KR102053058B1 - 가스 응축 및 환류 시스템을 포함하는 전지셀 제조용 탈기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충방전 활성화 과정에서 발생한 예비 전지셀 내의 가스를 제거하여 전지셀을 제조하는 탈기(degas) 공정에 사용되는 장치로서, 예비 전지셀에 천공된 홀들 중 적어도 하나 이상의 홀에 연결되는 가스가 유입되는 가스 흡입부; 상기 가스 흡입부로부터 유입된 가스를 냉각 및 응축시키는 응축부; 상기 응축부로부터 수령한 응축액 및 미응축 가스를 분류하는 기액(gas-liquid) 분리부; 상기 기액 분리부에서 분류된 응축액을 예비 전지셀 내로 공급하도록, 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부가 연결된 홀을 제외한 나머지 홀에 연결되어 있는 리플럭스(reflux)부; 및 상기 기액 분리부에서 분류된 미응축 가스를 외부로 배출하는 배기부;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치를 제공한다.

Description

가스 응축 및 환류 시스템을 포함하는 전지셀 제조용 탈기 장치 {Degassing Device for Manufacturing Secondary Battery That Comprises Means for Condensing and Refluxing Gas}

본 발명은 가스 응축 및 환류 시스템을 포함하는 전지셀 제조용 탈기 장치에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 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.

특히, 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 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

일반적으로, 이러한 파우치형 전지를 포함한 대부분의 이차전지들은 전지셀의 제조 과정에서 충방전에 의해 전지를 활성화시키는 과정을 거치는 바, 최종 전지셀의 제조를 위해서는 상기 활성화 과정에서 발생하는 가스를 제거하여야 하며, 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.

도 1에는 종래의 파우치형 전지셀의 탈기 공정을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전지셀(100)은 전지케이스(120)의 수납부(121)에 전극조립체(110)를 수납한 상태로 전해액을 함침시키고, 외주변(122)을 열융착에 의해 밀봉하여 제조된다.

전극조립체(110)는 전지케이스(120) 내에서 일측 방향으로 밀착되어 수납된 상태에서, 충방전을 통한 활성화 과정을 거친다.

활성화 과정을 거친 전지셀(100)은 전극조립체(110)가 밀착되어 있는 부위에 대향되는 전지케이스(120)의 부위에 3개의 홀(130)이 천공되며, 상기 홀(130)을 통해, 전지셀(100)의 활성화 과정에서 발생한 가스가 전지케이스(120)의 외부로 배출되어 제거된다.

가스의 제거가 왼료된 전지셀(100)은 홀(130)이 천공된 전지케이스(120) 부위가 제거되고, 상기 제거되고 남은 부위(123)는 열융착에 의해 밀봉된다.

이후, 전지셀(100)은 균일한 외형을 형성하도록, 고온의 프레스로 가압됨으로써 완성된다.

그러나, 이러한 파우치형 전지셀의 탈기 공정은 소정의 진공 및 압력이 인가됨으로써 수행되는 바, 갑작스러운 압력의 변화로 인해, 일부 전해액 성분이 기화되어, 가스와 함께 배출되는 문제점이 있다.

또한, 상기 가스와 함께 전지셀 내부의 전해액이 필연적으로 함께 배출되므로, 전지셀 내부의 전해액의 양이 감소하게 되며, 이는 전지셀의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.

이에 따라, 상기 전지셀의 탈기 공정에서 인가되는 진공도 및 압력을 낮추는 등 소정의 공정 조건을 변경함으로써, 가스와 함께 배출되는 전해액 및 기화된 전해액 성분의 양을 감소시켜 상기 문제점을 해결하기도 한다.

그러나, 상기 공정 조건의 변경은 전지셀의 탈기 공정에 소요되는 시간을 증가시키거나, 탈기 공정에 필요한 진공도 및 압력을 충족시키지 못함으로써, 전지셀 내부의 가스가 완전히 제거되지 않고, 잔존하게 되는 등의 또 다른 문제점을 유발한다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 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, 전지셀의 탈기 공정에서 배출되는 가스를 냉각 및 응축시키고, 상기 응축액을 전지샐 내로 공급하도록 전지셀 제조용 탈기 장치를 구성함으로써, 전지셀의 탈기 공정에서 가스와 함께 배출되는 전해액 및 상기 가스에 기화된 상태로 포함된 전해액 성분을 환류시켜, 전해액의 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 전지셀의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 상기 탈기 공정을 소망하는 조건으로 수행함으로써, 공정에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치는,

충방전 활성화 과정에서 발생한 예비 전지셀 내의 가스를 제거하여 전지셀을 제조하는 탈기(degas) 공정에 사용되는 장치로서,

예비 전지셀에 천공된 홀들 중 적어도 하나 이상의 홀에 연결되는 가스가 유입되는 가스 흡입부;

상기 가스 흡입부로부터 유입된 가스를 냉각 및 응축시키는 응축부;

상기 응축부로부터 수령한 응축액 및 미응축 가스를 분류하는 기액(gas-liquid) 분리부;

상기 기액 분리부에서 분류된 응축액을 예비 전지셀 내로 공급하도록, 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부가 연결된 홀을 제외한 나머지 홀에 연결되어 있는 리플럭스(reflux)부; 및

상기 기액 분리부에서 분류된 미응축 가스를 외부로 배출하는 배기부;

를 포함하고 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상기 응축부에 의해 예비 전지셀의 탈기 공정에서 배출되는 가스가 냉각 및 응축되고, 상기 응축된 응축액은 리플럭스부에 의해 예비 전지셀 내로 공급하도록 구성됨으로써, 예비 전지셀의 탈기 공정에서 가스와 함께 배출되는 전해액 및 상기 가스에 기화된 상태로 포함된 전해액 성분을 환류시켜, 전해액의 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 전지셀의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 상기 탈기 공정을 소망하는 조건으로 수행함으로써, 공정에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되는 가스는 기화된 전해액 성분을 포함할 수 있다.

일반적으로, 예비 전지셀의 탈기 공정은 전지케이스에 천공된 홀을 통해 소정의 진공 및 압력이 인가됨으로써 수행되는 바, 상기 진공 및 압력에 의해, 예비 전지셀 내부의 압력이 갑작스럽게 변할 수 있으며, 상기 갑작스러운 압력의 변화로 인해, 일부 전해액 성분이 기화되어, 가스와 함께 예비 전지셀 외부로 배출되어, 응축부로 유입될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치의 가스 흡입부를 통해 전지셀의 외부로 배출되어 탈기 장치의 응축부로 유입되는 가스에는, 예비 전지셀 내부의 갑작스러운 압력의 변화로 인해 기화된 전해액 성분이 함께 포함될 수 있다.

이 때, 상기 기화된 전해액 성분의 부피는 홀을 통해 인가되는 진공 및 압력의 정도에 따라 유동적일 수 있으나, 일반적인 탈기 조건 하에서, 상기 기화된 전해액 성분의 부피는 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되는 가스의 부피에 대해 1% 내지 20%일 수 있다.

만일, 상기 기화된 전해액 성분의 부피가 1% 미만일 경우에는 예비 전지셀에 인가되는 진공 및 압력이 지나치게 낮은 경우로서, 공정에 소요되는 시간이 증가할 수 있다.

이와 반대로, 상기 기화된 전해액 성분의 부피가 20%를 초과하는 경우에는 예비 전지셀에 인가되는 진공 및 압력이 지나치게 높은 경우로서, 전지셀 내의 가스와 함께, 지나치게 많은 전해액이 함께 배출되어, 상기 전해액의 손실이 발생할 수 있다.

또한, 상기 응축부에서 가스의 냉각 및 응축은 섭씨 영하 20도 내지 영상 10도의 온도 범위에서 이루어질 수 있으며, 상세하게는 섭씨 영하 10도 내지 영상 5도의 범위에서 이루어질 수 있다.

앞서 설명한 바와 마찬가지로, 예비 전지셀의 외부로 배출된 가스는 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되며, 상기 가스에 기화된 상태로 포함된 전해액 성분은 응축부에서의 냉각에 의해 응축되어 상(phase) 변환을 일으킬 수 있다.

이러한 경우에, 상기 응축부에서의 냉각 온도 범위가 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮을 경우에는, 기화된 전해액 성분 이외에, 불필요한 가스 내의 성분 역시 응축되어, 전지셀 내부로 다시 공급됨으로써, 전지셀의 성능을 저하시킬 수 있고, 상기 응축부에서의 냉각 온도 범위가 상기 범위를 벗어나 지나치게 높을 경우에는, 기화된 전해액 성분을 충분히 응축할 수 없어, 소망하는 효과를 발휘하지 못할 수 있다.

한편, 상기 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부에 연결된 홀들의 개수는 리플럭스부에 연결된 홀들의 개수에 대해 동일하거나 또는 상대적으로 많은 구조일 수 있다.

앞서 설명한 바와 마찬가지로, 기화된 전해액 성분의 부피는 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되는 가스의 부피에 대해 1% 내지 20%이므로, 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입된 가스는 상기 범위 내에서 응축되어 응축액을 형성하며, 기액 분리부를 거쳐 리플럭스부를 통해 다시 전지셀 내로 공급된다.

즉, 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되는 가스의 부피는 리플럭스부를 통해 전지셀 내로 공급되는 응축액의 부피에 비해 상대적으로 클 수 있으며, 이에 따라, 상기 가스 흡입부에 연결된 홀들의 개수는 리플럭스부에 연결된 홀들의 개수에 대해 동일하거나, 또는 상대적으로 많은 구조일 수 있다.

또한, 상기와 같은 이유로, 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부에 연결된 홀들의 단면적은 리플럭스부에 연결된 홀들의 단면적에 대해 100% 내지 200%의 크기일 수 있다.

만일, 상기 가스 흡입부에 연결된 홀들의 단면적이 리플럭스부에 연결된 홀들의 단면적에 대해 100% 미만일 경우에는, 가스 흡입부를 통한 가스의 유입량이 지나치게 적어 공정에 많은 시간이 소요될 수 있다.

이와 반대로, 가스 흡입부에 연결된 홀들의 단면적이 리플럭스부에 연결된 홀들의 단면적에 대해 200%를 초과할 경우에는 가스 흡입부를 통한 가스의 유입량이 리플럭스부를 통한 응축액의 공급량에 비해 지나치게 많아져, 응축액이 탈기 장치의 응축부 및 기액 분리부에 잔류하는 시간이 증가할 수 있으며, 이에 따라, 상기 응축액의 공급에 지나치게 많은 시간이 소요될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 예비 전지셀에 천공된 홀들과 가스 흡입부의 연결 부위 및 예비 전지셀에 천공된 홀들과 리플럭스부의 연결 부위에는 가스켓(gasket)이 각각 위치하는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치의 가스 흡입부 및 리플럭스부는 예비 전지셀에 천공된 홀들에 각각 연결되어 가스 및 응축액을 배출 및 공급시키므로, 상기 예비 전지셀에 천공된 홀들과 가스 흡입부의 연결 부위 및 예비 전지셀에 천공된 홀들과 리플럭스부의 연결 부위에는 가스켓이 각각 위치함으로써, 상기 가스 및 응축액이 유동 과정에서 외부로 유출되는 현상을 방지할 수 있으며, 예비 전지셀의 홀에 인가되는 진공 및 압력의 손실을 방지할 수 있다.

한편, 상기 가스의 유입, 응축액의 공급 및 미응축 가스의 배기는 배기구를 통해 가해지는 진공에 의해 수행되는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 가스의 유입, 응축액의 공급 및 미응축 가스의 배기가 역류하는 현상 없이, 순차적으로 수행될 수 있는 것이라면, 그 수단 내지 방법이 크게 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 가스의 유입, 응축액의 공급 및 미응축 가스의 배기가 보다 효율적으로 수행될 수 있도록, 상기 가스 흡입부, 리플럭스부 및 배기부는 각각 응축부 및 기액 분리부와의 연결 부위가 개폐 가능한 구조로 이루어진 구조일 수 있다.

이러한 경우에, 상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위, 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위 및 배기부와 기액 분리부의 연결 부위는 가스의 유입 및 응축액의 공급 과정에서 상호 교대로 개폐되는 구조일 수 있다.

구체적으로, 상기 가스 흡입부를 통해 예비 전지셀 내부의 가스가 탈기 장치의 응축부로 유입되는 과정에서, 상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위는 개방되고, 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위는 폐쇄된 상태를 유지함으로써, 응축되지 않은 가스가 다시 예비 전지셀 내로 공급되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 상기 가스가 응축부에서 냉각 및 응축되는 과정에서는 모든 연결 부위가 폐쇄된 상태를 유지하며, 기액 분리부에서 응축액이 리플럭스부를 통해 예비 전지셀로 공급되는 과정 및 미응축 가스가 배기구를 통해 외부로 배출되는 과정에서는 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위 및 배기부와 기액 분리부의 연결 부위가 각각 개방되고, 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위가 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다.

이 때, 상기 응축액이 리플럭스부를 통해 예비 전지셀로 공급되는 과정에서는 진공 내지 압력 차이에 의한 응축액의 공급을 유도할 수 있도록, 외부와 연결되는 배기부의 연결 부위가 개방된 상태를 유지할 수 있으며, 미응축 가스가 외부로 배출되는 과정에서는 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위가 폐쇄된 상태를 유지함으로써, 진공 내지 압력 차이에 의해 예비 전지셀 내로 공급된 응축액 및 상기 예비 전지셀 내부의 전해액이 리플럭스부를 통해 기액 분리부로 역류하는 현상을 방지할 수 있다.

따라서, 상기 가스, 응축액 및 미응축 가스의 역류를 효과적으로 방지할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 응축부의 작용과 기액 분리부의 작용은 상호 개별적인 장치 또는 수단에 의해 독립적으로 수행될 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 응축부의 작용을 수행하는 장치 내지 수단이 "A" 장치이고, 기액 분리부의 작용을 수행하는 장치 내지 수단이 "B" 장치일 때, 상기 "A" 장치와 "B" 장치는 각각 별도로 분리된 개별적인 장치 또는 수단일 수 있다.

이 때, 가스 흡입부를 통해 유입된 가스는 상기 응축부의 작용을 수행하는 "A" 장치에서 냉각 및 응축되며, 응축액과 미응축 가스가 동시에 기액 분리부의 작용을 수행하는 별도의 "B" 장치로 이송된 후, 상기 응축액과 미응축 가스는 물리적 특성의 차이로 인해, 상기 "B" 장치 내에서 분리되어, "B" 장치에 별도로 연결된 리플럭스부 및 배기구를 통해 응축액이 예비 전지셀 내로 공급되거나, 미응축 가스가 외부로 배출될 수 있다.

즉, 상기 "A" 장치와 "B" 장치는 각각 별도로 분리된 개별적인 장치 또는 수단으로서, 각각 응축부와 기액 분리부의 역할을 별도로 수행하며, 상기 가스 흡입부는 "A" 장치에 연결되어 있고, 리플럭스부, 및 배기구는 "B" 장치에 연결되어 있어, 응축부와 기액 분리부의 역할이 각각 독립적으로 수행될 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 응축부의 작용과 기액 분리부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행되는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 응축부의 작용을 수행하는 장치 내지 수단을 "A"라고 가정할 때, 가스 흡입부를 통해 유입된 가스는 상기 응축부의 작용을 수행하는 "A" 장치에서 냉각 및 응축되어, 응축액과 미응축 가스를 형성할 수 있으며, 상기 응축액과 미응축 가스는 물리적 특성의 차이로 인해, 상기 "A" 장치 내에서 분리되며, 상기 "A" 장치에 별도로 연결된 리플럭스부 및 배기구를 통해 응축액이 예비 전지셀 내로 공급되거나, 미응축 가스가 외부로 배출될 수 있다.

즉, 상기 "A" 장치는 가스 흡입부, 리플럭스부, 및 배기구가 각각 연결되어 있는 구성으로서, 하나의 장치에서 응축부와 기액 분리부의 역할을 순차적으로 수행하는 구성일 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 이차전지용 탈기 장치를 이용한 전지셀 제조 방법을 제공하는 바, 상기 전지셀 제조 방법은,

a) 전지케이스의 수납부 내에 전극조립체를 수납하고, 전해액에 함침시킨 상태에서 전지케이스를 1차 밀봉하여 예비 전지셀을 제조하는 과정;

b) 상기 예비 전지셀을 충방전하여 활성화시키는 과정;

c) 상기 예비 전지셀의 일측 부위에 가스의 배출 및 응축액의 공급을 위한 관통구를 천공하는 과정;

d) 상기 관통구에 탈기 장치의 가스 흡입부 및 리플럭스부를 연결시키는 과정;

e) 진공 및 압력을 인가함으로써, 예비 전지셀의 내부의 가스를 배출하여 탈기 장치의 응축부로 유입시키는 과정;

f) 상기 유입된 가스를 냉각 및 응축시키는 과정;

g) 상기 과정 f)에서 응축된 응축액 및 미응축된 미응축 가스를 기액 분리부에서 분류하는 과정;

h) 상기 과정 g)에서 분류된 응축액을 리플럭스부를 통해 예비 전지셀 내로 공급하고, 미응축 가스를 외부로 배출하는 과정;

i) 상기 예비 전지셀의 관통구가 천공된 부위를 제거하고 밀봉하는 과정;

을 포함할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 관통구는, 예비 전지셀로부터 가스를 배출하기 위한 하나 이상의 제 1 관통구, 및 예비 전지셀 내로 응축액을 공급하기 위한 하나 이상의 제 2 관통구를 포함하고 있는 구조일 수 있다.

즉, 상기 관통구는 가스를 배출하기 위한 관통구와 응축액을 공급하기 위한 관통구가 개별적으로 구분되어 천공되어 있는 구조일 수 있다.

이러한 경우에, 상기 제 1 관통구 및 제 2 관통구에는 탈기 장치의 가스 흡입부 및 리플럭스부가 각각 별도로 연결되는 구조일 수 있다.

다시 말해, 상기 제 1 관통구 및 제 2 관통구는 서로 상이한 작용을 수행하며, 이에 따라, 제 1 관통구 및 제 2 관통구에는 서로 상이한 작용을 수행하는 탈기 장치의 가스 흡입부 및 리플럭스부가 각각 별도의 장치 또는 수단으로 구분되어 연결되는 구조일 수 있다.

또한, 상기 가스 흡입부 및 리플럭스부에 각각 연결되는 응축부의 작용 및 기액 분리부의 작용은 상호 개별적인 장치 또는 수단에 의해 독립적으로 수행되는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 응축부와 기액 분리부는 별도로 구분되어 있는 개별적인 장치 또는 수단으로서, 상기 응축부는 가스 흡입부에 연결되어 있으며, 제 1 관통구를 통해 유입된 가스를 냉각 및 응축하는 작용을 수행할 수 있다. 또한, 상기 응축부에서 응축된 응축액과 응축되지 않은 미응축 가스는 개별적으로 구분된 장치 또는 수단인 기액 분리부로 이송되며, 상기 기액 분리부에서는 응축액과 미응축 가스가 각각의 물리적 특성의 차이로 인해 서로 분리될 수 있다.

이 때, 상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위 및 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위는 가스의 유입 및 응축액의 공급 과정에서 상호 교대로 개폐되는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 응축부와 기액 분리부는 개별적인 장치 또는수단으로 구성되어 있는 바, 순차적으로 연결되어 있으며, 제 1 관통구에 연결된 가스 흡입부를 통해 가스가 유입되는 과정에서는, 상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위가 개방된 상태를 유지하는 반면에, 상기 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위는 폐쇄된 상태를 유지함으로써, 응축 과정이 수행되기 전의 가스가 상기 리플럭스부를 통해 다시 예비 전지셀로 공급되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 응축액이 상기 기액 분리부로부터 리플럭스부를 통해 예비 전지셀로 공급되는 과정에서는, 상기 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위는 개방된 상태를 유지하는 반면에, 상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위는 폐쇄된 상태를 유지함으로써, 외부로 배출되어야 하는 미응축 가스가 역류하여, 가스 흡입부를 통해 다시 예비 전지셀로 공급되는 현상을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 작용 및 효과는 응축부와 기액 분리부 사이의 연결 부위의 개폐를 통해 발휘될 수도 있음은 물론이다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 관통구는 하나 이상의 관통구로 구성되어 있으며, 동일한 관통구에 의해, 예비 전지셀로부터 가스를 배출하고, 예비 전지셀 내로 응축액을 공급하는 과정을 모두 수행하는 구조일 수 있다.

다시 말해, 상기 가스의 배출 및 응축액의 공급 과정은 모두 동일한 관통구를 통해 수행될 수 있다.

이러한 경우에, 상기 관통구에 연결되는 가스 흡입부의 작용과 리플럭스부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행되는 구조일 수 있다.

즉, 상기 가스의 배출 및 응축액의 공급 과정은 모두 동일한 관통구를 통해 순차적으로 수행되며, 더욱 구체적으로, 상기 관통구에 연결되는 가스 흡입부는 예비 전지셀로부터 응축부로 가스가 유입되는 과정에서 가스 흡입부의 작용을 수행하는 반면, 응축액이 예비 전지셀로 공급되는 과정에서 리플럭스부의 작용을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 탈기 장치의 전체적인 구조를 보다 간소화시킬 수 있다.

한편, 상기 가스와 응축액이 별도로 구분된 관통구를 통해 유동하는 경우, 또는 동일한 관통구를 통해 유동하는 경우에 상기 가스 흡입부와 리플럭스부에 각각 연결되는 응축부의 작용 및 기액 분리부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행되는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 응축부의 작용 및 기액 분리부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행될 수 있는 바, 예비 전지셀로부터 유입된 가스가 응축부에서 냉각 및 응축되고, 상기 응축부 내에서 응축액과 미응축 가스가 물리적 특성에 의해 분리될 수 있다.

이 때, 상기 응축부와 기액 분리부의 작용을 순차적으로 수행하는 장치 또는 수단에는 가스 흡입부와 리플럭스부가 연결될 수 있으며, 상기 가스 흡입부와 리플럭스부는 각각 구분된 관통구들에 개별적으로 연결되는 별도의 장치 또는 수단이거나, 동일한 관통구들에 연결되어 있는 하나의 장치 또는 수단일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 탈기 장치는 전지셀의 제조 과정에서 탈기 공정을 수행하고자 하는 전지셀의 크기, 형상 및 작업 조건에 따라, 보다 다양하게 구성될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 방법을 사용하여 제조되는 전지셀 및 상기 하나 이상 포함하는 전지팩을 제공하는 바, 상기 전지셀 및 전지팩의 구체적인 구성은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치는, 전지셀의 탈기 공정에서 배출되는 가스를 냉각 및 응축시키고, 상기 응축액을 전지샐 내로 공급하도록 구성됨으로써, 전지셀의 탈기 공정에서 가스와 함께 배출되는 전해액 및 상기 가스에 기화된 상태로 포함된 전해액 성분을 환류시켜, 전해액의 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 전지셀의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 상기 탈기 공정을 소망하는 조건으로 수행함으로써, 공정에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 파우치형 전지셀의 탈기 공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 전지셀 제조용 탈기 장치를 이용한 예비 전지셀의 탈기 공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4 및 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치(200)의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전지셀 제조용 탈기 장치(200)는 2개의 가스 흡입부들(221, 222), 응축부(230), 기액 분리부(240), 배기부(250) 및 리플럭스부(260)를 포함하고 있다.

가스 흡입부들(221, 222)은 일측 단부가 예비 전지셀(210)의 제 1 관통구들(211, 212)에 각각 연결되어 있고, 이에 대향하는 타측 단부가 응축부(230)에 연결되어 있다.

응축부(230)는 기액 분리부(240)와 연결 유로(231)를 통해 연결되어 있어, 응축부(230)에서 응축된 응축액과 미응축 가스가 연결 유로(231)를 통해 기액 분리부(240)로 이송된다.

기액 분리부(240)에는 배기부(250)와 리플럭스부(260)의 일측 단부가 각각 연결되어 있고, 리플럭스부(260)의 일측 단부에 대향하는 타측 단부는 예비 전지셀(210)의 제 2 관통구(213)에 연결되어 있다.

가스 흡입부들(221, 222)과 리플럭스부(260)는 각각 별도로 구분된 개별적인 원통형 관으로 구성되어 있으며, 응축부(230)와 기액 분리부(240) 역시, 별도로 구분된 개별적인 장치로 구성되어 있다.

가스 흡입부들(221, 222)과 리플럭스부(260)는 각각 원형의 제 1 관통구들(211, 212) 및 제 2 관통구(213)의 직경과 동일한 내경을 가지며, 가스 흡입부들(221, 222)의 내경은 리플럭스부(260)의 내경에 비해 큰 크기로 구성되어 있다.

도 3에는 도 2의 전지셀 제조용 탈기 장치를 이용한 예비 전지셀의 탈기 공정을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 도 2와 함께 참조하면, 우선 예비 전지셀(210) 내부의 가스(310)는 2개의 제 1 관통구들(211, 212) 및 제 1 관통구들(211, 212)에 각각 연결된 2 개의 가스 흡입부들(221, 222)을 통해 응축부(230)로 유입된다.

응축부(230)로 유입된 가스(310)는 응축부(230) 내에서 냉각 및 응축되며, 가스(310)와 함께 기화된 전해액 성분은 냉각 및 응축에 의해 액상으로 상(phase) 변환이 일어나, 가스(310)와 함께 유입된 전해액과 혼합되어 응축액(320)을 이룬다.

응축부(230)에서의 응축이 완료된 후, 응축액(320)과 미응축 가스(330)는 연결 통로(231)를 통해 기액 분리부(240)로 이송되며, 기액 분리부(240)에서 물리적 특성에 의해 각각 분리된다.

응축액(320)은 리플럭스부(260)와 제 2 관통구(213)를 통해, 예비 전지셀(210) 내로 공급되며, 미응축 가스(330)는 배기부(250)를 통해 외부로 배출된다.

가스 흡입부들(221, 222)과 응축부(230)의 연결 부위, 리플럭스부(260)와 기액 분리부(240)의 연결 부위 및 배기부(250)와 기액 분리부(240)의 연결 부위는 가스(310)의 유입과 응축액(320)의 공급 및 미응축 가스(330)의 배기 과정에서 상호 교대로 개폐된다.

도 4 및 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

우선, 도 4를 참조하면, 전지셀 제조용 탈기 장치(400)는 도 2의 탈기 장치(도 2의 200)의 응축부(도 2의 230)와 기액 분리부(도 2의 240)의 작용이 하나의 응축 및 기액 분리부(430)에 의해 순차적으로 수행된다는 점을 제외한 나머지 구성이 도 2의 탈기 장치(도 2의 200)와 동일하다.

예비 전지셀(410) 내의 가스는 2개의 제 1 관통구들(411, 412) 및 제 1 관통구들(411, 412)에 각각 연결된 2개의 가스 흡입부들(421, 422)을 통해 응축 및 기액 분리부(430)로 유입되며, 응축 및 기액 분리부(430)로 유입된 가스는 냉각 및 응축 과정을 거쳐, 응축액과 미응축 가스로 분리된다.

그 후, 응축액은 리플럭스부(460) 및 제 2 관통구(413)를 통해 예비 전지셀(410) 내로 공급되고, 미응축 가스는 배기부(450)를 통해 외부로 배출된다.

상기 가스의 유입, 응축액의 공급 및 미응축 가스의 배기는 배기구(450)를 통해 가해지는 진공에 의해 수행된다.

도 5를 참조하면, 전지셀 제조용 탈기 장치(500)는 도 4의 탈기 장치(도 4의 400)의 가스 흡입부들(421, 422)과 리플럭스부(460)의 작용이 하나의 가스 흡입 및 리플럭스부(520)에 의해 순차적으로 수행된다는 점을 제외한 나머지 구성이 도 4의 탈기 장치(도 4의 400)와 동일하다.

예비 전지셀(510) 내의 가스는 하나의 관통구(510) 및 하나의 관통구(510)에 연결된 가스 흡입 및 리플럭스부(520)를 통해 응축 및 기액 분리부(530)로 유입되며, 응축 및 기액 분리부(530)로 유입된 가스는 냉각 및 응축 과정을 거쳐, 응축액과 미응축 가스로 분리된다.

그 후, 응축액은 가스 흡입 및 리플럭스부(520) 및 하나의 관통구(510)를 통해 예비 전지셀(510) 내로 공급되고, 미응축 가스는 배기부(550)를 통해 외부로 배출된다.

상기 가스의 유입, 응축액의 공급 및 미응축 가스의 배기는 배기구(550)를 통해 가해지는 진공에 의해 수행된다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

1. 충방전 활성화 과정에서 발생한 예비 전지셀 내의 가스를 제거하여 전지셀을 제조하는 탈기(degas) 공정에 사용되는 장치로서,
   예비 전지셀에 천공된 홀들 중 적어도 하나 이상의 홀에 연결되는 가스가 유입되는 가스 흡입부;
   상기 가스 흡입부로부터 유입된 가스를 냉각 및 응축시키는 응축부;
   상기 응축부로부터 수령한 응축액 및 미응축 가스를 분류하는 기액(gas-liquid) 분리부;
   상기 기액 분리부에서 분류된 응축액을 예비 전지셀 내로 공급하도록, 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부가 연결된 홀을 제외한 나머지 홀에 연결되어 있는 리플럭스(reflux)부; 및
   상기 기액 분리부에서 분류된 미응축 가스를 외부로 배출하는 배기부;를 포함하고,
   상기 응축부에서 가스의 냉각 및 응축은 섭씨 영하 20도 내지 영상 10도의 온도 범위에서 이루어지며,
   상기 가스 흡입부, 리플럭스부 및 배기부는 각각 응축부 및 기액 분리부와의 연결 부위가 개폐 가능한 구조로 이루어져 있고,
   상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위, 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위 및 배기부와 기액 분리부의 연결 부위는 가스의 유입 및 응축액의 공급 과정에서 상호 교대로 개폐되며,
   상기 가스의 유입, 응축액의 공급 및 미응축 가스의 배기는 배기구를 통해 가해지는 진공에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되는 가스는 기화된 전해액 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 기화된 전해액 성분의 부피는 가스 흡입부를 통해 응축부로 유입되는 가스의 부피에 대해 1% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부에 연결된 홀들의 개수는 리플럭스부에 연결된 홀들의 개수에 대해 동일하거나 또는 상대적으로 많은 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 전지셀에 천공된 홀들 중에서 가스 흡입부에 연결된 홀들의 단면적은 리플럭스부에 연결된 홀들의 단면적에 대해 100% 내지 200%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 전지셀에 천공된 홀들과 가스 흡입부의 연결 부위 및 예비 전지셀에 천공된 홀들과 리플럭스부의 연결 부위에는 가스켓(gasket)이 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 응축부의 작용과 기액 분리부의 작용은 상호 개별적인 장치 또는 수단에 의해 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 응축부의 작용과 기액 분리부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조용 탈기 장치.
12. 삭제
13. 제 1 항에 따른 전지셀 제조용 탈기 장치를 이용한 전지셀 제조 방법으로서,
    a) 전지케이스의 수납부 내에 전극조립체를 수납하고, 전해액에 함침시킨 상태에서 전지케이스를 1차 밀봉하여 예비 전지셀을 제조하는 과정;
    b) 상기 예비 전지셀을 충방전하여 활성화시키는 과정;
    c) 상기 예비 전지셀의 일측 부위에 가스의 배출 및 응축액의 공급을 위한 관통구를 천공하는 과정;
    d) 상기 관통구에 탈기 장치의 가스 흡입부 및 리플럭스부를 연결시키는 과정;
    e) 진공 및 압력을 인가함으로써, 예비 전지셀의 내부의 가스를 배출하여 탈기 장치의 응축부로 유입시키는 과정;
    f) 상기 유입된 가스를 냉각 및 응축시키는 과정;
    g) 상기 과정 f)에서 응축된 응축액 및 미응축된 미응축 가스를 기액 분리부에서 분류하는 과정;
    h) 상기 과정 g)에서 분류된 응축액을 리플럭스부를 통해 예비 전지셀 내로 공급하고, 미응축 가스를 외부로 배출하는 과정;
    i) 상기 예비 전지셀의 관통구가 천공된 부위를 제거하고 밀봉하는 과정;을 포함하고,
    상기 f) 단계는 섭씨 영하 20도 내지 영상 10도의 온도 범위에서 이루어지며,
    상기 관통구는, 예비 전지셀로부터 가스를 배출하기 위한 하나 이상의 제 1 관통구, 및 예비 전지셀 내로 응축액을 공급하기 위한 하나 이상의 제 2 관통구를 포함하고,
    상기 제 1 관통구 및 제 2 관통구에는 탈기 장치의 가스 흡입부 및 리플럭스부가 각각 별도로 연결되며,
    상기 가스 흡입부 및 리플럭스부에 각각 연결되는 응축부의 작용 및 기액 분리부의 작용은 상호 개별적인 장치 또는 수단에 의해 독립적으로 수행되고,
    상기 가스 흡입부와 응축부의 연결 부위 및 리플럭스부와 기액 분리부의 연결 부위는 가스의 유입 및 응축액의 공급 과정에서 상호 교대로 개폐되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
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18. 제 13 항에 있어서, 상기 관통구는 하나 이상의 관통구로 구성되어 있으며, 동일한 관통구에 의해, 예비 전지셀로부터 가스를 배출하고, 예비 전지셀 내로 응축액을 공급하는 과정을 모두 수행하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 관통구에 연결되는 가스 흡입부의 작용과 리플럭스부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
20. 제 13 항에 있어서, 상기 가스 흡입부와 리플럭스부에 각각 연결되는 응축부의 작용 및 기액 분리부의 작용은 하나의 장치 또는 수단에 의해 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
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