이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지를 제조하는 방법으로서,
(a) 전극조립체를 수납부에 장착한 상태에서 소정 부위(A)를 제외하고 나머지 부위를 1차 밀봉하는 과정;
(b) 상기 부위(A)를 통해 전해액을 주입하는 과정;
(c) 상기 부위(A)에 열융착성 필름을 개재한 상태에서 2차 밀봉하는 과정;
을 포함하는 구성으로 이루어져 있다.
본 발명의 제조방법은 전지케이스의 특정 부위(A)를 통해 전해액을 주입한 후, 그러한 부위(A)에 열융착성 필름을 개재한 상태에서 밀봉함으로써, 높은 밀봉성을 발휘하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 부위(A)를 통해 전해액을 주입하는 과정에서 전해액에 의해 부위(A)가 오염이 될 수 있으므로, 이를 열융착성 필름을 개재한 상태에서 융착시킴으로써, 오염에 의해 쉽게 분리될 수 있는 전지케이스의 융착 부위의 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
상기 전지케이스는 열융착에 의한 밀봉을 행할 수 있는 소재로서, 바람직하게는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다. 이러한 라미네이트 시트의 바람직한 예로는 알루미늄 라미네이트 시트를 들 수 있다.
이러한 전지케이스에는 전극조립체의 크기에 상응하는 수납부가 형성되어 있어서, 상기 수납부에 전극조립체를 안착시킨 후, 수납부 외주면을 열융착시켜 전지 를 제조한다. 상기 전극조립체 수납부는 수십 내지 수백 ㎛ 두께의 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 드로잉 공정으로 부분 압축함으로써 형성할 수 있다.
시트형 전지케이스는 일 단위체 또는 이 단위체일 수 있으며, 전극조립체 수납부는 일측에만 형성되거나 또는 양측에 각각 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 전지케이스는 하나의 시트형 단위체로서, 가상 중심선을 기준으로 일측 부위 또는 양측 부위에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고, 상기 가상 중심선을 접어 전극조립체가 장착된 수납부를 밀폐하는 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 전극조립체 수납부는, 전지의 제조 공정성 측면에서, 일측 부위에만 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또 다른 예로서, 상기 전지케이스는 두 개의 시트형 단위체들로서, 일측 또는 양측 시트에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고, 양측 시트들을 중첩시켜 전극조립체가 장착된 수납부를 밀폐하는 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 전극조립체 수납부는, 전지의 제조 공정성 측면에서, 일측 시트에만 형성되어 있는 것이 바람직하다.
전지케이스에 수납부의 형상은 전극조립체의 형상에 의해 결정되며, 일반적인 전극조립체는 육면체 형상을 가지고 있다.
전해액은 전극조립체가 안착된 수납부에 주입되며, 상기 과정(a)에서 전해액 주입을 위한 부위(A)를 제외한 나머지 부위를 밀봉하여 전해액의 누액 현상을 최소화하면서 전해액을 주입한다. 따라서, 전극조립체 수납부의 외주면 부위들 중, 부위(A)는 전해액 주입을 위한 주입구로 사용된 후 추후 밀봉되므로, 전지의 제조 공 정에서 전해액의 주입을 용이하게 하는 범위에서 가능한 한 작게 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 과정(a)에서 수납부에 대응하는 전지케이스의 외주면 중 1 면(A)을 제외한 나머지 면을 열융착시켜 밀봉할 수 있다.
상기의 예에서, 전해액을 주입하는 외주면 부위(A)는 전지의 제조 공정에서 전해액 주입 공정을 용이하게 할 수 있도록, 다른 외주면 부위에 비해 상대적으로 넓은 폭으로 만들고, 과정(c) 이후에 소정의 실링부를 제외하고 절취하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 전해액 주입을 행하는 외주면 부위(A)에 열융착성 필름을 개재하여 추후 밀봉 과정에서의 밀봉성을 높이는 것을 특징으로 한다.
이러한 열융착성 필름은 전해액의 주입 후 해당 부위(A)를 밀봉할 때 부가할 수도 있지만, 바람직하게는, 과정(a) 이전에 해당 부위(A)에 부착, 코팅 또는 열융착에 의해 부가할 수도 있다.
상기 열융착성 필름은 1 ㎛ 내지 1 mm의 두께와 1 mm 내지 20 mm의 폭을 가지는 것이 바람직하다. 열융착성 필름의 두께 또는 폭이 너무 작은 경우에는 열융착에 의한 밀봉성 향상을 기대하기 어렵고, 반대로, 두께 또는 폭이 너무 큰 경우에는 주변 실링부와의 단차가 유발되어 경계면 상에서 오히려 밀봉성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.
열융착성 필름의 단부는 부위(A) 내부에 위치하는 길이일 수 있지만, 경우에 따라서는, 앞서 설명한 전지케이스 구조에서, 가상 중심선을 넘은 상태로 전지케이 스에 부가되어 가상 중심선의 접히는 부분을 보강함으로써, 밀봉성을 더욱 높일 수도 있다.
이러한 열융착성 필름은 내습성과 열융착성을 가지고 있다면 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리올레핀계 고분자 수지가 사용될 수 있다. 상기 폴리올레핀계 고분자 수지의 바람직한 예로는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 열융착성 필름을 실링부에 포함하고 있는 이차전지를 제공한다.
구체적으로, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 열융착에 의해 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스 수납부의 외주면 실링부들 중 적어도 일부의 실링부는 열융착성 필름이 개재된 상태에서 전지케이스가 상호 열융착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 권취형 구조, 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지팩에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지팩은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.
이러한 중대형 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2a 내지 도 2d에는 파우치형 전지의 제조과정에 대한 일련의 모식도들이 도시되어 있다.
우선, 도 2a를 참조하면, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 시트형 전지케이스(100)는 가상 수평 중심선(X)을 대해 그것의 일측 하단에 전극조립체 수납부(110)가 드로잉 공정으로 형성되어 있다. 수납부(110)는 전극조립체(200)의 형상에 대략 일치하는 크기를 가지고 있다.
수납부(110)에 전극조립체(200)를 장착한 상태에서, 가상 수평 중심선(X)의 절곡 부위(112)를 제외한 나머지 외주면 부위들(114, 116, 118)은 궁극적으로 열융착에 의해 실링이 행해진다.
수납부(110)에 전극조립체(200)를 장착한 후, 가상 수평 중심선(X)을 따라 전지케이스(100)를 절곡하여 수납부(110)를 덮으면, 도 2b에서와 같은 구조가 얻어지고, 외주면 부위들(114, 116, 118) 중 일측 외주면 부위(118)를 제외하고 열융착시켜 실링을 행한다.
외주면 부위(118)는 미실링 상태로 남아 있고, 이를 통해 전해액을 주입한다. 외주면 부위(118)는 기타 외주면 부위들(114, 116) 보다 큰 폭의 잉여부(120)를 포함하고 있어서, 전해액 주입 공정이 용이하며, 이러한 잉여부(120)는 도 2c에서 설명하는 바와 같은 전지의 활성화 과정에서도 유용하게 사용된다.
도 2c를 참조하면, 미실링 상태의 외주면 부위(118)를 통해 전해액을 주입한 후 잉여부(120)의 단부(122)를 열융착에 의해 밀봉하고, 전지의 충방전을 행하는 활성화 과정을 수행한다. 전지의 활성화 과정은, 전극(특히, 음극)의 표면에 전해액에 의한 보호 피막을 형성하여 완성 전지에서의 전해액 분해 반응을 억제하는 등의 목적에서 수행하며, 이러한 과정에서 다량의 가스가 발생한다.
따라서, 발생한 가스가 잉여부(120)에 포집되므로, 활성화 과정 후 가상 수직 중심선(Y)을 따라 잉여부(120)를 절취하여 가스를 배출하고 부족한 전해액을 보충한다.
그런 다음, 도 2d에서와 같이, 전해액 주입을 행한 외주면 부위(118)를 열융 착시켜 실링함으로써, 이차전지가 완성된다.
그러나, 외주면 부위(118)는 전해액의 주입 과정에서 전해액으로 인한 오염이 발생하기 쉬우므로, 열융착을 행한 이후에도 완전한 실링 상태를 유지하기 어려운 문제점이 있다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전해액 주입을 위한 외주면 부위에 열융착성 필름을 개재한 구조가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지케이스(100)의 외주면 부위들(114, 116, 118) 중, 전해액 주입을 행하는 외주면 부위(118)에는 폴리프로필렌 계열의 열융착성 필름(300)이 부가되어 있다. 열융착성 필름(300)은 외주면 부위(118)에 필름의 형태로 부가될 수도 있지만, 코팅 등의 방식으로 부가될 수도 있다.
전지케이스(100)의 라미네이트 시트는 내면에 폴리프로필렌 수지층이 형성되어 있으므로, 대략 동일한 소재의 열융착성 필름(300)은 외주면 부위(118)의 열융착시 쉽게 용융되어 높은 접착력을 나타낸다.
따라서, 앞서 설명한 도 2a 내지 2d의 전지 제조 과정에서 전해액 주입으로 인해 외주면 부위(118)가 오염되었더라도 열융착성 필름(300)에 의해 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 열융착 필름(300)은 외주면 부위(118)를 완전히 커버하는 크기로서, 전지케이스(100)의 절곡 부위, 즉, 가상 수평 중심선(X)을 넘어 중첩되 도록 부가되어 있다. 따라서, 전지케이스(100)를 가상 수평 중심선(X)을 따라서 절곡할 때, 열융착성 필름(300)의 중첩부(310)은 밀봉성에 취약할 수 있는 절곡 부위(112)의 밀봉성을 또한 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
예를 들어, 열융착성 필름은 기타 외주면 부위들의 밀봉성도 향상시킬 수 있도록 선택적으로 또는 모든 외주면 부위들에 부가될 수 있으며, 외주면 부위의 폭보다 작은 폭으로 부가될 수도 있음은 물론이다.