KR101812973B1 - 관통구를 포함하는 전지셀의 제조 방법 - Google Patents

관통구를 포함하는 전지셀의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체를 관통하는 적어도 1개 이상의 관통구를 포함하는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 관통구가 천공되어 있는 전극조립체를 준비하는 과정;
(b) 상기 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 장착하고 전해액을 주입한 후 활성화하는 과정; 및
(c) 상기 전극조립체의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 배출구를 천공하여 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법에 관한 것이다.

Description

관통구를 포함하는 전지셀의 제조 방법 {Method of Manufacturing Battery Cell with Through Hole}
본 발명은 관통구를 포함하는 전지셀의 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택-폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
한편, 이차전지를 전원 또는 동력원으로 사용하는 디바이스의 소형 경박화 추세에 따라, 디바이스 내부에 장착되는 전자부품 등의 수납을 위한 공간 확보의 필요성이 높은 실정이다. 이로 인해, 종래에는, 디바이스의 내부에 장착되는 전자부품 등을 소형화, 박형화하고자 하였다.
그러나, 소형화 내지 박형화된 전자부품 등이 디바이스의 내부에 장착되기 위해서는, 전지셀이 장착된 공간 이외의 여분의 공간이 요구되는 문제점이 여전히 존재한다. 또한, 상기한 전자부품 등의 형상에 따라 디바이스의 내부에는 사공간이 발생할 수 있고, 이는 디바이스의 부피당 에너지 밀도를 저하시키는 원인이 될 수 있다.
더욱이, 전극조립체는, 외부 충격에 의해 전지케이스의 내부 공간에서 유동할 수 있고, 이는 내부 단락의 원인이 될 수 있는 문제가 있어, 이러한 문제를 해결하고자 관통구를 포함하는 전지셀이 개발되었다.
한편, 이차전지는 제조 과정에서, 1 회 충방전을 통한 활성화 과정을 거치며, 이때 발생하는 가스 및 잉여 전해액을 제거하는 탈기(degas) 공정을 거치게 된다.
이러한 탈기 공정에 문제가 있는 경우, 전지셀 내부의 가스가 충분히 제거되지 못하여 열융착에 의한 실링 과정에서 불량이 다수 발생하고, 잔여 가스에 의해 전극조립체에 충전이 불가한 부분이 발생하여 전지의 초기 용량이 저하되는 문제가 발생한다.
앞서 설명한 관통구를 포함하는 전지셀을 활성화하는 과정에서 기존의 제조 방법을 따르는 경우 관통구 내부 및 주변에 존재하는 가스의 제거가 용이하지 않아, 전지셀 불량률 상승의 원인이 되었다.
따라서, 관통구를 포함하는 전지셀을 사용하는 경우 탈기 공정을 통해 가스 및 잉여 전해액의 제거가 용이하고, 전지셀의 불량률을 감소시키는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극조립체의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 배출구를 천공하여 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 과정을 포함하는 경우, 탈기 공정이 용이하고, 전지셀의 불량률을 감소시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체를 관통하는 적어도 1개 이상의 관통구를 포함하는 전지셀을 제조하는 방법은,
(a) 관통구가 천공되어 있는 전극조립체를 준비하는 과정;
(b) 상기 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 장착하고 전해액을 주입한 후 활성화하는 과정; 및
(c) 상기 전극조립체의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 배출구를 천공하여 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
종래의 기술에 따르면, 잉여 전해액 및 가스의 배출구는 전극조립체에서 멀리 떨어진 전지케이스의 부위에 형성하는 것이 일반적이다. 배출구가 형성된 부위가 전지케이스에 잔존하는 경우 전지셀의 밀봉성을 저하시키기 때문이다.
이와 같이 종래의 기술을 따라 탈기하는 경우, 전극조립체의 관통구 내부에 존재하는 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 것이 용이하지 않다. 또한, 관통구 주변에 위치하는 잉여 전해액 및 가스도 관통구로부터 멀리 떨어진 배출구까지 이동시키는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전극조립체의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 배출구를 천공하여, 관통구 내부 및 주변에 위치하는 잉여 전해액 및 가스를 용이하게 배출할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 포함하고, 상기 관통구는 적층 방향을 따라 전극조립체를 관통하고 있는 구조일 수 있다.
상기 전극조립체는 관통구가 천공되어 있는 구조이면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조 등으로 이루질 수 있다.
한편, 상기 전극조립체는, 그 형상이 특별히 제한되지는 않으며, 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 원형, 타원형 또는 다각형 등일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체의 관통구 역시, 그 형상이 특별히 제한되지는 않으며, 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 원형, 타원형 또는 다각형 등일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(b)는,
(b1) 상기 전지케이스에 전극조립체를 수납한 상태에서 전지케이스의 외주면 중 일측 단부를 제외한 나머지 부위들에 열융착 실링부를 형성하는 과정;
(b2) 미실링 상태의 상기 단부를 통해 전해액을 주입한 후 상기 단부를 열융착 실링하여 가스 포집용 잉여부를 형성하는 과정; 및
(b3) 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 과정;
을 포함할 수 있다.
또한, 상기 과정(b3) 이후에, 가스 포집용 잉여부에 1개 이상의 배출구를 천공하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 가스 포집용 잉여부에 천공하는 배출구의 수는 전극조립체의 크기, 형상, 가스 포집용 잉여부의 크기, 및 가스의 발생 정도에 따라 적절히 조절할 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체에는 2 이상의 관통구들이 형성되어 있고, 상기 전극조립체의 관통구들에 대응되는 전지케이스의 부위들에 각각 배출구를 천공할 수 있다.
상기 전극조립체에 2 이상의 관통구들이 형성되어 있는 경우, 일부의 관통구에만 배출구가 천공되어 있으면, 배출구가 천공되어 있지 않은 관통구의 내부 및 주변에서는 탈기 공정이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.
상기 전극조립체에서 하나의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 2 이상의 배출구들이 형성되어 있는 것도 가능함은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(c)에서, 전극조립체의 형상에 대응되는 가압 장치를 이용하여 잉여 전해액 및 가스를 배출할 수 있다.
별도의 가압 장치를 이용하지 않고 탈기 공정을 수행하는 것도 가능하나, 상기 가압 장치를 이용하는 경우 배출구를 통해 전지케이스 내부의 잉여 전해액 및 가스의 제거가 용이하며, 탈기 공정에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킬 수 있어 효과적이다.
특히, 탈기 공정에서 가압이 필요한 부분은 전극조립체에 대응되는 부분이기 때문에, 상기 전극조립체의 형상에 대응되는 가압 장치를 이용하는 경우, 에너지 측면에서 보다 효율적인 탈기가 가능하다.
상기 가압 장치가 전극조립체에 대면하는 부분의 면적이 전극조립체의 면적보다 넓은 구조일 수 있으며, 이 경우, 전극조립체의 단부에 잔존할 수 있는 잉여 전해액 및 가스의 제거에 보다 효과적이다.
탈기 공정을 수행하기 위해서는 활성화 공정을 거친 전지셀을 다이(die)에 탑재하고, 배출구를 형성한 다음, 가압 장치를 이용하여 전지셀의 상면을 가압할 수 있다. 단, 본 발명과 같이 관통구가 형성되어 있는 전극조립체의 경우, 전극조립체의 상면과 대면하는 가압 장치의 부분이 편평하면 전극조립체의 관통구 내부에 존재하는 잉여 전해액 및 가스를 제거하는데 한계가 있다.
따라서, 하나의 구체적인 예에서, 상기 가압 장치는 전극조립체의 관통구에 대응되는 형상의 가압 돌출부를 포함하고, 상기 전극조립체의 관통구에 가압 돌출부가 삽입되면서 가압할 수 있다.
이 때, 상기 가압 돌출부의 단면적은 관통구에 삽입을 위해, 관통구의 단면적보다 상대적으로 작을 수 있다.
상기 가압 돌출부가 전극조립체의 관통구에 삽입되면서 가압하더라도, 관통구의 내주면과 가압 돌출부의 외주면이 정확하게 일치하기는 어렵고, 따라서, 관통구와 가압 돌출부 사이의 공간에 잉여 전해액과 가스가 잔존할 수 있다.
이 때, 상기 전극조립체의 관통구 내부 및 주변의 잉여 전해액 및 가스의 제거율을 향상시키기 위하여, 하나의 구체적인 예에서, 상기 가압 돌출부는 중공형 구조로 이루어져 있고, 상기 중공형 구조에서 진공을 인가하여 배출구로부터 잉여 전해액 및 가스를 흡입할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제조 방법은, 상기 과정(c) 이후에 하기 과정(d)를 더 포함할 수 있다:
(d) 상기 수납부의 외주면 및 관통구의 내주면에 대응되는 전지케이스의 부위에 열융착 실링부를 형성하는 과정.
상세하게는, 상기 과정(d) 이후에 하기 과정(e)를 더 포함할 수 있다:
(e) 상기 전지케이스의 가스 포집용 잉여부를 제거하는 과정.
또한, 본 발명에 따른 제조 방법은, 상기 과정(d) 이후에 하기 과정(f)를 더 포함할 수 있다:
(f) 상기 관통구의 내주면에 대응되는 열융착 실링부의 일부를 절취하여, 전극조립체의 관통구와 연통되는 개구를 전지케이스에 형성하는 과정.
상기 과정 (f)를 포함하여 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 형성된 배출구는 제거되고, 따라서, 본 발명에 따른 제조 방법은 종래의 기술과 달리 전극조립체의 근처에 배출구가 형성되더라도 전지셀의 밀봉성에 영향을 미치지 않는다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 각형 전지케이스 또는 파우치형 전지케이스일 수 있다.
상세하게는, 상기 각형 전지케이스는 금속 소재 또는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
상기 파우치형 전지케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄, 또는 알루미늄 합금이 포함될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은, 또한, 이러한 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 관통구를 포함하는 전지셀을 제공한다.
이하, 상기 전지셀의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 300 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 음극 집전체의 두께는 3 내지 300 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 포함하는 전지팩, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀의 제조 방법은, 전극조립체의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 배출구를 천공하여 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 과정을 포함하여, 관통구 내부 및 주변에 위치하는 잉여 전해액 및 가스를 용이하게 배출할 수 있다.
또한, 전지셀 내부의 잉여 전해액과 가스를 배출하여, 전지셀의 불량률을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 관통구를 포함하는 전지셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지셀의 수직단면도이다;
도 3은 도 1의 전지셀의 평면도이다;
도 4 내지 도 10은, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 제조하는 일련의 과정들을 나타낸 모식도들이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 제조 과정을 나타낸 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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 관통구를 포함하는 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 1의 전지셀의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀(100)은 전지케이스(110), 전극 단자(120, 121), 리드 필름(122, 123), 및 관통구(150)를 포함한다.
구체적으로, 전극조립체는 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 직사각형이고, 관통구(150)는 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 원형이다. 전극조립체는 전지셀(100)의 일측으로 전극 단자들(120, 121)이 돌출되도록 전지케이스(110)에 내장되어 있으며, 전극 단자(120, 121)와 전지케이스(110) 사이의 밀봉성 향상을 위해 리드 필름(122, 123)이 각각 개재되어 있다.
전극조립체에 형성되어 있는 관통구(150)와 연통되는 전지케이스(110)의 개구(150)가 서로 일치하고 연통되어 있다.
다시 도 3을 참조하면, 전지셀(100)의 열융착 실링부들(111, 112, 113, 115)의 위치가 구체적으로 표시되어 있다.
전극 단자들(120, 121)이 위쪽에 위치할 때를 기준으로, 전지케이스(110)의 좌측 실링부(111), 상측 실링부(112), 및 우측 실링부(113)가 각각 형성되어 있으며, 아래쪽은 전지셀(100)의 제조 과정에서 전지케이스(110)가 절곡되어 밀봉되므로 별도의 실링부가 필요하지 않다. 다만, 제조과정 및 사용되는 전지케이스의 형상에 따라 아래쪽에도 별도의 실링부가 형성될 수 있음은 물론이다.
관통구(150)의 내주면에 대응되는 전지케이스(110)의 부위에도 열융착 실링부(115)가 형성되어 있어, 전지케이스(110)의 밀봉성을 향상시킨다.
도 4 내지 도 10에는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 제조하는 일련의 과정들이 모식적으로 도시되어 있다.
우선 도 4를 참조하면, 도 4에는 관통구(150)가 천공되어 있는 전극조립체(10)를 준비하는 과정이 도시되어 있다.
전극조립체(10)는 전극 단자(120, 121), 리드 필름(122, 123), 및 관통구(150)를 포함하고 있다.
구체적으로, 전극조립체(10)는 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 직사각형이고, 관통구(150)은 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 원형이다. 전극조립체(10)는 위쪽으로 전극 단자들(120, 121)이 위치하고 있으며, 전극 단자(120, 121)에는 리드 필름(122, 123)이 각각 부착되어 있다
전극조립체(10)는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 포함하고, 관통구(150)는 적층 방향을 따라 전극조립체(10)를 관통하고 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 도 5에는 전극조립체(10)를 전지케이스(110)의 수납부에 장착하는 과정이 도시되어 있다.
전지케이스(110)의 수납부는 좌측으로 치우쳐 있으며, 전극조립체(10)를 기준으로 우측에 전지케이스(110)의 잉여부가 더 많이 존재하도록 전극조립체(10)를 장착하였다.
전극조립체(10)의 전극 단자들(120, 121)은 전지케이스(110)의 위쪽으로 돌출되어 있으며, 리드 필름(122, 123)도 일부가 전지케이스(110)의 외부로 돌출되도록 위치하고 있다.
전극조립체(10)를 전지케이스(110)의 수납부에 위치시킨 다음에는, 전지케이스(110)의 세로 방향에서 중간에 해당하는 점선(A)을 기준으로 아래쪽을 화살표(B)를 따라 절곡하여, 전지케이스(10)의 좌측, 상측, 우측 단부가 서로 일치하도록 하였다. 이로 인해, 전지케이스(110)가 전극조립체(10)의 상면과 하면을 감싸는 구조를 이루었다.
다음으로 도 6을 참조하면, 도 6에는 전지케이스(110)의 내부에 전극조립체(10)가 장착된 상태로, 열융착 실링부(111, 112)를 형성하고, 전해액을 주입하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
우선, 전극조립체(10)가 전지케이스(110)의 내부에 장착된 상태로, 전지케이스(110)의 좌측 및 상측 단부에 실링부(111, 112)를 형성하였다.
이때, 전지케이스(110)의 아래쪽은 전지케이스(110)가 절곡되어 밀봉되어 있으므로, 전지케이스(110)의 우측 단부만 개방되어 있는 상태이다. 개방되어 있는 전지케이스(110)의 우측 단부를 통해 화살표(C) 방향으로 전해액을 주입하였다.
다음으로 도 7을 참조하면, 도 7에는 전지케이스(110)의 우측 단부를 통해 전해액을 주입한 후, 전지케이스(110)의 우측 단부에 열융착 실링부(114)를 형성하는 과정이 모식적으로 도시되어 있으며, 이러한 과정을 통해, 전지케이스(110)의 외주면을 모두 밀봉하였다.
이러한 과정을 통해, 전극조립체(10)의 우측 단부와 전지케이스(110)의 우측 실링부(114) 사이에는 가스 포집용 잉여부(118)를 형성하였다.
이와 같이 밀봉 과정이 모두 끝난 후에는, 전극 단자(120, 121)를 통해 1 회의 충전과 방전을 수행하여 전지셀(100)을 활성화하는 과정을 거치며, 이때 발생한 가스는 가스 포집용 잉여부(118)는 물론 전지케이스(110)의 내부에 넓게 분포하고 있다.
다음으로 도 8을 참조하면, 도 8에는 전지셀(100)의 활성화 과정에서 발생한 가스 및 잉여 전해액을 전지케이스(110)의 외부로 배출하기 위한 배출구(130, 131, 132)를 천공하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
배출구를 천공하는 순서 및 개수는 특별히 제한되지는 않으며, 하나의 예에서, 가스 포집용 잉여부(118)에 2 개의 배출구들(130, 131)을 천공하고, 전극조립체의 관통구(150)에 대응되는 전지케이스(110)의 부위에 배출구(132)를 천공하였다.
다음으로 도 9를 참조하면, 도 9에는 가압 장치(200)를 이용하여 전지셀(100) 내부의 잉여 전해액 및 가스를 외부로 배출하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
전지셀(100)을 다이(die)에 위치시키고, 전지셀(100)의 전극조립체의 형상에 대응되는 가압 장치(200)를 상부에서 화살표(D) 방향으로 이동시켜 전지셀(100)을 가압하였다.
가압 장치(200)로 전지셀(100)의 상부를 가압하여, 가스 포집용 잉여부(118)로 가스 및 잉여 전해액을 이동시켜 배출구를 통해 외부로 배출하였다.
또한, 가압 장치(200)는 전극조립체의 관통구(150)에 대응되는 형상의 가압 돌출부(210)를 포함하고 있으며, 전극조립체의 관통구(150)에 가압 돌출부(210)가 삽입되면서 가압하여, 관통구(150) 내부 및 주변에 존재하는 가스 및 잉여 전해액을 용이하게 배출하였다.
더욱이, 가압 돌출부(210)는 중공형 구조(215)로 이루어져 있고, 중공형 구조(215)에서 진공을 인가하여 관통구(150)에 대응되는 전지케이스의 부위에 형성된 배출구로부터 잉여 전해액 및 가스를 더욱 용이하게 흡입하였다.
다음으로 도 10을 참조하면, 전지케이스(110)의 내부로부터 잉여 전해액 및 가스를 배출하고 난 후, 전극조립체가 수납되어 있는 수납부의 우측에 인접한 외주면에 열융착 실링부(113)를 형성하고, 관통구의 내주면에 대응되는 전지케이스의 부위에 열융착 실링부(115)를 형성하였다.
절취선(E)를 따라 절취하여, 가스 포집용 잉여부(118)를 제거하였고, 절취선(F)를 따라 관통구의 내주면에 대응되는 열융착 실링부(115)의 일부를 절취하여, 전극조립체의 관통구와 연통되는 개구를 전지케이스(110)에 형성하여, 도 3의 전지셀(100)을 완성하였다.
도 11에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 제조 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 8과 비교하여 도 11을 참조하면, 도 11의 전지셀(300)은 전지케이스(310)의 우측 단부를 통해 전해액을 주입한 후, 우측 단부에 열융착 실링부(314)를 형성한 점에서 도 8의 전지셀(100)과 동일하다.
또한, 가스 포집용 잉여부(318)가 형성되어 있는 위치도 동일하며, 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액이 배출되는 2개의 배출구들(330, 331)이 가스 포집용 잉여부(318)에 형성되어 있는 점에서도 동일하다.
다만, 도 11의 전지셀(300)은 2 개의 관통구들(350, 351)이 형성되어 있는 전극조립체를 포함하고 있고, 전극조립체의 관통구들(350, 351)에 대응되는 전지케이스(310)의 부위들에 각각 배출구들(332, 333)이 천공되어 있는 점에서 차이가 있다.
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 (20)

  1. 전극조립체를 관통하는 적어도 1개 이상의 관통구를 포함하는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 관통구가 천공되어 있는 전극조립체를 준비하는 과정;
    (b) 상기 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 장착하고 전해액을 주입한 후 활성화하는 과정; 및
    (c) 상기 전극조립체의 관통구에 대응되는 전지케이스의 부위에 배출구를 천공하여 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 포함하고, 상기 관통구는 적층 방향을 따라 전극조립체를 관통하고 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 원형, 타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 관통구는 적층 방향의 상부에서 바라본 형상이 원형, 타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)는,
    (b1) 상기 전지케이스에 전극조립체를 수납한 상태에서 전지케이스의 외주면 중 일측 단부를 제외한 나머지 부위들에 열융착 실링부를 형성하는 과정;
    (b2) 미실링 상태의 상기 단부를 통해 전해액을 주입한 후 상기 단부를 열융착 실링하여 가스 포집용 잉여부를 형성하는 과정; 및
    (b3) 충전과 방전을 수행하여 전지셀을 활성화시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 과정(b3) 이후에, 가스 포집용 잉여부에 1개 이상의 배출구를 천공하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체에는 2 이상의 관통구들이 형성되어 있고, 상기 전극조립체의 관통구들에 대응되는 전지케이스의 부위들에 각각 배출구를 천공하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)에서, 전극조립체의 형상에 대응되는 가압 장치를 이용하여 잉여 전해액 및 가스를 배출하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 가압 장치는 전극조립체의 관통구에 대응되는 형상의 가압 돌출부를 포함하고, 상기 전극조립체의 관통구에 가압 돌출부가 삽입되면서 가압하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가압 돌출부는 중공형 구조로 이루어져 있고, 상기 중공형 구조에서 진공을 인가하여 배출구로부터 잉여 전해액 및 가스를 흡입하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c) 이후에 하기 과정(d)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법:
    (d) 상기 수납부의 외주면 및 관통구의 내주면에 대응되는 전지케이스의 부위에 열융착 실링부를 형성하는 과정.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 과정(d) 이후에 하기 과정(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법:
    (e) 상기 전지케이스의 가스 포집용 잉여부를 제거하는 과정.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 과정(d) 이후에 하기 과정(f)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법:
    (f) 상기 관통구의 내주면에 대응되는 열융착 실링부의 일부를 절취하여, 전극조립체의 관통구와 연통되는 개구를 전지케이스에 형성하는 과정.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 각형 전지케이스 또는 파우치형 전지케이스인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 각형 전지케이스는 금속 소재 또는 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 파우치형 전지케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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