KR102571995B1 - 이차전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 이차전지 - Google Patents

Abstract

이차전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 이차전지가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지 제조방법은 복수의 전극층을 포함하는 이차전지를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 전극층 각각이 소정 면적의 연결탭을 포함하고 상기 연결탭 내에 상하로 관통하는 연결홀이 형성되도록 상기 복수의 전극층을 재단하는 단계; 상기 복수의 전극층 사이에 세퍼레이터를 개재하여 상기 복수의 전극층을 적층하되, 상기 복수의 전극층 각각의 상기 연결홀이 정렬되도록 상기 복수의 전극층을 적층하는 단계; 상기 정렬된 복수의 연결홀 내부에 충전재를 배치하는 단계; 및 상기 복수의 전극층이 전기적으로 연결되도록 상기 충전재를 용융시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 전극층에 과도한 열이 가해지지 않도록 함으로써 전극층의 열변형에 의한 불량을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

Description

이차전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 이차전지{METHOD OF MANUFACTURING A SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 파우치형 혹은 스택형 이차전지의 제조시 불량률을 낮출 수 있는 이차전지 제조방법 및 이에 의해 제조되는 이차전지에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 방전 후 재충전이 가능하다는 면에서 일차전지(primary battery)와 대비된다. 즉, 이차전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 변환하여 저장한 후 필요시 다시 전기 에너지를 제공할 수 있다. 휴대용 전자기기가 보편화된 오늘날, 기기의 재충전을 가능하게 하는 이차전지는 매우 큰 중요성을 가진 것으로 평가되고 있다.

이차전지는 일반적으로 내부에 음극과 양극을 포함하고, 음극과 양극을 분리하는 세퍼레이터(separator) 혹은 분리막을 포함한다. 하나의 음극과 양극을 포함하는 전지의 단위를 "배터리 셀"이라 지칭한다. 이차전지의 방전시 음극에서는 산화 반반응이 일어나면서 원자로부터 분리되는 전자는 전기회로를 따라 이동하고 원자를 잃어 생성된 이온(예컨대, 리튬 이온)은 분리막을 통과해 양극으로 이동하여 환원 반반응을 일으킨다. 이러한 산화 및 환원 반응은 배터리 셀의 화학 포텐셜을 낮추는 대신, 전자의 이동으로 인한 전기에너지를 제공할 수 있다. 이차전지의 충전 시에는 위의 과정과 반대되는 과정이 일어나며, 외부의 전기에너지에 의해 배터리 셀의 화학 포텐셜이 높여진다.

근래에 사용되는 이차전지의 경우, 작은 크기로 높은 전기 에너지를 제공하기 위해, 전극 및 세퍼레이터가 매우 얇은 두께로 구현된 여러 개의 배터리 셀이 적층되어 사용된다. 각 전극에는 세퍼레이터의 위치를 벗어나 돌출하는 탭이 형성되고, 이러한 탭을 서로 연결하고 이를 이차전지의 리드에 연결함으로써 복수의 배터리 셀이 연결될 수 있다. 종래기술에서는 전극들을 물리적으로 및 전기적으로 연결하기 위해 다수의 전극을 서로 용접시키고 있다.

단, 각각의 전극이 수십 마이크로미터 단위의 또는 10μm 이하의 두께를 갖는 매우 얇은 층으로 형성되므로, 사이사이에 세퍼레이터가 배치된 상태에서 이들을 서로 접촉시킴에 따라 전극층이 찢어지거나 구겨지는 현상이 발생하고, 용접이 가해질 때 스패터링(spattering)이 발생하고, 전극에 열변형이 발생하여 전극층이 찢어지거나 구겨지는 현상이 발생할 우려가 있으며, 접촉저항 또한 높아질 우려가 있다. 또한, 전극에 직접 용접을 가하는 경우, 전극에 비해 용융점이 훨씬 낮은 세퍼레이터에 열이 전달되어 세퍼레이터에 손상이 가해질 우려가 있는데, 이는 발견되지 않는 경우 큰 위험을 초래할 수도 있다.

또한 용접시 발생하는 스패터가 전극 내부로 유입이 되는 경우, 배터리를 사용하면서, 스패터가 전해액에 의해 녹게 되며, 배터리 셀 내부에 덴드라이트 조직을 생성하게 된다. 덴드라이트 조직은 세퍼레이터를 뚫을 수 있어, 배터리 셀 내부 쇼트(단락)로 인한 배터리 폭발현상이 발생하거나, 배터리 성능의 현저한 저감이 발생할 수 있다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 일측면은 불량률을 낮출 수 있는 이차전지 제조방법 및 이에 의해 제조되는 이차전지를 제공하려는 것이다.

또한, 본 발명의 일측면은 전극 간의 접촉저항을 낮출 수 있는 이차전지 제조방법 및 이에 의해 제조되는 이차전지를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 이차전지 제조방법은 복수의 전극층을 포함하는 이차전지를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 전극층 각각이 소정 면적의 연결탭을 포함하고 상기 연결탭 내에 상하로 관통하는 연결홀이 형성되도록 상기 복수의 전극층을 재단하는 단계; 상기 복수의 전극층 사이에 세퍼레이터를 개재하여 상기 복수의 전극층을 적층하되, 상기 복수의 전극층 각각의 상기 연결홀이 정렬되도록 상기 복수의 전극층을 적층하는 단계; 상기 정렬된 복수의 연결홀 내부에 충전재를 배치하는 단계; 및 상기 복수의 전극층이 전기적으로 연결되도록 상기 충전재를 용융시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 이차전지 제조방법은 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 충전재는 상기 전극층에 비해 낮은 용융점을 가질 수 있다.

상기 충전재를 용융시키는 단계는 상기 충전재에 레이저를 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 레이저는 CW(continue Wave) 레이저이거나 10 내지 40Hz의 펄스 주파수 및 2000 내지 4000W의 세기로 조사되는 펄스 레이저일 수 있다.

상기 충전재의 폭은 상기 연결홀의 폭 이하일 수 있고, 상기 충전재의 길이는 상기 연결홀의 길이 이하일 수 있다.

상기 연결홀 및 상기 충전재 각각은 길이가 폭보다 2배 이상 큰 세장형 형상을 가질 수 있다.

상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 상기 복수의 연결홀 하부에 리드의 일부를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 충전재가 용융됨에 따라 상기 복수의 전극층이 상기 리드에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 상기 정렬된 복수의 연결홀 내부에 리드의 일부를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 충전재가 용융됨에 따라 상기 복수의 전극층이 상기 리드에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 상기 복수의 연결탭 사이에 리드를 개재하여 상기 복수의 연결홀이 상기 리드에 형성된 리드홀과 정렬되도록 상기 전극층과 상기 리드를 교대로 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 충전재가 용융됨에 따라 상기 복수의 전극층이 상기 복수의 리드에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 복수의 전극층은 복수의 음극층 및 복수의 양극층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 음극층 각각은 소정 면적의 음극연결탭 및 상기 음극연결탭 내에 상하로 관통하는 음극연결홀을 포함하고 상기 복수의 양극층 각각은 소정 면적의 양극연결탭 및 상기 양극연결탭 내에 상하로 관통하는 양극연결홀을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 음극층과 양극층이 상기 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층되고, 상기 복수의 음극층 각각의 상기 음극연결홀이 정렬되고, 상기 복수의 양극층 각각의 상기 양극연결홀이 정렬되도록 상기 복수의 전극층을 적층하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 충전재를 배치하는 단계는 상기 정렬된 복수의 음극연결홀 내부에 음극용 충전재를 배치하고 상기 정렬된 복수의 양극연결홀 내부에 양극용 충전재를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 음극용 충전재와 상기 양극용 충전재는 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면은 위의 이차전지 제조방법에 의해 제조되는 이차전지를 제공한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명은 아래의 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 전극층에 과도한 열이 가해지지 않도록 함으로써 전극층의 열변형에 의한 불량을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전극층의 연결탭을 연결할 때 연결탭이 편평한 상태를 유지할 수 있도록 함으로써 매우 낮은 두께로 형성된 전극층의 찢어짐 또는 구겨짐에 의한 불량을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 용융되어 연결되는 하나의 연결부가 여러 전극층을 동시에 연결하고 각각의 전극층에 대해 넓은 접촉을 유지하기 때문에 접촉저항을 낮게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 제조방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지를 예시하는 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체를 제조하는 과정을 개념적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체를 제조하는 과정을 개념적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체에서 전극층을 연결하는 과정을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체에서 전극층이 연결된 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체에서 전극층이 연결된 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체에서 전극층이 연결된 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 제조방법(10)을 예시하는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지를 예시하는 분해사시도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체를 제조하는 과정을 개념적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체를 제조하는 과정을 개념적으로 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체에서 전극층을 연결하는 과정을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체에서 전극층이 연결된 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다.

참고로, 도 3에서는 대응하는 전극층(100)들을 연결하는 개념을 설명하기 위한 것으로 전극층(100)이 음극층(100a)인지 양극층(100b)인지 구분하지 않고 표시하였다. 도 3에 도시된 전극층(100)은 음극층과 양극층 중 어느 하나에 해당할 수 있고, 발명의 이해를 돕기 위해 음극층과 양극층 중 다른 하나 및 이에 인접하여 배치되는 세퍼레이터는 묘사가 생략되어 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 제조방법(10)은 복수의 전극층(100)을 포함하는 이차전지(1000)를 제조하기 위한 방법으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 전극층(100)을 재단하는 단계(S11), 연결홀(120)이 정렬되도록 전극층(100)을 적층하는 단계(S12), 정렬된 연결홀(120) 내부에 충전재(200)를 배치하는 단계(S13) 및 충전재를 용융시키는 단계(S14)를 포함할 수 있다.

먼저 전극층(100)을 재단하는 단계(S11)에서는 전극층(100)을 설계된 형상으로 재단하는 과정이 수행될 수 있다. 각각의 전극층(100)은 도 3 및 도 4에서와 같이 전반적으로 직사각형의 형상을 가질 수 있으며, 일측에 소정 면적의 연결탭(110)을 포함할 수 있다.

연결탭(110)에는 연결홀(120)이 형성될 수 있는데, 연결홀(120)은 상하로 관통하도록 형성될 수 있다. 전극층(100)이 재단될 때 연결홀(120)의 경계가 함께 절단되어 연결탭(110)에 연결홀(120)이 천공되도록 할 수 있다. 연결홀(120)은 세장형 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 연결홀(120)의 길이가 폭의 2배 이상 크도록 형성될 수 있다. 연결홀(120)의 길이가 폭의 2배 이상일 때 추후 충전재(200)가 용융된 후 경화되어 형성하는 연결부(220)와 연결탭(110) 사이에 높은 신뢰도의 물리적 및 전기적 연결을 보장할 수 있다.

도 3 및 도 4에는 전극층(100), 연결탭(110) 및 연결홀(120)이 모두 직사각형의 형상을 가진 것으로 묘사되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전극층(100), 연결탭(110) 및 연결홀(120) 중 어느 하나 이상은 직사각형 이외의 다각형 형상을 가질 수도 있고, 부분적으로 또는 전체적으로 곡선을 이루는 형상을 가질 수도 있다. 한편, 도 3 및 도 4에는 연결탭(110)이 전극층(100)의 전체적 형상에 포함되지 않고 일측으로 돌출하는 것으로 묘사되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전극층(100)의 전체적 형상에서 모서리 또는 가장자리 등의 어느 지점에 연결홀(120)이 형성된다면 그 주위의 영역이 연결탭(110)에 해당하는 것으로 볼 수 있다.

전극층(100)을 재단하는 단계(S11)는 전극층(100) 사이에 배치될 세퍼레이터(150)를 재단하는 과정이 함께 수행될 수도 있다. 본 발명의 일실시예에서는 연결탭(110)이 커버되지 않도록 세퍼레이터(150)를 전극층(100)에 중첩시킨 후 전극층(100)과 세퍼레이터(150)를 함께 재단하는 방법에 의해 전극층(100)과 세퍼레이터(150)가 동시에 재단될 수 있다.

전극층(100)은 음극층(100a)과 양극층(100b)으로 구분될 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 이차전지(1000)에서 전극조립체(500)는 모든 인접한 음극층(100a)과 양극층(100b) 사이에 세퍼레이터(150)를 개재하여 음극층(100a)과 양극층(100b)이 교대로 적층되어 구성될 수 있다. 전극층(100)을 재단하는 단계(S11)에서는, 조립이 완료된 전극조립체(500)에서 음극층(100a)의 음극연결탭(110a)과 양극층(100b)의 양극연결탭(110b)이 서로 다른 위치에 정렬될 수 있도록 음극층(100a)과 양극층(100b)이 재단될 수 있다. 물론, 이를 위해 음극층(100a)과 양극층(100b)이 반드시 다른 형상으로 재단되어야 하는 것은 아닌데, 음극층(100a)과 양극층(100b)을 같은 형상으로 재단한 후 이를 다르게 배치할 수 있기 때문이다.

본 명세서에서 음극층(100a)이라 함은 이차전지(1000) 내에서 음극으로 기능하는 물질과 전류 집전체로 기능하는 물질을 포괄하는 개념이다. 물론, 리드(300a)와 연결되는 음극연결탭(110a)은 전류 집전체 부분에 해당할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지(1000)가 리튬 이온 배터리인 경우, 음극층(100a) 내의 음극 물질은 그래파이트일 수 있고, 전류 집전체 부분은 구리(Cu)일 수 있다.

마찬가지로, 본 명세서에서 양극층(100b)이라 함은 이차전지(1000) 내에서 양극으로 기능하는 물질과 전류 집전체로 기능하는 물질을 포괄하는 개념이다. 리드(300b)와 연결되는 양극연결탭(110b)은 전류 집전체 부분에 해당할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지(1000)가 리튬 이온 배터리인 경우, 양극층(100b) 내의 양극 물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 등의 리튬 삽입 화합물(intercalated lithium compound)일 수 있고, 전류 집전체 부분은 알루미늄(Al)일 수 있다. 일부 실시예에서는 음극층(100a)과 양극층(100b)이 전극 부분과 전류 집전체 부분의 구분 없이 형성될 수도 있다.

세퍼레이터(150)는 고분자 재질, 예컨대 폴리에틸렌(PE; polyethylene) 또는 폴리프로필렌(PP; polypropylene)로 형성된 미공성(microporous) 박막일 수 있다. 세퍼레이터(150)는 리튬 이온 등이 투과할 수 있도록 구성될 수 있다. 음극층(100a), 양극층(100b) 및 세퍼레이터(150) 각각은 약 10μm 또는 그 이하의 두께를 가질 수 있다. 다만, 음극층(100a), 양극층(100b) 및 세퍼레이터(150)는 특정 치수 및 재질에 한정되지 않으며, 이차전지(1000)로서의 기능을 가능하게 하는 치수 및 재질이 적용될 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4에서는 본 발명을 개념적으로 설명하기 위해 음극층(100a)과 양극층(100b)이 각각 단 2개만 포함된 경우를 묘사하고 있으나, 음극층(100a), 양극층(100b) 및 세퍼레이터(150)는 매우 작은 두께를 갖는 것으로서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 전극조립체(500)는 음극층(100a)과 양극층(100b)을 수십 내지 수백 개 포함할 수 있다.

전극층(100) 및 세퍼레이터(150)가 재단된 후, 전극층(100)의 연결홀(120)들이 정렬되도록 전극층(100)을 적층하는 단계(S12)가 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전극층(100)들은 그 사이사이에 세퍼레이터(150)를 개재하여 적층될 수 있으며, 모든 인접한 음극층(100a)과 양극층(100b) 사이에 세퍼레이터(150)가 배치되도록 음극층(100a)과 양극층(100b)이 교대로 적층되어 구성될 수 있다. 이 때, 음극층(100a)은 음극연결홀(120a)이 서로 정렬되도록 하고, 양극층(100b)은 양극연결홀(120b)이 서로 정렬되도록 하여 전극층(100)들을 적층할 수 있다.

도 4에서는 음극연결탭(110a)과 양극연결탭(110b)이 음극층(100a)과 양극층(100b)에 대해 같은 방향을 향하도록 배치되어 있으나, 음극연결탭(110a)과 양극연결탭(110b)이 서로 다른 방향을 향하여 배치될 수도 있다. 예를 들어, 음극연결탭(110a)은 전극조립체(500)의 일측에 정렬되고 양극연결탭(110b)은 전극조립체(500)의 타측에 정렬되도록 배치될 수도 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 전극층(100)을 적층하는 단계(S12)는 전극조립체(500)에 연결될 리드(300)를 전극조립체(500)에 대하여 상대적으로 배치하는 단계가 포함될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극층(100)의 연결홀(120) 하부에 리드(300)의 일부가 배치될 수 있다.

물론, 전극층(100)이 음극층(100a)과 양극층(100b)을 포함하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 정렬된 음극연결홀(120a) 하부에 음극용 리드(300a)를 배치하고 정렬된 양극연결홀(120b) 하부에 양극용 리드(300b)를 배치할 수 있다. 음극용 리드(300a)에는 구리 등의 재질이 적용될 수 있고, 예를 들어 구리를 주석으로 코팅한 형태가 적용될 수 있다. 양극용 리드(300b)에는 알루미늄 등의 재질이 적용될 수 있으며, 예를 들어 10계열 알루미늄이 적용될 수 있다. 물론, 각 리드(300a, 300b)가 특정 재질에 한정되는 것은 아니다.

전극조립체(500)의 각 구성요소 및 리드(300)가 배치된 상태에서, 정렬된 연결홀(120) 내부에 충전재(200)가 배치될 수 있다(S13). 도 4를 참조하면, 여기에는 정렬된 음극연결홀(120a) 내부에 음극용 충전재(200a)를 배치하고 정렬된 양극연결홀(120b) 내부에 양극용 충전재(200b)를 배치하는 과정이 포함될 수 있다.

각 충전재(200a, 200b)는 세장형 형상을 가질 수 있으며, 그 길이가 폭보다 2배 이상 클 수 있다. 충전재(200a, 200b)는 예를 들어 직경 1.2mm의 와이어의 형태로 제공될 수 있다. 음극용 충전재(200a)에는 구리 등의 재질이 적용될 수 있으며, 예를 들어 Cu+Si 합금이 적용될 수 있다. 양극용 충전재(200b)에는 알루미늄 등의 재질이 적용될 수 있으며, 예를 들어 1000계열 알루미늄이 적용될 수 있다. 물론, 각 충전재(200a, 200b)가 특정 치수 및 재질에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에서는, 충전재(200a, 200b) 각각은 대응하는 전극층(100a, 100b)에 비해, 구체적으로는 대응하는 연결탭(110a, 110b)에 비해, 낮은 용융점을 가질 수 있다. 충전재(200a, 200b)와 그 대응하는 연결탭(110a, 110b)을 유사한 재질로 형성하는 경우 충전재(200a, 200b)와 연결탭(110a, 110b) 사이의 결합을 용이하게 할 수 있지만, 충전재(200a, 200b)가 연결탭(110a, 110b)보다 낮은 용융점을 갖도록 하는 경우 추후 충전재(200a, 200b)를 용융시키는 단계에서 연결탭(110a, 110b)이 받는 영향을 감소시킬 수 있다. 충전재(200a, 200b)와 연결탭(110a, 110b)의 조성, 첨가물, 처리방식 등을 최적화하여 충전재(200a, 200b)가 연결탭(110a, 110b)보다 낮은 용융점을 가지면서도 충전재(200a, 200b)와 연결탭(110a, 110b) 사이에 견고한 결합을 구현하는 것이 가능하다.

도 5에 일부 표현된 바와 같이, 충전재(200a, 200b)는 그 폭 및 길이가 대응하는 연결홀(120a, 120b)의 폭 및 길이 이하로 제공될 수 있다. 이는 충전재(200a, 200b)가 연결홀(120a, 120b) 내에 온전히 삽입될 수 있게 한다. 충전재(200a, 200b)의 배치시 연결탭(110a, 110b)과의 접촉이 적을수록 연결탭(110a, 110b)에 찢어짐, 구겨짐 등에 의한 불량이 발생할 가능성이 적어질 것이다.

충전재(200)는 정렬된 연결홀(120)에 비해 큰 높이를 가질 수 있으며, 충전재(200)가 추후 용융될 때 연결홀(120) 모두가 채워질 정도의 부피를 가질 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예를 개념적으로 설명하기 위한 것으로서, 실제 크기의 비율을 반영한 것이 아니다. 또한, 도 5에는 편의상 양극용 충전재(200b)가 양극연결홀(120b) 내에 배치된 상태가 도시되어 있으나 음극용 충전재(200a)가 음극연결홀(120a) 내에 배치되는 상태도 유사하게 구현될 것이다.

연결홀(120) 내부에 충전재(200)가 배치된 상태에서, 복수의 전극층(100)이 전기적으로 연결되도록 충전재(200)를 용융시키는 단계(S14)가 수행될 수 있다.

충전재(200)를 용융시키는 단계(S14)는 충전재(200)에 레이저(250)를 조사하는 방법에 의해 수행될 수 있다. 레이저(250)는 매우 작은 크기의 스팟(spot)에 높은 에너지를 집중하여 제공할 수 있으므로, 충전재(200)의 용융에 레이저 브레이징을 적용함으로써 에너지가 충전재(200)에만 제공되고 충전재(200) 주위의 연결탭(110)에는 제공되지 않도록 할 수 있다.

레이저(250)는 연속파(CW: continuous wave) 레이저일 수도 있지만, 바람직하게는 펄스 레이저일 수 있다. 연속파 레이저는 연속적으로 에너지를 공급하는 반면, 펄스 레이저는 단속적으로 에너지를 공급하므로 충전재(200)에 필요한 양의 에너지를 제공하면서도 충전재(200)의 온도가 과도하게 높아지지 않도록 할 수 있다. 레이저 브레이징을 이용하여 에너지가 충전재(200) 주위의 연결탭(110)에 직접적으로 가해지지 않도록 할 수 있지만, 열전도에 의해 충전재(200)로부터 연결탭(110)으로 열이 전달되므로, 충전재(200)의 온도가 과도하게 높아지는 것도 연결탭(110) 및 전극층(100)에 열변형을 초래할 우려가 있다.

본 발명의 일실시예에서는 펄스 레이저가 10 내지 40Hz의 펄스 주파수로 조사될 수 있고, 2000 내지 4000W의 세기로 조사될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 펄스 레이저가 30Hz의 펄스 주파수 및 3000W의 세기로 조사될 수 있다. 펄스 주파수가 10Hz 미만이거나 레이저의 세기가 1200W미만인 경우, 충전재(200)의 용융에 충분한 에너지가 공급되지 못할 수 있고, 펄스 주파수가 40Hz를 초과하거나 레이저의 세기가 4000W를 초과하는 경우, 용융된 충전재(200)의 온도가 과도하게 높아 연결탭(110) 및 전극층(100)에 열변형이 발생할 우려가 있다.

한편, 레이저(250)에 연속파(CW) 레이저가 사용되는 경우, 레이저의 세기를 펄스 레이저를 사용하는 경우에 비해 약간 낮은 값으로 설정하여 레이저 브레이징의 적용시 용융된 충전재(200)의 온도가 과도하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.

레이저(250)는 수직 방향에서 20 내지 30도 정도의 각도로 기울인 상태에서 레이저 스팟을 충전재(200) 상에 두어 조사될 수 있다. 충전재(200)는 정렬된 연결홀(120) 내에 배치된 상태에서 연결탭(110) 위로 돌출될 수 있으므로 레이저(250)의 각도와 무관하게 충전재(200)에만 레이저를 조사하는 것이 가능하다. 레이저(250)에는 400μm 혹은 그 이상의 레이저 파이버를 사용할 수 있다.

도 4에서와 같이, 음극용 충전재(200a) 및 양극용 충전재(200b)를 용융시키기 위해 각각에 제1 레이저(250a) 및 제2 레이저(250b)가 조사될 수 있다. 제1 및 제2 레이저(250a, 250b)는 설명의 편의를 위해 레이저(250)를 구분하여 지칭한 것이며 동일한 레이저일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 레이저(250a, 250b)는 서로 분리된 레이저 발진기(미도시)에서 조사되는 레이저일 수도 있고, 동일한 레이저 발진기(미도시)에서 조사되되 음극용 충전재(200a)와 양극용 충전재(200b)에 각각 다른 조건으로 조사되는 레이저일 수도 있으며, 동일한 레이저 발진기(미도시)에서 동일한 조건으로 조사되는 레이저일 수도 있다.

본 발명의 일실시예에서는 하나의 레이저 발진기(미도시)에서 생성된 레이저를 레이저 스캐너(미도시)로 하나의 충전재(예를 들면, 음극용 충전재(200a))에 겨냥하여 레이저(예를 들면, 제1 레이저(250a))를 조사함으로써 해당 충전재(음극용 충전재(200a))를 용융시킨 후, 레이저 스캐너(미도시)로 레이저를 다른 하나의 충전재(예를 들면, 양극용 충전재(200b))에 겨냥하여 다시 레이저(제2 레이저(250b)에 해당)를 조사함으로써 해당 충전재(양극용 충전재(200b))를 용융시킬 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에서는 각각의 레이저 발진기(미도시)에서 생성된 레이저를 각각의 충전재(200a, 200b)에 겨냥하여 각각의 충전재(200a, 200b)의 크기 및 재질에 적합한 조건 하에 서로 다른 레이저(250a, 250b)를 동시에 조사함으로써 각각의 충전재(200a, 200b)를 용융시킬 수 있다.

도 6을 참조하면, 충전재(200b)는 용융된 후 다시 경화하여 연결부(220)를 형성할 수 있다. 도 5에서는 양극용 충전재(200b)의 폭과 길이가 양극연결홀(120b)에 비해 작아 양극용 충전재(200b)가 모든 양극층(100b)의 양극연결탭(110b)에 접촉하지는 않지만, 도 6에서는 양극용 충전재(200b)가 용융됨에 따라 모든 양극층(100b)의 양극연결홀(120b) 내부를 채우게 되고, 용융된 양극용 충전재(200b)가 형성하는 연결부(220)는 모든 양극층(100b)의 양극연결탭(110b) 및 양극용 리드(300b)에까지 접촉하게 되어 양극층(100b)과 양극용 리드(300b)의 결합 및 전기적 연결을 구현할 수 있다.

도 5 및 도 6에 일부 표현된 바와 같이, 양극층(100b)의 양극연결탭(110b)을 서로 연결할 때, 인접한 2개의 양극연결탭(110b) 사이에는 하나의 음극층(100a), 2겹의 세퍼레이터(150) 및 양극층(100b) 자체 내의 전류 집전체 외측의 양극 물질 등이 존재하므로 인접한 양극연결탭(110b) 사이에는 간격이 존재한다. 따라서 종래기술에서와 같이 양극연결탭(110b)을 서로 용접하는 경우 양극연결탭(110b)이 굴곡 또는 절곡되는 것이 불가피하며, 이 과정에서 매우 낮은 두께로 형성되며 찢어짐, 구겨짐 등에 특히 취약한 재질로 형성된 양극연결탭(110b)에는 불량이 발생할 우려가 있다. 그러나 본 발명의 일실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 전극층(100)이 움직여지지 않는 상태에서 용융 충전재(200)가 전극층(100) 사이의 간격을 메우게 되므로, 전극층(100)은 편평한 배치를 유지할 수 있고, 찢어짐, 구겨짐, 스패터 등에 의한 불량을 방지할 수 있게 된다.

또한, 충전재(200)는 연결탭(110)과 동일하거나 호환성이 높은 재질로 형성되고, 용융된 충전재(200)는 액체 상태로 연결홀(120) 주위로 연결탭(110)의 내주면과 상하면에 밀착 접촉하게 되므로, 연결부(220)와 연결탭(110) 사이의 접촉저항을 크게 줄이는 것이 가능해진다.

도 6에는 편의상 양극용 연결부(220)가 양극층(100b)과 양극용 리드(300b)를 연결하는 상태가 도시되어 있으나 음극용 연결부(220)가 음극층(100a)과 음극용 리드(300a)를 연결하는 상태도 유사하게 구현될 것이다.

위에서는 충전재(200)를 용융시키기 위해 레이저(250)를 조사하는 레이저 브레이징 방법이 주로 설명되었으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 연결탭(110)에 가해지는 열을 최소화하면서 충전재(200)를 용융시킬 수 있는 다른 방법이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 복사 또는 열전도에 의해 열을 가하고, 충전재(200)만을 노출시킨 마스크 등으로 충전재(200) 이외의 부분에 대한 열전달을 차폐 혹은 감소시키는 방법이 사용될 수 있을 것이다.

충전재(200)를 용융시키는 단계(S14)에 의해 충전재(200)가 용융된 후 다시 경화하여 연결부(220)를 형성하면, 대응하는 전극층(100)과 리드(300) 사이의 연결이 이루어질 수 있다. 즉, 복수의 음극층(100a)과 음극용 리드(300a) 사이에 요구되는 물리적 접합 강도 및 전기적 접속이 구현되고, 복수의 양극층(100b)과 양극용 리드(300b) 사이에 요구되는 물리적 접합 강도 및 전기적 접속이 구현될 수 있다. 이로써 완성되는 전극조립체(500)는 제1 외피(510)와 제2 외피(520) 사이에 배치될 수 있고, 필요에 따라 전해액(미도시)을 충진한 상태에서 제1 외피(510)와 제2 외피(520)는 밀봉될 수 있다. 이 때, 리드(300a, 300b)는 밀봉되는 제1 외피(510) 및 제2 외피(520) 외부로 돌출되도록 하여 이차전지(1000)의 전극 역할을 할 수 있다. 이상과 같은 방법에 의해 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지(1000)의 제조가 완성될 수 있다.

도 1에 묘사된 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 제조방법(10)에 의하면, 복수의 연결탭(110)을 리드(300)와 연결할 때 각각의 연결탭(110)은 편평한 상태를 유지할 수 있고, 레이저 브레이징 등의 방법으로 인해 연결탭(110)에 과도한 열이 가해지지 않으며, 액체 상태의 충전재(200)가 연결을 구현하므로, 연결탭(110) 또는 전극층(100)의 구겨짐, 찢어짐, 열변형 등에 의한 불량이 발생할 확률을 크게 줄일 수 있고, 연결탭(110)과 리드(300) 사이의 접촉저항 또한 크게 감소시킬 수 있다. 이는 이차전지(1000)의 품질 및 생산수율을 증가시키는 장점을 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지(1000)의 전극조립체(500)에서 전극층(100)이 연결된 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 전극층(100)의 연결홀(120)들이 정렬되도록 전극층(100)을 적층하는 단계(S12)는 정렬된 연결홀(120b) 내부에 리드(302)의 일부를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서는 리드(300b)의 일부가 연결홀(120b) 하부에 배치되는 반면, 도 7에 도시된 본 실시예에서는 리드(302)의 일부가 절곡되어 복수의 연결홀(120b)의 전부 혹은 일부를 통과하도록 배치될 수 있다. 리드(302)는 반드시 가장 하부에서 절곡될 필요도 없으며, 소정 위치에서 연결탭(110b) 사이에 개재될 수도 있다.

도 7에는 리드(302)가 연결홀(120b)의 하부에는 위치하지 않은 것으로 묘사되어 있으나 리드(302)를 복수 회 절곡하여 리드(302)가 복수의 연결홀(120b)을 통과하고 연결홀(120b)의 아래에도 위치하도록 배치할 수 있다.

도 7에 도시된 실시예는 연결부(220)와 리드(302) 사이의 접촉 면적을 증가시켜 리드(302)의 전기적 연결을 더 확실히 보장할 수 있게 된다. 한편, 리드(302)의 일부가 연결홀(120b) 내로 삽입되는 것은 연결홀(120b)의 길이 전체에 걸쳐 이루어질 필요는 없으며, 리드(302)의 일부가 연결홀(120b) 내로 삽입되는 비율을 조절함으로써 연결부(220)가 연결탭(110b)과 접촉하는 면적과 리드(302)와 접촉하는 면적의 비율을 조절하는 것이 가능하다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지(1000)의 전극조립체(500)에서 전극층(100)이 연결된 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 전극층(100)의 연결홀(120)들이 정렬되도록 전극층(100)을 적층하는 단계(S12)에서 복수의 연결탭(110b) 사이에 복수의 리드(303)가 개재될 수 있다.

더 구체적으로 설명하자면, 복수의 리드(303) 각각에는 리드홀(320)이 형성될 수 있다. 전극층(100)의 연결홀(120)들이 정렬되도록 전극층(100)을 적층하는 단계(S12)에서 복수의 연결탭(110b) 사이에는 복수의 리드(303)이 배치되되, 리드(303)의 리드홀(320)이 연결탭(110b)의 연결홀(120b)에 정렬되도록 배치될 수 있다. 따라서 연결탭(110b)이 위치한 부분에서는 연결탭(110b)과 리드(303)가 교대로 적층될 수 있고, 이와 같이 적층된 연결탭(110b)과 리드(303)들의 연결홀(120b)과 리드홀(320)은 모두 정렬될 수 있다. 한편, 복수의 리드(303)들은 후단에서 하나의 메인리드(304)에 연결될 수 있다.

위와 같이 리드(303)가 연결탭(110b)과 함께 적층된 상태에서 충전재(200)가 용융되고 경화되면, 연결부(220)는 각각의 연결탭(110b)과 각각의 리드(303)를 모두 연결할 수 있다.

도 8에 도시된 실시예는 연결부(220)와 리드(303) 사이의 접촉 면적을 증가시켜 리드(303)의 전기적 연결을 더 확실히 보장할 뿐만 아니라, 연결탭(110b) 사이의 간격에 리드(303)가 삽입되게 함으로써 연결탭(110b) 부분을 지지하고 찢어짐, 구겨짐 등을 방지하는 데 일조할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 전극층 110: 연결탭
120: 연결홀 150: 세퍼레이터
200: 충전재 220: 연결부
250: 레이저 300: 리드
500: 전극조립체 510: 제1 외피
520: 제2 외피 1000: 이차전지

Claims (12)

1. 복수의 전극층을 포함하는 이차전지를 제조하기 위한 방법으로서,
   상기 전극층 각각이 소정 면적의 연결탭을 포함하고 상기 연결탭 내에 상하로 관통하는 연결홀이 형성되며 상기 연결홀 각각이 동일한 형상을 갖도록 상기 복수의 전극층을 재단하는 단계;
   상기 복수의 전극층 사이에 세퍼레이터를 개재하여 상기 복수의 전극층을 적층하되, 상기 연결탭이 절곡되지 않고 상기 전극층이 편평한 배치를 유지하며 상기 복수의 전극층 각각의 상기 연결홀이 정렬되도록 상기 복수의 전극층을 적층하는 단계;
   상기 연결홀의 폭 이하의 폭을 갖고 상기 연결홀의 길이 이하의 길이를 가지며 상기 복수의 전극층과 세퍼레이터의 적층된 두께보다 큰 높이를 가진 충전재를 상기 정렬된 복수의 연결홀 내부에 배치하는 단계; 및
   상기 연결탭이 절곡되지 않고 상기 전극층이 편평한 배치를 유지한 상태에서 상기 충전재에 펄스 레이저를 공급함으로써 상기 복수의 전극층이 전기적으로 연결되도록 상기 충전재를 용융시키는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 충전재는 상기 전극층에 비해 낮은 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저는 10 내지 40Hz 의 펄스 주파수 및 2000 내지 4000W 의 세기로 조사되는 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결홀 및 상기 충전재 각각은 길이가 폭보다 2배 이상 큰 세장형 형상을 가진 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 상기 복수의 연결홀 하부에 리드의 일부를 배치하는 단계를 포함하고,
   상기 충전재가 용융됨에 따라 상기 복수의 전극층이 상기 리드에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 리드의 일부가 절곡되어 상기 정렬된 복수의 연결홀의 내부를 관통하도록 상기 정렬된 복수의 연결홀 내부에 리드의 일부를 배치하는 단계를 포함하고,
   상기 충전재가 용융됨에 따라 상기 복수의 전극층이 상기 리드에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 상기 복수의 연결탭 사이에 리드를 개재하여 상기 복수의 연결홀이 상기 리드에 형성된 리드홀과 정렬되도록 상기 전극층과 상기 리드를 교대로 적층하는 단계를 포함하고,
   상기 충전재가 용융됨에 따라 상기 복수의 전극층이 상기 복수의 리드에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 전극층은 복수의 음극층 및 복수의 양극층을 포함하고, 상기 복수의 음극층 각각은 소정 면적의 음극연결탭 및 상기 음극연결탭 내에 상하로 관통하는 음극연결홀을 포함하고, 상기 복수의 양극층 각각은 소정 면적의 양극연결탭 및 상기 양극연결탭 내에 상하로 관통하는 양극연결홀을 포함하고,
   상기 복수의 전극층을 적층하는 단계는 음극층과 양극층이 상기 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층되고, 상기 복수의 음극층 각각의 상기 음극연결홀이 정렬되고, 상기 복수의 양극층 각각의 상기 양극연결홀이 정렬되도록 상기 복수의 전극층을 적층하는 단계를 포함하고,
   상기 충전재를 배치하는 단계는 상기 정렬된 복수의 음극연결홀 내부에 음극용 충전재를 배치하고 상기 정렬된 복수의 양극연결홀 내부에 양극용 충전재를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 음극용 충전재와 상기 양극용 충전재는 서로 다른 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 이차전지 제조방법에 의해 제조된 이차전지.
11. 삭제
12. 삭제