KR102006669B1 - 열가소성 수지를 적용한 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀 제조방법 - Google Patents

열가소성 수지를 적용한 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 제 1 용기에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정; (b) 제 1 용기에서 전극조립체를 취출하여 고분자 수지로 구성된 박스에 도입하는 과정; (c) 전극조립체가 도입된 고분자 수지 박스를 제 2 용기에 위치시키는 과정; (d) 제 2 용기의 내부를 감압함으로써 고분자 수지 박스를 전극조립체의 외면에 밀착시켜 셀 케이스를 형성하는 과정; 및 (e) 셀 케이스의 상단에 탑 캡을 부착하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법을 제공한다.

Description

열가소성 수지를 적용한 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀 제조방법 {Battery Case Applying Hot-Melt Resin and Manufacturing Method Battery cell Comprising the Same}
본 발명은 열가소성 수지를 적용한 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 특히, 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구 및 상용화가 이루어 지고 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 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
도 1 및 2에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 리튬 이온 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 리튬 이온 전지(100)는, 파우치형의 전지케이스(200) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(300)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(301, 302)이 두 개의 전극리드(400, 410)에 용접되어 전지케이스(200)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(300)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(230)를 포함하는 케이스 본체(210)와 그러한 본체(210)에 일측이 연결되어 있는 덮개(220)로 이루어져 있다.
리튬 이온 전지(100)에 사용되는 전극조립체(300)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(300)는 다수의 양극 탭들(301)과 다수의 음극 탭들(302)이 전극리드(400, 410)에 각각 용접되어 있다.
이러한 리튬 이온 전지는 전지(100)는 수납부(230)에 전극조립체(300)를 안착한 후 덮개(220)를 덮고 본체(210)과의 접촉 부위를 열융착시켜 제조된다. 열융착에 의해 상단 실링부(240)와 측면 실링부(250)가 각각 형성되며, 측면 실링부(250)는 수직으로 상향 절곡하여 전극조립체(300) 쪽으로 밀착시킨다.
그러나, 이러한 리튬 이온 전지는 몇가지 문제점들을 가지고 있다.
첫째, 실링부위는 전지의 다른 부위에 비해 취약한 부위로서, 장기간의 사용시 상기 실링부위를 통해 수분이 침투하여 결과적으로 전지의 수명이 단축되는 원인으로 작용할 수 있으며, 절연 저항이 높아질 수 있다.
특히, 이러한 리튬 이온 전지 다수 개를 적층하여 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결하는 중대형 전지모듈의 경우, 장기간의 전지 수명 및 안전성을 요구하고, 일부 전지에서 수분 침투가 발생하게 되면 이로 인해 전지모듈 전체의 성능 저하를 가져오게 되므로 많은 문제점을 일으키게 된다.
둘째, 전극리드의 상하면 일부에는 전지케이스와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 별도의 절연필름을 부착하여야 하므로, 제조공정이 번거롭고 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
셋째, 전지케이스는 전극조립체의 크기에 비해 전장, 전폭, 두께가 상대적으로 커서 내부의 갭이 존재하므로, 전지 용량이 상대적으로 적고, 전지케이스 내에서 전극조립체가 이동할 수 있다는 단점이 있다.
더욱이, 최근에 다양한 크기 및 형태의 디바이스에 대한 수요가 높이지고 있으므로, 전극조립체의 형상이 다양해 짐에 따라 전지케이스의 형상을 제작하여야 하는 문제가 발생할 수 있다.
넷째, 전지는 제조과정에서 활성화 및 숙성 단계를 거치게 되는데, 이때 발생하는 가스를 제거하기 위해 가스 포켓을 가진 전지케이스를 일차 밀봉하여 활성화 단계를 거치고 가스 포켓을 절취하여 가스를 제거한 후 재차 밀봉하는 단계를 거치므로, 제조공정이 길어지는 단점이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 전지셀의 안전성 향상 및 불량률을 감소시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 용기에 침지시켜 전해액을 함침하고, 전극조립체를 고분자 수지로 구성된 박스에 도입한 후 가압하여 전극조리체 외면에 밀착시킨 형태의 셀 케이스를 형성함으로써, 전극조립체의 유동을 방지하고, 외부 충격에 대한 흡수 효과를 극대화하여 전지의 안전성을 확보하면서 제조공정을 최소화하고, 전지셀의 형태에 따른 자유도를 높일 수 있는 전지셀 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 제 1 용기에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정;
(b) 제 1 용기에서 전극조립체를 취출하여 고분자 수지로 구성된 박스에 도입하는 과정;
(c) 전극조립체가 도입된 고분자 수지 박스를 제 2 용기에 위치시키는 과정;
(d) 제 2 용기의 내부를 감압함으로써 고분자 수지 박스를 전극조립체의 외면에 밀착시켜 셀 케이스를 형성하는 과정; 및
(e) 셀 케이스의 상단에 탑 캡을 부착하는 과정;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 용기에 침지시켜 전해액을 함침하고, 전극조립체를 고분자 수지로 구성된 박스에 도입한 후 가압하여 전극조리체 외면에 밀착시킨 형태의 셀 케이스를 형성함으로써, 전극조립체의 유동을 방지하고, 외부 충격에 대한 흡수 효과를 극대화하여 전지의 안전성을 확보하면서 제조공정을 최소화하고, 전지셀의 형태에 따른 자유도를 높일 수 있는 효과를 제공한다.
상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 제 1 용기에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정 및 제 2 용기 내부를 가압하여 고분자 수지 박수를 전극조립체의 외면에 밀착 시키는 과정을 포함하는 바, 제 1 용기 및 제 2 용기가 하나의 용기로서, 제 1 용기를 통해 전해액을 침지시킨 이후에 제 1 용기 내부의 전해액을 제거하여 제 2 용기로 활용하거나 또는 서로 다른 용기를 사용하는 것이 가능하다.
또한, 용기 내부를 가압하는 과정을 포함하는 바, 상기 제 2 용기는 내부를 열과 압력에 내성을 가진 금속 소재로 이루어진 것이 바람직하다.
한편, 일반적으로 전지는 활성화를 위한 최초 충방전시 전극 조립체의 음극에는 SEI막이 형성되며 이러한 과정에서 일부 카보네이트 화합물이 분해하며 발생한 가스가 포집된다. 이러한 활성화 과정을 통해, 최종적으로 완성된 전지셀의 충전시 기형성된 SEI막은 정상적인 작동조건 하에서 추가적인 가스 발생량을 적게 할 수 있다.
따라서, 초기 충방전 과정은 이러한 SEI 막의 형성을 위해 필요하며, 최종적인 전지의 제조 이전에 반드시 요구되는 바, 바람직하게는 상기 과정(c)와 과정(d) 사이에는 전지셀의 활성화를 위해 전극조립체에 대해 충방전을 수행하고 발생한 가스를 제거하는 과정을 더 포함할 수 있다.
또한, 이러한 충방전을 수행한 후 숙성하는 과정을 추가로 포함함으로써, 전극조립체에 SEI막이 보다 용이하게 형성되어 실제 전지의 사용 과정에서 가스 발생을 최소화할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 용기 내부를 감압하여 고분자 수지 박스를 전극조립체의 외면에 밀착시키는 과정을 포함하는 바, 상기 과정(c)와 과정(d) 사이에는 고분자 수지 박스의 유동성을 높이기 위하여 제 2 용기를 가열하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 이로 인해 감압에 의한 밀착이 더욱 수월하게 수행될 수 있다.
또한, 셀 케이스 형성 이후에 셀 케이스의 상단에 탑 캡을 부착하는 과정은 제 2 용기 내부에서 수행하거나 또는 외부에서 수행할 수 있다. 즉, 상기 과정(e)의 이전 또는 이후에 전극조립체를 제 2 용기에서 취출하는 과정을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 과정(e)에서 탑 캡은 전극조립체의 전극단자에 전기적으로 연결되는 구조로 구성될 수 있으며, 상기 과정(e)의 이후에, 탑 캡은 셀 케이스에 몰딩 또는 열융착 되는 과정을 포함함으로써, 셀 케이스와 탑 캡 사이를 밀봉하는 구조일 수 있다.
상기 열융착을 위한 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 레이저 용접에 의해 달성되는 것이 가능하다.
한편, 상기 고분자 수지 박스는 전해액이 함침된 전극조립체가 도입되는 크기로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 전극조립체의 부피에 대해 105% 내지 150% 범위의 내장 부피를 가진 구조로 구성되어 전극조립체를 안정적으로 도입시키고, 전해액이 손실되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지 박스는 전극조립체의 두께에 대해 1% 내지 30% 범위의 두께를 가지는 것이 바람직하며, 상기 고분자 수지 박스의 두께가 지나치게 얇은 경우, 셀 케이스로서 역할 수행하기 어려우므로 바람직하지 않고, 반대로 상기 고분자 수지 박스의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 감압에 의한 밀착이 어려우므로 바람직하지 않다.
상기 고분자 수지 박스의 형상은 전극조립체의 외면을 감싸면서 최종적으로 탑 캡과 결합하여 전지셀을 밀봉할 수 있는 형상이면 제한되지 않으며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 고분자 수지 박스는 전극조립체의 전극 단자가 위치하는 일면이 개방되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 고분자 수지 박스는 전극조립체의 전극 단자가 위치하는 일면에서 전극단자가 노출되기 위한 일부를 제외하고 전극조립체의 외면을 감싸는 구조일 수 있다.
즉, 이러한 구조는 전극 단자가 돌출되는 부위 또는 돌출되는 일면을 제외하고 전극조립체의 외면을 감싼 상태로 밀착되는 구조로서 전극 단자가 위치하는 부위에서 탑 캡이 결합되어 전지셀을 밀봉하는 구조일 수 있다.
상기 고분자 수지는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 열가소성 고분자 수지로서, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 스티렌 수지, 아크릴 수지, 고무 수지, 및 ABS 등의 블랜드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있으며, 구체적으로, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 전지셀 제조방법에 의해 제조된 전지셀을 제공할 수 있다.
참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있으며, 상기 전지셀은 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 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, LiFe3O4, 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 혼합물 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 브티렌 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.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 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, and 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 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 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.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 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 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 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 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 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 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀의 일면에 보호회로 모듈이 장착되어 있는 전지팩을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전지팩을 단위전지로 포함하고 있는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 웨어러블 기기, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 용기에 침지시켜 전해액을 함침하고, 전극조립체를 고분자 수지로 구성된 박스에 도입한 후 가압하여 전극조리체 외면에 밀착시킨 형태의 셀 케이스를 형성함으로써, 전극조립체의 유동을 방지하고, 외부 충격에 대한 흡수 효과를 극대화하여 전지의 안전성을 확보하면서 제조공정을 최소화하고, 전지셀의 형태에 따른 자유도를 높일 수 있는 효과를 제공한다.
도 1 및 2는 파우치형 전지케이스를 사용한 종래의 리튬 이온 전지의 분해도와 조립된 상태에서의 평면 투시도이다;
도 3 내지 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 제조방법을 나타내는 모식도들이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀에 대한 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 3 내지 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 제조방법을 나타내는 모식도들이 도시되어 있다.
먼저, 도 3을 참조하며, 전극조립체(110)는 스택형 구조로 구성되어 있으며, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어져 있고, 그것의 두 개의 전극 단자들(121, 122)에 용접되어 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(110)는 전해액이 담겨 있는 제 1 용기(131)에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정을 거치게 되며, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 전해액 함침이 완료된 이후 제 1 용기(131)에서 전극조립체(110)를 취출하여 고분자 수지 박스(140)에 도입하는 과정을 거치게 된다.
고분자 수지 박스(140)는 열가소성 고분자 수지로서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 소재로 이루어져 있으며, 전극조립체(110)의 부피에 대해서 약 120%의 내장 부피를 가지는 크기로 형성되며, 전극조립체(110)의 전극 단자들(121, 122)이 위치하는 상단 일면의 일부를 제외하고 전극조립체(110)의 외면을 감싸는 구조로 구성되어 있다.
다음으로 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 전극조립체(110)가 도입된 고분자 수지 박스(140)는 전해액이 담겨 있지 않은 제 2 용기(132)에 위치하게 되며, 전극조립체(110)에 대해 충방전을 수행하여 활성화 과정을 거치고, 활성화 과정을 통해 발생한 가스를 제거하는 과정을 거친다.
이러한 활성화 과정에서, 최초 충방전시 전극조립체(110)의 음극에 보호막이 형성되며 이러한 과정에서 일부 카보네이트 화합물이 분해하며 SEI막이 형성되고, 이러한 과정을 통해, 최종적으로 완성된 전지셀의 충전시 기형성된 SEI막이 정상적인 작동조건 하에서 추가적인 가스 발생량을 적게 할 수 있다.
활성화가 완료된 이후에는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 용기(132)를 소정의 온도로 높여 고분자 수지 박스(140)의 유동성을 높이기 위한 가열 과정을 거치고, 제 2 용기(132) 내부를 감압하여 고분자 수지 박스(140)가 전극조립체(110)의 외면에 밀착시켜 셀 케이스를 형성하는 과정을 거친다.
다음으로 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 전극조립체(110)를 제 2 용기(132)에서 취출하고, 탑 캡(150)의 전기적 접속 부위와 전극 단자(121, 122를 전기적으로 연결하고, 탑 캡(150)과 고분자 수지 박스(140)로 형성된 셀 케이스 사이 부위(A)를 레이저 용접을 통해 열융착시켜 봉합하는 과정을 통해 전지셀을 완성한다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀이 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 전지셀(200)은 팩 케이스(240) 내부에 전극조립체(210)를 내장한 구조로 구성되어 있으며, 팩 케이스(240)는 열가소성 고분자 수지가 압착되어 전극조립체(210) 외면에 밀착되어 있는 구조로 구성되고, 상단에서 탑 캡(250)이 결합되어 밀봉된 구조로 구성된다.
이러한 구조는 팩 케이스(240)가 전극조립체(210)의 외면 형상에 맞추어 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 전극조립체(210)의 유동을 방지하는 효과를 제공하고, 팩 케이스(240)의 소재가 종래의 캔 또는 파우치 형태의 소재가 아닌, 고분자 소재로 구성되어 있으므로, 외부 충격에 대한 흡수 효과를 극대화하여 전지의 안전성을 확보하면서 제조공정을 최소화 할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 전극조립체를 전해액이 담겨 있는 제 1 용기에 침지시켜 전해액을 함침하는 과정;
    (b) 상기 제 1 용기에서 상기 전극조립체를 취출하여 고분자 수지로 구성된 박스에 도입하는 과정;
    (c) 상기 전극조립체가 도입된 상기 고분자 수지 박스를 제 2 용기에 위치시키는 과정;
    (d) 상기 제 2 용기의 내부를 감압함으로써 상기 고분자 수지 박스를 상기 전극조립체의 외면에 밀착시켜 셀 케이스를 형성하는 과정; 및
    (e) 상기 셀 케이스의 상단에 탑 캡을 부착하는 과정;을 포함하며,
    상기 과정(c)와 과정(d) 사이에는 상기 고분자 수지 박스의 유동성을 높이기 위하여 상기 제 2 용기를 가열하는 과정을 더 포함하고,
    상기 과정(e)의 이후에, 상기 탑 캡은 상기 셀 케이스에 몰딩 또는 열융착 되며,
    상기 고분자 수지는 열가소성 고분자 수지이고, 상기 고분자 수지 박스는 상기 전극조립체의 두께에 대해 1% 내지 30% 범위의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 용기는 내부를 열과 압력에 내성을 가진 금속 소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)와 과정(d) 사이에는 상기 전지셀의 활성화를 위해 상기 전극조립체에 대해 충방전을 수행하고 발생한 가스를 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 용기와 상기 제 2 용기는 하나의 용기이거나 또는 서로 다른 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(e)의 이전 또는 이후에 상기 전극조립체를 상기 제 2 용기에서 취출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(e)에서 상기 탑 캡은 상기 전극조립체의 전극단자에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 열융착은 레이저 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지 박스는 상기 전극조립체의 부피에 대해 105% 내지 150% 범위의 내장 부피를 가진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지 박스는 상기 전극조립체의 전극 단자가 위치하는 일면이 개방되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지 박스는 상기 전극조립체의 전극 단자가 위치하는 일면에서 전극단자가 노출되기 위한 일부를 제외하고 상기 전극조립체의 외면을 감싸는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 스티렌 수지, 아크릴 수지, 고무 수지, 및 ABS 등의 블랜드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  18. 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 10 항, 제 11 항, 제 13 항, 제 14 항, 제 16 항, 제 17 항 중 어느 하나에 따른 전지셀 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 18 항에 따른 전지셀의 일면에 보호회로 모듈이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 따른 전지팩을 단위전지로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 웨어러블 기기, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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