JP6559804B2 - 振動を利用した電池セル製造用ガストラップ除去装置 - Google Patents

Description

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本出願は、２０１５年８月２０日付の韓国特許出願第１０−２０１５−０１１７２８３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は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、振動を利用した電池セル製造用ガストラップ除去装置に関するものである。

最近、化石燃料の枯渇によるエネルギー源の価格上昇、環境汚染の関心が増幅されながら、親環境代替エネルギー源に対する要求が未来生活のための必須不可欠な要因となっている。これに原子力、太陽光、風力、潮力など多様な電力生産技術に対する研究が持続しており、このように生産されたエネルギーをもっと効率的に用いるための電力貯蔵装置も大きな関心が続いている。

特に、モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、最近は電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの動力源として２次電池の使用が実現化されており、グリッド（Ｇｒｉｄ）化を通した電力補助電源などの用途にも使用領域が拡大しており、それによって多様な要求に応じ得る電池に対する多くの研究が行われている。

代表的に、電池の形状面では薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用することができる角型２次電池とパウチ型２次電池に対する需要が高く、材料面では高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム２次電池に対する需要が高い。

また、２次電池は、正極、負極、および正極と負極との間に介される分離膜が積層された構造の電極組立体がいかなる構造からなっているのかに従って分類されたりもするところ、代表的には、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ゼリーロール型（巻取り型）電極組立体、所定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）電極組立体などが挙げられ、最近は、前記ゼリーロール型電極組立体およびスタック型電極組立体が有する問題点を解決するために、前記ゼリーロール型とスタック型との混合形態である進歩した構造の電極組立体として、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単位セルを分離フィルム上に位置させた状態で順次に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が開発された。

また、２次電池は、電池ケースの形状に従い、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および角形電池と、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に分類される。

一般に、リチウム２次電池は、製造過程で化成（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）工程を行うが、前記化成工程は電池組み立て後に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に移動して挿入され、この時、負極表面に固体電解質界面（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により進行される。

このような場合に、前記円筒形電池は、電極組立体の形状の特異性により、前記電池セルの化成工程で発生したガスが、相対的に空間が少ない電極組立体の巻取り中心部に集中することによってガストラップ（ｇａｓ ｔｒａｐ）を形成するようになり、このようなガストラップは電極組立体のすべての部位が電解液に完全に含浸されることを妨害する要因として作用するため、前記ガストラップが形成された電極組立体の中心部にリチウム析出領域が発生するようになる問題点がある。

図１には、従来の円筒形電池セルの構造を概略的に示す垂直断面図が示されている。

図１を参照すれば、円筒形電池セル１００は巻取り型電極組立体１２０を円筒形ケース１３０に収納し、円筒形ケース１３０内に電解液を注入した後に、ケース１３０の開放上段に電極端子（例えば、正極端子；図示せず）が形成されているトップキャップ１４０を結合して製作する。

電極組立体１２０は、正極１２１と負極１２２、および分離膜１２３を順次に積層してロール状に巻き取った構造であって、その巻芯（ゼリーロールの中心部）には円筒形のセンターピン１５０が挿入されている。センターピン１５０は、一般に、所定の強度を付与するために金属素材からなり、板材を丸く折り曲げた中空型の円筒形構造からなる。このようなセンターピン１５０は、電極組立体１２０を固定および支持する作用と充放電および作動時に内部反応によって発生するガスを放出する通路として作用する。

しかし、このようなセンターピン１５０の中空部は相対的に狭く微細なので、化成工程で発生したガスがセンターピン１５０の中空部を通して電極組立体１２０の中心部を通過する過程でボトルネック現象などの原因によって集中して、ガストラップが形成される。

一般に、このような問題点を解決するために、ガストラップの形成率が最も高いＳＯＣ範囲、つまり、ガスが最も多く生成される特定のＳＯＣ範囲で予備電池セルを充電し、所定の温度および時間条件下で熟成（ａｇｉｎｇ）過程を経ることによって、十分な時間の間前記ガストラップが自然に除去されるようにする。

しかし、前記熟成過程では過度に多い時間がかかるので、電池セルの製造工程を遅延させることができ、前記熟成過程にもかかわらず、内部のガストラップが完全に除去されない可能性が存在するので、工程の信頼性が低下するという問題点がある。

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の高い実情である。

本発明は、前記のような従来技術の問題点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。

本出願の発明者らは、鋭意研究と多様な実験を重ねた結果、後述するように、電池セル収納部に予備電池セルが収納された状態で、前記電池セル収納部に振動を印加するように電池セル製造用ガストラップ除去装置を構成することによって、電池セルの化成工程で電極組立体の中心部に形成されたガストラップを早い時間内により容易に除去でき、そのために、電池セルの製造に要する時間を節約でき、前記ガストラップが残存する可能性を最少化することにより、工程の信頼性を向上させることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

前記のような目的を達成するための本発明による電池セル製造用ガストラップ除去装置は、
電池セルの製造工程中に化成（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）工程で発生した予備電池セル内のガストラップ（ｇａｓ ｔｒａｐ）を除去するための装置であって、
予備電池セルが収納される電池セル収納部；および
前記電池セル収納部に予備電池セルが収納された状態で、前記電池セル収納部に振動を印加する振動印加部；を含む構造でありうる。

したがって、前記電池セル収納部に予備電池セルが収納された状態で、前記振動印加部によって電池セル収納部に振動を印加することによって、電池セルの化成工程で電極組立体の中心部に形成されたガストラップを早い時間内により容易に除去でき、そのために、電池セルの製造に要する時間を節約でき、前記ガストラップが残存する可能性を最少化することによって、工程の信頼性を向上させることができる。

一つの具体的な例として、前記電池セルは正極、負極および前記正極と負極との間に介在した分離膜が巻き取られた構造の電極組立体が電池ケースに内蔵された円筒形電池セルでありうる。

前述したように、予備電池セルの化成工程で発生するガストラップは正極、負極および前記正極と負極との間に介在した分離膜が巻き取られた構造の電極組立体が内蔵された円筒形電池セルで主に発生でき、そのために、本発明による電池セル製造用ガストラップ除去装置は、前記巻取り型構造の電極組立体を含んでいる円筒形電池セル内部のガストラップ除去に有用な効果を発揮することができる。

一方、前記振動は、電池セル収納部に振動を印加する振動印加部からの物理的刺激によって印加されることができる。

一つの具体的な例として、前記物理的刺激は、振動印加部から電池セル収納部に直接的に加わる物理的衝撃によって遂行される構造でありうる。

つまり、前記振動印加部は、予備電池セルが収納されている電池セル収納部の外面と非接触の状態で、前記電池セル収納部の外面に直接接触することによって、物理的な衝撃を加える構造であることもあり、そのために、前記電池セル収納部に収納された予備電池セルに振動が印加されて、電極組立体の中心部に位置したガストラップが除去されることができる。

他の具体的な例として、前記物理的刺激は、電池セル収納部に接触された振動印加部の反復的な振動によって遂行される構造でありうる。

より具体的に、前記振動印加部は電池セル収納部の外面に接触された状態で、反復的に振動でき、前記振動印加部の振動によって電池セル収納部に収納された予備電池セルに振動が印加されることによって、電極組立体の中心部に位置したガストラップが除去されることができる。

この時、前記振動印加部は、短時間に微細で急速に反復的に振動することによって、前記ガストラップ除去の効果を極大化させることができる。
他の具体的な例として、前記物理的刺激は超音波によって遂行される構造でありうる。

一般に、超音波は、固有の高い振動数によって電池セル収納部に収納された予備電池セルに規則的な振動を印加でき、そのために、より容易に予備電池セル内のガストラップを除去することができる。

特に、前記超音波は２０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの振動数および２μｍ乃至３０μｍの振幅を有することができる。

万一、前記超音波の振動数と振幅が前記範囲より低い場合、所望するガストラップ除去の効果を発揮できず、前記範囲より高い場合、製造工程上効率性が減少し、過度な振動により電池セルの耐久性が低下できて、望ましくない。

また、前記振動印加部からの物理的刺激は一回印加されることもできるが、効率性を高めるために周期的または非周期的に二回以上印加されることができる。

ここで、前記振動印加部から物理的刺激が加わる回数および周期は、電池セル収納部に収納される予備電池セルの数量および大きさと同様な条件により適切に選択できることはもちろんである。

一方、前記電池セル収納部は一面が開放された状態で、前記開放部位から対向方向に凹むように湾入された形状からなる構造でありうる。
したがって、前記予備電池セルは、電池セル収納部の開放された一面を通してより容易に収納および除去でき、振動印加部からの物理的刺激によって印加される振動による予備電池セルの損傷を防止し、より安定的に予備電池セルの収納状態を維持できる。

一つの具体的な例として、前記予備電池セルは、電池セル収納部に収納された状態で液状媒体に浸漬されている構造でありうる。
より具体的に、前記液状媒体は、振動印加部から印加される物理的刺激による振動を予備電池セルに伝達する媒介体として、電池セル収納部に収納された予備電池セルを浸漬させて、結果的に電池セル収納部と予備電池セルの間の空間を満たした状態を維持できる。

したがって、前記振動印加部から印加される物理的刺激による振動は損失を最少化しながら予備電池セルにより効果的に伝えられ、前記予備電池セルのすべての部位に均一に伝えられることによって、電池セル収納部を間において振動印加部に隣接した部位のような特定部位に振動が集中することによって発生できる電極組立体の短絡などの問題点を効果的に予防できる。

また、前記効果を極大化することができるように、前記予備電池セルは、外部表面積を基準にして少なくとも５０％以上が液状媒体に浸漬されている構造でありうる。

万一、前記予備電池セルが外部表面積を基準にして５０％未満が液状媒体に浸漬されている場合、前記液状媒体による振動伝達の効果が低下して、所望する効果を発揮できないこともある。
このような場合に、前記液状媒体は、振動印加部からの物理的刺激による振動を電池セル収納部に収納された予備電池セルに効果的に伝達できるものであれば、その種類が大きく制限されるわけではなく、詳しくは、費用および取り扱いの容易性などを考慮した時、水（ｗａｔｅｒ）でありうる。

また、前記予備電池セルは、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）１５ないしＳＯＣ２０の範囲で充電された後、電池セル収納部に収納されることができる。

一般に、電池セルの製造工程中に化成工程で発生するガスはＳＯＣ１５ないしＳＯＣ２０の範囲、より詳しくは、ＳＯＣ１６ないしＳＯＣ１７の範囲で最大に発生し、そのために、前記ガスは移動通路が狭い巻取り型電極組立体の中心部を通過する過程でボトルネック現象などの原因によって集中して、ガストラップを形成することができる。

したがって、前記予備電池セルは、最大限のガス発生によりガストラップが形成されることができるＳＯＣ１５ないしＳＯＣ２０の範囲で充電された後、電池セル収納部に収納されることができる。

一方、本発明は、前記電池セル製造用ガストラップ除去装置を利用した電池セルの製造方法を提供するために、前記電池セルの製造方法は、
ａ）予備電池セルをＳＯＣ１５ないしＳＯＣ２０の範囲で充電する過程；
ｂ）前記予備電池セルをガストラップ除去装置の電池セル収納部に収納した状態で液状媒体に浸漬させる過程；
ｃ）前記電池セル収納部に振動を印加することによって、予備電池セル内のガストラップを除去する過程；および
ｄ）前記予備電池セルの充放電を完了させて最終電池セルを完成する過程；
を含んでもよい。

この時、前述したように、前記振動は振動印加部からの物理的刺激によって印加され、詳しくは、前記物理的刺激は振動印加部から電池セル収納部に直接的に加わる物理的衝撃、電池セル収納部に接触された振動印加部の反復的な流動、または超音波によって遂行できる。

また、前記一回印加されることもできるが、効率性を高めるために周期的または非周期的に二回以上印加されることもできる。

本発明は、また、前記方法を使って製造される電池セルおよび前記電池セルを一つ以上含む電池パックを提供することで、前記電池セルおよび電池パックの具体的な構成は当業界に公示されているので、本明細書ではこれに対する具体的な説明を省略する。

従来の円筒形電池セルの構造を概略的に示す垂直断面図である。 本発明の一実施形態による電池セル製造用ガストラップ除去装置の構造を概略的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態による電池セル製造用ガストラップ除去装置の構造を概略的に示す模式図である。 本発明のまた他の実施形態による電池セル製造用ガストラップ除去装置の構造を概略的に示す模式図である。

以下、本発明の実施形態による図面を参照して本発明をもっと詳述するが、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。

図２には、本発明の一実施形態による電池セル製造用ガストラップ除去装置の構造を概略的に示す模式図が示されている。

図２を参照すれば、電池セル製造用ガストラップ除去装置２００は、電池セル収納部２２０および振動印加部２３０を含んでいる。

電池セル収納部２２０は上面が開放されており、上面から下面方向に凹むように湾入された形状からなっている。

したがって、予備電池セル２１０は、電池セル収納部２２０の開放された上面を通してより容易に収納および除去され、湾入された形状により形成された電池セル収納部２２０の側壁２２１は予備電池セル２１０を安定的に支持することによって、振動印加部２３０から印加される振動による予備電池セル２１０の流動および損傷を防止することができる。

予備電池セル２１０は、ＳＯＣ１５ないしＳＯＣ２０の範囲で充電された状態で電池セル収納部２２０に収納される。

予備電池セル２１０は、電池セル収納部２２０に収納された状態で、外部表面積を基準にして約９０％が液状媒体２４０に浸漬されている。

したがって、振動印加部２３０からの振動は液状媒体２４０を通じて、損失を最少化しながら予備電池セル２１０により効果的に伝えられる。

また、振動印加部２３０からの振動は、液状媒体２４０に浸漬されている予備電池セル２１０の大部分の部位に均一に伝えられることによって、電池セル収納部２２０を間において振動印加部２３０に隣接した部位のような特定部位に振動が集中することによって発生できる電極組立体の短絡などの問題点を効果的に予防できる。

振動印加部２３０は円柱形状の超音波ホーン（ｈｏｒｎ）からなっており、電池セル収納部２２０の下面２２２に接触した状態で位置している。

振動印加部２３０は、２０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの振動数および２μｍ乃至３０μｍの振幅を有する超音波を印加し、そのために、超音波が液状媒体２４０を振動させ、このような振動が電池セル収納部２２０に収納された予備電池セル２１０に印加されて、電極組立体の中心部のガストラップを除去することができる。

このような振動印加部２３０の超音波によって遂行される物理的刺激は、一回、または周期的または非周期的に二回以上印加され、振動印加部２３０は電池セル収納部２２０に収納される予備電池セル２１０の数量、電池セル収納部２２０の大きさなどの条件により一ヶ所、または二ヶ所以上の多様な方向で電池セル収納部２２０に密着した状態で超音波を通して振動を印加することもできることはもちろんである。

図３および図４には、本発明の他の実施形態による電池セル製造用ガストラップ除去装置の構造を概略的に示す模式図が示されている。

まず、図３を参照すれば、電池セル製造用ガストラップ除去装置３００は、振動印加部３３０を除いた残りの構成が図２の電池セル製造用ガストラップ除去装置（図２の２００）と同じである。

具体的に、振動印加部３３０は板状型構造であり、電池セル収納部３２０の下面３２２に接触した状態で位置している。

振動印加部３３０は短時間に微細で急速に左右方向に反復的に振動し、そのために、液状媒体３４０を通じて電池セル収納部３２０に収納された予備電池セル３１０に振動が印加されることによって、電極組立体の中心部のガストラップを除去することができる。

このような振動印加部３３０の流動は一回、または周期的または非周期的に二回以上印加され、振動印加部３３０は、電池セル収納部３２０に収納される予備電池セル３１０の数量、電池セル収納部３２０の大きさなどの条件により一ヶ所、または二ヶ所以上の多様な方向で電池セル収納部３２０に密着した状態で流動することによって、振動を印加することもできることはもちろんである。

図４を参照すれば、電池セル製造用ガストラップ除去装置４００は、振動印加部４３０を除いた残りの構成が図２の電池セル製造用ガストラップ除去装置（図２の２００）と同じである。

具体的に、振動印加部４３０は、電池セル収納部４２０の側壁４２１方向に位置しており、電池セル収納部４２０の側壁４２１に直接接触することによって物理的な衝撃を加えて、液状媒体４４０を通じて電池セル収納部４２０に収納された予備電池セル４１０に振動が印加され、そのために、電極組立体の中心部に位置したガストラップが除去されることができる。

このような物理的な衝撃は一回、または周期的または非周期的に二回以上印加され、振動印加部４３０は電池セル収納部４２０に収納される予備電池セル４１０の数量、電池セル収納部４２０の大きさなどの条件により一ヶ所、または二ヶ所以上の多様な方向で物理的な衝撃を加えて振動を印加することもできることはもちろんである。

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およ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、本発明による電池セル製造用ガストラップ除去装置は、電池セル収納部に予備電池セルが収納された状態で、前記電池セル収納部に振動を印加するように構成されることによって、電池セルの化成工程で電極組立体の中心部に形成されたガストラップを早い時間内により容易に除去でき、そのために、電池セルの製造に要する時間を節約でき、前記ガストラップが残存する可能性を最少化することによって、工程の信頼性を向上させることができ、予備電池セルが液状媒体に担持された状態で電池セル収納部に収納されることによって、予備電池セルに伝えられる振動の損失を最小化でき、前記振動が予備電池セルのすべての部位に均一に伝えられることによって、電池セル収納部を間において振動印加部に隣接した部位のような特定部位に振動が集中することによって発生できる電極組立体の短絡などの問題点を効果的に予防できる効果がある。

Claims (18)

1. 電池セルの製造工程中に化成（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）工程で発生した予備電池セル内のガストラップ（ｇａｓ ｔｒａｐ）を除去するための装置であって、
   予備電池セルが収納される電池セル収納部；および前記電池セル収納部に予備電池セルが収納された状態で、前記電池セル収納部に振動を印加する振動印加部；
   を含み、
   前記予備電池セルは、電池セル収納部に収納された状態で液状媒体に浸漬されていることを特徴とする、電池セル製造用ガストラップ除去装置。
2. 前記電池セルは、正極、負極および前記正極と負極との間に介在した分離膜が巻き取られた構造の電極組立体が電池ケースに内蔵された円筒形電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
3. 前記振動は振動印加部からの物理的刺激によって印加されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
4. 前記物理的刺激は、振動印加部から電池セル収納部に直接的に加わる物理的衝撃によって行われることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
5. 前記物理的刺激は、電池セル収納部に接触された振動印加部の反復的な振動によって行われることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
6. 前記物理的刺激は超音波によって行われることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
7. 前記超音波は、２０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの振動数および２μｍ乃至３０μｍの振幅を有することを特徴とする、請求項６に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
8. 前記物理的刺激は一回、または周期的または非周期的に二回以上印加されることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
9. 前記電池セル収納部は一面が開放された状態で、前記開放部位から対向方向に凹むように湾入された形状からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
10. 前記予備電池セルは、外部表面積を基準にして少なくとも５０％以上が液状媒体に浸漬されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
11. 前記液状媒体は水（ｗａｔｅｒ）であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
12. 前記予備電池セルは、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）１５ないしＳＯＣ２０の範囲で充電された後、電池セル収納部に収納されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電池セル製造用ガストラップ除去装置を利用した電池セルの製造方法として、
    ａ）予備電池セルをＳＯＣ１５ないしＳＯＣ２０の範囲で充電する過程；
    ｂ）前記予備電池セルをガストラップ除去装置の電池セル収納部に収納した状態で液状媒体に浸漬させる過程；
    ｃ）前記電池セル収納部に振動を印加することによって、予備電池セル内のガストラップを除去する過程；および
    ｄ）前記予備電池セルの充放電を完了させて最終電池セルを完成する過程；
    を含むことを特徴とする、電池セルの製造方法。
14. 前記振動は、振動印加部からの物理的刺激によって印加され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. 前記物理的刺激は、振動印加部から電池セル収納部に直接的に加わる物理的衝撃によって行われることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セルの製造方法。
16. 前記物理的刺激は、電池セル収納部に接触された振動印加部の反復的な振動によって行われることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セルの製造方法。
17. 前記物理的刺激は超音波によって行われることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セルの製造方法。
18. 前記物理的刺激は一回、または周期的または非周期的に二回以上印加されることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セルの製造方法。
    
    

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