KR101707192B1 - 실란트로 실링되는 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법 - Google Patents

실란트로 실링되는 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실란트로 실링하여 이차 전지의 실링 폭을 줄인 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르는 이차 전지는, 각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비하고, 상부 파우치와 하부 파우치의 외주부가 실링된 형태로 구성된 파우치 외장재; 및 분리판을 사이에 두고 적층된 형태로 파우치 외장재의 내부 공간에 수납된 다수의 전극판과 전극판으로부터 연장 형성된 전극 탭을 구비하는 전극 조립체를 포함하고, 파우치 외장재의 실링면 중 적어도 한 부분은 실링 폭이 제거되어 실란트재로 실링된다. 본 발명에 따르면, 이차 전지의 실링면을 절단하여 실링 폭을 줄인 부위를 실란트로 실링 처리하여 이차 전지의 에너지 밀도를 향상시킨다.

Description

실란트로 실링되는 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법{Secondary battery sealed with sealant and method thereof}
본 발명은 이차 전지의 제조 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 외장재를 패키징하는 과정에서 실란트로 실링 처리한 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 충방전이 가능한 전지를 의미한다. 이차 전지는 휴대폰, 노트북 등의 전자 기기에 국한되었으나, 점차로 응용 분야가 확대되어 자동차, 전력 저장 등의 고 에너지를 필요로 하는 분야로 확대되고 있다. 이차 전지에는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 리튬 이차 전지의 경우, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
상기 리튬 이차 전지는 리튬계 산화물계의 양극 활물질과 탄소재를 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리판을 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
그리고 리튬 이차 전지는 상기 외장재의 종류에 따라 캔형 및 파우치형 등으로 구분된다. 캔형은 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 형태이고 파우치형은 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 형태이다. 이차 전지는 전극 조립체가 외장재에 수납되면, 외장재 내부로 전해액이 주입되고, 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조된다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지(10)의 분해 사시도이다. 파우치형 이차 전지(10)는, 전극 조립체(11)와 상기 전극 조립체(11)를 수용하는 파우치 외장재(12)로 구성된다. 여기서, 전극 조립체(11)는 양극판 및 음극판이 분리판을 사이에 두고 배치된 형태를 갖는데, 이러한 양극판 및 음극판의 각각에는 하나 이상의 전극 탭(15)이 돌출되도록 형성되어 있으며, 이러한 전극 탭(15)은 전극 리드(16)와 결합될 수 있다. 그러면, 전극 리드(16)는 외장재(12)의 외부로 노출되어 전지 셀의 외부 단자를 형성한다. 복수개의 전극판이 적층되는 구조에서는 복수개의 전극 탭들이 하나의 리드와 결합된다. 그리고 결합의 안정성을 위해, 복수개의 전극 탭과 리드의 접촉 부위는 초음파 용접 등의 방식으로 용접된다.
여기서, 파우치 외장재(12)는, 상부 파우치(13)와 하부 파우치(14)로 구성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치(13)와 하부 파우치(14)로 형성된 내부 공간에는 전극 조립체(11)가 안착된 후 전해액이 수용되고, 내부에 수용된 전해액은 활성화 공정을 거친다. 그러면, 상부 파우치(13)와 하부 파우치(14)는 내부 공간을 밀폐시키기 위해 외주면에 실링부(S)가 형성되고, 상기 실링부(S)는 서로 접착(실링)된다. 물론, 실링부의 폭(W)이 넓어지면 접착면의 증가로 인해 파우치의 밀폐성은 증대된다.
상기 이차 전지(10)는 성능 향상의 측면에서 크기는 작으면서도 에너지의 용량이나 출력은 향상된 높은 에너지 밀도가 요구된다. 물론, 전극 조립체(11)를 구성하는 전극판의 평면 면적이 넓어질수록 또는 전극판의 적층 갯수가 증가할수록 에너지의 용량이 증가하고 고출력이 가능하다. 하지만, 전극 조립체(11)의 크기, 중량 및 부피 증가가 수반되어 에너지 밀도의 효율은 떨어진다.
따라서, 이차 전지(10)의 크기를 줄이는 것 또한 에너지 밀도의 향상과 직결된다. 그런데 파우치 외장재(12)에서 실링부(S)는 상부 파우치(13)와 하부 파우치(14)의 접착 부분으로서 에너지와 무관한 데드 스페이스로서 형성되고 있다. 실링부의 폭(W)을 줄이는 것은 이차 전지(10)를 소형으로 제작하여 에너지 밀도를 향상하는 장점이 있으나, 실링부의 폭(W)을 줄일수록 외장재(12)의 밀폐성이 떨어지는 단점이 있다. 지나치게 좁은 실링부의 폭(W)은 외장재(12)의 파손을 야기하여 내부 내용물의 누수를 일으킨다. 그러면, 내용물의 누수로 인해 자원이 낭비됨은 물론이며 환경 오염이 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 인식 하에 창출된 것으로서, 외장재의 실링 부위를 실란트로 실링 처리하여 실링부의 폭이 제거된 이차 전지 및 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실란트로 실링되는 이차 전지는, 각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비하고, 상기 상부 파우치와 상기 하부 파우치의 외주부가 실링된 형태로 구성된 파우치 외장재; 및 분리판을 사이에 두고 적층된 형태로 상기 파우치 외장재의 내부 공간에 수납된 다수의 전극판과 상기 전극판으로부터 연장 형성된 전극 탭을 구비하는 전극 조립체를 포함하고, 상기 파우치 외장재의 실링면 중 적어도 한 부분은 실링 폭이 제거되어 실란트재로 실링된다.
본 발명에 있어서, 상기 파우치 외장재는, 상부 파우치와 하부 파우치가 접착되는 부위에서 상기 실링면을 형성한다.
여기서, 상기 실링면은, 실링 폭을 줄일 수 있도록 커팅(cutting)되고, 커팅된 부위가 실란트재로 실링된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 파우치 외장재는, 액상의 실란트재가 수용된 용기에 담겨지는 딥 드로잉(dip-drawing) 처리에 의해 실란트재로 실링된다.
여기서, 상기 파우치 외장재는, 상기 딥 드로잉되는 실링면 중에서 실란트재로 처리되는 부위를 제외한 나머지 부위는 마스킹(masking) 처리되어 비 마스킹된 부분만 실란트재로 실링된다.
대안적으로, 상기 이차 전지는 상기 실란트재로 실링되어 마감된 부위에 실링 테이프가 더 부착된다.
바람직하게, 상기 전극 조립체는, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조인 젤리롤로 구성된다.
또한, 상기 이차 전지는 상기 파우치 외장재가 상기 전극 구조체를 수용한 내부로 전해액이 주액된 후 활성화 공정을 거친다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 실란트로 실링되는 이차 전지의 제조 방법은, 파우치 외장재의 내부에 전극 조립체가 수용되어 실란트로 실링되는 이차 전지의 제조 방법에 있어서, (a)양극판 및 음극판 사이에 분리판이 위치하는 적어도 하나의 적층 단위를 갖는 전극 조립체를 적층하는 단계; (b)각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비한 파우치 외장재의 내부에 전극 리드가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 단계; (c)전극 조립체가 수용된 상기 파우치 외장재의 실링면 중 적어도 한 부분은 실링 폭이 제거되어 실란트재로 실링 처리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이차 전지의 패키징 과정에서 외장재의 실링면의 폭을 의도적으로 제거하고 실란트로 실링 처리함으로써 실링 처리 공정이 간소화되고 에너지 밀도가 향상된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래 이차 전지의 개략적 분해 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실링면이 커팅된 이차 전지의 개략적 사시도이다.
도 5는 도 3의 이차 전지의 딥 드로잉 처리의 예시도이다.
도 6은 도 5의 이차 전지에 실링 테이프가 더 부착된 이차 전지의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법의 개략적 순서도이다.
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 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실링면이 커팅된 이차 전지(20)의 개략적 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(20)는 전극 조립체(21) 및 파우치 외장재(22)를 포함하여 구성된다. 이차 전지(20)의 대표적인 예로서 리튬 이온 배터리가 있다.
상기 전극 조립체(21)는 양극판 및 음극판 사이에서 분리판이 위치하는 적어도 하나의 적층 단위가 적층되어 형성된다. 전극 조립체(21)는 전극판들이 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 적층되는 젤리롤로 구성된다. 스택형의 경우, 양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 순차적으로 적층된 구조이다. 스택/폴딩형의 경우, 양극판과 음극판들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조이다. 또한, 전극 조립체(21)는 전극판들이 권취된 상태로 구성되어도 무방하다.
도 2를 참조하면, 파우지 외장재(22)에 의해 패키징된 이차 전지(20)의 사시도가 도시된다.
상기 파우치 외장재(22)는, 오목한 형태의 내부 공간을 구비하며, 이러한 내부 공간에는 전극 조립체(21) 및 전해액이 수용될 수 있다. 파우치 외장재(22)는 상부 파우치(23)와 하부 파우치(24)로 구성될 수 있다. 상부 파우치(23)와 하부 파우치(24) 중에서 적어도 하나 이상은 내부에 오목한 공간이 형성될 수 있다. 그리고 상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있으며 특별한 제한은 없다.
파우치 외장재(22)는 폴리머 재질의 절연층과 접착층 사이에 알루미늄 박막이 개재된 알루미늄 파우치 형태로 구성될 수 있다. 파우치 외장재(22)에 의해 전극 조립체(21)가 패키징되면, 파우치 외장재(22)의 실링층이 열융착 등에 의해 접착된다. 그러면, 전극 조립체(21) 및 전극 탭(미도시)은 파우치 외장재(22)에 내장되고, 전극 리드(26)만 파우치 외장재(22)로부터 노출된다.
파우치 외장재(22)는 패키징 처리에 의해 상부 파우치(23)와 하부 파우치(24)가 실링되어 외주부를 따라 실링면(S1)을 형성한다, 상기 실링면(S1)은 열 융착 등의 방식으로 실링됨으로써, 파우치 외장재(22)의 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다. 여기서, 상기 실링면(S1)은 상부 파우치(23)의 하면과 하부 파우치(24)의 상면이 직접 맞닿음으로써 날개 형상의 부위가 형성된다. 날개 형상의 실링면(S1)은 파우치 외장재(22)의 밀폐성을 증가시키지만 부피를 차지하기 때문에 에너지 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 당연히, 날개 부위의 실링 폭이 줄어들수록 실링면(S1)이 줄어들기 때문에 에너지 효율은 증가한다.
도 3을 참조하면, 도 2의 실링면이 커팅된 이차 전지(20)의 개략적 사시도가 도시된다.
상기 이차 전지(20)는 파우치 외장재(22)의 실링 폭을 의도적으로 줄이고자 최외곽 부위의 실링면(S1)이 도 2의 점선을 따라서 커팅된다. 커팅된 면적만큼 이차 전지(20)는 면적과 부피가 줄어들기에 이차 전지(20)의 단위 면적당 에너지 효율은 향상될 수 있다. 도 3에서는 4측의 실링면(S1) 중에서 일측면만 절단하는 것으로 예시하였으나, 4측의 실링면(S1)을 모두 절단할 경우, 실링면(S1)의 최소화로 에너지 효율의 최대화를 이룰 수 있음은 물론이다. 물론, 패키징 처리 후 실링면(S1)의 폭을 줄이고자 필요없는 부위를 커팅하는 대신에 커팅될 부위를 고려하여 파우치 외장재(22)의 폭을 줄여서 제작하는 것도 가능하다. 그러면, 폭이 줄여서 제조된 파우치 외장재(22)에 의해 커팅 처리가 생략되는 것도 가능하다. 커팅 처리가 생략될 경우 자원의 절감 측면에서도 효율적이다.
도 4를 참조하면, 도 3의 실링면이 커팅된 이차 전지(20)의 단면도이다. 커팅전에 4면에 존재했던 실링면(S1)은 일측의 커팅면이 잘려나감으로써 타측 및 양방향의 리드측에만 실링면(S1)이 존재한다.
도 5는 도 3의 이차 전지(20)의 딥 드로잉 처리의 예시도이다.
실링면이 제거된 이차 전지(20)는 그 제거 부위에서 파우치 외장재(22)의 밀폐성을 높이기 위해 실란트 계열로 실링 처리되는 것이 바람직하다.
여기서, 이차 전지(20)는 딥 드로잉(dip drawing) 방식에 의해 실란트 계열로 실링 처리될 수 있다. 용기(200)에는 액상의 실란트(201)가 채워지고, 이차 전지의 실링 부위는 용기(200)에 담겨져 액상의 실란트(201)에 의해 실링된 후 건조된다. 그리고 딥 드로잉 방식으로 실링 처리될 경우 이차 전지(20)의 실링 부위를 제외한 주변은 마스킹 처리된다. 예를 들면, 상기 실링 부위를 남기고 주변은 마스킹 테이프가 부착되고, 딥 드로잉 처리가 완료된 후 마스킹 테이프는 제거된다. 한편, 실란트 계열을 이용한 실링 처리 방식에는 딥 드로잉 방식 이외에도 도포 방식(painting) 및 분산 방식(spraying) 등이 있을 수 있으며 특별한 제한을 두지 않는다.
도 6은 도 5의 이차 전지(20)에 실링 테이프(202)가 더 부착된 이차 전지(20)의 단면도이다.
상부 파우치(23) 및 하부 파우치(24)가 맞닿은 실링 부위가 실란트(201)에 의해 실링 처리된 후, 상기 실란트(201) 위에 실링 테이프(202)가 더 부착되면 파우치 외장재(22)의 밀폐성은 더 강화될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(20)의 제조 방법의 개략적 순서도이다.
양극판 및 음극판 사이에 분리판이 위치하는 적어도 하나의 적층 단위가 적층되어 전극 조립체(21)가 형성된다(S21). 상기 적층 단위는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조의 젤리롤로 형성된다.
그리고 파우치 외장재(22)의 상부 파우치(23)와 하부 파우치(24)는 의해 전극 리드(26)가 노출되도록 내부에 상기 전극 조립체(21)가 수용되어 패키징 처리된다(S22). 내부 수용 공간에는 전해액이 주액되어 활성화 공정이 수반된다. 이후, 열 융착 방식 등에 의해 패키징 공정이 처리되고, 이차 전지(20)는 상부 파우치(23)와 하부 파우치(24)가 직접 접착되는 실링면(S1)을 형성한다.
패키징 처리가 완료된 후, 커팅 공정이 수반되는 것으로 가정하면, 전극 조립체(21)가 수용된 파우치 외장재(22)의 실링면(S1) 중 적어도 한 면은 실링 폭을 의도적으로 줄이고자 커팅된다(S23). 만약, 커팅 부위를 고려하여 미리 줄여진 파우치 외장재(22)일 경우, 커팅 공정은 생략될 수 있다.
이차 전지(20)의 실링 부위가 결정되면, 당해 실링 부위는 실란트 계열의 용기(200)에 담겨지는 딥 드로잉 처리에 의해 실링 처리된다(S24). 여기서, 액상 실란트가 수용된 상기 용기(200)에 담겨지는 이차 전지(20)는 실링 부위를 제외한 주변은 마스킹 처리된다. 그러면, 비 마스킹된 실링 부위만 실란트(201)로 실링된다. 이후, 실란트(201)에 의해 실링 처리된 실링 부위는 실링 테이프(202)가 더 부착되어 밀폐력의 유지를 더 강화할 수 있다.
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.
20 : 이차 전지 21 : 전극 조립체
22 : 파우치 외장재 23 : 상부 파우치
24 : 하부 파우치

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 파우치 외장재의 내부에 전극 조립체가 수용되어 실란트로 실링되는 이차 전지의 제조 방법에 있어서,
    (a)양극판 및 음극판 사이에 분리판이 위치하는 적어도 하나의 적층 단위를 갖는 전극 조립체를 적층하는 단계;
    (b)각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비한 파우치 외장재의 내부에 전극 리드가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 단계;
    (c)전극 조립체가 수용된 상기 파우치 외장재의 실링면 중 적어도 한 부분은 실링 폭이 제거되어 실란트재로 실링 처리하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(c)이전에,
    상부 파우치와 하부 파우치가 접착되는 부위에서 상기 실링면을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(c)는,
    실링 폭을 줄일 수 있도록 상기 실링면이 커팅(cutting)되고, 커팅된 부위가 실란트재로 실링되는 단계인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(c)는,
    액상의 실란트재가 수용된 용기에 상기 실링면을 담그는 딥 드로잉(dip-drawing) 처리를 하여 실란트재로 실링하는 단계인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단계(c)는,
    파우치 외장재는 상기 딥 드로잉되는 실링면 중에서 실란트재로 처리되는 부위를 제외한 나머지 부위를 마스킹(masking) 처리하여 비 마스킹된 부분만 실란트재로 실링하는 단계인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(c) 이후에,
    상기 실란트재로 실링되어 마감된 부위에 실링 테이프를 더 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(a)는,
    상기 전극 조립체를 스택형 또는 스택/폴딩형 구조의 젤리롤로 구성하는 단계인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(c) 이전에,
    상기 파우치 외장재가 상기 전극 조립체를 수용한 내부로 전해액을 주액한 후 활성화 공정을 거치는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
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