KR20170024497A - 이차전지의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지 내부의 빈공간에 전극을 형성할 수 있게 하는 이차전지의 제작방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극 집전체 시트를 준비하는 집전체 준비 단계, 상기 전극 집전체 시트에 무지부 형성을 위한 필름을 부착하는 필름 부착 단계, 상기 전극 집전체 시트에 활물질을 도포하는 활물질 도포 단계, 상기 전극 집전체 시트에서 상기 필름을 제거하여 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 형성하는 무지부 형성 단계, 상기 전극 집전체 시트를 재단하여 전극을 형성하는 전극 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지의 제작방법{MANUFACTURING METHOD FOR SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지의 제작방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전지 내부의 빈공간에 전극을 형성할 수 있게 하는 이차전지의 제작방법에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(cell, battery)는 각종 전기전자 기기로 둘러싸여 있는 생활환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못할 경우나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학전지인 일차전지와 이차전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 또한, 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.

리튬 이차전지의 제작방법은 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 새어 나가지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안전성이 확보되고 에너지 효율이 높다는 장점이 있다.

또한, 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며, 3mm이하 두께로 제작이 가능하고 무게도 30% 이상 줄일 수 있으며, 대량생산 및 대형전지 제조가 가능하다.

이런 이유로 리튬 이차전지의 제작방법은 현재 상용화되어 다양한 분야에서 사용되고 있다.

대한민국공개특허공보 제10-2013-0091133호에는 종래의 이차전지용 전극판의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이차전지용 전극판과 이차전지가 공지되어 있다.

도 1은 종래 이차전지의 내부를 개략적으로 도시한 구성도이다.

하지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 기술은 이차전지(100) 내부의 리드 브이 포밍(V-forming)을 위한 빈공간(103)이 존재하고 이러한 빈공간(103) 중 양/음극 리드부(105)를 제외한 공간은 활용도가 떨어진다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 이차전지 내부의 브이 포밍(V-forming)을 위한 빈공간에 전극을 형성할 수 있게 하는 이차전지의 제작방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이차전지의 제작방법은 전극 집전체 시트를 준비하는 집전체 준비 단계, 상기 전극 집전체 시트에 무지부 형성을 위한 필름을 부착하는 필름 부착 단계, 상기 전극 집전체 시트에 활물질을 도포하는 활물질 도포 단계, 상기 전극 집전체 시트에서 상기 필름을 제거하여 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 형성하는 무지부 형성 단계, 상기 전극 집전체 시트를 재단하여 전극을 형성하는 전극 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 집전체 준비 단계와 상기 필름 부착 단계와의 사이에 상기 필름의 양측 테두리를 일정 간격으로 재단하는 필름 준비 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 필름 준비 단계에서는 상기 필름의 양측 테두리를 요철형 또는 물결형 또는 톱니형 중 하나 이상으로 재단할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래 이차전지의 빈공간을 활용하여 동일 크기의 이차전지에 비해 높은 용량을 확보할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 고온에서 이차전지의 스웰링(swelling) 현상 발생 시 이차전지 내부의 빈공간에 전극이 형성되어 이차전지의 변형을 억제하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 전극 공정에서 스크랩(scrap)으로 버려지는 무지부를 활용하여 전극을 형성하기 때문에 집전체 손실을 줄이는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 전극 공정에서 활용되지 못하고 버려지는 활물질을 활용할 수 있게 하여 활물질의 손실을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 종래 이차전지의 내부를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 집전체 준비 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 필름 부착 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 활물질 도포 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 무지부 형성 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 전극 형성 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 본 명세서에 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제작방법은 집전체 준비 단계(S1), 필름 부착 단계(S2), 활물질 도포 단계(S3), 무지부 형성 단계(S4) 및 전극 형성 단계(S5)를 포함한다.

도 3은 본 발명의 집전체 준비 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 집전체 준비 단계(S1)는 전극 집전체를 제작하기 위한 전극 집전체 시트(1)를 준비하는 단계이다.

여기서 전극 집전체 시트(1)는 집전체 원판으로서 소정의 폭(W) 및 길이(L)를 갖는 대략 직사각형 형태일 수 있다.

그리고 전극 집전체 시트(1)는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 재질로 이루어지는 것이 일반적이다.

즉, 전극 집전체 시트(1)는 이차전지용 전극판이 양극판인 경우에는 알루미늄 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 음극판인 경우에는 구리 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 필름 부착 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 필름 부착 단계(S2)는 전극 집전체 시트(1)에 무지부 형성을 위한 필름(10)을 부착하는 단계이다.

이때, 필름(10)은 전극 집전체 시트(1)를 중앙에서 가로지르게 부착되어야 상기 활물질 도포 단계(S3)에서 필름(10)을 기준으로 양측의 전극 집전체 시트(1)에 활물질을 도포하여 가능한 많은 숫자의 전극을 제작 하는데 유리하다.

필름(10)은 전극 집전체 시트(1)의 표면에 접착 및 탈착이 용이한 것이 좋다.

그리고 전극 집전체 시트(1)에서 필름(10)이 부착되는 부분은 필름(10)에 의해 활물질(20)이 도포되지 않게 차단해야 하기 때문에 필름(10)의 소재는 아크릴 등과 같은 수지 계열의 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 집전체 준비 단계(S1)와 상기 필름 부착 단계(S2)의 사이에는 필름(10)을 재단하기 위한 필름 준비 단계(S1-1)를 더 포함한다.

상기 필름 준비 단계(S1-1)는 전극 집전체 시트(1)에 부착되는 필름(10)을 재단하여 전극 집전체 시트(1)에서 무지부(30)의 비율을 줄이고 전극의 비율을 높이기 위함이다.

따라서 필름(10)의 양측 테두리를 일정 간격으로 재단하는데, 재단된 필름(10)의 양측 테두리는 요철형 또는 물결형 또는 톱니형 중 어느 하나 이상의 형상을 이룰 수 있다.

하지만, 재단된 필름(10)의 양측 테두리 형상이 이에 한정되는 것은 아니며 종래의 전지 내부의 브이 포밍(V-forming)을 위한 빈공간을 형성하기 위해 전극 집전체 시트(1)에서 무지부(30)가 형성되는 부분 중에서 양극 및 음극 리드부가 형성되는 부분을 제외한 부분에 활물질을 도포할 수 있도록 필름(10)의 양측 테두리가 재단된다면 그 형상이 제한되는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 활물질 도포 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 활물질 도포 단계(S3)는 재단된 필름(10)이 부착된 전극 집전체 시트(1)에 활물질(20)을 도포하는 단계이다.

이때, 양극판을 제작하기 위한 전극 집전체 시트(1) 일 경우에 전극 집전체 시트(1)에 양극 활물질을 도포하고 음극판을 제작하기 위한 전극 집전체 시트(1) 일 경우에 전극 집전체 시트(1)에 음극 활물질을 도포한다.

양극 활물질로서는 리튬 함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들어 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2, LiCo1-yMnyO2, LiNi1-yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 선택되는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

음극 활물질로서는 탄소재, 리튬 금속, 금속 화합물 또는 이들 중 선택되는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

구체적으로, 상기 탄소재로서는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.

저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.

금속 화합물로는 Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, Ba 등의 금속 원소를 1종 이상 함유하는 화합물을 들 수 있다.

이들 금속 화합물은 단체, 합금, 산화물(TiO2, SnO2 등), 질화물, 황화물, 붕화물, 리튬과의 합금 등, 어떤 형태로도 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 무지부 형성 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 무지부 형성 단계(S4)는 활물질(20)이 도포된 전극 집전체 시트(1)에서 필름(10)을 제거하여 활물질(20)이 도포되지 않은 무지부(30)를 형성하는 단계이다.

이때, 필름(10)은 양측 테두리가 요철형 또는 물결형 또는 톱니형 등과 같이 재단되어 무지부(30)를 형성하는 브이 포밍부 빈공간에 전극이 형성될 수 있도록 브이 포잉부 빈공간에서 양극 및 음극 리드부가 형성되는 부분을 제외한 부분에 활물질(20)이 도포되게 한다.

도 7은 본 발명의 전극 형성 단계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 전극 형성 단계(S5)는 전극 집전체 시트(1)를 전지의 전극(3)의 형상으로 재단하여 복수의 전극(3)을 형성하는 단계이다.

이와 같이 본 발명에 따르면 전극 집전체 시트(1)에 활물질(20)을 도포하는 과정에서 무지부(30)를 형성하기 위해 전극 집전체 시트(1)에 부착되는 필름(10)의 양측 테두리를 재단하여 무지부(30)의 비율을 최대한 줄이면서 활물질(20)이 도포되는 면적을 최대화함에 따라 전극 형성 단계(S5)에서 형성되는 전극(3)의 크기를 최대한 확보할 수 있는 것이다.

따라서 전극(3)이 종래에 비해 최대한의 크기를 확보하여 동일한 크기의 전지가 높은 효율의 에너지 용량을 구현할 수 있어 보다 얇고 작은 크기의 전지로 대용량의 전지를 구현할 수 있게 한다.

또한, 전극(3)의 크기가 증대되어 전지 내부의 빈공간까지 전지가 형성됨에 따라 고온에서 전지의 스웰링(swelling) 형상이 발생하는 경우에도 전지 내부에 빈공간이 적기 때문에 전지의 변형이 억제될 수 있다.

또한, 전극 제작 공정에서 재단되면서 버려지는 무지부(30)를 활용하여 전극을 형성하기 때문에 전극 집전체 시트(1)의 손실을 줄일 수 있으며, 종래에 무지부(30)를 형성하기 위해 필름(10)이 부착되는 부분에 도포되어 활용되지 못하고 버려지는 활물질을 보다 더 사용함으로써 활물질의 손실도 절감하는데 기여할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 종래 이차전지의 빈공간을 활용하여 동일 크기의 이차전지에 비해 높은 용량을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고온에서 이차전지의 스웰링(swelling) 현상 발생 시 이차전지 내부의 빈공간에 전극이 형성되어 이차전지의 변형을 억제하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전극 공정에서 스크랩(scrap)으로 버려지는 무지부를 활용하여 전극을 형성하기 때문에 집전체 손실을 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전극 공정에서 활용되지 못하고 버려지는 활물질을 활용할 수 있게 하여 활물질의 손실을 절감하는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 이차전지의 제작방법을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1: 전극 집전체 시트
3: 전극
10: 필름
20: 활물질
30: 무지부

Claims (3)

1. 전극 집전체 시트(1)를 준비하는 집전체 준비 단계(S1);
   상기 전극 집전체 시트(1)에 무지부 형성을 위한 필름(10)을 부착하는 필름 부착 단계(S2);
   상기 전극 집전체 시트(1)에 활물질(20)을 도포하는 활물질 도포 단계(S3);
   상기 전극 집전체 시트(1)에서 상기 필름(10)을 제거하여 상기 활물질(20)이 도포되지 않은 무지부(30)를 형성하는 무지부 형성 단계(S4); 및
   상기 전극 집전체 시트(1)를 재단하여 전극(3)을 형성하는 전극 형성 단계(S5); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 집전체 준비 단계(S1)와 상기 필름 부착 단계(S2)와의 사이에 상기 필름(10)의 양측 테두리를 일정 간격으로 재단하는 필름 준비 단계(S1-1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 필름 준비 단계(S1-1)에서는 상기 필름(10)의 양측 테두리를 요철형 또는 물결형 또는 톱니형 중 하나 이상으로 재단하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제작 방법.

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