KR20150002523A - 세퍼레이터 절단공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법 - Google Patents

세퍼레이터 절단공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체에 구비된 세퍼레이터를 전극판보다 다소 여유를 두고 절단하는 공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전극조립체의 제조방법은: 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 1종의 기본 단위 시트나, 또는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 2종 이상의 기본 단위 시트를 제조하는 제1 공정; 및 기본 단위 시트의 세퍼레이터재가 전극재의 가장자리로부터 특정 간격(D)만큼 돌출될 수 있도록, 전극재에 의하여 덮이지 않은 세퍼레이터재의 영역인 마진(margin area) 영역의 일부를 절단하는 제2-A 공정;을 포함하며, 1종의 기본 단위 시트는 제1 전극재, 제1 세퍼레이터재, 제2 전극재 및 제2 세퍼레이터재가 순차적으로 적층된 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고, 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다.

Description

세퍼레이터 절단공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법{Method of manufacturing electrode assembly including process of cutting separator}
본 발명은 세퍼레이터 절단공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극조립체에 구비된 세퍼레이터를 전극판보다 다소 여유를 두고 절단하는 공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동 전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬(이온/폴리머) 이차 전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
한국공개특허 제2008-0052869호를 참조하면, 일반적인 이차전지의 구조가 개시되어 있으며, 더욱 상세하게는 좌우대칭이며 대략 직사각형 형상인 파우치형 이차전지의 구조가 개시되어 있다.
통상적으로는 이차전지가 설치되는 기기의 공간활용 측면에 있어서, 이러한 직사각형 형상의 이차전지가 유리하다. 그러나, 직사각형 형상의 이차전지가 오히려 기기의 공간활용을 제약하는 경우가 있으므로, 기기에 따른 최적 형상의 이차전지를 구현하기 위하여 이차전지에 구비되는 직사각형 형상의 전극조립체의 모서리 부분을 잘라내거나, 중앙부분에 관통부를 형성하거나, 꼭지점 부분을 라운드 또는 사선으로 모따기(chamfering)하여, 이차전지가 기기에 설치되기에 적합한 형상을 갖도록 전극조립체를 가공하기도 한다.
한편, 전극조립체는 그 제조방식에 따라 젤리롤 형, 스택/폴딩형, 및 스택형으로 크게 나눌 수 있는데, 젤리롤 형 전극조립체는 상술한 관통부 형성 및 모따기 자체가 불가능하다.
그리고, 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체의 경우, 양극/세퍼레이터/음극 구조의 풀셀(full cell)을 세퍼레이터 시트 상에 위치시키고 이를 폴딩하여 형성되는 구조이므로, 풀셀의 가장자리 부위에 위치한 세퍼레이터 시트는 매우 두꺼워서 이를 한꺼번에 자르는 것이 매우 어렵다.
마지막으로, 스택형 전극조립체는, 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터를 이 순서로 연속하여 적층하는 구조를 갖는데, 각 층을 정확하게 정렬하기도 어렵고, 전극과 세퍼레이터의 정렬이 잘되지 않은 상태에서 세퍼레이터를 잘라내는 과정 중에 전극이 손상되는 경우가 많다. 만약, 이러한 문제를 방지하게 위하여 세퍼레이터만을 별도로 마련하여, 그 모서리, 꼭지점을 절단하거나 중앙부에 관통부를 형성할 수는 있으나, 절단가공이 완료된 세퍼레이터를 전극과 일일이 교대로 적층하는 작업이 매우 번거로워 생산성이 급격하게 하락하게 된다. 또한, 세퍼레이터는 연질이고 열에 의하여 변형되기 쉽기 때문에 절단가공이 완료된 세퍼레이터를 전극에 적층하는 단계에서 세퍼레이터가 원하는 사이즈보다 크거나 작은 경우가 많아서 정확히 원하는 규격을 갖는 전극조립체를 제조하기 어렵고, 정상 전극조립체의 수율이 매우 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 통상적인 직사각형 형상과는 다른 형상의 전극조립체를 제조하기 위하여 세퍼레이터를 가장 효율적으로 절단할 수 있는 공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 세퍼레이터를 절단하는 공정 중에 세퍼레이터가 파손되는 것을 방지할 수 있는 전극조립체의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 통상적인 직사각형 형상과는 다른 형상의 전극조립체를 제조하는 데에 있어서 생산성과 수율을 향상시키는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법은: 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 1종의 기본 단위 시트나, 또는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 2종 이상의 기본 단위 시트를 제조하는 제1 공정; 및 기본 단위 시트의 세퍼레이터재가 전극재의 가장자리로부터 특정 간격(D)만큼 돌출될 수 있도록, 전극재에 의하여 덮이지 않은 세퍼레이터재의 영역인 마진(margin area) 영역의 일부를 절단하는 제2-A 공정;을 포함하며, 1종의 기본 단위 시트는 제1 전극재, 제1 세퍼레이터재, 제2 전극재 및 제2 세퍼레이터재가 순차적으로 적층된 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고, 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법은: 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 1종의 기본 단위 시트나, 또는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 2종 이상의 기본 단위 시트를 제조하는 제1 공정; 1종의 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하여 형성된 단위구조체를 반복적으로 적층하거나, 또는 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 일정 간격으로 커팅하여 형성된 2종 이상의 단위구조체를 정해진 순서에 따라 적층하여 전극조립체를 형성하는 제2-B 공정; 및 전극조립체에 구비된 세퍼레이터재가 전극재의 가장자리로부터 특정 간격(D)만큼 돌출될 수 있도록, 전극재에 의하여 덮이지 않은 세퍼레이터재의 영역인 마진 영역의 일부를 절단하는 제3 공정;을 포함하며, 1종의 기본 단위 시트는 제1 전극재, 제1 세퍼레이터재, 제2 전극재 및 제2 세퍼레이터재가 순차적으로 적층된 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고, 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다.
본 발명에 의하면, 통상적인 직사각형 형상과는 다른 형상의 전극조립체를 제조하기 위하여 세퍼레이터를 가장 효율적으로 절단할 수 있는 공정을 포함하는 전극조립체의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 세퍼레이터를 절단하는 공정 중에 세퍼레이터가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 통상적인 직사각형 형상과는 다른 형상의 전극조립체를 제조하는 데에 있어서 생산성과 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법을 구현할 수 있는 설비의 모식도이다.
도 2은 도 1에 도시된 4층 시트의 평면도이다.
도 3 내지 도 6은 제1 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법의 제2-A 공정을 순차적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 단위구조체의 평면도이다.
도 8은 금형 커터로 단위구조체의 중앙부 가장자리에 위치한 마진 영역을 절단한 상태를 나타낸 평면도이다.
도 9 내지 도 11은 다양한 형상의 배터리 셀의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법을 구현할 수 있는 설비의 모식도이다.
도 13은 제2 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법의 제3 공정을 나타낸 모식도이다.
도 14는 단위구조체의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도
도 15는 단위구조체의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도
도 16은 도 14의 단위구조체의 적층으로 형성되는 전극조립체를 도시하고 있는 측면도
도 17은 단위구조체의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도
도 18은 단위구조체의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도
도 19는 도 17의 단위구조체와 도 18의 단위구조체의 적층으로 형성되는 전극 조립체를 도시하고 있는 측면도
도 20은 다른 크기를 가지는 단위구조체가 적층되어 형성되는 전극조립체를 도시하고 있는 사시도
도 21은 도 20의 전극조립체를 도시하고 있는 측면도
도 22는 다른 기하학적 형상을 가지는 단위구조체가 적층되어 형성되는 전극조립체를 도시하고 있는 사시도
도 23은 단위구조체와 제1 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도
도 24는 단위구조체와 제1 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도
도 25는 단위구조체와 제2 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도
도 26은 단위구조체와 제2 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도
도 27은 단위구조체와 제1 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제5 구조를 도시하고 있는 측면도
도 28은 단위구조체와 제1 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제6 구조를 도시하고 있는 측면도
도 29는 단위구조체와 제2 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제7 구조를 도시하고 있는 측면도
도 30은 단위구조체와 제2 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제8 구조를 도시하고 있는 측면도
도 31은 단위구조체와 제1 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제9 구조를 도시하고 있는 측면도
도 32는 단위구조체, 제1 보조 단위체 및 제2 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제10 구조를 도시하고 있는 측면도
도 33은 단위구조체와 제2 보조 단위체를 포함한 전극조립체의 제11 구조를 도시하고 있는 측면도
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 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.
실시예 1
본 발명의 제1 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법은, 제1 전극재(10)와, 제2 전극재(30)와, 세퍼레이터재(20, 40)를 제1 전극재(10)/세퍼레이터재(20)/제2 전극재(30)/세퍼레이터재(40)의 순서로 라미네이팅 하여 4층 시트를 형성하는 제1 공정과, 이 제1 공정에 의하여 형성된 4층 시트의 세퍼레이터재(20, 40)가 제1 전극재와 제2 전극재의 가장자리(12, 32)로부터 특정 간격(D)만큼만 돌출될 수 있도록, 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)에 의하여 덮이지 않은 세퍼레이터재(20, 40)의 영역인 마진 영역(M, margin area)의 일부를 금형 커터(60)를 이용하여 절단하는 제2-A 공정을 포함한다.
[제1 공정]
도 1을 참조하여 제1 공정에 대하여 설명하도록 한다.
먼저, 제1 전극재(10), 세퍼레이터재(20), 제2 전극재(30), 세퍼레이터재(40)를 준비한다. 여기서 세퍼레이터 재(20, 40)는 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)보다 가로 방향과 세로 방향 모두 더 큰 사이즈를 가진다(도 2 참조). 공정의 자동화를 위해 제1 전극재(10), 세퍼레이터재(20), 제2 전극재(30), 세퍼레이터재(40)는 롤에 감겨진 상태에서 권출되며 라미네이터(L1, L2)에 공급될 수 있다. 그리고, 제1 전극재(10)는 커터(C1)를 이용하여, 제2 전극재(30)는 커터(C2)를 이용하여 소정의 사이즈로 절단한다.
보다 상세하게 설명하면, 세퍼레이터재(20, 40)는 롤에서 권출되는 상태 그대로 라미네이터(L1, L2)에 공급되고, 제1 전극재(10)는 세퍼레이터재(20)의 상부에 공급되며, 제2 전극재(30)는 세퍼레이터재(40)의 상부에 공급된다. 다만, 세퍼레이터재(20, 40)가 반드시 롤에서 권출되는 상태 그대로 라미네이터(L1, L2)에 공급되어야만 하는 것은 아니고, 제1 전극재(10)나 제2 전극재(30)와 마찬가지로 별도의 커터에 의하여 커팅되어 라미네이터(L1, L2)에 공급되는 경우를 상정할 수도 있다.
제1 전극재(10)/세퍼레이터재(20)/제2 전극재(30)/세퍼레이터재(30)는 라미네이터(L1, L2)에 의하여 라미네이팅되어 4층 시트가 되는데, 구체적으로, 라미네이터(L1, L2)는 제1 전극재(10)/세퍼레이터재(20)/제2 전극재(30)/세퍼레이터재(40)에 압력을 가하거나, 열과 압력을 가하여 4층 시트를 제조한다.
여기서 세퍼레이터재(20, 40)는 접착력을 가지는 코팅 물질로 표면이 코팅될 수 있다.
이때, 4층 시트에 구비된 두 개의 세퍼레이터재(20, 40) 중 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30) 사이에 개재되는 세퍼레이터재(20)는 양면에 코팅 물질이 코팅되고, 다른 하나의 세퍼레이터재(40)는 제2 전극재(30)와 접촉하는 면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다.
<4층 시트의 개념을 기본 단위 시트의 개념으로 확장>
상기에서 설명한 4층 시트는 기본 단위 시트의 개념으로 확장될 수 있다. 즉, 제1 전극재(10)/세퍼레이터재(20)/제2 전극재(30)/세퍼레이터재(30)로 이루어진 4층 시트의 개념은 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층되어 형성되는 기본 단위 시트의 개념에 의해서 대체될 수 있다. 구체적으로, 4층 시트는 오직 4층인 경우만을 의미하나, 기본 단위 시트는 4층인 시트의 경우뿐만 아니라 다층 시트에 적용될 수 있는 개념인 것이다.
그런데, 4층 시트나 기본 단위 시트는 모두 이를 일정 간격으로 잘라서 형성되는 단위구조체를 만들기 위해 제조되는 것들이다. 위의 기본 단위 시트를 통해 후술할 제1 단위구조체나, 제2 및 제3 단위구조체가 제조될 수 있다.
그러므로, 단위구조체에 대해서 먼저 설명을 한다.
<단위 구조체의 구조>
단위구조체는 전극과 세퍼레이터가 교대로 적층되어 형성된다. 이때 전극과 세퍼레이터는 같은 수만큼 적층된다. 도 14에서 도시되는 것과 같이, 단위구조체(110a)는 2개의 전극(111,113)과 2개의 세퍼레이터(112,114)가 적층되어 형성될 수 있다. 이때 양극과 음극은 당연히 세퍼레이터를 통해 서로 마주 볼 수 있다. 단위구조체가 이와 같이 형성되면, 단위구조체의 일측 말단에 전극(도 14과 15에서 도면부호 111의 전극 참조)이 위치하게 되고, 단위구조체의 타측 말단에 세퍼레이터(도 14과 15에서 도면부호 114의 세퍼레이터 참조)가 위치하게 된다.
단위구조체는 단위구조체의 적층만으로 전극조립체를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이 경우, 1종의 단위구조체를 반복적으로 적층하여, 또는 2종 이상의 단위구조체를 정해진 순서에 따라 적층하여 전극조립체를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 특징을 구현하기 위해 단위구조체는 이하와 같은 구조를 가질 수 있다.
첫째로, 단위구조체는 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극 및 제2 세퍼레이터가 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 단위구조체(110a,110b)는 도 14에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 세퍼레이터(112), 제2 전극(113) 및 제2 세퍼레이터(114)가 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성되거나, 또는 도 15에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 세퍼레이터(112), 제2 전극(113) 및 제2 세퍼레이터(114)가 하측에서 상측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이와 같은 구조를 가지는 단위구조체를 이하에서 제1 단위구조체라 한다. 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 양극이면 제2 전극(113)은 음극이다.
이와 같이 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극 및 제2 세퍼레이터가 차례로 적층되어 단위구조체가 형성되면, 전극조립체의 제조 단계 통해 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이, 1종의 단위구조체(110a)를 반복적으로 적층하는 것만으로도 전극조립체(100a)를 형성할 수 있다. 여기서 단위구조체는 이와 같은 4층 구조 이외에도 8층 구조나 12층 구조를 가질 수 있다. 즉, 단위구조체는 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 단위구조체는 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극, 제2 세퍼레이터, 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극 및 제2 세퍼레이터가 차례로 적층되어 형성될 수도 있다.
둘째로, 단위구조체는, 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극, 제2 세퍼레이터, 제1 전극 및 제1 세퍼레이터가 차례로 적층되어 형성되거나, 제2 전극, 제2 세퍼레이터, 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극 및 제2 세퍼레이터가 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 전자의 구조를 가지는 단위구조체를 이하에서 제2 단위구조체라 하고, 후자의 구조를 가지는 단위구조체를 이하에서 제3 단위구조체라 한다.
보다 구체적으로 제2 단위구조체(110c)는 도 17에서 도시되어 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 세퍼레이터(112), 제2 전극(113), 제2 세퍼레이터(114), 제1 전극(111) 및 제1 세퍼레이터(112)가 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 제3 단위구조체(110d)는 도 18에서 도시되어 있는 것과 같이 제2 전극(113), 제2 세퍼레이터(114), 제1 전극(111), 제1 세퍼레이터(112), 제2 전극(113) 및 제2 세퍼레이터(114)가 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이와 반대로 하측에서 상측으로 차례로 적층되어 형성될 수도 있다.
제2 단위구조체(110c)와 제3 단위구조체(110d)를 하나씩만 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다. 따라서 제2 단위구조체(110c)와 제3 단위구조체(110d)를 하나씩 교대로 계속 적층하면, 도 19에서 도시하고 있는 것과 같이 제2 및 제3 단위구조체의 적층만으로도 전극조립체(100b)를 형성할 수 있다.
이와 같이 1종의 단위구조체는 제1 전극, 제1 세퍼레이터, 제2 전극 및 제2 세퍼레이터가 순차적으로 배치된 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가진다. 또한 2종 이상의 단위구조체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 배치하면, 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성된다. 예를 들어, 전술한 제1 단위구조체는 4층 구조를 가지고, 전술한 제2 단위구조체와 제3 단위구조체를 각각 1개씩 총 2개를 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 12층 구조가 형성된다.
따라서 1종의 단위구조체를 반복적으로 적층하거나, 또는 2종 이상의 단위구조체를 정해진 순서에 따라 적층하면, 단지 적층만으로도 전극조립체를 형성할 수 있다.
<단위구조체의 제조>
단위구조체를 제조하는 공정에 대해 살펴본다. 앞서 설명한 것처럼 단위 구조체는 기본 단위 시트를 일정 간격으로 잘라서 제조할 수 있다.
그런데, 기본 단위 시트는 상기에서 설명한 것처럼 적층된 전극재와 세퍼레이터재를 라미네이터에서 서로 접착시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 접착 방식으로 접착된 기본 단위 시트를 잘랐을 때 전극과 세퍼레이터가 일체로 결합된 단위구조체가 제조될 수 있기 때문이다.
라미네이터는 접착을 위해 재료에 압력을 가하거나 압력과 열을 가한다. 이와 같은 접착을 통하여 제조된 기본 단위 시트로부터 얻은 일체로 결합된 단위구조체의 경우라면, 전극조립체를 제조할 때 단위구조체의 적층이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 또한 이와 같은 접착이 이루어진 경우 단위구조체의 정렬 또한 더욱 유리하게 이루어질 수 있다.
한편, 앞서 설명한 단위구조체 제조 방법에서 알 수 있듯이, 단위구조체에서 전극은 인접한 세퍼레이터에 접착될 수 있다. 또는 세퍼레이터가 전극에 접착된다고 볼 수도 있다. 이때 전극은 세퍼레이터를 바라보는 면에서 전체적으로 세퍼레이터에 접착되는 것이 바람직하다. 이와 같으면 전극이 안정적으로 세퍼레이터에 고정될 수 있기 때문이다. 통상적으로 전극은 세퍼레이터보다 작다.
이를 위해 접착제를 세퍼레이터에 도포할 수 있다. 그러나 이와 같이 접착제를 이용하려면 접착제를 접착면에 걸쳐 매시(mesh) 형태나 도트(dot) 형태로 도포할 필요가 있다. 접착제를 접착면의 전체에 빈틈없이 도포한다면, 리튬 이온과 같은 반응 이온이 세퍼레이터를 통과할 수 없기 때문이다. 따라서 접착제를 이용하면, 전극을 전체적으로 (즉, 접착면의 전체에 걸쳐서) 세퍼레이터에 접착시킬 수는 있다 하더라도 전체적으로 빈틈없이 접착시키기는 어렵다.
또는 접착력을 가지는 코팅층을 구비하는 세퍼레이터를 통해 전체적으로 전극을 세퍼레이터에 접착시킬 수 있다. 보다 상술한다. 세퍼레이터는 폴리올레핀 계열의 세퍼레이터 기재와 같은 다공성의 세퍼레이터 기재, 및 세퍼레이터 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함할 수 있다. 이때 코팅층은 무기물 입자들과 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성될 수 있다.
여기서 무기물 입자는 세퍼레이터의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 세퍼레이터가 수축되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시켜 세퍼레이터의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 또한 바인더 고분자는 전극을 세퍼레이터에 접착시킬 수 있다. 바인더 고분자는 코팅층에 전체적으로 분포하므로, 전술한 접착제와 다르게 접착면의 전체에서 빈틈없이 접착이 일어날 수 있다. 따라서 이와 같은 세퍼레이터를 이용하면 전극을 보다 안정적으로 세퍼레이터에 고정 시킬 수 있다. 이와 같은 접착을 강화하기 위해 전술한 라미네이터를 이용할 수 있다.
그런데 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성할 수 있다. 이때 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 코팅층에는 기공 구조가 형성될 수 있다. 이러한 기공 구조로 인해 세퍼레이터에 코팅층이 형성되어 있더라도 리튬 이온이 세퍼레이터를 양호하게 통과할 수 있다. 참고로 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨은 위치에 따라 바인더 고분자에 의해 막혀 있을 수도 있다.
여기서 충전 구조는 유리병에 자갈이 담겨 있는 것과 같은 구조로 설명될 수 있다. 따라서 무기물 입자들이 충전 구조를 이루면, 코팅층에서 국부적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨이 형성되는 것이 아니라, 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨이 형성된다. 이에 따라 무기물 입자의 크기가 증가하면 인터스티셜 볼륨에 의한 기공의 크기도 함께 증가한다. 이와 같은 충전 구조로 인해 세퍼레이터의 전체면에서 리튬 이온이 원활하게 세퍼레이터를 통과할 수 있다.
한편, 전극조립체에서 단위구조체도 단위구조체끼리 서로 접착될 수 있다. 예를 들어, 도 14에서 제2 세퍼레이터(114)의 하면에 접착제가 도포된다거나 전술한 코팅층이 코팅된다면, 제2 세퍼레이터(114)의 하면에 다른 단위구조체가 접착될 수 있다.
이때 단위구조체에서 전극과 세퍼레이터 간의 접착력은 전극조립체에서 단위구조체간의 접착력보다 클 수 있다. 물론 단위구조체간의 접착력은 없을 수도 있다. 이와 같으면 전극조립체를 분리할 때 접착력의 차이로 인해 단위구조체 단위로 분리될 가능성이 높다. 참고로, 접착력은 박리력으로 표현할 수도 있다. 예를 들어, 전극과 세퍼레이터간의 접착력은 전극과 세퍼레이터를 서로 떼어낼 때 필요한 힘으로 표현할 수도 있다. 이와 같이 전극조립체 내에서 단위구조체는 인접한 단위구조체와 결합되지 않거나, 또는 단위구조체 내에서 전극과 세퍼레이터가 서로 결합된 결합력과 다른 결합력으로 인접한 단위구조체와 결합될 수 있다.
참고로, 세퍼레이터가 전술한 코팅층을 포함할 경우 세퍼레이터에 대한 초음파 융착은 바람직하지 않다. 세퍼레이터는 통상적으로 전극보다 크다. 이에 따라 제1 세퍼레이터(112)의 말단과 제2 세퍼레이터(114)의 말단을 초음파 융착으로 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 초음파 융착은 혼으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 혼으로 세퍼레이터의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅층으로 인해 세퍼레이터에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다.
<기본 단위 시트>
기본 단위 시트를 일정 간격으로 잘랐을 때 이상과 같은 단위구조체가 형성되도록 하기 위해서, 기본 단위 시트는 단위구조체와 동일한 적층 형태를 가질 수 있다. 즉, 기본 단위 시트는 긴 시트의 형태이긴 하지만, 전극재와 세퍼레이터재의 적층 형태는 단위구조체에서와 동일한 형태를 가질 수 있는 것이다.
이와 같을 때, 기본 단위 시트는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 1종의 기본 단위 시트나, 또는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 2종 이상의 기본 단위 시트의 형태일 수 있다.
이때, 상기 1종의 기본 단위 시트는 제1 전극재, 제1 세퍼레이터재, 제2 전극재 및 제2 세퍼레이터재가 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고, 상기 2종 이상의 기본 단위 시트는 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층되면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지게 된다.
한편, 제1 공정은 이러한 기본 단위 시트를 제조하는 공정이라고 볼 수 있다.
[제2-A 공정 및 전극조립체의 제조 공정]
도 1 내지 도 6을 참조하여 제2-A 공정에 대하여 설명하도록 한다.
먼저, 제2-A 공정에서 사용되는 용어를 정의하도록 한다. 마진 영역(M)이란 세퍼레이터재(20, 40)의 전체 영역 중 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)에 의하여 덮이지 않은 영역을 말하며 도 2에서 음영으로 표시된 영역을 지칭한다. 그리고, 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)의 가장자리란 외각 모서리(12)를 지칭하는 것은 물론이고 도 2에 표시된 제1 전극재(10)의 중앙부에 형성된 관통부의 모서리(12)도 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 이와 같은 용어의 정의는 이후 제2 실시예를 설명할 때도 동일하게 적용된다는 것을 미리 밝혀둔다.
이와 같은 용어정의를 전제로 하였을 때, 제2-A 공정을 간단하게는, 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)의 가장자리(12)로부터 특정 간격(D)만큼만 남기고 세퍼레이터재(20, 40)의 마진 영역(M)의 일부를 금형 커터(60)로 절단하는 공정이라 설명할 수 있다.
제2-A 공정에서 금형 커터(60)가 마진 영역(M)을 절단하는 공정의 원리는 다음과 같다.
먼저, 도 3과 같이 금형 커터(60)의 서로 이격된 상부 금형(62)과 하부 금형(64) 사이에 4층 시트의 세퍼레이터재(20, 40)를 위치시킨다. 이후, 상부 금형(62)과 하부 금형(64) 중 적어도 어느 하나를 이동시켜 세퍼레이터재(20, 40)만을 상부 금형(62)과 하부 금형(64) 사이에 파지되도록 하며, 예컨대, 도 4에 도시된 것과 같이 상부 금형(62)을 이동시켜 세퍼레이터재(20, 40)를 파지할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 상부 금형(62)과 하부 금형(64)에 의하여 움직이지 않게 파지된 세퍼레이터재(20, 40)의 마진 영역(M)의 일부를 커팅 블록(66)을 이용하여 절단하고, 그 결과 도 6과 같이, 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)의 가장자리(12, 32)로부터 세퍼레이터재(20, 40)가 특정 간격(D)만큼만 돌출된 상태의 단위구조체를 만들 수 있다.
도 7은, 도 3 내지 도 6에 도시된 금형 커터(60)의 커팅 방식에 따라 제조된 단위구조체(100)를 도시하고 있는데, 금형 커터(60)는 도 7에 도시된 단위구조체(100)의 중앙부에 형성된 관통부의 가장자리(12) 및 단위구조체(100)의 외각 가장자리(12)를 모두 커팅하는 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우 금형 커터(60)에 의하여 마진 영역(M)의 절단뿐만 아니라 4층 시트를 일정간격으로 커팅하여 단위구조체(100)를 형성하는 공정까지도 함께 수행될 수 있다. 도 1은 이와 같은 금형 커터(60)를 갖는 설비를 하나의 예시로 도시한 것이다.
물론 금형 커터(60)가 반드시 '마진 영역(M)의 절단 작업'과 '4층 시트를 일정간격으로 커팅하는 작업'을 함께 수행해야만 하는 것은 아니다. 마진 영역(M)의 일부를 금형 커터에 의하여 절단하는 작업과 4층 시트를 일정간격으로 커팅하는 작업을 순차적으로 진행할 수 있다.
금형 커터(60)는 마진 영역(M)의 일부를 절단하는 작업만을 수행하고, 별도의 커터가 4층 시트를 일정간격으로 커팅할 수 있도록 설비를 구성하는 것도 가능하다.
이 경우 도 2 및 도 8을 참조하면, 전극재는 내부에 관통부가 형성되는데, 금형 커터를 이용하여 절단되는 마진 영역의 일부란 관통부에 의하여 노출되는 세퍼레이터재(20) 부분에서 관통부의 내측 모서리로부터 특정 간격(D)만큼 이격되는 부분을 제외한 세퍼레이터재 부분일 수 있다.
그에 따라, 제2-A 공정은 관통부에 의해 노출된 마진 영역(M) 중에서, 관통부의 내측 가장자리(12)로부터 내측으로 특정 간격(D)만큼 돌출된 마진 영역(M)을 제외한 관통부 내부의 마진 영역(M)을 금형 커터를 이용하여 절단하는 것일 수 있다.
이러한 개념은, 전극재의 내부에 관통부가 형성된 경우 이외에도 전극재가 둥근 형태의 모서리를 가지는 등 특별한 형태를 가지는 경우에도 적용될 수 있다. 전극재가 특별한 형태를 가지는 예시는 도 9 내지 도 11에서 도시되고 있다.
예를 들어, 전극재가 모서리 부분에서 직선 형태의 가장자리로부터 일직선상으로 연장되지 않는 불규칙 가장자리를 포함하는 경우, 제2-A 공정은 불규칙 가장자리의 외측에 위치한 마진 영역 중에 불규칙 가장자리로부터 외측으로 특정 간격(D)만큼 돌출된 마진 영역을 제외한 마진 영역을 불규칙 가장자리에 대응되게 금형 커터를 이용하여 절단하는 것을 의미할 수 있다.
불규칙 가장자리란 테이퍼된 형상의 가장자리일 수도 있고, 둥근 형상의 모서리일 수도 있다. 그리고 불규칙 가장자리에 대응되게 금형 커터를 이용하여 절단한다는 것은 그 불규칙 가장자리가 형성된 부분에서 불필요한 세퍼레이터재를 커팅한다는 것을 의미하는 것이며, 전극재의 둘레 전부를 따라가면서 필요 없는 부분의 세퍼레이터재를 커팅하는 것을 의미하진 않는다.
이상에서 설명한 마진 영역(M)의 일부를 먼저 금형 커터(60)를 이용하여 절단하는 작업을 수행하고, 이후에 별도의 공정으로 4층 시트를 일정 간격으로 커팅하여 단위구조체(100)를 형성하는 공정을 수행할 수 있다.
이 경우 4층 시트를 일정 간격으로 커팅하는 커터는 2-A 공정에서 사용되는 금형 커터(60)의 출력단 측에 위치하며, 여기서 출력단 측이란 도 1을 기준으로 금형 커터(60)의 오른쪽에 해당할 수 있다.
단위구조체(100)란 제1 전극/세퍼레이터/제2 전극/세퍼레이터의 순서로 적층되어 있는 전극조립체를 이루는 가장 기초 단위로서, 특히, 이 기초 단위가 커터 또는 금형 커터(60)에 의하여 4층 시트로부터 분리된 상태를 의미한다.
4층 시트를 앞서 설명한 기본 단위 시트의 개념으로 대체해서 생각한다면, 단위구조체란 전극재와 세퍼레이터재가 적층되어 전극조립체를 이루는 가장 기초단위로서, 특히 이 기초 단위가 커터 또는 금형 커터(60)에 의하여 기본 단위 시트로부터 분리된 상태를 의미한다.
앞서 설명한 바와 같이, 금형 커터(60)가 마진 영역(M)의 일부를 절단하는 것에 의하여 단위구조체(100)가 형성되거나 별도의 커터에 의하여 단위구조체(100)가 형성된 이후에는, 이 단위구조체(100)를 복수 개 적층하여 전극조립체를 제조할 수 있다. 또한, 하나의 단위구조체(100)만으로 전극조립체를 제조할 수도 있다.
한편, 통상적인 모바일 기기를 비롯한 전자 기기들에 장착되는 배터리 셀을 예로 들었을 때, 세퍼레이터재(20, 40)가 제1 전극재와 제2 전극재의 가장자리(12, 32)로부터 돌출된 간격(D)은 0.5mm~1.0mm인 것이 바람직하고, 세퍼레이터재(20, 40)의 두께를 기준으로 하면 상기 간격(D)은 세퍼레이터재(20, 40)의 18배~38인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 간격(D)은 세퍼레이터재(20, 40)의 두께가 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)의 두께의 20%~30% 사이즈인 경우를 상정하여 실험한 결과에 해당한다.
이 수치는 4층 시트에 구비된 두 개의 세퍼레이터재(20, 40)를 절단하는 경우를 상정한 것으로서, 간격(D)이 상기 수치보다 크면 배터리 셀의 전기용량에 비하여 배터리 셀의 크기가 커지는 단점이 있고, 상기 수치보다 작으면 세퍼레이터를 사이에 둔 채로 서로 마주하는 양극과 음극이 서로 단락될 수 있는 위험이 있다. 따라서, 상기 수치 범위가 간격(D)의 최적 범위이다.
지금까지는, 중앙에 관통부가 형성되어 있는 단위구조체(100) 및 전극조립체를 예로 들면서 제1 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법을 설명하였으나, 도 9 내지 도 11에 도시된 것과 같이, 직사각형의 모서리 부분이 잘려진 형상을 갖는 배터리 셀, 직사각형의 꼭지점 부분이 라운드 또는 사선으로 잘려진 형상을 갖는 배터리 셀에 구비되는 단위구조체 및 전극조립체를 제조하는 데에도 당연히 제1 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법이 사용될 수 있다.
실시예 2
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. 제2 실시예에 대한 설명에 있어서, 제1 실시예와 중복되는 부분에 대해서는 가능한 한 생략하고, 차이점이 있는 부분에 대해서 중점적으로 설명하도록 한다.
도 12를 참조하면 제2 실시예에 따른 전극조립체의 제조방법은, 제1 전극재(10)와, 제2 전극재(30)와, 세퍼레이터재(20, 40)를 제1 전극재(10)/세퍼레이터재(20)/제2 전극재(30)/세퍼레이터재(40)의 순서로 라미네이팅 하여 4층 시트를 형성하는 제1 공정과, 이 제1 공정에 의하여 형성된 4층 시트를 일정간격으로 커팅하여 형성한 단위구조체(100)를 복수 개 적층하여 전극조립체를 형성하는 제2-B 공정과, 이 제2-B 공정에 의하여 형성된 전극조립체에 구비된 세퍼레이터재(20, 40)가 제1 전극재와 제2 전극재의 가장자리(12, 32)로부터 특정 간격(D)만큼만 돌출될 수 있도록, 마진 영역(M)의 일부를 금형 커터(60)를 이용하여 절단하는 제3 공정을 포함한다.
[제1 공정]
제2 실시예의 제1 공정은 이미 설명한 제1 실시예의 제1 공정과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
실시예 2에서도 실시예 1에서와 마찬가지로 4층 시트의 개념은 기본 단위 시트의 개념으로 확장될 수 있다.
[제2-B 공정]
제2 실시예는 제1 공정 이후에 4층 시트 또는 기본 단위 시트를 일정간격으로 커팅하여 형성한 단위구조체(100)를 복수 개 적층하여 전극조립체를 형성한 이후에 금형 커터(60)로 마진 영역(M)의 절단 작업을 수행한다는 점에 있어서 제1 실시예와 차이가 난다. 다시 말해, 제1 실시예는 단위구조체(100)의 적층에 의하여 전극 조립체를 제조하는 이전 단계에서 마진 영역(M)의 일부를 절단하고 이를 적층하여 전극조립체를 제조하는 방법인 것에 비해, 제2 실시예는 단위구조체(100)를 적층하여 전극조립체를 제조한 후에 마진 영역(M)의 일부를 절단하는 방법인 것이다.
제2 실시예의 경우, 제1 공정에 의하여 4층 시트 또는 기본 단위 시트가 형성된 이후에는 단위구조체(100)를 형성하고 이를 적층하여 전극조립체를 형성해야 하기 때문에, 라미네이터의 출력단 측에 커터(C3)가 배치되고, 이 커터(C3)가 4층 시트 또는 기본 단위 시트를 커팅한다.
한편, 4층 시트의 확장 개념인 기본 단위 시트를 커팅하여 전극 조립체 형성하는 경우, 제2-B공정은 1종의 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하여 형성된 단위구조체를 반복적으로 적층하거나, 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 일정 간격으로 커팅하여 형성된 2종 이상의 단위구조체를 정해진 순서에 따라, 예를 들어 교호적으로 적층하여 전극조립체를 제조하는 공정이 될 수 있다.
[제3 공정]
제2-B 공정에 의하여 전극조립체가 형성된 이후에는 제3 공정이 수행되는데 이에 대해서는 도 13을 참조하여 설명하도록 한다.
금형 커터(60)의 상부 금형(62)과 하부 금형(64) 사이에 전극조립체의 세퍼레이터를 위치시키고, 상부 금형(62) 또는 하부 금형(64)을 이동시켜 세퍼레이터들만을 상부 금형(62)과 하부 금형(64) 사이에 파지되도록 하면, 도 13과 같은 상태가 된다. 다음으로, 상부 금형(62)과 하부 금형(64)에 의하여 움직이지 않게 파지된 세퍼레이터에서 마진 영역(M)의 일부를 커팅 블록(66)을 이용하여 절단하면, 제1 전극과 제2 전극의 가장자리(12)로부터 세퍼레이터가 특정 간격(D)만큼만 돌출된 상태의 전극조립체를 만들 수 있다.
한편, 제2 실시예의 경우, 상부 금형(62)과 하부 금형(64)에 의하여 파지된 세퍼레이터 중 전극조립체의 상단과 하단에 위치한 세퍼레이터는 전극조립체의 중심부위에 위치한 세퍼레이터에 비하여 더 많이 늘어나 있는 상태임을 도 13을 통해 확인할 수 있다. 따라서, 제1 전극과 제2 전극의 가장자리(12, 32)로부터 세퍼레이터가 돌출된 간격(D)을 제1 실시예와 동일하게 한다면, 전극조립체의 상단과 하단에 위치한 세퍼레이터는 지나치게 신장되어 파손될 수 있다.
이와 같이, 마진 영역(M)의 일부를 금형 커터(60)를 이용하여 절단하는 과정 중에 발생할 수 있는 세퍼레이터의 파손을 방지하기 위해, 제2 실시예에서는 제1 실시예보다 상기 간격(D)의 사이즈가 더 큰 것이 바람직하다.
구체적으로는, 통상적인 모바일 기기를 비롯한 전자 기기들에 장착되는 배터리 셀에 사용되는 전극조립체를 예로 들었을 때, 상기 간격(D)은 1.0mm~2.0mm인 것이 바람직하고, 세퍼레이터재(20, 40)의 두께를 기준으로 하면 상기 간격(D)은 세퍼레이터재(20, 40)의 38배~75배인 것이 바람직하다. 다만, 전극조립체에 지나치게 많은 개수의 단위구조체(100)가 적층되는 경우에는 상기 간격(D)의 수치의 임계적인 의미가 떨어질 수 있으므로, 제2-B 공정에서 전극조립체는 10개 이하의 단위구조체(100)가 적층되는 것으로 한정하도록 한다.
[금형커팅의 효과]
상술한 실시예들에서 특히 세퍼레이터재(20, 40)를 제1 전극재(10)와 제2 전극재(30)의 가장자리(12)로부터 특정 간격(D)만 남긴 채로 절단하기 위하여, 레이저 커팅, 초음파 커팅, 통상적인 커터를 이용한 커팅의 적절성에 대한 실험이 수행되었다.
실험 결과, 레이저 커팅은 세퍼레이터재(20, 40)에 열변형, 버(Burr), 및 분진 등이 다량 발생하기 때문에 문제가 있는 것으로 판명되었다. 초음파 커팅은 레이저 커팅에서의 상술한 문제점뿐만 아니라, 다양한 형상의 전극조립체에 적용하기 위한 범용성이 크게 떨어진다는 추가적인 문제까지 발생하였다. 그리고, 통상적인 커터를 이용한 커팅의 경우, 열변형, 버, 분진의 발생으로부터는 자유로우나, 다양한 형상의 전극조립체에 적용하기 위한 범용성의 측면에서는 가장 열등한 것으로 판명되었다.
결국, 금형 커터(60)를 이용하는 경우, 열변형, 버, 분진의 발생으로부터 자유로우며, 다양한 형상의 전극조립체에 적용할 수 있는 범용성까지 확보할 수 있음을 확인하였고, 생산성 측면에서도 커터를 이용한 커팅과 큰 차이가 없는 것으로 판명되었다. 또한, 상부 금형(62)과 하부 금형(64)으로 세퍼레이터재(20, 40)를 파지할 때 적절한 압력을 가하는 것에 의하여, 각기 다른 층에 배치되어 있는 세퍼레이터재들(20, 40)의 가장자리(12)를 부착하는 것이 가능하여, 양극과 음극이 서로 단락되는 가능성을 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있는 것을 확인하였다. 이러한 점에서 금형 커터에 의한 커팅이 레이저 커팅, 초음파 커팅, 통상적인 커터를 이용한 커팅보다 더 바람직한 방식의 커팅이라고 볼 수 있다.
또한, 상술한 실시예를 통해 살펴본 본 발명에 따른 전극조립체의 제조방법에 따르면, 전극조립체 상태 또는 단위구조체(100) 상태에서 마진 영역(M)의 일부를 절단하기 때문에 세퍼레이터가 원하는 사이즈보다 크거나 작게 절단되는 경우가 발생하지 않고, 정확히 원하는 규격을 갖는 전극조립체를 제조할 수 있기 때문에 정상 전극조립체의 수율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.
[단위구조체의 변형]
지금까지 서로 같은 크기를 가지는 단위구조체만을 설명했다. 그러나 단위구조체는 서로 다른 크기를 가질 수도 있다. 서로 다른 크기를 가지는 단위구조체를 적층하면 전극조립체를 다양한 형상으로 제조할 수 있다. 여기서 단위구조체의 크기는 세퍼레이터의 크기를 기준으로 설명한다. 통상적으로 세퍼레이터가 전극보다 크기 때문이다.
도 20과 도 21을 참조하여 보다 상술하면, 단위구조체는 복수 개의 서브 단위체(1101a, 1102a, 1103a)를 포함할 수 있다. 이와 같은 서브 단위체의 적층으로 전극조립체(100c)가 형성될 수 있다. 이때 서브 단위체들은 서로 다른 크기의 적어도 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 그리고 서브 단위체들은 서로 같은 크기의 서브 단위체끼리 적층되어 복수 단을 형성할 수 있다. 도 20과 도 21은 3개의 그룹으로 나뉘는 서브 단위체들(1101a, 1102a, 1103a)이 서로 같은 크기의 서브 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성한 예를 도시하고 있다. 참고로, 한 개의 그룹에 속하는 서브 단위체들이 2개 이상의 단을 형성해도 무방하다.
그런데 이처럼 복수 단을 형성하는 경우, 단위구조체(서브 단위체)는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를, 즉, 전술한 제1 단위구조체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 서브 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 크기가 다르더라도 1종의 단위구조체에 속하는 것으로 본다.)
이에 대해 상술하면, 1개의 단에서 양극과 음극은 서로 같은 수만큼 적층되는 것이 바람직하다. 그리고 단과 단의 사이에서 서로 반대되는 전극이 세퍼레이터를 통해 서로 대향하는 것이 바람직하다. 그런데 예를 들어 전술한 제2 및 제3 단위구조체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 단위구조체가 필요하게 된다.
그러나 도 21에 도시되어 있는 것과 같이 제1 단위구조체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 단위구조체(서브 단위체)만 필요하게 된다. 따라서 단위구조체(서브 단위체)가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성하더라도 단위구조체(서브 단위체)의 가짓수를 줄일 수 있다.
또한 예를 들어 제2 및 제3 단위구조체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 단위구조체를 적어도 1개씩 적층할 필요가 있으므로, 1개의 단은 최소 12층의 구조를 가지게 된다. 그러나 제1 단위구조체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 단위구조체(서브 단위체)만 적층하면 되므로, 1개의 단은 최소 4층의 구조를 가지게 된다. 따라서 단위구조체(서브 단위체)가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성할 때 각 단의 두께를 매우 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 단위구조체(서브 단위체)는 서로 다른 크기를 가질 수도 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 22에서 도시하고 있는 것과 같이, 서브 단위체들은 크기뿐만 아니라, 모서리 형상에 있어 차이가 있을 수 있고, 천공 유무에 있어 차이가 있을 수 있다. 보다 구체적으로 도 22에서 도시하고 있는 것과 같이, 3개의 그룹으로 나뉘는 서브 단위체들이 서로 같은 기하학적 형상의 서브 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성할 수도 있다. 이를 위해 단위구조체는 적어도 2개의 그룹(각 그룹은 서로 다른 기하학적 형상을 가짐)으로 나뉘는 서브 단위체들을 포함할 수 있다. 이때도 동일하게 단위구조체(서브 단위체)는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 단위구조체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 서브 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 기하학적 형상이 다르더라도 1종의 단위구조체에 속하는 것으로 본다.)
[보조 단위체의 적층]
전극조립체는 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체 중의 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
먼저 제1 보조 단위체에 대해 살펴본다. 단위구조체는 일측 말단에 전극이 위치하고 타측 말단에 세퍼레이터가 위치한다. 따라서 단위구조체를 순차적으로 적층하면, 전극조립체의 가장 위쪽이나 가장 아래쪽에 전극(도 23에서 도면부호 116의 전극 참조, 이하 '말단 전극'이라 한다)이 위치하게 된다. 제1 보조 단위체는 이와 같은 말단 전극에 추가적으로 적층된다. (참고로, 전극조립체는 보조 단위체까지 모두 포함하여 구성되는 것으로 볼 수도 있다.)
보다 구체적으로 말단 전극(116)이 양극이면, 제1 보조 단위체(130a)는 도 23에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 전극(116)으로부터 차례로, 즉 말단 전극(116)으로부터 외측으로 세퍼레이터(114), 음극(113), 세퍼레이터(112) 및 양극(111)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 말단 전극(116)이 음극이면, 제1 보조 단위체(130b)는 도 24에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 전극(116)으로부터 차례로, 즉 말단 전극(116)으로부터 외측으로 세퍼레이터(114) 및 양극(113)이 순차적으로 적층 되어 형성될 수 있다.
전극조립체(100d, 100e)는 도 23과 도 24에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 보조 단위체(130a, 130b)를 통해 말단 전극 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다. 이때 가장 외측에 위치하는 양극, 즉 제1 보조 단위체의 양극은 집전체의 양면 중에 단위구조체를 바라보는 일면(도 23을 기준으로 아래쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅되는 것이 바람직하다. 이와 같이 활물질층이 코팅되면, 말단 전극 측의 가장 외측에 활물질층이 위치하지 않게 되므로, 활물질층이 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 참고로, 양극은 (예를 들어) 리튬 이온을 방출하는 구성이므로 가장 외측에 양극을 위치시키면 전지 용량에 있어 유리하다.
다음으로 제2 보조 단위체에 대해 살펴본다. 제2 보조 단위체는 기본적으로 제1 보조 단위체와 동일한 역할을 수행한다. 보다 상술한다. 단위구조체는 일측 말단에 전극이 위치하고 타측 말단에 세퍼레이터가 위치한다. 따라서 단위구조체를 순차적으로 적층하면, 전극조립체의 가장 위쪽이나 가장 아래쪽에 세퍼레이터(도 25에서 도면부호 117의 세퍼레이터 참조, 이하 '말단 세퍼레이터'이라 한다)가 위치하게 된다. 제2 보조 단위체는 이와 같은 말단 세퍼레이터에 추가적으로 적층된다.
보다 구체적으로 단위구조체에서 말단 세퍼레이터(117)에 접한 전극(113)이 양극이면, 제2 보조 단위체(140a)는 도 25에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 세퍼레이터(117)으로부터 차례로 음극(111), 세퍼레이터(112) 및 양극(113)이 적층되어 형성될 수 있다. 또한 단위구조체에서 말단 세퍼레이터(117)에 접한 전극(113)이 음극이면, 제2 보조 단위체(140b)는 도 26에서 도시하고 있는 것과 같이 양극(111)으로 형성될 수 있다.
전극조립체(100f, 100g)는 도 25과 도 26에 도시되어 있는 것과 같이, 제2 보조 단위체(140a, 140b)를 통해 말단 세퍼레이터 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다. 이때 가장 외측에 위치하는 양극, 즉 제2 보조 단위체의 양극도 제1 보조 단위체의 양극과 동일하게, 집전체의 양면 중에 단위구조체를 바라보는 일면(도 25를 기준으로 위쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅되는 것이 바람직하다.
그런데 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체는 전술한 구조와 다른 구조를 가질 수도 있다. 먼저 제1 보조 단위체에 대해 살펴본다. 도 27에서 도시하고 있는 것과 같이 말단 전극(116)이 양극이면, 제1 보조 단위체(130c)는 세퍼레이터(114) 및 음극(113)이 말단 전극(116)으로부터 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 도 28에 도시되어 있는 것과 같이 말단 전극(116)이 음극이면, 제1 보조 단위체(130d)는 세퍼레이터(114), 양극(113), 세퍼레이터(112) 및 음극(111)이 말단 전극(116)으로부터 차례로 적층되어 형성될 수 있다.
전극조립체(100h, 100i)는 도 27과 도 28에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 보조 단위체(130c, 130d)를 통해 말단 전극 측의 가장 외측에 음극을 위치시킬 수 있다.
다음으로 제2 보조 단위체에 대해 살펴본다. 도 29에서 도시하고 있는 것과 같이, 단위구조체에서 말단 세퍼레이터(117)에 접한 전극(113)이 양극이면, 제2 보조 단위체(140c)는 음극(111)으로 형성될 수 있다. 또한 도 30에서 도시하고 있는 것과 같이, 단위구조체에서 말단 세퍼레이터(117)에 접한 전극(113)이 음극이면, 제2 보조 단위체(140d)는 양극(111), 세퍼레이터(112) 및 음극(13)이 말단 세퍼레이터(117)으로부터 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 전극조립체(100j, 100k)는 도 29와 도 30에 도시되어 있는 것과 같이, 제2 보조 단위체(140c, 140d)를 통해 말단 세퍼레이터 측의 가장 외측에 음극을 위치시킬 수 있다.
참고로, 음극은 전위차로 인해 전지 케이스(예를 들어, 파우치형 케이스)의 알루미늄층과 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 음극은 세퍼레이터를 통해 전지 케이스로부터 절연되는 것이 바람직하다. 이를 위해 도 27 내지 도 30에서 제1 및 제2 보조 단위체는 음극의 외측에 세퍼레이터를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 27의 제1 보조 단위체(130c)와 대비하여 도 31의 제1 보조 단위체(130e)는 가장 외측에 세퍼레이터(112)을 더 포함할 수도 있다. 참고로, 보조 단위체가 세퍼레이터를 포함하면 보조 단위체를 단위구조체에 정렬할 때 보다 용이하다.
한편, 도 32에서 도시하고 있는 것과 같이 전극조립체(100m)를 형성할 수도 있다. 단위구조체(110b)는 하측에서 상측으로 제1 전극(111), 제1 세퍼레이터(112), 제2 전극(113) 및 제2 세퍼레이터(114)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 양극일 수 있고 제2 전극(113)은 음극일 수 있다.
그리고 제1 보조 단위체(130f)는 세퍼레이터(114), 음극(113), 세퍼레이터(112) 및 양극(111)이 말단 전극(116)으로부터 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 보조 단위체(130f)의 양극(111)은 집전체의 양면 중에 단위구조체(110b)를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다.
또한 제2 보조 단위체(140e)는 말단 세퍼레이터(117)으로부터 순차적으로 양극(111, 제1 양극), 세퍼레이터(112), 음극(113), 세퍼레이터(114) 및 양극(118, 제2 양극)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제2 보조 단위체(140e)의 양극 중 가장 외측에 위치한 양극(118, 제2 양극)은 집전체의 양면 중에 단위구조체(110b)를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다.
마지막으로 도 33에서 도시하고 있는 것과 같이 전극조립체(100n)를 형성할 수도 있다. 단위구조체(110e)는 상측에서 하측으로 제1 전극(111), 제1 세퍼레이터(112), 제2 전극(113) 및 제2 세퍼레이터(114)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 음극일 수 있고 제2 전극(113)은 양극일 수 있다. 그리고 제2 보조 단위체(140f)는 음극(111), 세퍼레이터(112), 양극(113), 세퍼레이터(114) 및 음극(119)이 말단 세퍼레이터(117)으로부터 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정 바람직한 실시예에 한정되지 아니하고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형실시는 본 발명의 청구범위 기재 범위 내에 있게 된다.
10 : 제1 전극재
20, 40 : 세퍼레이터재
30 : 제2 전극재
60 : 금형 커터
100 : 단위구조체
100a ~ 100n: 전극조립체
110a ~ 110e: 단위구조체
111: 제1 전극
112: 제1 세퍼레이터
113: 제2 전극
114: 제2 세퍼레이터
116: 말단 전극
117: 말단 세퍼레이터
130a ~ 130f: 제1 보조 단위체
140a ~ 140f: 제2 보조 단위체
C1, C2, C3 : 커터
M : 마진 영역

Claims (25)

  1. 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 1종의 기본 단위 시트나, 또는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 2종 이상의 기본 단위 시트를 제조하는 제1 공정; 및
    상기 기본 단위 시트의 세퍼레이터재가 상기 전극재의 가장자리로부터 특정 간격(D)만큼 돌출될 수 있도록, 상기 전극재에 의하여 덮이지 않은 세퍼레이터재의 영역인 마진(margin area) 영역의 일부를 절단하는 제2-A 공정;을 포함하며,
    상기 1종의 기본 단위 시트는 제1 전극재, 제1 세퍼레이터재, 제2 전극재 및 제2 세퍼레이터재가 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고,
    상기 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극재는 내부에 관통부가 형성되고,
    상기 제2-A 공정은 상기 관통부에 의해 노출된 마진 영역 중에, 상기 관통부의 내측 가장자리로부터 내측으로 특정 간격(D)만큼 돌출된 마진 영역을 제외한 마진 영역을 금형 커터를 이용하여 절단하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극재는 직선 형태의 가장자리로부터 일직선상으로 연장되지 않는 불규칙 가장자리를 포함하며,
    상기 제2-A 공정은 상기 불규칙 가장자리의 외측에 위치한 마진 영역 중에 상기 불규칙 가장자리로부터 외측으로 특정 간격(D)만큼 돌출된 마진 영역을 제외한 마진 영역을 상기 불규칙 가장자리에 대응되게 금형 커터를 이용하여 절단하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2-A 공정은 금형 커터를 이용하여 상기 마진 영역의 일부를 절단하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 공정과 제2-A 공정 이후 상기 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하여 단위구조체를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2-A 공정에서 상기 금형 커터는 상기 마진 영역의 절단과 함께 상기 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하여 단위구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 1종의 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하여 형성된 상기 단위구조체를 반복적으로 적층하거나, 또는 상기 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 일정 간격으로 커팅하여 형성된 2종 이상의 단위구조체를 정해진 순서에 따라 적층하여 전극조립체를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 단위구조체를 형성하는 공정은 상기 제2-A 공정을 수행하는 금형 커터의 출력단 측에 위치한 커터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  9. 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 1종의 기본 단위 시트나, 또는 서로 동일한 개수의 전극재와 세퍼레이터재가 교대로 적층된 구조를 가지는 2종 이상의 기본 단위 시트를 제조하는 제1 공정;
    상기 1종의 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하여 형성된 단위구조체를 반복적으로 적층하거나, 또는 상기 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 일정 간격으로 커팅하여 형성된 2종 이상의 단위구조체를 정해진 순서에 따라 적층하여 전극조립체를 형성하는 제2-B 공정; 및
    상기 전극조립체에 구비된 세퍼레이터재가 상기 전극재의 가장자리로부터 특정 간격(D)만큼 돌출될 수 있도록, 상기 전극재에 의하여 덮이지 않은 세퍼레이터재의 영역인 마진 영역의 일부를 절단하는 제3 공정;을 포함하며,
    상기 1종의 기본 단위 시트는 제1 전극재, 제1 세퍼레이터재, 제2 전극재 및 제2 세퍼레이터재가 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고,
    상기 2종 이상의 기본 단위 시트를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 는 전극조립체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 공정은 금형 커터를 이용하여 상기 마진 영역의 일부를 절단하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기본 단위 시트를 일정 간격으로 커팅하는 것은 상기 제1 공정을 수행하는 라미네이터의 출력단 측에 위치한 커터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2-B 공정에서 상기 전극조립체는 10개 이하의 단위구조체를 구비한 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 간격(D)은 0.5mm~1.0mm인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 간격(D)은 1.0mm~2.0mm인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 간격(D)은 상기 세퍼레이터재의 두께의 18배~38배인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 간격(D)은 상기 세퍼레이터재의 두께의 38배~75배인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  17. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 세퍼레이터재의 두께는 상기 전극재의 두께의 20%~30% 사이즈인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  18. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 기본 단위 시트에 구비된 세퍼레이터재 중 두 개의 상기 전극재 사이에 개재되는 세퍼레이터재는 양면에 접착력을 가지는 코팅 물질이 코팅되고, 그 이외의 세퍼레이터재는 상기 전극재와 접촉하는 면에만 접착력을 가지는 코팅 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  19. 제5항 또는 제9항에 있어서,
    상기 단위구조체에서, 전극은 인접한 세퍼레이터에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전극은 상기 인접한 세퍼레이터를 바라보는 면에서 전체적으로 상기 인접한 세퍼레이터에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 전극은 라미네이팅에 의해 상기 인접한 세퍼레이터를 바라보는 면에서 전체적으로 상기 인접한 세퍼레이터에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
  22. 제7항에 있어서,
    상기 단위구조체 내에서 전극과 인접한 세퍼레이터 간의 접착력은 상기 전극조립체 내에서 상기 단위구조체 상호 간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
  23. 제9항에 있어서,
    상기 단위구조체 내에서 전극과 인접한 세퍼레이터 간의 접착력은 상기 전극조립체 내에서 상기 단위구조체 상호 간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
  24. 청구항 19에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 다공성의 세퍼레이터 기재, 및 상기 세퍼레이터 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층은 무기물 입자들과 상기 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성되며.
    상기 전극은 상기 코팅층에 의해 상기 인접한 세퍼레이터에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 상기 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성하고, 상기 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 상기 코팅층에 기공 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조 방법.
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