KR101644116B1 - 이차전지의 멀티셀 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 멀티셀 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 복수의 셀이 각기 수납되는 셀 고정 지그; 상기 셀 고정 지그가 수용되며 진공압력 조건을 제공하는 진공 챔버; 상기 복수의 셀을 각기 천공시키는 피어싱부; 천공된 부위를 밀봉하는 씰링부; 상기 진공 챔버에 연결되어 진공압력을 형성하는 진공 펌프 및 진공배관으로 구성되는 진공부; 상기 진공 펌프의 구동을 제어하여 진공압력을 조절하는 진공 콘트롤러;를 포함하여 구성된다.

Description

이차전지의 멀티셀 제조방법 {Multi-cell manufacturing method of the secondary battery}

본 발명은 이차전지의 멀티셀 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1개의 진공 챔버에 2개 이상의 2차 전지 셀을 투입하여 가스를 제거하는 디개싱(Degassing) 공정을 포함하는 이차전지의 멀티셀 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 급속도로 증가되고 있는 전기차 및 하이브리드 차량에 대응하여 리튬 이온 배터리의 수요가 급속히 증가하고 있는 실정이며, 국내외 EV용 배터리 생산 업체를 중심으로 리튬이온 배터리의 생산 설비 투자가 활발하게 이루어지고 있다.

특히 리튬 이온 2차 전지의 제조공정 중에서 배터리를 활성화 시키는 충전, 방전 시험 후, 파우치 내의 가스를 제거하는 디개싱(Degassing) 공정은 라인의 생산 능력과 제품의 품질을 결정하는 중요한 공정이나 현재 판매되는 장비의 대부분은 생산성이 낮은 설비로, 유저의 요구를 충족하지 못하고 있는 실정이며 현장에서는 설비 가격 대비 더 많은 생산성을 가진 설비를 강력히 요구하고 있다.

국내 및 외산 디개싱 설비는 진공 챔버를 사용하여 1개의 챔버에 1개의 셀(cell)을 투입하고 디개싱 후 씰링 작업을 수행하고 있다.

2차 전지를 생산하는 기업들은 생산 라인의 확충 및 효율적인 설비 투자를 위하여 디개싱 설비 능력 향상을 꾸준히 요구하고 있으나 현재의 방식으로는 설비능력 향상에 어렵고 새로운 컨셉의 디개싱 공정 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 기존의 방식과 다른 1개의 챔버에 4개의 셀을 처리함으로서, 기존 설비대비 약 4배의 성능 향상을 꾀하고자 하였다. 즉 1개의 멀티 셀 처리 챔버로 기존 5개의 챔버를 구비한 디개싱 설비와 같은 능력을 구현함으로서 가격 대비 우월한 생산 능력과 작업 공간 효율의 최적화로 2차 전지 생산 능력을 극대화할 수 있다. 본 기술 개발과 같은 멀티 셀 처리방식의 디개싱 설비는 국내는 물론 해외 장비에서도 없는 방식이다.

1개의 챔버에 4개의 셀을 처리하는 본 기술 개발은 기존의 방식 대비 진공 챔버내의 진공 유지 측면에서 훨씬 불리하며, 또한 기밀 유지 실패시 진공 도달 시간의 증가로 인하여 오히려 트랙 타임이 늘어질 위험성이 있다.

또한 4개의 셀을 동시에 로딩/언로딩 해야 하기 때문에 셀 파우치의 정확한 핸들링 기술이 필요하며, 디개싱 후 씰링 공정 시에도 균일한 씰링 두께를 유지하기 위해 고정도의 위치제어 및 설계, 가공 기술이 필요하다.

멀티 셀을 1개의 진공 챔버 내에서 동시에 작업하는 것은 기술적으로 해결해야할 여러 어려움이 있으나, 본 발명은 3ppm 설비의 개발 및 공정 적용 노하우를 충분히 살려 이를 극복할 수 있다.

이에 본 발명의 일 실시예는 1개의 챔버에 4개의 셀을 처리함으로서, 기존 설비대비 약 4배의 성능 향상을 꾀하고자 하였다. 즉 1개의 ?티 셀(Multi cell) 처리 챔버로 기존 5개의 챔버를 구비한 디개싱 설비와 같은 능력을 구현함으로서 가격 대비 우월한 생산 능력과 작업 공간 효율의 최적화로 2차 전지 생산 능력을 극대화할 수 있도록 하는 이차전지의 멀티셀 제조장치 및 제조방법에 관련된다.

본 발명의 일 실시예는, 복수의 셀이 각기 수납되는 셀 고정 지그; 상기 셀 고정 지그가 수용되며 진공압력 조건을 제공하는 진공 챔버; 상기 복수의 셀을 각기 천공시키는 피어싱부; 천공된 부위를 밀봉하는 씰링부; 상기 진공 챔버에 연결되어 진공압력을 형성하는 진공 펌프 및 진공배관으로 구성되는 진공부; 상기 진공 펌프의 구동을 제어하여 진공압력을 조절하는 진공 콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 멀티셀 제조장치 및 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면 1개의 챔버에 4개의 셀(cell)을 처리할 수 있어 기존 설비대비 약 4배의 성능 향상이 가능해질 수 있다.

즉 1개의 ?티 셀(Multi cell) 처리 챔버로 기존 5개의 챔버를 구비한 디개싱 설비와 같은 능력을 구현함으로서 가격 대비 우월한 생산 능력과 작업 공간 효율의 최적화로 2차 전지 생산 능력을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치를 나타낸 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치의 '셀 고정 지그'를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치의 '진공 챔버'를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치의 '셀 로딩장치'를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조공정을 나타낸 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로서, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아니다.

첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치를 나타낸 평면도, 도 2는 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치의 '셀 고정 지그'를 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치의 '진공 챔버'를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치의 '셀 로딩장치'를 나타낸 사시도, 도 5는 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조공정을 나타낸 흐름도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지의 멀티셀 제조장치는, 복수의 셀이 각기 수납되는 셀 고정 지그(2); 상기 셀 고정 지그(2)가 수용되며 진공압력 조건을 제공하는 진공 챔버(4); 상기 복수의 셀을 각기 천공시키는 피어싱 나이프(32) 및 피어싱 유닛(3)으로 구성된 피어싱부; 천공된 부위를 밀봉하는 씰링바(9)와 씰링유닛(5)으로 구성된 씰링부; 상기 진공 챔버(4)에 연결되어 진공압력을 형성하는 진공 펌프 및 진공배관으로 구성되는 진공부; 상기 진공 펌프의 구동을 제어하여 진공압력을 조절하는 진공 콘트롤러;를 포함하여 구성된다.

셀은 EV용 2차 전지에 사용되며, 전기차 및 하이브리드 차량의 전원공급용 Battery pack의 기본 단위로서 충·방전 리튬 이온 전지를 말한다,

상기 셀 고정 지그(2)는 하부의 받침대(22); 받침대(22)의 상면에 양측에 수직되게 형성된 외벽(24); 상기 외벽(24) 사이에 수직되게 형성되며 소정의 간격으로 이격되어 설치되는 복수의 격벽(26);을 포함하고, 상기 격벽(26)들 사이에는 셀이 삽입되는 슬릿(28)이 형성되어 이루어진다.

상기 진공 챔버(4)는 EV 셀(Cell)의 디개싱 작업을 수행하는 곳으로 셀 내부의 가스 제거 및 셀 파우치의 실링작업을 수행한다.

진공 챔버(4)는 내부에 공간을 갖는 박스 형상이며, 전면에는 커버판이 탈착 가능하게 결합되고, 내측에는 셀 고정 지그(2)를 거치시키도록 다수의 거치대(42)가 형성된다.

다수의 거치대(42)는 가로방향으로 일정 간격 이격되어 형성된다.

한편 상기 진공 챔버(4)로 셀을 이동하여 셀 고정 지그(2)에 로딩하는 셀 로딩장치(6);를 포함하여 구성된다.

상기 셀 로딩장치(6)는 액츄에이터(62)가 형성된 바디(66); 상기 바디(66)의 일측에 결합되며 협지작동되는 그리퍼(64);를 포함한다.

따라서 본 발명은 1개의 진공 챔버(4)에서 4개의 2차 전지 cell을 동시 작업할 수 있는 멀티 셀 처리 진공 챔버를 개발할 수 있다.

4개의 셀을 동시에 씰링할 수 있는 멀티 씰링 시스템을 개발할 수 있다.

4개의 셀을 공급 트레이에서 진공 챔버로 이송시켜주는 멀티 셀 핸들링 시스템을 개발할 수 있다.

4개 셀을 동시에 처리하는 진공 챔버 1set를 사용하여 4ppm(package/min)의 프리 디개싱 장치를 개발할 수 있다.

최적의 작업 환경을 위한 유저 인터페이스 S/W 및 생산관리 S/W를 개발할 수 있다.

EV용 리튬 2차 전지의 제조공정은 전극제조공정, 조립제조공정, 포메이션(Formation) 공정으로 나누어진다. 리튬 2차 전지는 전극을 만드는 제조공정 및 전극과 Al 파우치를 제작, 조립하는 조립공정을 거친 후, 충전과 방전을 통해 Cell의 활성화 및 완제품으로 제작, 검사하는 포메이션(Formation) 공정으로 나누어진다.

포메이션 공정에서 디개싱 및 사이드 실링 프로세스(Degasing & Side Sealing process)는 프리 차지(pre-charge) 후 SEI막 형성에 따른 가스 발생과 알루미늄 파우치(Al Pouch)의 사이드 부분 절단 및 진공에 의한 가스 제거를 위한 공정으로 전지 내부 계면 뜸 현상을 억제하고 사이클 및 스웰링(swelling) 특성향상을 그 목적으로 한다. 공정 순서로는 셀 디개싱(Cell Degassing)-셀 씰링(Cell Sealing)- 파우치 커팅(Pouch Cutting)-셀 이동 순이다.

트리밍 및 폴딩 프로세스(Trimming & Folding Process)는 씰링(Sealing)공정이 완료된 리튬 이온폴리머전지의 알루미늄 파우치의 사이드 부분을 절단한 다음 폴딩하는 공정으로서 생산성과 품질, 치수의 중요한 요소를 가진다. 그 방식으로는 대형제품에 적용되는 No Folding, IT와 중대형에 적용되는 Single Folding, IT에 적용되는 더블 폴딩(Double Folding)이 있다.

포메이션 공정에서 가장 중요한 공정은 디개싱 공정이다. 충·방전 시험을 완료한 셀은 트레이에 담겨 물류 콘베이어를 통해 디개싱 설비로 입고되며, 디개싱 설비내에 있는 로봇에 의해 진공 챔버로 1개씩 투입되어 작업을 수행한다.

디개싱(Degassing) 장치는 2차 전지 셀 포밍(Cell Forming) 공정에서 셀(Cell) 내부의 가스를 빼기 위한 설비로써 2차 디개싱 설비(프리 디개싱 및 메인 디개싱 공정)의 가스 배출 효율 및 완성도를 높이기 위한 설비이다.

본 발명의 작동은 도 5에 도시된 바와 같다.

다수의 셀을 고정하는 셀 고정 지그(2)에 셀을 안착시킨 후 셀 고정 지그(2)를 진공 챔버(4) 안으로 투입한다(S1).

셀이 진공 챔버(4) 안으로 투입되면 셀의 상면에 4개의 칼날로 천공을 한다(S2).

이후 셀 고정 지그(2) 측면에 장착된 판으로 셀을 두드린다(S3).

이후 진공을 시작한다(S4).

1차 진공 후 정해진 압력에 도달하면 진공 펌프의 동작을 멈추고 다시 셀을 두드린다(S5).

이후 2차 진공을 시작한다(S6).

4회의 진공 및 셀을 두드리는 동작을 반복한 후 셀의 상면을 씰링 바를 이용하여 씰링한다(S7).

씰링이 완료된 후 셀을 배출 시키기 위해 챔버 안의 압력을 대기압과 동일하게 해주기 위해 퍼지를 실행하며, 진공 챔버 내의 압력이 대기압과 동일하게 되면 셀을 배출한다(S8).

한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타실 시 예로 변경할 수 있으므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

2 : 셀 고정 지그 4 : 진공 챔버
3 : 피어싱 유닛 5 : 씰링유닛
22 : 받침대 24 : 외벽
26 : 격벽 28 : 슬릿
42 : 거치대 62 : 액츄에이터
64 : 그리퍼 66 : 바디

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 다수의 셀을 고정하는 셀 고정 지그(2)에 셀을 안착시킨 후 셀 고정 지그(2)를 진공 챔버(4) 안으로 투입하는 1공정(S1);
   셀이 진공 챔버(4)안으로 투입되면 셀의 상면에 4개의 칼날로 천공을 하는 2공정(S2);
   셀 고정 지그(2) 측면에 장착된 판으로 셀을 두드리는 3공정(S3);
   진공을 시작하는 4공정(S4);
   1차 진공 후 정해진 압력에 도달하면 진공 펌프의 동작을 멈추고 다시 셀을 두드리는 5공정(S5);
   2차 진공을 시작하는 6공정(S6);
   4회의 진공 및 셀을 두드리는 동작을 반복한 후 셀의 상면을 씰링 바를 이용하여 씰링하는 7공정(S7);
   씰링이 완료된 후 셀을 배출 시키기 위해 챔버 안의 압력을 대기압과 동일하게 해 주기위해 퍼지를 실행하며, 진공 챔버 내의 압력이 대기압과 동일하게 되면 셀을 배출하는 8공정(S8);
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 멀티셀 제조방법.

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