may be punched at the same time.
  • the negative electrode sheet may be formed to contain lithium metal.
  • a marker portion that guides the punching position of the laminate may be formed on the portion where the non-conductive material is applied.
  • the marker portion may be formed on the same line as the line on which the non-conductive material is applied during the process of applying the non-conductive material.
  • the non-conductive material may include a polymer material.
  • the polymer material may be of the PE (polyethylene) series.
  • the step of alternately applying the active material and the non-conductive material to each of the positive electrode sheet and the negative electrode sheet may be performed before the step of unwinding the positive electrode sheet and the negative electrode sheet on the roll member.
  • the step of passing the guide roll to form the laminate may be performed immediately after the step of unwinding the positive electrode sheet, the separator sheet, and the negative electrode sheet from the plurality of roll members, respectively.
  • a cutting member may be used, and the non-conductive material may be formed of a ductile material to prevent the electrode material from appearing on the cutting member.
  • the cutting member can directly cut the positive electrode sheet, the separator, and the negative electrode sheet.
  • the direction in which the laminate is punched may be perpendicular to the traveling direction of the guide roll.
  • An electrode assembly according to another embodiment of the present invention is an electrode assembly manufactured by the electrode assembly manufacturing method described above, and includes an anode, a separator, and a cathode formed after punching the laminate, and the anode and the cathode.
  • Each includes an active material layer and a non-conductive layer located on both sides of the active material layer.
  • the widths of each of the anode, the separator, and the cathode may be the same.
  • the widths of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer included in the positive electrode and the negative electrode, respectively, may be the same.
  • the complexity of the punching and lamination process can be reduced by simultaneously unwinding the positive electrode sheet/separator/negative electrode sheet and then punching it at the same time.
  • a short circuit at the side can be prevented in advance.
  • the cutting member directly comes into contact with the electrode material, thereby preventing the electrode material on the cutting member from contaminating electrodes with different polarities.
  • the production yield can be increased by accurately setting the punching position during the process.
  • FIG. 1 is a diagram showing an electrode assembly manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram for explaining the electrode assembly manufacturing method of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram for explaining the process of punching a laminate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of Figure 3.
  • Figure 5 is a diagram showing a unit cell formed after punching the laminate of Figure 4.
  • Figure 6 is a diagram showing a conventional electrode assembly manufacturing method.
  • FIG. 1 is a diagram showing an electrode assembly manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram for explaining the electrode assembly manufacturing method of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram for explaining the process of punching a laminate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of Figure 3.
  • the electrode assembly manufacturing apparatus includes a plurality of roll members 100, 200, and 300, and sheets unwinded from the plurality of roll members 100, 200, and 300, respectively (
  • a transfer member (not shown) carrying the sheets 110, 210, and 310, a pair of guide rolls 400 guiding the plurality of sheets 110, 210, and 310, and the plurality of sheets 110, 210, and 310. ) includes a cutting member 500 that punches out.
  • the plurality of roll members 100, 200, and 300 include a first winding roll 100 winding the positive electrode sheet 110, a second winding roll 200 winding the separator sheet 210, and a negative electrode sheet ( It includes a third winding roll 300 that winds 310).
  • the positive electrode sheet 110 is in an unpunched state, and is attached to the first winding roll 100 in the form of a sheet extending long in one direction with a positive active material layer and a non-conductive layer formed on the positive electrode current collector, as described later. It may be in a closed state.
  • the separator sheet 210 may also be wound around the second winding roll 200 in an unpunched state.
  • the negative electrode sheet 310 is also in an unpunched state, and is wound around the third winding roll 300 in the form of a sheet extending long in one direction with a negative electrode active material layer and a non-conductive layer formed on the negative electrode current collector, as described later. It may be a state.
  • the transport member may be a conveyor belt unit and may serve to transport the sheets 110, 210, and 310 in one direction (x-axis direction).
  • the guide roll 400 includes an upper guide roll 410 and a lower guide roll 420 that are spaced apart from each other up and down, and the sheets 110, 210, and 310 can pass between them.
  • the cutting member 500 may be a punching knife that directly cuts the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310.
  • the cutting member 500 may cut the sheets 110, 210, and 310 in a direction perpendicular to the first direction (x-axis direction) in which the sheets 110, 210, and 310 are transported.
  • the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310 are each unwinded from the plurality of roll members 100, 200, and 300 and transported along the first direction (x-axis direction), and then unwinded. As this happens, the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310 may come into close contact with each other in a direction perpendicular to the transfer direction (x-axis direction). In other words, the sheets 110, 210, and 310 may be unwound by the plurality of roll members 100, 200, and 300 to be in a stacked state.
  • the unwinded positive electrode sheet 110, separator sheet 210, and negative electrode sheet 310 may form a laminate while passing between a pair of guide rolls 400.
  • the sheets 110, 210, and 310 in the form of a laminated body may pass between the upper and lower guide rolls 410 and 420, which are arranged vertically and spaced apart.
  • the positive electrode sheet 110, the separator sheet 210, and the negative electrode sheet 310 are each frozen in the plurality of roll members 100, 200, and 300. It is desirable to perform this immediately after the winding step.
  • the laminate formed by passing between a pair of guide rolls 420 can still maintain a continuous sheet form. Additionally, the sheets 110, 210, and 310, which have been unwound to be in a stacked state, can form a laminate as they come into closer contact as they pass between a pair of guide rolls 420. Thereafter, the sheets 110, 210, and 310 may be transferred in the first direction (x-axis direction) and maintained in a stacked state. Thereafter, a lamination process may be performed in which heat and pressure are applied to bond the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310 to each other.
  • FIG. 2 schematically shows portions punched out by the cutting member 500 after the plurality of sheets 110, 210, and 310 pass through a pair of guide rolls 400.
  • the laminate including the positive electrode sheet 110, the separator sheet 210, and the negative electrode sheet 310 may be punched using a cutting member 500.
  • the cutting member 500 can directly cut the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310.
  • the positive electrode sheet 110 has a holding portion in which the active material layer 111 is formed along the direction perpendicular to the traveling direction of the guide roll 400 (y-axis direction), and an uncoated portion 112 that is not coated with the active material. can be located The holding portion and the uncoated portion 112 may be sequentially arranged in the -y-axis direction.
  • the active material layer 111 may be a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material, a binder, and a conductive material.
  • the active material layer 111 can be formed by coating and drying a positive electrode active material, a binder, and a conductive material in the form of a slurry on a current collector.
  • the negative electrode sheet 310 has a holding portion in which the active material layer 311 is formed along the direction perpendicular to the traveling direction of the guide roll 400 (y-axis direction), and an uncoated portion 312 that is not coated with the active material. can be located The holding portion and the uncoated portion 312 may be sequentially arranged in the y-axis direction.
  • the active material layer 311 may be a negative electrode mixture layer containing a negative electrode active material, a binder, and a conductive material.
  • the active material layer 311 can be formed by coating and drying a negative electrode active material, a binder, and a conductive material in the form of a slurry on a current collector.
  • the uncoated portions 112 and 312 formed on the positive electrode sheet 110 and the negative electrode sheet 310, respectively, may be arranged in different directions with respect to the holding portion.
  • the tab-shaped protrusions formed on the positive electrode sheet 110 and the negative electrode sheet 310 may be disposed in different directions with respect to the holding portion.
  • the tab-shaped protrusion can be used as an electrode tab.
  • the uncoated portions 112 and 312 can be used as electrode tabs, and as another example, the tab-shaped protrusions may be used to create a shape for easy attachment of a separate electrode tab.
  • FIG. 3 shows the positive electrode sheet 110, the separator sheet 210, and the negative electrode sheet 310 overlapped in the vertical direction (z-axis direction in FIG. 1) along the z-axis direction in the process of punching the laminate. When viewed, it shows a state of being separated in a two-dimensional manner.
  • the positive electrode sheet 110 and the negative electrode sheet 310 each contain an active material and a non-conductive material alternately based on the traveling direction (x-axis direction) of the guide roll 400. It may be in a state of being applied.
  • the step of alternately applying the active material and the non-conductive material to each of the positive electrode sheet 110 and the negative electrode sheet 310 involves unwinding the positive electrode sheet 110 and the negative electrode sheet 310 on the roll members 100 and 300. It can be performed before the stage where In the step of punching the laminate, the positive electrode sheet 110, the separator sheet 210, and the negative electrode sheet 310 may be punched at the same time.
  • the direction in which the laminate is punched may be a direction perpendicular to the traveling direction of the guide roll 400 (z-axis direction in FIG. 1).
  • the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310 are punched out at the same time, so the electrode and the separator are individually punched and then laminated, as in the conventional assembly process, when manufacturing a stacked electrode assembly. It can solve the problem of longer time and increased costs.
  • electrode material may be left on the cutting member 500.
  • the laminate As the sheets 110, 210, and 310 travel, the laminate is punched at regular intervals. If the laminate is cut while the electrode material is on the cutting member 500, it will stick on the cutting member 500.
  • the electrode material may come into contact with an electrode sheet of a different polarity than the existing electrode material. If this happens, the quality of the electrode may deteriorate, which may eventually lead to a decrease in the lifespan of the battery.
  • the electrode portion to which the non-conductive material is applied is punched.
  • the cutting member 500 of FIG. 2 can cut the laminate along the punching position line 610 crossing the non-conductive layers 113 and 313.
  • a marker portion 600 that guides the punching position of the laminate may be formed on the portion where the non-conductive material is applied.
  • the marker portion 600 may be formed on the same line as the line on which the non-conductive material is applied during the process of applying the non-conductive material. In other words, as shown in FIG. 3, it is preferable that the marker portion 600 is formed on substantially the same line as the punching position line 610.
  • the marker portion 600 when applying an active material and a non-conductive material, can be formed by linking the non-conductive material application device and the marker portion forming device to leave a marker at the central position of the portion where the non-conductive material is applied. there is.
  • the punching position of the cutting member 500 can be found more accurately during the automated process, and thus the effect of improving production yield can be expected.
  • the marker unit 600 according to this embodiment not only serves to accurately find the punching position, but also allows the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310 to form a plurality of reel members 100, 200, and 300. ) can play a role in aligning when unwinding.
  • the positive electrode sheet 110 may have an active material layer 111 and a non-conductive layer 113 formed on at least one side of the positive electrode current collector 115, and the negative electrode sheet 310 may have a negative electrode current collector ( An active material layer 311 and a non-conductive layer 313 may be formed on at least one surface of 315).
  • the cutting member 500 of FIG. 2 cuts the laminate in the vertical direction (z-axis direction) along the punching position line 610, thereby forming the non-conductive layer 113 of the positive electrode sheet 110 and the separator.
  • the sheet 210 and the non-conductive layer 313 of the cathode sheet 310 are punched out simultaneously.
  • the left and right widths of the cutting member 500 may correspond to the spacing between adjacent punching position lines 610.
  • the non-conductive material forming the non-conductive layer 313 according to this embodiment preferably includes a polymer material.
  • the polymer material may be PE (polyethylene), but is not limited to this, and any polymer material with high ductility can be used.
  • the non-conductive material according to this embodiment preferably has greater ductility than ceramics and greater ductility than general metal materials.
  • the non-conductive material may have ductility similar to that of lithium metal, which has high ductility.
  • the negative electrode sheet 310 is preferably formed of lithium metal.
  • Carbon-based materials, silicon, and lithium metal are used as negative electrode active materials in lithium-ion batteries.
  • lithium metal has the advantage of achieving the highest energy density.
  • the high reactivity of the lithium metal, the volume expansion of the negative electrode during charging and discharging of the battery, and the surface unevenness phenomenon that occurs during the process of electrodeposition and exfoliation of the lithium metal on the negative electrode cause a gap between the electrolyte and the lithium metal electrode.
  • a stable interface may not be formed and a continuous electrolyte decomposition reaction may occur. These electrolyte side reactions can rapidly increase battery resistance and shorten the life of the battery.
  • the non-conductive layers 113 and 313 are soft. Since it is formed using a high polymer material, the non-conductive layers 113 and 313 may not be broken and the current collectors 115 and 315 may not be damaged even under strong pressure conditions. If the non-conductive layers 113 and 313 are made of a material with low ductility such as ceramic, they may break under strong pressure conditions.
  • Figure 5 is a diagram showing a unit cell formed after punching the laminate of Figure 4.
  • Figure 6 is a diagram showing a conventional electrode assembly manufacturing method.
  • the unit cell 700 can be formed by the electrode assembly manufacturing method described above.
  • the unit cell 700 includes an anode 118, a separator 218, and a cathode 318 formed after the laminate is punched.
  • the anode 118 and the cathode 318 include active material layers 111 and 311 and non-conductive layers 113 and 313 located on both sides of the active material layers 111 and 311, respectively.
  • the widths of each of the anode 118, the separator 218, and the cathode 318 are substantially equal to each other based on the traveling direction (x-axis direction) of the guide roll 400 in FIG. 1. This is because in the electrode assembly manufacturing method according to this embodiment, the positive electrode sheet, separator, and negative electrode sheet are simultaneously punched.
  • the traveling direction (x-axis direction) of the guide roll 400 is perpendicular to the direction (y-axis direction) in which the electrode tab 116 of FIG. 5 protrudes, and the anode 118, separator 218, and
  • the widths of each cathode 318 may be substantially the same based on the direction in which the electrode tab 116 protrudes.
  • the widths of the active material layers 311 may be the same. Referring to FIG. 6, in the case where the anode 11 and the cathode 31 are individually punched and then laminated, the cathode 31 and the cathode 31 are used to prevent a short circuit due to contact between the anode and the cathode or during the punching process.
  • the separator 21 is cut larger than the anode 11, but in this embodiment, even if the widths of the anode active material layer 111 and the cathode active material layer 311, which substantially correspond to the width of the electrode, are the same, the non-conductive layer Since (113, 313) is formed, short circuit phenomenon can be prevented.
  • the unit cells 700 of FIG. 5 formed after simultaneously punching the anode sheet 110, the separator sheet 210, and the cathode sheet 310 in the laminate state are picked and placed. & place) can be transported and stacked to form an electrode assembly.
  • the unit cells 700 formed by punching out a laminate may be loaded and stored in a storage box such as a magazine. Thereafter, the unit cells 700 stored in the storage box can be transported and stacked again using a pick and place method to form an electrode assembly.
  • a battery cell can be manufactured by embedding an electrode assembly including at least one unit cell 700 in a battery case together with an electrolyte.
  • anode/separator/cathode are unwinded and worked simultaneously.
  • electrodes of different polarities must be separated by a separator and insulated from each other, so the laminate
  • One end of the basic unit to form may be closed with a separator.
  • 4 layers of anode/separator/cathode/separator as the basic unit 6 layers of anode/separator/cathode/separator/anode/separator, or 6 layers of cathode/separator/anode/separator/cathode/separator.
  • a floor can be used as a basic unit, and higher floors can also be used as a basic unit for simultaneous work.
  • a winding roll winding the separator sheet is placed below the third winding roll 300 in FIG. 1, and the anode sheet 110,
  • one end of the basic unit can be used as a separator.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 복수의 롤 부재에서 양극 시트, 분리막 시트 및 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계, 상기 언와인딩된 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트가 한 쌍의 가이드 롤 사이를 통과하면서 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 포함하는 상기 적층체를 타발(punch)하는 단계를 포함하고, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각은 상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있으며, 상기 적층체를 타발하는 것은, 상기 비전도성 물질이 도포된 부분을 타발(punch)한다.

Description

공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 10월 19일자 한국 특허 출원 제10-2022-0135189호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공정성과 안전성이 향상된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차 전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 양극 또는 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 슬러리의 형태로 집전체에 코팅 및 건조하여 전극 합제층을 형성시켜 양극과 음극을 제조하고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 분리막을 개재시키고, 이를 라미네이션한 전극 조립체를 전해액과 함께 전지 케이스에 내장시킴으로써 제조된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀 셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이 셀(bi-cell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극 조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 전지셀 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위 셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극 조립체도 개발되었다.
스택형 전극 조립체를 제조하는 경우에 양극, 분리막, 및 음극을 각각 별개의 공정으로 제조한 후 이들을 적층하여 동시에 열과 압력을 가해 접합하는 라미네이션 방법으로 제조하는 것이 일반적이다. 이때, 라미네이션 방법으로 전극과 분리막을 접합하기 전에 전극 조립체의 형태를 구현하기 위한 타발 공정을 진행할 수 있다. 타발 공정은 양극과 음극을 개별적으로 타발을 한 후에 이들을 분리막과 함께 적층한 후에 라미네이션 방법으로 스택형 전극 조립체를 제조할 수 있다.
하지만, 이처럼 전극을 개별적으로 타발한 후에 적층하면서 스택형 전극 조립체를 제조하게 되면 조립 공정 시간이 길어지고 비용이 증가하는 문제가 있다.
또, 전극 조립체에서 분리막이 열에 의해 수축되어 양극과 음극의 접촉에 따른 쇼트 현상을 방지하기 위해서나 타발 과정에서 음극 및 양극 대비하여 분리막을 크게 절단한 후 이들을 적층하는 경우가 있는데, 이렇게 하면 필요한 양보다 더 많은 양의 분리막을 절단하기 때문에 생산 단가가 높아질 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 타발 및 적층 공정의 복잡성을 줄여 공정성을 높이는 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 타발 과정에서 쇼트 현상의 원인 발생을 미연에 방지하여 제품 품질을 높일 수 있는 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 공정 중에 타발 위치를 정확하게 설정하여 생산 수율을 증가시키는 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 복수의 롤 부재에서 양극 시트, 분리막 시트 및 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계, 상기 언와인딩된 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트가 한 쌍의 가이드 롤 사이를 통과하면서 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 포함하는 상기 적층체를 타발(punch)하는 단계를 포함하고, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각은 상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있으며, 상기 적층체를 타발하는 것은, 상기 비전도성 물질이 도포된 부분을 타발(punch)한다.
상기 적층체를 타발하는 단계는, 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 동시에 타발할 수 있다.
상기 음극 시트는 리튬 금속을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 비전도성 물질이 도포된 부분에는 상기 적층체의 타발 위치를 가이드하는 마커부가 형성될 수 있다.
상기 마커부는 상기 비전도성 물질을 도포하는 과정에서 상기 비전도성 물질이 도포되는 라인과 동일선 상에 형성될 수 있다.
상기 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 고분자 물질은 PE(polyethylene) 계열을 사용할 수 있다.
상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각에 상기 활물질과 상기 비전도성 물질을 교대로 도포하는 단계는, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트가 상기 롤 부재에서 언와인딩되는 단계 이전에 수행될 수 있다.
상기 적층체를 형성하기 위해 상기 가이드 롤을 통과하는 단계는, 상기 복수의 롤 부재에서 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트 및 상기 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계 이후 바로 수행될 수 있다.
상기 적층체를 타발하는 단계는, 절단 부재를 사용하고, 상기 비전도성 물질이 연성을 갖는 물질로 형성되어 상기 절단 부재에 전극 물질이 묻어 나지 않도록 할 수 있다.
상기 절단 부재는 상기 양극 시트, 상기 분리막, 및 상기 음극 시트를 직접적으로 커팅할 수 있다.
상기 적층체를 타발하는 방향은, 상기 가이드 롤의 주행 방향에 수직할 수있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 상기에서 설명한 전극 조립체 제조 방법에 의해 제조된 전극 조립체로서, 상기 적층체의 타발 이후 형성된 양극, 분리막, 및 음극을 포함하고, 상기 양극과 상기 음극은 각각 활물질층과 상기 활물질층의 양 측부에 위치하는 비전도성층을 포함한다.
상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 상기 양극, 상기 분리막, 및 상기 음극 각각의 폭은 서로 동일할 수 있다.
상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 상기 양극과 상기 음극에 각각 포함되어 있는 양극 활물질층과 음극 활물질층의 폭은 서로 동일할 수 있다.
실시예들에 따르면, 양극 시트/분리막/음극 시트를 동시에 언와인딩한 후 동시에 타발함으로써, 타발 및 적층 공정의 복잡성을 줄일 수 있다.
또한, 양극/음극의 양 단부에 비전도성층을 형성함으로써, 측면부 쇼트 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 타발 과정에서 절단 부재가 직접 전극 물질과 맞닿아 절단 부재에 뭍은 전극 물질이 다른 극성을 갖는 전극을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 비전도성층에 마커부를 형성함으로써, 공정 중에 타발 위치를 정확하게 설정하여 생산 수율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 전극 조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 적층체를 타발하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4의 적층체를 타발한 이후 형성된 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 전극 조립체 제조 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 전극 조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 적층체를 타발하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치는 복수의 롤 부재(100, 200, 300)를 포함하고, 복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 각각 언와인딩된 시트들(110, 210, 310)을 운반하는 이송 부재(미도시), 복수의 시트들(110, 210, 310)을 가이드하는 한 쌍의 가이드 롤(400), 및 복수의 시트들(110, 210, 310)을 타발하는 절단 부재(500)를 포함한다.
복수의 롤 부재(100, 200, 300)는 양극 시트(110)를 권취하고 있는 제1 권취롤(100), 분리막 시트(210)를 권취하고 있는 제2 권취 롤(200), 및 음극 시트(310)를 권취하고 있는 제3 권취 롤(300)을 포함한다. 이때, 양극 시트(110)는 타발되지 않은 상태이고, 후술하는 것처럼 양극 집전체 상에 양극 활물질층과 비전도성층이 형성된 상태에서 일 방향으로 길게 뻗어 있는 시트 형태로 제1 권취 롤(100)에 감겨 있는 상태일 수 있다. 분리막 시트(210) 역시 타발되지 않은 상태에서 제2 권취 롤(200)에 감겨 있는 상태일 수 있다. 음극 시트(310) 역시 타발되지 않은 상태이고, 후술하는 것처럼 음극 집전체 상에 음극 활물질층과 비전도성층이 형성된 상태에서 일 방향으로 길게 뻗어 있는 시트 형태로 제3 권취 롤(300)에 감겨 있는 상태일 수 있다.
상기 이송 부재는 컨베이어 벨트 유닛일 수 있고, 상기 시트들(110, 210, 310)을 일 방향(x축 방향)으로 운송하는 역할을 할 수 있다.
가이드 롤(400)은 상하로 이격 배열되어 있는 상부 가이드 롤(410)과 하부 가이드 롤(420)을 포함하고, 이들 사이를 상기 시트들(110, 210, 310)이 통과할 수 있다.
절단 부재(500)는 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 직접적으로 커팅하는 타발 나이프(knife)일 수 있다. 절단 부재(500)는 상기 시트들(110, 210, 310)이 이송되는 제1 방향(x축 방향)에 수직한 방향으로 상기 시트들(110, 210, 310)을 커팅할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 전극 조립체 제조 장치를 사용하여 전극 조립체를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)가 각각 언와인딩되어 제1 방향(x축 방향)을 따라 이송되고, 언와이딩되면서 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)가 이송 방향(x축 방향)에 수직한 방향으로 서로 밀착할 수 있다. 다시 말해, 복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 상기 시트들(110, 210, 310)이 적층된 상태가 되도록 언와인딩될 수 있다.
언와인딩된 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)는 한 쌍의 가이드 롤(400) 사이를 통과하면서 적층체를 형성할 수 있다. 적층체 형태가 된 상기 시트들(110, 210, 310)은 상하로 이격 배열되어 있는 상부 가이드 롤(410)과 하부 가이드 롤(420) 사이를 통과할 수 있다. 상기 적층체를 형성하기 위해 가이드 롤(400)을 통과하는 단계는, 복수의 롤 부재(100, 200, 300)에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210) 및 음극 시트(310)가 각각 언와인딩되는 단계 이후 바로 수행되는 것이 바람직하다.
한 쌍의 가이드 롤(420) 사이를 통과하여 형성된 적층체는 아직 연속적인 시트 형태를 유지할 수 있다. 또한, 적층된 상태가 되도록 언와인딩된 상기 시트들(110, 210, 310)이 한 쌍의 가이드 롤(420) 사이를 통과하면서 좀 더 밀착되면서 적층체를 형성할 수 있다. 이후 상기 시트들(110, 210, 310)이 제1 방향(x축 방향)으로 이송되면서 적층된 상태를 유지할 수 있다. 이후, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)가 서로 접합하도록 열과 압력을 가하는 라미네이션 공정이 수행될 수도 있다.
도 2는 한 쌍의 가이드 롤(400)을 복수의 시트들(110, 210, 310)이 통과한 이후에 절단 부재(500)에 의해 타발되는 부분들 개략적으로 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 포함하는 상기 적층체를 절단 부재(500)를 사용하여 타발(punch)할 수 있다. 이때, 절단 부재(500)는 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 직접적으로 커팅할 수 있다.
양극 시트(110)는 가이드 롤(400)의 주행 방향에 수직한 방향(y축 방향)을 따라 활물질층(111)이 형성되어 있는 유지부와, 활물질이 코팅되어 있지 않은 무지부(112)가 위치할 수 있다. 상기 유지부와 무지부(112)는 -y축 방향으로 차례로 배열될 수 있다. 활물질층(111)은, 양극 활물질과, 바인더, 도전재를 포함하는 양극 합제층일 수 있다. 일례로, 활물질층(111)은, 양극 활물질과, 바인더, 및 도전재를 슬러리 형태로 집전체 상에 코팅 및 건조하여 형성할 수 있다.
음극 시트(310)는 가이드 롤(400)의 주행 방향에 수직한 방향(y축 방향)을 따라 활물질층(311)이 형성되어 있는 유지부와, 활물질이 코팅되어 있지 않은 무지부(312)가 위치할 수 있다. 상기 유지부와 무지부(312)는 y축 방향으로 차례로 배열될 수 있다. 활물질층(311)은, 음극 활물질과, 바인더, 도전재를 포함하는 음극 합제층일 수 있다. 일례로, 활물질층(311)은, 음극 활물질과, 바인더, 및 도전재를 슬러리 형태로 집전체 상에 코팅 및 건조하여 형성할 수 있다.
다시 말해, 양극 시트(110)와 음극 시트(310)에 각각 형성되는 무지부(112, 312)는, 유지부 기준으로 서로 다른 방향에 배치될 수 있다. 이때, 양극 시트(110)와 음극 시트(310)에 각각 형성되는 탭 모양의 돌출부는 상기 유지부 기준으로 서로 다른 방향에 배치될 수 있다. 여기서, 탭 모양의 돌출부는 전극 탭으로 사용될 수 있다. 다시 말해, 무지부(112, 312)를 그대로 전극 탭으로 사용할 수 있고, 다른 예로써, 상기 탭 모양의 돌출부는 별도의 전극 탭이 부착되기 쉬운 모양을 만들어준 것일 수도 있다.
도 3은 상기 적층체를 타발하는 과정에서 수직 방향(도 1의 z축 방향)으로서로 중첩되어 있는 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 z축 방향을 따라 보았을 때 평면적으로 분리해 놓은 상태를 나타낸다.
도 3을 참고하면, 상기 적층체를 타발할 때, 양극 시트(110)와 음극 시트(310) 각각은 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있는 상태일 수 있다. 양극 시트(110)와 음극 시트(310) 각각에 상기 활물질과 상기 비전도성 물질을 교대로 도포하는 단계는, 양극 시트(110)와 음극 시트(310)가 롤 부재(100, 300)에서 언와인딩되는 단계 이전에 수행될 수 있다. 상기 적층체를 타발하는 단계는, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 동시에 타발할 수 있다. 상기 적층체를 타발하는 방향은, 가이드 롤(400)의 주행 방향에 수직한 방향(도 1의 z축 방향)일 수 있다.
본 실시예에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 동시에 타발하기 때문에 기존처럼 전극과 분리막을 개별적으로 타발한 후에 적층하면서 스택형 전극 조립체를 제조할 때 조립 공정 시간이 길어지고 비용이 증가하는 문제를 해소할 수 있다.
이처럼, 상기 시트들(110, 210, 310)을 동시에 타발하게 되면 절단 부재(500)에 전극 물질이 묻어 날 수 있다. 상기 시트들(110, 210, 310)이 주행하면서 일정 간격으로 상기 적층체를 타발하게 되는데, 전극 물질이 절단 부재(500)에 묻어 있는 상태에서 상기 적층체를 커팅하면 절단 부재(500)에 묻어 있는 전극 물질과 다른 극성의 전극 시트에 상기 전극 물질이 닿게 될 수 있다. 그렇게 되면, 전극의 품질이 떨어지게 되고 결국 전지의 수명이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 적층체를 타발할 때, 상기 비전도성 물질이 도포된 전극 부분을 타발(punch)한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비전도성층(113, 313)을 가로지르는 타발 위치선(610)을 따라 도 2의 절단 부재(500)가 상기 적층체를 커팅할 수 있다.
상기 비전도성 물질이 도포된 부분에는 상기 적층체의 타발 위치를 가이드하는 마커부(600)가 형성될 수 있다. 마커부(600)는 상기 비전도성 물질을 도포하는 과정에서 상기 비전도성 물질이 도포되는 라인과 동일선 상에 형성될 수 있다. 다시 말해, 도 3에 도시한 바와 같이 타발 위치선(610)과 실질적으로 동일선 상에 마커부(600)가 형성되는 것이 바람직하다.
일례로, 활물질과 비전도성 물질을 도포할 때, 비전도성 물질의 도포 장치와 마커부 형성 장치를 연동하여 비전도성 물질이 도포되는 부분의 중앙 위치에 마커를 남겨 마커부(600)를 형성할 수 있다.
마커부(600)가 형성됨으로써, 자동화 공정 중에 절단 부재(500)의 타발 위치를 보다 정확하게 찾을 수 있고 이에 따라 생산 수율 향상 효과를 기대할 수 있다. 본 실시예에 따른 마커부(600)는 상기 타발 위치를 정확히 찾는 역할 뿐만 아니라, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)가 복수의 릴 부재(100, 200, 300)로부터 언와인딩할 때 얼라인(align)을 맞추는 역할을 할 수 있다.
도 4를 참고하면, 양극 시트(110)는 양극 집전체(115)의 적어도 일면에 활물질층(111)과 비전도성층(113)이 형성될 수 있고, 음극 시트(310)는 음극 집전체(315)의 적어도 일면에 활물질층(311)과 비전도성층(313)이 형성될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 타발 위치선(610)을 따라 도 2의 절단 부재(500)가 상기 적층체를 수직 방향(z축 방향)으로 커팅함으로써, 양극 시트(110)의 비전도성층(113), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)의 비전도성층(313)이 동시에 타발된다. 절단 부재(500)의 좌우 폭은 서로 이웃하는 타발 위치선(610)의 간격에 대응할 수 있다.
본 실시예에 따른 비전도성층(313)을 형성하는 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 일례로 고분자 물질은 PE(polyethylene) 계열을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 높은 연성을 갖는 고분자 물질이면 사용 가능성이 있다. 본 실시예에 따른 비전도성 물질은, 세라믹보다 연성이 크고 일반적인 금속 물질보다 연성이 큰 것이 바람직하다. 상기 비전도성 물질은, 연성이 높은 편인 리튬 금속과 유사한 연성을 가질 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 음극 시트(310)는 리튬 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 리튬 이온 전지에서 음극 활물질로 탄소계 물질, 실리콘, 리튬 금속 등이 사용되고 있는데, 이 중 리튬 금속은 가장 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 이처럼 리튬 금속 전지를 사용하게 되면, 리튬 금속의 높은 반응성과 전지 충방전시 음극에 부피 팽창, 및 음극에 리튬 금속이 전착 및 박리되는 과정에서 발생하는 표면 불균일 현상 등으로 인해 전해액과 리튬 금속 전극 사이에 안정한 계면이 형성되지 못하고 지속적인 전해액 분해 반응이 발생할 수 있다. 이러한 전해액 부반응은 전지 저항을 급격히 증가시키면서 전지의 수명을 단축시킬 수 있다.
상기 문제를 감소시키기 위해, 리튬 금속 전지를 사용하는 경우에는 전지 셀에 강한 압력을 상시 줄 필요가 있고, 이러한 압력을 주기 위해 스프링이나 강한 압착제를 사용할 수 있다. 즉, 충방전시 강한 압력이 가해지지 않으면 전지의 수명이 감소하기 때문에, 리튬 금속 전지 사용시에 전지 셀에 강한 압력이 가해질 수 있는데, 본 실시예에 따르면 비전도성층(113, 313)을 연성이 높은 고분자 물질을 사용하여 형성하기 때문에, 강한 압력 조건 하에서도 비전도성층(113, 313)이 깨지지 않고, 집전체(115, 315)에 손상을 가하지 않을 수 있다. 만약, 비전도성층(113, 313)이 세라믹과 같이 연성이 작은 물질로 형성되면 강한 압력 조건 하에서 깨질 수 있다.
도 5는 도 4의 적층체를 타발한 이후 형성된 단위 셀을 나타내는 도면이다. 도 6은 종래의 전극 조립체 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 단위 셀(700)은 앞에서 설명한 전극 조립체 제조 방법에 의해 형성될 수 있다. 단위 셀(700)는, 상기 적층체의 타발 이후에 형성된 양극(118), 분리막(218), 및 음극(318)을 포함한다. 이때, 양극(118)과 음극(318)은 각각 활물질층(111, 311)과 활물질층(111, 311)의 양 측부에 위치하는 비전도성층(113, 313)을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 도 1의 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)을 기준으로 양극(118), 분리막(218), 및 음극(318) 각각의 폭은 실질적으로 서로 동일하다. 이는 본 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법에서 양극 시트, 분리막, 음극 시트의 동시 타발이 이루어지기 때문이다. 이때, 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)은 도 5의 전극 탭(116)이 돌출된 방향(y축 방향)에 수직하고, 앞에서 설명한 양극(118), 분리막(218), 및 음극(318) 각각의 폭은 전극 탭(116)이 돌출된 방향 기준으로 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예에 따르면, 도 1의 가이드 롤(400)의 주행 방향(x축 방향)을 기준으로 양극(118)과 음극(318)에 각각 포함되어 있는 양극 활물질층(111)과 음극 활물질층(311)의 폭은 서로 동일할 수 있다. 도 6을 참고하면, 기존에 양극(11)과 음극(31)을 개별적으로 타발을 한 후 적층하는 경우에는, 양극과 음극의 접촉에 따른 쇼트 현상을 방지하기 위해서나 타발 과정에서 음극(31) 및 양극(11) 대비하여 분리막(21)을 크게 절단하게 되나, 본 실시예에서는 실질적으로 전극의 폭에 대응하는 양극 활물질층(111)과 음극 활물질층(311)의 폭을 동일하게 하더라도 비전도성층(113, 313)이 형성되어 있기 때문에 쇼트 현상을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 적층체 상태에서 타발을 하게 되면, 복수의 시트들 중 적어도 하나가 밀리는 현상이 발생할 가능성이 있는데 비전도성층(113, 313)이 양극(118)과 음극(318)이 접촉할 수 있는 부위를 커버함으로써 쇼트 현상을 방지할 수 있다.
도 1을 다시 참고하면, 적층체 상태에서 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)를 동시 타발한 이후에 형성된 도 5의 단위 셀(700)들은 픽 앤 플레이스(pick & place) 방식으로 운반 적층되어 전극 조립체를 형성할 수 있다. 다른 예로, 적층체 상태에서 타발되어 형성된 단위 셀(700)들은 매거진과 같은 적재함에 적재되어 보관될 수 있다. 이후 상기 적재함에 보관되어 있는 단위 셀(700)들은 다시 픽 앤 플레이스(pick & place) 방식으로 운반 적층되어 전극 조립체를 형성할 수 있다.
이후 적어도 하나의 단위 셀(700)을 포함하는 전극 조립체를 전해액과 함께 전지 케이스에 내장시킴으로써 전지 셀을 제조할 수 있다.
이상에서는 설명의 편의상, 양극/분리막/음극의 3개 층을 언와인딩하여 동시 작업하는 것으로 설명하고 있으나, 적층체를 형성할 때 서로 다른 극성의 전극은 분리막으로 분리되어 상호 절연되어야 하므로, 적층체를 형성하기 위한 기본 유닛의 한쪽 끝은 분리막으로 마감될 수 있다. 일례로, 양극/분리막/음극/분리막의 4개 층을 기본 유닛으로 하거나, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막의 6개 층 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막의 6개 층을 기본 유닛으로 할 수도 있으며, 그 이상의 층도 기본 유닛으로 하여 동시 작업 가능할 수 있다.
구체적으로, 양극/분리막/음극/분리막의 4개 층을 기본 유닛으로 할 때, 도 1의 제3 권취 롤(300) 아래 분리막 시트를 권취하고 있는 권취 롤을 배치하고, 양극 시트(110), 분리막 시트(210), 및 음극 시트(310)와 더불어 언와인딩되고, 앞에서 설명한 본 실시예에 따른 적층체를 형성할 때, 기본 유닛의 한쪽 끝이 분리막이 되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100, 200, 300: 권취 롤
110: 양극 시트
111, 311: 활물질층
112, 312: 무지부
113, 313: 비전도성층
115, 315: 집전체
118: 양극
210: 분리막 시트
218: 분리막
310: 음극 시트
318: 음극
400: 가이드 롤
500: 절단 부재
600: 마커부
610: 타발 위치선

Claims (15)

  1. 복수의 롤 부재에서 양극 시트, 분리막 시트 및 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계,
    상기 언와인딩된 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트가 한 쌍의 가이드 롤 사이를 통과하면서 적층체를 형성하는 단계, 및
    상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 포함하는 상기 적층체를 타발(punch)하는 단계를 포함하고,
    상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각은 상기 가이드 롤의 주행 방향을 기준으로 활물질과 비전도성 물질이 교대로 도포되어 있으며,
    상기 적층체를 타발하는 것은, 상기 비전도성 물질이 도포된 부분을 타발(punch)하는 전극 조립체 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 적층체를 타발하는 단계는, 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트, 및 상기 음극 시트를 동시에 타발하는 전극 조립체 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 음극 시트는 리튬 금속을 포함하도록 형성되는 전극 조립체 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 비전도성 물질이 도포된 부분에는 상기 적층체의 타발 위치를 가이드하는 마커부가 형성되어 있는 전극 조립체 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 마커부는 상기 비전도성 물질을 도포하는 과정에서 상기 비전도성 물질이 도포되는 라인과 동일선 상에 형성되는 전극 조립체 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 고분자 물질은 PE(polyethylene) 계열을 사용하는 전극 조립체 제조 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 양극 시트와 상기 음극 시트 각각에 상기 활물질과 상기 비전도성 물질을 교대로 도포하는 단계는, 상기 양극 시트와 상기 음극 시트가 상기 롤 부재에서 언와인딩되는 단계 이전에 수행되는 전극 조립체 제조 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 적층체를 형성하기 위해 상기 가이드 롤을 통과하는 단계는, 상기 복수의 롤 부재에서 상기 양극 시트, 상기 분리막 시트 및 상기 음극 시트가 각각 언와인딩되는 단계 이후 바로 수행되는 전극 조립체 제조 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 적층체를 타발하는 단계는, 절단 부재를 사용하고, 상기 비전도성 물질이 연성을 갖는 물질로 형성되어 상기 절단 부재에 전극 물질이 묻어 나지 않도록 하는 전극 조립체 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 절단 부재는 상기 양극 시트, 상기 분리막, 및 상기 음극 시트를 직접적으로 커팅하는 전극 조립체 제조 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 적층체를 타발하는 방향은, 상기 가이드 롤의 주행 방향에 수직한 전극 조립체 제조 방법.
  13. 양극, 분리막, 및 음극이 기 설정된 방향으로 적층되어 있고,
    상기 양극과 상기 음극은 각각 활물질층과 상기 활물질층의 양 측부에 위치하는 비전도성층을 포함하며,
    상기 비전도성 물질은 고분자 물질을 포함하는 전극 조립체.
  14. 제13항에서,
    상기 기 설정된 방향과 수직하고, 상기 양극 또는 상기 음극의 전극 탭이 돌출된 방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 양극, 상기 분리막, 및 상기 음극 각각의 폭은 서로 동일한 전극 조립체.
  15. 제14항에서,
    상기 전극 탭이 돌출된 방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 양극과 상기 음극에 각각 포함되어 있는 양극 활물질층과 음극 활물질층의 폭은 서로 동일한 전극 조립체.
PCT/KR2023/015784 2022-10-19 2023-10-13 공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체 WO2024085542A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0135189 2022-10-19
KR1020220135189A KR20240054791A (ko) 2022-10-19 2022-10-19 공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024085542A1 true WO2024085542A1 (ko) 2024-04-25

Family

ID=90738074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/015784 WO2024085542A1 (ko) 2022-10-19 2023-10-13 공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20240054791A (ko)
WO (1) WO2024085542A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000066307A (ko) * 1999-04-15 2000-11-15 김순택 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법
JP2014534604A (ja) * 2012-06-28 2014-12-18 エルジー ケム． エルティーディ． 電極組立体及びこれを含む電気化学素子
KR20160046523A (ko) * 2014-10-21 2016-04-29 주식회사 루트제이드 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지
KR20210038300A (ko) * 2019-09-30 2021-04-07 주식회사 엘지화학 점착제층이 부착된 분리막을 포함하는 전극조립체 및 이의 제조방법
JP6946295B2 (ja) * 2016-07-28 2021-10-06 三洋電機株式会社 二次電池の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000066307A (ko) * 1999-04-15 2000-11-15 김순택 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법
JP2014534604A (ja) * 2012-06-28 2014-12-18 エルジー ケム． エルティーディ． 電極組立体及びこれを含む電気化学素子
KR20160046523A (ko) * 2014-10-21 2016-04-29 주식회사 루트제이드 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지
JP6946295B2 (ja) * 2016-07-28 2021-10-06 三洋電機株式会社 二次電池の製造方法
KR20210038300A (ko) * 2019-09-30 2021-04-07 주식회사 엘지화학 점착제층이 부착된 분리막을 포함하는 전극조립체 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240054791A (ko) 2024-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013176498A1 (ko) 전극조립체의 제조방법 및 이에 제조되는 전극조립체를 포함하는 전기화학소자
WO2014123363A1 (ko) 스텝 유닛셀을 포함하는 단차를 갖는 전극 조립체
WO2014081242A1 (ko) 전극조립체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전극조립체
WO2011043587A2 (ko) 전지용 전극조립체 및 그 제조방법
WO2020204407A1 (ko) 이차 전지용 전지 케이스 및 파우치 형 이차 전지
WO2014042424A1 (ko) 2차 전지 내부 셀 스택 방법 및 이를 이용하여 제조되는 셀 스택
WO2015046894A1 (ko) 전극조립체의 제조방법
WO2015046793A1 (ko) 전극조립체의 제조방법
WO2015046703A1 (ko) 테이프를 이용한 전극조립체의 고정방법
WO2016056764A1 (ko) 양 방향으로 권취되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2016024699A1 (ko) 스택-폴딩형 전극조립체 및 그 제조방법
WO2015005652A1 (ko) 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스
WO2015030333A1 (ko) 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체
WO2020197266A1 (ko) 이차전지용 전극 제조장치와, 이를 통해 제조된 이차전지용 전극 및 이차전지
WO2021187726A1 (ko) 전극 조립체 및 그의 제조 방법
WO2021080101A1 (ko) 각형 이차전지 셀 제조 장비에서 분리막의 접힘성을 향상시키기 위한 장치 및 방법
WO2024085542A1 (ko) 공정성이 개선된 전극 조립체 제조 방법 및 이를 사용하여 제조된 전극 조립체
WO2010062037A2 (ko) 이차전지 제조방법 및 이차전지
WO2021235911A1 (ko) 전극, 이차 전지, 전극 제조 장치 및 방법
WO2018012789A1 (ko) 이차전지
WO2021080239A1 (ko) 전극 조립체 제조방법 및 이를 통해 제조된 전극 조립체
WO2021215703A1 (ko) 전극 조립체 및 이차 전지
WO2018004185A1 (ko) 이차 전지용 스택 장치, 이를 이용한 스택 방법 및 이에 따른 이차 전지
WO2020246716A1 (ko) 이차전지
WO2024053930A1 (ko) 전극 조립체 제조 장치 및 이를 사용한 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23880120

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1