KR101609423B1 - 각형 이차 전지 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 기술은 각형 이차 전지의 함침성을 개선할 수 있는 이차 전지 제조 방법에 관한 것으로, 전해액이 주입된 전지를 1차 에이징하는 단계, 상기 1차 에이징된 전지의 충전상태를 변화시키는 단계, 충전상태가 변화된 전지를 2차 에이징하는 단계, 상기 2차 에이징된 전지를 포메이션(formation)하는 단계 및 상기 포메이션된 전지를 3차 에이징하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

각형 이차 전지 제조 방법{Manufacturing methods for Prismatic Secondary Battery}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정성 강화(SRS; Safety-reinforcing separators) 분리막이 적용된 각형 이차 전지의 함침성을 개선할 수 있는 이차 전지 제조 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 재료면에서 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높고, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있고 높은 집적도로 적층되어 제조되는 전지모듈의 전지로도 사용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높다.

이차 전지에서 전지반응이 일어나는 전극조립체는 일반적으로 양극 활물질이 도포된 양극판과 음극 활물질이 도포된 음극판 및 분리막에 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 이차 전지의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 젤리-롤형(권취형) 전극조립체와 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다. 따라서, 각형 전지는 젤리-롤형 전극조립체나 스택형 전극조립체를 각형 금속 케이스에 수납함으로써 제조된다. 또한 최근에는 안정성 강화(SRS; Safety-reinforcing separators) 분리막이 각형 이차 전지에 적용되어 사용되고 있다.

그런데 이러한 SRS가 적용된 각형 이차 전지의 경우 다른 모델들과 비교하여 공정 용량의 표준편차가 약 2.5 ∼ 6배 수준으로 크며, 공정 용량 불량률이 3 ∼ 10배 이상 높게 발생하고 있다.

또한, SRS가 적용된 각형 이차 전지의 경우 함침성이 부족하여 용량 선별력이 낮아지고 이로 인해 직행 수율 감소 및 충방전기 용량 부족의 문제가 발생하고 있다.

본 발명의 실시예는 SRS가 적용된 각형 이차 전지에 대한 활성화 공정을 개선하여 전지의 함침성을 개선하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법은 전해액이 주입된 전지를 1차 에이징하는 단계, 상기 1차 에이징된 전지의 충전상태를 변화시키는 단계, 충전상태가 변화된 전지를 2차 에이징하는 단계, 상기 2차 에이징된 전지를 포메이션(formation)하는 단계 및 상기 포메이션된 전지를 3차 에이징하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법은 상기 3차 에이징된 전지를 출하 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예는 SRS가 적용된 각형 이차 전지의 함침성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 공정을 설명하는 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 안정화 및 활성화 공정의 진행 과정을 나타낸 그래프.
도 3은 본 실시예에 따른 추가 충전을 진행한 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서의 중심용량의 변화 정도에 대한 테스트 결과를 보여주는 도면.
도 4는 본 실시예에 따른 추가 충전을 진행한 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서의 용량 산포의 변화 정도에 대한 테스트 결과를 보여주는 도면.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 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 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 공정을 설명하는 공정 순서도이다.

이차 전지 제조 과정은 우선 젤리-롤형 전극 집전체 또는 스택형 전극 집전체를 각형 금속 케이스에 수납하는 공정을 수행한다(S100).

전극 집전체는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판의 전기적 절연을 위하여 물리적인 이격 공간을 형성하기 위한 분리막 또는 세퍼레이터(separator) 등으로 이루어진 구조체를 포함한다. 이때, 분리막은 안정성 강화(SRS; Safety-reinforcing separators) 분리막을 포함한다. 전극 집전체는 실시형태에 따라 추가적인 구성이 채용될 수 있으나, 설명의 편의 및 본 발명의 기술 사상을 효과적으로 전달하기 위하여 전극 집전체를 양극판, 음극판 및 분리막으로 이루어지는 구성으로 단순화하여 설명한다.

전극 집전체가 전지 케이스에 수납되면, 전지 케이스에 전해액을 주입하는 공정이 수행된다(S110).

전해액은 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 음극활물질, 예를 들어 카본 입자 내에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달할 수 있도록 하는 매개체로서의 기능을 수행한다. 이와 같이 전해액이 주입된 후 케이스 외장재를 소정의 방법으로 실링하게 되면 기본적인 이차 전지 구조가 형성된다.

전해액 주입 공정이 완료되면, 전해액의 함침이나 성능의 안정화시키고 이차 전지를 활성화시키기 위한 공정을 진행한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 안정화 및 활성화 공정의 진행 과정을 나타낸 그래프이다. 이후의 공정들에 대해서는 도 2를 추가적으로 참조하여 그 과정들을 보다 상세하게 설명한다.

전해액 주입 공정이 완료되면, 이차 전지의 충전량이 설계 용량의 10% ∼ 15% 정도가 되도록 초기 충전을 진행한 후 이차 전지의 안정화를 위해 상온(대략 19℃ ∼ 25℃)에서 일정 시간 동안 전지를 노출(방치)시키는 1차 에이징(aging) 공정을 진행한다(S120).

초기 충전시 전지의 전압은 3.5V 정도가 되도록 하며, 1차 에이징은 대략 12시간 미만 동안 진행하는 것이 바람직하다.

1차 에이징이 완료되면, 추가 충전 공정을 진행하여 전지의 충전상태를 변화시킨다(S130).

예컨대, 0.2C ∼ 0.5C의 전류 밀도로 전지의 충전량이 설계 용량의 30% ∼ 70% 정도가 되도록 전지의 충전 수준을 높인다. 이러한 추가 충전에 의해 전지의 전압 레벨이 높아지는데, 전압 레벨이 출하 충전에 의한 전압 레벨보다는 낮아지도록 하는 것이 바람직하다.

추가 충전이 완료되면, 전지를 상온에서 일정 시간 동안 다시 방치시키는 2차 에이징 공정을 진행한다(S140).

2차 에이징 공정은 대략 3일 정도 진행하는 것이 바람직하다.

2차 에이징 공정이 완료되면, 이차 전지를 활성화시키기 위한 포메이션(formation) 공정을 진행한다(S150).

포메이션 공정은 불량 여부를 판정하고 이차 전지로서의 기능 활성화를 실현하며 이차 전지의 수명 안정성을 확보하기 위한 것으로, 정전류(CC; Constant Current) 또는 정전압(CV; Constant Voltage)으로 충전과 방전을 진행된다. 본 실시예에서는 1 스텝(step) 충전 방식으로 이차 전지를 1회 풀(full) 충전한 후 풀 방전시킨다.

포메이션 공정이 완료되면, 이차 전지를 상온에서 일정 시간 동안 다시 방치시키는 3차 에이징 공정을 진행한다(S160).

3차 에이징 공정은 대략 5일 정도 진행되는 것이 바람직하다. 또한 불량전지를 찾아내 제거하기 위해 3차 에이징 공정을 진행하는 도중에 OCV(Open Circuit Voltage)를 측정하고 3차 에이징 공정이 완료된 후 OCV를 다시 측정하여 그 전압의 변화를 확인할 수 있다.

3차 에이징 공정이 완료되면, 이차 전지를 출하 충전한다(S170).

이는 입고(入庫) 상태의 전지 전압 유지를 위해 일정 전위로 충전하는 것이다. 예컨대, 전지를 설계 용량의 50%의 범위로 충전한다.

도 3 및 도 4는 각각 본 실시예에 따른 추가 충전을 진행한 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서의 중심용량 및 용량 산포의 변화 정도에 대한 테스트 결과를 보여주는 도면이다. 도 3 및 도 4에서 (a) 도면은 추가 충전을 진행하지 않은 경우이며 (b) 도면은 추가 충전을 진행한 경우를 나타낸다.

도 3에서와 같이, 초기 충전 후 에이징 도중에 30% 수준으로 추가 충전을 진행하여 이차 전지의 충전 수준을 증가시켜 줌으로써 중심용량이 증가하였음을 알 수 있다. 또한 도 4에서와 같이 중심 산포가 개선됨을 알 수 있다.

이처럼 초기 충전 후 에이징 도중에 추가 충전을 진행하여 이차 전지의 충전 수준을 향상시킴으로써 용량 산포가 개선되고 용량 평균값이 높아지며 이를 통해 그러한 추가 충전이 이차 전지의 함침성을 개선하는데 매우 효과적이라는 것을 알 수 있다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (10)

1. 전해액이 모두 주입된 전지를 1차 충전하는 단계;
   상기 1차 충전된 전지를 상온에서 1차 에이징하는 단계;
   상기 1차 에이징된 전지의 전압 레벨을 높이는 2차 충전을 수행하는 단계;
   상기 2차 충전된 전지를 2차 에이징하는 단계;
   상기 2차 에이징된 전지를 포메이션(formation)하는 단계; 및
   상기 포메이션된 전지를 3차 에이징하는 단계를 포함하는 이차 전지 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 3차 에이징된 전지를 출하 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 1차 에이징 단계는
   상온에서 12시간 미만 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 1차 충전 단계는
   상기 전지의 충전량이 설계 용량의 10% ∼ 15%인 상태가 되도록 충전하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서, 상기 2차 충전을 수행하는 단계는
   상기 전지의 충전량이 설계 용량의 30% ∼ 70%가 되도록 충전량을 높이는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 2차 충전을 수행하는 단계는
   0.2C ∼ 0.5C의 전류 밀도로 충전을 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 2차 에이징 단계는
   상온에서 3일 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전지를 포메이션(formation)하는 단계는
   상기 전지를 1회 풀(full) 충방전하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 전지를 포메이션(formation)하는 단계는
    상기 전지를 1 스텝(step) 충전 방식으로 충방전하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.

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