KR100528903B1 - 리튬이차전지와 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

리튬이차전지와 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 양극집전체와 그 일면에 부착되는 양극쉬트를 가지는 양극과, 음극집전체와 그 일면에 부착되는 음극쉬트를 가지는 음극과, 상기 양극과 음극사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 것으로, 양극과 음극의 적어도 일측 외면에 내부 저항을 증가시키는 코팅층이 형성된다.

Description

리튬이차전지와 이의 제조방법{lithum secondary battery and manufacturing thereof}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 안전성를 확보하기 위하여 구조와 이에 따른 방법이 개선된 리튬이차전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.

이차전지는 충전이 안되는 1차전지와는 달리 충전이 가능한 전지로서, 셀룰라폰, 노트북컴퓨터, 캠코더등의 첨단전자기기분야에서 널리 통용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 니켈-카드늄전지나 니켈-수소전지의 3배에 해당되며 단위중량당 에너지밀도가 높다는 점에서 급속도로 신장되고 있는 추세다.

이러한 리튬이차전지는 전해액의 종래에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지, 고분자전해질을 사용하는 리튬폴리머전지라고 한다.

리튬이차전지는 여러 가지 형상으로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 리튬폴리머전지는 유연성을 지녀서 그 형상이 비교적 자유롭다. 이에따라, 최근 들어서는 리튬폴리머전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고, 무게가 가볍다는 측면에서 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경향화에 유리하다고 할 수 있다.

도 1은 종래의 리튬이차전지에서 전극조립체를 도시한 일부확대 단면도이다.

도면을 참조하면, 종래의 전극조립체는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층되어 있다. 상기 양극판(11)에는 박막의 알루미늄 호일로 된 양극집전체(16)가 마련되고, 상기 양극집전체(16)의 적어도 일면에는 양극활물질, 바인더, 도전재 및 가소재등을 함유한 양극쉬트(17)가 압착되어 있다. 그리고, 상기 음극판(12)은 상기 양극판(11)의 구조와 마찬가지로 구리호일로 된 음극집전체(19)와, 상기 음극집전체(19)의 적어도 일면에는 음극활물질, 바인더, 도전재 및 가소재등을 함유한 음극쉬트(18)가 부착되어 있다.

이러한 전극조립체는 상기 양극판(11)과 음극판(12)을 라미네이팅 공법으로 열과 압력을 가하여 융착시킨다. 그리고, 상기 양극판(11)과 음극판(12)으로부터 가소재를 취출하고, 상기 가소재를 취출된 공간에 전해질을 함침시켜 제조하게 된다.

상기의 전극조립체를 채용한 리튬이차전지는 팩(pack) 상태로 제조되는데, 각각의 전지셀과 팩에는 각각의 안전장치가 사용되고 있다. 전지의 안전성이란 이차전지가 가지고 있는 총에너지와 그 에너지가 얼마나 빨리 방출되는가에 따라 정해진다고 할 수 있다. 다시말해서, 총에너지가 클수록 더욱 위험하고, 그 에너지가 빨리 방출될수록 더 위험한 상태에 있다고 볼 수 있다.

이러한 안전장치는 온도상승시 전류를 차단하거나, 내부압력 상승시 전류를 차단하거나, 압력을 배출하는 역할을 하여 전지를 보호하게 된다. 전지의 온도나 압력이 상승하는 원인으로는 과충전, 외부단락등을 들 수 있다. 이를 위하여 전지는 다양한 형태의 안전실험이 수행되는데, 이중에서 관통실험은 외력에 의해 심각한 내부단락이 일어나는 경우를 대비하여 수행하는 실험이다.

이렇게 내부단락이 발생하는 경우는 단락이 된 한 점에 순간적으로 총에너지가 몰리게 된다. 그렇게 되면, 순간적인 열과 그밖의 부대반응으로 전지는 열폭주(thermal runaway)를 겪게 되어 발화, 파열, 폭팔을 하게 된다. 이러한 전지의 위험성을 제거하기 위하여 상기 언급한 여러 가지 안전장치등을 설치하는등 다양한 형태로 연구가 진행중이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 고분자소재를 극판에 코팅하여 전지의 안전성을 향상시킨 리튬이차전지와 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일측면에 따른 리튬이차전지와 이의 제조방법은,

양극집전체와, 상기 양극집전체의 적어도 일면에 부착되는 양극쉬트를 가지는 양극과, 음극집전체와, 상기 음극집전체의 적어도 일면에 부착되는 음극쉬트를 가지는 음극과, 상기 양극과 음극사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 양극과 음극의 적어도 일측 외면에는 내부 저항을 증가시키기 위한 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코팅층은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVPF), 폴리비닐리덴플루오라이드-프로필렌(PVDF-HFP), 폴리비닐클로라이드 호모폴리머(PVC homo-polymer), 폴리비닐클로라이드 코폴리머(PVC co-polymer), 스티렌-부타디엔 고무(SBR)군중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 코팅층을 이루는 코팅액의 그 농도는 3내지30 wt％인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면,

양극집전체와 음극집전체를 마련하는 단계; 상기 양극집전체와 음극집전체의 적어도 일면에 양극쉬트와 음극쉬트를 부착하여 양극과 음극을 제조하는 제1압연단계; 상기 양극과 음극의 적어도 일면에 코팅층을 도포하는 단계; 상기 도포된 코팅층을 건조,소성하는 단계; 및 상기 코팅층을 양극과 음극에 부착하는 제2압연단계;를 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 리튬이차전지의 일 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(20)는 양극판(21)과 음극판(22)이 세퍼레이터(23)를 사이에 두고 순차적으로 적층된 전극조립체가 마련된다. 상기 각각의 양극판(21)과 음극판(22)의 일측으로부터는 양극탭(24)과 음극탭(25)이 인출되어 있다. 상기 복수개의 양극탭(24)과 음극탭(25)은 극별로 V자형태로 구부려져 있고, 그 단부는 양극단자(26)와 음극단자(27)와 용접되어 있다.

그리고, 상기 전극조립체는 공간부(28a)이 마련된 케이스(28)에 수용되고, 상기 양극단자(26)와 음극단자(27)는 상기 케이스(28) 외부로 소정길이 돌출해 있다. 여기서, 상기 양극판(21)과 음극판(22)은 추후 기술될 극판의 외피에 코팅층이 코팅되어 있다.

즉, 도 3에서 보는바와 같이, 상기 양극판(21)은 익스펜디드 메탈이나 펀치드 메탈로 제조된 알루미늄박막타입의 양극집전체(31)와, 상기 양극집전체(31)의 적어도 일면에 부착되는 양극쉬트(32)를 구비한다. 상기 양극쉬트(32)는 양극활물질, 바람직하게는 리튬계산화물을 주성분으로 하여 소정량의 바인더, 도전재 및 가소재등을 함유하고 있다.

또한, 상기 음극판(22)에는 구리박막타입의 음극집전체(33)가 마련되고, 상기 음극집전체(33)의 적어도 일면에는 음극쉬트(34)가 부착되어 있다. 상기 음극쉬트(34)는 탄소재로 된 음극활물질과 도전재, 가소재, 바인더등을 함유하고 있다. 그리고, 상기 양극판(21)과 음극판(22) 사이에는 세퍼레이터(23)가 개재되어 있다.

여기서, 상기 양극판(21)과 음극판(22)의 외면에는 코팅층이 형성되어 있다. 즉, 상기 양극집전체(21)의 외면에는 제1코팅층(35)이 코팅되어 있고, 음극집전체(33)의 외면에는 제2코팅층(36)이 코팅되어 있다.

상기 제1,2 코팅층(35)(36)으로 사용될 수 있는 것으로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVPF), 폴리비닐리덴플루오라이드-프로필렌(PVDF-HFP), 폴리비닐클로라이드 호모폴리머(PVC homo-polymer), 폴리비닐클로라이드 코폴리머(PVC co-polymer), 스티렌-부타디엔 고무(SBR)등이 있다. 이러한 제1,2코팅층(35)(36)을 이루는 코팅액의 농도는 3 내지 20 wt％ 정도이다.

이와 같은 구조를 가지는 전지를 제조하기 위한 과정은 다음과 같다.

우선, 양극집전체(31)와 음극집전체(33)를 마련하고, 상기 집전체(31)(33)의 적어도 일면에 양극활물질이 함유된 슬러리타입의 양극쉬트(32)와 음극쉬트(34)를 도포하고, 라미네이팅 공법으로 1차 압연을 하게 된다.

1차 압연이 완료된 다음에는 상기 양극집전체(31)와 음극집전체(33)의 외면에 상기 언급한 제1코팅층(35)과 제2코팅층(36)을 코팅하게 된다. 상기 제1,2코팅층(35)(36)을 건조한 다음에 제2차 압연을 실시하여 각각의 양극판(21)과 음극판(22)을 제조하게 된다.

그런 다음으로, 상기 양극판(21)과 음극판(22)은 세퍼레이터(23)를 사이에 두고, 제3차 압연을 실시하여 전극조립체의 형태를 완성하게 된다. 이어서, 가소제를 추출한 다음에, 가소제가 추출한 공간에 전해질을 함침하게 된다. 그리고, 소정 크기로 절단하여 케이스에 실장하게 된다.

(○:발생,×:미발생)

표1은 본 발명의 실시예에 따른 관통시험의 결과를 나타낸 것이다.

표 1은 5wt％의 농도를 가지는 코팅층층을 제조하여 20 내지 30마이크로미터의 두께로 양극판과 음극판에 각각 코팅한 다음 100 내지 120℃의 온도로 건조시킨후 소정 두께로 압연하여 전지를 제조한 후 관통실험을 수행한 것이다.

표에서 보는 바와 같이, 다섯 개의 샘플은 모두 섬광, 불꽃, 연기, 발화 및 파열이 발생하지 않았다. 또한, 관통실험시 누액현상을 발생시켜 성능이 우수함을 알 수 있다.

(○:발생,×:미발생)

표 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관통시험의 결과를 나타낸 것이다.

표 2는 10wt％의 농도를 가지는 코팅층을 제조하여 20 내지 30마이크로미터의 두께로 양극판과 음극판에 각각 코팅한 다음 100 내지 120℃의 온도로 건조시킨후 소정 두께로 압연하여 전지를 제조한 후 관통실험을 수행한 것인데, 표1에서와 같이, 다섯가지 샘플모두다 섬광, 불꽃, 연기, 발화 및 파열이 발생하지 않았다. 또한, 관통실험시 누액현상을 발생시켜 성능이 우수함을 알 수 있다.

이처럼 상기 제1,2코팅층(35)(36)은 바인더로 소정두께 코팅되어서 전극의 전자전도도를 감소시키게 된다. 따라서, 전극활물질들간의 전기적 접촉을 방해하게 되어 전지의 고율특성을 저하시키게 되고, 중대한 내부단락이 발생시 도전성을 줄이게 됨에 따라 안정성을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 리튬이차전지와 이의 제조방법은 극판의 외피에 코팅층을 코팅함으로써 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 리튬이차전지의 전극조립체를 도시한 일부확대 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 3은 도 2의 전극조립체를 도시한 일부확대 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

11,21...양극판 12,22...음극판

13,23...세퍼레이터 16,31...양극집전체

17,32...양극쉬트 18,34..음극쉬트

19,33...음극집전체 24...양극탭

25...음극탭 26...양극단자

27...음극단자 28...케이스

35...제1코팅층 36...제2코팅층

Claims (6)

1. 양극집전체와, 상기 양극집전체의 적어도 일면에 부착되는 양극쉬트를 가지는 양극과, 음극집전체와, 상기 음극집전체의 적어도 일면에 부착되는 음극쉬트를 가지는 음극과, 상기 양극과 음극사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 리튬이차전지에 있어서,

   상기 양극과 음극의 적어도 일측 외면에는 내부 저항을 증가시키기 위한 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 코팅층은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVPF), 폴리비닐리덴플루오라이드-프로필렌(PVDF-HFP), 폴리비닐클로라이드 호모폴리머(PVC homo-polymer), 폴리비닐클로라이드 코폴리머(PVC co-polymer), 스티렌-부타디엔 고무(SBR)군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 코팅층을 이루는 코팅액의 농도는 3내지30 wt％인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
4. 양극집전체와 음극집전체를 마련하는 단계;

   상기 양극집전체와 음극집전체의 적어도 일면에 양극쉬트와 음극쉬트를 부착하여 양극과 음극을 제조하는 제1압연단계;

   상기 양극판과 음극판의 적어도 일면에 코팅층을 도포하는 단계;

   상기 도포된 코팅층을 건조하는 단계; 및

   상기 코팅층을 양극과 음극에 부착하는 제2압연단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 코팅층을 도포하는 단계에서는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVPF), 폴리비닐리덴플루오라이드-프로필렌(PVDF-HFP), 폴리비닐클로라이드 호모폴리머(PVC homo-polymer), 폴리비닐클로라이드 코폴리머(PVC co-polymer), 스티렌-부타디엔 고무(SBR)군중에서 선택된 어느 하나를 도포하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 코팅층을 도포하는 단계에서는, 상기 코팅층을 이루는 코팅액의 농도가 3내지20wt％가 되도록 도포하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 제조방법.