KR20230133518A

KR20230133518A - 전극 조립체의 제조 방법, 이차전지 및 이차전지의 제조방법

Info

Publication number: KR20230133518A
Application number: KR1020220030620A
Authority: KR
Inventors: 설동희; 성기은; 박상진
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-19

Abstract

본 출원은 전극 조립체의 제조 방법, 이차전지 및 이차전지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

Description

전극 조립체의 제조 방법, 이차전지 및 이차전지의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD FOR ELECTRODE ASSEMBLY, SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD FOR SECONDARY BATTERY}

본 발명은 전극 조립체의 제조 방법, 이차전지 및 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.

이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.

이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.

전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리필름으로 권취한 스택 앤 폴딩형으로 대략 분류할 수 있다.

이러한 전극 조립체를 제조하는 과정에서 기존에는 도 7에 나타난 바와 같이 분리막(10)을 개재한 상태로 적층되는 복수개의 양면 전극(20)으로 구비되는 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 적층된 분리막(10)에 단면 전극(30)을 구비한 후 테이핑(taping)하여 상기 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 적층된 분리막(10)에 단면 전극(30)이 적층된 임시 셀(cell)을 고정하였다.

이 후, 상기 임시 셀을 이송하고, 가열 및 가압하여 완성된 전극 조립체를 제조하게 되는데, 상기 이송 과정 중에서 전극이 틀어지는 문제가 발생하였다.

한국 공개특허 제10-2013-0132230호

본 발명은 전극 조립체의 제조 방법, 이차전지 및 이차전지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시상태는, 스태킹(stacking) 공정 및 프레스(press) 공정을 포함하는 전극 조립체의 제조방법으로서, 상기 스태킹 공정은 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 제조하는 단계; 전극활물질이 일면에 코팅된 단면 전극을 제조하는 단계; 분리막을 지그재그로 폴딩하면서, 상기 양면 전극을 폴딩되는 분리막의 접히는 부분에 삽입하여 미완성 전극조립체를 제조하는 단계; 및 상기 미완성 전극조립체의 상면과 하면에 각각 상기 단면 전극을 적층하고, 제1차 가열 및 가압하는 단계를 포함하고, 상기 프레스 공정은 상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체를 제2차 가열 및 가압하여 완제품 전극조립체를 제조하는 단계를 포함하는 것인 전극 조립체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는, 본 출원에 따른 전극 조립체의 제조방법으로 전극 조립체를 제조하는 단계; 상기 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하는 단계; 및 상기 전극 조립체가 수납된 상기 전지 케이스에 전해액을 주입하고, 상기 전지 케이스를 밀봉하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는, 본 출원에 따른 이차전지의 제조방법으로 제조된 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시상태는, 본 출원에 따른 이차전지를 단위셀로 포함하는 전지모듈을 제공한다.

마지막으로, 본 발명의 일 실시상태는, 본 출원에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.

본 출원의 실시상태에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 전극 및 분리막을 적층하여 제조되는 전극 조립체의 제조 과정에서 전극의 위치가 틀어지는 문제를 감소시킬 수 있다.

본 출원의 실시상태에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 균일한 성능의 전극 조립체를 제조할 수 있으며, 전극의 위치가 틀어지지 않도록 정렬시켜 고정할 수 있어, 에너지 밀도가 향상되고, 전극 조립체에서 전극이 돌출되어 전지 외관까지 돌출 형성되는 것을 방지할 수 있다.

본 출원의 실시상태에 따른 이차전지의 제조 방법은 성능이 균일하고 우수한 전극 조립체를 사용하므로, 이차전지의 불량을 줄이고, 성능이 우수한 이차전지의 제조 및 제공이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제조방법의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체 제조장치를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극조립체 제조장치의 이동부를 도시한 측면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체 제조장치의 이동부의 사용상태를 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체를 도시한 단면도이다.
도 7은 기존의 전극조립체의 제조방법의 일 예시를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구성에만 한정되지 않는다.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 1 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조방법은 완제품인 전극조립체(1)를 제조하는 과정에 있어서, 분리막(10)을 개재한 상태로 적층되는 복수개의 양면 전극(20)으로 구비되는 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 적층된 분리막(10)에 단면 전극(30)을 구비한 후, 1차적으로 가열 및 가압을 하여 상기 단면 전극(30)을 고정한다.

이 후, 1차적으로 가열 및 가압을 하여 상기 단면 전극(30)이 고정된 미완성 전극조립체(1a)를 최종(2차)적으로 가열 및 가압하여 완제품인 전극조립체(1)를 제조한다. 이 때 제조된 완제품인 전극조립체(1)는 도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 분리막(10)을 개재한 상태로 적층되는 복수개의 양면 전극(20)으로 구비되는 미완성 전극조립체(1a)와, 상기 미완성 전극조립체(1a)와 상기 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 적층된 분리막(10)에 구비되는 단면 전극(30)을 포함한다.

상기 분리막(10)은 지그재그로 폴딩되는 구조를 가지며, 상기 지그재그로 폴딩되는 분리막(10)의 접히는 부분에 상기 양면 전극(20)이 삽입된다.

상기 양면 전극(20)은 집전체와, 상기 집전체의 양쪽 표면에 전극활물질이 코팅되는 전극활물질층을 포함한다.

여기서 상기 양면 전극(20)은 양면 음극 및 양면 양극일 수 있으며, 상기 양면 음극 및 양면 양극은 상기 분리막(10)의 접히는 부분에 교대로 삽입된다.

상기 단면 전극(30)은 집전체와, 상기 집전체의 한쪽 표면에 전극활물질이 코팅되는 전극활물질층을 포함한다.

여기서 상기 단면 전극(30)은 단면 음극 또는 단면 양극일 수 있다. 즉, 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 양면 양극이 적층되면, 상기 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 배치된 분리막(10)에 단면 음극이 배치되고, 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 양면 음극이 적층되면, 상기 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 배치된 분리막(10)에 단면 양극이 배치된다.

즉, 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 분리막(10)을 개재한 상태로 적층되는 복수개의 양면 전극(20)으로 구비되는 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 적층된 분리막(10)에 단면 전극(30)을 구비한 후, 1차적으로 가열 및 가압하여 상기 미완성 전극조립체(1a)의 최외각에 적층된 분리막(10)에 단면 전극(30)이 적층된 임시 셀(cell)을 고정하는 것이 특징이다. 이를 통해서, 상기 임시 셀을 이송하고, 최종적으로 가열 및 가압하여 완성된 전극 조립체를 제조하는 과정에서 전극이 틀어지는 문제를 감소시킬 수 있었다.

또한, 균일한 성능의 전극 조립체를 제조할 수 있으며, 전극의 위치가 틀어지지 않도록 정렬시켜 고정할 수 있어, 에너지 밀도가 향상되고, 전극 조립체에서 전극이 돌출되어 전지 외관까지 돌출 형성되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 제조하는 단계는 상기 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극시트가 권취된 제1 공급롤러에서 권출되는 양면 전극시트를 커팅하여 양면 전극을 제조하는 단계; 및 상기 양면 전극을 이송하는 단계를 포함하고, 상기 전극활물질이 일면에 코팅된 단면 전극을 제조하는 단계는 상기 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극시트가 권취된 제2 공급롤러에서 권출되는 단면 전극시트를 커팅하여 단면 전극을 제조하는 단계; 및 상기 단면 전극을 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 제조하는 단계는 상기 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극시트가 권취된 제1 공급롤러에서 권출되는 양면 전극시트를 커팅하여 양면 전극을 제조하는 단계; 및 상기 양면 전극을 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극활물질이 일면에 코팅된 단면 전극을 제조하는 단계는 상기 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극시트가 권취된 제2 공급롤러에서 권출되는 단면 전극시트를 커팅하여 단면 전극을 제조하는 단계; 및 상기 단면 전극을 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미완성 전극조립체의 상면과 하면에 각각 상기 단면 전극을 적층하고, 제1차 가열 및 가압하는 단계는 30℃ 이상, 100℃ 이하의 온도 조건 및 1MPa 내지 5MPa의 압력 조건으로 5초 내지 60초, 바람직하게는 35℃ 이상, 95℃ 이하의 온도 조건 및 1.5MPa 내지 5MPa의 압력 조건으로 5초 내지 30초동안 적층물을 히팅 시키며 가압하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양면 전극을 이송하는 단계 및 상기 단면 전극을 이송하는 단계는 각각 상기 양면 전극 또는 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계; 및 상기 양면 전극 또는 단면 전극을 스택 테이블로 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양면 전극을 이송하는 단계는 양면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계; 및 상기 양면 전극을 스택 테이블로 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단면 전극을 이송하는 단계는 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계; 및 상기 단면 전극을 스택 테이블로 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양면 전극 또는 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계는 상기 양면 전극 또는 단면 전극을 흡착편으로 흡착하여 파지하는 단계; 및 상기 흡착된 양면 전극 또는 단면 전극을 지지편에 압착시켜서 수평하게 펴주는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계는 상기 양면 전극을 흡착편으로 흡착하여 파지하는 단계; 및 상기 흡착된 양면 전극을 지지편에 압착시켜서 수평하게 펴주는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계는 상기 단면 전극을 흡착편으로 흡착하여 파지하는 단계; 및 상기 흡착된 단면 전극을 지지편에 압착시켜서 수평하게 펴주는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양면 전극 또는 단면 전극을 스택 테이블로 이송하는 단계는 상기 양면 전극이 스택 테이블로 이송되는 동안 상기 단면 전극의 이송은 정지되고, 상기 단면 전극이 스택 테이블로 이송되는 동안 상기 양면 전극의 이송은 정지되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2차 가열 및 가압하여 완제품 전극조립체를 제조하는 단계는 30℃ 이상, 100℃ 이하의 온도 조건 및 1MPa 내지 5MPa의 압력 조건으로 5초 내지 60초, 바람직하게는 35℃ 이상, 95℃ 이하의 온도 조건 및 1.5MPa 내지 5MPa의 압력 조건으로 5초 내지 30초동안 적층물을 히팅 시키며 가압하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 온도, 압력 및 시간 조건을 만족시키는 경우, 전극 조립체를 구성하는 단위 전극의 손상을 최소화면서도 전극 조립체를 구성하는 전극과 분리막의 적절한 수준의 접착력과 통기도를 동시에 확보할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분리막을 상기 스택 테이블에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 분리막을 상기 스택 테이블에 공급하는 단계는 상기 분리막을 히팅(Heating)시키며 스택 테이블에 공급하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체를 제2차 가열 및 가압하여 완제품 전극조립체를 제조하는 단계는 상기 스택 테이블 몸체를 가열하여, 상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체를 가열하는 단계; 및 한 쌍의 가압블럭이 상호 마주보는 방향으로 이동되며 상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체를 면 가압하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분리막을 스택 테이블에 공급하는 단계는 분리막 롤에 권취된 분리막이 분리막이 지나가도록 형성된 통로를 통과하며 계속적으로 스택 테이블에 공급되는 것인 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스태킹(stacking) 공정 및 프레스(press) 공정 사이에 상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체 포함하는 전극 조립체를 이송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체 포함하는 전극 조립체를 이송하는 단계는 그리퍼에 의해 이루어지는 것일 수 있다.

즉, 상기 스태킹(stacking) 공정이 이루어지는 스택 테이블과 상기 프레스(press) 공정이 이루어지는 스택 테이블은 상이할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시상태는, 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 제조하는 양면 전극 제조부; 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극을 제조하는 단면 전극 제조부; 분리막을 공급하는 분리막 공급부; 및 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 양면 전극이 배치되고, 최외각에는 각각 단면 전극이 적층된 형태로 적층물이 적층되는 스택 테이블을 포함하는 전극조립체 제조장치를 제공할 수 있다. 상기 최외각은 각각 적층물의 상면 및 하면을 의미한다.

상기 제조장치를 통해서, 상기 양면 전극 및 상기 단면 전극을 적층하여 셀을 제조한 후, 상기 셀을 분리막 사이사이에 배치되도록 적층하여 전극 조립체를 제조할 수 있다, 즉, 분리막이 사이사이에 전극이 위치되는 방식으로 지그 재그 폴딩(Zig Zag Folding)이 가능하게 되고, 별도의 단면 전극을 적층하는 과정과 비교해서 전극의 위치가 틀어지는 문제를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 균일한 성능의 전극 조립체를 제조할 수 있으며, 에너지 밀도가 향상되고, 전극 조립체에서 전극이 돌출되어 전지 외관까지 돌출 형성되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양면 전극 제조부는 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극시트가 권취된 제1 공급롤러; 상기 제1 공급롤러에서 권출되는 양면 전극시트를 커팅하여 양면 전극을 제조하는 제1 커터; 및 상기 양면 전극을 이송하는 제1 컨베이어를 포함하고, 상기 단면 전극 제조부는 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극시트가 권취된 제2 공급롤러; 상기 제2 공급롤러에서 권출되는 단면 전극시트를 커팅하여 단면 전극을 제조하는 제2 커터; 및 상기 단면 전극을 이송하는 제2 컨베이어를 포함할 수 있다.

상기 양면 전극 제조부는 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 연속하여 제조하기 위한 것으로, 도 2를 참조하면, 상기 양면 전극 제조부(110)는, 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극시트(20a)가 권취된 제1 공급롤러(111), 상기 제1 공급롤러(111)에 권취된 양면 전극시트(20a)를 커팅하여 양면 전극(20)을 제조하는 제1 커터(112), 상기 양면 전극(20)을 이송하는 제1 컨베이어(113)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성을 가진 양면 전극 제조부(110)는 전극활물질이 양면에 코팅된 동일한 크기의 양면 전극(20)을 연속하여 제조한다.

또한, 상기 단면 전극 제조부는 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극을 연속하여 제조하기 위한 것으로, 도 2를 참조하면, 상기 단면 전극 제조부(120)는 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극시트(30a)가 권취된 제2 공급롤러(121), 상기 제2 공급롤러(121)에 권취된 단면 전극시트(30a)를 커팅하여 단면 전극(30)을 제조하는 제2 커터(122), 상기 단면 전극(30)을 이송하는 제2 컨베이어(123)를 포함한다. 이와 같은 구성을 가진 단면 전극 제조부(120)는 전극활물질이 단면에 코팅된 동일한 크기의 단면 전극(30)을 연속하여 제조한다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양면 전극 이동부 및 상기 단면 전극 이동부는 각각 상기 스택 테이블의 설정된 위치에 상기 양면 전극 및 상기 단면 전극을 이동시키는 이동부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양면 전극 이동부 및 상기 단면 전극 이동부는 각각 양면 전극제조부에 의해 제조된 양면 전극 및 단면 전극제조부에 의해 제조된 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 흡착부재를 더 포함할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양면 전극 이동부는 양면 전극제조부에 의해 제조된 양면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 흡착부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 단면 전극 이동부는 단면 전극제조부에 의해 제조된 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 흡착부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 흡착부재는 지지편과, 상기 지지편을 관통하여 상기 양면 전극 제조부에 의해 제조된 양면 전극 또는 단면 전극 제조부에 의해 제조된 단면 전극을 흡착하고 원위치로 복귀하면서 흡착된 양면 전극 또는 단면 전극을 상기 지지편의 표면에 밀착시켜서 수평하게 펴주는 흡착편을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양면 전극 이동부는 상기 흡착부재를 포함하고, 상기 흡착부재는 지지편과, 상기 지지편을 관통하여 상기 양면 전극 제조부에 의해 제조된 양면 전극을 흡착하고 원위치로 복귀하면서 흡착된 양면 전극을 상기 지지편의 표면에 밀착시켜서 수평하게 펴주는 흡착편을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 단면 전극 이동부는 상기 흡착부재를 포함하고, 상기 흡착부재는 지지편과, 상기 지지편을 관통하여 단면 전극 제조부에 의해 제조된 단면 전극을 흡착하고 원위치로 복귀하면서 흡착된 단면 전극을 상기 지지편의 표면에 밀착시켜서 수평하게 펴주는 흡착편을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극조립체 제조장치는 검사부를 더 포함할 수 있다. 상기 검사부는 검사테이블에 배치된 상기 양면 전극 또는 상기 단면 전극의 불량 여부를 검사할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 '검사부'는 양면 전극 또는 단면 전극의 불량여부를 검사하는 것으로, 구체적으로, 양면 전극 또는 단면 전극의 면적, 양면 전극 또는 단면 전극의 전극탭 위치 및 크기 등을 검사한다.

일례로, 상기 검사부(140)는 검사 테이블에 배치된 양면 전극 또는 단면 전극을 촬영하는 비전 촬영부재와, 비전 촬영부재에 의해 촬영된 영상에서 양면 전극) 또는 단면 전극의 이미지를 출력하고, 출력된 이미지와 설정된 정상 이미지를 대비하여 양면 전극 또는 단면 전극의 면적, 양면 전극 또는 단면 전극의 전극탭 위치 및 크기를 검사하는 검사부재를 포함한다(미도시).

도 3을 참고하면, 상기 이동부(130, 131)는 도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 양면 전극 제조부에 의해 제조된 양면 전극 또는 상기 단면 전극 제조부에 의해 제조된 단면 전극을 스택 테이블(160)로 이동시키기 위한 것이다.

보다 구체적으로, 상기 양면 전극 이동부(130)는 상기 양면 전극 제조부(110)에 의해 제조된 양면 전극(20)을 연속하여 스택 테이블(160)로 이동시키고, 단면 전극 이동부(131)는 상기 단면 전극 제조부(120)에 의해 제조된 단면 전극(30)을 연속하여 스택 테이블(160)로 이동시킨다.

또한, 상기 이동부가 포함하는 이동 부재와 관련하여, 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 양면 전극 이동부(130)로 예를 들면, 상기 양면 전극 이동부(130)는 양면 전극 제조부(110)에 의해 제조된 양면 전극(20)에 의해 제조된 단면 전극(30)을 흡착하고 수평하게 펴주는 흡착부재(131)와, 상기 흡착부재(131)에 의해 흡착된 양면 전극(20)을 설정된 위치에 이동시키는 이동부재(132)를 포함한다.

상기 흡착부재(131)는 양면 전극을 흡착함과 동시에 수평하게 펴주기 위한 것으로, 지지편(131a)과, 상기 지지편(131a)을 관통하여 상기 양면 전극 제조부(110)에 의해 제조된 양면 전극(20)을 흡착하고 원위치로 복귀하면서 흡착된 양면 전극(20)을 상기 지지편(131a)의 표면(도 4에서 보았을 때 저면)에 밀착시킴에 따라 상기 양면 전극(20)을 수평하게 펴주는 흡착편(131b)을 포함한다.

일례로, 상기 흡착부재(131)는 도 4의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이, 양쪽 단부가 상부로 휘어진 단면 전극(30)이 제2 컨베이어(123)를 통해 이송되면, 제1 실린더(131b-1)를 통해 흡착편(131b)을 하강시켜서 휘어진 양면 전극(20)을 흡착한다. 이때 흡착편(131b)은 2개 이상 구비되면서 휘어진 단면 전극(30)을 2곳 이상 흡착한다. 다음으로 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 흡착편(131b)을 상승시켜서 원위치로 복귀시킨다. 이때 흡착편(131b)에 흡착된 휘어진 단면 전극(30)은 지지편(131a)의 수평한 저면에 압착되면서 수평하게 펴진다. 즉, 휘어진 양면 전극(20)은 지지편(131a)의 수평한 저면에 면밀착된 상태로 압착되면서 수평하게 펴지게 된다. 다음으로 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 이동부재(132)를 통해 설정된 위치인 검사테이블(141)까지 흡착부재(131)를 이동시킨 다음, 제2 실린더(131b-2)를 통해 흡착부재(131)를 상기 검사테이블(141)을 향해 하강시킨다.

그러면 지지편(131a)이 상기 검사테이블(141)에 압착되면서 상기 흡착편(131b)에 흡착된 휘어진 양면 전극(20)을 다시 수평하게 펴주게 된다. 다음으로 도 4의 (d)에 도시되어 있는 것과 같이, 흡착편(131b)의 흡착력을 제거하여 수평하게 펴진 양면 전극(20)을 스택 테이블(160)에 위치시킬 수 있다.

다른 예로, 상기 흡착부재(131)는 도 5의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이, 양쪽 단부가 하부로 휘어진 양면 전극(20)이 제1 컨베이어(113)를 통해 이송되면, 제1 실린더(131b-1)를 통해 흡착편(131b)을 하강시켜서 휘어진 양면 전극(20)을 흡착한다. 이때 흡착편(131b)은 2개 이상 구비되면서 휘어진 양면 전극(20)을 2곳 이상 흡착한다. 다음으로 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 흡착편(131b)을 상승시켜서 원위치로 복귀시킨다. 이때 흡착편(131b)에 흡착된 휘어진 양면 전극(20)은 양쪽 끝단 일부가 휘어진 상태를 유지할 수는 있지만 대부분의 양면 전극(20)의 표면이 지지편(131a)의 수평한 저면에 압착되면서 수평하게 펴진다. 즉, 양끝단을 제외한 휘어진 양면 전극(20)의 표면이 지지편(131a)의 수평한 저면에 면밀착된 상태로 압착되면서 수평하게 펴지게 된다. 다음으로 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 이동부재(132)를 통해 설정된 위치인 스택 테이블(160)까지 흡착부재(131)를 이동시킨 다음, 제2 실린더(131b-2)를 통해 흡착부재(131)를 상기 스택 테이블(160)을 향해 하강시킨다. 그러면 지지편(131a)이 상기 스택 테이블(160)에 압착되면서 상기 흡착편(131b)에 흡착된 휘어진 전극(30)을 다시 수평하게 펴주게 된다. 다음으로 도 5의 (d)에 도시되어 있는 것과 같이 흡착편(131b)의 흡착력을 제거하면 수평하게 펴진 양면 전극(20)을 스택 테이블(160)에 위치시킬 수 있다.

한편, 흡착부재(131)는 지지편(131a)에 밀착된 양면 전극(20)을 가열하는 가열편(131c)을 더 포함하며, 상기 가열편(131c)은 지지편(131a)에 밀착된 양면 전극(20)을 가열함에 따라 휨을 보다 효과적으로 보정할 수 있다.

상기 이동부재(132)는 흡착부재(131)를 설정된 위치로 이동시키는 것으로, 로봇 팔 등의 장치를 이용하여 흡착부재(131)를 제1 컨베이어(113)에서 설정된 위치로, 제2 컨베이어(123)에서 설정된 위치인 검사테이블(141)까지 이동시킨다.

단면 전극(30)의 이동부의 경우, 단면 전극(30)을 제2 컨베이어(123)를 통해 이송하여 단면 전극(30)을 스택 테이블(160)에 위치시키는 것을 제외하고는, 상술한 양면 전극(20)의 이동 부재 및 흡착 부재에 관한 설명을 적용할 수 있다(미도시).

이와 같은 구성을 가진 이동부(130, 131)는 양면 전극(20) 또는 단면 전극(30)을 이동함과 동시에 휨을 보정할 수 있으며, 이에 따라 양면 전극(20) 또는 단면 전극(30)의 불량률을 크게 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 따른 분리막(10)을 공급하는 분리막 공급부(150)는 분리막(10)이 권취된 권취롤러(151)를 포함한다.

본 발명의 일 실시상태에 따른 스택 테이블(160)은 은 폴딩되는 상기 분리막 사이사이에 상기 양면 전극이 배치되는 형태로 적층되고, 최외각(상면 및 하면)은 단면 전극이 배치되는 형태로 적층되는 위치를 의미한다.

상기 전극 조립체 제조장치는 회전부를 더 포함하고, 상기 분리막 사이사이에 상기 양면 전극이 위치되는 방식으로 지그재그 폴딩이 가능하도록, 상기 회전부의 일측에 제1 양면 전극 스택부가 구비되고, 상기 회전부의 타측에 제2 양면 전극 스택부가 구비될 수 있다.

상기 제1 양면 전극 스택부 및 제2 양면 전극 스택부는 각각 제1 석션 헤드 및 제2 석션 헤드를 포함할 수 있다. 즉, 상기 회전부는 상기 제1 양면 전극을 적층 시 상기 스택 테이블을 상기 제1 양면 전극 스택부의 상기 제1 석션 헤드와 마주보도록 일측으로 회전시키고, 상기 제2 양면 전극을 적층 시 상기 스택 테이블을 상기 제2 양면 전극 전극 스택부의 상기 제2 석션 헤드와 마주보도록 타측으로 회전시키는 것을 교대로 번갈아 진행하는 것일 수 있다. 이를 통해서, 지그재그로 폴딩된 분리막 사이사이에 양면 전극이 배치된 형태의 미완성 전극 조립체의 제조가 가능하다. 마지막으로 상기 미완성 전극 조립체의 상면 및 하면에 단면 전극을 적층할 경우, 완성된 전극 조립체의 제조가 가능하다.

본 발명의 경우, 상기 미완성 전극 조립체의 상면 및 하면에 단면 전극을 적층 후, 기존에 테이프로 고정하는 방식이 아닌 1차적으로 가열 및 가압하여 고정한 후, 최종(2차)적으로 가열 및 가압하여 완성된 전극 조립체를 제조한다. 이 때, 1차적으로 가열 및 가압하는 조건 및 2차적으로 가열 및 가압하는 조건은 각각 상술한 제1차 가열 및 가압 조건 및 제2차 가열 및 가압 조건에 대한 설명을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전극 조립체 제조장치 및 상기 제조장치의 구성에 관한 설명은 본 발명에 따른 제조방법 및 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 전극 조립체에도 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법으로 전극 조립체를 제조하는 단계; 상기 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하는 단계; 및 상기 전극 조립체가 수납된 상기 전지 케이스에 전해액을 주입하고, 상기 전지 케이스를 밀봉하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다. 이 때, 상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 수지 외곽층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 또는 연신 나일론 필름을 사용하는 것일 수 있다. 상기 필름은 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지고 있기 때문에 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가지고 있기 때문이다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 차단층은 알루미늄, 또는 알루미늄 합금이 포함될 수 있다. 이를 통해 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있다.

또한, 상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.

일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있다. 또한, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi_1-yM_yO₂(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li_1+zNi₁/3Co₁/3Mn₁/3O₂, Li_1+zNi_0.4Mn_0.4Co_0.2O₂ 등과 같이 Li_1+zNi_bMn_cCo_1-(b+c+d)M_dO_(2-e)A_e (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물; 화학식 Li_1+xM_1-yM'_yPO_4-zX_z(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다. 상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 바인더는, 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 활물질을 포함하는 슬러리 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가될 수 있다.

이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

또한, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있다. 또한, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, 및 Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 들 수 있다.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 상기 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ㎛ 내지 300 ㎛이다.

상기 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다.

본 명세서에 있어서, 전해질은 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이 사용되며, 상기 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법으로 제조된 이차전지를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 이차전지를 단위셀로 포함하는 전지모듈을 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.

이상에서 본 명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1: 완제품인 전극조립체
1a: 미완성 전극조립체
10: 분리막
20: 양면 전극
30: 단면 전극
100: 전극조립체 제조장치
110: 양면 전극 제조부
120: 단면 전극 제조부
130: 이동부
140: 검사부
150: 분리막 공급부
160: 스택 테이블

Claims

스태킹(stacking) 공정 및 프레스(press) 공정을 포함하는 전극 조립체의 제조방법으로서,
상기 스태킹 공정은
전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 제조하는 단계;
전극활물질이 일면에 코팅된 단면 전극을 제조하는 단계;
분리막을 지그재그로 폴딩하면서, 상기 양면 전극을 폴딩되는 분리막의 접히는 부분에 삽입하여 미완성 전극조립체를 제조하는 단계; 및
상기 미완성 전극조립체의 상면과 하면에 각각 상기 단면 전극을 적층하고, 제1차 가열 및 가압하는 단계를 포함하고,
상기 프레스 공정은
상기 제1차 가열 및 가압된 미완성 전극조립체를 제2차 가열 및 가압하여 완제품 전극조립체를 제조하는 단계를 포함하는 것인 전극 조립체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극을 제조하는 단계는
상기 전극활물질이 양면에 코팅된 양면 전극시트가 권취된 제1 공급롤러에서 권출되는 양면 전극시트를 커팅하여 양면 전극을 제조하는 단계; 및
상기 양면 전극을 이송하는 단계를 포함하고,
상기 전극활물질이 일면에 코팅된 단면 전극을 제조하는 단계는
상기 전극활물질이 단면에 코팅된 단면 전극시트가 권취된 제2 공급롤러에서 권출되는 단면 전극시트를 커팅하여 단면 전극을 제조하는 단계; 및
상기 단면 전극을 이송하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 미완성 전극조립체의 상면과 하면에 각각 상기 단면 전극을 적층하고, 제1차 가열 및 가압하는 단계는 30℃ 이상, 100℃ 이하의 온도 조건 및 1MPa 내지 5MPa의 압력 조건으로 5초 내지 60초동안 진행하는 것인 전극 조립체의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 양면 전극을 이송하는 단계 및 상기 단면 전극을 이송하는 단계는 각각
상기 양면 전극 또는 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계; 및
상기 양면 전극 또는 단면 전극을 스택 테이블로 이송하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 양면 전극 또는 단면 전극을 흡착하고 수평하게 펴주는 단계는
상기 양면 전극 또는 단면 전극을 흡착편으로 흡착하여 파지하는 단계; 및
상기 흡착된 양면 전극 또는 단면 전극을 지지편에 압착시켜서 수평하게 펴주는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 양면 전극 또는 단면 전극을 스택 테이블로 이송하는 단계는
상기 양면 전극이 스택 테이블로 이송되는 동안 상기 단면 전극의 이송은 정지되고,
상기 단면 전극이 스택 테이블로 이송되는 동안 상기 양면 전극의 이송은 정지되는 것인 전극 조립체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2차 가열 및 가압하여 완제품 전극조립체를 제조하는 단계는
30℃ 이상, 100℃ 이하의 온도 조건 및 1MPa 내지 5MPa의 압력 조건으로 5초 내지 60초 동안 진행하는 것인 전극 조립체의 제조방법.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체의 제조방법으로 전극 조립체를 제조하는 단계;
상기 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하는 단계; 및
상기 전극 조립체가 수납된 상기 전지 케이스에 전해액을 주입하고, 상기 전지 케이스를 밀봉하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법.
청구항 8에 따른 이차전지의 제조방법으로 제조된 이차전지.
청구항 9에 따른 이차전지를 단위셀로 포함하는 전지모듈.
청구항 10에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩.