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KR20240052667A - 리튬 이차전지의 전극 탭-메탈 리드의 접합방법 - Google Patents

리튬 이차전지의 전극 탭-메탈 리드의 접합방법 Download PDF

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KR20240052667A
KR20240052667A KR1020230134878A KR20230134878A KR20240052667A KR 20240052667 A KR20240052667 A KR 20240052667A KR 1020230134878 A KR1020230134878 A KR 1020230134878A KR 20230134878 A KR20230134878 A KR 20230134878A KR 20240052667 A KR20240052667 A KR 20240052667A
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KR
South Korea
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lithium
tab
metal lead
electrode tab
secondary battery
Prior art date
Application number
KR1020230134878A
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English (en)
Inventor
이현수
박기수
이정훈
권순관
이미진
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.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 복수 개의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 적층시켜 탭-리드 적층체를 형성하는 단계, 상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시켜 탭-리드 연결부를 형성하는 단계 및 상기 탭-리드 연결부를 혼(horn) 및 앤빌(anvil)을 포함하는 초음파 용접기를 통하여 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법 및 상기 접합방법을 이용하여 제조되는 리튬 이차전지용 음극에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지의 전극 탭-메탈 리드의 접합방법{METHOD FOR BONDING LITHIUM ELECTRODE TAP AND METAL LEAD}
본 발명은 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 초음파 용접을 통하여 리튬 이차전지의 음극으로 적용되는 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 소재의 손상 없이 접합시킬 수 있는, 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법에 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. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 리튬-황 전지 등의 이차전지, 더 나아가서는 리튬 메탈전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비 에너지를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 이어지고 있다.
이와 같은 전지의 실생활 적용을 위해서는, 용도에 알맞게 높은 출력을 얻기 위하여(또는, 높은 용량을 가지기 위하여), 단위 전극 탭을 메탈 리드에 접합하는 용접 작업이 필요하다. 이와 관련하여, 종래의 리튬 이온전지의 경우에는, 음극 또는 양극에 있어서, 집전체로서 구리, 알루미늄 호일 등을 사용하고, 그 양면에 음극 활물질 또는 양극 활물질을 라미네이션시켜 양극 또는 음극을 제작하였다. 즉, 종래에는 전극 탭과 메탈 리드의 용접 시, 상기 음극 또는 양극의 접전체에 형성된 전극 탭과 메탈 리드를 접합하는 방식을 사용하였고, 접합 방식으로는 초음파 용접, 레이저 용접 또는 저항 용접 방식을 통하여 접합해 왔다. 그러나, 최근에는 에너지 밀도의 개선 및 원재료비 절감 등을 고려하여, 음극으로서, 집전체(구리 호일 등)을 배제한 채, 리튬 금속 자체를 사용하는 기술이 주목받고 있다.
그러나, 음극으로서 리튬 금속 자체를 사용하는 경우, 리튬의 높은 연성 및 낮은 융점으로 인하여, 상기 예시한 종래의 용접 방식들을 그대로 적용할 경우, 리튬 전극 탭의 소재가 손상되는 문제가 발생하므로, 이를 그대로 적용하기에는 어려움이 있다. 구체적으로, 차세대 전지인 리튬 황 전지(Li-S 전지)나 리튬 메탈전지(Li-Metal 전지)의 경우에는, 음극이 리튬 금속 자체로만 이루어져 있어, 상기와 같은 리튬 금속 자체의 물성으로 인하여, 음극 소재인 리튬 전극 탭이 쉽게 손상될 수 있어 문제가 된다.
이에, 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 소재의 손상 없이 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법의 개발이 중요시되고 있다.
이와 관련하여, 종래기술에서는 상기 리튬 소재가 손상되는 문제를 해결하기 위하여, 금속 리튬으로 구성되는 전극 탭과 메탈 리드의 접합에 앞서, 메탈 리드의 접합부가 되는 표면에 엠보싱 가공이나 그리드 블래스팅 가공을 하여 의도적으로 요철을 마련한 후, 냉간 압접을 하는 방식을 적용해왔다. 이 경우, 접합 강도가 강해지고, 접합부에서의 접촉 저항을 낮추는 것은 가능해지지만, 사전에 예비 가공이 필요하여, 소요 시간이 길어지고, 제조 비용이 늘어나는 문제점이 발생하게 된다. 또한 접합 강도나 접촉 저항을 한층 안정화시키기 위해서는 엠보싱 가공의 돌기 형상, 돌기의 높이 등의 안정화가 중요한 과제가 되고 있었다.
그러나, 제조 비용 절감을 위해 메탈 리드에 대한 사전의 예비 가공을 생략하고, 리튬 금속박과 니켈 도금을 실시한 연강제의 스트립형으로 가공된 메탈 리드를 중첩하고, 냉간 압접 하는 것만으로는 접합 강도가 부족하며, 접촉 저항도 불안정하고 전지 특성에 대해서도 편차가 증대되는 경향이 있다.
또한, 냉간 압접 가공의 가압력을 강하게 하고 접합 강도를 강하게 하고자 하면, 금속 리튬 전극 탭의 접합부가 되는 부분이 변형되거나 파손될 경우가 있으므로, 단순한 냉간 압접 공법을 대량생산을 위한 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합공법으로서 채용하기 어렵다.
따라서, 리튬 이차전지의 음극으로 이용되는 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 예비 가공을 하지 않더라도 소재의 손상 없이 접합할 수 있는 방법이 모색될 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 접합함에 있어서, 탭-리드 적층체의 양면에 특정 고분자 수지 필름을 적층시켜 초음파 용접을 수행함에 있어서, 초음파 인가 시간과 정지 시간, 초음파 강도 및 혼과 앤빌의 피치를 최적화함으로써, 탭-리드 적층체의 인장강도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있는 리튬 이차전지의 전극 탭-메탈 리드의 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 복수 개의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 적층시켜 탭-리드 적층체를 형성하는 단계, 상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시켜 탭-리드 연결부를 형성하는 단계 및 상기 탭-리드 연결부를 혼(horn) 및 앤빌(anvil)을 포함하는 초음파 용접기를 통하여 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법을 제공한다.
상기 초음파 용접은 앤빌의 평탄면 상에 용접 대상물을 위치시키고 혼이 상기 용접 대상물을 가압 및 진동하여, 상기 용접 대상물과 혼의 접촉지점에서 스팟 용접이 이루어지는 것일 수 있다.
상기 초음파 용접은 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 혼 측에 배치된 상태에서 수행하는 것일 수 있다.
상기 메탈 리드의 두께는 0.1 내지 5 mm이고, 상기 복수 개의 리튬 전극 탭의 두께는 0.3 내지 1.6 mm일 수 있다.
상기 복수 개의 리튬 전극 탭은 리튬 전극 탭을 형성하는 개별 리튬 전극 탭이 상기 메탈 리드 상에 10 내지 20개 적층되어 있는 것일 수 있다.
상기 초음파 용접의 초음파 인가 시간(weld time)은 0.01 내지 0.05 초일 수 있다.
상기 초음파 용접의 정지 시간(hold time)은 0.01 내지 0.05 초일 수 있다.
상기 초음파 용접은 0.1 내지 0.5 MPa의 최대압력에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 초음파 용접은 100 내지 4,800 W의 파워에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 혼은 복수 개의 돌출형 팁을 포함하고, 상기 팁의 밑변 길이(pitch)는 0.5 내지 1.5 mm인 것일 수 있다.
상기 고분자 수지 필름은 폴리프로필렌(PP) 필름을 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지 필름의 두께는 10 내지 50 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법을 이용하여 제조된 리튬 이차전지용 음극을 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법은, 리튬 전극 탭과 메탈 리드가 적층된 탭-리드 적층체의 양면에 특정 수지 필름을 적층시킨 후, 초음파 용접을 수행함으로써, 전지의 성능에 있어서는, 종래 기술에 따른 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법에 의한 리튬 이차전지와 큰 차이가 없을 정도로 우수한 성능을 나타내는 동시에, 리튬 이차전지의 음극 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 소재의 손상 없이 접합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 접합된 리튬 전극 탭과 메탈 리드 간의 인장강도가 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접기를 이용하여 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 니켈 리드를 접합하는 공정을 나타내는 모식도이다.
이하 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함한다'고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서, 본 발명의 '탭-리드 적층체'는 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 적층시켜 형성한 구조를 가리키며, '탭-리드 연결부'는 상기 탭-리드 적층체의 양면에 수지 필름을 적층시켜 형성한 구조를 가리킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법은, (1) 복수 개의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 적층시켜 탭-리드 적층체를 형성하는 단계; (2) 상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시켜 탭-리드 연결부를 형성하는 단계; 및 (3) 상기 탭-리드 연결부를 혼(horn) 및 앤빌(anvil)을 포함하는 초음파 용접기를 통하여 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
리튬 이차전지의 일종인 리튬-황(Li-S) 전지의 경우, 종래에는 음극을 제작함에 있어서, 집전체로서 구리 호일(Cu foil)을 사용하고, 상기 구리 호일의 양면에 리튬을 라미네이션시키는 방식을 적용하여 리튬 전극(음극)을 제작하였으나, 본 발명에서는 에너지 밀도의 개선 및 원재료비 절감 등을 고려하여, 집전체(구리 호일)를 배제한 채, 리튬 전극 자체만을 이용하여 리튬 전극 탭을 메탈 리드에 접합한 점에서, 종래의 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법을 그대로 적용할 수 없다. 상기와 같이, 리튬 이차전지의 음극을 리튬 전극 자체만으로 구성하기 위해서는, 리튬 전극 탭과 메탈 리드 간에 견고한 접합이 필요하다.
하지만, 음극을 융점이 낮고, 연성이 높은 리튬 금속 자체를 음극의 전극 탭으로 구성하는 경우에는, 종래의 리튬 이온전지의 전극 탭과 메탈 리드의 접합 시 이용되었던 종래의 용접 방식을 그대로 적용할 경우, 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합 중 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 소재의 손상이 발생하여, 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 접합하는데 어려움이 있다.
이에, 본 출원인은, 종래의 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법의 하나인 초음파 용접 방식을 그대로 적용하면서도, 별도의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 예비 가공을 하지 않더라도, 리튬 이차전지의 음극으로 적용되는 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 소재의 손상 없이 접합할 수 있는 방법을 발명해 낸 것이다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법은, 먼저,　(1) 복수 개의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 적층시켜 탭-리드 적층체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 탭은 리튬 전극의 일측에서 소정 길이로 연장 형성되는 부분으로서, 상기 메탈 리드와 연결되어 리튬 이차전지의 충방전을 위한 도전로를 제공하는 부분일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 리튬 전극 탭은 복수 개의 개별 리튬 전극 탭이 적층되어 형성되는 것일 수 있고, 예를 들어 10 내지 20개의 개별 리튬 전극 탭이 적층되어 있는 것일 수 있고, 예를 들어 15 내지 20개, 예를 들어 16 내지 20개, 예를 들어 17 내지 20개, 예를 들어 18 내지 20개, 예를 들어 19 내지 20개의 개별 리튬 전극 탭이 적층되어 형성되는 것일 수 있다. 상기 리튬 전극 탭은 그 적층 개수가 증가할수록 접합 후의 리튬 전극 탭의 인장강도가 증가하나, 적층된 개별 리튬 전극 탭이 20개를 초과하는 경우에는 리튬 전극 탭의 최상단에서 높은 연성을 가지는 리튬 전극 탭이 파단되는 현상이 나타날 수 있다.　
상기 복수 개의 리튬 전극 탭을 구성하는 각각의 리튬 전극 탭의 두께는, 예를 들어 30 내지 80 ㎛일 수 있고, 예를 들어 40 내지 70 ㎛일 수 있고, 예를 들어 50 내지 60 ㎛일 수 있다.
이에 따라, 복수 개로 적층된 리튬 전극 탭의 전체 두께는, 예를 들어, 0.3 mm 이상, 0.4 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.6 mm 이상, 0.7 mm 이상, 0.8 mm 이상일 수 있고, 1.6 mm 이하, 1.5 mm 이하, 1.4 mm 이하, 1.3 mm 이하, 1.2 mm 이하, 1.1 mm 이하일 수 있다.
상기 메탈 리드의 재질은 당업계에서 통용되는 전도성 금속일 수 있고, 그 중, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 철(Fe) 등을 대표적으로 예시할 수 있으며, 통상적인 메탈 리드의 재질인 니켈이나 구리를 사용하는 것이 바람직하고, 구리에 비하여 부식성이 우수한 니켈을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 그 밖에, 구리에 니켈을 도금한 소재 등, 상기 예시한 어느 하나의 금속에 다른 금속을 도금한 것들을 본 발명의 메탈 리드로 적용할 수 있다.
이후, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법은, (2) 상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시켜 탭-리드 연결부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시킴으로써, 초음파 용접시 리튬 전극 탭의 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 메탈 리드로부터 금속 분말이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 초음파 용접시 웰딩파워(welding power)를 완화시켜 리튬 전극 탭의 파손을 방지할 수 있다. 상기 고분자 수지 필름을 적층시키지 않은 경우에는, 탭-리드 적층체에 초음파 용접기의 진동이 그대로 가해져 리튬 전극 탭이 타공되고, 찢어질 수 있는 문제점이 발생할 수 있어, 상기 상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 탭-리드 적층체의 양면에 적층되는 고분자 수지 필름은, 폴리에스테르계 필름, 폴리페닐렌설파이드 필름, 폴리아미드 필름, 폴리이미드 필름 또는 폴리올레핀계 수지 필름일 수 있으며, 바람직하게는 폴리올레핀계 수지 필름일 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리프로필렌(PP) 필름일 수 있다. 상기 탭-리드 적층체의 양면에 적층되는 고분자 수지 필름으로서 폴리프로필렌(PP) 필름을 적용할 경우, 접합강도가 우수하고, 용접 후 전극 탭과 메탈 리드로부터의 탈리가 용이하며, 용접시 모재의 파단 없이 용접이 가능하고, 인장강도 측정 결과 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합이 파단되지 않는 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 고분자 수지 필름의 두께는 10 내지 150 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 고분자 수지 필름의 두께가 상기 범위의 하한 미만인 경우, 초음파 용접시 리튬 전극 탭이 손상될 수 있고, 메탈 리드로부터 금속 분말이 발생할 수 있으며, 상기 고분자 수지 필름의 두께가 상기 범위의 상한을 초과하면, 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 용접이 제대로 이루어지지 않아, 상기 고분자 수지 필름의 두께는 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리프로필렌(PP) 필름의 녹는점은 160 ℃ 이상일 수 있다. 상기 폴리프로필렌(PP) 필름의 녹는점이 160 ℃ 미만인 경우에는, 초음파 용접시 상기 폴리프로필렌(PP) 필름이 용융되어, 리튬 전극 탭 및 메탈 리드에 융착되므로, 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 메탈 리드 및 리튬 전극 탭의 두께는, 목적하는 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 인장강도에 따라 가변될 수 있으나, 셀 디자인 및 전기적 특성을 고려할 때, 상기 메탈 리드의 두께는 예를 들어 0.1 내지 5 mm일 수 있고, 예를 들어 0.1 내지 3 mm일 수 있고, 예를 들어 0.1 내지 1 mm일 수 있고, 예를 들어 0.1 내지 0.5 mm일 수 있고, 바람직하게는 0.1 내지 0.2 mm일 수 있다.
이후, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법은,　(3) 상기 탭-리드 연결부를 혼(horn) 및 앤빌(anvil)을 포함하는 초음파 용접기를 통하여 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명의 상기 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합은 초음파 진동에 의해 금속끼리 용접하는 초음파 용접에 의해 수행될 수 있고, 리튬 전극 탭이 복수개인 경우, 리튬 전극 탭의 적층부와 메탈 리드로 이루어진 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시킨 탭-리드 연결부의 양면에서 초음파 용접이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접은 앤빌의 평탄면 상에 용접 대상물을 위치시키고 혼이 상기 용접 대상물을 가압 및 진동하여, 상기 용접 대상물과 혼의 접촉지점에서 스팟 용접이 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접은 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 혼 측에 배치된 상태에서 수행할 수 있다. 이와 반대로, 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 혼 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치된 상태에서는 상기 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합이 불가능하므로, 상기와 같이, 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 혼 측에 배치된 상태에서 초음파 용접을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 초음파 용접은, 그 조건을 리튬 전극 탭, 메탈 리드 및 고분자 수지 필름의 재료, 두께 등의 조건에 따라, 리튬 전극 탭이 손상되지 않는 범위에서 리튬 전극 탭과 메탈 리드가 용이하게 접합되도록 적절하게 조절할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접은 15 내지 70 kHz의 주파수에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 15 내지 60 kHz, 예를 들어, 15 내지 50 kHz, 예를 들어, 15 내지 40 kHz, 바람직하게는, 15 내지 30 kHz, 보다 바람직하게는 15 내지 25 kHz, 가장 바람직하게는 20 kHz의 주파수에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접의 초음파 인가 시간(weld time)은 0.01 내지 0.05 초일 수 있고, 예를 들어 0.01초 이상 또는 0.02초 이상일 수 있고, 0.05초 이하, 0.04초 이하 또는 0.03초 이하일 수 있다. 상기 초음파 용접의 초음파 인가 시간이 상기 범위 미만인 경우 리튬 전극 탭과 메탈 리드 간의 용접이 효과적으로 이루어지지 않아 탭-리드 연결부가 안정적으로 형성되지 않는 문제가 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 용접 시간이 지연됨에 따라, 이른바 '과용접'에 의한 리튬 전극 탭을 구성하는 리튬 금속의 퍼짐현상이 발생함에 따라 리튬 이차전지를 효과적으로 제조하기 어려운 문제가 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접의 정지 시간(hold time)은 0.01 내지 0.05 초일 수 있고, 예를 들어 0.01초 이상 또는 0.02초 이상일 수 있고, 0.05초 이하, 0.04초 이하 또는 0.03초 이하일 수 있다. 상기 초음파 용접의 정지 시간이 상기 범위를 초과하는 경우 용접 시간이 지연됨에 따라, 이른바 '과용접'에 의한 리튬 전극 탭을 구성하는 리튬 금속의 퍼짐현상이 발생함에 따라 리튬 이차전지를 효과적으로 제조하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접은 예를 들어, 0.1 내지 0.5 MPa의 최대압력에서 수행될 수 있고, 예를 들어, 0.1 MPa 이상, 0.15 MPa 이상, 0.2 MPa 이상 또는 0.25 MPa 이상의 최대압력에서 수행될 수 있고, 0.5 MPa 이하, 0.45 MPa 이하, 0.4 MPa 이하, 0.35 MPa 이하 또는 0.3 MPa 이하 의 최대압력에서 수행될 수 있다. 상기 초음파 용접의 최대압력이 상기 범위 미만인 경우 리튬 전극 탭과 메탈 리드 간의 용접이 효과적으로 이루어지지 않아 탭-리드 연결부가 안정적으로 형성되지 않는 문제가 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 용접 압력이 과도하게 증가하여, 이른바 '과용접'에 의한 리튬 전극 탭을 구성하는 리튬 금속의 퍼짐현상이 발생함에 따라 리튬 이차전지를 효과적으로 제조하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접은 100 내지 4,800 W의 파워에서 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 초음파 용접은 상기 범위 파워를 최대 파워(max)로 설정하고, 예를 들어 이의 100% 이하, 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하 또는 70% 이하의 파워로 설정하여 수행할 수 있다. 다만, 상기 초음파 용접이 원활하게 진행되기 위해서, 예를 들어, 상기 최대 파워(max)의 적어도 70% 이상을 유지할 필요가 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 초음파 용접기는 혼(horn)을 포함하며, 상기 혼은 복수 개의 돌출형 팁을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 복수 개의 돌출형 팁은 널 플레이트에 형성되는 것일 수 있다.
상기 혼에 포함되는 돌출형 팁의 경우, 예를 들어, 피라미드 형태로 이루어질 수 있으며, 이러한 피라미드 형태의 밑변 길이(pitch)는, 예를 들어, 0.5 내지 1.5 mm일 수 있고, 예를 들어, 0.7 내지 1.2 mm일 수 있고, 바람직하게는 0.8 내지 1.0 mm일 수 있다. 상기 팁의 밑변 길이가 상기 범위 미만인 경우 리튬 전극 탭과 메탈 리드 간의 용접이 효과적으로 이루어지지 않아 탭-리드 연결부가 안정적으로 형성되지 않는 문제가 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 리튬 전극 탭을 구성하는 리튬 금속의 형상이 심하게 변형됨에 따라 탭 자체가 단선될 수 있는 문제가 있다.
한편, 본 발명은 상기 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법을 이용하여 제작된 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하며, 상기 리튬 이차전지는 리튬-황 전지, 리튬 공기 전지 및 리튬 메탈 전지 등 통상의 리튬계 이차전지일 수 있으며, 상기 리튬 이차전지용 음극, 양극, 상기 음극과 양극의 사이에 개재되는 전해질 및 분리막을 포함한다. 여기서, 상기 리튬 이차전지용 음극을 제외한 음극의 제반 구성, 양극, 전해질 및 분리막은 당업계에서 사용하는 통상의 것일 수 있으며, 이하, 양극, 전해질 및 분리막에 대한 구체적인 설명을 하도록 한다.
양극
본 발명의 리튬 이차전지에 포함되는 양극은, 양극 활물질, 바인더 및 도전재 등을 포함한다. 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 첨가된다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극 활물질과 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.
상기 양극에 포함되는 도전재는 리튬 이차전지의 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 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극 활물질에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 양극 활물질에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.
또한, 본 발명의 양극에는 그 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 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. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다.
전해질
상기 전해질 또는 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서　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. 상기 (비수계) 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 필요에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
한편, 본 발명의 리튬 이차전지는 당분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 상기 리튬 이차전지 2개 이상이 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 리튬 이차전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.
나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 하기 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 리튬 이차전지용 음극의 제조
먼저, 두께 60 ㎛의 리튬 전극 탭 19장을 적층(두께: 1.2 mm)하고, 그 위에 두께 0.2 mm의 니켈 리드를 적층시킨 후, 상기 니켈 리드 상면 및 상기 리튬 전극 탭 하면에 폴리프로필렌 필름(20 ㎛, 미츠비시 화학, MRF38)을 적층하였다.
상기 폴리프로필렌 필름이 적층된 리튬 전극 탭 및 니켈 리드를, 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 혼 측에 배치된 상태에서, 하기 표 1의 용접 조건에 따라 초음파 용접기((주)에코소닉, ECM 35-50)를 이용하여, 초음파 용접하여 이차전지용 음극을 제조하였다.
이때, 초음파 인가 시간(weld time), 정지 시간(hold time), 최대 압력, 혼과 앤빌의 피치는 하기 표 1과 같이 설정하여 초음파 용접을 진행하였다.
실시예 2 내지 5: 리튬 이차전지용 음극의 제조
초음파 인가 시간(weld time), 정지 시간(hold time), 파워(amp), 최대 압력, 혼과 앤빌의 피치를 하기 표 1과 같이 설정한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 초음파 용접을 진행하였다.
비교예 1: 리튬 이차전지용 음극의 제조
먼저, 두께 60 ㎛의 리튬 전극 탭 19장을 적층(두께: 1.2 mm)하고, 그 위에 두께 0.2 mm의 니켈 리드를 적층시킨 후, 상기 니켈 리드 상면 및 상기 리튬 전극 탭 하면에 폴리프로필렌 필름(20 ㎛, 미츠비시 화학, MRF38)을 적층하였다.
상기 폴리프로필렌 필름이 적층된 리튬 전극 탭 및 니켈 리드를, 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 혼 측에 배치된 상태에서, 하기 표 1의 용접 조건에 따라 용접을 진행하되, 상기 실시예 1과 달리 초음파 용접기에 초음파를 인가하지 않고 수동으로 초음파 용접기를 위아래로 움직여 피용접 대상을 압착하는 방식으로 용접을 진행하였다.
비교예 2 내지 9: 리튬 이차전지용 음극의 제조
초음파 인가 시간(weld time), 정지 시간(hold time), 파워(amp), 최대 압력, 혼과 앤빌의 피치를 하기 표 1과 같이 설정한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 초음파 용접을 진행하였다.
초음파 인가 시간
(sec)		 정지 시간
(sec)		 Amp
(%)		 Amp
(W)		 최대 압력
(MPa)		 혼 피치
(mm)		 앤빌 피치
(mm)
실시예 1 0.02 0.03 80 3,840 0.3 0.8 0.3
실시예 2 0.02 0.03 80 3,840 0.3 1.0 0.3
실시예 3 0.03 0.02 90 4,320 0.35 0.8 0.3
실시예 4 0.01 0.01 90 4,320 0.3 1.0 0.3
실시예 5 0.05 0.05 70 3,360 0.15 0.6 0.3
비교예 1 압착 - - - 0.3 0.6 0.3
비교예 2 0.005 0.02 70 3,360 0.15 0.6 0.3
비교예 3 0.1 0.1 70 3,360 0.22 0.6 0.3
비교예 4 0.005 0.005 90 4,320 0.3 1.0 0.3
비교예 5 0.005 0.03 90 4,320 0.3 1.0 0.3
비교예 6 0.005 0.1 90 4,320 0.3 1.0 0.3
비교예 7 0.1 0.005 70 3,360 0.22 0.6 0.3
비교예 8 0.1 0.03 70 3,360 0.22 0.6 0.3
비교예 9 0.1 0.1 70 3,360 0.22 0.6 0.3
실험예 1: 초음파 용접에 의한 리튬 이차전지용 음극 탭-리드의 접합 여부 평가
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 접합 여부를 평가하였다. 상기 리드-탭 접합부의 접합 여부에 대한 평가는 육안으로 접합 부위의 탈리 및 타공 정도의 관찰을 통해 진행하였다.
그 결과 하기 표 2와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 리튬 이차전지용 음극의 경우 리튬 전극 탭과 메탈 리드가 접합하여 탭-리드 연결부를 안정적으로 형성한 것을 확인할 수 있었으나, 비교예 1 내지 9에 따라 제조된 리튬 이차전지용 음극의 경우 리튬 전극 탭과 메탈 리드가 접합되지 않아 유효한 탭-리드 연결부를 형성하기 어려운 것을 확인하였다.
실험예 2: 초음파 용접에 의한 리튬 이차전지용 음극 탭-리드의 인장강도 평가
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 인장강도를 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 인장강도는 AMETEK社의 UTM 장비를 사용하고, 각 실시예 및 비교예에서 제조된 탭-리드 연결부에 추를 매달아 600 N의 힘을 가하였을 때의 측정되는 기계방향(MD)의 인장강도 수치를 확인하였다.
인장강도 측정 결과, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 경우, 탭-리드가 파단되기까지 필요한 힘이 크고, 인장강도가 높은 것을 확인할 수 있으나, 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 경우, 리튬 전극 탭의 파손으로 유효한 인장강도를 측정할 수 없었다. 이는, 초음파 용접기에 초음파를 인가하지 않고 수동으로 초음파 용접기를 위아래로 움직여 피용접 대상을 압착하는 방식으로 용접을 진행(비교예 1)하거나, 초음파 용접의 초음파 인가 및 정지 시간이 지나치게 짧아 리튬 전극 탭과 메탈 리드 간의 용접이 효과적으로 이루어지지 않아 탭-리드 연결부가 안정적으로 형성되지 않고, 또는 초음파 용접의 초음파 인가 및 정지 시간이 지나치게 지연되어 이른바 ‘과용접’에 의한 리튬 전극 탭을 구성하는 리튬 금속의 퍼짐현상이 발생한 것으로 이해될 수 있다.
실험예 3: 초음파 용접에 의한 리튬 이차전지용 음극 탭-리드의 전기전도도 평가
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 전기전도도를 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 전기전도도는 전지셀의 출력 및 저항에 대한 측정방법을 사용하였으며, 구체적으로는, 전지셀의 특성을 고려하여 SOC를 50으로 설정하고, 120 A의 직류 전류를 10초 동안 흘려준 후, 전류가 통하기 전, 후의 전압차를 측정함으로써 각 리드-탭 접합부의 저항을 측정함으로써 계산하였다.
전기전도도 측정 결과, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 경우, 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 초음파 용접면의 저항이 낮게 측정되었고, 이를 통해 실시예 1 내지 5에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 경우 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 반면, 비교예 1 내지 9에서 제조된 리튬 이차전지용 음극의 리드-탭 접합부의 경우, 리튬 전극 탭의 파손으로 유효한 전기전도도를 측정할 수 없었다.
접합 여부 인장 강도(gf/mm) 전기전도도(mΩ)
실시예 1 O 0.30 0.65
실시예 2 O 0.27 0.63
실시예 3 O 0.28 0.66
실시예 4 O 0.25 0.62
실시예 5 O 0.26 0.63
비교예 1 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 2 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 3 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 4 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 5 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 6 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 7 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 8 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
비교예 9 X 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가 리튬 전극 탭의 파손으로 측정 불가
이상의 결과를 통해, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법을 통해 제작된 음극을 리튬 이차전지에 적용할 경우, 별도의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 예비 가공을 하지 않더라도, 초음파 용접시 리튬 전극 탭과 메탈 리드 소재의 손상이 발생하지 않고, 우수한 인장강도 및 전기전도도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 복수 개의 리튬 전극 탭과 메탈 리드를 적층시켜 탭-리드 적층체를 형성하는 단계;
    상기 탭-리드 적층체의 양면에 고분자 수지 필름을 적층시켜 탭-리드 연결부를 형성하는 단계; 및
    상기 탭-리드 연결부를 혼(horn) 및 앤빌(anvil)을 포함하는 초음파 용접기를 통하여 초음파 용접을 수행하는 단계;
    를 포함하는 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  2. 제1항에서,
    상기 초음파 용접은 앤빌의 평탄면 상에 용접 대상물을 위치시키고 혼이 상기 용접 대상물을 가압 및 진동하여, 상기 용접 대상물과 혼의 접촉지점에서 스팟 용접이 이루어지는 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  3. 제1항에서,
    상기 초음파 용접은 상기 리튬 전극 탭이 초음파 용접기의 앤빌 측에 배치되고, 상기 메탈 리드가 초음파 용접기의 혼 측에 배치된 상태에서 수행하는 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  4. 제1항에서,
    상기 메탈 리드의 두께는 0.1 내지 5 mm이고,
    상기 복수 개의 리튬 전극 탭의 두께는 0.3 내지 1.6 mm인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  5. 제1항에서,
    상기 복수 개의 리튬 전극 탭은 리튬 전극 탭을 형성하는 개별 리튬 전극 탭이 상기 메탈 리드 상에 10 내지 20개 적층되어 있는 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  6. 제1항에서,
    상기 초음파 용접의 초음파 인가 시간(weld time)은 0.01 내지 0.05 초인 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  7. 제1항에서,
    상기 초음파 용접의 정지 시간(hold time)은 0.01 내지 0.05 초인 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  8. 제1항에서,
    상기 초음파 용접은 0.1 내지 0.5 MPa의 최대압력에서 수행되는 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  9. 제1항에서,
    상기 초음파 용접은 100 내지 4,800 W의 파워에서 수행되는 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  10. 제1항에서,
    상기 혼은 복수 개의 돌출형 팁을 포함하고,
    상기 팁의 밑변 길이(pitch)는 0.5 내지 1.5 mm인 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  11. 제1항에서,
    상기 고분자 수지 필름은 폴리프로필렌(PP) 필름을 포함하는 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  12. 제1항에서,
    상기 고분자 수지 필름의 두께는 10 내지 50 ㎛인 것인,
    리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 리튬 이차전지의 리튬 전극 탭과 메탈 리드의 접합방법을 이용하여 제조된 리튬 이차전지용 음극.
KR1020230134878A 2022-10-14 2023-10-11 리튬 이차전지의 전극 탭-메탈 리드의 접합방법 KR20240052667A (ko)

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