JP6220071B2 - 金属板材を使用した角形電池セルの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、角形電池セルの製造方法に係り、より詳細には、正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体を角形の電池ケースの内部に密封した構造の電池セルを製造する方法であって、所定の厚さの金属板材を折り曲げた後、溶接して、上端及び下端が開放されている角形本体を製造する過程、角形本体の上端及び下端に対応する形状の上端及び下端密封部材をそれぞれ製造する過程、角形本体の下端と下端密封部材とを密着させた後、溶接する過程、前記下端が密封されている電池ケースに電極組立体を挿入する過程、及び電池ケースの上端と上端密封部材とを密着させた後、溶接する過程を含む角形電池セルの製造方法に関する。
二次電池は、正極/分離膜/負極構造の電極組立体がどのような構造からなっているかによって、長いシート状の正極と負極とを分離膜が介在した状態で巻き取った構造のジェリーロール型(巻取り型)電極組立体、所定の大きさの単位に切り取った多数の正極と負極とを分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型(積層型)電極組立体、所定単位の正極と負極とを分離膜を介在した状態で積層したバイセル(bicell)またはフルセル(full cell)を巻き取った構造のスタック/フォールディング型電極組立体などを挙げることができる。
また、二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池及び角形電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。
特に、最近は、モバイル電子機器の小型軽量化の趨勢によって、相対的に幅の狭い角形電池が開発されており、このような角形電池は、従来の円筒形電池とは異なる他の適用分野を創出している。
一般に、角形電池は、下端が密封されている角形の中空ケースに一部の電池要素を挿入した後、上端キャップアセンブリを溶接し、電解質を注入した後、注入口を密封して製造されている。ここで、下端が密封された角形の中空ケースは、通常、アルミニウム合金の板材を、図1に例示されているように、ディープドローイング(deep drawing)加工法により加工して製造する。ディープドローイング加工法は、平板から継ぎ目なしに中空容器を作る代表的な成形法であって、ダイ30の表面上の素材板10を円周方向に圧縮しながらパンチ20とダイ30との間に移動させて側壁を作る加工法のことをいう。
ディープドローイング加工法は、板材から最終の中空ケースを一連の連続的な工程により製造できるので、工程の効率性が高いという利点を有しているが、それに反して、次のようないくつかの問題点を有している。
第一に、ディープドローイング加工法は、約10段階以上の複雑且つ精巧な工程を経るので、そのための装置の製作コストが非常に高く、特に、金型などの製造に一般的に2〜3ヶ月の長い期間がかかる。これは、変化する消費者の好みに合う電池の開発にかかる期間を大きく増やす要素として作用する。
第二に、ディープドローイング加工が可能な素材の種類が非常に限定的である。ディープドローイング加工自体が素材の延伸を伴うので、延伸可能な素材のみがディープドローイング加工を行うことができる。しかし、高い強度を有する素材は、一般的に延伸しにくい場合が多いので、所望の物性の電池ケースを得ることが難しいことがある。
第三に、角形の電池ケースをディープドローイング加工する時には、下端の長辺と短辺の厚さの比が一定の範囲を超える場合、耳割れ現象が発生し得るので、製品の不良率が高く、ケースのディメンションに限界を有する。
したがって、このような問題点を根本的に解決できる技術に対する必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び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。
すなわち、本発明の目的は、所定の厚さの金属板材を折り曲げた後、溶接して、上端及び下端が開放されている角形本体と、角形本体の上端及び下端に対応する形状の上端及び下端密封部材とが互いに結合される構造で電池ケースを構成することによって、製造工程が簡素化され、生産工程の効率性が向上することで、生産製造コストが低減され得る角形電池セルの製造方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、収率の向上及び高い良品率を確保しながら、製造工程が容易な角形電池セルの製造方法を提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池セルの製造方法は、正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体を角形の電池ケースの内部に密封した構造の電池セルを製造する方法であって、
(a)所定の厚さの金属板材を折り曲げた後、溶接して、上端及び下端が開放されている角形本体を製造する過程と、
(b)角形本体の上端及び下端に対応する形状の上端及び下端密封部材をそれぞれ製造する過程と、
(c)角形本体の下端と下端密封部材とを密着させた後、溶接する過程と、
(d)前記過程(c)で製造された下端が密封されている電池ケースに電極組立体を挿入する過程と、
(e)前記過程(d)で製造された電池ケースの上端と上端密封部材とを密着させた後、溶接する過程と、
を含んで構成されている。
したがって、本発明に係る電池セルの製造方法は、分割されたそれぞれのケース部材を互いに結合して製造することによって、ディープドローイングに比べて製造コストを低減することができ、電池セルの全般的な製造期間を大きく短縮させることができ、様々なデザインで製造可能であると同時に、製品の不良率を低減することができる。
一具体例において、前記過程(a)で折り曲げられた金属板材の対面する両側端部は、断面が接触した状態で溶接される構造からなることができ、場合によっては、折り曲げられた金属板材の対面する両側端部が所定の幅で重なった状態で溶接される構造であってもよい。
具体的に、前記両側端部の重なった幅は、0.1〜10mmの範囲であってもよく、このような重なった部位の厚さは、金属板材の厚さの110%〜150%になるように圧延された後、溶接される構造であってもよい。
このようなケース部材の溶接方式は、高い強度で結合させて密封を行うことができれば、特に制限されるものではなく、例えば、レーザー溶接、アーク溶接、電気抵抗溶接、ガス溶接、超音波溶接などを挙げることができ、その中でも、レーザー溶接がより好ましい。
本発明に係る角形電池セルを構成する金属板材及び密封部材の素材は、電池のケースに適した物性を有し、板材の形態で製造できると共に、セルケースを製造するための工程に使用できる素材であれば、特に制限されるものではなく、具体的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金であってもよい。
また、前記電池ケースは、所定の厚さを含む構造であって、例えば、0.1〜1mmの厚さを有する構造であってもよい。前記電池ケースが厚すぎる場合、完成された電池セルの全厚や体積を増加させることがあり、逆に、前記電池ケースが薄すぎる場合には、電池ケースに所望の機械的強度を付与することができず、外部の衝撃に対して角形電池セルを保護できなくなるため、好ましくない。
前記上端及び下端密封部材は、例えば、鍛造、ブランキングまたは切削加工により製造することができ、前記上端密封部材は、電解液を注入するための電解液注入口を含む構造であってもよい。
一方、リチウム二次電池は、製造過程において化成(formation)工程を行い、前記化成工程は、電池の組立後、充電と放電を行って電池を活性化する工程であって、充電時に正極から出たリチウムイオンが、負極として使用されるカーボン電極に移動して挿入され、このとき、負極の表面で固体電解質界面(solid electrolyte interface:SEI)膜が形成される。
このような化成工程は、一般に、一定範囲の定電流または定電圧で充放電を繰り返すことで行い、電池セルの活性化工程を効果的に行うために、電池ケースの外面の少なくとも一部に絶縁性物質でコーティングする過程を行う。
前記絶縁性コーティングは、角形缶の外面に形成されて外部から角形缶を絶縁できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム酸化物のアノダイジング(anodizing)コーティング方式、絶縁性物質をスプレーコーティングする方式、絶縁性薄膜ラベルを塗布して形成される方式などであってもよい。
前記電極組立体は、その構造が特に制限されるものではなく、好ましくは、フォールディング型構造、スタック型構造、及びスタック/フォールディング型構造を挙げることができる。一具体例において、前記電極組立体の極板から延びたタブが一つの電極リードに結合され、前記電極リードによって板状型電極端子を形成する構造からなっている。
スタック/フォールディング型構造の電極組立体に対する詳細な内容は、本出願人の韓国特許出願公開第2001−0082058号、第2001−0082059号及び第2001−0082060号に開示されており、前記出願は本発明の内容に参照として組み込まれる。
本発明に係る電池パックは、リチウム含有電解液が電極組立体に含浸されているリチウムイオン二次電池、リチウム含有電解液がゲルの形態で電極組立体に含浸されている、いわゆる、リチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池に好ましく適用され得る。
一般に、リチウム二次電池は、正極、負極、分離膜、及びリチウム塩含有非水電解液で構成されている。
前記正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材及びバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要に応じて、前記混合物に充填剤をさらに添加することもある。
前記正極活物質は、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)などの層状化合物や、1つまたはそれ以上の遷移金属で置換された化合物;化学式Li1+xMn2−x(ここで、xは0〜0.33である)、LiMnO、LiMn、LiMnOなどのリチウムマンガン酸化物;リチウム銅酸化物(LiCuO);LiV、LiFe、V、Cuなどのバナジウム酸化物;化学式LiNi1−x(ここで、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、BまたはGaであり、x=0.01〜0.3である)で表されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物;化学式LiMn2−x(ここで、M=Co、Ni、Fe、Cr、ZnまたはTaであり、x=0.01〜0.1である)またはLiMnMO(ここで、M=Fe、Co、Ni、CuまたはZnである)で表されるリチウムマンガン複合酸化物;化学式のLiの一部がアルカリ土金属イオンで置換されたLiMn;ジスルフィド化合物;Fe(MoOなどを挙げることができるが、これらのみに限定されるものではない。
前記導電材は、通常、正極活物質を含んだ混合物の全重量を基準として1〜30重量%で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを使用することができる。
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合及び集電体に対する結合を助ける成分であって、通常、正極活物質を含む混合物の全重量を基準として1〜30重量%で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、様々な共重合体などを挙げることができる。
前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せずに繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体;ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。
前記負極は、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥して作製され、必要に応じて、上述したような成分が選択的にさらに含まれてもよい。
前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素;LiFe(0≦x≦1)、LiWO(0≦x≦1)、SnMe1-xMe’(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me’:Al、B、P、Si、周期律表の1族、2族、3族元素、ハロゲン;0<x≦1、1≦y≦3、1≦z≦8)などの金属複合酸化物;リチウム金属;リチウム合金;ケイ素系合金;錫系合金;SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、GeO、GeO、Bi、Bi、Biなどの金属酸化物;ポリアセチレンなどの導電性高分子;Li−Co−Ni系材料などを使用することができる。
前記分離膜は、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度及び機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。一般に、分離膜の気孔径は0.01〜10μmで、厚さは5〜300μmである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー;ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
リチウム塩含有非水系電解液は、極性有機電解液とリチウム塩からなっている。電解液としては、非水系液状電解液、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用される。
前記非水系液状電解液としては、例えば、N−メチル−2−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン(franc)、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ホルム酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒を使用することができる。
前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリエジテーションリシン(agitation lysine)、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などを使用することができる。
前記無機固体電解質としては、例えば、LiN、LiI、LiNI、LiN−LiI−LiOH、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiSiS、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiPO−LiS−SiSなどのLiの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などを使用することができる。
前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、LiCl、LiBr、LiI、LiClO、LiBF、LiB10Cl10、LiPF、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、CHSOLi、CFSOLi、(CFSONLi、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、4フェニルホウ酸リチウム、イミドなどを使用することができる。
また、非水系電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グリム(glyme)、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N−置換オキサゾリジノン、N,N−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、2−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませることもでき、高温保存特性を向上させるために二酸化炭酸ガスをさらに含ませることもできる。
本発明はまた、上記の製造方法で製造されたことを特徴とする電池セルを提供する。
また、前記角形電池セルを1つ以上含む電池パック、及び前記電池パックを電源として使用するデバイスを提供し、前記デバイスは、具体的に、ノートパソコン、携帯電話、PDP、PMP、MP3プレーヤー、DSC(Digital Still Camera)、DVR、スマートフォン、GPSシステム、カムコーダー、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電力貯蔵装置などであってもよい。
電池パックとデバイスの構造及びその製造方法は当業界で公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
ディープドローイング工程を用いて角形の電池ケースを製造する一部の工程の模式図である。 本発明の一実施例に係る角形電池セルの分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る角形本体の製造方法を示す模式図である。 本発明の更に他の実施例に係る角形本体の製造方法を示す模式図である。
以下では、本発明の実施例に係る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り、本発明の範囲がそれによって限定されるものではない。
図2には、本発明の一実施例に係る角形電池セルに対する分解斜視図が示されている。
図2を参照すると、本発明に係る角形電池セル100は、内部に正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体110が角形の電池ケースに内蔵される構造となっている。
角形電池セル100は、所定の厚さの金属板材を折り曲げた後、溶接して、上端及び下端が開放されている角形本体120、角形本体120の上端及び下端に対応する形状の上端密封部材130及び下端密封部材140をそれぞれ製造して、電極組立体110を挿入し、製造された電池ケースの上端密封部材130及び下端密封部材140を角形本体120と密着させた後、溶接する過程を経て角形電池セル100を完成する。
このような構造の角形電池セル100は、角形電池セル100を構成する角形本体120が金属板材を折り曲げた後に溶接して製造されるので、角形電池セル100の一側面に金属板材の端部が溶接される溶接面150を有する。
図3には、本発明の一実施例に係る角形本体の製造方法を示す模式図が示されており、図4には、本発明の更に他の実施例に係る角形本体の製造方法を示す模式図が示されている。
まず、図3を参照すると、アルミニウム合金からなっており、厚さが約0.3mmである金属板材210を、電池ケースの対応形状に折り曲げ、折り曲げられた金属板材210の対面する両側端部220,230が接触した状態でレーザー溶接で結合して、上端及び下端が開放されている角形本体200を製造する。
または、図4に示したように、折り曲げられた金属板材310の対面する両側端部320,330が約0.4mmの大きさで重なった状態でレーザー溶接で結合して、上端及び下端が開放されている角形本体300を製造することができる。具体的には、金属板材310の両側端部320,330を金属板材310の厚さの110%〜150%になるように圧延した後、溶接する形態で結合する。
図2乃至図4に示したように、本発明によれば、分割されたそれぞれのケース部材を互いに結合して製造することによって、ディープドローイングに比べて製造コストを低減することができ、電池セルの全般的な製造期間を大きく短縮させることができ、様々なデザインで製造可能であると同時に、製品の不良率を低減することができる。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る角形電池セルの製造方法は、所定の厚さの金属板材を折り曲げた後、溶接して、上端及び下端が開放されている角形本体と、角形本体の上端及び下端に対応する形状の上端及び下端密封部材とが互いに結合される構造で電池ケースを構成することによって、製造工程が簡素化され、生産工程の効率性が向上することで、生産製造コストを低減することができ、ディープドローイングでは作製が困難な角形電池セルを製造することができる。
110 電極組立体
120、200、300 角形本体
130 上端密封部材
140 下端密封部材
150 溶接面
210、310 金属板材
220、230、320、330 両側端部

Claims (16)

  1. 正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体を角形の電池ケースの内部に密封した構造の電池セルを製造する方法であって、
    (a)所定の厚さの金属板材を折り曲げた後、折り曲げられた金属板材の対面する両側端部は、重ねられ、重なった部位の厚さが金属板材の厚さの110%〜150%になるように圧延された後、溶接して、上端及び下端が開放されている角形本体を製造する過程と、
    (b)角形本体の上端及び下端に対応する形状の上端及び下端密封部材をそれぞれ製造する過程と、
    (c)角形本体の下端と下端密封部材とを密着させた後、溶接する過程と、
    (d)前記過程(c)で製造された下端が密封されている電池ケースに電極組立体を挿入する過程と、
    (e)前記過程(d)で製造された電池ケースの上端と上端密封部材とを密着させた後、溶接する過程と、
    を含む、角形電池セルの製造方法。
  2. 前記電極組立体は、フォールディング型構造、スタック型構造、またはスタック/フォールディング型構造であることを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  3. 前記両側端部の重なった幅は、0.1〜10mmの範囲であることを特徴とする、請求項に記載の電池セルの製造方法。
  4. 前記溶接はレーザー溶接によって行われることを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  5. 前記上端密封部材は、電解液を注入するための電解液注入口を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  6. 前記金属板材及び密封部材は、それぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  7. 前記金属板材及び密封部材は0.1〜1mmの厚さを有することを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  8. 前記上端及び下端密封部材は、鍛造、ブランキングまたは切削加工により製造されることを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  9. 前記角形の電池ケースの外面の少なくとも一部には絶縁性コーティングが行われていることを特徴とする、請求項1に記載の電池セルの製造方法。
  10. 前記絶縁性コーティングは、アルミニウム酸化物のアノダイジング(anodizing)コーティング方式で形成されることを特徴とする、請求項に記載の電池セルの製造方法。
  11. 前記絶縁性コーティングは、絶縁性物質をスプレーコーティングして形成されることを特徴とする、請求項に記載の電池セルの製造方法。
  12. 前記絶縁性コーティングは、絶縁性薄膜ラベルを塗布して形成されることを特徴とする、請求項に記載の電池セルの製造方法。
  13. 請求項1〜12のいずれかに記載の方法で製造されたことを特徴とする、電池セル。
  14. 請求項13に記載の電池セルを1つ以上含むことを特徴とする、電池パック。
  15. 請求項14に記載の電池パックを電源として使用することを特徴とする、デバイス。
  16. 前記デバイスは、ノートパソコン、携帯電話、PDP、PMP、MP3プレーヤー、DSC(Digital Still Camera)、DVR、スマートフォン、GPSシステム、カムコーダー、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とする、請求項15に記載のデバイス。
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