KR101203667B1 - 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법, 파우치형 이차전지 및 이를 위한 히팅 지그 - Google Patents

Abstract

본 발명의 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법은 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리를 수용하는 파우치를 포함하는 파우치형 이차전지를 제조하는 방법으로서, 상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상부 파우치와 하부 파우치 사이에 형성된 내부 공간에 상기 어셈블리를 탑재하는 탑재단계; 및 마진 가착길이가 상기 상부 및 하부 파우치의 접착층 전체 두께 대비 5배 내지 8배가 되도록 상기 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층을 상호 열융착하는 열융착 단계를 포함하고, 상기 마진 가착길이는 상기 상부 및 하부 파우치 외주면 접착층의 평행하게 접합된 말단을 기준으로 상기 열융착된 접착층이 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 유동거리인 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 의하면 파우치의 접착층에 대한 실링 효율을 최적화할 수 있고 이에 의한 이차전지의 절연성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법, 파우치형 이차전지 및 이를 위한 히팅 지그{Method for manufacturing pouch type secondary electric cell with optimum sealing and pouch type secondary electric cell and hitting jig for sealing}

본 발명은 파우치형 이차전지의 실링 공정을 포함하는 이차전지 제조방법 및 이에 사용되는 열융착을 위한 히팅 지그 및 파우치형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 파우치형 이차전지의 외장재인 파우치를 대상으로 수행되는 실링 공정을 최적화시킴으로써 파우치형 이차전지의 절연성 및 이에 대한 이차전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 하는 실링 방법 등에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

이차 전지(셀)는 적용 형태나 구조 등에 따라 금속성 등의 하드 케이스 등에 의하여 내부 요소가 구성되는 캔형 전지 등을 비롯하여 다양하게 분류될 수 있는데 이들 중 예시적으로 파우치형 이차 전지 셀을 도 1에서 도시하고 있다. 기본적 원리와 구조 등은 상호 대응될 수 있으므로 도 1에 도시된 파우치형 이차 전지를 예시적인 형태로 하여 설명하도록 한다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이 이차 전지(10)는 파우치 케이스(20) 및 전극집전체(30)(전극조립체로도 지칭된다)를 기본 구조로 포함하고 있으며, 상기 전극집전체(30)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터와 분리막 등으로 구성되며,상기 전극집전체(30)에는 양극판에서 연장되어 형성되는 양극 탭(32)와 음극판에서 연장되어 형성되는 음극 탭(34)이 구비된다.

상기 양극 탭(32)과 음극 탭(34)들은 일정한 방향으로 수렴된 후 해당하는 각각의 전극 리드(36, 38)와 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등의 방법으로 접합되어 하나의 셀 어셈블리로 구성된다. 이와 같은 결합 구조를 가지는 상기 전극 리드(36, 38)는 이차 전지의 전극으로서 이차전지와 외부 적용 기기 등을 상호 전기적으로 연결하는 기능을 수행하게 된다.

상기 전극집전체(30)가 파우치 케이스(20)에 투입된 후, 전해액이 주입되고 밀봉 공정, 에이징 공정, 화성 공정 등의 후처리 공정을 거쳐 하나의 완성된 이차 전지 셀이 된다. 실시형태에 따라 상기 파우치 케이스(20)는 상면 케이스(21)과 하면 케이스(22)로 구분되며 상기 전극 집전체(30)가 수용되는 부분이 어디에 존재하는지 등에 따라 싱글 캡 또는 더블 캡 등으로 지칭되기도 한다.

또한, 상기 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이 양극 및 음극 전극 리드가 동일한 파우치 케이스 면에 형성될 수도 있으며, 실시 형태에 따라서 상기 파우치 케이스의 다른 면에 각각의 전극 리드가 형성되도록 구성할 수도 있으며, 상기 파우치 케이스의 밀봉 공정에 파우치 케이스의 상하면이 열융착될 때, 전극 리드와 겹치는 부분의 실링의 효율성을 향상시키기 위하여 앞서 상기 전극 리드(36, 38)에는 절연 테이프(33)가 부착될 수 있다.

이러한 파우치는 후속 공정에 의하여 내부로 유입된 전해액과 셀 어셈블리 등을 보호하고, 전지 셀의 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 알루미늄 박막이 개재된 형태로 구성되며, 상기 전지 셀과 외부와의 절연성을 확보하게 위하여 상기 알루미늄 박막은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)수지 또는 나일론(nylon)수지 등의 절연물질로 코팅된 절연층이 외부에 형성될 수 있다.

상기 파우치(20)는 외주면 부분에서 상부 파우치(21)와 하부 파우치(22)가 열융착 등에 의하여 접합 내지 접착되는데, 도 1의 A와 B의 확대 사시도인 도 2에 도시된 바와 같이 상부 파우치(21)의 하면과 하부 파우치(22)의 상면은 상호 간의 접착을 위하여 무연신 폴리프로필렌(Casted PolyPropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP)에 의한 접착층(30)이 형성된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 상부 파우치(21)는 절연층(24), 알루미늄층(23) 및 접착층(22)의 순서를 가지는 소정의 층상 구조를 가지게 되며, 하부 파우치(22)는 접착층(33), 알루미늄층(24) 및 절연층(324 구조로 이루어진다. 상기 파우치의 층상 구조는 실시 형태와 적용되는 환경에 따라 더 복잡한 층상 구조를 이룰 수도 있으나 본 발명이 극복하고자 하는 종래기술의 문제점 등을 부각하기 위하여 상기 구조만을 중심으로 이하 설명하도록 한다.

앞서 설명된 바와 같이 상부 파우치(21)의 하면 접착층(22)과 하부 파우치(22)의 상면 접착층(22)는 도 3에 도시된 바와 같이 열과 압력을 제공하는 매체인 히팅 블록 내지 히팅 지그(50)에 의하여 열융착된다. 필름 박막 형태로 존재하는 파우치 외주면 접착층(PP층)은 가해진 열에 의하여 용융 상태가 되어 유동 자유도가 증대된 후, 적절한 식힘 과정에 의해 경화되는 과정을 통해 접착되게 된다.

가해진 열과 압력에 의하여 유동 상태가 되는 접착층은 통상적으로 접착되기 전 상태와 대비하여 그 두께가 얇아지게 되며, 가해진 압력 및 유동 상태의 본질적 특성 등에 의하여 양 측면 방향으로 밀려나게 된다.

바깥방향으로 밀려난 접착층은 후속 공정으로 재단(cut) 처리되므로 크게 문제가 되지 않으나, 내측 방향으로 밀려난 접착층은 내부 전해질 또는 셀 어셈블리 구조체 등과의 물리적 또는 화학적 접촉을 일으켜 궁극적으로 파우치형 이차전지의 절연성을 저하시키는 문제점을 일으킬 수 있다.

원래적으로 파우치형 이차전지는 그 형태적 특성에 기초하여 외부에서 가해지는 물리적 충격에 다소 약성을 가질 수 있는데, 실링 공정에서 정밀하게 열융착 공정이 진행되지 않으면 그 약성이 심화되어 작은 물리적 충격만으로도 접착층에 크랙이나 손상이 발생하여 내부 알루미늄층이 노출되고 이에 의해 절연성이 파괴되는 등의 문제점을 야기시킬 수 있게 된다.

그러나 종래에는 단순히 공정 스펙에 부합되는 파라미터 조건으로 열융착 공정을 수행할 뿐, 상기와 같은 문제 의식을 전혀 가지지 못하고 있는 실정으로 알려져 있다.

구체적으로, SEM이나 OEM 촬상 영상 등을 통하여 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이 파우치의 단면은 다양한 형상과 형태로 접합되는데, 특히 도 4(a)의 A부분과 같이 열융착된 접착층 자체에 V자 형태로 파여져 뽀족한 부분이 발생하거나 도 4(b)의 B부분과 같이 열융착된 접착층에 부등적인 물결 형상으로 형성되거나, 도 4(c)의 C부분과 같이 내부에 기공 등이 발생하게 되면, 물리적 지지력이 더욱 약화되어 작은 충격만으로도 기공 파단 등으로 접착층의 균열이 발생하고 발생된 균열은 연쇄적으로 확장될 수 있게 된다.

또한, 이차전지는 내부 화학적 반응에 의하여 충방전이 이루어지는데 이 과정에서 내부 발생 가스가 발생되고 발생된 내부 가스에 의한 팽창력에 의하여 이차전지가 부푸는 스웰링 현상이 발생되는데, 상기와 같이 접착층의 결합면에 불량이 발생하게 되면 이러한 스웰링 현상에 강인하게 대처하지 못하여 발생된 균열의 확장은 더욱 가속화될 수 있다.

또한, 접착층에 크랙(crack)이 발생하거나 접착층 내부의 기공(pore)이 터지지는 등의 현상에 의하여 알루미늄층이 노출되면, 내부의 전해액과 접촉할 수 있게 되고, 이러한 접촉은 불안정한 화학 반응을 일으켜 이차전지의 안전성을 저해하는 문제점을 발생시킬 수 있다.

이러한 현상 등은 결과적으로 내외부와의 절연성이 확실히 보장되어야 하는 파우치 이차전지의 절연성이 약화 내지 파괴되는 심각한 문제점을 야기시키고 이차전지의 내외부에 대한 절연성에 손상이 가해지게 된다. 이차전지의 충방전은 상당한 회수와 기간을 거쳐 반복적으로 수행되므로 이차전지의 사용 기한이 증대될수록 상기와 같은 문제점은 커진다고 볼 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점 내지 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 파우치 접착층의 효과적인 접착력을 유지함과 동시에 내부 실링 형상 내지 구조가 최적화되도록 실링 공정을 수행하여 파우치형 이차전지의 절연성을 더욱 향상시킬 수 있도록 하는 실링 방법 등을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법은 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리를 수용하는 파우치를 포함하는 파우치형 이차전지를 제조하는 방법으로서, 상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상부 파우치와 하부 파우치 사이에 형성된 내부 공간에 상기 어셈블리를 탑재하는 탑재단계; 및 상기 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층을 상호 열융착하되, 마진 가착길이가 상기 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층 전체 두께 대비 5배 내지 8배가 되도록 수행되는 열융착 단계를 포함하여 구성되며, 여기에서 상기 마진 가착길이는 상기 상부 및 하부 파우치 외주면 접착층의 평행하게 접합된 말단을 기준으로 상기 열융착된 접착층이 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 유동거리를 의미한다.

또한, 본 발명의 상기 열융착 단계는 열원의 전달에 의하여 상기 상부 및 하부 파우치의 접착층을 열융착하는 히팅 지그에 의하여 수행되며, 상기 히팅 지그는 서로 다른 온도 분포를 가지는 복수 개의 섹션으로 구분되도록 구성된다.

여기에서, 상기 히팅 지그는 상기 셀 어셈블리 방향의 내측 섹션의 온도가 상기 셀 어셈블리 바깥의 외측 섹션의 온도보다 높게 형성되어 서로 다른 온도 분포를 가지도록 구성될 수 있으며, 상기 내측 섹션의 온도는 상기 접착층의 녹는점보다 높게 형성되며, 상기 외측 섹션의 온도는 상기 접착층의 녹는점보다 낮게 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

더욱 바람직하게, 상기 히팅 지그는 가운데 부분에 홈부가 형성되며, 상기 홈부는 상기 상부 및 하부 파우치의 접착층 전체 두께 대비 1.5 내지 2배의 폭을 가지도록 구성한다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 파우치형 이차전지는 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리; 및 상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하며, 상기 파우치 케이스의 상부 및 하부 파우치 접착층은 상호 열융착에 의하여 접착되고, 마진 가착길이가 상기 상부 및 하부 파우치의 전체 접착층 두께 대비 6배 내지 8배가 되며, 상기 마진 가착길이는 상기 상부 및 하부 파우치 접착층의 평행하게 접합된 말단을 기준으로 상기 열융착된 접착층이 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 유동거리를 의미한다.

또한, 본 발명의 파우치형 이차전지는, 상부 및 하부 파우치가 접합된 상기 파우치 케이스 외주면은 서로 다른 두께층을 가지는 복수 개의 영역으로 구분되도록 구성될 수 있다.

상기 본 발명에 의하면, 파우치형 이차전지의 구조적 특성을 효과적으로 반영하여 실링 효율을 최적화할 수 있고 이를 기초로 더욱 향상된 절연성을 가지는 파우치형 이차전지를 제공할 수 있다.

또한, 이와 같은 향상된 실링 효율성을 기초로 더욱 안정적인 이차전지를 구현할 수 있어 정상 성능의 구현을 지속적으로 보장하고 사용 연한을 증진시킬 수 있고 이차전지의 폭발 등과 같은 안전 사고를 최소화할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지의 구성을 도시한 분해 결합도,
도 2는 상기 도 1의 A와 B의 확대 단면도,
도 3은 파우치 외주면을 대상으로 수행되는 열융착 공정 및 열융착 공정에 이용되는 히팅 지그의 개략적인 모습을 도시한 사시도,
도 4는 도 1의 C부분의 확대 단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 파우치 이차전지의 제조 과정을 간략히 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 파우치 외주면의 열융착 공정을 설명하는 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열융착된 파우치 외주면을 도시한 단면도,
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열융착 프로세싱에 대한 공정 시간, 공정 온도에 대한 실링 강도의 함수 관계를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열융착 프로세싱에 대한 공정 온도, 공정 시간에 대한 마진 가착 길이의 함수 관계를 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 의한 차등적 온도 분포를 가지는 히팅 지그의 실시형태를 도시한 도면,
도 11은 상기 도 10의 각 실시형태별 접착층의 가착량비를 도시한 도면,
도 12는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 히팅 지그의 구성을 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 히팅 지그의 홈부에 대한 구성을 도시한 도면,
도 14는 본 발명의 홈부가 구비된 히팅 지그에 의한 열융착 공정을 설명하는 도면,
도 15는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 접착층의 단면을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 파우치 외주면의 열융착 공정의 과정을 설명하는 도면이다. 상기 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 이차전지(100)는 셀 어셈블리(300) 및 상기 셀 어셈블리(300)를 수용하는 파우치(200)로 구성되며, 본 발명의 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법(이하 이차전지 제조 방법으로 칭한다)은 우선, 상기 셀 어셈블리(300)의 전극 리드(301) 일부가 외부로 노출되도록 상부 파우치(210)와 하부 파우치 사이(220)에 형성된 내부 공간(400)에 상기 어셈블리를 탑재한다(도 5의 (a)).

본 발명의 이차전지 제조 방법은 전해액을 상기 내부 공간으로 유입시키는 등의 앞서 설명된 후속 공정 처리들이 이루어지나, 설명의 효율성을 높이고 본 발명의 기술 사상을 효과적으로 전달하기 위하여 본 발명의 특징적인 공정과 프로세싱을 중심으로 단순화하여 설명하도록 한다. 또한, 이와 대응되는 관점에서 상기 셀 어셈블리(300)에 대한 구조 내지 구성 또한 상징적으로 단순화하여 도시한다.

이와 같이 셀 어셈블리(300)가 상기 파우치(200)가 형성되는 내부 공간(400)에 탑재되어 이차전지의 외형이 갖추어지면(도 5의 (b)), 상기 이차전지 파우치(200)의 외주면을 대상으로 열융착 공정을 수행하여 실링하는 단계를 진행한다.

상기 열융착 공정은 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 파우치(200) 외주면에 대응되는 형상을 가지는 히팅 지그(500)에 의하여 상부 파우치(210)의 상면 또는 하부 파우치(220)의 하면에 열 또는 압력을 가하는 방법으로 진행된다.

도 6에 도시된 바와 같이 상부 파우치(210) 및 하부 파우치(220)는 절연층을 포함하는 금속층(211, 221)과 접착층(212, 222) 등의 복수 개의 층상 구조로 이루어지는데, 본 발명의 열융착 공정은 상기 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 외주면 접착층(PP층)(212, 222)을 대상으로 히팅 지그(500)에 의한 열 또는 압력에 의하여 진행된다.

통상적으로 상기 접착층(212, 222)은 박막 형태로 이루어지며, 그 두께(d₁)가 80㎛정도가 되므로 상부 및 하부 파우치의 접착층(212, 222) 전체 두께는 160㎛정도가 된다. 실시형태에 따라 상기 예시로서 제시된 두께 수치와 다른 형태가 적용될 수 있음은 물론이다. 본 발명의 실시예에서는 상기 수치를 가지는 접착층(212, 222)을 중심으로 기술하도록 한다.

도 7에 도시된 바와 같이 열융착 공정이 진행되면, 상기 접착층(212, 222)은 용융 상태의 유동성에 의하여 상호 섞이게 되고 적절한 식힘 과정을 통하여 다시 경화됨으로써 접착되는 형태를 가진다. 이 때, 상기 접착층(212, 222)에 열이 가해지고 일정한 압력이 가해지면, 열적 용융 상태의 유동성과 가압력에 의하여 상기 접착층(212, 222)은 외주면 내측 또는 외측으로 밀려나 이동하게 되는데 외주면 내측 즉, 이차전지(100)의 셀 어셈블리(300)가 탑재되는 내부 공간(400) 방향으로도 밀려나 이동하게 된다.

이와 같은 현상에 의하여 열융착에 의하여 접착된 접착층(250)의 두께(d₂)는 열융착전 전체 접착층의 두께(d₁ + d₁)보다 얇아지게 된다(d₂ < 2 d₁).

이 과정에서, 상기 접착층(212, 222) 중 도 7의 K영역 부분은 상기 히팅 지그(500)와의 물리적 접촉에 의하여 열이 가해지는 영역에 해당하며 본 발명의 설명에서 상기 K영역 부분을 접착 영역으로 칭한다.

또한, 접착영역(K)으로 가해진 열은 열전달에 의하여 접착영역(K)과 인접된 영역의 접착층(212, 222)으로도 전달되어 열융착 과정이 진행되게 되는데, 이 영역을 본 발명의 설명에서는 마진 가착 영역으로 칭하며 상기 마진 가착 영역(S)의 수직 단면의 길이를 마진 가착길이로 지칭한다.

앞서 설명된 바와 같이 접착 영역(K)은 히팅 지그(500)에 의하여 열과 압력이 가해지는 부분이 되므로 제조된 이차전지에서 상부 및 하부 파우치 외주면 접착층이 평행하게 접합된 영역에 해당된다.

상기 마진 가착길이는 히팅 지그에 의한 직접적인 열원에 의하여 열융착된다기보다는 접착층 내의 열전달에 의하여 열융착되는 부분으로서, 히팅 지그(500)와의 물리적 이격이 클수록 즉, 히팅 지그(500)와 멀리 떨어질수록 직접적인 열원의 영향력에서 벗어나고 열전달의 효율이 낮아지므로 열융착되는 부분이 작아진다고 할 수 있다.

다르게 표현하면 상기 마진 가착길이는 상기 접착영역(K)의 내부 공간(400) 방향의 말단 부위를 기점(P)으로 상기 열융착된 접착층이 상기 내부 공간(400) 방향으로 밀려나 이동된 유동 거리를 의미한다.

상기와 같이 내부 공간(400) 방향으로 이동된 접착층(250)과 관련하여, 그 이동 거리(이동량)인 마진 가착길이가 너무 작다면 열융착된 접착층(250)이 형성하는 방어벽이 너무 얇게 되므로 작은 충격에 의해서도 크랙이 쉽게 발생하게 되며, 앞서 설명된 도 4의 (a)와 같이 찢어짐 형태의 접착층을 형성하기가 쉬어져 그만큼 절연성이 파괴될 가능성이 높아진다.

또한, 도 4의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이 상기 마진 가착길이가 너무 크다면 셀 어셈블리(300)의 물리적 구조와 물리적으로 접촉되거나 내부 전해질과의 화학적 계면을 넓게 형성하여 불필요한 물리적 내지 화학적 반응에 의하여 접착층이 쉽게 손상되어 파우치 내면의 금속층(알루미늄층)이 노출되고 이에 의해 절연성이 깨질 위험성이 높아지게 된다.

첨부된 도 8 및 도 9를 통하여 상기 이차전지에 대한 파라미터별 프로파일 특성을 좀 더 구체적으로 살펴보도록 한다.

첨부된 도 8은 열융착 공정에 대한 열 파라미터와 공정 진행 시간에 대한 시간 파라미터를 독립변수로 이에 의한 접착층의 접착 강도를 종속변수로 도시한 그래프이다. 상기 도 8에 도시된 바와 같이 공정 시간이 증가되고 가해지는 열이 고온일수록 접착 강도가 커진다는 것을 알 수 있다.

종래 기술에서는 단순히 접착 강도만에 집중하여 공정 시간을 증대시키고, 가해지는 열을 높이는 방법을 채용하여 접착 강도가 높아지는 방법만을 고려하였다. 그러나 이와 같이 공정 시간과 온도가 높아지게 되면, 접착층의 유동성이 더욱 높아지고 이에 의하여 측방향 특히 셀 어셈블리(300)가 위치하는 내부 공간(400)으로 밀려나는(이동하는) 접착층의 량이 증대되게 된다. 또한, 유동성이 과도하게 커지게 되므로 향후 경화 과정에서 접착층이 불균일해져 이에 의해 기공(pore)이 발생될 확률이 높아지게 된다.

더욱이, 너무 높은 고온에서 공정이 진행되면, 계면 간의 접착력을 향상시키기 위해 상기 접착층의 상부 등에 개재되는 PPA층 또한 용융되어 PP층과 섞여 교반이 이루어질 수 있어 실질적인 기능이 와해되는 부작용이 발생될 수도 있다.

또한, 상기 도 7에서 설명한 융착된 후의 접착층의 두께(d₂)가 더욱 작아져 접착층의 전반적인 두께가 얇아지게 되므로 내부의 금속층이 노출될 가능성이 그 만큼 높아지게 되고, 이는 결국 이차전지의 절연성 파괴를 발생시킬 수 있게 된다.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열융착 프로세싱에 대한 공정 온도, 공정 시간에 대한 마진 가착 길이의 함수 관계를 도시한 도면인데, 상기 도 8와 도 9를 연계하여 살펴볼 때, 열융착 공정(실링 공정)의 온도와 시간이 증대될 수록 마진 가착길이가 커짐을 알 수 있다.

이는 결국 실제 알루미늄층 사이의 개재되는 접착층의 두께가 그만큼 얇아지고 또한, 파우치 내부 공간(400)으로 유입되는 접착층의 유동량이 커짐을 의미하게 된다.

이와 같이 단순히 접착 강도를 높이기 위하여 공정 시간과 온도를 높인다고 하여도 이차전지의 절연성을 향상시키는데에 크게 기여하지 못하고 도리어 절연성을 파괴시켜 이차전지의 안전성에 치명적인 약점으로 작용할 수 있게 된다. 즉, 일정 수준 이상의 접착 강도만 보장되면 접착된 파우치가 분리 내지 박리될 가능성이 현저히 낮아짐에도 불구하고 접착 강도만을 높이는 방향으로 공정이 진행되면 상기와 같은 문제점이 발생하게 된다.

상기 도 8 및 도 9는 앞서 설명된 바와 같이 파우치 외장재에서 접착층의 두께(d1)가 80㎛인 경우의 실험결과를 도시하고 있으며, 상기 실험 결과에 의할 때, 접착강도와 마진 가착 길이를 모두 고려하여 최적의 실링 효율(절연성)을 가지기 위해서는 공정 시간 1.8초 내지 2.2초, 열융착 온도 445℃ 내지 450℃에서 수행하는 것이 바람직하다.

즉, 열융착 전 상부 및 하부 파우치의 접착층(212, 222) 전체 두께가 160㎛일 때, 상기 마진 가착길이가 1.0㎜ 내지 1.2 ㎜가 되도록 상기와 같은 조건 파라미터에 의하여 열융착 공정을 진행하는 것이 가장 바람직하다.

상기 실험 결과는 사용되는 파우치 외장재의 재질이나 접착층의 두께에 따라 다소 차이가 발생될 수는 있으나, 상기 수치 등은 함수적으로 변화될 뿐, 앞서 설명된 내용은 그대로 적용될 수 있으므로 상기 마진 가착길이(거리)가 접착층의 전체 두께 대비 5배 내지 8배가 되도록 상기 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층을 대상으로 열융착 공정을 수행하는 것이 접착 강도 유지 및 절연성에 대한 특성 최적화를 위하여 가장 바람직하다고 할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도 10 내지 도 12을 통하여 본 발명의 바람직한 다른 실시예를 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 실험 결과를 고찰해 볼 때, 균일한 온도 분포를 가지는 히팅 지그로 열융착 공정을 수행하는 형태보다 앞서 설명된 바와 같은 접착층의 형상 내지 형태를 유도하기 위하여 도 10에 도시된 바와 같이 서로 다른 온도 분포를 가지는 복수 개의 섹션(510, 520)을 가지는 히팅 지그(500)에 의하여 열융착 공정을 수행하는 것이 더욱 바람직하다.

도 11의 case1의 경우, 종래와 같이 균일한 열융착 온도를 가지는 히팅 지그를 도시하고 있으며, case 2, 3의 경우 본 발명의 실시형태로서 히팅 지그가 서로 다른 온도 분포를 가지도록 구성한 예이다.

상기 도 11에서 x축은 앞서 설명된 도 7의 P포인트에 대응되는 히팅 지그의 지점을 기준으로 바깥 방향으로 멀어지는 길이를 의미한다. 즉, 상기 "0"은 상기 도 7의 P지점에 대응되는 지점을 의미하며, 0 내지 3.5㎜ 영역은 상기 셀 어셈블리가 위치한 방향의 내측 섹션을 의미하며, 4.5 내지 7.0㎜ 영역은 바깥의 외측 섹션을 의미한다. 상기 복수 개의 섹션(510, 520)은 반드시 물리적으로 구분되는 구성이라기보다는 외부의 열원을 차등적으로 구성하여 히팅 지그의 표면에 서로 다른 온도 분포를 가지도록 하는 구성을 의미하며, 이와 같은 구성에 의하여 도 11과 같이 온도 분포의 전이 대역(3.5~4.5㎜)이 발생될 수 있다.

이와 같이 서로 다른 온도 분포를 가지도록 히팅 지그를 구성하는 경우, 도 12에 도시된 바와 같은 특성을 가지게 된다. 상기 도 12에서 x축은 공정 수행 시간을 의미하며, y축은 가착량비로서 열융착에 의하여 접착된 전제 접착층 대비 상기 마진 가착 영역의 접착층의 양적 비로서 상기 수치가 클수록 내부로 유입 내지 밀려나 이동된 접착층이 많다는 것을 의미한다.

상기 도 12에 도시된 바와 같이, 동일한 온도 분포를 가지는 종래 방법에서는 가착량비가 일정하게 되는 임계치에 도달하는 시간이 1초 정도로서 본 발명의 실시예와 대비하여 상당히 지연되며, 또한, 종래 방법의 비교예에서는 가착량의 비가 0.5정도로서 본 발명의 실시예와 대비하여 상당히 크다고 할 수 있다.

본 발명의 실시형태인 case2, 3의 경우, 더 짧은 시간에 가착량비가 일정해지는 임계치에 도달하여 공정 수행 시간을 단축할 수 있음은 물론, 그 임계치 또한 낮으므로 내부 공간으로 유동되어 이동하는 접착층의 양이 감소된다는 것을 알 수 있다.

온도 구배의 정도는 실시형태에 따라 다양하게 적용할 수 있으나, 더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 상기 내측 섹션의 온도를 상기 접착층의 녹는점보다 높게 형성하고, 상기 외측 섹션의 온도를 상기 접착층의 녹는점보다 낮게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 히팅 지그(500)는 도 13에 도시된 바와 같이 상기 파우치의 외주면 접착층과 대면하는 하면의 일부분에 홈부(530)가 형성될 수 있다. 상기 홈부(530)는 도 14에 도시된 바와 같이 열융착 공정을 수행하는 경우, 내부 접착층의 유동 범위를 어느 정도 포집할 수 있는 물리적 공간(A)을 제공하여 열융착 공정 시 셀 어셈블리가 위치하는 내부 방향으로 이동되는 접착층의 양을 줄일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

앞서 설명된 최적의 실링 효율을 가지는 마진 가착영역 내지 길이에 부합되기 위하여 상기 홈부(530)는 상기 상부 및 하부 파우치의 전체 접착층 두께 대비 1.5 내지 2배의 폭을 가지도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에 의하여 열융착 공정이 진행되면, 도 15에 도시된 바와 같이 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 접착층(250)은 그 마진 가착 영역(S)이 최적화되고 또한, 상기 내부 공간에서 라운드 형상을 형성하여 크랙 발생이 최소화되는 등 최적의 절연성 효율을 가질 수 있게 된다.

하나의 예로서, 상기 전체 접착층 두께가 160㎛라면, 상기 홈부(530)의 폭을 240㎛내지 320㎛ 정도로 형성하는 것이 내부로 유동하여 이동되는 접착층의 양을 최적화시키는 데 가장 바람직하다. 상기 홈부의 구비 개수 등은 실시형태에 따라 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 홈부(530)가 구비된 히팅 지그(500)에 의하여 파우치형 이차전지가 제조되면 파우치 외주면의 수직 방향 단면을 기준으로 상부 및 하부 파우치가 접합된 상기 파우치 케이스 외주면은 서로 다른 두께층을 가지는 복수 개의 영역으로 구분되게 된다.

이상의 본 발명에 대한 상세한 설명 또는 도면에서, 상하, 내외 등과 같은 용어의 사용은 하나의 요소를 다른 하나의 요소와 상대적으로 구분하기 위하여 사용되었으며, 설명의 효율성을 높이기 위한 도구적 개념일 뿐, 물리적인 위치, 선후 관계 등을 절대적인 기준에 의하여 구분하기 위하여 사용된 개념으로 해석되어서는 아니 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 파우치형 이차전지 200: 파우치
300: 셀 어셈블리 400: 내부공간
500: 히팅 지그

Claims (15)

1. 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리를 수용하는 파우치를 포함하는 파우치형 이차전지를 제조하는 방법으로서,
   상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상부 파우치와 하부 파우치 사이에 형성된 내부 공간에 상기 어셈블리를 탑재하는 탑재단계; 및
   마진 가착길이가 상기 상부 및 하부 파우치의 접착층 전체 두께 대비 5배 내지 8배가 되도록 상기 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층을 상호 열융착하는 열융착 단계를 포함하고,
   상기 마진 가착길이는,
   상기 상부 및 하부 파우치 외주면 접착층의 평행하게 접합된 말단을 기준으로 상기 열융착된 접착층이 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 유동거리인 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열융착 단계는,
   열원의 전달에 의하여 상기 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층을 열융착하는 히팅 지그에 의하여 수행되며, 상기 히팅 지그는 서로 다른 온도 분포를 가지는 복수 개의 섹션으로 구분되는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 히팅 지그는,
   상기 셀 어셈블리 방향의 내측 섹션의 온도가 상기 셀 어셈블리 바깥의 외측 섹션의 온도보다 높게 형성되어 서로 다른 온도 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 내측 섹션의 온도는,
   상기 접착층의 녹는점보다 높게 형성되며, 상기 외측 섹션의 온도는 상기 접착층의 녹는점보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 히팅 지그는,
   상기 파우치의 외주면 접착층과 대면하는 하면의 일부분에 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 홈부는,
   상기 상부 및 하부 파우치의 전체 접착층 두께 대비 1.5 내지 2배의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 접착층은,
   상기 내부 공간에서 라운드 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지 제조방법.
8. 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리; 및
   상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상부 파우치와 하부 파우치 사이에 형성된 내부 공간에 상기 어셈블리가 탑재되며 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고,
   마진 가착길이가 상기 상부 및 하부 파우치의 접착층 전체 두께 대비 6배 내지 8배가 되도록 상기 파우치 케이스의 상부 및 하부 파우치 외주면 접착층은 상호 열융착에 의하여 접착되며, 상기 마진 가착길이는 상기 상부 및 하부 파우치 접착층의 평행하게 접합된 말단을 기준으로 상기 열융착된 접착층이 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 유동거리인 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지.
9. 제 8항에 있어서,
   상부 및 하부 파우치가 접합된 상기 파우치 케이스 외주면은 서로 다른 두께층을 가지는 복수 개의 영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지.
10. 제 9항에 있어서, 상기 내부 공간 방향으로 밀려난 접착층은,
    상기 내부 공간에서 라운드 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 최적 실링 효율의 파우치형 이차전지.
11. 셀 어셈블리에 부착된 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스에서, 상기 파우치 케이스를 이루는 상부 및 하부 파우치의 외주면 접착층을 대상으로 열원의 전달에 의하여 열융착 공정을 수행하는 히팅 지그로서,
    상기 히팅 지그는 서로 다른 온도 분포를 가지는 복수 개의 섹션으로 구분되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 열융착 공정을 위한 히팅 지그.
12. 제 11항에 있어서, 상기 히팅 지그는,
    상기 셀 어셈블리 방향의 내측 섹션의 온도가 상기 셀 어셈블리 바깥의 외측 섹션의 온도보다 높게 형성되어 서로 다른 온도 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 열융착 공정을 위한 히팅 지그.
13. 제 12항에 있어서, 상기 내측 섹션의 온도는,
    상기 접착층의 녹는점보다 높게 형성되며, 상기 외측 섹션의 온도는 상기 접착층의 녹는점보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 열융착 공정을 위한 히팅 지그.
14. 제 13항에 있어서, 상기 히팅 지그는,
    상기 파우치의 외주면 접착층과 대면하는 하면의 일부분에 홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 열융착 공정을 위한 히팅 지그.
15. 제 14항에 있어서, 상기 홈부는,
    상기 상부 및 하부 파우치의 전체 접착층 두께 대비 1.5 내지 2배의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 열융착 공정을 위한 히팅 지그.

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