KR101441645B1 - 이차전지용 파우치 필름 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법 - Google Patents
이차전지용 파우치 필름 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이차전지용 파우치 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저렴한 비용으로 이차전지를 제조할 수 있는 이차전지용 파우치 필름에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 셀 어셈블리를 수용하는 수용부 시트와 이차전지 제조과정에서 발생하는 가스를 포집하는 가스포집부 시트가 접합된 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 상기 수용부 시트는 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어지고, 상기 가스포집부 시트는 금속층이 포함되지 않은 고분자층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 제조비용을 줄일 수 있고, 이차전지용 파우치 필름 제조를 위한 자원의 낭비를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 셀 어셈블리를 수용하는 수용부 시트와 이차전지 제조과정에서 발생하는 가스를 포집하는 가스포집부 시트가 접합된 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 상기 수용부 시트는 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어지고, 상기 가스포집부 시트는 금속층이 포함되지 않은 고분자층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 제조비용을 줄일 수 있고, 이차전지용 파우치 필름 제조를 위한 자원의 낭비를 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 이차전지용 파우치 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저렴한 비용으로 이차전지를 패키징할 수 있는 이차전지용 파우치 필름 및 이를 이용한 이차전지 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이차전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류되는데, 이 중 파우치형 이차전지는 제조가 용이하고 제조 원가가 낮으며 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 대용량의 전지 팩을 구성하기 쉽다는 장점이 있다. 반면 파우치형 이차전지는 후술하는 바와 같이 디개싱(degassing) 공정이 진행 되는 과정에서 가스포집 용도로 사용된 파우치 필름이 절취 및 폐기되는 단점이 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 파우치 필름을 사용하여 이차 전지를 패키징하는 공정을 개략적으로 설명하기 위해 도시한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는 셀 어셈블리(100) 및 파우치 케이스(160)를 기본 구조로 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하는 단위 셀을 반복적으로 적층시킨 구조를 가진다. 각각의 단위 셀에는 양극 탭(110) 및 음극 탭(120)들이 구비된다. 양극 탭(110) 및 음극 탭(120)들은 절연 테이프(130)가 부착된 양극 리드(140) 및 음극 리드(150) 각각과 저항 용접, 초음파 용접, 레이져 용접 등의 방법으로 접합된다. 상기 양극 리드(140) 및 음극 리드(150)는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 선로와 전기적으로 연결되거나 복수의 이차전지를 직렬 또는 병렬로 연결할 때 인접하는 다른 이차전지에 구비된 전극 리드와 전기적으로 연결된다.
상기 파우치 케이스(160)는 내부에 셀 어셈블리(100)를 수용할 수 있도록 열융착 공정에 의해 주변부가 실링된 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름으로 이루어진다. 상기 파우치 케이스(160)는 기능적인 관점에서 셀 어셈블리(100)가 배치되는 수용부(170)와 활성화 공정에서 가스가 포집되는 공간을 제공하는 가스포집부(180)로 구분된다. 상기 셀 어셈블리(100)는 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름 사이의 수용부(170)에 대응되는 위치에 탑재된 후 열융착 공정을 통해 전해액 주입구를 제외하고 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하여 실링하는 과정을 거친다. 그런 다음 상기 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입하고 전해액 주입구를 열융착하여 파우치 케이스(160)를 밀봉하게 된다. 그러고 나서, 초기 충전을 진행하여 밀봉된 이차전지를 활성화 시키면 전해액으로부터 발생된 가스가 가스포집부(180)에 포집된다. 그런 다음 디개싱 공정을 진행하여 가스포집부(180)에 포집된 가스는 가스포집부(180)에 관통공(190)을 형성하여 외부로 배출한다. 가스의 배출이 완료되면, 가스포집부(180)와 접해있는 수용부(170)의 경계부(192)를 열융착하고 상기 가스포집부(180)를 절취하여 제거한다.
상기 도 1을 참조하면, 가스포집부(180)는 이차전지 제조과정에서 제거가 되지만, 수용부(170)와 동일한 재질의 이차전지용 파우치 필름으로 이루어진다. 즉, 상기 파우치 필름은 실링공정을 위한 열융착층, 외부의 수분 및 가스 등이 셀 어셈블리(100) 측으로 침투하는 것을 방지하며 파우치 케이스(160)의 기계적 강도 향상과 함께 파우치 케이스(160)에 주입된 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 방지하는 금속층, 이차전지의 표면을 외부와 절연시키는 절연층을 갖는다. 이차전지용 파우치 필름의 가격은 금속층의 재질에 의해 상당한 영향을 받는 것을 고려할 때, 이차전지의 디개싱 공정에서 절취 및 폐기되는 가스포집부(180)의 금속층은 이차전지의 제조비용을 높이는 요인으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 파우치형 이차전지의 패키징 공정에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 이차전지용 파우치 필름 및 이를 이용한 이차전지 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 셀 어셈블리를 수용하는 수용부 시트와 이차전지 제조과정에서 발생하는 가스를 포집하는 가스포집부 시트가 접합된 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 상기 수용부 시트는 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어지고, 상기 가스포집부 시트는 금속층이 포함되지 않은 고분자층으로 이루어진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 셀 어셈블리를 수용하는 수용부와 이차전지 제조과정에서 발생하는 가스를 포집하는 가스포집부를 구비한 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 상기 수용부는 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어져 있고, 상기 가스포집부는 상기 수용부의 열융착층 또는 절연층이 연장되거나 상기 수용부의 열융착층과 절연층이 연장되어 형성된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지 제조방법은, (a) 셀 어셈블리를 준비하는 단계; (b) 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어진 수용부 시트와 금속층이 포함되지 않은 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트가 접합된 상부 및 하부 파우치 필름을 준비하는 단계; (c) 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 수용부 시트 사이에 상기 셀 어셈블리를 로딩하는 단계; (d) 상기 셀 어셈블리의 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하는 단계; (e) 이차전지를 활성화시킨 후 상기 가스포집부 시트에 관통공을 형성하여 상기 활성화 과정에서 발생된 가스를 제거하는 단계; (f) 가스포집부 시트와 접해있는 수용부 시트의 경계부를 열융착하는 단계; 및 (g) 상기 가스포집부 시트를 제거하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지 제조방법은, (a) 셀 어셈블리를 준비하는 단계; (b) 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어진 수용부와 수용부의 열융착층 또는 절연층이 연장되거나 상기 수용부의 열융착층과 절연층이 연장되어 형성된 가스포집부를 구비한 상부 및 하부 파우치 필름을 준비하는 단계; (c) 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 수용부 시트 사이에 상기 셀 어셈블리를 로딩하는 단계; (d) 상기 셀 어셈블리의 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하는 단계; (e) 이차전지를 활성화시킨 후 상기 가스포집부 시트에 관통공을 형성하여 상기 활성화 과정에서 발생된 가스를 제거하는 단계; (f) 가스포집부 시트와 접해있는 수용부 시트의 경계부를 열융착하는 단계; 및 (g) 상기 가스포집부 시트를 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지의 제조과정중 절취 및 폐기되는 가스포집부에 금속층이 포함되어 있지 않으므로 파우치 필름과 이를 이용한 이차전지의 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차전지용 파우치 필름 제조에 소모되는 자원의 낭비를 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제조하려는 이차전지의 크기 및 제조설비에 따라 파우치 필름을 다양하게 변형이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수용부 시트의 일부가 연장되어 가스포집부를 형성한 파우치 필름은 가스포집부를 형성하기 위한 별도의 공정을 필요로 하지 않는다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 제조 과정에서 파우치 필름을 사용하여 이차 전지를 패키징하는 공정을 개략적으로 설명하기 위해 도시한 공정도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트가 수용부 시트의 절연층에 접합된 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트가 수용부 시트의 열융착층에 접합된 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수용부 시트의 절연층이 연장되어 가스포집부를 형성한 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수용부 시트의 열융착층이 연장되어 가스포집부를 형성한 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수용부 시트의 절연층 및 열융착층이 연장되어 가스포집부를 형성한 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 도 2에 도시한 파우치 필름을 사용하여 이차 전지를 패키징하는 공정을 개략적으로 설명하기 위한 공정도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 셀 어셈블리가 상부 및 하부 파우치 필름 사이에 로딩된 모습을 나타내는 공정도이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 파우치 필름의 주변부가 열융착된 상태를 나타내는 공정도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 가스포집부와 인접한 수용부의 일면을 추가로 열융착 후 절취부위를 따라 가스포집부를 잘라서 제거하는 과정을 도시한 공정도이다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 파우치 필름을 사용하여 이차 전지를 패키징하는 공정을 개략적으로 설명하기 위해 도시한 공정도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트가 수용부 시트의 절연층에 접합된 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트가 수용부 시트의 열융착층에 접합된 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수용부 시트의 절연층이 연장되어 가스포집부를 형성한 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수용부 시트의 열융착층이 연장되어 가스포집부를 형성한 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수용부 시트의 절연층 및 열융착층이 연장되어 가스포집부를 형성한 이차전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 도 2에 도시한 파우치 필름을 사용하여 이차 전지를 패키징하는 공정을 개략적으로 설명하기 위한 공정도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 셀 어셈블리가 상부 및 하부 파우치 필름 사이에 로딩된 모습을 나타내는 공정도이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 파우치 필름의 주변부가 열융착된 상태를 나타내는 공정도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 가스포집부와 인접한 수용부의 일면을 추가로 열융착 후 절취부위를 따라 가스포집부를 잘라서 제거하는 과정을 도시한 공정도이다.
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 아니되며, 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지용 파우치 필름을 개시한다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부 시트의 절연층(250) 또는 열융착층(230)에 접합되어 있는 이차전지용 파우치 필름의 단면도들이다.
상기 이차전지용 파우치 필름은 기능적인 관점에 의해서 수용부(210)와 가스포집부(220)로 나누어진다. 상기 수용부(210)에는 셀 어셈블리가 배치된다. 상기 가스포집부(220)는 활성화(formation) 공정에서 가스가 포집되는 공간을 제공한다. 도 2와 도 3에서는 상기 가스포집부(220)가 상기 수용부(210)의 우측에 접합되어 있고 가스포집부(220)의 크기를 수용부(210)의 크기와 동일하게 하였지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 가스포집부(220)의 접합위치 및 크기는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 변형 또는 수정이 가능하다는 것을 이해해야 한다.
다음으로 도 2 내지 도 3의 수용부(210)에 해당하는 파우치 필름의 재질을 설명한다. 상기 파우치 필름은 열융착층(230), 금속층(240) 및 절연층(250)으로 이루어져 있다. 상기 열융착층(230)은 상기 금속층(240)의 한 쪽 면에, 상기 절연층(250)은 상기 금속층(240)의 다른 한 쪽 면에 결합된 구조를 가진다. 상기 열융착층(230)은 대략 30 내지 40 마이크로미터(um)의 두께를 가지며, 금속층(240)에 코팅 또는 라미네이팅될 수 있다. 상기 파우치 필름은 이차전지 제조 과정에서 상부 및 하부 파우치 필름으로 사용되며 셀 어셈블리를 패키징한다.
상기 열융착층(230)은 이차전지의 제조 과정중 파우치 필름을 실링하는 공정의진행 과정에서 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부에 가하는 열에 의해 용융된다. 이에 따라, 상부 파우치 필름의 열융착층(230)과 하부 파우치 필름의 열융착층(230)이 서로 융착되어 상부 및 하부 파우치 필름의 실링이 이루어진다.
상기 금속층(240)은 외부의 수분, 가스 등이 셀 어셈블리 측으로 침투하는 것을 방지하며, 파우치 케이스의 기계적 강도 향상과 함께 파우치 케이스에 주입된 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 방지한다. 금속층(240)의 재질은 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금, 철, 크롬 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속층(240)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 통상, 알루미늄 금속 호일이 바람직하게 사용된다.
상기 절연층(250)은 상기 금속층(240)이 외부와 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이차전지는 셀 어셈블리의 전극 리드를 통해서만 외부와 전기적으로 연결되어야 하며, 금속층(240)이 직접 전기적으로 연결될 경우 이차전지의 안전성이 저해된다. 특히, 셀 어셈블리의 전극 리드 가 상기 금속층(240)을 통해서 단락될 경우 이차전지의 폭발 위험이 있다. 따라서 상기 절연층(250)은 금속층(240)를 보호하는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부(210) 시트의 절연층(250) 일부와 중첩이 되도록 접합된 구조를 가진다. 상기 가스포집부(220)가 수용부(210) 시트의 절연층(250) 일부와 중첩이 되는 면적은 이차전지 제조 과정에서 가스포집부(220)가 절취된다는 것을 예상하여 조절하는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부(210) 시트의 열융착층(230) 일부와 중첩이 되도록 접합된 구조를 가진다. 상기 가스포집부(220)가 수용부(210) 시트의 열융착층(230) 일부와 중첩이 되는 면적은 이차전지 제조 과정에서 가스포집부(220)가 절취된다는 것을 예상하여 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 도 2 및 도 3에는 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부(210) 시트의 절연층(250) 또는 열융착층(230)에 접합된 실시예만 도시하였으나, 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부(210) 시트의 절연층(250)과 열융착층(230)에 동시에 접합될 수 있다. 이러한 경우 고분자층은 절연층(250)과 접합된 상부 고분자층과 열융착층(230)과 접합된 하부 고분자층이 라미네이팅된 구조를 가진다.
상기 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)는 수용부(210) 시트의 절연층(250) 또는 열융착층(230)에 열융착에 의해 접합될 수 있다. 또한 상기 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)는 수용부(170) 시트의 절연층(250) 또는 열융착층(230)에 별도의 접착제나 접착 필름에 의해 접합될 수 있다. 상기 접착제 또는 접착 필름은 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부(170) 시트의 절연층(250) 또는 열융착층(230)에 접합되었을 때 전해액 및 가스의 누설을 방지할 수 있을 정도의 접착력을 제공하는 것이라면 특별히 제한하지 않으며, 이러한 조건을 만족하는 접착제 또는 접착 필름의 선택은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 자명하다. 상기와 같이 고분자층으로만 이루어진 가스포집부 시트(260)가 수용부(210)에 접합하여 가스포집부(220)를 형성한 경우, 이차전지 제조 과정 중 가스포집부(220)를 절취 및 폐기하더라도 비용 부담이 적다.
상기에서는 가스포집부 시트(260)가 수용부(210)에 접합된 구조를 가진 이차전지용 파우치 필름에 대해서 설명하였다. 이하에서는 수용부(310)를 구성하는 필름이 연장되어 가스포집부(320)를 형성한 구조를 가진 이차전지용 파우치 필름에 대해서 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 수용부(310)의 열융착층(330) 또는 절연층(350)이 연장되거나 수용부(310)의 열융착층(330)과 절연층(350)이 연장되어 가스포집부(320)를 형성한 구조를 가진 이차전지용 파우치 필름의 단면도들이다.
상기 이차전지용 파우치 필름 역시 기능적인 관점에서 수용부(310)와 가스포집부(320)로 나누어 지며, 그 역할에 대해서는 이미 상술하였으므로 생략한다. 또한, 도 4 내지 도 6에서는 상기 가스포집부(320)가 상기 수용부(310)의 우측에 형성되어 있고 가스포집부(320)의 크기를 수용부(210)의 크기와 동일하게 하였지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 가스포집부(320)의 형성위치 및 크기는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구나 쉽게 변형 또는 수정이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 또한, 상기 수용부(310)에 해당하는 파우치 필름의 재질 역시 이미 상술하였으므로 생략하도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 따른 실시예에 따른 이차전지용 파우치 필름은수용부(310) 시트의 절연층(350)이 연장되어 가스포집부(320)를 형성한 구조를 가진다. 이러한 이차전지용 파우치 필름의 구조는 라미네이트 공정을 통해서 구현할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 따른 실시예에 따른 이차전지용 파우치 필름은 수용부(310) 시트의 열융착층(330)이 연장되어 가스포집부(320)를 형성한 구조를 가진다. 이러한 이차전지용 파우치 필름의 구조 역시 라미네이팅 공정을 통해 구현할 수 있다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 수용부(310) 시트의 열융착층(330) 및 절연층(350)이 동시에 연장되어 가스포집부(320)를 형성한 구조를 가진다. 이러한 이차전지용 파우치 필름의 구조 역시 라미네이팅 공정을 통해 구현할 수 있다. 상기와 같이 수용부(310) 시트의 열융착층(330) 및/또는 절연층(350)이 연장되어 가스포집부(320)를 형성한 구조를 가진 이차전지용 파우치 필름은 가스포집부(320)에 금속층(340)을 포함하지 않으므로, 이차전지 제조과정에서 가스포집부(320)의 절취 및 폐기에 따른 비용을 절감할 수 있다. 또한 앞서 설명한 실시예와 달리 고분자층을 수용부(310)에 별도로 접합하는 공정을 필요로 하지 않으므로 제조 공정이 간단하다는 장점이 있다.
상술한 실시예들에서, 상기 수용부(210, 310) 시트의 열융착층(230, 330), 절연층(250, 350) 및 상기 고분자층(260)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상 물질층으로 이루어진 복합막 구조를 가질 수 있다. 바람직하게 상기 고분자층(260)은 수용부 시트의 열융착층(230) 또는 절연층(250)의 재질보다 저렴하거나 동일한 가격의 재질로 이루어진다.
다음으로 상술한 이차전지용 파우치 필름을 이용한 이차전지 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 이차전지 제조 방법은 셀 어셈블리의 패키징 과정에 특징이 있으므로 셈 어셈블리의 제조 과정에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 7은, 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 본 발명에 따른 파우치 필름을 사용하여 이차 전지를 패키징하는 공정을 개략적으로 설명하기 위한 공정도이다.
도 7를 참조하면, 먼저 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 어셈블리(100) 및 파우치 필름(400)을 준비한다.
상기 셀 어셈블리(100)는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위 셀이 적어도 2개 이상 적층된 구조를 가진다. 또한,, 각 단위 셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭(110) 및 음극 탭(120)은 각각 절연테이프(130)가 부착된 양극 리드(140) 및 음극 리드(150)와 전기적으로 접속된 구조를 가진다.
상기 셀 어셈블리(100)는 복수의 단위 셀을 단순 적층한 구조를 가질 수도 있고, 한쪽 방향으로 폴딩한 스택 폴딩 구조 또는 젤리 롤 구조를 가질 수도 있다. 상기 양극 탭(110)과 음극 탭(120)은 각각 양극판과 음극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 상기 양극 리드(140) 및 상기 음극 리드(150)는 각각 복수의 음극 탭(120) 및 복수의 양극 탭(110)과 접합된다. 절연 테이프(130)는 파우치 필름(410, 420)과 양극 및 음극 리드(140, 150)의 접착성을 향상시키면서도 절연성이 있는 물질이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 상기 셀 어셈블리(100)는 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 하나의 예시에 불과하며 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 쉽게 대체가 가능한 셀 어셈블리로 이해해야 한다.
상기 이차전지용 파우치 필름(400)은 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420)으로 구성된다. 파우치 필름(400)은 앞서 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한 이차전지용 파우치 필름 중 어느 하나가 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 상술한 이차전지용 파우치 필름 중 수용부(430) 시트의 절연층에 고분자층으로 이루어진 가스포집부(440) 시트가 접착된 이차전지용 파우치 필름을 사용하여 이차 전지의 제조 방법을 설명한다. 그러나 본 발명이 상기 예시에 한정되는 것이 아니며 상술한 이차전지용 파우치 필름은 모두 본 발명의 제조 방법을 실시하기 위한 이차전지용 파우치 필름이 될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
상기 파우치 필름(400)은 상술한 파우치 필름을 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420)으로 구분하여 사용한다. 상기 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420)은 셀 어셈블리(100)를 기준으로 위치를 상대적으로 표현한 것이다. 이때 상부 파우치 필름(410) 및 하부 파우치 필름(420)은 열융착층이 셀 어셈블리(100)를 향하도록 배치된다.
하부 파우치 필름(420)은 셀 어셈블리(100)의 하부가 안착될 수 있도록 셀 어셈블리(100)의 하부 형상에 대응되는 요홈이 마련된다. 또한 상부 파우치 필름(410)에도 셀 어셈블리(100)의 상부가 안착될 수 있도록 셀 어셈블리(100)의 상부 형상에 대응되는 요홈이 마련된다. 상기 요홈은 경우에 따라 생략하여도 무방하다. 본 실시예에서는 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420)으로 나누어져 있는 파우치 필름을 사용되지만, 다양한 타입의 파우치 필름이 사용될 수 있다. 일 예로, 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420)의 한쪽 모서리가 결합되어 있는 구조를 가진 싱글 컵 구조의 파우치 필름도 사용이 가능하다. 상기 파우치 필름(400)의 열융착층, 금속층 및 절연층은 앞서 상세히 설명하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 셀 어셈블리(100)가 상부 및 하부 파우치 필름(410, 420) 사이에 로딩된 모습을 나타내는 공정도이다.
도 8를 참조하면, 상기 셀 어셈블리(100)는 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420) 사이에 로딩된다. 이때, 상기 셀 어셈블리(100)의 상기 양극 리드(140) 및 음극 리드(150)의 일부가 외부에 노출되도록 셀 어셈블리(100)를 로딩한다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 파우치 필름(400)의 주변부가 열융착된 상태를 나타내는 공정도이다.
도 9를 참조하면, 상기 셀 어셈블리(100)가 로딩된 상부 파우치 필름(410) 및 하부 파우치 필름(420)의 주변부를 열로 융착한다.
열융착 공정의 진행 시, 상기 파우치 필름(400) 내에 셀 어셈블리(100)의 전기화학적 작동을 위해 필요한 전해액을 주입하기 위해 상부 파우치 필름(410)과 하부 파우치 필름(420)의 주변부 중 일부, 즉 전해액 주입부를 제외하고 열융착을 한 후 전해액 주액을 하고 전해액 주입부를 열융착하면 상부 파우치 필름(410)와 하부 파우치 필름(420) 내에 셀 어셈블리(100)가 밀봉된다. 이때, 열융착에 의해 형성되는 라인을 열융착 라인(450)이라고 정의한다.
한편, 셀 어셈블리(100)를 상부 및 하부 파우치 필름(410, 420)사이에 로딩하기전에, 셀 어셈블리(100)를 충분한 시간동안 전해질 용액에 담궈 각 단위 셀에 전해질을 충분히 침투시킨 후에 로딩하는 경우, 상기 전해액 주입 공정은 필요가 없다. 또한, 분리막 자체가 고체 전해질로 이루어진 경우 역시 상기 전해질 주입 공정은 필요가 없다. 따라서 전해액 주입부를 제외하지 않고 처음부터 열융착 라인(450)을 형성할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 가스포집부(440)와 인접한 수용부(430)의 일면을 추가로 열융착 후 절취부위를 따라 가스포집부(440)를 절취 및 제거하는 과정을 도시한 공정도이다.
파우치 필름(400)이 열융착에 의해 밀봉되고 나면, 전지의 초기 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. 발생한 가스는 가스포집부(440)에 포집된다. 가스포집이 이루어지면 가스포집부(440)에 천공(460)을 하여 활성화 과정에서 발생한 가스를 디개싱한다. 그 다음, 가스포집부(440)와 인접한 수용부(430)의 경계 부분을 추가로 열융착하고 가스포집부(440)를 절취하면 본 발명에 따른 이차 전지의 제조 방법이 완료된다.
상술한 본 발명에 따르면, 제조과정중 절취되는 가스포집부를 구성하는 파우치 필름에는 금속층이 포함되어 있지 않으므로 파우치 필름 및 이를 이용한 이차전지의 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차전지용 파우치 필름 제조에 소모되는 자원의 낭비를 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제조하려는 이차전지의 크기 및 제조설비에 따라 파우치 필름을 다양하게 변형이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수용부 시트의 일부가 연장되어 가스포집부를 형성한 파우치 필름은 가스포집부를 형성하기 위한 별도의 공정을 필요로 하지 않으므로 제조 공정을 간단하게 하는 장점이 있다.
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.
10 : 파우치형 이차전지 100 : 셀 어셈블리
110 : 양극 탭 120 : 음극 탭
130 : 절연 테이프 140 : 양극 리드
150 : 음극 리드 160 : 파우치형 케이스
170 : 수용부 180 : 가스포집부
190 : 관통공 210, 310, 430 : 수용부
220, 320, 440: 가스포집부 230, 330 : 열융착층
240, 340 : 금속층 250, 350 : 절연층
400 : 파우치 필름 410 : 상부 파우치 필름
420 : 하부 파우치 필름 450 : 열융착 라인
460 : 관통공
110 : 양극 탭 120 : 음극 탭
130 : 절연 테이프 140 : 양극 리드
150 : 음극 리드 160 : 파우치형 케이스
170 : 수용부 180 : 가스포집부
190 : 관통공 210, 310, 430 : 수용부
220, 320, 440: 가스포집부 230, 330 : 열융착층
240, 340 : 금속층 250, 350 : 절연층
400 : 파우치 필름 410 : 상부 파우치 필름
420 : 하부 파우치 필름 450 : 열융착 라인
460 : 관통공
Claims (14)
- 셀 어셈블리를 수용하는 수용부 시트와 이차전지 제조과정에서 발생하는 가스를 포집하는 가스포집부 시트가 접합된 이차전지용 파우치 필름에 있어서,
상기 수용부 시트는 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어지고,
상기 가스포집부 시트는 금속층이 포함되지 않은 고분자층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름. - 제1항에 있어서,
상기 열융착층, 절연층 및 고분자층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상 물질층으로 이루어진 복합막 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름. - 제1항에 있어서,
상기 고분자층은 상기 열융착층 또는 절연층에 접합되거나 상기 열융착층과 절연층에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름. - 제1항에 있어서,
상기 수용부 시트와 상기 가스포집부 시트는 열융착을 통해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름. - 셀 어셈블리를 수용하는 수용부와 이차전지 제조과정에서 발생하는 가스를 포집하는 가스포집부를 구비한 이차전지용 파우치 필름에 있어서,
상기 수용부는 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어져 있고,
상기 가스포집부는 상기 수용부의 열융착층 또는 절연층이 연장되거나 상기 수용부의 열융착층과 절연층이 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름. - 제5항에 있어서,
상기 열융착층 및 상기 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상 물질층으로 이루어진 복합막 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름. - (a) 셀 어셈블리를 준비하는 단계;
(b) 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어진 수용부 시트와 금속층이 포함되지 않은 고분자층으로 이루어진 가스포집부 시트가 접합된 상부 및 하부 파우치 필름을 준비하는 단계;
(c) 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 수용부 시트 사이에 상기 셀 어셈블리를 로딩하는 단계;
(d) 상기 셀 어셈블리의 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하는 단계;
(e) 이차전지를 활성화시킨 후 상기 가스포집부 시트에 관통공을 형성하여 상기 활성화 과정에서 발생된 가스를 제거하는 단계;
(f) 가스포집부 시트와 접해있는 수용부 시트의 경계부를 열융착하는 단계; 및
(g) 상기 가스포집부 시트를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
상기 열융착층, 절연층 및 고분자층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상 물질층으로 이루어진 복합막 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
상기 고분자층은 상기 열융착층 또는 절연층에 접합되거나 상기 열융착층과 절연층에 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
상기 수용부 시트와 상기 가스포집부 시트는 열융착을 통해 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 (d)단계는,
전해액 주입부를 제외하고 상기 셀 어셈블리의 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하는 단계;
상기 전해액 주입부를 통해 전해액을 주입하는 단계; 및
상기 전해액 주변부를 열 융착하여 완전히 밀봉하는 단계;임을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - (a) 셀 어셈블리를 준비하는 단계;
(b) 열융착층, 금속층 및 절연층으로 이루어진 수용부와 수용부의 열융착층 또는 절연층이 연장되거나 상기 수용부의 열융착층과 절연층이 연장되어 형성된 가스포집부를 구비한 상부 및 하부 파우치 필름을 준비하는 단계;
(c) 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 수용부 시트 사이에 상기 셀 어셈블리를 로딩하는 단계;
(d) 상기 셀 어셈블리의 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하는 단계;
(e) 이차전지를 활성화시킨 후 상기 가스포집부 시트에 관통공을 형성하여 상기 활성화 과정에서 발생된 가스를 제거하는 단계;
(f) 가스포집부 시트와 접해있는 수용부 시트의 경계부를 열융착하는 단계; 및
(g) 상기 가스포집부 시트를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - 제12항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
상기 열융착층 및 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상 물질층으로 이루어진 복합막 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법. - 제12항에 있어서, 상기 (d)단계는,
전해액 주입부를 제외하고 상기 셀 어셈블리의 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 상부 및 하부 파우치 필름의 주변부를 열융착하는 단계;
상기 전해액 주입부를 통해 전해액을 주입하는 단계; 및
상기 전해액 주변부를 열 융착하여 완전히 밀봉하는 단계;임을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
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