KR20200077240A - 애노드 일체형 셀 파우치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일 측면에서, 금속 원단; 상기 금속 원단의 일부분에 적층된 실란트 필름; 및 상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 적층된 그라파이트를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치를 제공한다.

Description

애노드 일체형 셀 파우치 및 그 제조방법{ANODE-INTEGRATED CELL POUCH AND METHOD FOR PREPARATION THE SAME}
본 발명은 애노드 일체형 셀 파우치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 공정기술의 급속한 발전으로 인해 반도체, MEMS 등의 미세 소자 및 초소형 기계 부품에 대한 기술의 첨단화는 가속화되고 있으며, 기능을 갖는 부분과 이 부분을 제어하는 주변회로의 on-chip화 요구가 증가하기 시작하였다.
다만, 이와 같은 추세에서 소자구동을 위한 에너지원의 개발이 문제된다. 즉 작아진 소자의 크기에 부합하는 초소형의 전지가 필요하게 된 것이다. 따라서 보다 완전한 마이크로 시스템의 구현을 위하여 고성능 초박막전지(Thin Film Battery)의 개발이 필수적이다. 이에 박막전지의 두께도 낮추면서 애노드 역할도 가능한 파우치 제작에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명에서는 애노드 일체형 셀 파우치로서 박막전지의 두께를 낮추면서 우수한 열접착성 및 내전해 물성을 갖는 셀 파우치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예는, 금속 원단; 상기 금속 원단의 일부분에 적층된 실란트 필름; 및 상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 적층된 그라파이트를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단은 애노드이고, 상기 금속은 SUS, Cu, Ni, 또는 Al을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단은 Cr 도금된 금속원단일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단의 두께는 15 - 20um이고, 인장강도는 400 N 이상일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름은 CPP 필름을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름은 3 - 50cm x 3 - 50cm 규격의 직사각형으로 타발된 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 파우치의 두께는 50 - 100um일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는, 본 발명의 구현예에 따른 애노드 일체형 셀 파우치를 포함하는, 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 금속 원단을 전처리하는 단계; 실란트 필름의 일부분을 타발하고 상기 원단 상에 적층하는 단계; 및 상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 그라파이트를 적층하여 파우치를 제조하는 단계;를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단 전처리 단계는 상기 금속 원단을 Cr 도금하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름의 일부분을 3 - 50cm x 3 - 50cm 규격의 직사각형으로 타발하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름을 원단 상에 적층하는 단계에 앞서, 상기 실란트 필름의 적층 부위를 표면처리 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름을 원단 상에 적층하는 단계는 150℃ 이상의 온도에서 열 라미네이션 하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제조방법은 상기 파우치를 100 - 150℃의 온도에서 12 - 24 시간 동안 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 애노드 일체형 셀 파우치는 박막전지의 두께도 낮추면서 애노드 역할도 동시에 할 수 있어서, 고성능 초박막 전지에 적용될 수 있다.
또한 본 발명의 구현예에 따른 애노드 일체형 셀 파우치는 우수한 열 접착 강도 및 내전해액 물성을 가질 수 있다.
도 1은 종래의 셀 파우치의 단면 구조를 나타내는 개략도를 도시한다.
도2는 본 발명의 구현예에 따른 애노드 일체형 셀 파우치의 단면도의 구조를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따른 애노드 일체형 셀 파우치 제작 단계를 나타내는 순서도를 도시한다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명하였으나, 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 "셀(cell)" 이라 함은 전지를 의미하는 것으로서, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같은 이차 전지나 휴대용 축전지 등과 같은 각종 전지를 모두 포함하는 최광의의 의미이다.
본 명세서에서 "셀 파우치(cell pouch)"는 양극, 음극 및 세퍼레이터(separator) 등의 셀 구성 요소가 전해액에 함침되어 수납된 것으로서, 상기 셀 구성 요소를 수납하기 위하여 가스 배리어성, 내전해액성 및 열접착성 등을 고려한 적층 구조의 필름을 주머니 형태나 박스 형태 등으로 가공된 것을 모두 포함하는 최광의의 의미이다.
애노드 일체형 셀 파우치
본 발명의 일 구현예는, 금속 원단; 상기 금속 원단의 일부분에 적층된 실란트 필름; 및 상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 적층된 그라파이트를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단은 애노드일 수 있고, 상기 금속은 전지의 전극으로 사용할 수 있는 금속이면 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 각 금속의 물성(인장강도) 등을 고려하여 선택될 수 있으며, 상기 금속은 SUS, Cu, Ni, 또는 Al을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어 상기 금속 원단은 구리(Cu)원단일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단은 Cr 도금된 금속원단일 수 있다. 상기 금속 원단, 예컨대 구리 원단은 과방전 또는 부식성 등의 취약점을 가질 수 있는데, 상기 Cr도금을 통하여 이러한 취약점을 보완할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단의 두께는 15 - 20um이고, 인장강도는 400 N 이상일 수 있다. 상기 금속 원단의 두께가 15 um 미만인 경우 찢어지는 등 원단 손상이 생길 수 있고, 20 um 초과로 너무 두꺼운 경우 부러질 수 있다. 또한, 상기 인장 강도가 400 N 미만인 경우 박막전지 제조 시 원단 손상이 생길 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름은 무연신 폴리프로필렌(casting polypropylene, CPP) 필름을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름은 상기 금속 원단의 일부분 상에 적층된 것일 수 있으며, 금속 원단 상에 실란트 필름이 적층되지 않은 부분, 즉 실란트 필름의 타발된 부분에는 그라파이트가 적층될 수 있다. 즉, 상기 금속 원단의 일부분은 실란트 필름이 적층되고, 일부분은 그라파이트가 적층될 수 있다. 그라파이트는 음극재에 사용 되는 물질로서, 그라파이트가 금속 원단 위에 일부분 코팅됨으로써 파우치가 음극 역할을 할 수 있게 한다.
예시적인 구현예에서, 실란트 필름이 타발되는 크기는 타발 규격에 따른 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 실란트 필름은 3 - 50cm x 3 - 50cm 규격의 직사각형으로 타발된 것일 수 있다. 상기 타발 규격이 3 cm 이하인 경우 전지 용량이 충분하지 않을 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름의 두께는 25 - 100 um일 수 있다. 상기 실란트 필름의 두께가 25 um 미만인 경우 Seal 강도가 약할 수 있고(6kg/15mm 이하), 100 um 초과인 경우 Seal 강도가 너무 강하며(12kg/15mm 이상), 박막전지 두께 또한 너무 두꺼워 질 수 있다. 파우치의 Seal 강도는 6kg/15mm이상, 15kg/15mm 이하가 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 파우치의 두께는 실란트 필름의 두께에 따라 변하는 것으로서 50 - 100um일 수 있다. 상기 파우치의 두께가 50 um 미만인 경우 Seal 강도가 약할 수 있고, 100 um 초과인 경우 Seal 강도가 너무 강하게 될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는, 본 발명의 구현예에 따른 애노드 일체형 셀 파우치를 포함하는, 이차 전지를 제공한다.
애노드 일체형 셀 파우치 제조방법
본 발명의 또 다른 구현예는, 금속 원단을 전처리하는 단계; 실란트 필름의 일부분을 타발하고 상기 원단 상에 적층하는 단계; 및 상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 그라파이트를 적층하여 파우치를 제조하는 단계;를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법을 제공한다.
먼저, 금속 원단을 전처리할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 원단 전처리 단계는 상기 금속 원단을 Cr 도금하는 것을 포함할 수 있다. 상기 금속 원단, 예컨대 구리 원단은 과방전 또는 부식성 등의 취약점을 가질 수 있는데, 금속 원단에 Cr도금을 하는 전처리 단계를 통하여 이러한 취약점을 보완할 수 있다.
다음으로, 실란트 필름의 일부분을 타발하고 타발된 실란트 필름을 상기 원단 상에 적층할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름의 일부분을 3 - 50cm x 3 - 50cm 규격의 직사각형으로 타발하는 것을 포함할 수 있다. 상기 타발 공정을 통하여 상기 금속 원단 상에 그라파이트가 코팅될 부분의 실란트 필름이 제거될 수 있으며, 상기 타발 규격이 3 cm 이하인 경우 전지 용량이 충분하지 않을 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름의 일부분을 타발하는 것은 상기 실란트 필름에 점착 필름을 부착한 뒤 타발하는 것일 수 있다. 예를 들어 상기 점착 필름은 아크릴 계열 또는 우레탄 계열 점착 필름이 수 있다. 상기 점착필름을 실란트 필름에 부착한 뒤 타발하는 경우 실란트 필름만을 타발하는 경우보다 깔끔하게 타발될 수 있다. 상기 점착 필름은 타발 공정이 끝난 뒤 제거될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름을 원단 상에 적층하는 단계에 앞서, 상기 실란트 필름의 적층 부위를 표면처리 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 상기 표면 처리는 Cr계열 또는 산 계열의 표면 처리제로 표면 처리를 하는 것일 수 있다. 또한 표면조정제를 더 처리할 수 있으며, 상기 표면 조정제를 통하여 표면 처리제 처리시 코팅이 잘 안되는 문제를 해결할 수 있다. 예를 들어 표면 조정제는 산 또는 알카리 모두에 양호한 효과를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 표면 처리에 앞서, 상기 실란트 필름의 적층 부위 이외의 부분이 표면 처리 되는 것을 방지하기 위하여, 보호 필름을 부착할 수 있다. 이때, 상기 보호 필름의 두께는 약 30 um 이하일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 그라파이트를 적층하여 파우치를 제조하는 단계
예시적인 구현예에서, 상기 실란트 필름을 원단 상에 적층하는 단계는 150℃ 이상의 온도에서 열 라미네이션 하는 것일 수 있다. 상기 열 라미네이션 온도가 150℃ 미만인 경우 금속 원단과 실란트 필름의 접착력이 약해질 수 있다.
그런 뒤, 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 부분에 그라파이트를 적층하여 셀 파우치를 제조할 수 있다.
상기 그라파이트 적층에 앞서서 적측된 실란트 필름 부분에 점착 필름을 부착할 수 있다. 상기 점착 필름은 실란트 필름에 전사되지 않는 것으로 선택될 수 있으며, 예를 들어 상기 점착 필름은 아크릴 계열 또는 우레탄 계열 점착 필름이 수 있다. 이때 점착 필름의 두께는, 그라파이트 적층 두께에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 50 - 100um일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 그라파이트는 최종 제조된 전지의 두께를 고려하여 결정될 수 있으며, 예를 들어 50 - 100um의 두께를 가질 수 있다. 건조 후 압착 과정이 있기 때문에 그라파이트 두께는 실란트 필름의 두께보다 두꺼워야 한다.
그런 뒤, 제조된 셀 파우치는 건조될 수 있으며, 상기 건조 단계를 통하여 금속 원단과 그라파이트 사이의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제조방법은 상기 파우치를 100 - 150℃의 온도에서 12 - 24 시간 동안 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 그라파이트가 금속 원단에서 분리되는 현상이 일어날 수 있고, 150℃ 초과인 경우 실란트 층이 녹아서 손상될 수 있다. 또한 12시간 미만으로 건조되는 경우 마찬가지로 그라파이트가 금속 원단에서 분리되는 현상이 일어날 수 있고, 24 시간 초과 동안 건조되는 경우 실란트 층이 녹아서 손상될 수 있다.
이하의 실시예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 애노드 일체형 셀 파우치
도금조의 60%를 순수로 채우고 60℃로 가열한 뒤, 3가크롬 혼합물을 천천히 투입하면서 바닥에 가라앉지 않도록 용해시켰다. 액온도는 50℃로 유지하면서 순수를 85%까지 채웠으며, 교반과 함께 3가크롬(무기염류)을 60ml/l 기준으로 투입한 뒤 이 상태를 3시간이상 유지하여 Cu 원단에 Cr 도금하였다. 그런 뒤, 고온(180℃)에서도 전사가 없는 우레탄, 아크릴 계열의 점착 필름을 보호필름으로 하여 도금이 완료된 원단에 보호 필름을 부착하였다. 원단에 보호 필름을 부착한 뒤 크롬으로 표면 처리하였는데, 이때 도포량은 wet 상태에서 2~3um/cm2로 도포하였으며 코팅된 표면처리용액은 180℃에서 30초간 건조시켰다. 건조 후 보호필름을 제거하였고, CCP를 가로 20.5mm, 세로 34mm 간격 10mm로 프린팅 타발한 뒤, 앞서 표면 처리된 금속 원단에 타발된 CPP를 열라미하였다. 열라미 조건은 160℃ 조건에서 속도는 50cm/min 으로 하였다. 마지막으로, CPP 부착이 안된 부분(CPP의 타발된 부분)에 Metal Mas를 사용하여 스퀴지로 수동으로 그라파이트 코팅하였으며, 이때 코팅 두께는 100um으로 하였다. 그런 뒤 100~150℃ 에서 12~24시간 건조하여 셀 파우치를 제작하였다.
비교예 1: 종래의 파우치
Al 원단에 크롬 표면 처리 공정을 진행하였는데, 이때 도포량은 wet 상태에서 2~3um/cm2로 도포하였으며 코팅된 표면처리용액은 180℃에서 30초간 건조시켰다. 그런 뒤 wet 상태에서8~10um/cm2의 도포량으로 AL 무광면에 우레탄 계열 접착제를 도포하였다. 도포된 접착제는 60 ~80 ℃에서 20초간 건조하였으며, 건조 뒤 Ny 를 라미하였다. Ny 라미한 파우치는 40~60 ℃에서 3~5일간 숙성하여 Al과 Ny의 접착력을 향상 시켰다. 숙성 후 Al 유광면에 CPP를 PP 압출을 통해 제품을 완성시켰으며, 이때 pp압출 조건은 T-die 온도 260 ~ 320 ℃로 하여 파우치를 제작하였다.
실험예 1: 물리적 성능 비교 실험
실시예 1과 비교예 1에 따른 파우치의 물리적 특성을 측정하였다.
열접착 강도는180℃의 열과 30kgf의 압력을 3초 동안 가하여 접착한 뒤, 열 접착된 각 시편에 대하여 열 접착 강도를 측정하였다. 열 접착 강도는 접착강도 측정기(일본, SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델)를 사용하여 200mm/min의 속력으로 상승하는 하중을 가하여, 비교예 1(종래의 Pouch)와 실시예 1(Anode 일체형 Pouch) 실링 필름 간의 열 접착강도를 측정하였다. Anode 일체형 Pouch는 특정 부위에만 CPP 가 5mm 폭으로 존재하기 때문에 열접착 강도 측정 시 정확한 비교를 위해 5mm, 15mm 실링 폭 두가지를 테스트 하였다.
또한 실시예 1과 비교예 1의 각 Pouch의 내전해액 물성을 확인하였으며, 그 결과는 아래 표 1에 나타내었다.
성능지표 단위 실시예 1
(애노드 일체형 파우치)		 비교예 1
(종래의 파우치)		 비고
1 파우치 두께 ㎛ 50um~100um 75um~153um -
2 열접착 강도
(180℃, 3sec, 30kg)		 kg/15mm 11.5 12
kg/5mm 6.5 6.2
3 내전해액 kg/15mm 0.8 0.8
그 결과, 본 발명의 실시예는 종래의 Pouch와 본 발명의 제품과 물리적 성능을 비교 했을 때 본 발명 제품은 종래의 Pouch와 유사한 물리적 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 리튬이온 이차 전지에 사용되고 있는 Pouch의 물성과 비교하여도 크게 차이가 나지 않았다. 열접착강도의 실링 폭이 15mm, 10mm 두 가지 인 것은, 종래의 Pouch와 Anode 일체형 Pouch의 제품 특성 차이에 있다.

Claims (14)

  1. 금속 원단;
    상기 금속 원단의 일부분에 적층된 실란트 필름; 및
    상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 적층된 그라파이트를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 원단은 애노드이고, 상기 금속은 SUS, Cu, Ni, 또는 Al을 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 원단은 Cr 도금된, 애노드 일체형 셀 파우치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 원단의 두께는 15 - 20um이고, 인장강도는 400 N 이상인, 애노드 일체형 셀 파우치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실란트 필름은 무연신 폴리프로필렌(CPP) 필름을 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실란트 필름은 3 - 50cm x 3 - 50cm 규격의 직사각형으로 타발된, 애노드 일체형 셀 파우치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 파우치의 두께는 50 - 100um인, 애노드 일체형 셀 파우치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 애노드 일체형 셀 파우치를 포함하는, 이차 전지.
  9. 금속 원단을 전처리하는 단계;
    실란트 필름의 일부분을 타발하고 상기 원단 상에 적층하는 단계; 및
    상기 실란트 필름이 적층되지 않은 원단 상에 그라파이트를 적층하여 파우치를 제조하는 단계;를 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 원단 전처리 단계는 상기 금속 원단을 Cr 도금하는 것을 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 실란트 필름의 일부분을 3 - 50cm x 3 - 50cm 규격의 직사각형으로 타발하는 것인, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 실란트 필름을 원단 상에 적층하는 단계에 앞서, 상기 실란트 필름의 적층 부위를 표면처리 하는 단계;를 더 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 실란트 필름을 원단 상에 적층하는 단계는 150℃ 이상의 온도에서 열 라미네이션 하는 것인, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제조방법은 상기 파우치를 100 - 150℃의 온도에서 12 - 24 시간 동안 건조하는 단계;를 더 포함하는, 애노드 일체형 셀 파우치 제조방법.
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KR102559632B1 (ko) * 2022-12-29 2023-07-27 율촌화학 주식회사 전극 활물질 도포가 가능한 창문 타입의 박막전지용 셀 파우치 필름 및 그 제조방법, 이를 이용한 박막전지 및 그 제조방법
WO2024210657A1 (ko) * 2023-04-06 2024-10-10 율촌화학 주식회사 셀 파우치 제조 방법 및 그 장치, 이에 따라 제조된 셀 파우치

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