KR101684321B1 - 열가소성 수지가 주입된 전지셀의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열가소성 수지가 주입된 전지셀 및 전지셀의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 충방전이 가능한 전지셀의 제조 방법으로서, (a) 상기 셀 케이스의 내부에 전극조립체를 투입하는 과정; (b) 상기 셀 케이스의 내부에 전해액을 주입하는 과정; (c) 상기 셀 케이스의 내부에 주입된 전해액이 전극조립체에 흡수된 후 셀 케이스의 빈 공간에 액상의 고분자 수지를 주입하는 과정; 및 (d) 상기 액상의 고분자 수지를 고화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법을 제공한다.

Description

열가소성 수지가 주입된 전지셀의 제조 방법 {Method of Battery Cell Impregnated with Thermoplastic Resin}
본 발명은 열가소성 수지가 주입된 전지셀의 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
그러나, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 특히, 외부로부터의 충격에 대한 안전성이 낮아 물리적 충격에 의해 전지셀의 안전성을 담보할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 전지셀 내부에서의 전극조립체의 스웰링으로 인한 부피팽창으로 변형이 발생하기 쉽다는 문제점도 있다.
따라서, 외부 및 내부의 물리적 충격에 대한 내구성 및 안전성이 우수한 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전극조립체를 사용하는 전지셀의 외부 및 내부 충격에 대한 안정성 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지셀의 셀 케이스 내부에서 전극조립체의 유동을 방지하는 액체 상태의 플라스틱을 셀 케이스 내부에 주입하여 고화시킨 전지셀로서, 고화된 플라스틱으로 인하여 셀 케이스 내부 및 외부로부터의 물리적 안정성을 개선시킨 이차전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀의 제조 방법은,
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 충방전이 가능한 전지셀의 제조 방법으로서,
(a) 상기 셀 케이스의 내부에 전극조립체를 투입하는 과정;
(b) 상기 셀 케이스의 내부에 전해액을 주입하는 과정;
(c) 상기 셀 케이스의 내부에 주입된 전해액이 전극조립체에 흡수된 후 셀 케이스의 빈 공간에 액상의 고분자 수지를 주입하는 과정; 및
(d) 상기 액상의 고분자 수지를 고화하는 과정;
을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀의 제조 방법은, 전극조립체를 셀 케이스의 내부에 투입하고 전해액을 주입하여, 전극조립체에 전해액이 흡수되게 한 후, 상기 열가소성 수지를 셀 케이스와 전극조립체 사이에 주입해서 고화시키는 과정을 포함할 수 있다. 상기와 같이 고화된 열가소성 수지는 셀 케이스 내부의 전극조립체의 이동과 진동을 억제하고 외부의 충격으로부터 보호하는 효과를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 제조 방법은, 전지셀의 셀 케이스 내부에서 전극조립체의 유동을 방지하고, 또한 외부 및 내부의 물리적 충격으로부터 안전성을 향상시킨 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 셀 케이스의 내부에 투입되는 전극조립체는 스택형, 스택/폴딩형, 젤리-롤형 등 한정되지 않고 다양한 구조의 전극조립체가 사용될 수 있다.
하나의 예로, 상기 전극조립체는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있으며, 상기 셀 케이스는 원통형 캔으로 이루어질 수 있고, 상기 캔의 개방 상단부에는 캡 어셈블리가 장착되는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 젤리-롤형 전극조립체가 원통형 캔에 대응하는 형태로 권취되어 삽입되며, 전해액과 열가소성 수지가 주입되는 과정을 수행하고, 캔의 개방 상단부를 밀봉하여 전지셀을 제조하게 된다.
한편, 상기 과정(c)와 과정(d) 사이에, 셀 케이스에 주입된 액상의 열가소성 수지가 셀 케이스 내면에 밀착되도록 셀 케이스를 회전시키는 과정을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 셀 케이스가 회전하면서 발생하는 원심력에 전극조립체에 흡수된 전해액이 영향을 받지 않는 속도로 셀 케이스를 회전시킴으로써, 전해액이 전극조립체에 흡수된 상태에서, 셀 케이스의 회전에 의해 액상의 열가소성 수지가 셀 케이스 내면에 고르게 분포되어 고화되는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에서, 상기 액상의 고분자 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지일 수 있다. 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지의 용융 온도는 50 내지 80℃일 수 있다.
상기 수지의 용융 온도가 너무 낮으면 셀 케이스 내부에 주입이 용이하지 않으며, 수지의 용융 온도가 너무 높으면 열에 의한 전해액의 기화, 전극조립체의 손상, 및 케이스의 변형과 같은 문제점이 발생할 수 있어서 바람직하지 않다. 상기 열경화성 수지의 예로 에폭시 수지를 들 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명은, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 충방전이 가능한 전지셀의 제조 방법으로서,
(a) 상기 셀 케이스에 액상의 고분자 수지를 주입하여 셀 케이스의 내면에 부착된 형태로 고화시키는 과정;
(b) 상기 고분자 수지가 고화된 후 전극조립체를 투입하는 과정; 및
(c) 상기 셀 케이스의 내부에 전해액을 주입하는 과정;
을 포함하는 전지셀의 제조 방법을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀의 제조 방법은, 상기 셀 케이스에 전극조립체를 투입하기 전에 셀 케이스 내부에 고분자 수지를 주입하여 고화시킨 과정을 포함하며, 따라서, 고분자 수지가 고화된 상태에서 전극조립체를 투입하고 전해액을 주입하므로, 전해액이 액상의 고분자 수지와 혼합을 방지하는 과정으로 제조될 수 있다.
상기 전극조립체는 예를 들어, 젤리-롤형, 스택형, 또는 스택/폴딩형일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀은 장방형의 판상형 전지셀일 수 있다.
이 때, 상기 전지셀은, 셀 케이스가 각형 캔으로 이루어져 있고, 캔의 개방 상단부에 캡 어셈블리가 장착되는 구조로 이루어지는 각형 전지셀일 수 있다.
또한, 상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 및 전해액을 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 열융착하여 실링한 구조로 이루어지는 파우치형 전지셀일 수 도 있다.
상기 제조 방법에서, 상기 과정(a)는 상기 셀 케이스에 액상의 고분자 수지를 주입하여 셀 케이스의 내면에 부착된 형태로 고화시키는 과정으로서, (i) 상기 전극조립체와 동일하거나 그보다 크고 셀 케이스보다 작은 크기를 가진 보조 부재를 셀 케이스의 중앙에 배치하는 과정; (ii) 상기 셀 케이스의 내면과 보조 부재 사이에 액상의 고분자 수지를 주입시켜 고화하는 과정; 및(iii) 상기 보조 부재를 제거하는 과정으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 셀 케이스에 액상의 고분자 수지를 주입하면 액상의 고분자 수지가 케이스 하부에 몰리는 문제가 발생하므로 고분자 수지를 균일한 두께로 고화시키기 위해서 전극조립체와 동일하거나 그보다 크고 셀 케이스보다 작은 크기를 가진 보조 부재를 셀 케이스의 중앙에 배치하여 액상의 고분자 수지가 주입되는 공간을 한정하고, 상기 셀 케이스의 내면과 보조 부재 사이에 액상의 고분자 수지를 주입시켜 고화하는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 셀 케이스의 내부에 보조 부재를 위치시킨 후 액상의 고분자 수지를 주입시키면 액상의 고분자 수지는 셀 케이스의 내부 및 하부에서 고화될 수 있고, 보조 부재 위치를 조정하여 측면의 두께와 하면의 두께를 다르게 할 수 있다.
상기 액상의 고분자 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 구성되며, 열가소성 수지는 온도 변화에 따라 그 형상이 팽창하거나 수축되므로 파우치형 또는 각형 전지에 따라 성분과 함유량이 변경될 수 있다.
또한, 상기 열가소성 수지는 포팅(potting) 방식으로 주입될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 상기 액상의 고분자 수지가 고화된 두께는 셀 케이스의 10 내지 300%일 수 있다.
고화된 고분자 수지의 두께가 너무 작으면 충격으로부터 효과적으로 보호하지 못하고, 고화된 고분자 수지의 두께가 셀 케이스보다 크면, 전지셀의 부피 당 용량을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀의 제조 방법으로 제조된 전지셀을 제공한다.
상기 전지셀은 안전성을 더욱 확보하여야 하는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 휴대폰, 스마트 패드, 노트북 컴퓨터, 전동 공구, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 종래의 원통형 전지의 수직 단면 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 제조 과정을 나타내는 흐름도이다;
도 3은 도 2의 과정을 통해 제조된 원통형 전지의 수직 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 제조 과정을 나타내는 흐름도이다;
도 5는 도 4의 S210의 구체적인 과정에 관한 흐름도이다;
도 6은 도 4의 과정을 통해 제조된 각형 전지의 수평 단면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(12)를 원통형 케이스(13)에 수납하고, 원통형 케이스(13) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(13)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(14)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(12)는 양극(12a)과 음극(12b), 및 이들 사이에 분리막(12c)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(15)이 삽입되어 있다. 센터 핀(15)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(15)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 제조 과정을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 셀 케이스의 내부에 전극조립체를 투입(S110)하고, 셀 케이스의 내부에 투입된 전극조립체에 리튬염을 함유한 전해액을 주입(S120)한다. 셀 케이스의 내부에 주입된 전해액이 전극조립체에 흡수된 후 인장강도와 내후성을 가지도록 셀 케이스와 전극조립체 사이의 빈 공간에 액상의 고분자 수지를 주입(S130)한다. 액상의 고분자 수지를 70℃에서 고화(S140)시켜 고화된 고분자 수지가 셀 케이스와 동일한 두께를 갖도록 한다.
도 3에는 도 2의 과정을 통해 제조된 원통형 전지의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형 전극조립체(112)가 원통형 케이스(150)에 수납되어 있고, 전극조립체(112) 중심부에는 원통형의 센터 핀(115)이 삽입되어 강도를 부여하고 있다. 원통형 케이스(150)와 전극조립체(112) 사이에는 액상의 고분자 수지(130)가 주입되어 고화되어 있으며, 원통형 케이스(150)의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리(114)가 결합되어 있다.
젤리-롤형 전극조립체(112)는 양극(112a)과 음극(112b), 및 이들 사이에 분리막(112c)을 개재한 후 권취되어 감긴 구조로서, 권취 중심에 원통형의 센터 핀(115)이 삽입되어 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 제조 과정을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지셀의 제조 과정은, 셀 케이스에 액상의 고분자 수지를 주입하여 70℃에서 고화(S210)시켜 셀 케이스의 내면에 고화된 고분자 수지가 부착된 형태를 형성시킨 후, 전극조립체를 투입(S220)하고, 전해액을 주입(S230)하는 과정을 포함하고 있다.
도 5에는 도 4의 S210의 구체적인 과정에 관한 흐름도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 셀 케이스의 내부에 고분자 수지를 고화시키는 과정은 다음과 같다. 먼저, 전극조립체와 동일하거나 그보다 크고 셀 케이스보다 작은 크기를 가진 보조 부재를 셀 케이스의 중앙에 배치(S212)한다. 그 후, 셀 케이스의 내면과 보조 부재 사이의 공간에 액상의 고분자 수지를 주입시켜 고화(S214)시킨 다음, 고분자 수지가 고화되면 보조 부재가 위치하고 있는 공간에 전극조립체를 삽입하기 위해 보조 부재를 제거(S216)한다.
도 6은 도 4의 과정을 통해 제조된 각형 전지의 수평 단면 모식도이다.
도 6을 참조하면, 각형 전지(200)는 양극 활물질이 코팅되어 있는 양극 전극(212)과, 음극 활물질이 코팅되어 있는 음극 전극(216), 및 양극 전극(212)과 음극 전극(216) 사이에 개재된 분리막(214, 218)이 권취되어 있는 젤리-롤형 전극조립체(210)를 포함하고 있다. 이러한 전극조립체(210)는 전지 케이스(250) 내에 삽입되어 있고, 고화된 고분자 수지(230)가 전지 케이스(250)와 전극조립체(210) 사이에 개재되어 고화되어 있는 구조로 형성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

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  8. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 충방전이 가능한 전지셀의 제조 방법으로서,
    (a) 상기 셀 케이스에 액상의 고분자 수지를 주입하여 셀 케이스의 내면에 부착된 형태로 고화시키는 과정;
    (b) 상기 고분자 수지가 고화된 후 전극조립체를 투입하는 과정; 및
    (c) 상기 셀 케이스의 내부에 전해액을 주입하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 또는 스택/폴딩형인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 전지셀은 장방형의 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 각형 캔으로 이루어져 있고, 캔의 개방 상단부에 캡 어셈블리가 장착되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 및 전해액을 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 열융착하여 실링한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 과정(a)는,
    (i) 상기 전극조립체와 동일하거나 그보다 크고 셀 케이스보다 작은 크기를 가진 보조 부재를 셀 케이스의 중앙에 배치하는 과정;
    (ii) 상기 셀 케이스의 내면과 보조 부재 사이에 액상의 고분자 수지를 주입시켜 고화하는 과정; 및
    (iii) 상기 보조 부재를 제거하는 과정;
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 액상의 고분자 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 포팅(potting) 방식으로 주입되는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 액상의 고분자 수지가 고화된 두께는 셀 케이스의 10 내지 300%인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
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