KR101785759B1 - 전극조립체의 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 판상으로 형성된 음극의 상부 및 하부에, 2개의 분리막 사이에 양극이 개재되어 이루어진 양극 단위체가 교대로 배열되고, 상기 음극의 상부의 양극 단위체 및 하부의 양극 단위체가 교대로 형성되어 있는 경계 부분을 지그재그 형태로 절곡시켜 이루어진 전극조립체에 관한 것이다.

Description

전극조립체의 및 이를 제조하는 방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 하나의 판상으로 형성된 음극의 상부 및 하부에, 2개의 분리막 사이에 양극이 개재되어 이루어진 양극 단위체가 교대로 배열되고, 상기 음극의 상부의 양극 단위체 및 하부의 양극 단위체가 교대로 형성되어 있는 경계 부분을 지그재그 형태로 절곡 ("z-폴딩"이라고도 함)시켜 이루어진 전극조립체에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도 높은 에너지 밀도와 고전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

리튬 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체와 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되고 있다.

또한, 리튬 이차전지는 상기 전극조립체의 구조에 따라 크게 젤리-롤형 (권취형)과 스택형 (적층형)으로 구분된다. 예를 들면, 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱하여 전극을 제조하고, 상기 전극을 원하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단한 다음, 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막하고, 나선형으로 감아 제조된다. 하지만, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용하는 경우, 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 상기 스택형 전극조립체는 복수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 1 내지 3에 기재되어 있는 바와 같이, 소정 크기의 양극/분리막(분리막)/음극의 풀셀 (full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 바이셀 (bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 개재한 상태에서 양극과 음극이 대면하도록 순차적으로 적층한 구조로 이루어진 전극조립체가 개발되었다.

이러한 중첩식 전극조립체의 구조는 도 1a 및 1b에 도시된 제조 과정의 모식도에 의해 확인할 수 있다.

도 1a 및 1b를 참고하면, 중첩식 전극조립체 (10)는, 양극 (1)과 음극 (2) 및 분리막 (5)을 일정한 크기로 절단하는 공정, 절단된 양극 (1)과 음극 (2) 및 분리막 (5)을 순차적으로 적층하여 바이셀(또는 풀셀) (6)을 제조하는 공정 (도 1a 참조), 이렇게 제조된 바이셀 (6)을 분리필름 (7)을 사용하여 폴딩하는 공정 (도 1b 참조), 및 양극 (1) 및 음극 (2)의 일측에서 돌출된 전극 탭들 (3, 4)을 전기적으로 연결하는 공정 등 여러 과정을 거쳐 제조되기 때문에, 제조과정이 번잡하고, 공정수에 따른 제조비용과 제조시간이 증가되는 단점을 가지고 있다. 또한, 전극 탭들 (3, 4)을 연결하는 공정은 별도의 연결부재가 필수적일 뿐만 아니라, 용접 등의 까다로운 작업으로 수행되므로, 제조비용의 증가는 물론 전지의 불량 발생 확률을 높이는 원인이 된다.

최근, 이러한 단점을 개선하기 위하여, 스택형 및 중첩식 적층 구조 대신 수직 단면상으로 지그재그형인 전극조립체를 제조하는 방법이 알려져 있다.

예를 들어, 특허문헌 4에는 집전체에 일면에 활물질층을 코팅한 전극을 수직 단면상으로 지그재그형으로 절곡하고, 분리막을 개재한 상태에서 활물질층이 서로 대면하도록 전극을 끼워 맞추는 이차전지용 전극조립체 제조 방법이 개시되어 있다.

하지만, 상기 방법은 종래 중첩식 전극조립체와 마찬가지로 각각의 전극 집전체 상에 양극 및 음극 활물질을 각각 코팅하여 전극 유닛들을 제조하고, 이들 사이에 분리막을 정렬시키는 공정 등이 필요하므로 근본적인 한계를 가지고 있다.

또한, 특허문헌 5에는 전극 시트와 분리막을 양극/분리막/음극/분리막의 적층 구조로 제조한 후 이를 지그재그형으로 접어 전극조립체를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

하지만, 이 방법 또한, 각각의 전극 집전체 상에 각각의 전극을 형성한 다음, 이들을 전극과 분리막의 적층 구조물을 절곡하여 형성하기 때문에, 그들 각각의 소정 두께에 의해 절곡하는 과정이 용이하지 않고, 또한 이러한 접는 과정이 가능할 수 있도록 힘을 인가하는 과정에서 집전체 상의 전극 활물질층이 탈리되는 문제점을 가지고 있다.

이와 같이, 종래 스택, 스택 앤 폴딩 또는 폴딩 등의 방식으로 제조된 전극조립체는 대부분 전극 제조를 위한 집전체의 사용량이 많거나, 전지 제조 또는 팽창 시 전체 구조가 뒤틀리는 등의 문제점이 있다. 특히, 양극 및 음극 제조용 집전체 재료가 동일함에도 양극 및 음극을 각각 2 단계 공정으로 나누어 제조하고 있으므로, 제조 비용 및 제조 시간의 증가를 가져온다. 따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있음과 동시에, 제조 비용 및 제조 시간을 감축할 수 있는 새로운 전극조립체의 제조 기술에 대한 개발이 필요한 실정이다.

1. 한국 특허공개 제2001-82058호 공보 2. 한국 특허공개 제2001-82059호 공보 3. 한국 특허공개 제2001-82060호 공보 4. 한국 등록특허 10-0907623호 공보 5. 한국 등록특허 10-0313119호 공보

본 발명은 분리막을 사이에 두고 양극과 음극을 배열하여, 분리막을 폴딩하는 종래의 z-폴딩 전극조립체와는 상이한 구조의 z-폴딩 전극조립체를 제공하고자 한다.

본 발명은 하나의 판상으로 형성된 음극의 상부 및 하부에, 2개의 분리막 사이에 양극이 개재되어 이루어진 양극 단위체가 교대로 배열되고,

상기 음극의 상부의 양극 단위체 및 하부의 양극 단위체가 교대로 형성되어 있는 경계 부분을 지그재그 형태로 절곡시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

상기 음극은 음극집전체 위에 음극활물질이 일정 간격으로 이격되도록 도포되어, 음극활물질이 도포되지 않는 음극 무지부가 형성되고, 상기 음극 무지부가 형성된 부분이 지그재그 형태로 절곡되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 음극의 크랙을 방지하기 위하여 절곡되는 부위의 전부 또는 일부를 절단하는 것이 바람직하다.

상기 음극활물질의 너비는 양극에 도포된 양극활물질의 너비와 동일한 것이 바람직하며, 상기 음극 무지부의 너비는 음극활물질 너비의 5~10%인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 2개의 분리막 사이에 양극이 개재되어 이루어진 양극 단위체를 제조하는 단계;

하나의 판상으로 형성된 음극집전체에 음극활물질을 도포하여 음극을 제조하는 단계;

상기 음극의 상부 및 하부에 양극 단위체를 교대로 배열하는 단계;

상기 음극의 상부의 양극 단위체 및 하부의 양극 단위체가 교대로 형성되어 있는 경계 부분을 지그재그 형태로 절곡시키는 단계를 포함하는 전극조립체의 제조방법을 제공한다.

상기 음극을 제조하는 단계에서 음극활물질은 일정 간격으로 이격되도록 도포되어, 음극활물질이 도포되지 않는 무지부를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 음극의 크랙을 방지하기 위하여 절곡시키는 단계 이후에 절곡된 무지부를 전부 또는 일부 절단하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 절단 단계는 특별히 제한되지는 않으나, 커팅 또는 펀칭 방법으로 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 전술한 전극조립체를 포함하는 이차전지; 및

전술한 전극조립체 제조방법을 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 종래의 A-타입 또는 C-타입 바이셀을 이용하는 z-폴딩 전극조립체 제조 공정에 비하여 공정을 단순화시킬 수 있고, 이에 따라 전지의 제조 비용 및 제조 시간을 감축할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 중첩식 전극조립체 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 전극조립체에 사용되는 양극 단위체를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 전극조립체의 배열구조를 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a에 나타낸 배열 구조를 z-폴딩하는 과정을 보여주는 단면도이다.
도 3c는 도 3b와 같이 z-폴딩하여 제조된 전극조립체를 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명을 첨부하는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 단, 첨부된 도면은 본 발명의 구현예를 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

종래의 지그재그 형태로 절곡되는 ("z-폴딩"이라고도 함) 전극조립체가 하나의 판상으로 형성된 분리 필름상에 전극을 배열시켜 이루어지는 것에 비하여, 본 발명의 전극조립체는 하나의 판상으로 형성된 음극 (12) 상부 및 하부에 양극 단위체 (110)가 교대로 배열되는 구조를 가진다.

도 2는 본 발명의 전극조립체에 사용되는 상기 양극 단위체 (110)를 도시한 것인데, 2개의 분리막 (15) 사이에 양극(11)이 개재된 구조로 이루어진다.

도 3a는 본 발명의 전극조립체의 배열구조를 나타낸 것인데, 전술한 바와 같이 하나의 판상으로 형성된 음극 (12)의 상부 및 하부에 양극 단위체 (110)를 교대로 배열되어 있다.

도 3b는 도 3a에 나타낸 배열 구조를 z-폴딩하는 과정을 보여주는 단면도이며, 도 3c는 도 3b와 같이 z-폴딩하여 제조된 전극조립체를 나타낸 단면도이다.

이와 같은 z-폴딩 과정에서 음극 (12)의 절곡 부위 (B)가 크랙될 우려가 있기 때문에 이 부분을 도 3c에 점선으로 나타낸 부분과 같이 절단 (C)하는 것이 바람직하다.

또한, 도시되지는 않았지만 상기 음극 (12)은 음극집전체 위에 음극활물질이 일정 간격으로 이격되도록 도포되어, 음극활물질이 도포되지 않는 음극 무지부가 형성되는 것이 상기 절곡 부위 (B) 크랙을 방지하기 위하여 바람직하다. 즉, 음극 무지부가 절곡 부위 (B)가 되어 z-폴딩되는 것이 바람직하다.

음극 무지부가 형성되는 음극활물질 패턴에 있어서, 음극활물질의 너비는 양극 (11)에 도포된 양극활물질의 너비와 동일하게 하는 것이 바람직하고, 음극 무지부의 너비는 음극활물질 너비의 약 5~10% 범위인 것이 바람직하다.

1, 11: 양극
2, 12: 음극
5, 15: 분리막
110: 양극 단위체
10, 100: 전극조립체
B: 절곡 부위
C: 절단 위치

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 2개의 분리막 사이에 양극이 개재되어 이루어진 양극 단위체를 제조하는 단계;
   하나의 판상으로 형성된 음극집전체에 음극활물질을 도포하여 음극을 제조하는 단계;
   상기 음극의 상부 및 하부에 양극 단위체를 교대로 배열하는 단계;
   상기 음극의 상부의 양극 단위체 및 하부의 양극 단위체가 교대로 형성되어 있는 경계 부분을 지그재그 형태로 절곡시키는 단계를 포함하고,
   상기 음극을 제조하는 단계에서 음극활물질은 일정 간격으로 이격되도록 도포되어, 음극활물질이 도포되지 않는 무지부를 형성하고,
   상기 절곡시키는 단계는 상기 음극의 상기 무지부를 절곡 부위가 되도록 지그재그 폴딩하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
7. 삭제
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 절곡시키는 단계 이후에 절곡된 무지부를 전부 또는 일부 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 절단 단계는 커팅 또는 펀칭 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
10. 삭제
11. 청구항 6의 전극조립체 제조방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.

Images