KR100477736B1 - 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 그 제조장치 Download PDF

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Abstract

리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 그 제조장치가 개시된다. 개시된 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법은, (a) 집전체의 일면에 폴리머 막을 접착시키는 단계; (b) 상기 집전체 타면에 전극물질을 도포한 후 건조시키는 단계; (c) 상기 폴리머 막을 상기 집전체의 일면으로부터 제거하는 단계; (d) 상기 집전체의 일면에 전극물질을 도포한 후 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 집전체에 전극물질을 효과적으로 도포할 수 있게 된다.

Description

리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 그 제조장치
본 발명은 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집전체에 전극물질을 효과적으로 도포할 수 있는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.
전자기기, 특히 캠코더, 셀룰라폰(cellular phone) 및 노트북 컴퓨터 등의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속하게 진행됨에 따라 이들 전자기기의 구동전원으로서 소형, 경량이며 에너지밀도가 높은 2차전지(secondary battery)에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 점에서, 특히 리튬 이온 이차전지가 주목을 받고 있다.
충방전이 가능한 리튬 이온 이차전지는 양극, 음극, 및 전해질을 포함하여 이루어지고, 상기 전해질의 종류에 따라 액체 유기용매로 구성된 액체 리튬 이온 이차전지와, 폴리머로 구성된 폴리머 리튬 이온 이차전지가 있다.
특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6 V로서 전자 장비 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나 니켈-수소(Ni-MH) 전지의 3배에 해당되며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 급속도로 신장되고 있다.
여기서, 리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 리튬-이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 리튬-폴리머 전지는 유연성을 지녀 그 형상이 비교적 자유롭다.
이에 따라, 최근 들어서는 리튬-폴리머 전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고, 무게가 가벼워 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경향화에 유리하여 각종 연구가 진행되고 있다.
도 1에는 이와 같은 리튬 이온 이차전지중 리튬 폴리머 이차전지의 구성을 나타낸 개략적인 분해 사시도가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 충방전이 가능한 리튬 폴리머 이차전지(10)는, 상, 하부 케이스(11a, 11b)와, 상기 상, 하부 케이스(11a, 11b)의 내부에 마련된 공간부에 삽입되는 양극판(12)과 음극판(13) 사이에 개재되는 세퍼레이터(14)가 순서대로 적층된 전극 조립체(15)와, 상기 양극판(12) 및 음극판(13)의 단부로부터 인출되는 접속부(16)와, 상기 접속부(16)와 접속되는 양극단자(17)와 음극단자(18)를 포함한다.
상기와 같은 구조를 가지는 리튬 폴리머 이차전지(10)는 복수개의 양극판(12)과 음극판(13)의 단부로부터 인출되는 접속부(16)가 전극별로 분리되어 상기 양극단자(17)와 음극단자(18)에 용접된다. 그리고, 상기 양극단자(17) 및 음극단자(18)는 추후 열융착 밀봉되는 상기 상부 케이스(11a)와 하부 케이스(11b)의 접촉면으로부터 상기 리튬 폴리머 이차전지(10)의 외부로 소정 길이 돌출한다.
그런데, 리튬 이온 이차전지의 양극판 및 음극판은 메탈 호일(metal foil)을 사용하므로서, 극판 활물질의 이용이 효율적이지 못하고 특히, 리튬 폴리머 이차전지(10)의 경우 상기 양극판(12) 및 음극판(13)은 케스팅(casting)법으로 필름(film)을 제조한 후, 집전체의 열과 압력으로 융착시키는 방법을 사용하므로 집전체와 활물질간의 결착력이 약한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 집전체와 전극물질간의 결착력을 향상시킬 수 있는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 이러한 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법을 가능하게 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법은, (a) 집전체의 일면에 폴리머 막을 접착시키는 단계; (b) 상기 집전체 타면에 전극물질을 도포한 후 건조시키는 단계; (c) 상기 폴리머 막을 상기 집전체의 일면으로부터 제거하는 단계; (d) 상기 집전체의 일면에 전극물질을 도포한 후 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (a)에서, 상기 폴리머 막을 소정의 열과 압력으로 상기 집전체에 융착시키거나, 상기 폴리머 막을 소정의 접착제로 상기 집전체에 접착시키는 것이 바람직하다.
상기 집전체는 퍼포레이티드 메탈 호일 또는 익스펜디드 메탈 호일중 어느 하나로 이루어지고, 상기 폴리머 막은 폴리에틸렌층, 알루미늄 호일층, 및 폴리에스테르층이 적층되는 다층막으로 도포되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이온 이차전지용 극판 제조장치는, 소정의 집전체와, 적어도 하나 이상의 물질이 적층되어 이루어진 폴리머 막이 공급되어 상기 집전체와 상기 폴리머 막을 동시에 융착시키는 가열 프레스; 상기 가열 프레스로부터 융착된 상기 집전체에 전극물질을 도포하는 전극물질 도포장치; 상기 전극물질이 도포된 집전체를 건조시키는 건조장치; 상기 전극물질이 도포된 집전체로부터 상기 폴리머 막을 분리하는 분리장치;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가열 프레스에 상기 집전체와 폴리머 막을 공급하는 공급수단을 더 포함하여 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 제조장치에 따라 제조된 전극 조립체가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 전극 조립체는 음극판(21)과 양극판(22) 사이에 이들을 절연하기 위해 개재되는 세퍼레이터(23)가 연속적으로 적층되어 이루어진다. 이와 같은 전극 조립체에 채용되는 양극판(22) 및 음극판(21)은 소정의 집전체와 상기 집전체 표면에 전극물질이 도포되므로서 도포된다.
상기 집전체는 도 3에 도시되어 있는 퍼포레이티드 메탈 호일(perforated metal foil)(31)이나, 도 4에 도시되어 있는 익스펜디드 메탈 호일(expanded metal foil)(41)이 이용된다. 도시된 바와 같은 퍼포레이티드 메탈 호일(31)과, 익스펜디드 메탈 호일(41)중 어느 하나가 선택되어 극판의 집전체로 이용된다. 그 중에서 상기 익스펜디드 메탈 호일(41)은 두께가 40㎛이고, 구멍의 크기가 0.3㎜이며, 개구율이 50%의 사양을 구비한다.
그리고 상기 집전체의 일면에 소정의 전극물질을 도포시킬 때 소정의 폴리머 막이 상기 집전체의 타면에 접착된다. 이러한 폴리머 막은 도 5에 도시된 바와 같이 폴리에틸렌(PET)층(51), 알루미늄 호일(Al foil)층(52), 및 폴리에스테르(PE)층(53)이 순서대로 적층되어 이루어진 다층막이다. 한편 다른 폴리머 막의 실시예로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에스테르중 어느 하나로 이루어진 단층막으로 도포될 수도 있다. 그러나 통상 폴리머 막은 전술한 바와 같은 다층막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 전극물질의 일 실시예로, 음극활물질로써 엠시에프(MCF; Mesophase Carbon Fiber)와, 도전제로써 카본 블랙(carbon black)과, 결합제로써 피브디에프(PVDF)를 가소제 디비피(DBP)를 활물질 : 도전제 : 바인더 : 가소제를 65 : 3.25 : 10 : 21.75의 조성으로 혼합하고, 용매 엔엠피(NMP)를 첨가하여 제조된 슬러리를 사용한다.
이와 같은 집전체와 폴리머 막을 이용하여 상기 집전체의 표면에 전극물질을 도포시키므로서 극판이 제조된다. 이러한 극판 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 이러한 집전체의 일면에 폴리머 막을 접착시키고, 상기 집전체의 타면에 전극물질을 도포한 후 건조시킨다. 이어서, 상기 폴리머 막을 집전체의 일면으로부터 제거한다. 그리고 상기 집전체의 타면에 전극물질을 도포한 것과 마찬가지로, 상기 폴리머 막이 제거된 상기 집전체의 일면에 전극물질을 도포한 후 건조시키므로서 하나의 극판이 제조된다. 특히, 상기 폴리머 막은 소정의 열과 압력으로 상기 집전체에 융착시킴으로써 접착된다. 그리고 상기 폴리머 막은 다른 실시예로서 소정의 접착제로 접착시킬 수 있으며, 이러한 접착제는 폴리우레탄을 이용하는 것이 바람직하다.
도 6에는 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지의 극판 제조장치의 구성을 나타낸 개략도가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지의 극판 제조방법은 도 6에 도시된 제조장치로부터 용이하게 실시할 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 집전체(611)와 상기 폴리머 막(612)을 각각 공급하는 공급장치와, 이 공급장치로부터 집전체(611)와 폴리머 막(612)이 공급되어 상기 집전체(611)와 폴리머 막(612)을 동시에 융착시키는 가열 프레스(63)와, 상기 가열 프레스(63)로부터 융착된 상기 집전체(613)에 전극물질을 도포하는 전극물질 도포장치(64)와, 상기 전극물질이 도포된 집전체(614)를 건조시키는 건조장치(65)와, 상기 전극물질이 도포된 집전체(615)로부터 상기 폴리머 막(612)을 분리하는 분리장치를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 공급장치는 상기 집전체(611)가 감겨진 제1릴장치(61)와, 상기 폴리머 막(612)이 감겨진 제2릴장치(62)로 이루어지고, 상기 분리장치는 상기 건조장치(65)의 후라인에 설치된 분리롤(68)과, 상기 분리롤(68)로부터 각각 전극물질이 도포된 집전체(615) 또는 극판을 회수하는 제1회수롤(66)과, 상기 폴리머 막(612)을 회수하는 제2회수롤(67)이 구비된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지의 극판 제조장치는, 상기 집전체(611)와 다층막으로 이루어진 폴리머 막(612)을 공급받아 상기 가열 프레스(63)에서 소정의 열과 압력 을 가하여 서로 융착시키거나, 소정의 접착제를 이용하여 접착시킨다. 전술한 바와 같이 상기 접착제는 폴리우레탄이 이용됨이 바람직하다. 이로서 상기 집전체(611)의 일면에는 폴리머 막(612)이 접착된다. 그리고 일면이 폴리머 막(612)이 접착된 집전체의 타면에 상기 전극물질 도포장치(64)를 이용하여 전극물질을 도포한다.
이어서, 상기 전극물질이 도포된 집전체(614)의 타면을 건조장치(65)로 건조시킨다. 그리고 상기 집전체(614)의 일면에 접착된 폴리머 막(612)을 상기 분리장치에 의해 분리 및 회수한 후, 전극물질이 도포되지 않은 상기 집전체(615)의 일면에 전극물질을 도포하므로서 극판 제조장치에 의해 극판의 제조가 완료된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법 및 제조장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
퍼포레이티드 메탈 호일 또는 익스펜디드 메탈 호일 집전체에 전극물질을 효과적으로 도포할 수 있게 됨으로써 전지의 극판 이용율을 증가시키고, 집전체와 전극물질간의 결착력이 향상된다.
따라서 전지의 수명이 증가되는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 통상적인 리튬 이온 이차전지중 폴리머 리튬 이온 이차전지의 구성을 나타낸 개략적인 분해 사시도.
도 2는 리튬 이온 이차전지에 채용되는 극판이 채용된 전극 조립체의 분리 사시도.
도 3은 퍼포레이티드 메탈 호일의 평면도.
도 4는 익스펜디드 메탈 호일의 평면도.
도 5는 폴리머 막의 일 실시예로 도시된 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 리튬 이온 이차전지 극판 제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21. 음극판 22. 양극판
23. 세퍼레이터 51. 폴리에틸렌층
52. 알루미늄 호일층 53. 폴리에스테르층
61. 제1릴장치 62. 제2릴장치
63. 가열 프레스 64. 전극물질 도포장치
65. 건조장치 66. 제1회수장치
67. 제2회수장치 68. 분리롤
611. 집전체 612. 폴리머 막

Claims (10)

  1. (a) 집전체의 일면에 폴리머 막을 접착시키는 단계;
    (b) 상기 집전체 타면에 전극물질을 도포한 후 건조시키는 단계;
    (c) 상기 폴리머 막을 상기 집전체의 일면으로부터 제거하는 단계;
    (d) 상기 집전체의 일면에 전극물질을 도포한 후 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 폴리머 막을 소정의 열과 압력으로 상기 집전체에 융착시키는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 폴리머 막을 소정의 접착제로 상기 집전체에 접착시키는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 접착제는 폴리우레탄을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 집전체는 퍼포레이티드 메탈 호일 또는 익스펜디드 메탈 호일중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머 막은 폴리에틸렌층, 알루미늄 호일층, 및 폴리에스테르층이 적층되는 다층막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머 막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에스테르중 어느 하나로 이루어진 단적층막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조방법.
  8. 소정의 집전체와, 적어도 하나 이상의 물질이 적층되어 이루어진 폴리머 막이 공급되어 상기 집전체와 상기 폴리머 막을 동시에 융착시키는 가열 프레스;
    상기 가열 프레스로부터 융착된 상기 집전체에 전극물질을 도포하는 전극물질 도포장치;
    상기 전극물질이 도포된 집전체를 건조시키는 건조장치;
    상기 전극물질이 도포된 집전체로부터 상기 폴리머 막을 분리하는 분리장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가열 프레스에 상기 집전체와 폴리머 막을 공급하는 공급수단을 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 공급수단은 상기 집전체가 감겨진 제1릴장치와, 상기 폴리머 막이 감겨진 제2릴장치를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차전지용 극판 제조장치.
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