KR101742303B1 - 전지셀의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 적어도 일측 단부 부위가 상대적으로 만입되어 평면상 또는 수직 단면상으로 전극조립체의 중심점을 기준으로 비대칭 구조인 전극조립체를 제작하는 과정; (b) 대칭 구조의 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 전지케이스를 제작하는 과정; (c) 상기 대칭 구조의 전극조립체 수납부에 비대칭 구조의 전극조립체를 장착하고, 전해액 주입 후 전지케이스를 밀봉하여 예비 전지셀인 대칭 전지셀을 제작하는 과정; (d) 상기 대칭 전지셀에서, 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하여 만입부를 형성함으로써 최종 전지셀인 비대칭 전지셀을 제작하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법을 제공한다.

Description

전지셀의 제조방법 {Method for Battery Cell}
본 발명은 전지셀의 제조방법에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
상기한 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1 및 2에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 2에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1 및 2는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 이에 대향하는 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1 및 도 2는, 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 전지셀이 장착되는 디바이스의 내부 공간은 직육면체의 형상으로만 이루어 지는 것은 아니다. 디바이스의 소형화 및 디바이스의 부피 대비 전지의 용량을 최대한 확보하기 위하여, 디바이스 내부의 사공간에도 전지셀이 최대한 내장될 수 있도록, 디바이스 내부 구조에 맞는 다양한 형상의 전지셀의 제작이 요구되어 왔다.
이러한 전지셀을 제작하기 위하여, 먼저 파우치형 전지케이스를 사공간을 포함하는 다양한 형상의 디바이스 내부 구조에 맞추어 성형한 후에, 이같이 성형된 전지케이스에 전극조립체를 내장하는 과정을 통해 전지셀을 제작하는 방법이 고려되었다.
그러나 상기와 같은 제조 방법은 종래의 일반적인 직육면체 형상의 전지셀을 제작해온 생산 환경에서 더 많은 설비의 추가를 필요로 하며, 품질 관리 측면에서 어려운 면이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 다양한 형상의 전지셀을 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 종래의 생산 환경에서 설비 추가에 의한 비용 상승을 최소화하고, 고출력 또는 대용량의 특성을 발휘할 수 있도록 내장되는 디바이스의 내부 공간에 맞추어 다양한 형상을 갖는 전지셀의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은,
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 적어도 일측 단부 부위가 상대적으로 만입되어 평면상 또는 수직 단면상으로 전극조립체의 중심점을 기준으로 비대칭 구조인 전극조립체를 제작하는 과정;
(b) 대칭 구조의 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 전지케이스를 제작하는 과정;
(c) 상기 대칭 구조의 전극조립체 수납부에 비대칭 구조의 전극조립체를 장착하고, 전해액 주입 후 전지케이스를 밀봉하여 예비 전지셀인 대칭 전지셀을 제작하는 과정;
(d) 상기 대칭 전지셀에서, 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하여 만입부를 형성함으로써 최종 전지셀인 비대칭 전지셀을 제작하는 과정;
을 포함하고 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은, 전지셀 제작의 최종 단계에서, 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하여 만입부를 형성함으로써, 종래의 생산 환경에서 설비 추가에 의한 비용 상승을 최소화할 수 있고, 고출력 또는 대용량의 특성을 발휘할 수 있도록 내장되는 디바이스의 내부 공간에 맞추어 다양한 형상을 갖는 전지셀을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 구조의 파우치형 케이스일 수 있다.
본 발명의 따른 각 제조 단계별 과정을 보다 구체적으로 상술하면, 상기 과정(a)의 비대칭 구조의 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되는 구조의 둘 이상의 단위셀들을 전극조립체의 중심을 기준으로 비대칭 구조로 적층 또는 배열하여 제작될 수 있다.
상기 전극조립체의 하나의 예로서, 상기 과정(a)의 비대칭 구조의 전극조립체는 일측 엣지 또는 모서리 부위가 만입되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 과정(b)의 대칭 구조의 전극조립체 수납부는 평면상 및 수직 단면상으로 전극조립체의 중심점을 기준으로 대칭 구조인 전극조립체가 장착되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 과정(b)의 전지케이스에서, 대칭 구조의 전극조립체 수납부는 딥 드로잉 공정으로 제작될 수 있다.
본 발명의 따른 제조 과정 중 과정(b)의 또 하나의 예로서, 상기 과정(b)의 전지케이스에는 과정(d)의 만입부의 형성을 위한 예비 만입부가 추가로 형성되어 있을 수 있다.
이와 같은 과정(b)의 예비 만입부는 과정(d)의 만입부와 비교할 때 면과 면의 경계 부위가 상대적으로 완만한 굴곡 형상을 이루고 있을 수 있다.
상기 과정(c)의 예비 전지셀은, 과정(d)의 만입부에 대응하는 부위에서, 전극조립체의 외면과 전지케이스의 내면이 상호 이격되어 있을 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀 제조방법에서 과정(d)에 사용되는 장치로서,
대칭 전지셀이 상면에 장착 고정되는 고정 지그; 및
대칭 전지셀의 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하는 가압부와, 상기 가압부가 장착되어 있는 본체부로 이루어져 있는 가압지그;
를 포함하는 전지셀 제조장치를 제공한다.
상기 가압부는 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 형상으로 이루어져 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 가압부는 다면체 형상, 원기둥 형상, 삼각뿔 형상, 삼각기둥 형상 또는 단차 구조 형상으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 가압부는 전지케이스를 가압하는 과정에서 전지케이스의 손상을 방지할 수 있도록, 가압부의 외면에서 면과 면이 교차하는 경계 부위는 라운딩 구조로 되어 있을 수 있다.
더불어, 이를 위해, 상기 가압부는 탄성소재로 이루어져 있을 수 있으며, 구체적으로, 고무로 이루어져 있을 수 있다.
상기 가압지그는 전극조립체의 비대칭 부위에 따라 가압부를 교체할 수 있도록, 상기 가압부는 본체부에 탈부착 가능한 구조로 장착되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 본체부의 하면에는 측면 방향으로 레일 구조의 ‘T’자 형상의 결합홈이 형성되어 있을 수 있고, 상기 가압부의 상면에는 상기 결합홈에 대응하는 형상의 결합돌기가 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 가압부는 본체부의 측면 방향으로 상기 결합돌기가 결합홈에 슬라이딩 방식으로 장착 또는 탈착되는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
본 발명은 또한 상기 제조방법으로 제조되는 전지셀을 제공한다.
상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있고, 구체적으로 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀을 하나 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 구체적으로, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은, 전지셀 제작의 최종 단계에서, 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하여 만입부를 형성함으로써, 종래의 생산 환경에서 설비 추가에 의한 비용 상승을 최소화할 수 있고, 고출력 또는 대용량의 특성을 발휘할 수 있도록 내장되는 디바이스의 내부 공간에 맞추어 다양한 형상을 갖는 전지셀을 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 리튬 이차전지의 분해도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 제조과정 별 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조장치의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 제조과정 별 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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 제조과정 별 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 과정(a)에서는 서로 크기가 다른 제 1 단위셀(101) 및 제 2 단위셀(102)을 적층하여, 좌측 단부 부위가 만입되어 전극조립체(100)의 중심점을 기준으로 비대칭 구조인 전극조립체(100)를 제작한다.
과정(b)에서는 펀치(도시하지 않음)를 이용하여 모재를 가압하는 방식의 딥 드로잉 공정으로, 대칭 구조의 전극조립체 수납부(201)가 형성되어 있는 전지케이스(200)를 제작한다.
과정(c)에서는 대칭 구조의 전극조립체 수납부(201)에 비대칭 구조의 전극조립체(100)를 장착하고, 전해액 주입 후 전지케이스(200)를 밀봉하여 예비 전지셀인 대칭 전지셀(300)을 제작한다.
과정(c)에서 대칭 전지셀(300)은 전극조립체(100)의 외면과 전지케이스(200)의 내면이 상호 이격되어 있다.
과정(d)에서는 대칭 전지셀(300)을 고정 지그(400)의 수납부(401)에 장착하고, 전극조립체(100)의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압 지그(500)로 가압하여 만입부(610)가 형성된 비대칭 전지셀(600)을 제작한다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조 장치의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 4를 도 3과 함께 참조하면, 전지셀 제조장치(700)는 고정 지그(400) 및 가압 지그(500)로 이루어져 있다.
고정 지그(400)는 대칭 전지셀(300)이 고정되는 구조로 이루어져 있다.
가압 지그(500)는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하는 가압부(510)와, 가압부가 장착되어 있는 본체부(520)로 이루어져 있다.
가압부(510)는 직육면체로 구조로 이루어져 있고, 전극조립체의 만입부위의 형상에 따라 다면체 형상, 원기둥 형상, 삼각뿔 형상, 삼각기둥 형상 또는 단차 구조 형상으로 이루어질 수 있다.
본체부(520)의 하면에는 레일 구조의 ‘T’자 형상의 결합홈(521)이 형성되어 있고, 가압부(510)의 상면에는 결합홈(521)에 대응하는 형상의 결합돌기(511)가 형성되어 있다. 가압부(510)는 본체부(520)의 측면 방향으로 결합돌기(511)가 결합홈(512)에 슬라이딩 방식으로 장착 또는 탈착되는 구조로 이루어져 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 제조과정 별 모식도가 도시되어 있다.
도 5을 참조하면, 과정(b)의 전지케이스(800)에는 과정(d)의 만입부(820)의 형성을 위한 예비 만입부(810)가 형성되어 있다.
예비 만입부(810)는 과정(d)의 만입부(820)와 비교할 때 면과 면의 경계 부위가 상대적으로 완만한 굴곡 형상을 이루고 있다.
이러한 예비 만입부(810)의 형성을 제외한 나머지 구조는 도 3에 언급한 실시예의 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 적어도 일측 단부 부위가 상대적으로 만입되어 평면상 또는 수직 단면상으로 전극조립체의 중심점을 기준으로 비대칭 구조인 전극조립체를 제작하는 과정;
    (b) 대칭 구조의 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 전지케이스를 제작하는 과정;
    (c) 상기 대칭 구조의 전극조립체 수납부에 비대칭 구조의 전극조립체를 장착하고, 전해액 주입 후 전지케이스를 밀봉하여 예비 전지셀인 대칭 전지셀을 제작하는 과정;
    (d) 상기 대칭 전지셀에서, 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하여 만입부를 형성함으로써 최종 전지셀인 비대칭 전지셀을 제작하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 과정(b)의 전지케이스에는 과정(d)의 만입부의 형성을 위한 예비 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 구조의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(a)의 비대칭 구조의 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되는 구조의 둘 이상의 단위셀들을 전극조립체의 중심을 기준으로 비대칭 구조로 적층 또는 배열하여 제작되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(a)의 비대칭 구조의 전극조립체는 일측 엣지 또는 모서리 부위가 만입되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)의 대칭 구조의 전극조립체 수납부는 평면상 및 수직 단면상으로 전극조립체의 중심점을 기준으로 대칭 구조인 전극조립체가 장착되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)의 전지케이스에서, 대칭 구조의 전극조립체 수납부는 딥 드로잉 공정으로 제작되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)의 예비 만입부는 과정(d)의 만입부와 비교할 때 면과 면의 경계 부위가 상대적으로 완만한 굴곡 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)의 예비 전지셀은, 과정(d)의 만입부에 대응하는 부위에서, 전극조립체의 외면과 전지케이스의 내면이 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  10. 제 1 항에 따른 전지셀 제조방법에서 과정(d)에 사용되는 장치로서,
    대칭 전지셀이 상면에 장착 고정되는 고정 지그; 및
    대칭 전지셀의 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 전극조립체 수납부의 외면을 가압하는 가압부와, 상기 가압부가 장착되어 있는 본체부로 이루어져 있는 가압 지그;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가압부는 전극조립체의 비대칭 부위에 대응하는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 가압부는 다면체 형상, 원기둥 형상, 삼각뿔 형상, 삼각기둥 형상 또는 단차 구조 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 가압부의 외면에서 면과 면이 교차하는 경계 부위는 라운딩 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 가압부는 탄성소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 가압부는 고무로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 가압부는 본체부에 탈부착 가능한 구조로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조장치.
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