KR101256343B1 - 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

진공 용기 (2) 에서, 배터리 요소 (11) 를 포함하고 개구부 (12a) 를 갖는 백-형상 라미네이트 필름 (12) 이 세퍼레이터를 통해 전극 층 및 음극 층이 적층된 배터리 요소 (11) 의 2 개의 주면 (11a) 에 대응하는 위치에서 핀치된다. 진공 용기 (2) 의 압력이 감소된다. 배터리 요소 (11) 전체가 전해액 (20) 에 침지될 때까지, 진공 용기 (2) 의 압력이 감소한 채로 개구부 (12a) 를 통해 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 전해액 공급 라인 (4) 으로부터 전해액 (20) 이 주입된다. 압력차에 의해 터리 요소 (11) 가 전해액 (20) 을 흡수하도록 하기 위해 진공 용기 (2) 의 감소된 압력은 증가된다.

Description

필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법 및 제조 장치{MANUFACTURING METHOD AND MANUFACTURING APPARATUS FOR FILM-COVERED ELECTRICAL DEVICE}
본 발명은 전지 또는 커패시터로 대표되는, 라미네이트 필름에 포함되는 전기 디바이스 요소인 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
전지 및 전해 커패시터로 대표되는 전기 디바이스는, 금속 등으로 이루어지고 전극 그룹을 포함하는 케이스를 전해액으로 충진함으로써 제조되며, 여기서 전극 그룹은 전기 디바이스 요소이다.
종래에, 수직으로 놓인 케이스는 소정량의 전해액으로 충진되고 장시간 동안 정지된 채로 놓여서, 전극 그룹의 공간에 전해액이 서서히 침투하게 한다. 그러나, 전극 그룹이 일반적으로 조밀하게 적층된 전극판으로 이루어지므로, 전극 그룹의 공간에 전해액이 침투하게 하는데 시간이 걸린다. 이 케이스는 전해액이 스스로 전극 사이의 공간에 침투하게 하기 위해, 예를 들어, 하루종일 정지된 채로 놓일 필요가 있다. 이는 매우 비효율적인 생산을 의미한다.
또한, 전해액이 매우 느리게 흡수되므로, 필요량의 전해액이 즉시 케이스에 공급되면, 전해액은 케이스에 흘러 넘칠 것이다. 이 상황을 다루도록 구성된 방법은 케이스의 개구부에 수밀 커버를 놓고 소정량의 전해액으로 충진하는 방법을 포함한다. 그러나, 이 방법은 케이스 상에 한 개씩 커버를 놓은 방법을 수반하여, 제조 수율을 증가시키기 어렵게 한다.
일본특허공보 제 3467135호 는 이 문제를 해결하려고 의도된 전해액 충진 방법을 개시한다. 이 방법은 케이스의 개구부를 감압하고, 이 개구를 전해액으로 충진하여 일시적으로 풀을 형성하며, 감압된 케이스를 전해액으로 충진하고, 전해액이 전극 그룹의 공간에 침투하게 한 후, 이 케이스의 압력을 증가시켜 풀의 전해액이 전극 그룹의 공간에 침입하게 만든다.
이 케이스를 한번 감압함으로써, 이 방법은 전극 그룹의 공간으로부터 공기를 배제하여서, 공기가 전해액의 침투를 방해하지 않을 것이다. 전극이 공간을 쉽게 침투하는 상태를 생성한 후에, 이 방법은 전해액으로 케이스를 충진한다. 이후, 이 방법은 케이스를 더욱 가압하여 풀의 전해액이 침투하게 한다. 감압과 가압의 조합은 전해액이 흡수되는데 필요한 시간을 감소시킬 뿐만 아니라, 압력 해제 시에 전해액이 흩어지는 것을 방지한다.
금속 케이스를 이용하는 전기 디바이스에 더해, 외부 커버링을 위해 라미네이트 재료를 이용하는 필름 외장 전기 디바이스가 개발되어 왔으며, 여기서 라미네이트 재료는 알루미늄 등의 금속 층 및 열융착성 수지층을 접착제층을 통해 라미네이팅함으로써 생성되는 얇은 필름이다. 일반적으로, 라미네이트 필름은 알루미늄 등의 얇은 금속층이 얇은 수지층으로 코팅된 양면을 갖는 구조를 가진다. 라미네이트 재료는 산 및 알칼리에 강하고, 경량이며 유연하다.
그러나, 필름 외장 전기 디바이스용 라미네이트 필름은 금속 케이스와 달리 유연성을 가진다. 즉, 쉽게 변형되는 라미네이트 필름은 전해액으로 충진되는 경우에 거의 변형되지 않는 금속 케이스가 부닥치지 않는 문제를 가진다.
라미네이트 필름의 개구부로 주입되는 전해액은 개구부에 풀을 형성하지 않고 전기 디바이스 요소의 주면과 라미네이트 필름 사이로 흐른다. 이는 라미네이트 필름이 유연하기 때문이다. 따라서, 일본특허 제 3467135호에 개시된 방법은 그대로 채용될 수 없는데, 여기서 이 방법은 풀에 의해 외부에서 일시적으로 전기 디바이스 요소를 실링하고, 전기 디바이스 요소와 외부 사이의 압력차에 의해 풀을 형성하는 전해액을 전기 디바이스 요소에 함침한다.
또한, 전해액은 균일한 속도로 전극 그룹에 함침되지 않지만, 함침될 영역에 따라 불규칙적으로 함침된다. 전해액의 불규칙한 함침은 라미네이트 필름의 유연성으로 인해 라미네이트 필름의 표면의 크리스 (crease) 로 나타난다.
또한, 전해액의 불규칙한 함침은 표면 상에 양의 층과 음의 층 사이의 낮은 이온 전도성을 갖는 영역을 부분적으로 생산하여, 배터리의 전기적 성능 특징을 감소시킨다. 이외에, 라미네이트 필름이 쉽게 변형되므로, 전극 층들 간 구속력이 약해지고, 결과적으로 불규칙한 함침은 세퍼레이터가 크리싱되게 할 수 있다.
상기의 상황의 견지에서, 본 발명의 목적은 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것이며, 여기서 이 제조 방법 및 장치는 전해액을 함침하는 경우에 불규칙한 함침을 야기하거나 세퍼레이터에 크리스를 생산하지 않고 단시간에 전해액으로 필름 외장 전기 디바이스를 충진할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법을 제공하는데, 이는 진공 용기에서, 세퍼레이터를 통해 양극 층 및 음극 층이 적층된 전력 발생 요소의 2 개의 주면에 대응하는 위치에서 백-형상 (bag-shaped) 라미네이트 필름을 핀치함으로써, 개구부를 갖고 전력 발생 요소를 포함하는 백-형상 라미네이트 필름을 홀딩하는 단계; 진공 용기의 압력을 감소시키는 단계; 전해액의 레벨이 전력 발생 요소의 상부 끝보다 높게 될 때까지, 진공 용기의 압력이 감소한 채로 개구부를 통해 백-형상 라미네이트 필름으로 전해액을 주입하는 단계; 및 진공 용기의 감소된 압력을 증가시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 세퍼레이터에 크리스를 생산하지 않고 단시간에 전해액으로 라미네이트를 충진하는 것을 가능하게 한다.
도 1 은 전해액으로 본 발명에 따른 필름 외장 배터리를 충진하는데 이용되는 충진 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 홀딩 픽스처의 예를 도시한 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 홀딩 픽스처의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 4 는 배터리 요소의 주면 및 에지 표면을 도시한 배터리 요소의 개략적인 사시도이다.
도 5 는, 주면에 대한 압박하는 힘이 파라미터로 이용되는, 요소에 흡수된 전해액의 양과 충진에 필요한 시간 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6a 는 본 발명의 적용예인 필름 외장 전기 디바이스의 사시도이다.
도 6b 는 본 발명의 다른 적용예인 필름 외장 전기 디바이스의 정면도이다.
도 6c 는 전해액의 저장 조건을 나타내기 위한 주면의 방향에서 볼 때의 라미네이트 필름에 수용된 배터리 요소의 개략도이다.
도 7 은, 개개의 4 개의 에지 표면을 통해 전해액이 침투되는 4 개의 영역으로 분할된 배터리 요소 (11) 의 개략도이다.
도 8a 는 충진의 최종 단계에서 에지 표면을 통해 전해액이 흡수되는 방법을 도시한 개략도이다.
도 8b 는 하부에 저장된 전해액이 흡수되기 전에 양면 및 상부에 저장된 전해액이 흡수되는 방법을 도시한 개략도이다.
도 8c 는 하부에 저장된 전해액이 흡수된 후에 양면 및 상부에 저장된 전해액이 흡수되고 있는 방법을 도시한 개략도이다.
도 9 는 복수의 배터리 요소를 포함한 백-형상 라미네이트 필름에 전해액을 공급하는 시스템의 예를 도시한 개략도이다.
도 10 은 복수의 배터리 요소를 포함한 백-형상 라미네이트 필름에 전해액을 공급하는 시스템의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 11 은 복수의 배터리 요소를 포함한 백-형상 라미네이트 필름에 전해액을 공급하는 시스템의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 12 는 복수의 배터리 요소를 포함한 백-형상 라미네이트 필름에 전해액을 공급하는 시스템의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 13 은 개방 상태로 라미네이트 필름을 유지하기 위한 메커니즘의 예를 도시한 개략도이다.
도 14a 는 개방 상태로 라미네이트 필름을 유지하기 위한 메커니즘의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 14b 는 도 14a 에 도시된 메커니즘에서 클로의 이동 방향 및 구성을 도시한 개략도이다.
도 15a 는 개방 상태로 라미네이트 필름을 유지하기 위한 메커니즘의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 15b 는 도 15a 에 도시된 메커니즘에서 클로의 이동 방향 및 구성을 도시한 개략도이다.
도 16 은 열융착되는 라미네이트 필름의 파트를 세정하기 위한 메커니즘의 예를 도시한 개략도이다.
도 17 은 열융착되는 라미네이트 필름의 파트를 세정하기 위한 메커니즘의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 18 은 본 발명에 따른 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
다음으로, 본 발명의 실시형태는 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 전해액으로 본 발명에 따른 필름 외장 배터리를 충진하는데 이용되는 충진 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
(필름 외장 배터리)
우선, 본 발명에 따른 필름 외장 배터리 (10) 의 구성을 개략할 것이다.
필름 외장 배터리 (10) 는 배터리 요소 (11), 배터리 요소 (11) 상에 설치된 양극 집전기와 음극 집전기, 전해액 (20) 과 함께 배터리 요소 (11) 를 포함하고 라미네이트 필름 (12) 의 하나의 시트로 이루어진 외부 커버, 양극 집전기에 접속된 양극 탭, 및 음극 집전기에 접속된 음극 탭을 포함한다.
배터리 요소 (11) 는 세퍼레이터를 통해 교대로 적층된 복수의 양극판 및 음극판을 포함한다.
여기서, 배터리 요소 (11) 에 관해서, 도 4 에 도시된 바와 같이, 적층 방향에 수직한 표면은 주면 (11a) 으로 지칭될 것이고, 적층 방향에 평행한 표면은 에지 표면 (11b) 으로 지칭될 것이다.
각 양극판은 양극 전극으로 코팅된 알루미늄 호일로 이루어지며, 각 음극판은 음극 전극으로 코팅된 구리 호일로 이루어진다. 적층 영역으로부터 연장되는 연장 스트립은 전극 재료로 코팅되지 않는다. 양극판으로부터의 연장 스트립은 초음파 용접에 의해 함께 연결되고, 또한 음극판으로부터의 연장 스트립도 용접에 의해 함께 연결되어, 각각 중계기인 양극 집전기 및 음극 집전기를 형성한다. 동시에, 초음파 용접에 의해 양극 탭은 양극 집전기에 접속되고, 음극 탭은 음극 집전기에 접속된다.
라미네이트 필름 (12) 의 하나의 시트를 둘로 접어 배터리 요소 (11) 의 두께 방향으로 양면으로부터 배터리 요소 (11) 를 샌드위치하여 배터리 요소 (11) 를 둘러싼다. 라미네이트 필름 (12) 은 열융착성 수지층, 금속층, 및 보호층의 라미네이트이다. 배터리를 대면하게 놓인 PP (폴리프로필렌) 의 열융착성 수지층으로, 라미네이트 필름 (12) 은 열융착성 수지층이 열에 의해 함께 융착됨에 따라 배터리 요소 (11) 를 실링한다.
전해액 (20) 은 1 mol/liter 의 LiPF6 을 지지 전해질로서 그리고 프로필렌 카보네이트와 에틸렌 카보네이트의 혼합물 (50:50 의 질량 비율) 을 용매로 이용하여 조제된다.
(충진 장치)
다음으로, 본 발명에 따른 충진 장치 (1) 의 구성을 설명할 것이다.
충진 장치 (1) 는 진공 용기 (2), 홀딩 픽스처 (3), 전해액 공급 라인 (4), 배기 라인 (5), 가스 인렛 라인 (6), 및 제어기 (7) 를 포함한다.
제어기 (7) 는 홀딩 픽스처 (3), 배기 라인 (5) 에 접속된 진공 펌프 (미도시), 및 전해액 공급 라인 (4) 에 접속된 액체 전달 시스템 (41) 의 동작을 제어한다. 제어기 (7) 에 의해 제어되는 컴포넌트의 동작은 이하 상세히 설명될 것이다.
진공 용기 (2) 는 홀딩 픽스처 (3) 를 하우징한다. 진공 용기 (2) 의 벽 표면은 전해액 공급 라인 (4), 배기 라인 (5), 및 가스 인렛 라인 (6) 과 접속된다.
홀딩 픽스처 (3) 는 배터리 요소 (11) 를 포함한 백-형상 라미네이트 필름 (12) 에 전해액 (20) 이 충진되는 경우에 배터리 요소 (11) 의 두께 방향으로 양면 (앙자의 주면 (11a) 으로부터 라미네이트 필름 (12) 을 핀치하여 백-형상 라미네이트 필름 (12) 을 홀딩한다.
바람직하게는, 후술되는 바와 같이 배터리 요소 (11) 아래에 전해액 (20) 을 담도록 공간 (도 6c 의 VL) 이 제공되고, 이에 따라 라미네이트 필름 (12) 의 저면 (12b) 위에 배터리 요소 (11) 를 그 사이에 공간을 두고 놓는 것이 바람직하다. 도 6b 에 도시된 바와 같이, 배터리 요소 (11) 에 접속된 양극 탭 (104a) 과 음극 탭 (104b) 은 서로 떨어져 대향한다. 또한, 양극 탭 (104a) 및 음극 탭 (104b) 은 미리 정위치에 고정되어, 라미네이트 필름 (12) 에 실링된다. 결과적으로, 배터리 요소 (11) 가 양극 탭 (104a) 및 음극 탭 (104b) 에 의해 지지되므로, 배터리 요소 (11) 는 라미네이트 필름 (12) 의 저면 (12b) 으로부터 분리된 채로 위치할 수 있다.
그러나, 필름 외장 배터리 (10) 의 라미네이트 필름 (12) 은 유연하다. 결과적으로, 라미네이트 필름 (12) 이 어떤 방식으로든 지지되지 않고 전해액 (20) 이 주입되면, 전해액 (20) 은 배터리 요소 (11) 의 에지 표면 (11b) 의 측에 담지 않고 배터리 요소 (11) 의 주면 (11a) 주위로 흐른다. 또한, 이는 배터리 요소가 전해액 (20) 에 불규칙적으로 함침하면 세퍼레이터가 크리싱되게 할 수도 있다.
따라서, 홀딩 픽스처 (3) 는 배터리 요소 (11) 의 주면 (11a) 에 대응하는 위치에 라미네이트 필름 (12) 을 핀치한다. 이는 주입된 전해액 (20) 이 배터리 요소 (11) 의 주면 (11a) 주위로 흐르는 것을 방지하고, 전해액 (20) 이 배터리 요소 (11) 의 에지 표면 (11b) 을 둘러싸며 한번 담도록 한다. 이 외에, 배터리 요소가 전해액 (20) 에 불규칙하게 함침되더라도, 홀딩 픽스처 (3) 는 배터리 요소 (11) 의 주면 (11a) 에 대응하는 위치에 라미네이트 필름 (12) 을 통해 배터리 요소 (11) 를 유보함으로써, 세퍼레이터가 크리싱되는 것을 방지한다.
이하, 홀딩 픽스처 (3) 의 구성예 및 라미네이트 필름 (12) 과 배터리 요소 (11) 를 홀딩하는 방법은 보다 자세히 설명될 것이다.
도 2 는 홀딩 픽스처 (3) 의 예를 도시한다. 도 2 에 도시된 홀딩 픽스처 (3A) 는 미리 결정된 간격으로 고정되게 놓인 복수의 플레이트 부재 (3a) 를 포함한다. 플레이트 부재들 (3a) 사이의 간격은 배터리 요소 (11) 를 포함한 백-형상 라미네이트 필름 (12) 을 수용하는 소켓 (3b) 을 형성한다.
도 3 은 홀딩 픽스처 (3) 의 다른 예를 도시한다. 도 3 에 도시된 홀딩 픽스처 (3B) 는, 고정 엔드 플레이트 (3d) 및 미리 결정된 간격으로 놓인 복수의 이동가능 플레이트 (3e) 가 베이스 (3f) 상에 장착된 구조를 가진다. 고정 엔드 플레이트 (3d) 는 베이스 (3f) 의 끝에 장착된다. 복수의 이동가능 플레이트 (3e) 는 고정 엔드 플레이트 (3d) 에 평행하게 배열된다. 고정 엔드 플레이트 (3d) 는 베이스 (3f) 에 고정된다. 한편, 이동가능 플레이트 (3e) 는 베이스 (3f) 상에서 이동가능한 방식으로 설치된다. 피스톤 (3c) 은 고정 엔드 플레이트 (3d) 의 반대측에 설치된다. 피스톤 (3c) 은 고정 엔드 플레이트 (3d) 의 반대인 끝에 장착된 이동가능 플레이트 (3e) 를 압박한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 배터리 요소 (11) 를 포함하는 백-형상 라미네이트 필름 (12) 의 조각은 고정 엔드 플레이트 (3d) 와 이동가능 플레이트 (3e) 사이 또는 인접하는 이동가능 플레이트들 (3e) 의 각 쌍 사이에 삽입된다. 피스톤 (3c) 이 이동가능 플레이트 (3e) 를 압박하는 경우, 배터리 요소 (11) 를 포함하는 백-형상 라미네이트 필름 (12) 에 압박하는 힘이 인가된다. 즉, 홀딩 픽스처 (3B) 는 전해액으로 충진하는 동안에 필름 외장 배터리 (10) 에 대한 압박하는 힘을 조정할 수 있다.
부수적으로, 도 1 에서, 배터리 요소 (11) 를 포함하는 백-형상 라미네이트 필름 (12) 은, 이하 설명되는 양극 탭 (104a) 및 음극 탭 (104b) 이 지면에 수직한 방향을 대향하는 방식으로 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 핀치된다.
배터리 요소 (11) 를 포함하고 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 핀치되는 라미네이트 필름 (12) 은 백과 같은 형상으로 되어 있다. 즉, 라미네이트 필름 (12) 은 라미네이트 필름 (12) 이 접혀지는 면 이외에 3 개의 면이 열융착된다. 상세하게는, 라미네이트 필름 (12) 은 2 개의 면 (이로부터 양극 탭 (104a) 및 음극 탭 (104b) 이 연장됨) 이 열융착되지만, 접혀진 면의 반대인 면은 아직 열융착되지 않았다. 개구부 (12a) 의 역할을 하며 아직 열융착되지 않은 면을 통해 전해액 (20) 이 주입되도록 라미네이트 필름 (12) 은 백-형상으로 된다. 즉, 도 1 에서, 홀딩 픽스처 (3) 는, 양극 탭 (104a) 및 음극 탭 (104b) 이 지면에 평행한 방향을 대향하는 방식으로 융착되지 않은 면을 위로 하여 배터리 요소 (11) 의 두께 방향의 양면으로부터 백-형상 라미네이트 필름 (12) 을 핀치한다. 부수적으로, 본 실시형태에 따른 예로 둘로 접히는 하나의 시트의 라미네이트 필름 (12) 이 취해지더라도, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 다른 방법으로는 2 개 시트의 라미네이트 필름이 이용될 수도 있다. 그 경우에, 라미네이트 필름은 3 개의 면을 열융착함으로써 미리 백과 같은 형상으로 된다.
전해액을 저장하는 탱크 (미도시) 에 전해액 공급 라인 (4) 의 일단이 접속된다. 그 타단은 진공 용기 (2) 의 상부 벽 상에 설치되며, 상향으로 개방된 라미네이트 필름 (12) 의 개구부 (12a) 를 통해 전해액 공급 라인 (4) 을 통해 공급되는 전해액 (20) 이 주입되도록 위치한다.
진공 용기 (2) 를 배기하는데 이용되는 배기 라인 (5) 은 밸브 (5a) 및 배기 펌프 (5b) 를 가진다.
가스 인렛 라인 (6) 은 배기 라인 (5) 에 의해 배기되는 진공 용기 (2) 로 건조 공기 또는 불활성 가스를 도입함으로써, 진공 용기 (2) 의 진공을 차단하는데 이용된다. 가스 인렛 라인 (6) 은 밸브 (6a) 및 가스 저장 탱크 (미도시) 를 포함한다.
(압박하는 힘의 압력 범위)
다음으로, 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 가해지는 전해액으로 충진되는 필름 외장 배터리 (10) 에 대한 압박하는 힘의 압력 범위의 설명이 주어질 것이다.
홀딩 픽스처 (3) 에 의해 배터리 요소 (11) 의 주면 (11a) 에 과도한 압력이 인가되면, 배터리 요소 (11) 는 과도하게 압착되어, 전해액 (20) 이 배터리 요소를 침투하는 것을 방지할 것이다. 결과적으로, 세퍼레이터 및 전극의 기공 (pore) 은 전해액 (20) 으로 함침될 수 없다. 이는 전해액 (20) 이 주로 모세관 작용에 의해 세퍼레이터와 전극의 접촉면으로 침투함으로써 배터리 요소에 들어가고, 너무 큰 압력의 인가가 전해액이 접촉면을 침투하는 것을 어렵게 만들기 때문이다. 한편, 인가된 압력이 너무 낮으면, 양극판, 세퍼레이터, 및 음극판 사이에 공간이 형성될 수도 있고, 이 공간으로 전해액 (20) 이 침투할 수도 있어, 세퍼레이터가 견고함 (firmness) 을 잃거나 크리싱되게 하고, 이 크리스는 배터리가 완성된 후에도 남을 수도 있다.
충진에 필요한 시간과 요소에 흡수되는 전해액의 양 사이의 관계가 도 5 에 도시되며, 여기서 주면에 대해 압박하는 힘은 파라미터로서 이용된다.
도 5 는 압력차를 이용하는 충진 방법에 의해 획득된 측정 결과 및 압력차를 이용하지 않는 충진 방법에 의해 획득된 측정 결과를 도시한다. 압력차를 이용하는 충진 방법은 진공 상태로 유지되는 배터리 요소 (11) 의 부압에 의해 에지 표면 (11b) 을 대향하는 위치에 저장된 전해액 (20) 이 흡입되는 방법이다. 이 방법은 본 발명의 특징부이고, 이하 더 상세히 설명될 것이다. 한편, 압력차를 이용하지 않는 방법은, 배터리 요소 (11) 의 외부와 내부 사이에 임의의 압력차를 생성하지 않고 중력에 의해, 전극과 세퍼레이터 사이의 접촉면의 모세관 작용에 의해, 및 세퍼레이터의 기공의 모세관 작용에 의해 배터리 전극 (11) 이 전해액 (20) 으로 함침되게 하는 방법이다.
압력차를 이용하는 충진 방법에 관해서, 두 조건: 홀딩 픽스처 (3) 의 압박하는 힘이 0.25 kPa 및 0.5 kPa 로 설정되는 조건 하에서 실험이 수행되었다. 압력차를 이용하지 않는 충진 조건에 관해서는, 하나의 조건: 홀딩 픽스처 (3) 의 압박하는 힘이 0.5 kPa 로 설정되는 조건 하에서만 실험이 수행되었다.
도 5 로부터, 0.5 kPa 의 압력이 인가된 경우보다 0.25 kPa 의 압력이 인가된 경우에 미리 결정된 양의 전해액으로 충진하는데 필요한 시간이 더 짧다는 것을 알 수 있다. 우선, 0.25 kPa 및 0.5 kPa 하에서 대략 동일한 레이트로 배터리 요소 (11) 가 전해액으로 함침되지만, 충전의 끝 쯤, 즉, 소정량의 전해액이 거의 충진된 경우, 0.5 kPa 의 더 높은 압력이 이용되는 경우에 함침 레이트는 감속되며, 따라서 충진하는데 더 긴 시간이 필요하다. 즉, 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 가해지는 압박하는 힘이 너무 높으면, 충진하는데 더 긴 시간이 필요할 것이다.
그러나, 0.5 kPa 의 동일한 압력이 이용되더라도, 압력차를 이용하는 충진 방법은 압력차를 이용하지 않는 충진 방법보다 아주 더 짧은 시간에 충진을 종료시킬 수 있다.
상기의 실험에서, 충진 끝 쯤에 함침 레이트가 감속되는 것을 방지하기 위해, 충진이 초기 스테이지에서 함침 끝으로 진행함에 따라 서서히 홀딩 픽스처의 압박하는 힘이 감소될 수도 있다. 또한, 함침 끝 가까이에서 홀딩 픽스처의 압박하는 힘은 거의 0 으로 감소될 수도 있다.
(전해액 충진 방법)
다음으로, 본 발명에 따라 충진 장치 (1) 를 이용하여 충진액 (20) 으로 충진하는 방법이 도 18 의 흐름도를 참조하여 설명될 것이다.
본 발명에 따른 전해액 (20) 으로 충진하는 방법은 압력차를 이용하여 전해액 (20) 으로 배터리 요소 (11) 를 충진한다. 전해액 (20) 으로 충진하는데 다음의 절차가 이용된다.
우선, 진공 용기 (2) 에서, 충진 장치 (1) 는 홀딩 픽스처 (3) 를 이용하여 배터리 요소 (11) 를 포함한 라미네이트 필름 (12) 을 핀치함으로써, 배터리 요소 (11) 의 주면 전체를 홀딩한다 (단계 S1). 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 라미네이트 필름 (12) 이 홀딩되는 경우, 배터리 요소 (11) 를 포함한 라미네이트 필름 (12) 의 상면은 열융착된 채인 개구부 (12a) 를 형성한다.
다음으로, 밸브 (5a) 가 개방된 상태에서, 충진 장치 (1) 는 배기 라인 (5) 의 진공 펌프 (5b) 를 동작시켜 진공 용기 (2) 를 감압한다 (단계 S2). 미리 결정된 진공 정도에 도달하는 경우, 충진 장치 (1) 는 밸브 (5a) 를 폐쇄한다. 이 상태에서, 진공 용기 (2) 와 이에 포함된 배터리 요소 (11) 의 압력은 미리 결정된 레벨로 동일하게 감소되었다.
다음으로, (이후 설명되는) 개방 상태를 유지하는 메커니즘을 이용하여, 충진 장치 (1) 는 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 의 개구부 (12a) 를 유지한다 (단계 S3).
다음으로, 충진 장치 (1) 는 전해액 공급 라인 (4) 을 통해 전해액 (20) 을 공급하고 (단계 S4), 라미네이트 필름 (12) 의 상부에서의 개구부 (12a) 를 통해 공급된 전해액 (20) 을 주입한다 (단계 S5). 부수적으로, 전해액 공급 라인 (4) 을 통한 전해액 (20) 의 공급은 이하 더 상세히 설명될 것이다. 배터리 요소 (11) 는 그 주면 전체가 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 두께 방향으로 홀딩되므로, 주면 (11a) 의 측면에는 전해액 (20) 이 흐를 공간이 없다. 또한, 배터리 요소 (11) 가 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 홀딩되므로, 전해액 (20) 이 흘러 들어갈 양극판, 세퍼레이터, 및 음극판 사이의 공간이 작다. 게다가, 진공 용기 (2) 와 이에 포함된 배터리 요소 (11) 의 압력은 미리 결정된 레벨로 동일하게 감소되었다. 결과적으로, 전해액 (20) 은 배터리 요소 (11) 의 부압에 의해 배터리 요소 (11) 로 흡입되지 않는다. 배터리 요소 (11) 전체가 전해액 (20) 에 침지될 때까지 전해액 (20) 이 주입된다. 결과적으로, 전해액 (20) 은 배터리 요소 (11) 의 에지 표면 (11b) 의 측면에 저장된다. 즉, 배터리 요소 (11) 의 6 개의 표면 중에서, 주면 (11a) 을 제외한 4 개의 표면-상부, 하부, 및 2 개의 측면 에지 표면-은 전해액 (20) 에 둘러싸인다.
다음으로, 충진 장치 (1) 는 가스 인렛 라인 (6) 의 밸브 (6a) 를 개방하여 가스를 진공 용기 (2) 로 도입함으로써, 진공 용기 (2) 의 압력을 증가시킨다 (단계 S6). 가스의 도입이 진공 용기 (2) 의 압력을 상승시키더라도, 전해액 (20) 에 의해 둘러싸인 배터리 (11) 의 내부는 배기 결과로서 감압된 채이다. 결과적으로, 전해액 (20) 에 의해 둘러싸인 배터리 (11) 의 내부와 진공 용기 (2) 의 내부 사이에 압력차가 있다. 즉, 배터리 요소 (11) 에 진공이 있으므로, 전해액 (20) 은 부압에 의해 배터리 요소 (11) 로 흡입됨으로써, 배터리 요소 (11) 를 전해액 (20) 으로 급속히 충진한다.
또한, 전해액 (20) 이 4 개의 에지 표면 (11b) 을 통해 들어가더라도, 배터리 요소 (11) 의 주면 전체가 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 홀딩되므로, 전해액 (20) 은 주면을 통해 들어가지 않는다. 이는 세퍼레이터가 크리스되는 것을 방지한다. 상기의 예에서, 홀딩 픽스처 (3) 는 배터리 요소 (11) 의 주면 (11a) 의 전체 영역을 홀딩하며, 이것이 가장 바람직하다. 그러나, 주면 (11a) 의 일부에서 홀딩 픽스처 (3) 에 의해 홀딩되지 않는 영역이 있더라도, 본 발명의 동작 및 효과가 달성될 수 있다. 예를 들어, 중심을 포함하는 주면 (11a) 대부분이 주변부를 남겨두고 홀딩될 수도 있다.
부수적으로, 에지 표면 (11b) 주위에 저장될 수 있는 전해액 (20) 의 양이 필름 외장 배터리 (10) 에 필요한 양보다 적으면, 상기의 프로세스는 전해액 (20) 을 주입하는 프로세스에서 시작하여 필요량에 도달할 때까지 반복될 수도 있다. 또한, 전해액을 주입하는 프로세스 및 진공 용기 (2) 의 압력을 상승시키는 프로세스는 동시에 수행될 수도 있다. 이 프로세스 중 하나는 다른 하나의 프로세스가 간헐적으로 수행되는 동안에 연속적으로 수행될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 유연한 라미네이트 필름이 배터리용 외장 재료로 이용되더라도, 본 발명에 따른 전해액 (20) 으로 충진하는 방법은 라미네이트 필름을 팽팽하고 평탄하게 유지하고, 전해액 (20) 으로 충진하는 동안에 세퍼레이터가 크리스되는 것을 방지하며, 충진을 급속하게 수행할 수 있다.
(전해액의 저장 조건)
다음으로, 본 발명에 따른 전해액 (20) 의 저장 조건을 도 6a 내지 도 6c 를 참조하여 설명할 것이다.
배터리 요소 (11) 는 배터리 요소 (11) 의 에지 표면 (11b) 을 통해 전해액 (20) 으로 함침된다. 직사각형 형상인 배터리 요소 (11) 는 4 개의 에지 표면 (11b) 을 가진다. 충진 시간을 감소시키고 라미네이트 필름 (12) 의 크리싱을 방지하기 위해, 2 개의 에지 표면 (11b) 모두를 효과적으로 이용하여 전해액 (20) 으로 배터리 요소 (11) 를 충진하는 것이 중요하다.
도 6a 는 본 발명의 적용예인 필름 외장 전기 디바이스의 사시도이다. 금속 호일로 이루어지고 전기 전류를 끌어 당기는 연장 스트립 (43) 은 배터리 요소 (11) 의 각 층에서 전극으로부터 연장된다. 양극 층의 연장 스트립 (43) 은 정의 집전기 (103a) 에서 양극 탭 (104a) 에 접속된다. 유사하게, 음극 층의 연장 스트립 (43) 은 음극 집전부 (103b) 에서 음극 탭 (104b) 에 접속된다. 도 6a 에 도시된 필름 외장 전기 디바이스는 배터리 요소 (11) 를 하우징하기 위해 라미네이트 필름 (12) 에 형성된 리세스 (12e) 를 가진다. 도 6a 에 도시된 필름 외장 전기 디바이스는, 2 개 시트의 라미네이트 필름이 마주보고 적층되고 4 개의 면이 실링되는 타입이다.
그러나, 본 발명에 따른 필름 외장 전기 디바이스는 리세스 없는 평탄한 라미네이트 필름을 이용할 수도 있다. 다른 방법으로는, 본 발명은, 단일 시트의 라미네이트 필름을 접음으로써 3 개의 면이 실링되는 타입의 필름 외장 전기 다비이스에 적용될 수도 있다. 이러한 예의 정면도는 도 6b 에 도시된다. 도 6b 에서, 하면 (12b) 은 면을 형성하도록 접힌다.
주면의 방향에서 볼 때 라미네이트 필름에 수용되는 배터리 요소의 개략도인 도 6c 는 전해액의 저장 조건을 나타낸다. 도 6c 는 도 6b 에서 면 12a, 12b, 12c, 및 12d (면 12c 및 12d 는 실링의 내부 경계에 대응함) 에 의해 둘러싸인 파트를 도시한다. 부수적으로, 양극 탭 (104a), 음극 탭 (104b), 연장 스트립 (43), 양극 집전기 (103a), 및 음극 집전기 (103b) 는 도 6c 에서는 생략된다.
배터리 요소 (11) 의 사이즈에 관해서, 그 길이는 L 로 나타내고 그 폭은 W 로 나타낸다. 라미네이트 필름 (12) 의 내부 공간은 사이즈가 배터리 요소 (11) 보다 크다. 전해액 (20) 은 사이즈 차이에 의해 생성된 공간에 일시적으로 저장된다. 각 공간은 배터리 요소 (11) 의 에지 표면 (11b) 및 에지 표면 (11b) 에 가장 가까운 실링 끝 (12f) 또는 라미네이트 필름의 절곡부 중 하나에 의해 형성된다. 이하, 이 공간의 체적은 저장 체적으로 지칭될 것이다.
도 6c 에서, 수직 위치에 놓인 필름 외장 (10) 의 양면 상의 저장 체적은 VW 로 나타내고, 하부의 저장 체적은 VL 로 나타낸다.
2 개의 공간: 좌측 에지 표면 (11b) 과 좌측 실링 끝 (12f) 에 의해 형성된 공간, 및 우측 에지 표면 (11b) 과 우측 실링 끝 (12f) 에 의해 형성된 공간의 저장 체적 Vw 는 도 6c 에 도시된다. 즉, 저장 체적 VW 는 라미네이트 필름 (12) 의 에지와, 배터리 요소 (11) 의 다른 2 개의 에지 표면 (11b) 을 연결하는 2 개의 에지 표면 (11b)-개구부 (12a) 에 위치하는 에지 표면 (11b) 및 (개구부 (12a) 에 위치하는 에지 표면 (11b) 과 반대인) 하부에 위치하는 에지 표면 (11b) 사이에 형성된 공간의 체적이다.
한편, 저장 체적 VL 은 하부에서의 에지 표면 (11b) 과 라미네이트 필름 (12) 의 절곡부 (라미네이트 필름 (12) 의 베이스) 에 의해 형성된 공간의 체적이다. 즉, 저장 체적 VL 은 라미네이트 필름 (12) 의 에지와 배터리 요소 (11) 의 에지 표면 (11b) 중 하나, 즉, 개구부 (12a) 에 위치한 에지 표면 (11b) 에 반대인 하부 에지 표면 (11b) 사이에 형성된 공간의 체적이다.
VW 의 상부 경계는 배터리 요소 (11) 의 상부 끝과 동일 평면이다. 또한, 저장 체적 VW 및 저장 체적 VL 은 라인들에 의해 경계를 이루며, 이들 각각은 배터리 요소 (11) 의 코너와 라미네이트 필름 (12) 의 코너를 연결한다. 그 공간에 몇몇 다른 오브젝트가 있으며, 이 오브젝트에 의해 점유된 체적은 공제된다. 여기서 언급한 것과 같은 다른 오브젝트의 예는 도 6b 의 연장 스트립 (43), 양극 집전기 (103a), 및 음극 집전기 (103b) 뿐만 아니라, 이 집전기들을 커버하는 절연 코팅 부재를 포함한다.
개구부 (12a) 에 위치한 에지 표면 (11b), 즉, 상부 파트에 전해액 (20) 을 저장하는데 필요한 조건은,
Figure 112010056104157-pct00001
로 주어지며, 여기서 VTOTAL 은 충진 중에 라미네이트 필름 (12) 으로 주입된 전해액 (20) 의 총 체적이다.
한편, 개구부 (12a) 의 에지 표면 (11b) 을 통해서만이 아니라 양면 상에서의 에지 표면 (11b) 및 하부에서 세퍼레이터에 전해액 (20) 을 충진하기 위한 조건은,
Figure 112010056104157-pct00002
로 주어진다. 4 개의 에지 표면 (11b) 전부를 통해 전해액 (20) 을 주입하기 위해, 조건식 (1) 및 (2) 를 충족시키는 것이 필요하다.
다음으로, 4 개의 에지 표면 (11b)-개구부 (12a) 에서의 에지 표면 (11b), 양면 상에의 에지 표면 (11b), 및 하부에서의 에지 표면 (11b) 을 통해 흡수된 전해액 (20) 의 양이 추정될 것이다. 도 7 은, 개개의 4 개의 에지 표면 (11b) 을 통해 전해액 (20) 이 침투되는 4 개의 영역으로 분할된 배터리 요소 (11) 의 개략도를 도시한다.
영역 SW 는, 양면 상의 에지 표면 (11b) 의 각각을 통해 전해액 (20) 이 침수되는 영역의 표면 영역이다. 영역 SL 은 개구부 (12a) 에서의 에지 표면 (11b) 또는 하부에서의 에지 표면 (11b) 을 통해 전해액 (20) 이 침수되는 영역의 표면 영역이다. 영역 SW 및 영역 SL 은 길이 L 및 폭 W 를 이용하여 다음과 같이 주어진다:
Figure 112010056104157-pct00003
시간 단위당 에지 표면 (11b) 의 2 개 그룹을 통해 흡수된 전해액 (20) 의 양들 사이의 비율은,
Figure 112010056104157-pct00004
로 주어진다.
전해액 (20) 이 4 개의 에지 표면 (11b) 전부를 통해 흡수되는 경우, 이상적으로 4 개의 에지 표면 (11b) 전부를 통한 흡수는 동시에 종료될 것이다.
양면 상의 에지 표면 (11b) 을 통한 전해액 (20) 의 흡수가 하부에서의 에지 표면 (11b) 을 통한 흡수보다 일찍 종료되는 것은 바람직하다. 이의 이유는 도 8a 및 8b 를 참조하여 설명될 것이다.
도 8a 에 도시된 스테이지에서, 전해액 (20) 으로 충진하는 것은 4 개의 에지 표면 (11b) 전부를 통해 수행된다. 이후, 충진이 도 8b 에 도시된 최종 단계로 진행한다고 가정된다. 도 8b 에서, 양면 상의 저장 체적 VW 의 공간에 그리고 개구부 (12a) 에서의 에지 표면 (11b) 위에 저장된 전해액 (20) 이 흡수되었다. 한편, 하부에서의 에지 표면 (11b) 의 측면의 저장 체적 VL 의 공간에 저장된 전해액 (20) 은 흡수되지 않았다. 이 시점에서 남아 있는 전해액 (20) 은 하부에서의 에지 표면 (11b) 을 통해서만 흡수되어야 하므로, 충진 종료까지 시간이 연장된다.
흡수가 즉시 종료되지 않더라도, 하부에서의 에지 표면 (11b) 을 통한 흡수는 양면 상의 에지 표면 (11b) 을 통한 흡수보다 일찍 종료하면, 문제가 없다. 이의 이유는 도 8c 를 참조하여 설명될 것이다.
충진이 도 8c 에 도시된 최종 단계로 진행한다고 가정된다. 도 8c 에서, 개구부 (12a) 에서의 에지 표면 (11b) 위에 저장된 전해액 (20) 및 하부에서의 에지 표면 (11b) 의 측면의 저장 체적 VL 공간에 저장된 전해액 (20) 이 흡수되었다. 한편, 양면 상의 저장 체적 VW 의 공간에 저장된 전해액 (20) 이 흡수되지 않았다. 이 경우에, 양면 상의 저장 체적 VW 의 공간에 남아 있는 전해액 (20) 은 중력에 의해 하부의 에지 표면 (11b) 으로 흐른다. 따라서, 결국 저장 체적 VL 의 공간의 전해액 (20) 이 하부의 에지 표면 (11b) 을 통해 흡수되었더라도, 하부의 에지 표면 (11b) 은 양면 상의 에지 표면 (11b) 을 통해 흡수되지 않고 흐르는 전해액 (20) 을 흡수할 수 있다. 이는 전해액 (20) 으로 배터리를 충진하는데 필요한 시간을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
적어도 하부의 에지 표면 (11b) 을 통한 흡수가 양면 상의 에지 표면 (11b) 을 통한 흡수보다 일찍 종료하는 조건은,
Figure 112010056104157-pct00005
로 주어진다.
따라서, 단시간에 전해액 (20) 을 배터리 요소 (11) 에 충진하기 위해 충족할 필요가 있는 충진 조건은 상기 조건식 (1), (2), 및 (6) 에 의해 주어진다.
(전해액 공급 시스템)
다음으로, 본 발명에 따른 충진 장치로 전해액을 공급하는 시스템을 설명할 것이다.
본 발명의 기본 구성을 설명하는 의도인 도 1 에서, 단일 필름 외장 배터리 (10) 는 진공 용기 (2) 에 하우징되고, 단일 전해액 공급 라인 (4) 이 제공된다.
도 9 는 복수의 필름 외장 배터리에 전해액을 공급하는 시스템의 예를 도시한다.
도 9 에 도시된 충진 장치는 복수의 홀딩 픽스처 (3), 개개의 홀딩 픽스처에 대해 설치된 중계 용기 (30), 및 전해액 공급 라인 (4) 에 접속된 니들 (4a) 을 포함하며, 이들 모두는 진공 용기 (2) 에 하우징된다.
니들 (4a) 은 홀딩 픽스처 (3) 위에서 이동할 수 있는 방식으로 설치된다.
각 중계 용기 (30) 는 개구부 (30a), 본체 (30b), 및 공급 포트 (30c) 를 가진다. 개구부 (30a) 는 니들 (4a) 로부터 공급된 전해액 (2) 을 받는다. 본체 (30b) 는 전해액 (20) 을 일시적으로 저장한다. 공급 포트 (30c) 는 본체 (30b) 에 일시적으로 저장된 전해액 (20) 을 배터리 요소 (11) 를 포함한 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 공급한다. 중계 용기 (30) 는 니들 (4a) 아래 그리고 라미네이트 필름 (12) 의 개개의 부분의 개구부 (12a) 위에 설치된다.
본 구성에 있어서, 전해액 (20) 은 배터리 요소 (11) 를 포함한 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 직접 공급되지 않는다. 즉, 본 구성에 있어서는, 전해액 (20) 은 니들 (4a) 로부터 공급된 전해액 (20) 을 일시적으로 저장하는 중계 용기 (30) 를 통해 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 공급된다.
본 발명에 따르면, 전해액 (20) 은 다음과 같이 공급된다.
우선, 니들 (4a) 은 하나의 중계 용기 (30) 로 전해액 (20) 을 공급한다. 전해액 (20) 은 중계 용기 (30) 에 저장된 후, 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 공급된다. 그 사이에, 니들 (4a) 은 전해액 (20) 을 인접하는 다른 중계 용기 (30) 로 공급한다. 전해액 (20) 은 주어진 중계 용기 (30) 에 저장된 후, 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 공급된다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따르면, 전해액 (20) 은 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 공급되기 전에 한번 중계 용기 (30) 에 저장된다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 전해액 (20) 은 니들 (4a) 을 이동시키면서 백-형상 라미네이트 필름 (12) 의 상이한 부분으로 공급된다. 그러나, 배터리 요소 (11) 에 의해 흡수되는 전해액 (20) 의 양은 이동하는 니들 (4a) 로부터 공급되는 전해액 (20) 의 양을 초과할 수 있다. 이를 다루기 위해, 단일 니들 (4a) 을 이동시킴으로써 백-형상 라미네이트 필름 (12) 의 다수의 부분으로 전해액 (20) 을 공급함에 있어서, 이 시스템은 중계 용기 (30) 에 일시적으로 전해액 (20) 을 저장하면서 그 사이에 니들 (4a) 을 이동시킴으로써 순차적으로 백-형상 라미네이트 필름 (12) 의 상이한 부분으로 전해액 (20) 을 공급한다.
도 10 은 복수의 배터리 요소 (11) 를 포함한 백-형상 라미네이트 필름 (12) 에 전해액을 공급하는 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 10 에 도시된 구성은 각 중계 용기 (30) 의 공급 포트 (30c) 에 밸브 (30d) 가 설치된다는 점을 제외하고는 도 9 의 구성과 동일하다. 본 구성에 따르면, 전해액 (20) 은 밸브 (30d) 가 폐쇄된 상태에서 중계 용기 (30) 에 일시적으로 저장되고, 전해액 (20) 이 모든 중계 용기 (30) 에 저장되는 경우, 전해액 (20) 은 모든 밸브 (30d) 를 한번에 개방함으로써 모두 함께 백-형상 라미네이트 필름 (12) 의 상이한 부분으로 공급될 수 있다. 이는 니들 (4a) 의 이동 속도, 니들 (4a) 에 의해 공급되는 전해액 (20) 의 공급 레이트, 중계 용기 (30) 로부터의 전해액 (20) 의 공급 레이트 등에 의해 영향받지 않고 균일하게 백-형상 라미네이트 필름 (12) 의 상이한 부분으로 전해액 (20) 을 공급하는 것을 가능하게 한다.
도 11 은 복수의 배터리 요소를 포함한 백-형상 라미네이트 필름에 전해액을 공급하는 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 11 에 도시된 구성은 진공 용기 (2) 외부에 중계 용기 (30) 가 설치된다는 점을 제외하고는 도 10 의 구성과 동일하다. 더 상세하게는, 각 중계 용기 (30) 의 개구부 (30a), 본체 (30b), 및 밸브 (30d) 는 진공 용기 (2) 의 외부에 설치되지만, 공급 포트 (30c) 의 선단부는 진공 용기 (2) 에 설치된다.
도 9 및 도 10 의 구성에 따르면, 중계 용기 (30) 가 진공 용기 (2) 에 설치되므로, 전해액 (20) 은 중력에 의해 중계 용기 (30) 로부터 방출된다. 한편, 전해액을 공급하기 위해 중력에 더해 압력차를 이용할 수 있는 본 구성은 전해액 (20) 을 백-형상 라미네이트 필름 (12) 으로 급속하게 공급할 수 있다. 즉, 도 11 의 구성에 있어서, 중계 용기 (30) 는 대기압에 노출되는 동안에 공급 포트 (30c) 의 선단부가 진공에 노출되므로, 전해액 (20) 은 부압 하에서 진공 용기 (2) 로 흡입될 수 있다.
도 12 는 배터리 요소를 포함하는 복수의 백-형상 라미네이트 필름에 전해액을 공급하는 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 12 에 도시된 충진 장치에서, 전해액 공급 라인 (4) 은 전해액 탱크 (42), 송액 시스템 (41), 복수의 공급 파이프 (4b), 및 교체 밸브 (40) 를 포함한다. 전해액 탱크 (42) 는 전해액 (20) 을 저장한다. 송액 시스템 (41) 은 전해액 탱크 (42) 로부터 진공 용기 (2) 로 전해액 (20) 을 전달한다. 교체 밸브 (40) 는 송액 시스템 (41) 과 복수의 공급 파이프 (4b) 사이에 설치된다.
도 1 및 도 9 내지 도 11 에 도시된 충진 장치에서, 전해액 공급 라인 (4) 은 단일 공급 파이프 및 이 공급 파이프에 접속된 단일 니들을 가진다. 도 9 내지 도 11 에 도시된 구성에 따르면, 단일 니들이 이동함에 따라 배터리 요소를 수용하는 백-형상 라미네이트 필름의 복수의 부분으로 전해액 (20) 이 공급된다. 한편, 도 12 에 도시된 구성에 따르면, 공급 파이프 (4b) 및 니들 (4a) 은 고정되어 있고, 교체 밸브 (40) 는 공급 파이프들 (4b) 사이에서, 따라서 니들들 (4a) 사이에서 스위칭하는데 이용됨으로써, 차례로 전해액 (20) 을 공급한다. 이러한 방식으로, 공급 파이프 (4b) 및 니들 (4a) 을 이동시키는 메커니즘에 대한 필요를 제거하는 것은 도 12 에 도시된 바와 같은 장비 구성을 단순화시킨다.
(개방 상태로 라미네이트 필름을 유지하는 메커니즘)
도 13 은 본 실시형태에 따라, 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 을 유지하는 메커니즘의 예를 도시한다.
한 쌍의 흡입 장치 (50) 는 진공 흡입을 이용하여 외부로부터 라미네이트 필름 (12) 의 개구부 (12a) 를 당김으로써 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 을 유지할 수 있다.
다음으로, 흡입 장치 (50) 를 구비한 충진 장치에 대해 개방 상태를 유지하는 방법을 설명할 것이다.
우선, 라미네이트 필름 (12) 은 대기 중에서 진공 하에 있는 동안에 흡입된다. 다음으로, 라미네이트 필름 (12) 이 개방되는 경우, 전해액 공급 라인 (4) 의 니들은 개구부 (12a) 에 삽입된다. 다른 방법으로는, 프레임 부재가 개구부 (12a) 에 삽입될 수도 있다. 이 니들 또는 프레임 부재가 삽입된 후에, 흡입 장치 (50) 의 흡입 동작이 정지될 수도 있다. 후속하여, 배기된 환경에서 전해액 (20) 이 주입된다.
도 14a 및 도 14b 는 본 발명에 따라서, 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 을 유지하기 위한 메커니즘의 다른 예를 도시한다.
도 14a 에 도시된 바와 같이, 개방 상태를 유지하기 위한 메커니즘은 후크-형상 선단부 (61) 를 각각 구비한 복수의 클로 (claw)(60) 를 가진다. 도 14a 및 도 14b 에 도시된 바와 같이, 클로 (60) 는 교대로 배열된 2 가지 타입: 화살표 a 방향으로 이동가능한 클로와 화살표 a 의 방향과 반대인 화살표 b 방향으로 이동가능한 클로를 포함한다.
다음으로, 클로 (60) 를 구비한 충진 장치에 대해 개방 상태를 유지하는 방법을 설명할 것이다.
우선, 클로 (60) 의 선단부 (61) 가 라미네이트 필름 (12) 의 개구부 (12a) 에 삽입된다. 다음으로, 클로 (60) 는 방향 a 와 방향 b 로 이동함으로써, 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 을 유지한다.
도 15a 및 도 15b 는 본 실시형태에 따라서, 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 을 유지하기 위한 메커니즘의 다른 예를 도시한다. 도 15a 에 도시된 구성은 선단부 (71) 를 구비한 클로 (70) 를 이용하여 개방 상태를 유지한다. 그러나, 도 14a 및 도 14b 의 클로 (60) 와 달리, 화살표 a 의 방향으로 이동가능한 클로와 화살표 b 의 방향으로 이동가능한 클로는 교대로 배열되지 않는다. 즉, 도 15b 에 도시된 바와 같이, 클로 (70) 는 각각 좌측면과 우측면에 놓인다: 화살표 a 의 방향으로 이동가능한 클로 (70) 와 화살표 b 의 방향으로 이동가능한 클로 (70). 선단부 (71) 는 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 일부를 전체적으로 커버하도록 형상화된다. 따라서, 니들 (4a) 로부터 방출된 전해액 (20) 이 스패터되더라도, 본 구성은 스패터 (20a) 가 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 일부에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 방식으로, 도 15a 및 도 15b 에 도시된 바와 같이 구성된 클로 (70) 는 개방 상태로 라미네이트 필름 (12) 을 유지할 뿐만 아니라, 전해액 (20) 의 스패터 (20a) 가 라미네이트 필름 (12) 에 부착되는 것을 방지하여, 신뢰성 있는 열융착을 가능하게 한다.
(열융착되는 라미네이트 필름의 일부를 세정하는 메커니즘)
본 발명은 라미네이트 필름 (12) 의 에지 표면 (11b) 의 측면에 니들 (4a) 로부터 방출된 전해액 (20) 을 일시적으로 저장하는 프로세스를 포함한다. 방출된 전해액 (20) 은 스패터되고, 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 일부에 부착된다. 부착된 전해액 (20) 은 신뢰성 있는 열융착을 막을 수도 있다. 따라서, 열융착되는 영역에 부착된 임의의 전해액 (20) 을 제거하는 것이 바람직하다.
도 16 은 열융착되는 라미네이트 필름의 일부를 세정하기 위한 메커니즘의 예를 도시한다.
도 16 에 도시된 세정 메커니즘 (85) 은 샤프트 (80) 의 선단부에 와이퍼 (81) 를 가진다. 바람직하게는, 와이퍼 (81) 는 전해액 (20) 으로 함침될 수 있는 부직포 또는 스펀지와 같은 재료로 이루어진다. 전해액 (20) 이 주입된 후이지만, 열융착 전에, 세정 메커니즘 (85) 은 라미네이트 필름 (12) 의 개구부 (12a) 에 삽입되고, 와이퍼 (81) 가 라미네이트 필름 (12) 에서 열융착되는 영역과 접촉하게 놓인 채로 도 16 의 지면에 수직한 방향으로 이동한다. 이는 와이퍼 (81) 가 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 영역에서 임의의 전해액 (20) 을 제거하게 한다.
도 17 은 열융착되는 라미네이트 필름의 일부를 세정하기 위한 메커니즘의 다른 예를 도시한다.
도 17 에 도시된 세정 메커니즘 (95) 은 2 개의 풀리 (pulley; 90) 및 풀리 위에 설치된 와이핑 벨트 (91) 를 포함한다. 풀리 (90) 는 드라이버 (미도시) 에 의해 회전하여, 이어서 와이핑 벨트 (91) 를 구동할 수 있다.
세정 메커니즘 (95) 을 이용한 세정 방법을 이하 개괄할 것이다.
전해액 (20) 이 주입된 후지만, 열융착 전에, 세정 메커니즘 (95) 의 풀리 (90) 중 하나가 라미네이트 필름 (12) 의 개구부 (12a) 에 삽입된다.
와이핑 벨트 (91) 가 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 영역과 접촉하게 놓이면, 세정 메커니즘 (95) 은 도 17 의 지면에 수직한 방향으로 이동한다. 결과적으로, 와이핑 벨트 (91) 는 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 영역에서 임의의 전해액 (20) 을 제거한다. 후속하여, 라미네이트 필름 (12) 의 임의의 다른 부분을 세정하기 전에, 풀리 (90) 는 미리 결정된 양만큼 회전한다. 즉, 풀리 (90) 는 세정의 결과로 오염된 와이핑 벨트 (91) 의 파트를 집어 넣도록 회전하고, 풀리 (90) 는 와이핑 벨트 (91) 의 깨끗한 파트가 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 영역과 접촉하게 한다.
이러한 방식으로, 세정 메커니즘 (95) 은 항상 와이핑 벨트 (91) 의 오염되지 않은 세정 표면을 이용하여 열융착되는 라미네이트 필름 (12) 의 영역을 세정할 수 있다. 이는 보다 신뢰성 있는 세정을 보장함으로써 보다 신뢰성 있는 열융착을 가능하게 한다.
(라미네이트 필름의 열융착 방법)
본 발명에 따르면, 전해액 (20) 으로 충진하는 것은 진공 용기 (2) 에서 행해진다. 따라서, 라미네이트 필름 (12) 이 배기된 진공 용기 (2) 로 열융착되면, 추가 배기 프로세스가 생략될 수 있다.
본 발명은 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 제한되지 않는다. 당업자에게 떠오를 수도 있는 다양한 변화 및 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구성 및 세부사항에 대해 이루어질 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 출원은 2008년 1월 31일에 출원된 일본특허출원 제 2008-20951호에 대해 우선권 주장하며, 그 전체가 여기에 참조로서 통합된다.

Claims (16)

  1. 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법으로서,
    진공 용기에서, 세퍼레이터를 통해 양극 층 및 음극 층이 적층된 전력 발생 요소의 2 개의 주면에 대응하는 위치에서 백-형상 (bag-shaped) 라미네이트 필름을 핀치함으로써, 개구부를 갖고 상기 전력 발생 요소를 포함하는 상기 백-형상 라미네이트 필름을 홀딩하는 단계;
    상기 진공 용기의 압력을 감소시키는 단계;
    전해액의 레벨이 상기 전력 발생 요소의 상부 끝보다 높게 될 때까지, 상기 진공 용기의 압력이 감소한 채로 상기 개구부를 통해 상기 백-형상 라미네이트 필름으로 상기 전해액을 주입하는 단계; 및
    상기 진공 용기의 감소된 압력을 증가시키는 단계를 포함하는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩하는 단계에서, 상기 전력 발생 요소의 주면 전체가 홀딩되고, 상기 전력 발생 요소의 에지 표면이 자유롭게 되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주입하는 단계에서, 상기 전해액은 중계 용기를 통해 상기 백-형상 라미네이트 필름에 주입되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주입하는 단계에서, 상기 전력 발생 요소를 포함한 상기 백-형상 라미네이트 필름의 복수의 부분에 상기 전해액이 중계 용기를 통해 한꺼번에 또는 순차적으로 주입되며,
    상기 백-형상 라미네이트 필름의 복수의 부분은 상기 진공 용기에 놓인 후, 상기 전력 발생 요소의 상기 2 개의 주면에 대응하는 위치에서 핀치되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 중계 용기는 대기압과 상기 진공 용기의 감소된 압력 사이의 압력차를 이용하여 상기 중계 용기로부터의 상기 전해액을 상기 백-형상 라미네이트 필름으로 주입하는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 전해액은, 이동가능하게 설치된 전해액 공급기에 의해 공급되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전해액 공급기는 상기 전해액을 저장하는 풀 (pool) 및 상기 풀로부터 공급된 상기 전해액을 방출하는 복수의 니들을 포함하고; 상기 풀로부터 공급된 상기 전해액의 공급처로서 상기 복수의 니들로부터 선택된 하나의 니들을 통해 상기 전해액을 공급하는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개구부는, 상기 전해액의 주입이 시작하기 전부터 상기 전해액의 주입이 종료될 때까지 개방 상태로 유지되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 개방 상태는 상기 개구부의 흡입에 의해 유지되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 개방 상태는, 상기 개구부에 삽입된 한 쌍의 클로 (claw) 를 서로로부터 떨어지는 방향으로 이동시킴으로써 유지되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 개방 상태는, 상기 개구부에서 열융착될 파트가 상기 한 쌍의 클로에 의해 커버되는 채로 유지되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개구부에 부착된 임의의 전해액을 제거하는 단계를 더 포함하는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전해액은,
    Figure 112010064295304-pct00006

    에 의해 주어진 조건 하에서 주입되고, 여기서 L 및 W 는 상기 전력 발생 요소의 길이 및 폭이고; VL 은 상기 전력 발생 요소의 에지 표면 중에서 상기 개구부에 위치한 상기 에지 표면에 반대에 있는 하부의 에지 표면과 상기 라미네이트 필름 사이에 형성되는 체적이고; VW 는 상기 전력 발생 요소의 에지 표면 중에서 상기 개구부의 상기 에지 표면과 상기 하부의 상기 에지 표면을 연결하는, 에지 표면과 상기 라미네이트 필름 사이에 형성되는 체적이며; VTOTAL 은 상기 백-형상 라미네이트 필름으로 주입된 상기 전해액의 총 체적인, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전해액은,
    Figure 112010056104157-pct00007

    에 의해 주어진 조건 하에서 주입되는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 방법.
  15. 필름 외장 전기 디바이스의 제조 장치로서,
    진공 용기에서, 세퍼레이터를 통해 양극 층 및 음극 층이 적층된 전력 발생 요소의 2 개의 주면에 대응하는 위치에서 백-형상 라미네이트 필름을 핀치함으로써, 개구부를 갖고 상기 전력 발생 요소를 포함하는 상기 백-형상 라미네이트 필름을 홀딩하는 홀딩 수단;
    상기 진공 용기의 압력을 조정하는 압력 조정 수단;
    상기 개구부를 통해 상기 백-형상 라미네이트 필름으로 전해액을 주입하는 주입 수단; 및
    상기 압력 조정 수단이 상기 진공 용기의 압력을 감소시키게 하고, 상기 주입 수단이 상기 전해액의 레벨이 상기 전력 발생 요소의 상부 끝보다 높게 될 때까지, 상기 진공 용기의 압력이 감소한 채로 상기 전해액을 주입하게 하며, 상기 압력 조정 수단이 상기 전해액이 주입된 후에 상기 진공 용기의 감소된 압력을 증가시키게 하는 제어 수단을 포함하는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 장치.
  16. 필름 외장 전기 디바이스의 제조 장치로서,
    진공 용기에서, 세퍼레이터를 통해 양극 층 및 음극 층이 적층된 전력 발생 요소의 2 개의 주면에 대응하는 위치에서 백-형상 라미네이트 필름을 핀치함으로써, 개구부를 갖고 상기 전력 발생 요소를 포함하는 상기 백-형상 라미네이트 필름을 홀딩하는 홀더;
    상기 진공 용기의 압력을 조정하는 압력 조정기;
    상기 개구부를 통해 상기 백-형상 라미네이트 필름으로 전해액을 주입하는 전해액 공급기; 및
    상기 압력 조정기가 상기 진공 용기의 압력을 감소시키게 하고, 상기 전해액 공급기가 상기 전해액의 레벨이 상기 전력 발생 요소의 상부 끝보다 높게 될 때까지, 상기 진공 용기의 압력이 감소한 채로 상기 전해액을 주입하게 하며, 상기 압력 조정기가 상기 전해액이 주입된 후에 상기 진공 용기의 감소된 압력을 증가시키게 하는 제어기를 포함하는, 필름 외장 전기 디바이스의 제조 장치.
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