KR100567583B1 - 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

리튬이온 이차전지에 관하여 개시한다. 본 발명의 리튬이온 이차전지는, 양극판과 일체화되는 분리막들의 접합부위가 양극판의 외측에 테두리를 이루도록 0.1∼2mm 폭을 가지는 띠형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 나아가, 분리막들의 접합부위에 의하여 형성되는 테두리와 양극판 사이의 간격이 0.1∼1mm인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 분리막들의 접합부위와 양극판 사이의 간격이 매우 작도록 접합부위가 형성되고, 접합부위의 폭을 작게 함으로써 종래보다 리튬이온 이차전지의 단위 부피당 에너지 밀도가 향상되며, 가열된 칼날과 냉각판이 있는 타발기를 이용하여 분리막들을 접합함과 동시에 타발함으로써 공정이 간소화되며 생산성이 향상되고 완성된 리튬이온 이차전지의 사용중이나 오사용시에 발생되는 열에 의해서도 분리막들의 접합부위의 탈리가 방지된다. 특히, 분리막들의 접합부위의 강력한 접착력으로 인하여 전지의 고온 안전성은 종래보다 획기적으로 개선된다.

리튬이온 이차전지, 양극판, 분리막, 접합부위, 타발기

Description

리튬이온 이차전지 및 그 제조방법{Lithium ion secondary battery and manufacturing method thereof}

도 1a 내지 도 1c는 종래 리튬이온 이차전지의 전극체를 설명하기 위한 개략도들; 및

도 2a 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 분리막과 양극판의 일체화된 형상 및 그 일체화 방법을 설명하기 위한 개략도들이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10, 100 : 양극판 110 : 활물질 코팅부

120 : 탭 20, 20', 200, 200' : 분리막

30 : 음극판 41 : 접착제

42 : 접착 테이프 210 : 접착부위

300 : 타발기 310, 310' : 칼날

320 : 냉각판

본 발명은 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 양극판과 분리막이 일체화된 전극-분리막 복합체에 있어서 분리막의 일부가 띠형태로 융착되어 접착되는 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

휴대전화 및 노트북 컴퓨터와 같이 휴대용 전자기기 시장이 확대되고 다양화됨에 따라 재충전이 가능한 전원 공급용 이차전지에 대한 수요도 확대되고 있다. 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화 및 다기능화는 전력원으로 사용되는 이차전지에 대한 에너지 저장 밀도의 계속적인 향상을 요구하고 있다. 근래에는 이러한 요구를 충족시키기 위하여 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차전지보다 단위 무게, 부피당 에너지 밀도 및 충, 방전 수명이 상대적으로 큰 리튬이온 이차전지가 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원 각광받고 있다.

리튬이온 이차전지는 밀봉된 용기와, 용기 내부에 삽입되어지는 전극체로 이루어진다. 전극체는 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물을 포함하는 양극판과, 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소질 음극활물질을 포함하는 음극판과, 양극판과 음극판을 분리하되 비수 유기용매와 리튬염으로 이루어진 전해액을 함유하는 분리막으로 이루어진다. 양극판과 음극판은 활물질이 코팅되어 있는 활물질 코팅부와, 활물질이 코팅되지 않은 탭으로 이루어진다.

도 1a 내지 도 1e는 종래 리튬이온 이차전지의 전극체를 설명하기 위한 개략 도들이다.

도 1a를 참조하면 양극판(10)과 음극판(30) 사이에 분리막(20)이 끼워져 있고, 도 1b를 참조하면 분리막(20, 20')의 소정영역에 점형상으로 접착제(41)를 도포하여 양극판(10)의 전면 및 배면에 분리막(20, 20')을 접착하였다. 이들 경우에는 완성된 리튬이온 전지의 사용중에 발생되는 열에 의하여 분리막이 수축됨으로써 양극판과 음극판 사이에서 쇼트가 발생하여 전지가 발화 및 폭발되는 문제점이 있었다.

상술한 도 1a 및 도 1b에 따른 문제점을 해결하기 위하여, 도 1c의 (1)과 같이 양극판(10)의 전면 및 배면에 양극판보다 큰 분리막(20, 20')을 각각 위치시키고, 접착부위가 양극판(10) 외측에 테두리를 이루도록 접착 테이프(42)를 이용하여 전면 분리막(20)과 배면 분리막(20')을 접착시켰다. 또는 전면 분리막(20)과 배면 분리막(20')의 접합부위가 양극판(10) 외측에 테두리를 이루도록 도 1c의 (2)와 같은 초음파 융착법을 실시하거나 도 1c의 (3)과 같은 열융착법을 실시함으로써 융착시켜 양극판과 분리막들을 일체화시켰다. 그런데, 이 경우에는 열융착법에 사용되는 금형이나 초음파 융착법에 사용되는 엠빌에 연속성이 없어서 양극판 하나와 전면 및 후면 분리막을 일체화시키는 데 수차례의 반복 공정이 수행되었고, 융착시에 발생되는 분리막 수축으로 인하여 융착 온도에 한계가 있으므로 융착된 분리막이 완벽하게 일체형으로 되지 못하였다. 이러한 융착에 따른 문제점은 용량이 큰 전지일수록 그리고, 전지의 사용중이나 오사용 시에 발생되는 열이 많을수록 더욱 두드러지게 나타나며, 대표적인 오사용 테스트인 고온 저장 테스트에서 분리막의 수축으로 인하여 발생하는 쇼트 등의 문제로 폭발 또는 발화하는 문제점이 있었다. 나아가, 융착되는 면적이 넓어서 전지의 부피당 에너지밀도를 증가시키고자 하는 당업계의 핵심과제를 역행하는 결과를 초래하였다. 더 나아가, 일반적으로 양극판과 분리막의 일체화 공정은 한 장의 분리막 상에 복수 개의 양극판을 위치시킨 다음 수행하게 되는 데, 도 1c의 (1) ~ (3) 에 따른 분리막의 접합공정 이후에는 타발이나 커팅 공정이 반드시 필요하므로 그만큼 공정이 복잡해지며, 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 생산수율과 제조된 리튬이온 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 전극체를 가지는 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 리튬이온 이차전지는,
활물질 코팅부와 상기 활물질이 코팅되지 않으면서 상기 코팅부의 상단에서 돌출된 탭으로 이루어진 전극판; 및
상기 전극판의 탭을 제외한 영역의 전면 및 배면에 위치하며, 상기 전극판의 좌우 및 하단 둘레에는 상기 전면의 것과 배면의 것이 층으로 구분되지 않도록 띠 형태로 서로 열 융착되어 나중에 접합부가 용융점 이상으로 가열되더라도 전면의 것과 배면의 것이 구분되어 분리되지 않도록 접합됨과 동시에 상기 융착접합부위의 최외각 부분이 절단되어 상기 전극판을 고립시키는 분리막;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리막은 상기 전극판의 좌우 및 하단 둘레의 열융착시에 상기 양극판의 상단 부분에도 띠형태로 열융착이 같이 이루어져서 상기 전극판을 고립시킬 수도 있다.
상기 띠형태의 열융착부위는 상기 전극판으로부터 0.1~1mm 떨어진 곳에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 분리막으로는 녹는점이 400℃ 이하인 폴리머 계통의 다공성막을 사용할 수 있다.
상기 분리막의 열융착과 절단은, 칼날과 냉각판을 포함하는 타발기에 의하여 단 한번의 공정에 의하여 동시에 이루어지는 것이 바람직한데, 이 경우 상기 칼날은 상기 열융착부위의 띠형상과 동일한 형상을 가지며, 히터가 내장되고, 상기 냉각판은 상기 칼날이 형성하는 둘레의 내측공간에 위치하며 외부로부터 공급되는 에어에 의하여 냉각된다. 이 때 상기 분리막은 상기 히터에 의하여 녹는점 이상으로 가열된다.
상기 전극판은 꼭지점 영역에 곡률이 형성된 다각형 형상을 할 수 있으며, 이 경우 상기 열융착부위도 꼭지점 영역에 곡률이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 띠형태의 열융착부위는 0.1~2mm의 폭을 가지는 것이 바람직하다.

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상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 리튬이온 이차전지의 제조방법은,
활물질 코팅부와 상기 활물질이 코팅되지 않으면서 상기 코팅부의 상단에서 돌출된 탭으로 이루어진 전극판의 상기 탭을 제외한 영역의 전면 및 배면을 분리막으로 덮는 단계; 및
칼날은 ㄷ 또는 ㅁ 자 형태를 하며 히터가 내장되고, 상기 칼날이 형성하는 둘레의 내측공간에는 외부로부터 공급되는 에어에 의하여 냉각되는 냉각판이 설치되는 타발기를 이용하되, 상기 냉각판은 상기 전극판의 코딩부에 위치하고 상기 칼날은 상기 전극판의 둘레에 위치하도록 한 상태에서 상기 칼날로 상기 전면 및 배면의 분리막을 열융착시킴과 동시에 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

본 발명은 리튬이온 이차전지에 있어서, 분리막과 양극판의 일체화된 형상 및 그 일체화 방법에 특징이 있다. 따라서, 리튬이온 이차전지를 구성하는 나머지 구성요소에 대해서는 상술한 종래기술에 설명하였으므로 반복되는 설명은 생략한다.

도 2a 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분리막과 양극판의 일체화된 형상 및 그 일체화 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2a를 참조하면, 양극판(100)은 활물질이 코팅되어 있는 활물질 코팅부(110)와, 활물질이 코팅되지 않으며 상단에서 상측으로 돌출된 탭(120)으로 이루어진다.

분리막(200, 200')은 녹는점이 400℃ 이하인 폴리머 계통의 다공성막으로 이루어지며, 양극판(100)에 있어서 탭(120)을 제외한 영역의 전면 및 배면에 각각 위치되고(이하에서, 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')이라 한다.), 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')은 접합되어 있다. 이 때, 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')의 접합부위(210)는 양극판(100)의 좌우측단 및 하단의 외측에 테두리를 이루도록 0.1∼2mm 폭을 가지는 띠형으로 형성된다. 그리고, 전면 분리막과 배면 분리막의 접합부위(210)와 양극판(100)의 좌우측단 및 하단 사이의 간격이 0.1∼1mm가 되도록 접합부위가 형성된다. 이와 같이 접합부위(210)의 폭을 작게 하고, 접합부위(210)와 양극판(100)과의 사이를 작게 함으로써 종래보다 리튬이온 이차전지의 단위 부피당 에너지 밀도가 향상된다.

종래에는 일정 폭에 열과 압력을 인가하여 융착부를 형성한 뒤에 별도의 절단공정을 진행하여 분리막을 절단해 내었으나, 본 발명에서는 접합부위(210)의 폭을 작게 하고, 접합부위(210)와 양극판(100)과의 사이를 작게 하기 위하여, 종래와 다른 방식으로 전극-분리막 복합체를 절단해 낸다.

타발기(300)는, 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')의 접합부위(210)가 형성하는 테두리와 같은 형상의 둘레가 되도록 배치되며 내부에 히터(미도시)가 내장되어 있는 칼날(310)들과, 칼날(310)들이 형성하는 둘레의 내측에 위치되며 외부로부터 공급된 에어에 의하여 냉각되는 냉각판(320)을 포함하여 이루어진다. 칼날(310)의 재질로는 고온에서 견딜 수 있으며, 적정한 강도를 유지할 수 있는 스테인레스 스틸류, 철강류, 니켈, 티타늄, 지르코늄, Cupronickel 등을 사용할 수 있다.

본 타발기(300)를 이용하여 타발하는 경우에, 양극판의 활물질 코팅부(110) 상에는 타발기의 냉각판(320)이 위치되어 타발기의 칼날(310)에서 발생되는 열이 양극판(100)으로 전도되는 것을 방지할 뿐만 아니라 분리막(200, 200')의 수축을 방지한다. 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')이 칼날(310)과 접촉되면 열에 의한 접합과 동시에 타발이 이루어지게 된다. 이와 같이 단면적이 작은 칼날(310)을 통하여 접합과 타발이 이루어지므로 접합부위(210)의 폭을 작게 하고, 접합부위(210)와 양극판(100)과의 사이를 작게 할 수 있다. 이 때, 칼날(310)은 히터에 의하여 분리막들(200, 200')의 녹는점 이상, 예컨대 130∼500℃로 가열된다.
이와 같이 본 발명은 종래와 같이 분리막들을 점착성을 띌 수 있는 온도로만 가열하여 융착시키는 것이 아니고, 칼날과 접한 영역 일부에서 완전한 용융이 일어날 수 있는 온도로 분리막의 소정영역을 가열한다. 따라서 용융상태에서 전극을 감싸는 분리막이 그 외곽의 분리막과 쉽게 분리 절단될 수 있을 뿐 아니라 절단된 접합면이 자연냉각에 의해 응고된 이후에는 접합면에서 분리막들이 완전히 일체화되므로, 완성된 리튬이온 이차전지의 사용중이나 오사용시에 발생되는 열에 의해서도 분리막들(200, 200')의 접합부위(210)가 탈리되어 양극의 모서리 부위가 노출되면서 음극과 내부 단락이 발생하는 현상을 방지할 수 있다. 특히, 대용량 전지의 경우에 고온에서의 안전성이 종래보다 현저하게 향상된다. 그리고, 분리막들(200, 200')의 접합과 타발이 동시에 이루어지므로 공정이 간소화되며 생산성이 향상된다.

한편, 칼날(310)의 가공 및 성형의 용이성을 위하여 칼날(310)들이 형성하는 둘레의 형상은 모서리에 곡률이 형성되도록 하는 것이 바람직하므로, 칼날(310)들이 형성하는 둘레의 모서리에 곡률을 형성하면 결과적으로는 분리막(200, 200')들의 접합부위(210)가 형성하는 테두리의 모서리에 곡률이 형성되게 된다. 따라서, 양극판(100)의 형상은 꼭지점 영역에 곡률이 있는 다각형의 형상인 것이 바람직하다.

계속해서 도 2b를 참조하여, 상술한 타발기(300)를 이용하여 분리막들(200, 200')과 양극판(100)을 일체화시키는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 양극판(100)과, 전면 분리막(200) 및 배면 분리막(200')과, 타발기(300)를 마련한다.

다음에, 양극판의 탭(120)이 분리막들(200, 200')의 외측으로 노출되도록, 바람직하게는 양극판(100)의 상단과 분리막들(200, 200')의 상단이 일치하도록, 전 면 분리막(200)과 배면 분리막(200') 사이에 적어도 하나의 양극판(100)을 위치시키거나 또는 배면 분리막(200') 상에 적어도 하나의 양극판(100)을 위치시키고 양극판(100) 상에 전면 분리막(200)을 위치시킨다.

이어서, 타발기(300)를 이용하여 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')을 접합함과 동시에 전면 분리막(200) 및 배면 분리막(200')과 일체화된 양극판(100)을 타발한다.

한편, 상술한 분리막들과 양극판의 일체화된 형상 및 그 일체화 방법은 분리막들의 상단이 개방되어 있는 일명, 봉투형에 관한 것이다. 이하에서는 도 3을 참조하여, 양극판에 있어서 탭을 제외한 모든 부분이 분리막에 의하여 밀봉되어 있는 밀봉형에 대하여 설명한다.

도 3의 (1)을 참조하면, 밀봉형은 상술한 봉투형에 양극판(100)의 상단의 외측에도 테두리를 이루도록 0.1∼2mm 폭을 가지는 띠형의 전면 분리막(200)과 배면 분리막(200')의 접합부위(210)가 더 형성된 것이다. 이 때, 전면 분리막과 배면 분리막의 접합부위(210)와 양극판(100)의 상단 사이의 간격도 0.1∼1mm가 되도록 접합부위가 형성된다. 밀봉형과 봉투형의 제작상 차이점은 칼날 둘레의 형상 차이와, 분리막들 사이에 위치되는 양극판의 위치에만 차이가 있게 된다. 즉, 봉투형의 제작에 사용되는 칼날(310)의 둘레의 형상이 'ㄷ'자 형상이었다면, 밀봉형의 제작에 사용되는 칼날(310')의 둘레의 형상은 'ㅁ'자 형상으로 마련된다. 그리고, 도 3의 (3)과 같이, 양극판(100)의 상단보다 분리막들(200, 200')의 상단이 더 외측에 위치하도록 양극판(100)을 위치시킨 다음, 상술한 방법으로 분리막들(200, 200')의 접합과 타발을 수행함으로써 밀봉형이 제작되게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법에 의하면, 전면 분리막과 배면 분리막의 접합부위와 양극판 사이의 간격이 매우 작도록 접합부위가 형성되고, 접합부위의 폭을 작게 함으로써 종래보다 리튬이온 이차전지의 단위 부피당 에너지 밀도가 향상된다.

나아가, 가열된 칼날과 냉각판이 있는 타발기를 이용하여 분리막들을 접합함과 동시에 타발함으로써 공정이 간소화되며, 생산성이 향상되고, 완성된 리튬이온 이차전지의 사용중이나 오사용시에 발생되는 열에 의해서도 분리막들의 접합부위의 탈리가 방지된다. 특히, 대표적인 오사용 시험인 고온 저장 시험시에 분리막이 탈리되어 발생하는 쇼트 등에 의한 폭발이나 발화 현상이 방지된다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

1. 활물질 코팅부와 상기 활물질이 코팅되지 않으면서 상기 코팅부의 상단에서 돌출된 탭으로 이루어진 전극판; 및

   상기 전극판의 탭을 제외한 영역의 전면 및 배면에 위치하며, 상기 전극판의 좌우 및 하단 둘레에는 상기 전면의 것과 배면의 것이 층으로 구분되지 않도록 띠 형태로 서로 열 융착되어 나중에 접합부가 용융점 이상으로 가열되더라도 전면의 것과 배면의 것이 구분되어 분리되지 않도록 접합됨과 동시에 상기 융착접합부위의 최외각 부분이 절단되어 상기 전극판을 고립시키는 분리막;을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 상기 전극판의 좌우 및 하단 둘레의 열융착시에 상기 양극판의 상단 부분에도 띠형태로 열융착이 같이 이루어져서 상기 전극판을 고립시키는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 띠형태의 열융착부위는 상기 전극판으로부터 0.1~1mm 떨어진 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 녹는점이 400℃ 이하인 폴리머 계통의 다공성막인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 분리막의 열융착과 절단은 칼날과 냉각판을 포함하는 타발기에 의하여 단 한번의 공정에 의하여 동시에 이루어지는데, 상기 칼날은 상기 열융착부위의 띠형상과 동일한 형상을 가지며, 히터가 내장되고, 상기 냉각판은 상기 칼날이 형성하는 둘레의 내측공간에 위치하며 외부로부터 공급되는 에어에 의하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
6. 제1항에 있어서, 상기 전극판은 꼭지점 영역에 곡률이 형성된 다각형 형상이며, 상기 열융착부위도 꼭지점 영역에 곡률이 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
7. 제5항에 있어서, 상기 분리막은 상기 히터에 의하여 녹는점 이상으로 가열되어 열융착되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
8. 활물질 코팅부와 상기 활물질이 코팅되지 않으면서 상기 코팅부의 상단에서 돌출된 탭으로 이루어진 전극판의 상기 탭을 제외한 영역의 전면 및 배면을 분리막으로 덮는 단계; 및

   칼날은 ㄷ 또는 ㅁ 자 형태를 하며 히터가 내장되고, 상기 칼날이 형성하는 둘레의 내측공간에는 외부로부터 공급되는 에어에 의하여 냉각되는 냉각판이 설치되는 타발기를 이용하되, 상기 냉각판은 상기 전극판의 코딩부에 위치하고 상기 칼날은 상기 전극판의 둘레에 위치하도록 한 상태에서 상기 칼날로 상기 전면 및 배면의 분리막을 열융착시킴과 동시에 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 띠형태의 열융착부위는 0.1~2mm의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.

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