KR101474394B1 - 이차 전지 제조 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 이차 전지 제조 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 이차 전지, 그리고 이러한 이차 전지를 포함하는 배터리 팩을 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 케이스에 전극 조립체 및 전해액을 수납하여 충방전이 가능한 이차 전지가 마련되는 단계; 상기 이차 전지의 충전 상태가 0이 될 때까지 방전되는 단계; 및 충전 상태가 0인 이차 전지가 과방전되는 단계를 포함한다.

Description

이차 전지 제조 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 이차 전지{Method for manufacturing secondary battery and secondary battery manufactured thereby}

본 발명은 이차 전지를 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 이차 전지 제조 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 이차 전지, 그리고 이러한 이차 전지를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

특히, 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다. 따라서, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 핵심적 부품인 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.

이와 같이 이차 전지의 활용 분야가 다양해지고, 많은 전력을 필요로 하는 중대형 기기에 이차 전지의 사용이 활성화되면서, 이차 전지의 용량 문제가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 즉, 이차 전지는 외부 전원의 연결 없이 전력을 공급하기 위해 이동성 기기 또는 장비에 이용되기 때문에, 전력량이나 사용 시간에 한계가 있다. 물론, 이차 전지의 크기 및 개수를 증가시키면 전력량이나 사용 시간을 늘릴 수 있겠지만, 비용과 중량, 부피 등의 증가와 같은 여러 문제가 발생할 수 있기 때문에, 동일한 크기 및 개수의 이차 전지를 사용하면서도 전력량이나 사용 시간을 늘리는 것이 바람직하다.

따라서, 종래에 이와 같이 이차 전지의 용량을 증대시키기 위해 다양한 노력과 연구가 행해지고 있다. 예를 들어, 활물질, 전해액, 전극 집전체의 종류, 또는 이차 전지의 구조 등을 변화시켜 이차 전지의 용량을 증대시키고자 하는 노력이 행해지고 있다.

하지만, 이와 같은 종래 기술에 의할 경우, 이차 전지의 재료나 형태, 구조 등의 변경을 필요로 하며, 동일한 재료나 형태, 구조 등을 사용하면서도 이차 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 것은 아니다.

대한민국 공개특허공보 제10-2006-0106772호(2006.10.12) 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0030588호(2005.03.30) 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0127582호(2009.12.14)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차 전지의 재료나 형태, 구조 등의 변경 없이도 이차 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 이차 전지 제조 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 이차 전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 케이스에 전극 조립체 및 전해액을 수납하여 충방전이 가능한 이차 전지가 마련되는 단계; 상기 이차 전지의 충전 상태가 0이 될 때까지 방전되는 단계; 및 충전 상태가 0인 이차 전지가 과방전되는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 상기 이차 전지가 과방전된 상태에서 일정 시간 동안 보관되는 단계를 더 포함한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 상술한 이차 전지 제조 방법에 의하여 제조된 이차 전지이다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 이차 전지 제조 방법에 의하여 제조된 이차 전지를 포함한다.

본 발명에 의하면, 이차 전지의 용량을 향상시킬 수 있다. 따라서, 이차 전지의 전력량이나 사용 시간 등을 증가시킬 수 있다.

특히, 본 발명에 의하면 이차 전지의 내부 재료, 이를테면 집전체, 활물질, 전해액 등의 종류나 이차 전지의 구조 등을 변경하지 않고도 이차 전지의 용량을 증대시킬 수 있다. 그러므로, 종래 이차 전지 제조 공정을 그대로 이용할 수 있기 때문에 이차 전지 제조의 공정성 저하나 비용 추가 등의 부담이 크지 않다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 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, 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 이차 전지를 제조하기 위해서는, 우선 전극 조립체 및 전해액을 전지 케이스에 수납하여 충방전이 가능한 이차 전지가 마련된다(S110).

상기 전지 케이스는, 내부 수납 공간에 전극 조립체 및 전해액을 수용하기 위한 이차 전지의 외장재로서, 다양한 형태 및 재질로 구성될 수 있다. 전지 케이스의 대표적인 예로서는 금속 재질의 전지 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치를 들 수 있다.

상기 전극 조립체는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성된다. 전극 조립체의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 집전체에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있으며, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 리드가 부착될 수 있다. 한편, 이러한 전극 조립체는 젤리 롤 형태로 권취된 상태로 또는 다수의 층으로 적층된 상태로 전지 케이스에 수납될 수 있다.

상기 전해액은 전극 조립체와 함께 전지 케이스에 밀봉 수납된다. 전해액은 혼합 유기 용매에 리튬염과 같은 용질이 용해된 것으로서, 양극판과 음극판 사이에서 이온이 이동될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은 특정 종류의 이차 전지를 제조하는 방법으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명에 의하여 제조되는 이차 전지는 전지 케이스, 전극 조립체 및 전해액 등에 대하여 다양한 재질이나 종류, 형태 등을 가질 수 있다.

상기 S110 단계에서 충방전이 가능한 이차 전지를 제조하는 방법에는 다양한 방법이 이용될 수 있으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지 제조 방법이 채용될 수 있다.

이와 같이, 상기 S110 단계에서 충방전이 가능한 이차 전지가 마련되면, 다음으로, 이차 전지는 그 충전 상태(State Of Charge; SOC)가 0이 될 때까지 방전된다(S120). SOC는 이차 전지의 만충전 용량에 대한 잔량을 백분율로 표시하는 형태가 일반적인데, 이차 전지는 제조 단계에서 테스트 및 활성화 등을 위해 충방전 과정을 거칠 수 있으며, 제품화되어 출시될 때에는 30% SOC와 같이 어느 정도 충전된 상태를 갖는다. 하지만, 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, SOC가 0이 될 때까지 이차 전지를 방전시키는 단계(S120)를 거친다.

이와 같이 이차 전지가 SOC가 0이 될 때까지 완전히 방전되면, 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은 여기에서 그치지 않고, 이차 전지를 과방전시킨다(S130). 즉, SOC가 0인 이차 전지를 계속 방전시켜 이차 전지가 과방전되도록 한다.

이때, 상기 S130 단계는, 0.1 내지 1 씨-레이트(C-rate)로 이차 전지가 방전되도록 하는 것이 좋다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 C-rate로 한정되는 것은 아니며, 다른 C-rate로 이차 전지의 과방전이 수행되어도 좋다.

또한, 상기 S130 단계는, 이차 전지의 전압이 0.5V 이하가 될 때까지 방전되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 S120 단계에서 SOC가 0인 이차 전지의 전압은 2.8V 정도의 전압값을 가질 수 있는데, 상기 S130 단계에서는 이러한 이차 전지에 대하여 0.1 C-rate로 과방전시켜 0.5V 정도의 전압을 가지도록 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, SOC가 0인 상태에서 이차 전지를 더욱 방전시키는데, 이와 같은 과방전을 통해 이차 전지의 용량이 향상될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 S130 단계에서 과방전된 이차 전지를 충전되지 않은 상태로 일정 시간 동안 보관되도록 하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 S140 단계는, 상기 S130 단계에서 과방전된 이차 전지가 과방전된 상태 그대로 일정 시간 보관되도록 한다.

이때, 상기 S140 단계는, 40℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 좋다. 즉, 과방전된 이차 전지는 40℃ 이하의 온도 환경에서 일정 시간 동안 보관되는 것이 좋다. 예를 들어, 상기 S140 단계에서, 이차 전지는 과방전 상태로 40℃ 또는 25℃의 온도에서 일정 시간 동안 보관될 수 있다.

또한, 상기 S140 단계는, 14일 이상 수행되는 것이 좋다. 즉, 과방전된 이차 전지는 충전되지 않고 과방전된 상태 그대로 14일 이상 보관되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 과방전된 이차 전지는 과방전 상태로 28일 이상 보관되는 것이 좋다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 즉, 실시예를 통해 본 발명과 같이 이차 전지를 과방전시킨 후, 일정 시간 동안 보관할 때, 이차 전지의 용량이 증대되는 효과를 살펴보도록 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

실시예 1

충방전이 가능하도록 제조된 일정한 리튬 이차 전지에 대하여 용량을 측정한 후 그 결과를 표 1에 나타내었다. 그리고, 그 이차 전지를 전압이 2.8V가 될 때까지 방전시켜 SOC가 0이 되도록 하였다. 다음으로, SOC가 0이 된 이차 전지를 전압이 0.5V가 될 때까지 0.1 C-rate로 과방전시켰다. 그리고 나서, 이와 같이 과방전된 이차 전지를 40℃에서 14일간 보관한 후, 전지 용량을 측정하여 표 1에 나타내었다.

실시예 2

충방전이 가능하도록 제조된 일정한 리튬 이차 전지에 대하여 용량을 측정한 후, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 그리고, 이차 전지를 전압이 2.8V가 될 때까지 방전시켜 SOC가 0이 되도록 하였다. 다음으로, SOC가 0이 된 이차 전지를 그 전압이 0.5V가 될 때까지 0.1 C-rate로 과방전시켰다. 그리고 나서, 이와 같이 과방전된 이차 전지를 40℃에서 28일간 보관한 후, 그 용량을 측정하여 표 1에 나타내었다.

실시예 3

충방전이 가능하도록 제조된 일정한 리튬 이차 전지에 대하여 용량을 측정한 후, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 그리고, 이차 전지를 전압이 2.8V가 될 때까지 방전시켜 SOC가 0이 되도록 하였다. 다음으로, SOC가 0이 된 이차 전지를 그 전압이 0.5V가 될 때까지 0.1 C-rate로 과방전시켰다. 그리고 나서, 이와 같이 과방전된 이차 전지를 25℃에서 28일간 보관한 후, 그 용량을 측정하여 표 1에 나타내었다.

표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 각 실시예의 경우 충방전이 가능하도록 제조된 이차 전지에 대하여 과방전 단계 및 일정 기간 보관 단계를 거친 이후에 전지 용량이 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 2 및 실시예 3과 같이 40℃ 이하에서 28일 가량 보관한 경우 약 1.3%의 전지 용량이 증가하는 것으로 나타났다. 이차 전지를 제품으로 출하하기 전에 일정 기간 보관 단계만 거치는 경우에는 그 용량이 줄어들거나 그대로 유지되는 것이 일반적일 것이나, 본 발명에 의할 경우, 이차 전지의 용량이 오히려 증가하는 것을 알 수 있다.

더욱이, 중대형 기기 또는 장비에 이차 전지를 사용하는 경우가 많아지면서, 다수의 이차 전지를 직렬 또는 병렬로 연결한 배터리를 이용하는 경우가 많은데, 이때에는 배터리에 포함된 이차 전지 각각의 용량 증가로 배터리 전체적으로는 상당한 용량 증대 효과를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 이차 전지는, 상술한 이차 전지 제조 방법에 의하여 제조된 이차 전지이다. 즉, 본 발명에 따른 이차 전지는 전지 케이스에 전극 조립체 및 전해액이 수납되어 충방전이 가능하도록 제조된 후, 과방전되는 단계를 거친 이차 전지이다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 이차 전지 제조 방법에 의하여 제조된 이차 전지를 포함하는 배터리 팩이다. 이러한 배터리 팩에는 하나 또는 그 이상의 이차 전지가 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 배터리 팩에는 이차 전지 이외에도, 이차 전지에 연결되어 이차 전지의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 BMS(Battery Management System)와 같은 배터리 관리 시스템이나 각종 배터리 팩 보호 장치 등이 포함될 수 있다.

이상과 같이, 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.

Claims (8)

1. 이차 전지를 제조하는 방법에 있어서,
   전지 케이스에 전극 조립체 및 전해액을 수납하여 충방전이 가능한 이차 전지가 마련되는 단계;
   상기 이차 전지의 충전 상태가 0이 될 때까지 방전되는 단계;
   충전 상태가 0인 이차 전지가 과방전되는 단계; 및
   상기 과방전된 이차 전지가 충전되지 않고 일정 시간 동안 보관되는 단계를 포함하고,
   상기 보관 단계는, 40℃ 이하의 온도에서 14일 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 과방전 단계는, 0.1 내지 1 C-rate로 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 과방전 단계는, 상기 이차 전지의 전압이 0.5V 이하가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
7. 삭제
8. 삭제

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