WO2014133303A1 - 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법 - Google Patents

안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery bicell with improved stability and a method of manufacturing the same, and more particularly to a secondary battery bicell with improved stability capable of reducing the shrinkage of the separator.
  • lithium (ion / polymer) secondary batteries have high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics. It is widely used as an energy source for various electronic products as well as devices.
  • a lithium secondary battery typically includes an electrode assembly formed by sequentially stacking electrodes and separators, and a case or pouch for accommodating the electrode assembly and the electrolyte.
  • the electrode assembly consists of a main unit (unit cell) or bi-cell (bi-cell).
  • a bicell in which a positive electrode, a separator, a negative electrode, a separator, and a positive electrode are sequentially stacked and a bicell in which a negative electrode, a separator, a positive electrode, a separator, and a negative electrode are sequentially stacked are disclosed. .
  • Such a bicell is formed by alternately arranging electrodes (anode or cathode) and separators and attaching each layer.
  • the binder layer is formed on the surface of the electrode and the surface of the separator, the electrode and the separator are attached to each other when heat and pressure are applied to the electrode and the separator, and the bicell may be formed in this manner.
  • the separator is mainly formed of a polymer material and has a property of shrinking by heat. Therefore, when heat is applied from the outside of the secondary battery or heat is generated inside the secondary battery, the separator is contracted. As a result, there is a risk that the positive electrode and the negative electrode contact each other, and a short may occur.
  • the separator in order to reliably prevent the short circuit of the electrode, the separator must be manufactured considerably larger than the electrode, which in turn increases the volume of the secondary battery.
  • the present invention has been conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a secondary battery bicell and a method of manufacturing the same which have improved stability capable of using a small-sized separator as compared with the prior art.
  • Another object of the present invention is to provide a secondary battery bicell and a method of manufacturing the same, which are more stable than the prior art, even if a separator of the same size or somewhat smaller size as the prior art is used.
  • a bicell for a secondary battery having improved stability includes: the positive electrode and the negative electrode are alternately arranged in a state where the positive electrode is one more layer than the negative electrode or the negative electrode is one more layer than the positive electrode.
  • a separator having a larger size than the positive electrode and the negative electrode and insulating the positive electrode and the negative electrode is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the edge of the upper separator and the lower separator facing each other with the positive or negative electrode interposed therebetween. The edges are attached to each other to form a fusion.
  • a binder layer is formed on surfaces of the upper separator and the lower separator, and the fusion unit is formed by heating and pressing the edges of the upper separator and the edge of the lower separator with each other.
  • the welding portion is formed by applying a heat of 50 ° C. to 100 ° C. and a pressure of 10 gf / cm 2 to 20 gf / cm 2 at the edge of the upper separator and the edge of the lower separator.
  • the welding portion is formed by applying heat and pressure to the edge of the upper separator and the edge of the lower separator for 3 to 5 seconds.
  • the pressure applied to the edge of the upper separator and the edge of the lower separator to form the fusion portion is lower than the pressure for attaching the positive electrode and the negative electrode to the separator.
  • a method of manufacturing a rechargeable bicell for improved stability includes: a positive electrode and a negative electrode so that the positive electrode is one layer more than the negative electrode or the negative electrode is one layer more than the positive electrode Alternately arranging and interposing a separator having a size larger than that of the positive electrode and the negative electrode between the positive electrode and the negative electrode (S10); And attaching an edge of the upper separator and an edge of the lower separator facing each other with an anode or a cathode interposed therebetween to form a fusion portion (S20).
  • a binder layer is formed on surfaces of the upper separator and the lower separator, and the step S20 is performed by heating and pressurizing the edge of the upper separator and the edge of the lower separator while making contact with each other.
  • the step S20 is performed by applying a heat of 50 ° C ⁇ 100 ° C, and a pressure of 10gf / cm2 ⁇ 20gf / cm2 to the edge of the upper separator and the edge of the lower separator.
  • the step S20 is made by applying heat and pressure to the edge of the upper separator and the edge of the lower separator for 3 to 5 seconds.
  • the pressure applied to the edge of the upper separator and the edge of the lower separator to form a fusion portion is lower than the pressure for attaching the positive electrode and the negative electrode to the separator.
  • a bicell for a secondary battery having improved stability capable of reducing the volume of a secondary battery and a method of manufacturing the same can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a bicell for a secondary battery, and illustrates a state in which an edge of a separator is not fixed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a bicell for a secondary battery, in which edges of separators are attached to each other to form a fusion portion.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a method of manufacturing a bicell for a secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a secondary battery bicell, and the edges of the separator are not fixed
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the secondary battery bicell, and the edges of the separator are attached to each other to form a fusion portion.
  • bicell for a secondary battery having improved stability according to a preferred embodiment of the present invention
  • the bicell 1 includes a positive electrode 2, a negative electrode 4, and a separator 10 that insulates the positive electrode 2 and the negative electrode 4.
  • anode 2 and the cathode 4 are alternately arranged in a state where the anode 2 is one layer more than the cathode 4 or the cathode 4 is one layer more than the anode 2, and the anode 2 ) And a separator 10 having a size larger than that of the negative electrode 4 is interposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 4.
  • the separator 10 shown in Figs. 1 and 2 will be referred to as the upper separator 12 and the lower separator 14, respectively, according to their positions.
  • the bicell 1 according to the preferred embodiment of the present invention is stacked in the order of the anode 2, the upper separator 12, the cathode 4, the lower separator 14, the anode 2, or the cathode 4 ),
  • the upper separator 12, the positive electrode 2, the lower separator 14, and the negative electrode 4 may be stacked in this order.
  • edges of the upper separator 12 and the edges of the lower separator 14 face each other with the positive electrode 2 or the negative electrode 4 interposed therebetween.
  • a fusion portion 16 is formed as shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a method of manufacturing a bicell for a secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the manufacturing method of the bicell according to a preferred embodiment of the present invention comprises the following steps.
  • the anode 2 and the cathode 4 are alternately arranged so that the anode 2 is one layer more than the cathode 4 or the cathode 4 is one layer more than the anode 2, and the anode 2 and
  • a separator 10 having a size larger than that of the negative electrode 4 is interposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 4.
  • the bicell 1 according to the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 2 may be manufactured.
  • a binder layer is formed on the surfaces of the upper separator 12 and the lower separator 14.
  • step S20 when the edge of the upper separator 12 and the edge of the lower separator 14 are heated and pressurized with each other, the binder layers formed on the surfaces of the upper separator 12 and the lower separator 14 are respectively formed. It is fused with each other, and thus the edge of the upper separator 12 and the edge of the lower separator 14 form a fusion portion 16.
  • the upper separator 12 and the lower separator 14 may be generally formed of a polyolefin-based material among polymers, and the separator 10 made of the polyolefin-based material has a melting point of about 120 ° C. to 140 ° C., and thus a temperature close to the melting point.
  • the edge of the separator 10 can be easily fused.
  • the temperature close to the melting point not only the edge of the separator 10 but also the inside of the separator 10 in contact with the electrodes 2 and 4 may be melted.
  • the separator 10 is interposed between the electrodes (2, 4) serves to pass ions, when the separator 10 is melted to the inside of the separator 10 in contact with the electrodes (2, 4)
  • the fine pores formed in the c) are clogged, and the area through which ions can pass is reduced, resulting in a smaller effective area of the electrodes 2 and 4 used for charging and discharging.
  • the separator 10 is not melted at all.
  • the fusion portion 16 cannot be formed.
  • the heat applied to the edge of the separator 10 is set not to exceed 100 °C to the separator It is preferable to prevent abnormal excessive melting of (10), and when the heat is applied while pressurizing the separator 10, heat is applied to the separator 10 by 50 ° C or more, which is the minimum temperature at which the melting of the separator 10 can occur. It is desirable to prevent the welded portion 16 from being unmolded.
  • the process of finishing the electrode assembly manufactured by using the secondary battery bicell may include a process of finishing the edge of the separator using a tape or the like. It is assumed that the electrodes 2 and 4 are rectangular. At this time, the edges of the separator 10 protrude from all four corners of the electrodes 2 and 4, and in order to finish all four corners of the electrode assembly with a tape, the electrode assembly may be arranged in a direction perpendicular to each other. You may need to surround it.
  • the narrow area of the edge of the separator is required. It is advantageous.
  • the edge of the separator is too flatly pressed, the area of the edge of the separator may increase greatly. Therefore, applying excessively strong pressure to the edge of the separator may impair the finish quality of the separator.
  • the area of the edge of the separator 10 can be greatly increased, thereby making it difficult to finish the electrode assembly.
  • the pressure applied to the edge of the separator 10 is 10 gf / cm 2 to 20 gf / cm 2. Is preferably.
  • the edge of the separator 10 may be formed as the fusion unit 16 by applying heat and pressure for at least seconds.
  • the time for applying heat and pressure to the edges of the separator 12 and the lower separator 10 to form the fusion portion 16 is preferably 3 to 5 seconds.
  • the edge of the upper separator 12 to form the fusion portion 16 is sufficient to be a pressure of 10 gf / cm 2 to 20 gf / cm 2, so that the pressure of the anode 2 and the cathode 4 to the separator 10 is much lower than that of the pressure applied to the separator 10.
  • the fusion portion 16 can be formed.
  • FIG. 1 it corresponds to a case where the edges of the separator 10 do not overlap, and when heated at 150 ° C. for 30 minutes, it was confirmed that the shrinkage was 20 to 24%.
  • the edges of the separator 10 are overlapped, but they do not adhere to each other, and when heated at 150 ° C. for 30 minutes, it was confirmed that the shrinkage was 16-18%.
  • the edges of the separators 10 are attached to each other to form a fusion unit 16, and when heated at 150 ° C. for 30 minutes, the shrinkage of 9 to 12% is confirmed. .
  • Bicell (1) according to the invention corresponds to Experimental Example 2
  • the prior art corresponds to the comparative example.
  • the separator 10 is laminated between the positive electrode 2 and the negative electrode 4 separately, whereas the separator 10 is in a state in which the separator 10 overlaps in two layers. It can be seen that the shrinkage ratio of.
  • the separator 10 is overlapped in two layers compared to the state in which the separator 10 is simply overlapped in two layers, and the separator 10 is attached to each other. It can be seen that the shrinkage is further reduced.
  • the shrinkage reduction effect due to the overlapping of the separators 10 and the shrinkage reduction effect due to the attachment of the separators 10 are added to the separator 10 as compared to the prior art. Shrinkage is reduced to less than 1/2 is effective.
  • the stability of the bicell 1 is improved as compared with the prior art.
  • the separator 10 of the same size or somewhat smaller size than the prior art it is possible to manufacture the bicell 1 with improved stability than the prior art.
  • the volume of the secondary battery can be reduced.
  • the separator 10 having a smaller area may be applied to the bicell 1 as compared with the prior art, the manufacturing cost of the bicell 1 can be reduced.

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Abstract

본 발명은 세퍼레이터의 수축률을 감소시킬 수 있는, 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀은: 양극이 음극보다 1개층 많거나 음극이 양극보다 1개층 많은 상태로 상기 양극과 음극이 교대로 배치되고, 상기 양극과 음극보다 더 큰 사이즈를 가지며 상기 양극과 상기 음극을 절연하는 세퍼레이터가 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되고, 양극 또는 음극을 사이에 두고 서로 마주하는 상부 세퍼레이터의 가장자리와 하부 세퍼레이터의 가장자리는 서로 부착되어 융착부를 이룬다.

Description

안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법
본 발명은 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세퍼레이터의 수축률을 감소시킬 수 있는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 출원은 2013년 2월 26일에 출원된 한국특허출원 제10-2013-0020254호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
일반적으로, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동 전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬(이온/폴리머) 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 통상적으로 전극과 세퍼레이터가 순차적으로 적층되어 형성된 전극조립체와, 상기 전극조립체 및 전해질을 수용하는 케이스 또는 파우치로 이루어진다. 또한, 전극조립체는 단위셀(unit cell) 또는 바이셀(bi-cell)을 주요 구성으로 이루어진다.
한국공개특허 제2008-0095770호를 참조하면, 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터, 양극이 순차적으로 적층된 바이셀과, 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터, 음극이 순차적으로 적층된 바이셀이 개시되어 있다.
이러한 바이셀은 전극(양극 또는 음극)과 세퍼레이터를 서로 교대로 배치하고 각 층을 부착시키는 것에 의하여 형성된다.
통상적으로 전극의 표면과 세퍼레이터의 표면에는 각각 바인더 층이 형성되어 있기 때문에, 전극과 세퍼레이터에 열과 압력을 가하게 되면 전극과 세퍼레이터가 서로 부착되며, 이러한 방식으로 바이셀이 형성될 수 있다.
세퍼레이터는 주로 폴리머 재질로 형성되며, 열에 의하여 수축되는 성질을 가진다. 따라서, 이차전지의 외부에서 열이 가해지거나 이차전지의 내부에서 열이 발생하게 되면 세퍼레이터가 수축되며, 이로 인해 양극과 음극이 맞닿아 단락(short)이 발생할 수 있는 위험이 있다.
이러한 현상을 방지하기 위하여, 전극보다 더 큰 사이즈의 세퍼레이터가 바이셀에 적용된다. 그러나, 이와 같은 세퍼레이터로 바이셀을 형성하면, 분리막의 가장자리는 전극과 부착되지 않은 상태로 유지되며, 통상적으로는 세퍼레이터의 가장자리에 대한 특별한 처리 없이 일련의 이차전지 제조공정이 계속 수행된다.
그러나, 전극의 단락을 확실하게 방지하기 위해서는 세퍼레이터를 전극보다 상당히 크게 제조해야 하며, 이로 인해 결국 이차전지의 부피는 늘어나게 된다.
또한, 세퍼레이터가 필요 이상으로 많이 사용되기 때문에 이차전지의 제조단가가 상승하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 종래기술에 비하여 작은 크기의 세퍼레이터를 사용할 수 있는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 종래기술과 동일한 크기 또는 다소 작은 크기의 세퍼레이터를 사용하더라도, 종래기술보다 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이차전지의 제조단가를 줄일 수 있는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀은: 양극이 음극보다 1개층 많거나 음극이 양극보다 1개층 많은 상태로 상기 양극과 음극이 교대로 배치되고, 상기 양극과 음극보다 더 큰 사이즈를 가지며 상기 양극과 상기 음극을 절연하는 세퍼레이터가 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되고, 양극 또는 음극을 사이에 두고 서로 마주하는 상부 세퍼레이터의 가장자리와 하부 세퍼레이터의 가장자리는 서로 부착되어 융착부를 이룬다.
바람직하게, 상기 상부 세퍼레이터와 상기 하부 세퍼레이터의 표면에는 바인더 층이 형성되며, 상기 융착부는 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리를 서로 맞닿게 한 채로 가열 및 가압하는 것에 의하여 형성된다.
바람직하게, 상기 융착부는 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 50℃~100℃의 열과, 10gf/㎠~20gf/㎠의 압력을 가하는 것에 의하여 형성된다.
바람직하게, 상기 융착부는 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 3~5초간 열과 압력을 가하여 형성된다.
바람직하게, 상기 융착부를 형성하기 위하여 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 가해지는 압력은, 양극 및 음극을 상기 세퍼레이터에 부착하는 압력보다 낮다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀의 제조방법은: 양극이 음극보다 1개층 많거나 음극이 양극보다 1개층 많도록 양극 및 음극을 교대로 배치하고, 상기 양극과 음극보다 더 큰 사이즈의 세퍼레이터를 상기 양극과 음극 사이에 개재하는 단계(S10); 및 양극 또는 음극을 사이에 두고 서로 마주하는 상부 세퍼레이터의 가장자리와 하부 세퍼레이터의 가장자리를 서로 부착하여 융착부를 형성하는 단계(S20);를 포함한다.
바람직하게, 상기 상부 세퍼레이터와 상기 하부 세퍼레이터의 표면에는 바인더 층이 형성되며, 상기 S20단계는, 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리를 서로 맞닿게 한 채로 가열 및 가압하는 것에 의하여 이루어진다.
바람직하게, 상기 S20단계는, 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 50℃~100℃의 열과, 10gf/㎠~20gf/㎠의 압력을 가하는 것에 의하여 이루어진다.
바람직하게, 상기 S20단계는, 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 3~5초간 열과 압력을 가하는 것에 의하여 이루어진다.
바람직하게, 상기 S20단계에서, 융착부를 형성하기 위하여 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 가해지는 압력은, 양극 및 음극을 상기 세퍼레이터에 부착하는 압력보다 낮다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래기술에 비하여 작은 크기의 세퍼레이터를 사용할 수 있는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
둘째, 종래기술과 동일한 크기 또는 다소 작은 크기의 세퍼레이터를 사용하더라도, 종래기술보다 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
셋째, 이차전지의 부피를 줄일 수 있는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
넷째, 이차전지의 제조단가를 줄일 수 있는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 이차전지용 바이셀의 단면도로서 세퍼레이터의 가장자리가 고정되지 않은 상태를 도시한다.
도 2는 이차전지용 바이셀의 단면도로서 세퍼레이터의 가장자리가 서로 부착되어 융착부가 형성된 상태를 도시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 바이셀의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 이차전지용 바이셀의 단면도로서 세퍼레이터의 가장자리가 고정되지 않은 상태를 도시하며, 도 2는 이차전지용 바이셀의 단면도로서 세퍼레이터의 가장자리가 서로 부착되어 융착부가 형성된 상태를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀(이하, ‘바이셀’이라 함)에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이셀(1)은, 양극(2)과, 음극(4)과, 상기 양극(2)과 음극(4)을 절연하는 세퍼레이터(10)를 구비한다.
또한, 양극(2)이 음극(4)보다 1개층 많거나 음극(4)이 양극(2)보다 1개층 많은 상태로 상기 양극(2)과 음극(4)은 교대로 배치되며, 양극(2)과 음극(4)보다 더 큰 사이즈를 갖는 세퍼레이터(10)는 상기 양극(2)과 상기 음극(4) 사이에 개재된다.
도 1 및 도 2에 도시된 세퍼레이터(10)를 그 위치에 따라 각각 상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)로 칭하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이셀(1)은, 양극(2), 상부 세퍼레이터(12), 음극(4), 하부 세퍼레이터(14), 양극(2)의 순서로 적층되거나, 음극(4), 상부 세퍼레이터(12), 양극(2), 하부 세퍼레이터(14), 음극(4)의 순서로 적층될 수도 있다.
상부 세퍼레이터(12)의 가장자리와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리는 양극(2) 또는 음극(4)을 사이에 두고 서로 마주하고 있으며, 도 1의 상태에서 각 세퍼레이터(10)의 가장자리를 서로 맞대어 부착하면, 도 2에 도시된 것과 같이 융착부(16)가 형성된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 바이셀의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이셀의 제조방법은 다음의 단계를 포함하여 이루어진다.
먼저, 양극(2)이 음극(4)보다 1개층 많거나 음극(4)이 양극(2)보다 1개층 많도록 양극(2) 및 음극(4)을 교대로 배치하고, 양극(2)과 음극(4)보다 더 큰 사이즈의 세퍼레이터(10)를 양극(2)과 음극(4) 사이에 개재하는 단계(S10)를 수행한다.
다음으로, 양극(2) 또는 음극(4)을 사이에 두고 서로 마주하는 상부 세퍼레이터(12)의 가장자리와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리를 서로 부착하여 융착부(16)를 형성하는 단계(S20)단계를 수행한다.
상기 S10단계와 S20단계를 수행하면, 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이셀(1)이 제조될 수 있다.
상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)의 표면에는 바인더 층이 형성되어 있다.
상기 S20단계에서, 상부 세퍼레이터(12)의 가장자리와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리를 서로 맞닿게 한 채로 가열 및 가압하면, 상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)의 표면에 각각 형성된 바인더 층이 서로 융착되며, 이로 인해 상부 세퍼레이터(12)의 가장자리와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리가 융착부(16)를 이루게 된다.
상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)는 통상적으로 폴리머 중에서도 폴리올레핀 계열의 재질로 형성될 수 있는데, 폴리올레핀 계열의 재질로 된 세퍼레이터(10)는 융점이 대략 120~140℃이므로, 융점에 가까운 온도를 세퍼레이터(10)에 가하는 경우 세퍼레이터(10)의 가장자리는 쉽게 융착될 수 있다. 그러나, 융점에 가까운 온도로 인해 세퍼레이터(10)의 가장자리뿐만 아니라 전극(2, 4)와 맞닿아 있는 세퍼레이터(10)의 내측도 용융될 수 있다.
한편, 세퍼레이터(10)는 전극(2, 4) 사이에 개재되어 이온을 통과시키는 역할을 수행하는데, 전극(2, 4)와 맞닿아 있는 세퍼레이터(10)의 내측까지 용융되는 경우에는 세퍼레이터(10)에 형성되어 있는 미세한 공극이 막혀 버리게 되어 이온이 통과할 수 있는 면적이 줄어들게 되고, 실질적으로 충방전에 사용되는 전극(2, 4)의 유효면적이 작아지는 결과를 초래한다.
반대로 폴리올레핀 계열의 세퍼레이터(10)의 융점보다 지나치게 낮은 온도의 열(예컨대 대략 30℃~40℃의 열)을 세퍼레이터(10)의 가장자리에 가하더라도, 세퍼레이터(10)가 전혀 용융되지 않기 때문에 세퍼레이터에 융착부(16)를 형성할 수 없다. 융착부(16)를 형성하기 위해 세퍼레이터(10)의 가장자리에 열을 가하는 공정에서 발생할 수 있는 수많은 변수를 고려하였을 때, 세퍼레이터(10)의 가장자리에 가해지는 열은 100℃를 넘지 않게 설정하여 세퍼레이터(10)의 비정상적인 과다 용융을 방지하는 것이 바람직하며, 세퍼레이터(10)를 가압하면서 열을 가할 때 세퍼레이터(10)의 용융이 발생할 수 있는 최저온도인 50℃ 이상의 열을 세페레이터(10)에 가하여 융착부(16)가 미성형되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
한편, 세퍼레이터(10)의 가장자리에 압력을 가하면 세퍼레이터(10)의 가장자리의 두께가 줄어들고 이와 반대로 세퍼레이터(10)의 가장자리의 면적은 넓어지게 된다.
통상적으로 이차전지용 바이셀을 이용하여 제조한 전극조립체를 마감하는 과정은, 세퍼레이터의 가장자리를 테이프 등을 이용하여 마감하는 과정을 포함할 수 있는데, 전극(2, 4)이 직사각형인 경우를 상정하였을 때 세퍼레이터(10)의 가장자리는 전극(2, 4)의 네 모서리로부터 모두 돌출되며, 전극조립체의 네 모서리 모두를 테이프를 이용하여 마감하기 위해서는 적어도 두 개의 테이프를 서로 직교하는 방향을 따라 전극조립체를 둘러싸야 할 수 있다.
이와 같은 방식으로 전극조립체를 마감할 때에는, 전극조립체의 두 개의 모서리가 만나는 지점(즉, 꼭지점 부분)의 세퍼레이터를 마감하는 것이 가장 어려우며, 전극조립체의 깔끔한 마감을 위해서는 세퍼레이터의 가장자리의 면적이 좁은 것이 유리하다. 또한, 상식적으로 세퍼레이터의 가장자리가 지나치게 납작하게 눌리면 세퍼레이터의 가장자리의 면적이 크게 늘어날 수 있으므로, 세퍼레이터의 가장자리에 지나치게 강한 압력을 가하는 것은 세퍼레이터의 마감 품질을 저해할 수 있다.
이와 같은 관점에서 보았을 때, 본 발명에서 세퍼레이터(10)의 가장자리에 20gf/㎠이상의 압력을 가하면 세퍼레이터(10)의 가장자리의 면적이 크게 늘어날 수 있고, 이에 따라 전극조립체의 마감이 어려워지게 된다.
반대로, 세퍼레이터(10)의 가장자리에 10gf/㎠보다 낮은 압력을 가할 때는 상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리를 붙이기가 쉽지 않다. 따라서, 전극조립체의 마감의 용이성뿐만 아니라 상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리의 부착의 용이성도 함께 추구하기 위해서, 세퍼레이터(10)의 가장자리에 가하는 압력은 10gf/㎠~20gf/㎠인 것이 바람직하다.
한편, 상부 세퍼레이터(12)의 가장자리와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리에 상술한 범위 내의 열과 압력을 가하는 시간이 지나치게 짧으면 상부 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리가 서로 부착되기 어려우며 대략 3초 이상 열과 압력을 가해야 세퍼레이터(10)의 가장자리를 융착부(16)로 형성할 수 있다.
그러나, 융착부(16)를 형성하기 위하여 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(10)의 가장자리에 5초 이상 열과 압력을 가하는 경우에는, 세퍼레이터(10)의 가장자리뿐만 아니라, 전극(2, 4)와 맞닿아 있는 세퍼레이터(10)의 내측까지 용융될 가능성을 배제할 수 없다. 또한, 융착부(16)를 형성하기 위하여 5초 이상의 시간을 할애한다면, 바이셀(1)의 생산성이 떨어지게 된다. 따라서, 융착부(16)를 형성하기 위하여 세퍼레이터(12)와 하부 세퍼레이터(10)의 가장자리에 열과 압력이 가해지는 시간은 3~5초인 것이 바람직하다.
한편, 양극(2) 및 음극(4)을 세퍼레이터(10)에 부착하는 데에는 약 100Kgf/㎠의 압력이 필요하나, 상술한 것과 같이 융착부(16)를 형성하기 위하여 상부 세퍼레이터(12)의 가장자리와 하부 세퍼레이터(14)의 가장자리에 가해지는 압력은 10gf/㎠~20gf/㎠의 압력이면 족하므로, 양극(2) 및 음극(4)을 세퍼레이터(10)에 부착하는 압력보다 훨씬 낮은 압력으로도 융착부(16)를 형성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바이셀(1)의 효과를 검증하기 위하여 수행한 실험에 대하여 설명하기로 한다.
<비교예>
도 1에 도시된 것과 같이, 세퍼레이터(10)의 가장자리가 겹쳐져 있지 않은 경우에 해당하며, 150℃에서 30분간 가열한 결과, 20~24%의 수축률을 보이는 것으로 확인되었다.
<실험예1>
세퍼레이터(10)의 가장자리가 겹쳐져 있으나, 서로 부착되어 있지는 않은 경우에 해당하며, 150℃에서 30분간 가열한 결과, 16~18%의 수축률을 보이는 것으로 확인되었다.
<실험예2>
도 2에 도시된 것과 같이, 세퍼레이터(10)의 가장자리가 서로 부착되어 융착부(16)를 이루는 경우에 해당하며, 150℃에서 30분간 가열한 결과, 9~12%의 수축률을 보이는 것으로 확인되었다.
본 발명에 따른 바이셀(1)은 실험예2에 해당하며, 종래기술은 비교예에 해당한다.
실험예1과 비교예를 비교하면, 세퍼레이터(10)가 별개로 양극(2) 및 음극(4) 사이에 적층되어 있는 것에 비하여, 세퍼레이터(10)가 2겹으로 겹쳐있는 상태에서 세퍼레이터(10)의 수축률이 줄어든다는 것을 알 수 있다.
또한, 실험예2와 실험예1를 비교하면, 세퍼레이터(10)가 단순히 2겹으로 겹쳐있는 상태에 비하여, 세퍼레이터(10)가 2겹으로 겹쳐지고 이와 함께 서로 부착된 상태에서는 세퍼레이터(10)의 수축률이 더욱 줄어든다는 것을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 바이셀(1)은, 세퍼레이터(10)가 겹쳐있는 것으로 인한 수축률 감소효과와, 세퍼레이터(10)가 서로 부착된 것으로 인한 수축률 감소효과가 더해져 종래기술에 비하여 세퍼레이터(10)의 수축률이 1/2이하로 줄어들게 되는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 경우, 세퍼레이터(10)의 양면에 위치한 전극(2, 4)이 서로 단락될 위험이 낮으며, 따라서, 종래기술에 비하여 바이셀(1)의 안정성이 향상된다는 장점이 있다. 또한, 종래기술과 동일한 크기 또는 다소 작은 크기의 세퍼레이터(10)를 사용하더라도 종래기술보다 안정성이 향상된 바이셀(1)을 제조할 수 있다.
그리고, 종래기술과 동등한 정도의 안정성을 갖는 바이셀(1)을 제조하기 위하여 필요한 세퍼레이터(10)의 면적은 종래기술보다 작기 때문에, 이차전지의 부피를 줄일 수 있다.
게다가, 종래기술에 비하여 좁은 면적의 세퍼레이터(10)를 바이셀(1)에 적용하여도 무방하므로, 바이셀(1)의 제조단가를 줄일 수 있다는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (10)

  1. 양극이 음극보다 1개층 많거나 음극이 양극보다 1개층 많은 상태로 상기 양극과 음극이 교대로 배치되고,
    상기 양극과 음극보다 더 큰 사이즈를 가지며 상기 양극과 상기 음극을 절연하는 세퍼레이터가 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되고,
    양극 또는 음극을 사이에 두고 서로 마주하는 상부 세퍼레이터의 가장자리와 하부 세퍼레이터의 가장자리는 서로 부착되어 융착부를 이루는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 세퍼레이터와 상기 하부 세퍼레이터의 표면에는 바인더 층이 형성되며,
    상기 융착부는 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리를 서로 맞닿게 한 채로 가열 및 가압하는 것에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 융착부는 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 50℃~100℃의 열과, 10gf/㎠~20gf/㎠의 압력을 가하는 것에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 융착부는 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 3~5초간 열과 압력을 가하여 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 융착부를 형성하기 위하여 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 가해지는 압력은, 양극 및 음극을 상기 세퍼레이터에 부착하는 압력보다 낮은 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀.
  6. 양극이 음극보다 1개층 많거나 음극이 양극보다 1개층 많도록 양극 및 음극을 교대로 배치하고, 상기 양극과 음극보다 더 큰 사이즈의 세퍼레이터를 상기 양극과 음극 사이에 개재하는 단계(S10); 및
    양극 또는 음극을 사이에 두고 서로 마주하는 상부 세퍼레이터의 가장자리와 하부 세퍼레이터의 가장자리를 서로 부착하여 융착부를 형성하는 단계(S20);를 포함하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 세퍼레이터와 상기 하부 세퍼레이터의 표면에는 바인더 층이 형성되며,
    상기 S20단계는, 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리를 서로 맞닿게 한 채로 가열 및 가압하는 것에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 S20단계는, 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 50℃~100℃의 열과, 10gf/㎠~20gf/㎠의 압력을 가하는 것에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 S20단계는, 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 3~5초간 열과 압력을 가하는 것에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀의 제조방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 S20단계에서, 융착부를 형성하기 위하여 상기 상부 세퍼레이터의 가장자리와 상기 하부 세퍼레이터의 가장자리에 가해지는 압력은, 양극 및 음극을 상기 세퍼레이터에 부착하는 압력보다 낮은 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 이차전지용 바이셀의 제조방법.
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