JP2024509980A - パウチ型二次電池及びその二次電池のシール装置とその二次電池のシール方法 - Google Patents
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Abstract
本発明によるパウチ型二次電池及びその二次電池のシール装置とその二次電池のシール方法は、さらなる製造工程を行うことなくパウチ型ケースの複数の領域でシールが行われるようにすることにより、高い接着密度を有する二次電池を提供することができる。また、パウチ型ケースの包装材だけでなく、電極組立体における電極の端部及び分離膜の端部の接着性が向上することにより、過電圧の発生や電解液の消耗の加速化を防止することができる。本発明による二次電池は、電極と分離膜とが交互に積層された電極組立体、前記電極組立体を収容し、一部で接合された部分であるシール部を含むパウチを含み、前記シール部は、前記電極組立体から所定距離離隔して前記パウチの縁部に形成された第１シール領域、及び前記電極組立体に対応する領域である第２シール領域を含んでもよい。
Description
本出願は、２０２１年９月２８日付けの韓国特許出願第１０－２０２１－０１２８３６４号、２０２２年９月２３日付けの韓国特許出願第１０－２０２２－０１２１２０２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容が本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、パウチ型二次電池及びその二次電池のシール装置とその二次電池のシール方法に関する。より詳細には、二次電池セルに含まれる電極と分離膜の接着状態によって発生し得る過電圧又は電解液の早い消耗を防止するために、電極と分離膜の接着力を向上させることのできるシール装置及びシール方法、並びにパウチ型二次電池に関する。
近年、化石燃料が徐々に枯渇していって燃料の量が制限的である点、環境汚染防止の重要性が大きくなる点で、化石燃料を代替できる代替エネルギーへの関心度が増加している。これにより、太陽熱、水力、風力、海洋エネルギー、バイオマスエネルギーなど、環境汚染に及ぼす影響が少ないエネルギー源に基づく電力生産技術の研究及び開発が盛んに行われている。
特に、繰り返し充電が可能な二次電池に関する研究が盛んに行われており、二次電池の材料、効率、構造などの様々な側面に関する開発が継続して行われている。
二次電池の構造的側面において、円筒型電池、角型電池又はパウチ型電池の形態が主流をなしている。これにより、様々な形態の二次電池のそれぞれの形態に対応する構造的な特徴によってエネルギー効率及びエネルギー密度を向上させるか、エネルギー非効率を防止するための研究及び開発が行われている。
パウチ型電池は、エネルギーの効率及び密度の側面で他の形態の電池より有利な点があるが、より高い効率を確保するために、構成の配置、結合、シールなどの側面で持続的な改善が試みられている。
パウチ型電池は、電極組立体がパウチ型ケースに収容された形態であり、電極と分離膜とが交互に積層された電極組立体がケース内に収容されることにより高いエネルギー密度を確保できる形態の電池である。ただし、高い効率を維持するためには、電極と分離膜の接着が完全に行われなければならず、高い接着性を確保するためには、二次電池の製造過程での高い精密性が要求される。
しかし、二次電池の製造過程で、パウチ型ケースの包装材部分のシールのみを行った場合、電極及び分離膜の端部の接着が完全に行われず、過電圧が発生したり電解液の消耗が加速化するという問題があった。また、電極及び分離膜の端部の接着のためのさらなるシール工程を経ると、製造時間が長くなったり、別途のシールツールが必要となるので、製造工程の非効率が生じる。
本発明は、上記問題を解決するためのものであり、さらなる製造工程を行うことなくパウチ型ケースの複数の領域でシールが行われるようにすることにより、高い接着密度を有する二次電池を提供するものである。
本発明による二次電池は、電極と分離膜とが交互に積層された電極組立体、及び前記電極組立体を収容し、一部で接合された部分であるシール部を含むパウチを含み、前記シール部は、前記電極組立体から所定距離離隔して前記パウチの縁部に形成された第１シール領域、及び前記電極組立体に対応する領域である第２シール領域を含んでもよい。
前記第２シール領域は、前記電極組立体の縁部に対応する領域であり、前記電極組立体の前記縁部は、前記電極の端部及び前記分離膜の端部に対応してもよい。
前記第１シール領域は、前記パウチの縁部の接着領域に対応する領域であり、前記第２シール領域は、前記電極の端部及び前記分離膜の端部の接着領域に対応してもよい。
前記電極組立体に対応する前記電極の端部及び前記分離膜の端部間の接着力は、前記電極の前記端部を除いた残りの部分と前記分離膜の前記端部を除いた残りの部分の接着力より大きくてもよい。
前記第２シール領域の接着力は、前記第１シール領域の接着力に対応してもよい。
前記第２シール領域は、上方から見たとき、前記パウチの面積値の７％～１４％の面積値を有してもよい。
前記第１シール領域及び前記第２シール領域は、熱と圧力に基づいて接着されてシールされる領域であってもよい。
前記第２シール領域の面積は、前記第１シール領域の面積より大きくてもよい。
前記第２シール領域は、上方から見たとき、前記電極組立体と重なる領域を含んでもよい。
本発明による二次電池をシールする装置において、電極組立体が収容されたパウチが配置される治具、並びに前記パウチの縁部に形成された第１シール領域、及び前記パウチの前記電極組立体に対応する領域に形成された第２シール領域をシールできるシールツールを含み、前記シールツールは、熱と圧力に基づいて前記第１シール領域及び前記第２シール領域のシールを行ってもよい。
前記シールツールは、上部ブロック及び下部ブロックを含み、前記上部ブロックは、第１上部ブロック及び第２上部ブロックを含み、前記下部ブロックは、第１下部ブロック及び第２下部ブロックを含み、前記上部ブロックの第１上部ブロック及び前記下部ブロックの第１下部ブロックは、互いに対応する位置に形成され、前記第１上部ブロック及び前記第１下部ブロックは、前記第１シール領域のシールを行ってもよい。
前記上部ブロックの第２上部ブロック及び前記下部ブロックの第２下部ブロックは、互いに対応する位置に形成され、前記第２上部ブロック及び前記第２下部ブロックは、前記電極組立体の一部を押圧して前記第２シール領域のシールを行ってもよい。
前記シールツールにおいて、前記第１上部ブロック及び前記第２上部ブロックは、一体に形成されてもよい。
本発明による二次電池をシールする方法において、電極組立体が収容されたパウチを含む二次電池を治具に配置するステップ、並びにシールツールを用いて、前記治具に配置された前記パウチの縁部に形成された第１シール領域、及び前記パウチの前記電極組立体に対応する第２シール領域をシールするステップを含んでもよい。
前記シールするステップは、前記電極組立体に対応する電極の端部及び分離膜の端部間の接着力が、前記電極の前記端部を除いた残りの部分と前記分離膜の前記端部を除いた残りの部分の接着力より大きくなるようにシールするステップをさらに含んでもよい。
前記シールするステップは、前記第２シール領域の接着力が前記第１シール領域の接着力に対応するようにシールするステップをさらに含んでもよい。
前記シールするステップは、前記シールツールを用いて、前記第１シール領域及び前記第２シール領域を同時にシールするステップをさらに含んでもよい。
本発明によるパウチ型二次電池及びその二次電池のシール装置とその二次電池のシール方法は、さらなる製造工程を行うことなくパウチ型ケースの複数の領域でシールが行われるようにすることにより、高い接着密度を有する二次電池を提供することができる。
本発明によるパウチ型二次電池及びその二次電池のシール装置とその二次電池のシール方法は、パウチ型ケースの包装材だけでなく、電極組立体における電極の端部及び分離膜の端部の接着性が向上することにより、過電圧の発生や電解液の消耗の加速化を防止することができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現することができ、以下の実施形態に制限又は限定されるものではない。
本発明を明確に説明するために、説明と関係ない部分又は本発明の要旨を不明にし得る関連公知技術についての詳細な説明は省略し、本明細書において各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたっては、明細書全体にわたって同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付す。
なお、本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的又は辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に立脚して、本発明の技術的思想に合致する意味と概念に解釈されるべきである。
図１は本発明の一実施形態によるパウチ型二次電池の電池セルの斜視図であり、図２は本発明の一実施形態によるパウチ型二次電池の電池セルの分解斜視図である。
以下、図１及び図２を参照して、パウチ型二次電池の電池セル１０の構成について説明する。
電池セル１０は、電極組立体１２と、電解液及び電極組立体１２を収容できる収容部１１ａが形成されたパウチ１１とを含んでもよい。
パウチ１１の一部は、接着（又は接合）されることによりシール部を形成してもよい。シール部は、複数のシール領域を含んでもよい。
電極組立体１２は、充電及び放電が可能な素子であって、電極１２ｃと分離膜１２ｄとが結集されて交互に積層された構造を形成してもよい。
電極１２ｃは、正極１２ａ及び負極１２ｂを含んでもよい。電極組立体１２は、正極１２ａ、分離膜１２ｄ、負極１２ｂが交互に結集されて積層された構造を形成してもよい。
正極１２ａは、正極集電体及び正極集電体に塗布された正極活物質を含み、負極１２ｂは、負極集電体及び負極集電体に塗布された負極活物質を含んでもよい。
正極集電体は、例えばアルミニウム（Ａｌ）製のホイル（ｆｏｉｌ）からなってもよい。
正極活物質は、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムリン酸鉄又はこれらの１種以上が含まれる化合物や混合物などからなってもよい。
正極活物質は、他の例として、Ｈｉ Ｎｉ系正極材からなってもよい。ここで、Ｈｉ Ｎｉ系正極材は、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ系、ＬｉＮｉＣｏＡｌ系又はＬｉＭｉＭｎＣｏＡｌ系のいずれか１つ以上を含んでなってもよい。このとき、ニッケル（Ｎｉ）の含有量は、例えば０．５ｍｏｌ～０．９５ｍｏｌにしてもよい。
負極集電体は、例えば銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）製のホイル（ｆｏｉｌ）からなってもよい。
負極活物質は、一例として、人造黒鉛を含む材質からなってもよい。また、負極活物質は、他の例として、リチウム金属、リチウム合金、カーボン、石油コークス、活性化カーボン、グラファイト、シリコン化合物、スズ化合物、チタン化合物又はこれらの合金からなってもよい。
分離膜１２ｄは、絶縁材質からなり、正極１２ａと負極１２ｂ間を電気的に絶縁する。ここで、分離膜１２ｄは、例えば微多孔性を有するポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂膜で形成されてもよい。
電池セル１０は、電極組立体１２の電極１２ｃに電気的に接続される電極リード１３を含んでもよい。
図３は本発明の一実施形態によるパウチ型二次電池の電池セルの製造過程を示す。
電極組立体ユニット１２－１は、負極１２ｂ、分離膜１２ｄ、正極１２ａ、分離膜１２ｄ'、負極１２ｂ'が交互に積層された構造であってもよい。また、電極組立体ユニット１２－１は、正極、分離膜、負極、分離膜、正極が交互に積層された構造であってもよい。
電極組立体１２は、電極組立体ユニット１２－１が繰り返し積層された構造であってもよい。例えば、複数の電極組立体ユニット１２－１が積層されることにより電極組立体１２を形成するようにしてもよい。
パウチ１１の収容部１１ａは、電極組立体１２を収容する。収容部１１ａにおいて電極組立体１２が収容された空間の残りの空間に電解液が収容される。
パウチ１１の縁部には、第１シール領域１４ａが形成されてもよい。第１シール領域１４ａは、電極組立体１２から所定距離離隔した領域に形成されてもよい。パウチ１１の包装材が第１シール領域１４ａで互いに接着されることにより、電池セル１０がシール（又は密封）状態を維持することができる。第１シール領域１４ａでのパウチ１１の包装材の接着（又はシール）は、熱と圧力に基づく熱融着などの方式で行われてもよい。
第２シール領域１４ｂは、電極組立体１２に対応する領域であってもよい。例えば、第２シール領域１４ｂは、電極組立体１２の縁部に対応する領域であってもよい。また、第２シール領域１４ｂは、電極１２ｃの端部及び分離膜１２ｄの端部に対応する領域であってもよい。言い換えれば、電池セル１０を上方から見たとき、第２シール領域１４ｂは、電極組立体１２と重なる領域を含んでもよい。
第２シール領域１４ｂでは、電極１２ｃの端部及び分離膜１２ｄの端部間の接着（又はシール）が行われてもよい。電極１２ｃの端部及び分離膜１２ｄの端部間の接着（又はシール）は、熱と圧力に基づく熱融着などの方式で行われてもよい。
図４は本発明の一実施形態によるパウチ型二次電池の電池セルのシール過程を示す。
シール装置は、シール対象が配置される治具、及びシール対象をシールするシールツール２０を含んでもよい。
シールツール２０は、電池セル１０のパウチ１１及び電極組立体１２の一部を熱と圧力に基づいてシールしてもよい。例えば、シールツール２０は、パウチ１１の一部を加熱された状態で押圧してもよい。この場合、電極組立体１２の一部も加圧されてもよい。
電池セル１０は、シール装置のシールツール２０に基づいてシールされてもよい。
電池セル１０のシール部１４は、パウチ１１の縁部に形成された第１シール領域１４ａ、及びパウチ１１内に収容された電極組立体１２の縁部に対応する領域に形成された第２シール領域１４ｂを含んでもよい。
電池セル１０のシール部１４の第１シール領域１４ａ及び第２シール領域１４ｂは、シールツール２０に基づいてシールされてもよい。
シール装置は、電池セル１０を配置できる治具を含んでもよい。また、シール装置は、電極組立体１２が収容されたパウチ１１を配置できる治具を含んでもよい。
シールツール２０は、上部シールツール２１及び下部シールツール２２を含んでもよい。上部シールツール２１及び下部シールツール２２は、それぞれ分離された構成としてシールツール２０に含まれてもよく、上部シールツール２１及び下部シールツール２２が一体に形成されてシールツール２０に含まれてもよい。
上部シールツール２１は、第１上部ブロック２１ａ及び第２上部ブロック２１ｂを含んでもよい。第１上部ブロック２１ａ及び第２上部ブロック２１ｂは、それぞれ分離された構成として上部シールツール２１に含まれてもよく、第１上部ブロック２１ａ及び第２上部ブロック２１ｂが一体に形成されて上部シールツール２１に含まれてもよい。
下部シールツール２２は、第１下部ブロック２２ａ及び第２下部ブロック２２ｂを含んでもよい。第１下部ブロック２２ａ及び第２下部ブロック２２ｂは、それぞれ分離された構成として下部シールツール２２に含まれてもよく、第１下部ブロック２２ａ及び第２下部ブロック２２ｂが一体に形成されて下部シールツール２２に含まれてもよい。
シールツール２０は、上部昇降手段２１ｃ及び下部昇降手段２２ｃを含んでもよい。上部シールツール２１は、上部昇降手段２１ｃにより上昇／下降することができ、下部シールツール２２は、下部昇降手段２２ｃにより上昇／下降することができる。
第１上部ブロック２１ａ及び第１下部ブロック２２ａは、互いに対応する位置に形成されてもよい。また、第２上部ブロック２１ｂ及び第２下部ブロック２２ｂは、互いに対応する位置に形成されてもよい。
第１上部ブロック２１ａ及び第１下部ブロック２２ａは、パウチ１１の縁部に形成された第１シール領域１４ａのシールを行ってもよい。また、第２上部ブロック２１ｂ及び第２下部ブロック２２ｂは、電極組立体１２（又は電極組立体１２の縁部）に対応する領域である第２シール領域１４ｂのシールを行ってもよい。第２上部ブロック２１ｂ及び第２下部ブロック２２ｂは、電極組立体１２の一部を押圧して第２シール領域１４ｂのシールを行ってもよい。
第２シール領域１４ｂは、上方から見たとき、電極組立体１２と重なる領域を含んでもよい。第２シール領域１４ｂは、上方から見たとき、パウチ１１の面積値の７％～１４％の面積値を有してもよい。第２シール領域１４ｂがパウチ１１の面積に対して上述したような面積比を有するようにシールが行われた場合、後述する接着性が向上することにより、過電圧の発生や電解液の消耗の加速化が効果的に防止される。
シールツール２０により第１シール領域１４ａ及び第２シール領域１４ｂのシールを一度に行うことができ、パウチ１１の縁部だけでなく電極１２ｃ及び分離膜１２ｄの端部間の接着力を向上させることができる。これにより、電極組立体１２において過電圧が発生したりパウチ１１内の電解液の消耗が加速化することを防止することができる。
図５は本発明の一実施形態によるパウチ型二次電池の電池セルのシール過程を示す。
電極組立体１２が収容されたパウチ１１を含む電池セル１０は、シールのためにシール装置の治具に配置される。
パウチ１１の縁部に形成された第１シール領域１４ａは、第１上部ブロック２１ａ及び第１下部ブロック２２ａにより、熱と圧力に基づいて圧着（又は接合）されることによりシールされる。
パウチ１１内の電極組立体１２の縁部に対応する領域である第２シール領域１４ｂは、第２上部ブロック２１ｂ及び第２下部ブロック２２ｂにより、熱と圧力に基づいて圧着（又は接合）されることによりシールされる。
シールツール２０による熱と圧力に基づいてシールされることにより、電極組立体１２の前記縁部に対応する電極１２ｃの端部及び分離膜１２ｄの端部間の接着力が、前記電極１２ｃの前記端部を除いた残りの部分と前記分離膜１２ｄの端部を除いた残りの部分の接着力より大きくなる。
第１シール領域１４ａ及び第２シール領域１４ｂは、シールツール２０により、熱と圧力に基づいて同時に圧着（又は接着）されることによりシールされる。
シールツール２０による熱と圧力に基づいてシールされることにより、第２シール領域１４ｂの接着力が第１シール領域１４ａの接着力に対応するようになる。
図６は本発明の一実施形態によるパウチ型二次電池の電池セルの複数のシール領域を示す図である。図６は電池セル１０を上方から見た様子を示す。
電池セル１０は、電極組立体１２、電極組立体１２が収容されたパウチ１１、及び電極組立体１２に電気的に接続される電極リード１３を含んでもよい。
パウチ１１の縁部に対応する領域に第１シール領域１４ａが形成されてもよい。電極組立体１２を外部と電気的に接続する電極リード１３が位置する方向に対応するパウチ１１の縁部に第１シール領域１４ａが形成されてもよい。
電極組立体１２の縁部に対応する領域には第２シール領域１４ｂが形成されてもよい。電極リード１３が位置する方向に対応する電極組立体１２の縁部に対応する領域に第２シール領域１４ｂが形成されてもよい。
第２シール領域１４ｂは、電極組立体１２の一側の縁部の形態に対応する形態の領域であってもよい。
第２シール領域１４ｂは、電極組立体１２の縁部に対応する領域と、パウチ１１の包装材領域の一部とを含む領域であってもよい。言い換えれば、第２シール領域１４ｂは、上方から見たとき、電極組立体１２と重なる領域が形成されてもよい。第２シール領域１４ｂは、上方から見たとき、パウチ１１の面積値の７％～１４％の面積値を有してもよい。
第２シール領域１４ｂの面積は、第１シール領域１４ａの面積より大きくてもよい。
第２シール領域１４ｂの接着力は、第１シール領域１４ａの接着力に対応してもよい。
複数の領域（例えば、第１シール領域１４ａ、第２シール領域１４ｂ）でシールが行われることにより、電池セル１０のパウチ１１の縁部の接着性が向上し、電極組立体１２における電極１２ｃの端部及び分離膜１２ｄの端部間の接着力も向上する。
以上、本発明は、たとえ限定された実施形態と図面により説明されたが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者により本発明の技術思想と添付の特許請求の範囲の均等範囲内で様々な実施が可能である。
Claims (17)
- 電極と分離膜とが交互に積層された電極組立体；及び
前記電極組立体を収容し、一部で接合された部分であるシール部を含むパウチを含み、
前記シール部は、
前記電極組立体から所定距離離隔して前記パウチの縁部に形成された第１シール領域；及び
前記電極組立体に対応する領域である第２シール領域を含む、二次電池。 - 前記第２シール領域は、前記電極組立体の縁部に対応する領域であり、
前記電極組立体の前記縁部は、前記電極の端部及び前記分離膜の端部に対応する、請求項１に記載の二次電池。 - 前記第１シール領域は、前記パウチの縁部の接着領域に対応する領域であり、
前記第２シール領域は、前記電極の端部及び前記分離膜の端部の接着領域に対応する領域である、請求項１に記載の二次電池。 - 前記電極組立体に対応する前記電極の端部及び前記分離膜の端部間の接着力は、前記電極の前記端部を除いた残りの部分と前記分離膜の前記端部を除いた残りの部分の接着力より大きい、請求項１に記載の二次電池。
- 前記第２シール領域の接着力は、前記第１シール領域の接着力に対応する、請求項１に記載の二次電池。
- 前記第２シール領域は、
上方から見たとき、前記パウチの面積値の７％～１４％の面積値を有する、請求項１に記載の二次電池。 - 前記第１シール領域及び前記第２シール領域は、熱と圧力に基づいて接着されてシールされる領域である、請求項１に記載の二次電池。
- 前記第２シール領域の面積は、前記第１シール領域の面積より大きい、請求項１に記載の二次電池。
- 前記第２シール領域は、上方から見たとき、前記電極組立体と重なる領域を含む、請求項１に記載の二次電池。
- 二次電池のシール装置において、
電極組立体が収容されたパウチが配置される治具；並びに
前記パウチの縁部に形成された第１シール領域、及び前記パウチの前記電極組立体に対応する領域に形成された第２シール領域をシールできるシールツールを含み、
前記シールツールは、
熱と圧力に基づいて前記第１シール領域及び前記第２シール領域のシールを行う、二次電池のシール装置。 - 前記シールツールは、上部ブロック及び下部ブロックを含み、
前記上部ブロックは、第１上部ブロック及び第２上部ブロックを含み、
前記下部ブロックは、第１下部ブロック及び第２下部ブロックを含み、
前記上部ブロックの第１上部ブロック及び前記下部ブロックの第１下部ブロックは、互いに対応する位置に形成され、
前記第１上部ブロック及び前記第１下部ブロックは、前記第１シール領域のシールを行う、請求項１０に記載の二次電池のシール装置。 - 前記上部ブロックの第２上部ブロック及び前記下部ブロックの第２下部ブロックは、互いに対応する位置に形成され、
前記第２上部ブロック及び前記第２下部ブロックは、前記電極組立体の一部を押圧して前記第２シール領域のシールを行う、請求項１１に記載の二次電池のシール装置。 - 前記シールツールにおいて、
前記第１上部ブロック及び前記第２上部ブロックは、一体に形成される、請求項１１に記載の二次電池のシール装置。 - 二次電池のシール方法において、
電極組立体が収容されたパウチを含む二次電池を治具に配置するステップ；並びに
シールツールを用いて、前記治具に配置された前記パウチの縁部に形成された第１シール領域、及び前記パウチの前記電極組立体に対応する第２シール領域をシールするステップを含む、二次電池のシール方法。 - 前記シールするステップは、
前記電極組立体に対応する電極の端部及び分離膜の端部間の接着力が、前記電極の前記端部を除いた残りの部分と前記分離膜の前記端部を除いた残りの部分の接着力より大きくなるようにシールするステップをさらに含む、請求項１４に記載の二次電池のシール方法。 - 前記シールするステップは、
前記第２シール領域の接着力が前記第１シール領域の接着力に対応するようにシールするステップをさらに含む、請求項１４に記載の二次電池のシール方法。 - 前記シールするステップは、
前記シールツールを用いて、前記第１シール領域及び前記第２シール領域を同時にシールするステップをさらに含む、請求項１４に記載の二次電池のシール方法。
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