KR101491208B1

KR101491208B1 - 가압챔버

Info

Publication number: KR101491208B1
Application number: KR20120092461A
Authority: KR
Inventors: 박준화; 김정수; 여창신; 남상봉; 이은정; 김학균; 이향목; 정재철
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2015-02-06
Also published as: KR20140026807A

Abstract

본 발명은 이차전지의 전해 주액 시 함침성 향상을 위해 셀의 내부에 가압을 수행하는 가압챔버에 관한 것으로, 특히 수용공간을 형성하는 상부챔버와 상기 상부챔버의 제1테두리부와 결합하는 제2테두리부를 구비하는 하부챔버를 포함하되, 상기 제1테두리부의 말단부에 가압되는 실링몸체와 상기 실링몸체의 측면에 절곡패턴이 형성되는 제1실링부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.

Description

가압챔버{Boost chamber for Secondary battery}

본 발명은 이차전지의 전해 주액 시 함침성 향상을 위해 셀의 내부에 가압을 수행하는 가압챔버에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북 컴퓨터, 휴대용 게임기와 같은 휴대용 전자기기의 급속한 확산과 수요 덕분에 이들의 공급 장치로 사용되는 리튬 이온 이차전지에 대한 수요 또한, 증가하고 있고 고성능 및 대용량의 리튬 이차전지에 대한 필요성 또한 대두하고 있다. 이러한 요구에 발맞춰 높은 방전 전압과 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전지는 광의적으로 양극과 음극, 전해액으로 나눠질 수 있으며 협의적으로 분리막, 외장재 등의 구성 요소도 포함된다. 일반적인 리튬 이온 전지의 조립은 양극, 음극 및 분리막을 서로 번갈아가며 겹친 후, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 혹은 파우치(pouch)에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입함으로써 이루어진다. 이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며들게 된다.

리튬 이차전지에서 사용하는 전해액은 리튬 이차전지 제조의 마지막 단계에 전지에 투입되어 전극의 활물질에 신속히 함침(wetting)되야 하는데 활물질의 불균일성으로 말미암아 전해액에 의한 습윤도 불균일해지고 전지의 임피던스가 증가하여 활물질이 침지되기 어려워 전지성능이 떨어지는 문제가 있다.

전지의 양극 활물질로는 리튬코발트옥사이드(LiCoO2) 등과 같은 금속 산화물을, 음극 활물질로는 흑연(graphite) 등과 같은 탄소재를 사용하며 전해액은 에틸렌 카본네이트(EC)와 프로필렌 카본네이트(PC) 등의 환형 카본네이트와 디메틸 카본네이트(DMC), 디에틸 카본네이트(DEC) 등의 다성분계 유기용매를 사용한다.

그러나 재료의 특성상, 양극, 음극 및 분리막 모두 소수성이 큰 물질이지만, 전해액은 친수성(hydrophilicity) 물질이기 때문에, 전해액의 전극 및 분리막에 대한 함침특성(wetting)은 상당한 시간 및 까다로운 공정 조건이 요구된다.

그리고 상기 용매들을 이용한 리튬 이온 전지의 용량은 상당히 작고 저온특성, 과충전 안정성 및 사이클 수명특성에 있어서 해결되어야 할 많은 문제점이 있다. 또한, 전지의 고용량화는 지속적인 요구 사항이 되고 있으며, 이를 구현하는 한 가지 방법은 양극, 음극 및 분리막 등을 좀 더 콤팩트하게 패킹하는 것인데 이와 같은 경우에는 전해액 주입의 문제가 수반된다.

즉, 근본적인 친수성 차이 이외에도, 전해액이 침투할 부피가 감소함에 따라 전해액이 전지 내부까지 들어가지 못하고 외부에 국부적으로만 존재할 가능성이 크게 된다. 이렇게 제조된 전지는 전지 내부에서 부분적으로 전해액의 양이 충분하지 않게 되어 전지용량 및 성능이 많이 감소하게 된다. 전지에 적용되는 많은 고기능성 물질의 경우 점도가 높고 이에 대한 전지의 젖음성이 낮아서 전해액의 형태로는 주입이 어려운 경우가 많다. 그 이외에도, 전해액 주입 공정 개선과 관련된 내용들이 여러 편 발표되고 있으나, 모두 근본적인 해결책을 제시하지는 못하고 있는 상황이다.

이에 이차전지의 전해액의 주액시 함침성을 향상시키기 위해 이차전지 셀의 내부에 가압이 가능하도록 가압챔버를 이용하고 있다.

도 1은 이러한 가압챔버의 구조 중 측면 일부를 도시한 단면 개념도로, 이러한 가압챔버는 상부챔버(10)와 하부챔버(20)이 결합하여 내부에 가압공간을 형성하고, 가압공간 내에 이차전지 셀을 투입하여 이차전지 셀의 내부와 외부를 동시에 가압할 수 있는 방식으로 설계되어 있다.

특히, 상기 상부챔버(10)와 하부챔버(20)의 결합부분의 단면을 도 1에서 도시하고 있으며, 이는 상부와 하부의 결합 개소에 O-링을 투입하여 결합부의 실링을 구현하고 있다. 도 2는 이러한 통상의 실링용 O-링의 평면도를 도시한 것이며, 도 1에서는 A-A'부분이 도시되고 있다.

그러나 통상의 적용되는 실링용 O-링은 가압 공정 중 실링력이 저하되는 문제가 발생하게 된다.

공개특허 제10-2011-0051354호

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2차 전지의 전해액 주액시 함침성 향상을 위해 이차전지 셀의 내부와 외부를 동시에 가압하는 가압챔버에서, 상부 챔버와 하부 챔버의 결합부에 실링 면적을 넓힐 수 있는 실링부재를 구비하여 실링력을 향상시킬 수 있는 가압챔버를 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 내부에 수용공간을 구비하여 이차전지 셀을 가압하는 가압챔버에 있어서, 상기 수용공간을 형성하는 상부챔버;와 상기 상부챔버의 제1테두리부와 결합하는 제2테두리부를 구비하는 하부챔버;를 포함하되, 상기 제1테두리부의 말단부에 가압되는 실링몸체와 상기 실링몸체의 측면에 절곡패턴이 형성되는 실링부재;를 더 포함하는 가압챔버를 제공할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 2차 전지의 전해액 주액시 함침성 향상을 위해 이차전지 셀의 내부와 외부를 동시에 가압하는 가압챔버에서, 상부 챔버와 하부 챔버의 결합부에 실링 면적을 넓힐 수 있는 실링부재를 구비하여 실링력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 이차전지의 셀의 가압챔버의 결합부분의 단면을 도시한 요부 단면도이다.
도 2는 이러한 통상의 실링용 O-링의 평면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 O-링이 적용된 가압챔버의 결합부를 도시한 요부 단면도이다.
도 4는 도 3에 적용되는 O-링의 절개 사시도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 O-링의 작용상태 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 3은 본 발명에 따른 O-링이 적용된 가압챔버의 결합부를 도시한 요부 단면도이며, 도 4는 도 3에 적용되는 O-링의 절개 사시도를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 가압챔버는 내부에 수용공간을 구비하여 이차전지 셀을 가압할 수 있도록 하되, 특히 상기 수용공간을 형성하는 상부챔버(10)와 상기 상부챔버의 제1테두리부(12)와 결합하는 제2테두리부(21)를 구비하는 하부챔버(20)를 포함하되, 상기 제1테두리부의 말단부에 가압되는 실링몸체와 상기 실링몸체의 측면에 절곡패턴이 형성되는 제1실링부재(200)를 더 포함하여 구성 되는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 가압챔버는 도 1 및 도 2에서 실링용 O-링 인 제2실링부재(100) 이외에 상기 하부챔버(20)의 제2테두리부(21)의 내측 면을 따라서 밀착하여 배치되는 상기 제1실링부재(200)는 도 4에 도시된 것과 같이, 실링몸체(A)의 측면에 절곡패턴이 형성되는 구조로 되어 있다.
한편, 상기 제1실링부재(200)는 중심부가 개구되는 오링(O-ring)의 구조로 구현될 수도 있다.

상기 절곡패턴(B)은, 상기 실링몸체(A)의 상부 면을 가압하는 경우, 가압하는 제1테두리부의 말단 쪽으로 절곡되는 제1윙부(210)와 상기 제1윙부(210)의 표면과 제1경사각(θ1)을 이루며 상지 제2테두리부의 내측 면에 밀착하는 제2윙부(220)를 포함하여 구성된다. 즉, 도시된 것과 같이, 절곡패턴(B)은 실링몸체(A)의 측면부를 "K" 자형의 돌출패턴으로 구현하는 것을 실시예로 한다.

이 경우, 특히 제1윙부(210)는, 상기 실링몸체의 상부표면이 이루는 수평면 이상으로 돌출되는 돌출부 구조로 구현될 수 있다. 상기 돌출부는, 상기 실링몸체의 표면과 이루는 둔각의 제2경사각(θ2)을 구비하는 구조로 구현됨이 바람직하다.

아울러, 상기 제1경사각(θ1) 또는 상기 제2경사각(θ2)은 직각 또는 둔각으로 구현될 수 있다.

특히, 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 절곡패턴의 제1윙부(210)의 경우, 상부챔버의 제1테두리부(12)가 상기 실링몸체(A)의 상부 면을 가압(X1)하는 경우, 가압하는 제1테두리부의 말단 쪽으로 절곡(X2)되면서, 실링력을 향상시킬 수 있도록 한다.

또한, 이 경우 상기 제1테두리부는, 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 하부챔버의 내부로 삽입되는 구조로 결합하는 상기 제1테두리부의 말단부(12)와 상기 말단부 상측에 측방향으로 돌출되어 상기 하부챔버(21)의 말단과 밀착하는 걸림턱(11)을 포함하는 구조로 구현될 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 상기 제2실링부재(100) 및 제1실링부재(200)는 탄성을 가지는 다양한 합성수지, , 합성 고무, 금속재질의 물질로 구현될 수 있으며, 일예로 TEFLON, EPDM(ethylene propylene diene M-class), PTFE(Polytetrafluoroethylene), NBR(acrylonitrile-butadiene rubber) 중 어느 하나의 물질로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1실링부재(200)는 가압시 상기 제1윙부(210)의 효율적인 절곡구조를 구현하기 위해, 상기 제1실링부재(200)는, 도 5에서 가압전(제1윙부(210)의 점선) 상기 제1테두리부(12)의 수직면으로부터 상기 절곡패턴(B)이 기울어지는 경도가 45도 ~55도인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가압장치는 독특한 구조의 실링력을 구현하는 O-링 구조물을 구비하여, 이차전지의 전해액 주입 후 가압을 구현하여 함침특성을 향상시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 가압챔버는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등에 적용될 수 있다.

특히, 이러한 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.

최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.

다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.

중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 상부챔버
12: 제1테두리부
20: 하부챔버
21: 제2테두리부
100: (제2)실링부재
200: (제1)실링부재
210: 제1윙부
220: 제2윙부

Claims

내부에 수용공간을 구비하여 이차전지 셀을 가압하는 가압챔버에 있어서,
상기 수용공간을 형성하는 상부챔버;와
상기 상부챔버의 제1테두리부와 결합하는 제2테두리부를 구비하는 하부챔버;를 포함하되,
상기 제1테두리부의 말단부에 가압되는 실링몸체와 상기 실링몸체의 측면에 절곡패턴이 형성되는 제1실링부재;
를 더 포함하는 가압챔버.
청구항 1에 있어서,
상기 제1실링부재는,
상기 하부챔버의 제2테두리부의 내측 면을 따라서 밀착하여 배치되는 가압챔버.
청구항 2에 있어서,
상기 제1실링부재는,
중심부가 개구되는 오링(O-ring)구조로 구현되는 가압챔버.
청구항 3에 있어서,
상기 절곡패턴은,
상기 실링몸체의 상부 면을 가압하는 경우,
가압하는 제1테두리부의 말단 쪽으로 절곡되는 제1윙부와;
상기 제1윙부의 표면과 제1경사각을 이루며 상지 제2테두리부의 내측면에 밀착하는 제2윙부;
를 포함하여 구성되는 가압챔버.
청구항 4에 있어서,
상기 제1윙부는,
상기 실링몸체의 상부표면이 이루는 수평면 이상으로 돌출되는 돌출부를 구비하는 구조로 형성되는 가압챔버.
청구항 5에 있어서,
상기 제1경사각은,
직각 또는 둔각인 가압챔버.
청구항 5에 있어서,
상기 돌출부는,
상기 실링몸체의 표면과 이루는 둔각의 제2경사각을 구비하는 구조인 가압챔버.
청구항 1 내지 7중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1테두리부는,
상기 하부챔버의 내부로 삽입되는 구조로 결합하는 상기 제1테두리부의 말단부;와
상기 말단부 상측에 측방향으로 돌출되어 상기 하부챔버의 말단과 밀착하는 걸림턱;
을 더 포함하는 가압챔버.
청구항 8에 있어서,
상기 가압챔버는,
상기 제1테두리부의 말단부의 외측면과 상기 하부챔버의 내측면 사이에 배치되는 제2실링부재를 더 포함하는 가압챔버.
청구항 9에 있어서,
상기 제2실링부재는,
상기 제2테두리부의 내측면을 따라서 밀착하여 배치되는 오링(O-ring)구조물인 가압챔버.
청구항 8에 있어서,
상기 제1실링부재는 탄성을 구비한 재질로 구성되는 가압챔버.
청구항 11에 있어서,
상기 제1실링부재는,
TEFLON, EPDM, PTFE, NBR 중 선택되는 어느 하나로 구성되는 가압챔버.
청구항 11에 있어서,
상기 제1실링부재는,
상기 제1테두리부로부터 상기 절곡패턴이 기울어지는 경도 경도가 45도 ~55도인 가압챔버.