KR101792568B1 - 압출 및 딥 드로잉을 이용한 전지케이스 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체를 내장하는 전지셀의 전지케이스를 제조하는 방법으로서, 금속 모재를 금형 내로 압출하고, 상기 금형에서 압출 모재에 대해 딥 드로잉을 수행하여 일측이 개방된 중공형의 캔을 제조하는 과정, 및 상기 중공형의 캔을 트리밍(trimming)하는 과정을 포함하는 전지케이스 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 압출 및 딥 드로잉을 이용한 전지케이스 제조방법에 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 양극/분리막/음극의 전극조립체를 내장하는 케이스의 형상에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되는데, 디바이스의 소형 경박화의 경향에 따라 그에 적합한 각형 전지와 파우치형 전지의 수요가 크게 증가하고 있다.
일반적으로, 각형 전지셀는 젤리-롤형 또는 스택형의 양극/분리막/음극 전극조립체를 금속 소재의 각형 전지케이스에 넣고 개방 상단을 탑 캡으로 덮으며 탑 캡 상의 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 뒤 밀봉하는 과정으로 제작된다.
특히, 최근에는 모바일 전자기기들의 소형 경량화 추세에 따라 상대적으로 폭이 좁은 각형 전지가 개발되었고, 이러한 각형 전지는 종래의 원통형 전지와는 또 다른 적용 분야를 창출하고 있다.
일반적으로 각형 전지는 하단이 밀봉되어 있는 각형 중공 케이스에 일부 전지요소를 삽입한 후 상단 캡 어셈블리를 용접하고 전해질을 주입한 뒤 주입구를 밀봉하여 제조되고 있다. 여기서, 하단이 밀봉된 각형 중공 케이스는 통상적으로 알루미늄 합금의 판재를, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 딥 드로잉(deep drawing) 가공법에 의해 제조한다. 딥 드로잉 가공법은 평판으로부터 이음부 없이 중공 용기를 만드는 대표적인 성형법으로, 다이(30) 표면상에 위치시킨 모재(10)를 펀치(20)로 가압하여 소성 가공하는 성형 방법을 말한다.
딥 드로잉 가공법은, 판재로부터 최종 중공 케이스를 일련의 연속적인 공정에 의해 제조할 수 있으므로 공정의 효율성이 높다는 장점을 가지고 있으나, 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.
즉, 딥 드로잉 가공법은 대략 15 단계 이상의 복잡하고 정교한 공정을 거치므로 이를 위한 장치의 제작 비용이 매우 높고, 특히 금형 등의 제조에 일반적으로 2 내지 3 개월의 긴 기간이 소요된다. 이는 변화하는 소비자들의 취향에 부합하는 전지의 개발에 소요되는 기간을 크게 늘리는 요소로 작용한다.
특히, 휴대폰등의 소형 모바일 디바이스와 달리 고용량을 요구하는 노트북 등에 사용되는 각형 전지의 경우, 보다 큰 전지 케이스를 제작하여야 하므로, 설계적 한계의 문제점이 발생할 뿐 만 아니라, 금형비용 및 설비 가격이 상승하면서 금형의 제작 기간도 상당히 길어지게 되어 전지의 개발 및 생산에 차질을 일으키는 원인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 전지케이스의 제조 공정을 단순화하고, 금형 부품 비용의 감소, 및 개발 비용을 단축시키며, 다양한 치수의 전지케이스를 제조할 수 있는 전지케이스의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스 제조방법은,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체를 내장하는 전지셀의 전지케이스를 제조하는 방법으로서,
(a) 금속 모재를 금형 내로 압출하고, 상기 금형에서 압출 모재에 대해 딥 드로잉을 수행하여 일측이 개방된 중공형의 캔을 제조하는 과정; 및
(b) 상기 중공형의 캔을 트리밍(trimming)하는 과정;
을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지케이스 제조방법은, 압출 공정과 드로잉 공정을 접목하여, 간단한 방법으로 용이하게 전지케이스를 제조할 수 있는 구성을 포함하고 있으므로, 제조공정을 간소화하여 짧은 시간에 전지케이스를 제조할 수 있고, 금형 장비 또한 단순화할 수 있어서 제조비용을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명에서, 상기 금속은 알루미늄, 스틸, 또는 이들을 하나 이상 포함하는 합금 등 다양한 소재가 사용될 수 있으나 이들만으로 한정되지는 않는다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(a)은, 압출용 제 1 실린더 금형, 딥 드로잉용 제 2 실린더 금형, 상기 제 1 실린더 금형 내에서 금속 모재를 가압하여 제 2 실린더 내로 압출하는 피스톤, 상기 제 2 실린더 금형 내에서 압출 모재를 딥 드로잉 하는 펀치, 및 상기 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형의 연통 및 차단 여부를 조절하는 가변형 조절부를 포함하는 장치에 의해 수행될 수 있다.
이 때, 상기 과정(a)는 구체적으로,
(a1) 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형이 연통되도록 가변형 조절부가 개방된 상태에서, 피스톤이 제 1 실린더 금형 내의 금속 모재를 제 2 실린더 금형 내로 압출하는 과정; 및
(a2) 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형이 차단되도록 가변형 조절부가 폐쇄된 상태에서, 펀치가 제 2 실린더 금형 내의 압출 모재를 딥 드로잉 하는 과정;
을 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 실린더 금형의 수직 단면적은 모재를 제 2 실린더 금형으로 효율적으로 압출할 수 있는 크기로 형성될 수 있으며, 제 2 실린더 금형의 수직 단면적 대비 제 1 실린더 금형의 수직 단면적이 너무 크거나 또는 너무 작으면 정상적인 압출 공정이 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있으므로, 따라서, 이에 관한 효율적인 크기, 즉 제 1 실린더 금형의 수직 단면적은 제 2 실린더 금형의 수직 단면적 대비 50% 내지 300%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 가변형 조절부는 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형이 서로 연통되거나 격리되도록 개방 또는 폐쇄하는 부품으로서, 상기 과정(a1)에서는, 가변형 조절부가 제 2 실린더 금형의 수직 단면적 대비 10% 내지 90%의 크기로 개방되는 구조일 수 있다.
한편, 상기 과정(b) 이후에, 중공형의 캔 외면에 안전벤트를 형성시키는 과정이 추가로 포함될 수 있다. 즉, 캔의 내압이 비정상적으로 높은 경우, 외부로 캔 내부의 가스의 배출을 유도하는 안전벤트가 형성될 수 있다.
상기 안전벤트는 예를 들어, 평면상으로 중공형의 캔 표면에 원호 형상으로 형성되어 있고, 수직 단면상으로 중공형 캔의 내측으로 오목한 홈 구조로 형성될 수 있다. 이러한 안전벤트는 소정의 값 이상으로 내압이 상승한 경우 파열되면서 내부의 가스를 외부로 배출하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 중공형 캔은 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 원통형 또는 직육면체 형상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
구체적인 예에서, 상기 중공형 캔은 수직 단면상에서 서로 대면하는 한 쌍의 장변부들과, 서로 대면하는 한 쌍의 단변부들을 포함하고 있으며, 상기 단변부는 외측으로 볼록한 원호 형상으로 이루어져 있는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지케이스 제조방법으로 제조된 전지케이스를 제공하고, 또한 상기 전지케이스에 전극조립체를 수납한 후 전지케이스의 개방된 일측에 탑 캡을 결합한 구조로 이루어진 전지셀을 제공한다.
상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형, 또는 스택/폴딩형 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 캠코더, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명은 또한, 상기 전지케이스 제조방법에 사용되는 장치로서,
압출용 제 1 실린더 금형;
딥 드로잉용 제 2 실린더 금형;
상기 제 1 실린더 금형 내에서 금속 모재를 가압하여 제 2 실린더 내로 압출하는 피스톤;
상기 제 2 실린더 금형 내에서 압출 모재를 딥 드로잉 하는 펀치; 및
상기 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형의 연통 및 차단 여부를 조절하는 가변형 조절부;
를 포함하는 전지케이스 제조 장치를 제공한다.
앞서 설명한 전지케이스는 상기 전지케이스 제조 장치에 의해 간단한 과정으로 용이하게 제조될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스 제조방법은 압출 공정과 드로잉 공정을 접목하여, 간단한 방법으로 용이하게 전지케이스를 제조할 수 있는 구성을 포함하고 있으므로, 제조공정을 간소화하여 짧은 시간에 전지케이스를 제조할 수 있고, 금형 장비 또한 단순화할 수 있어서 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 딥 드로잉 공정을 사용하여 각형 전지케이스를 제조하는 공정에 관한 모식도이다;
도 2 및 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하는 과정에 관한 수직 단면 모식도들이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스 제조방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하는 과정에 관한 수직 단면 모식도들이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스 제조방법의 흐름도이다.
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 2 및 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하는 과정에 관한 수직 단면 모식도들이 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지케이스 제조장치(100)는 제 1 실린더 금형(110), 제 2 실린더 금형(120), 피스톤(130), 펀치(140), 및 가변형 조절부(150)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
제 1 실린더 금형(110)은 압출용으로서, 제 1 실린더 금형(110) 내에 금속 모재(160)를 삽입하고 피스톤(130)을 이용하여 가압함으로써 제 2 실린더 금형(120)으로 금속 모재(160)를 압출하는 구조로 이루어져 있다.
제 2 실린더 금형(120)은 딥 드로잉용으로서, 제 1 실린더 금형(110)으로부터 피스톤(130)에 의해 압출된 금속 모재(160’)를 받아들이고, 제 2 실린더 금형(120) 내의 압출 모재(160’)가 펀치(140)에 의해 딥 드로잉되어 중공형의 캔 형태의 전지케이스가 제조되는 구조로 이루어져 있다.
가변형 조절부(150)는 제 1 실린더 금형(110)으로부터 제 2 실린더 금형(120)으로 압출에 의한 금속 모재(160)의 이동이 완료되면, 딥 드로잉 공정을 위하여 제 1 실린더 금형(110)과 제 2 실린더 금형(120)을 각각 격리하도록 폐쇄하는 구조로 이루어져 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스 제조방법의 흐름도가 도시되어 있다.
도 4를 도 2 및 도 3과 함께 참조하면, 제 1 실린더 금형(110)과 제 2 실린더 금형(110)이 연통되도록 가변형 조절부(150)가 개방된 상태에서 피스톤(130)을 이동시켜 제 1 실린더 금형(110) 내의 금속 모재(160)를 제 2 실린더 금형(120)으로 압출(S110)한다.
그 다음, 제 1 실린더 금형(110)과 제 2 실린더 금형(120)이 차단되도록 가변형 조절부(150)를 폐쇄(S120)시킨 상태에서 펀치(140)를 이동시켜 제 2 실린더 금형(120) 내의 압출 모재(160’)를 딥 드로잉(S130)하여 중공형의 캔을 제조한다.
그 후, 압출 및 딥 드로잉 과정에서 발생하는 불필요한 부분을 제거하고 다듬는 트리밍(S140) 과정을 수행한다.
그리고, 필요에 따라서 중공형의 캔 외면에 안전벤트를 형성(S150)하여 캔의 내압이 비정상적으로 높은 경우, 안전벤트를 통해 캔 내부의 가스의 외부 배출을 유도하는 구조가 추가될 수 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.
Claims (18)
- 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체를 내장하는 전지셀의 전지케이스를 제조하는 방법으로서,
(a) 금속 모재를 금형 내로 압출하고, 상기 금형에서 압출 모재에 대해 딥 드로잉을 수행하여 일측이 개방된 중공형의 캔을 제조하는 과정; 및
(b) 상기 중공형의 캔을 트리밍(trimming)하는 과정;
을 포함하며,
상기 과정(a)은,
압출용 제 1 실린더 금형;
딥 드로잉용 제 2 실린더 금형;
상기 제 1 실린더 금형 내에서 금속 모재를 가압하여 제 2 실린더 내로 압출하는 피스톤;
상기 제 2 실린더 금형 내에서 압출 모재를 딥 드로잉 하는 펀치; 및
상기 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형의 연통 및 차단 여부를 조절하는 가변형 조절부;
를 포함하는 장치에 의해 수행되는 전지케이스 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 금속은 알루미늄, 스틸, 또는 이들을 하나 이상 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 과정(a)는,
(a1) 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형이 연통되도록 가변형 조절부가 개방된 상태에서, 피스톤이 제 1 실린더 금형 내의 금속 모재를 제 2 실린더 금형 내로 압출하는 과정;
(a2) 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형이 차단되도록 가변형 조절부가 폐쇄된 상태에서, 펀치가 제 2 실린더 금형 내의 압출 모재를 딥 드로잉 하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 실린더 금형의 수직 단면적은 제 2 실린더 금형의 수직 단면적 대비 50% 내지 300%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 과정(a1)에서, 가변형 조절부는 제 2 실린더 금형의 수직 단면적 대비 10% 내지 90%의 크기로 개방되는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b) 이후에, 중공형의 캔 외면에 안전벤트를 형성시키는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 안전벤트는 평면상으로 중공형의 캔 표면에 원호 형상으로 형성되어 있고, 수직 단면상으로 중공형 캔의 내측으로 오목한 홈 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중공형의 캔은 원통형 또는 직육면체 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중공형 캔은 수직 단면상에서 서로 대면하는 한 쌍의 장변부들과, 서로 대면하는 한 쌍의 단변부들을 포함하고 있으며, 상기 단변부는 외측으로 볼록한 원호 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조방법.
- 제 1 항, 제2항 및 제4항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전지케이스.
- 제 11 항에 따른 전지케이스에 전극조립체를 수납한 후 전지케이스의 개방된 일측에 탑 캡을 결합한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 12 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 12 항에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 15 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 캠코더, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 1 항에 따른 전지케이스 제조방법에 사용되는 장치로서,
압출용 제 1 실린더 금형;
딥 드로잉용 제 2 실린더 금형;
상기 제 1 실린더 금형 내에서 금속 모재를 가압하여 제 2 실린더 내로 압출하는 피스톤;
상기 제 2 실린더 금형 내에서 압출 모재를 딥 드로잉 하는 펀치; 및
상기 제 1 실린더 금형과 제 2 실린더 금형의 연통 및 차단 여부를 조절하는 가변형 조절부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스 제조 장치.
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| KR1020140037745A KR101792568B1 (ko) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | 압출 및 딥 드로잉을 이용한 전지케이스 제조방법 |
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2014
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