KR101936058B1 - 파우치형 이차전지의 실링방법 - Google Patents

파우치형 이차전지의 실링방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 수납될 영역이 함몰되도록 라미네이트 시트의 가상 중심선을 기준으로 일측 또는 양측에 전극조립체 수납부가 형성되는 단계 이후, 상기 전극조립체 수납부의 일측에 위치하며 상기 중심선을 기준으로 접혀 서로 마주보는 면에는 열접착필름이 접착되는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 실링방법에 관한 것이다.

Description

파우치형 이차전지의 실링방법{The sealing method of pouch type secondary battery}
본 발명은 파우치형 이차전지의 실링방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 파우치형 이차전지의 전해액 주입과정에서 전해액 주입구에 묻은 전해액에 의해 절연 저항 불량이 발생되는 것을 방지하기 위한 파우치형 이차전지의 실링방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.
또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기에서는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에서는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 단위전지로서 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.
중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 배터리 셀로서 주로 사용되고 있다. 그 중에서도, 중량이 작고 전해액의 누액 가능성이 적으며 제조비가 저렴한 파우치형 전지가 특히 많은 관심을 모으고 있다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치형 전지케이스는 도시된 바와 같이 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층인 알미늄층(AL/Aluminum Layer:13), 기재 및 보호층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer:11)이 적층된 다층막구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
파우치형 이차전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 파우치형 전지는 제조과정에서 음극, 분리막 및 양극을 포함하는 전지 조립체를 파우치형 포장재 안에 넣고, 전해액을 주입한 후 가장자리를 실링한다. 그런 다음, 몇 회의 충방전 사이클을 통해 전지를 활성화 시킨다. 이 과정에서 가스가 발생되는데 이를 디개싱하기 위해 파우치의 실링부를 일부 개봉한 다음 재실링하는 과정을 거친다.
이러한 리실링 과정에서는 파우치의 실링 대상 부위 내부 벽면에 묻어있는 전해액이 같이 실링되는 교착 실링이 발생되거나, 최종 실링 과정에서 진공 흡입을 시킬 때 전해액의 기상 분자들이 확산에 의해 실링부에 침투하게 된다.
이와 같이 실링부에 침투된 전해액 분자들에 의한 국부적인 디펙트(defect) 또는 마이크로 크랙(micro crack)은 외부와의 전기적 통로가 되어 전지의 절연저항을 파괴시킴은 물론, 전지 내부에 수분 침투 통로가 되며, 실링 강도를 현저히 저하시키는 원인이 된다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해, 유럽특허 제0994519호(공개일 2000.04.19, 명칭 : Electrolyte solution filling method and battery structure of lithium secondary battery)에서는 권취된 전지셀의 탑(top) 부분에 연결된 노즐을 통해 전해액을 인젝팅함으로써 전해액을 셀에 함침시키는 것을 특징으로 하는 전지셀에 전해액을 채우는 방법을 제시하였다.
하지만 상기 방법에 의하더라도 전해액의 교착 실링 문제를 만족스럽게 해결할 수 없어, 전해액의 교착 실링 문제를 해결하기 위한 기술개발이 여전히 필요한 실정이다.
유럽특허 제0994519호(공개일 2000.04.19, 명칭 : Electrolyte solution filling method and battery structure of lithium secondary battery)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전해액 주입구에 묻은 전해액이 내부 실란트층을 침투하여 알루미늄 또는 SUS 로 이루어진 중간층과 접하여 절연 저항 불량이 발생되는 것을 방지하기 위해, 전해액 주입구가 형성되는 측에 열접착필름을 접착시켜, 절연 저항 불량을 감소시키기 위한 파우치형 이차전지의 실링방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법은, 전극조립체가 수납될 영역이 함몰되도록 라미네이트 시트의 가상 중심선을 기준으로 일측 또는 양측에 전극조립체 수납부가 형성되는 단계; 상기 전극조립체 수납부의 일측에 위치하며 상기 중심선을 기준으로 접혀 서로 마주보는 면에는 열접착필름이 접착되는 단계; 상기 라미네이트 시트가 접혀 형성되는 파우치형 전지케이스의 상기 전극조립체 수납부에 상기 전극조립체가 수용된 다음, 상기 파우치형 전지케이스의 열접착필름이 접착된 면과 그 외측면을 제외한 나머지 면이 밀봉되는 단계; 상기 열접착필름이 접착된 면과 그 외측면에 형성된 전해액 주입구로 전해액이 주입되는 단계; 열접착필름이 접착된 면의 외측면이 가실링된 다음, 초기화 충방전이 실시되는 단계; 상기 열접착필름이 접착된 면의 외측면을 다시 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계; 및 열접착필름이 접착된 면을 리실링하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 파우치형 전지케이스는 외면에 절연물질로 이루어지는 외부 피복층; 알루미늄 또는 SUS로 이루어지는 중간층; 및 내면에 열접착제로 이루어지는 내부 실란트층; 을 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 전극조립체 수납부가 형성되는 단계에서는 상기 열접착필름이 접착되는 부분을 중심으로 일측에 상기 전극조립체 수납부가 형성되고, 타측에 가스포집부가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 주입 단계 이후, 상기 가스포집부의 상기 전극조립체 수납부와 인접한 측과 반대되는 측면에서 가실링이 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 열접착필름은 상기 전극조립체 수납부 측에 위치한 면이 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액을 주입하는 단계 이후 또는 디개싱 단계 이후에 상기 전해액 주입구 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는 상기 전해액 주입구의 양측 외주면에 수평 또는 수직방향으로 초음파 진동이 가해질 수 있다.
본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 주입구가 형성되는 측에 전해액 주입 전 열접착필름을 접착시켜, 내부 실란트층의 두께를 증가시킴으로써, 전해액이 알루미늄 또는 SUS로 이루어진 중간층과 쉽게 접하지 못하도록 하여 절연 저항 불량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 주입구가 형성되는 측의 두께만 증가하여 내부 실란트층 전체의 두께를 증가시킨 라미네이트 시트로 파우치형 전지케이스를 형성하는 것처럼 전체 전지셀의 두께 증가에 영향을 미치지 않으며, 열접착필름의 가장자리가 경사지게 형성되어, 열접착필름이 접착되지 않는 영역과 단차가 생겨 접착면이 벌어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 주입 단계 또는 디개싱 단계 이후에 전해액 주입구에 묻은 전해액을 초음파 가진을 이용하여 제거함으로써, 저항 불량을 감소율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 절연 저항을 높임으로써, 파우치형 전지케이스의 부식을 막을 수 있어 수명을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명의 파우치형 이차전지의 실링방법은 전해액 주입구가 형성되는 측 내부 실란트층의 두께 증가 및 초음파 가진을 통한 전해액 제거로 수분 침투 경로를 차단함으로써, 밀봉성 및 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
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도 1은 파우치형 이차전지의 일실시예를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법에서 전극조립체 수납부가 형성되는 단계를 개략적으로 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법에서 열접착필름이 접착되는 단계를 개략적으로 나타낸 평면도.
도 4는 도 3의 측면도.
도 5는 열접착필름의 또 다른 형태를 나타낸 측면도.
도 6은 도 5의 열접착필름을 이용하여 형성된 파우치형 전지케이스를 나타낸 측면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법에서 초음파 진동을 가해주는 단계를 나타낸 개념도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법을 이용한 전해액 주입구의 단면도(a)와 기존의 단면도(b).
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법에서 전극조립체 수납부가 형성되는 단계를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법에서 열접착필름이 접착되는 단계를 개략적으로 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 3의 측면도이고, 도 5는 열접착필름의 또 다른 형태를 나타낸 측면도이며, 도 6은 도 5의 열접착필름을 이용하여 형성된 파우치형 전지케이스를 나타낸 측면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 실링방법에서 초음파 진동을 가해주는 단계를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(1)의 실링방법은 전극조립체(200)가 수납될 영역이 함몰되도록 라미네이트 시트의 가상 중심선을 기준으로 일측 또는 양측에 전극조립체(200) 수납부가 형성되는 단계; 상기 전극조립체(200) 수납부의 일측에 위치하며 상기 중심선을 기준으로 접혀 서로 마주보는 면에는 열접착필름(300)이 접착되는 단계; 상기 라미네이트 시트가 접혀 형성되는 파우치형 전지케이스(100)의 상기 전극조립체(200) 수납부에 상기 전극조립체(200)를 넣고, 상기 열접착필름(300)이 접착된 면을 제외한 나머지 면을 밀봉하는 단계; 상기 열접착필름(300)이 접착된 면이 개봉되어 형성되는 전해액 주입구(120)를 통해 전해액을 주입하는 단계; 상기 파우치형 전지케이스(100)를 가실링한 후, 초기화 충방전을 실시하는 단계; 상기 파우치형 전지케이스(100)의 일부영역을 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계; 및 상기 파우치형 전지케이스(100)의 개봉된 영역을 리실링하는 단계; 를 포함한다.
일반적으로 파우치형 이차전지(1)는 크게 전극조립체(200), 파우치형 전지케이스(100)를 포함하여 형성된다.
전극조립체(200)는 음극판(230)과 양극판(240)을 포함하며, 음극판(230)과 양극판(240) 사이에 분리막이 개재되고, 음극판(230) 및 양극판(240)으로부터 음극 탭(210) 및 양극 탭(220)이 각각 연장 형성된다.
파우치형 이차전지(1)의 전극조립체(200)는 음극판(230)과 양극판(240) 사이에 분리막이 개재된 다음, 권취되어 형성된 젤리롤 형태일 수도 있으며, 이 외에도, 일정 크기로 컷팅된 음극판(230)과 양극판(240) 사이에 분리막이 개재되도록 복수 회 적층되는 적층형 전극조립체(200)일 수도 있으며, 특정 형태로 한정되지 않는다.
한편, 파우치형 전지케이스(100)는 평면의 라미네이트 시트에 전극조립체(200)가 수납될 영역이 함몰되어 라미네이트 시트의 가상중심선을 기준으로 전극조립체(200) 수납부가 형성된다.
이 때, 파우치형 전지케이스(100)를 이루는 라미네이트 시트는 외면에 절연물질로 이루어지는 외부 피복층(101)과, 알루미늄 또는 SUS로 이루어지는 중간층(102) 및 폴리올레핀계 수지로 이루어져 열융착되는 내부 실란트층(103)(PP층)을 포함하여 형성될 수 있다.
도 2를 참고로 설명하면, 파우치형 전지케이스(100)는 가상중심선을 기준으로 서로 마주보게 될 영역에 전극조립체(200) 수납부가 형성되고, 가상중심선을 접어 전극조립체(200)가 장착된 수납부를 밀폐하여 조립된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(1)의 실링방법에서는 라미네이트 시트에 전극조립체(200) 수납부가 형성된 다음, 파우치형 전지케이스(100)의 가장자리에 형성된 실링부(110) 중, 전극조립체(200) 수납부의 일측에 위치하며, 가상중심선을 기준으로 접혀 서로 마주보는 면에 열접착필름(300)이 접착되는 단계를 포함한다.
그 다음, 라미네이트 시트가 접혀 형성되는 파우치형 전지케이스(100)에는 전극조립체(200) 수납부에 전극조립체(200)가 수용되며, 음극 탭(210) 및 양극 탭(220)이 파우치형 전지케이스(100)의 가장자리에 형성된 실링부(110)에 걸쳐져 외측으로 노출되도록 밀봉된다.
이 때, 열접착필름(300)이 접착되는 실링부(110) 면은 음극 탭(210) 및 양극 탭(220)이 걸쳐지는 실링부(110) 면에 인접하되, 서로 다른 면인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 파우치형 전지케이스(100)는4개의 모서리에 실링부(110)가 형성되며, 열접착필름(300)이 접착되는 1개의 모서리를 제외한 나머지 3개의 모서리가 밀봉되고, 개봉된 상태인 1개의 모서리에 형성되는 전해액 주입구(120)를 통해 전해액이 주입되도록 형성된다.
전해액이 주입된 다음, 파우치형 전지케이스(100)는 가실링 되고, 전지의 활성화를 위한 초기화 충방전 사이클이 실시된다.
파우치형 전지케이스(100)는 열접착필름(300)이 접착되는 부분을 중심으로 일측에 전극조립체(200) 수납부가 형성되고 타측에 가스포집부가 형성되어 초기화 충방전 사이클이 실시되는 과정에서 발생되는 가스가 포집될 수 있도록 할 수 있다.
전해액 주입 후, 파우치형 전지케이스(100) 중 가실링 되는 영역은 가스포집부의 전극조립체(200) 수납부와 인접한 측과 반대되는 측면일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(1)의 실링방법에서는 초기화 충방전으로 발생된 가스가 가실링 후 다시 개봉된 전해액 주입구(120)를 통해 외부로 배출되는 디개싱 단계가 수행된다.
그 다음, 파우치형 전지케이스(100)의 개봉된 영역을 밀봉하는 리실링 단계에서는 디개싱 과정을 위한 파우치형 전지케이스(100)의 개봉 후, 리실링 시, 진공 흡입으로 유발되는 압력 차에 의해 기상 또는 액상 전해액의 확산이 일어날 수 있으며, 이러한 과정에서 전해액이 파우치형 전치케이스의 실링부(110)에 묻어 외부와의 전류 통로가 생길 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(1)의 실링방법에서는 리실링되는 실링부(110) 영역에 열접착필름(300)이 사전에 접착됨으로써, 전해액 주입구(120)에 묻어있는 전해액이 알루미늄 또는 SUS로 이루어진 중간충과 쉽게 접촉하지 못하게 된다.
열접착필름(300)은 폴리올레핀계 수지로 이루어진 내부 실란트층(103)과 동일하거나 유사한 재질인 것이 바람직하며, 가해진 열에 의해 내부 실란트층(103)과 접착된 상태이므로 결과적으로 내부 실란트층(103)의 두께가 두꺼워져 전해액 주입구(120)에 묻은 전해액과 중간층(102) 사이의 거리가 멀어지도록 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열접착필름(300)은 전극조립체(200) 수납부 측에 위치한 면이 아래로 경사지도록 형성될 수도 있다.
이런 경우, 파우치형 전지케이스(100)는 조립 후, 도 6과 같이 열접착필름(300)이 접착된 면과 접착되지 않은 면과의 경계면에 단차가 형성되지 않고, 서서히 내부 실란트층(103)의 두께가 증가되도록 함으로써, 열접착필름(300)이 접착되지 않은 면과 접착된 면 사이에 발생될 수 있는 단차 영역에서 실링부(110)가 벌어지는 문제를 사전에 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(1)의 실링방법은 전해액을 주입하는 단계 이후 또는 디개싱 단계 이후에 전해액 주입구(120)에 묻어있는 전해액을 제거하기 위해, 전해액 주입구(120)의 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계를 더 포함할 수 있다.
초음파 진동을 가해주는 단계에서는 전해액 주입구(120)의 양측 외주면에 수평 또는 수직방향으로 초음파 진동을 가해주게 되는데, 주입구에 묻어있는 전해액을 파우치형 전지케이스(100) 내부로 떨어뜨리기 위해 수직방향으로 초음파 진동을 가해줄 수도 있고, 전해액을 주입구에서 쉽게 이탈되도록 하기 위해 수평방향으로 초음파 진동을 가해줄 수도 있다.
또한, 초음파 진동은 수평 또는 수직방향의 진동을 교대로 가해주어 전해액이 주입구에서 신속하게 제거되도록 할 수도 있다.
초음파 진동을 가해주는 단계에서는 전해액 주입구(120)의 하단부, 즉 파우치형 전지케이스(100)의 내부공간에 인접한 영역에 형성되는 리실링부(110)에 초음파 진동을 가해줌으로써, 리실링부(110)에 전해액이 남아있지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이 때, 초음파 진동은 너무 낮은 주파수로 가진될 경우, 리실링부(110)에 묻어있는 전해액이 미립자로 분해되기 어려워 제거율이 낮아지며, 너무 높은 주파수로 가진될 경우, 전력소비가 지나치게 높아져 생산성이 저하될 수 있으므로 15~30khz의 진동으로 가해지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(1)의 실링방법은 전해액 주입구(120)가 형성되는 측 내부 실란트층(103)의 두께 증가 및 초음파 가진을 통한 전해액 제거로 수분 침투 경로를 차단함으로써, 절연 저항 불량을 감소시키고, 밀봉성 및 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 파우치형 이차전지
100 : 파우치형 전지케이스(or 라미네이트 시트)
101 : 외부 피복층 102 : 중간층
103 : 내부 실란트층
110 : 실링부 120 : 전해액 주입구
130 : 전극조립체 수납부 140 : 가스포집부
150 : 가상 중심선
200 : 전극조립체
210 : 음극탭 220 : 양극탭
230 : 음극판 240 : 양극판
300 : 열접착필름

Claims (7)

  1. 전극조립체가 수납될 영역이 함몰되도록 라미네이트 시트의 가상 중심선을 기준으로 일측 또는 양측에 전극조립체 수납부가 형성되는 단계;
    상기 전극조립체 수납부의 일측에 위치하며 상기 중심선을 기준으로 접혀 서로 마주보는 면에는 열접착필름이 접착되는 단계;
    상기 라미네이트 시트가 접혀 형성되는 파우치형 전지케이스의 상기 전극조립체 수납부에 상기 전극조립체가 수용된 다음, 상기 파우치형 전지케이스의 열접착필름이 접착된 면과 그 외측면을 제외한 나머지 면이 밀봉되는 단계;
    상기 열접착필름이 접착된 면과 그 외측면에 형성된 전해액 주입구로 전해액이 주입되는 단계;
    열접착필름이 접착된 면의 외측면이 가실링된 다음, 초기화 충방전이 실시되는 단계;
    상기 열접착필름이 접착된 면의 외측면을 다시 개봉하여 내부에 발생된 가스를 디개싱하는 단계; 및
    열접착필름이 접착된 면을 리실링하는 단계;
    를 포함하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파우치형 전지케이스는
    외면에 절연물질로 이루어지는 외부 피복층;
    알루미늄 또는 SUS로 이루어지는 중간층; 및
    내면에 열접착제로 이루어지는 내부 실란트층; 을 포함하여 형성되는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극조립체 수납부가 형성되는 단계에서는
    상기 열접착필름이 접착되는 부분을 중심으로 일측에 상기 전극조립체 수납부가 형성되고, 타측에 가스포집부가 형성되는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 파우치형 이차전지의 실링방법은
    전해액 주입 단계 이후, 상기 가스포집부의 상기 전극조립체 수납부와 인접한 측과 반대되는 측면에서 가실링이 이루어지는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열접착필름은
    상기 전극조립체 수납부 측에 위치한 면이 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 파우치형 이차전지의 실링방법은
    전해액을 주입하는 단계 이후 또는 디개싱 단계 이후에 상기 전해액 주입구 외측에서 초음파 진동을 가해주는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 실링방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 초음파 진동을 가해주는 단계에서는
    상기 전해액 주입구의 양측 외주면에 수평 또는 수직방향으로 초음파 진동이 가해지는 파우치형 이차전지의 실링방법.
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