JP2015511388A - 二次電池用電池ケース - Google Patents

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Abstract

本発明は、電極組立体が内蔵される収納部を含んでおり、シート状母材の変形で形成された前記収納部は、収納部の形状をなす一つ以上のコーナー及び／または面が変形して階段状構造をなしていることを特徴とする電池ケースを提供する。

Description

本発明は、新規の構造の二次電池用電池ケースに関し、より詳細には、電極組立体が内蔵される収納部を含んでおり、シート状母材の変形で形成された収納部は、収納部の形状をなす一つ以上のコーナー及び／または面が変形して階段状構造をなしていることを特徴とする電池ケースに関する。
二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダーなどのモバイル機器の電源として広く使用されている。特に、リチウム二次電池の使用は、作動電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという利点によって急速に増加している傾向にある。
このようなリチウム二次電池は、電極と電解液の構成によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などに分類されることもあり、そのうち、電解液の漏液可能性が少なく、製造が容易なリチウムイオンポリマー電池の使用量が増加している。
リチウムイオンポリマー電池（ＬｉＰＢ）は、電極（陽極及び陰極）と分離膜とを熱融着させた電極組立体に電解液を含浸させた構造であって、主に、電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに密封した形態で多く使用されている。したがって、リチウムイオンポリマー電池は、パウチ型電池と称することもある。
図１は、スタック型電極組立体を含んでいる代表的な二次電池の一般的な構造を模式的に示している。
図１を参照すると、二次電池１０は、パウチ型の電池ケース２０の内部に陽極、陰極及びこれらの間に配置される分離膜からなる電極組立体３０が内蔵されており、その陽極及び陰極タップ３１、３２が二つの電極リード４０、４１にそれぞれ溶接され、電池ケース２０の外部に露出するようにシーリング（密封）されている構造からなっている。
電池ケース２０は、アルミニウムラミネートシートなどの軟包装材からなっており、電極組立体３０が載せられる凹状の収納部２３を含むケース本体２１と、その本体２１に一側が連結されている蓋２２とからなっている。
二次電池１０に使用される電極組立体３０は、図１のようなスタック型構造の他に、ゼリーロール型構造またはスタック／フォルディング型構造も可能である。スタック型電極組立体３０は、多数の陽極タップ３１と多数の陰極タップ３２が電極リード４０、４１にそれぞれ溶接されている。
このような二次電池用電池ケース２０は、収納部２３に対応する直方体形状のパンチを用いてシート状の母材、例えば、アルミニウムラミネートシートの母材を加圧して変形させた後、収納部２３の長さ方向に蓋のサイズに、そして、幅方向にガスポケットに対応するサイズに切断することによって製造される。
しかし、最近は、スリムなタイプまたは多様なデザインのトレンドによって新しい形態の電池セルが要求されている一方、従来のような各電池セルは、同一のサイズまたは容量の電極組立体及びこれに対応する電池ケースを含んで構成されている。したがって、電池セルが適用されるデバイスのデザインを考慮して新規の構造に作るためには、電池セルの容量を減少させたり、より大きいサイズにデバイスのデザインを変更しなければならないという問題がある。
また、このようなデザインの変更過程で電気的連結方式が複雑になることによって、所望の条件を満足する電池セルの製作が難しくなるという問題もある。
一方、二次電池は、収納部に電極組立体を載せた後、蓋を覆って密封し、本体との接触部位を熱融着させた後、活性化及び熟成ステップを経るようになるが、このときに発生するガスを除去するためにガスポケットを有する電池ケースを一次的に密封して活性化ステップを経るようになり、ガスポケットを通じてガスを除去し、収納部に対応するサイズに再び密封した後、ガスポケットを切り取ることによって製造される。
しかし、パウチ型電池の特性上、収納部を形成するための母材に対するパンチの加圧過程で応力が内在した状態で母材が収納部の厚さ方向に延伸されるので、収納部のフォーミング（ｆｏｒｍｉｎｇ）幅に対する正確な成形が難しいという問題がある。収納部の厚さ方向は、垂直方向または電極組立体の電極が収納部に積層されている方向を意味し、フォーミング幅は、収納部の厚さ方向に対して垂直な方向に形成される幅を意味する。
すなわち、前述の直方体形状に母材を加圧する場合、図２及び図３に示したように、収納部のコーナーにはしわ（Ａ）及び白化現象（Ｂ）が発生し、これによって水分浸透が発生し得る。
したがって、これらの問題を根本的に解消すると共に、多様な形状の電極組立体を内蔵できる収納部の空間を確保可能な技術に対する必要性が高い実情にある。
本発明は、前述のような従来技術の問題と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本発明の目的は、高出力または大容量の特性を発揮できるように多様な形状の電極組立体に対応する収納部を含む電池ケースを提供することにある。
本発明の他の目的は、シート状母材において収納部が形成される部位に新規の形状のパンチを用いた加圧を行って収納部を形成することによって、収納部の精密度を高め、安全性を確保した電池ケースを提供することにある。
このような目的を達成するための本発明に係る電池ケースは、電極組立体が内蔵される収納部を含んでおり、シート状母材の変形で形成された前記収納部は、収納部の形状をなす一つ以上のコーナー及び／または面が変形して階段状構造をなしている。
従来の電池ケースにおける電極組立体の収納部は、平面形状で収納部の中心軸を基準にして収納部の内周面が対称構造をなしているか、または平らな側面及び下端面に基盤して垂直断面形状が直線となっている。例えば、円筒状及びコイン状電池ケースの場合、平面形状が対称的な円形であって、垂直断面形状が側面と下端面で直線となっている。また、薄い六面体の角形及びパウチ型電池ケースの場合、平面形状が対称的な正四角形または直四角形であって、垂直断面形状が側面と下端面で直線となっている。
その一方、本発明の電池ケースは、従来の電池ケースと異なって、収納部の形状をなす一つ以上のコーナー及び／または面が変形して階段状構造をなしている。
したがって、本発明において、“コーナー及び／または面が変形している”ことは、平面形状で収納部の中心軸を基準にして収納部の内周面が対称構造をなしていないか、及び／または側面及び下端面のうち少なくとも一つの垂直断面形状が直線となっていないことを意味する。
このような変形の類型は、後で説明するように、非常に多様であって、前記条件を満足する変形は、いずれも本発明の範疇に含まれるものと解釈しなければならない。
前記母材は、例えば、パウチ型電池に適した金属層及び樹脂層を含むラミネートシートからなってもよく、具体的には、第１の高分子樹脂の上層、遮断性金属の中間層、及び第２の高分子樹脂の下層からなってもよい。ここで、第１の高分子樹脂層は、具体的には、熱融着性高分子樹脂であってもよく、例えば、無延伸ポリプロピレン樹脂であってもよい。前記遮断性金属は、例えば、アルミニウムであってもよく、前記第２の高分子樹脂は、優れた耐候性を有する樹脂であって、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂などであってもよい。しかし、素材の種類が前記各例に限定されないことは当然である。
また、最近の高容量化によるケースの大面積化及び薄い素材での加工により、本発明が適用される母材の厚さは、具体的に、０．３ｍｍ〜６ｍｍの範囲内であってもよい。
一つの具体的な例において、前記収納部の側壁は、少なくとも二つ以上の段差を含む階段構造からなっており、前記各段差の高さは、収納部の深さ方向に行くほど小さくなる構造であってもよい。このような構造は、前記各段差の高さが収納部の深さ方向に行くほど小さくなるので、収納部を形成する過程で延伸されて生じる収納部の厚さ変化を最小化することができる。
具体的に、前記階段構造がｎ個の段差を含んでいる場合、第ｎの段差は、収納部の深さ方向で最下段に位置し、第ｎの段差の上部に第ｎ―１の段差が位置し、第ｎの段差の高さは第ｎ―１の段差の高さより小さい構造であってもよい。
例えば、前記階段構造が３個の段差を含んでいる場合、第１の段差は、収納部の深さ方向で最下段に形成されており、第２の段差は、第１の段差の上部に位置し、第２の段差の高さは第１の段差の高さより小さくなってもよい。また、第３の段差は、第２の段差の上部に位置し、第３の段差の高さは第２の段差の高さより小さくなってもよい。したがって、第１の段差、第２の段差及び第３の段差は、段差の高さが順次小さくなる構造であってもよい。
一つの具体的な例において、前記第ｎの段差の高さは、第ｎ―１の段差の高さの５０％〜９０％であってもよい。すなわち、第２の段差の高さは、第１の段差の高さの５０％〜９０％であってもよく、第３の段差の高さは、第２の段差の高さの５０％〜９０％であってもよい。
本発明において“各段差間の高さに差がある”ことは、各段差を形成する過程で、収納部を形成するシート状母材の延伸率がそれぞれ異なることを意味し得る。
これにより、第ｎの段差部位における収納部の側壁の厚さは、第ｎ―１の段差部位における収納部の側壁の厚さの９０％〜９９％であってもよい。すなわち、第２の段差部位における収納部の側壁の厚さは、第１の段差部位における収納部の側壁の厚さの９０％〜９９％であってもよく、第３の段差部位における収納部の側壁の厚さは、第２の段差部位における収納部の側壁の厚さの９０％〜９９％であってもよい。これにより、収納部が多数の段差を含んで深く形成されたとしても、収納部の側壁が比較的一定の厚さに形成されるので、電池ケースの全体的な耐久性を担保することができる。
また、本発明は、前記電池ケースに電極組立体を内蔵する電池セルを製造する方法を提供する。
前記方法は、
（ａ）シート状母材を溝が形成されているダイ上に位置させるステップ；
（ｂ）前記シート状母材から形成される収納部のコーナーにしわ及び白化現象が発生しないように、外面が非対称構造からなっているパンチを用いて前記シート状母材を前記母材の溝に加圧するステップ；
（ｃ）電極組立体を前記収納部に装着するステップ；及び
（ｄ）前記収納部に蓋を覆って密封するステップ；
を含み、
前記ダイの溝は、シート状母材がパンチ及びダイの溝と接触するとき、シート状母材がパンチの外面形状と一致するように、パンチの形状に対応する形状からなっていてもよい。
前記パンチの形状は、立体形状として非常に多様であって、一つの具体的な例において、加圧方向で下端水平面が階段状構造をなしている形状であってもよい。
このとき、前記階段状構造は、パンチの下端水平面上の中央、一側辺、または一側コーナーを基準にして形成されていてもよい。しかし、その他の構造も可能であることは当然であり、例えば、パンチの下端水平面上の中央からやや偏向した状態で形成されてもよい。
前記電池ケースは、前記階段状構造のパンチによって加圧され、その収納部が前記パンチに対応する形状の階段状構造に成形されてもよい。
場合に応じては、ステップ（ｂ）とステップ（ｃ）との間に、前記シート状母材をダイの溝に密着できるように、ダイとシート状母材との間の空間を真空状態に作るステップが追加されてもよい。
このために、ダイとシート状母材との間の空間から空気を除去できるように、ダイの溝の一側には開口が形成されていてもよい。このような構造に基づいて、ステップ（ｂ）でシート状母材がパンチによって加圧され、追加的にダイとシート状母材との間が真空状態に作られることによって、シート状母材はダイの溝に引っ張られる。したがって、シート状母材は、ダイの溝の形状により精密に一致することができる。このような方法で、パンチとダイのそれぞれからシート状母材に力が作用できるので、収納部をより精密にパンチとダイの外郭線形状に一致させることはもちろん、加圧工程中にシート状母材により均一な力が分配されるので、結果的にしわと白化現象のない収納部と電池ケースを作ることができる。
真空状態は、それぞれの異なるパンチを使用して加圧する工程のいずれのステップで適用されてもよい。特に、全体の工程に適用されてもよく、特定のパンチを用いる一つの工程のみに適用されてもよい。
他の具体的な例において、前記ダイには、上段、中段、及び下段からなっている階段状構造の湾入部が形成されており、前記パンチは、前記ダイの上段の形状に対応する第１のパンチ、前記ダイの中段の形状に対応する第２のパンチ、及び前記ダイの下段の形状に対応する第３のパンチからなっていてもよい。
具体的に、前記第２のパンチは、前記ダイの上段及び中段の形状に対応する形状からなっており、前記第３のパンチは、ダイの上段、中段及び下段の形状に対応する形状からなっていてもよい。
前記ダイにシート状母材を位置させ、（ｉ）前記ダイの上段の形状が転写されるように第１のパンチでシート状母材を加圧するステップ；（ｉｉ）前記ダイの上段及び中段の形状が転写されるように第２のパンチでシート状母材を加圧するステップ；及び（ｉｉｉ）前記ダイの上段、中段及び下段の形状が転写されるように第３のパンチでシート状母材を加圧するステップを経て階段状構造の電池ケースを製造してもよい。
このような電池ケースの成形方法は、二つ以上の段差を含んでいる階段状構造で電池ケースが成形されるとき、各段差のコーナーごとに応力が集中する形状を最大限防止できるという効果を有する。すなわち、階段状構造の電池ケースを形成するために、前記収納部にそれぞれの側壁を形成するとき、一つの側壁を形成した後、再び一つの側壁を形成するので、母材が延伸されながら母材に加えられる応力を最小化することができる。また、このような効果をさらに向上できるように、前記パンチの階段状構造をなす各コーナーを丸い形態に形成することによって、応力集中をさらに抑制することもできる。
また、上述した例と同様に、ステップ（ｉｉｉ）を経た後、前記シート状母材をダイの溝に密着できるように、ダイとシート状母材との間の空間を真空状態に作るステップが追加されてもよい。
他の具体的な例において、前記パンチは、それぞれ異なる幅と高さを有する二つ以上のパンチからなっており、前記ダイは、各パンチのそれぞれに対応する形状の段差からなっている階段状内面構造を有し、前記収納部は、パンチとダイによって階段状構造に変形しながら形成されてもよい。
前記収納部の階段状構造は、二つ以上のパンチのうち幅が最も広いパンチによって加圧を行った後、相対的に幅が小さくなるパンチの順に加圧をそれぞれ行って形成されてもよく、相対的に幅が小さくなるパンチの順に加圧するほど加圧深さが小さくなってもよい。
具体的に、前記パンチがｎ個からなっているとき、第ｎのパンチによる加圧深さは、第ｎ―１のパンチによる加圧深さの６０％〜９０％であってもよい。
このような製造方法は、前記各段差の高さが収納部の深さ方向に行くほど小さくなるので、収納部を形成する過程で延伸されて生じる収納部の厚さ変化を最小化することができる。したがって、収納部の側壁が比較的一定の厚さに形成され、耐久性が担保される電池ケースを製造することができる。
また、本発明は、前記電池ケースを製造する電池ケースの製造装置を提供する。
前記電池ケースの製造装置は、
電池ケース用シートを加圧するパンチが下面に装着されているパンチングダイ、及びドローイング加工過程で下記の固定ダイとの間に電池ケース用シートを固定するストリッパーを含む第１のダイ；及び
前記パンチに対応するブロックが上面に装着されているブロックダイ、前記ストリッパーとの間に電池ケース用シートを固定する固定ダイ、及び前記ブロックダイが可変的に装着される湾入部が形成されている装着ダイを含む第２のダイ；
からなっている。
このような電池ケースの製造装置は、一連の工程過程で電池ケース用シートの電極組立体の収納部が形成される部位を上下方向に密着させて作動しながらドローイング加工が行われるように、多様なダイの特定の組み合わせによって作動するので、電池ケースの製造過程で電池ケースの収納部の外側面のシートが収納部の内側に押され込まれることによって、電池ケースの外面に発生するしわなどを根本的に除去し、製品の不良を未然に防止することができる。
従来のリチウム二次電池の分解図である。 図１の収納部の部分拡大図である。 図１の収納部の部分拡大図である。 本発明の一つの実施例に係る電池ケースを製造するためのパンチ、母材及びダイの模式図である。 本発明の他の実施例に係る電池ケースの垂直断面図である。 本発明の他の実施例に係る電池ケース製造工程の模式図である。 図６の部分拡大図である。 図６の部分拡大図である。 図５の電池ケース製造工程の模式図である。 本発明の一つの実施例に係るパンチが装着された電池ケースの製造装置の垂直断面図である。 本発明の一実施例に係る第１の電極群の構造を示した図である。 本発明の一実施例に係る第２の電極群の構造を示した図である。 本発明の一実施例に係るスタック型電極組立体を示した模式図である。 図１２の第１の電極群の固定構造の模式図である。 本発明の一実施例に係る第１の電極群の製造工程図である。
以下では、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであって、本発明の範疇がそれによって限定されることはない。
図４は、本発明の一つの実施例に係る電池ケースを製造するためのパンチ、母材及びダイの模式図である。
図４を参照すると、シート状母材２００は、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートであって、第１の高分子樹脂の上層、遮断性金属の中間層、及び第２の高分子樹脂の下層からなっている。第１の高分子樹脂の上層は、電池の製造過程で互いに熱融着されて密封性を提供する。
具体的に、母材２００に電極組立体が内蔵される収納部（図示せず）に対応する形状のパンチ１００を用いて電池ケースを製造する方法において、まず、ダイ３００上にシート状母材２００を搭載する。ダイ３００には、パンチ１００の形状に対応する内面形状が刻印されている溝（図示せず）が形成されている。したがって、パンチ１００を用いて母材２００を加圧することによって収納部（図示せず）が形成される。
収納部を形成するための方法では、一つのパンチを用い、収納部を形成するためにパンチをシート状母材に一度だけ加圧するステップからなる。新規の構造のパンチにより、収納部は、しわと白化現象が発生することなく形成することができる。
パンチ１００には、加圧方向（矢印方向）を基準にして下端水平面に一側コーナーを基準にして階段状構造１１０が形成されている。他の実施例として、階段状構造１１０は、パンチの中央、側辺、または一側コーナーに形成されてもよい。
また、電池ケースを製造する方法において、ダイ３００に真空を適用するステップがさらに含まれてもよい。より具体的に、シート状母材２００とダイ３００との間の空間を真空状態に作ってもよい。したがって、ダイ３００とシート状母材２００との間の空間から空気を除去できるように、ダイ３００の溝の一側には開口（図示せず）が形成されていてもよい。前述の方法でシート状母材２００がパンチ１００によって加圧され、ダイ３００とシート状母材２００との間が真空状態に作られることによって、シート状母材２００はダイ３００の溝に引っ張られる。したがって、シート状母材は、ダイ３００の溝の形状により精密に一致することができる。このような方法で、パンチとダイのそれぞれからシート状母材に力が作用できるので、収納部をより精密にパンチとダイの外郭線形状に一致させることはもちろん、加圧工程中にシート状母材上により均一な力が分配されるので、結果的にしわと白化現象のない収納部と電池ケースを作ることができる。
図５は、本発明の他の実施例に係る電池ケースの垂直断面図である。
図５を参照すると、電池ケース４００は、矢印方向に湾入している構造の収納部４１０を含み、収納部４１０は、第１の段差４１１、第２の段差４１２及び第３の段差４１３を含む階段構造からなっている。各段差４１１、４１２、４１３の高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３は、矢印方向に行くほど小さくなる。第２の段差４１２の高さＨ２は、第１の段差４１１の高さＨ１の５０％〜９０％で形成されており、第３の段差４１３の高さＨ３は、第２の段差４１２の高さＨ２の５０％〜９０％で形成されている。
また、第２の段差４１２の厚さＴ２は、第１の段差４１１の厚さＴ１の９０％〜９９％で形成されており、第３の段差４１３の厚さＴ３は、第２の段差４１２の厚さＴ２の９０％〜９９％で形成されている。これにより、収納部４１０の側壁が比較的一定の厚さに形成されるので、電池ケース４００の全体的な耐久性を担保することができる。
図６は、本発明の他の実施例に係る電池ケース製造工程の模式図で、図７及び図８は、図６の部分拡大図である。
これら図面を参照すると、３個の段差が形成された電池ケース５４２を製造するために、三つのステップのドローイング工程（５１０、５２０、５３０）が行われる。具体的に、三つのステップのドローイング工程（５１０、５２０、５３０）のそれぞれの工程には、３個の段差をなしているそれぞれの段差に対応する３個のパンチ５１１、５２１、５３１が固定ダイ５０１に使用される。より具体的に、固定ダイ５０１は、上段、中段及び下段を有する階段構造の形状からなっている湾入部を有する。３個のパンチ５１１、５２１、５３１のうち幅が最も広く、高さが最も低い第１のパンチ５１１が一番先にドローイング工程（５１０）を行う。第１のパンチ５１１の外面は、固定ダイ５０１の上段の形状と一致する形状からなっている。その後、相対的に幅が広く、高さが低いパンチの順（５２１→５３１）にドローイング工程が行われる。１番目のドローイング工程（５１０）後、それぞれのパンチ５２１、５３１は、形成しようとする段差のみならず、既に形成された各段差とも一致する形状からなっていてもよい。すなわち、一つの段差が形成された後で適用される次のパンチの外面は、形成しようとする段差と一致し、さらに、既に形成された段差ともその形状が一致する。このような方法で、段差を形成するために既に延伸又は変形した母材は、それぞれの次の工程によってその形状が再び刻印されてもよい。第２のパンチ５２１の外面は、固定ダイ５０１の上段形状のみならず、中段形状とも一致する形状からなっており、第３のパンチ５３１の外面は、固定ダイ５０１の上段、中段及び下段の形状に全て一致する形状からなっている。このように、各段差別にそれぞれ行われるドローイング工程（５１０、５２０、５３０）により、各段差のコーナーごとに応力が集中する形状を最大限抑制することができる。
図６に開示された装置を使用する方法は、次の通りである。
まず、シート５１２を固定ダイ５０１上に位置させる。シート状母材５１２は、固定ダイ５０１と第１のパンチ５１１との間で加圧され、階段構造の上段の形状と一致するように形成される。それによって、シート状母材５１２がシート状母材５２２に形成される。シート状母材５２２は、固定ダイ５０１と第２のパンチ５２１との間で加圧され、階段構造の上段及び中段の形状と一致するように形成される。それによって、シート状母材５２２がシート状母材５３２に形成される。シート状母材５３２は、固定ダイ５０１と第３のパンチ５３１との間で加圧され、階段構造の上段、中段及び下段の形状と一致するように形成される。それによって、シート状母材５３２がシート状母材５４２に形成される。結果的に、シート状母材５４２に階段構造の収納部が形成される。
また、図７及び図８に示したように、パンチ５１１、５２１、５３１及び固定ダイ５０１の外形をなしている各コーナーのうち電池ケース用シート（図示せず）と当接する各コーナー５０２、５０３、５０４、５０５は、丸い形態（Ｒ）に形成されている。
さらに、図６に開示された装置を使用する方法は、図４に開示された実施例と連結して説明した固定ダイ５０１に真空状態を適用するステップを含めてもよい。真空状態は、それぞれの異なるパンチを用いて加圧する工程のいずれのステップで適用されてもよい。特に、全体の工程に適用されてもよく、特定のパンチを用いる一つの工程のみに適用されてもよい。
図９は、図５の電池ケース製造工程の模式図である。
これら図面を参照すると、３個の段差７１０、７２０、７３０が形成された電池ケース６４２を製造するために、三つのステップのドローイング工程（６１０、６２０、６３０）が行われる。三つのステップのドローイング工程（６１０、６２０、６３０）のそれぞれの工程には、３個の段差７１０、７２０、７３０のそれぞれに対応する３個のパンチ６１１、６２１、６３１が使用される。具体的に、第１のドローイング工程（６１０）でシート状母材６１２をダイ６０１上に位置させて固定させた後、第１のパンチ６１１でシート状母材６１２を加圧し、第１の段差７１０が形成された電池ケース６２２を形成する。第２の工程（６２０）では、第１のパンチ６１１より幅が狭く、高さが大きい第２のパンチ６２１で電池ケース６２２を加圧し、第２の段差７２０が追加的に形成された電池ケース６３２を形成する。このとき、第２のパンチ６２１によって加圧される深さ（Ｄ２）は、第１のパンチ６１１によって加圧される深さ（Ｄ１）の６０％〜９０％である。第３の工程（６３０）では、第２のパンチ６２１より幅が狭く、高さが大きい第３のパンチ６３１で電池ケース６３２を加圧し、第３の段差７３０が追加的に形成された電池ケース６４２を形成する。第２のドローイング工程（６２０）と同様に、第３のパンチ６３１によって加圧される深さ（Ｄ３）は、第２のパンチ６２１によって加圧される深さ（Ｄ２）の６０％〜９０％である。
このように、各段差別にそれぞれ行われるドローイング工程（６１０、６２０、６３０）により、各段差７１０、７２０、７３０のコーナーごとに応力が集中する形状を最大限抑制することができる。
さらに、図７及び図８を参照して説明した、パンチ及び固定ダイの外形をなしている各コーナーのうち電池ケース用シートと当接する各コーナーは、丸い形態に形成されている構造を含めてもよい。
図１０は、本発明の一つの実施例に係る電池ケースの製造装置の垂直断面図である。
図１０を参照すると、電池ケースの製造装置８００は、ブロック８２１を含む可変ダイ８３０が装着された第２のダイ８２０、及び電池ケース用シート（図示せず）を加圧する第１のダイ８１０を含んでいる。
第１のダイ８１０は、パンチングダイ８１３を含んでいる。第１のダイ８１０のうちパンチングダイ８１３の下側には、電極組立体（図示せず）の収納部を形成するためのパンチ８１１が装着され、パンチ８１１が挿入可能になるように第１の貫通用開口８１２が形成されたストリッパー８１４が順次装着されることによって、ストリッパー８１４は電池ケース用シート（図示せず）を直接加圧するようになる。
第２のダイ８２０は、可変ダイ８３０が装着され、湾入部８２５が形成されている装着ダイ８２４、及び可変ダイ８３０のブロック８２１が挿入可能になるように第２の貫通用開口８２２が形成された固定ダイ８２３を含んで構成される。ブロック８２１は、パンチ８１１の形状に対応するように形成されている。
具体的に、第２のダイ８２０の装着ダイ８２４には、略四角形状の湾入部８２５が形成されており、湾入部８２５には、装着ダイ８２４に対する可変ダイ８３０の可変運動が誘導されるように可変ダイ８３０のそれぞれの装着軸８３２が挿入される２個の貫通孔８２６が形成されている。したがって、湾入部８２５及び貫通孔８２６には、可変ダイ８３０が可変的に上下往復可能になるように装着されてもよく、電池ケース用シート（図示せず）は、第２のダイ８２０の上部面で一方向に供給される。
一方、可変ダイ８３０が第２のダイ８２０で可変的に容易に上下往復可能になるように、ブロックダイ８３１と装着ダイ８２４との間には４個の圧縮スプリング８３３が介在している。
ここで、パンチとダイのコーナー部分が四角形状に見えるが、図１０に開示されているパンチとダイは、図７及び図８に記載されているように、コーナーがラウンド形状からなっていることは当然である。
以下では、電池ケースの製造装置の駆動過程を各図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明に係る電池ケースの製造装置８００の第２のダイ８２０の上面に電池ケース用シート（図示せず）が側面から供給される。これと共に、第１のダイ８１０が第２のダイ８２０に向かって下向きに移動し、第１のダイ８１０のストリッパー８１４が電池ケース用シートを密着させて固定する。パンチングまたはシートの形成前に、ストリッパー８１４は、第１のダイ８１０から独立的に移動してもよい。第１のダイ８１０及び第２のダイ８２０が互いに向かって移動するとき、ストリッパー８１４は、固定ダイ８２３との間にシートを圧迫して固定することができる。その後、第１のダイ８１０の継続的な下向き移動により、パンチングダイ８１３のパンチ８１１は、電池ケース用シートを加圧しながら固定ダイ８２３の第２の貫通用開口８２２内に導入され、具体的に、ブロック８２１の開口に導入される。このとき、パンチ８１１の物理的な下向き導入によってブロックダイ８３１が第２の貫通用開口８２２及び湾入部８２５から弾力的に装着ダイ８２４に向かって下向きに移動しながら、電池ケース用シートに収納部がドローイング方式で形成される。その後、第１のダイ８１０が上向きに移動しながらブロックダイ８３１が元の位置に復元されることによって、収納部が形成された電池ケース用シートが第２のダイ８２０から抽出される。
さらに、図１０に開示された装置を使用する方法には、ブロック８２１に図４を参照して説明した真空状態を適用するステップが含まれてもよい。
一方、電極組立体は、陽極、陰極及びこれらの間に配置される分離膜からなっており、それら二つの電極端子に溶接されて突出している構造からなっている。複数の電極は、板状型からなっていてもよく、各板状型電極は、電極組立体の中心軸に沿って積層されていてもよい。中心軸に対する非対称構造は、電極組立体の外周面をなす少なくとも一面に形成されていてもよい。電極組立体のそれぞれの板状型電極の表面積は、中心軸に対して垂直な水平面上の表面積と定義することができる。各板状型電極の一つの表面積は、他の板状型電極の表面積より小さくてもよい。電極組立体は、ゼリーロール型またはスタック型であってもよく、特別に制限されることはない。
スタック型電極組立体は、陽極板及び陰極板のうちいずれか一つが各分離板の間に介在しており、陽極板、陰極板及び分離板は、積層された状態で接合されている構造の第１の電極群を含めてもよい。
また、スタック型電極組立体は、各分離板が最外殻を構成するように、陽極板、陰極板及び分離板が積層された状態で接合されている第２の電極群を含めてもよい。
例えば、第１の電極群は、陽極板、分離板、陰極板及び分離板が順次スタックされた状態で接合された構造であってもよく、陰極板、分離板、陽極板及び分離板が順次スタックされた状態で接合された構造であってもよい。
スタック型電極組立体は、第１の電極群のみがスタックされていてもよい。
スタック型電極組立体は、陽極板と陰極板が最外殻を構成し、分離板が陽極板と陰極板との間に介在するように、陽極板、陰極板及び分離板が積層された状態で接合されている第３の単位セルを含めてもよい。
スタック型電極群は、陽極板及び陰極板のうちいずれか一つと一つの分離板が積層された状態で接合されている第４の電極群を含めてもよい。
スタック型電極群は、第１の電極群のみが積層された構造であってもよく、第２の電極群のみが積層された構造であってもよく、第３の電極群のみが積層された構造であってもよく、第４の電極群のみが積層された構造であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。
第１の電極群の最上端または最下端には第２の電極群がスタックされていてもよい。
第２の電極群のみが積層されている構造は、第２の電極群の間に陽極板及び陰極板のうちいずれか一つが介在していてもよい。
第１の電極群ないし第４の電極群には、陽極板、分離板及び陰極板のスタック構造をさらに堅固に維持する固定部材が付加されていてもよい。
固定部材は、第１の電極群ないし第４の電極群とは別個の外部部材であって、各電極群の外周面の一部または全部を覆っている粘着テープまたは接着テープであってもよい。
電極群の外周面は、電極群の側面、平面、前面、後面などを全て含む概念であってもよい。
固定部材は、第１の電極群ないし第４の電極群を構成する分離板の一部であってもよく、この場合、分離板の末端を熱融着させることによって第１の電極群ないし第４の電極群を固定させることができる。ただし、これに限定されることはない。
分離板の末端は、陽極板と陰極板のサイズ、すなわち、横長さまたは縦長さに比べて長く延長されていてもよい。延長された分離板の末端は互いに熱融着されてもよい。
固定部材は、第１の電極群ないし第４の電極群を固定させる機能を行える部材を全て含む。
前述の第１の電極群及び第２の電極群を含んでスタック型電極組立体を構成する場合、陽極板、陰極板及び分離板が単純にスタックされている構造のスタック型電極組立体に比べて量産性及び良品率を向上させることができる。
また、第１の電極群単位で陽極板、分離板及び陰極板が互いに接合されている状態であるので、スウェリングによる体積膨張を最小化できるという長所がある。
前述の第１の電極群及び第２の電極群を含んでスタック型電極組立体を構成する場合、フォルディング工程で具現される電極組立体のアライン不良や工程設備を除去し、一つのラミネーターのみによって第１の電極群または第２の電極群の形成を完了し、単純スタックでスタック型電極組立体を具現できるようになるので、フォルディング工程時に発生する電極の損傷が減少し、電解液の濡れ性が向上し、外部に露出する分離板に断面有無機複合分離膜（ＳＲＳ分離膜）を適用できるようになり、セルの厚さが減少すると同時に、工程費用を節減できるようになる。
第１の電極群は、図１１に示した構造と同様に、分離板３１０、陽極板３２０、分離板３３０及び陰極板３４０が順次積層された状態で接合された構造からなっている。
第２の電極群は、図１２に示した構造と同様に、分離板４１０、陰極板４２０及び分離板４３０が順次積層された状態で接合された構造からなっている。
図１３は、図１１の第１の電極群が積層された第１の電極群積層体の最上端に図１２の第２の電極群が積層された構造のスタック型電極組立体を示している。
図１４は、図１１の第１の電極群に固定部材が付加された実施例を示している。具体的に、第１の電極群３００の側面または前面には固定部材が付加されている。
単純積層構造によって積層の安定性を確保するために、積層された構造の側面に別個の部材を用いて固定を行ってもよく、図１４（ａ）に示したように、第１の電極群３００の前面をテーピングする方式で固定部材Ｔ１を具現したり、図１４（ｂ）に示したように、第１の電極群３００の側面のみを固定する方式で固定部材Ｔ２を具現することが可能である。
図１５は、本発明に係る第１の電極群の製造工程を示した工程模式図である。
図示したように、分離板３１０、陽極板３２０、分離板３３０及び陰極板３４０の材料（シート状構造でローディングされるローディングユニットを利用）を同時にローディングし、中間層として用いられる陽極板３２０を設計されたサイズに切断してローディングし、その後、上部と下部に配置された分離板３１０、３３０が同時にローディングされると同時に、陰極板３４０の材料が共にラミネーターＬ１、Ｌ２にローディングされる。
その後、ラミネーターでは、熱と圧力で２個の電極板と２個の分離板が接着した構造体、すなわち、第１の電極群を具現するようになり、その後、切断機Ｃ３を通じて切断して第１の電極群を完成した後、厚さ検査（ａ）、ビジョン検査（ｂ）、ショート検査（ｃ）などの検査工程がさらに行われてもよい。
その後、このように形成された第１の電極群は、固定部材を用いて固定したり、積層を通じて多数の第１の電極群が積層された構造物に形成した後、図１２の第２の電極群を積層し、固定部材を通じて固定する工程によってスタック型電極組立体を完成可能にする。
電極組立体が含む平面サイズが互いに異なる電極群の数は、電極群が装着されるデバイスの形状及び必要な容量に応じて当業者が柔軟に調整することができる。２個〜３個の電極群で構成された電極組立体はもちろん、４個以上の電極群からなる電極組立体も構成可能であることは当然である。
以上では、本発明の実施例を図面を参照して説明したが、本発明の属した分野で通常の知識を有する者であれば、前述の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
以上説明したように、本発明に係る電池ケース及びその製造方法は、収納部の形状をなす一つ以上のコーナー及び／または面が変形して階段状構造をなすことによって、多様な形状の電極組立体に対応する収納部を含む電池ケースを提供することができ、その結果、デバイス体積当たりの容量を最大限向上させることができる。
また、各段差の高さが収納部の深さ方向に行くほど小さくなるので、収納部を形成する過程で延伸されて生じる収納部の厚さ変化を最小化し、電池ケースの耐久性を担保できるという効果がある。
１０ 二次電池
２０ 電池ケース
２１ ケース本体
２２ 蓋
２３ 収納部
３０ 電極組立体
３１ 陽極タップ
３２ 陰極タップ
４０、４１ 電極リード
１００ パンチ
１１０ 階段状構造
２００ 母材
３００ ダイ
３１０ 分離板
３２０ 陽極板
３３０ 分離板
３４０ 陰極板
４００ 電池ケース
４１０ 収納部
４１１ 第１の段差
４１２ 第２の段差
４１３ 第３の段差
４２０ 陰極板
４３０ 分離板
５０１ 固定ダイ
５１０ 第１のドローイング工程
５１１ 第１のパンチ
５１２ 母材
５２０ 第２のドローイング工程
５２１ 第２のパンチ
５２２ 母材
５３０ 第３のドローイング工程
５３１ 第３のパンチ
５３２ 母材
５４２ 電池ケース
６０１ ダイ
６１０ 第１のドローイング工程
６１１ 第１のパンチ
６１２ 母材
６２０ 第２のドローイング工程
６２１ 第２のパンチ
６２２ 電池ケース
６３０ 第３のドローイング工程
６３１ 第３のパンチ
６３２ 電池ケース
７１０ 第１の段差
７２０ 第２の段差
７３０ 第３の段差
８００ 電池ケースの製造装置
８１０ 第１のダイ
８１１ パンチ
８１２ 第１の貫通用開口
８１３ パンチングダイ
８１４ ストリッパー
８２０ 第２のダイ
８２１ ブロック
８２２ 第２の貫通用開口
８２３ 固定ダイ
８２４ 装着ダイ
８２５ 湾入部
８２６ 貫通孔
８３０ 可変ダイ
８３１ ブロックダイ
８３２ 装着軸
８３３ 圧縮スプリング
Ｈ１ 第１の段差の高さ
Ｈ２ 第２の段差の高さ
Ｈ３ 第３の段差の高さ
Ｔ１ 第１の段差の厚さ
Ｔ２ 第２の段差の厚さ
Ｔ３ 第３の段差の厚さ
Ｌ１ ラミネーター
Ｌ２ ラミネータ―
Ｃ３ 切断機

Claims (23)

  1. 電極組立体が内蔵される収納部を含んでおり、シート状母材の変形で形成された前記収納部が、収納部の形状をなす一つ以上のコーナー及び／または面が変形して階段状構造をなしていることを特徴とする、電池ケース。
  2. 前記母材が、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池ケース。
  3. 前記母材が、第１の高分子樹脂の上層、遮断性金属の中間層、及び第２の高分子樹脂の下層からなることを特徴とする、請求項２に記載の電池ケース。
  4. 前記母材の厚さが０．３ｍｍ〜６ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の電池ケース。
  5. 前記収納部の側壁が、少なくとも二つ以上の段差を含む階段構造からなっており、前記各段差の高さが、収納部の深さ方向に行くほど小さくなることを特徴とする、請求項１に記載の電池ケース。
  6. 前記階段構造がｎ個の段差を含んでいるとき、第ｎの段差が、収納部の深さ方向で最下段に位置し、第ｎの段差の上部に第ｎ―１の段差が位置し、第ｎの段差の高さが第ｎ―１の段差の高さより小さいことを特徴とする、請求項５に記載の電池ケース。
  7. 前記第ｎの段差の高さが、第ｎ―１の段差の高さの５０％〜９０％であることを特徴とする、請求項６に記載の電池ケース。
  8. 前記第ｎの段差部位における収納部の側壁の厚さが、第ｎ―１の段差部位における収納部の側壁の厚さの９０％〜９９％であることを特徴とする、請求項６に記載の電池ケース。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか一つによる電池ケースに電極組立体を内蔵する電池セルを製造する方法であって、
    （ａ）シート状母材を溝が形成されているダイ上に位置させるステップ；
    （ｂ）前記シート状母材から形成される収納部のコーナーにしわ及び白化現象が発生しないように、外面が非対称構造からなっているパンチを用いて前記シート状母材を前記母材の溝に加圧するステップ；
    （ｃ）電極組立体を前記収納部に装着するステップ；及び
    （ｄ）前記収納部に蓋を覆って密封するステップ；を含み、
    前記ダイの溝が、シート状母材がパンチ及びダイの溝と接触するとき、シート状母材がパンチの外面形状と一致するように、パンチの形状に対応する形状からなっていることを特徴とする、電池セルの製造方法。
  10. 前記パンチの下端水平面上の形状が階段状構造からなっていることを特徴とする、請求項９に記載の電池セルの製造方法。
  11. 前記階段状構造が、パンチの下端水平面上の中央、一側辺、または一側コーナーに形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電池セルの製造方法。
  12. 前記シート状母材をダイの溝に密着できるように、ダイとシート状母材との間の空間を真空状態に作るステップをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の電池セルの製造方法。
  13. 前記ダイには、上段、中段及び下段からなっている階段状構造の湾入部が形成されており；
    前記ダイの上段の形状に対応する第１のパンチ、前記ダイの中段の形状に対応する第２のパンチ、及び前記ダイの下段の形状に対応する第３のパンチを含むことを特徴とする、請求項９に記載の電池セルの製造方法。
  14. 前記第２のパンチが、前記ダイの上段及び中段の形状に対応する形状からなっており、前記第３のパンチが、ダイの上段、中段及び下段の形状に対応する形状からなっていることを特徴とする、請求項１３に記載の電池セルの製造方法。
  15. （ｉ）前記ダイの上段の形状が転写されるように第１のパンチでシート状母材を加圧するステップ；
    （ｉｉ）前記ダイの上段及び中段の形状が転写されるように第２のパンチでシート状母材を加圧するステップ；及び
    （ｉｉｉ）前記ダイの上段、中段及び下段の形状が転写されるように第３のパンチでシート状母材を加圧するステップ；
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の電池セルの製造方法。
  16. 前記シート状母材をダイの溝に密着できるように、ダイとシート状母材との間の空間を真空状態に作るステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の電池セルの製造方法。
  17. 前記パンチの外面とダイの内面をなしている各コーナーが、丸い形態に形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の電池セルの製造方法。
  18. 前記パンチが、それぞれ異なる幅と高さを有する二つ以上のパンチからなっており、前記ダイが、各パンチのそれぞれに対応する形状の段差からなっている階段状内面構造を有し、前記収納部が、パンチとダイによって階段状構造に変形しながら形成されることを特徴とする、請求項９に記載の電池セルの製造方法。
  19. 前記収納部の階段状構造が、二つ以上のパンチのうち幅が最も広いパンチによって加圧を行った後、相対的に幅が小さくなるパンチの順に加圧をそれぞれ行って形成されることを特徴とする、請求項１８に記載の電池セルの製造方法。
  20. 相対的に幅が小さくなるパンチの順に加圧するほど、加圧深さが小さくなることを特徴とする、請求項１９に記載の電池セルの製造方法。
  21. 前記パンチがｎ個からなっているとき、第ｎのパンチによる加圧深さが、第ｎ―１のパンチによる加圧深さの６０％〜９０％であることを特徴とする、請求項２０に記載の電池セルの製造方法。
  22. 前記パンチの外面とダイの内面をなしている各コーナーが、丸い形態に形成されていることを特徴とする、請求項２１に記載の電池セルの製造方法。
  23. 請求項１から請求項９のいずれか一つによる電池ケースを製造する装置であって、
    電池ケース用シートを加圧するパンチが下面に装着されているパンチングダイ、及びドローイング加工過程で下記の固定ダイとの間に電池ケース用シートを固定するストリッパーを含む第１ダイ；及び
    前記パンチに対応するブロックが上面に装着されているブロックダイ、前記ストリッパーとの間に電池ケース用シートを固定する固定ダイ、及び前記ブロックダイが可変的に装着される湾入部が形成されている装着ダイを含む第２のダイ；
    を含むことを特徴とする電池ケースの製造装置。
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