KR102085564B1 - 플러깅부들을 포함하는 트레이를 이용하여 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법으로서,
(a) 상단부가 개방되어 있고 하단부에 전해액 주입구가 형성되어 있는 복수의 전해액 주입용 호퍼들을 고정하고 있는 상부 트레이, 및 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 전지셀들이 배열될 수 있도록 지지하는 구조의 하부 트레이를 포함하는 전해액 주입장치를 준비하는 과정;
(b) 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들(plugging parts)이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정;
(c) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼의 전해액 주입구를 플러깅부로 밀폐하는 과정; 및
(d) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;을 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

플러깅부들을 포함하는 트레이를 이용하여 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법 {Method of Initializing Electrolyte Injection Apparatus for Battery Cell Using Tray Having Plugging Part}
본 발명은 플러깅부들을 포함하는 트레이를 이용하여 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.
한편, 이러한 이차전지의 제조 과정을 살펴보면, 전극조립체를 전지케이스에 위치시키고, 전해액을 주입하는 과정을 필수적으로 거치게 된다. 전해액의 주입은 전해액 주입용 호퍼(hopper)가 구비되어 있는 전해액 주입장치를 이용하여 수행된다.
전해액 주입장치를 설치하고 처음 전해액 주입을 수행하거나, 장기간 부동 후 전해액 주입을 수행하는 경우에는, 호퍼들이 완전히 건조되어 있는 상태이다. 그러므로, 전해액 주입장치의 작동 초기에는, 호퍼들에 전해액이 잔존하게 되어 이차전지에 주입되는 전해액의 주입량이 감소하는 불량을 유발할 수 있다.
전해액 주입량이 감소하는 경우, 이차전지의 사용에 필요한 리튬 이온을 충분히 공급받지 못하여, 용량이 감소하고, 레이트 특성 및 수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 전해액 주입장치 설치하고 처음 전해액을 주입하거나, 장기가 부동 후 전해액을 주입하는 경우에도, 전지셀에 정량의 전해액을 주입할 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, 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들(plugging parts)이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정을 포함하는 경우, 적은 비용으로 전해액 주입장치를 초기화 시킬 수 있고, 전해액 주입량 부족에 따른 전지셀의 불량률을 감소시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법은,
(a) 상단부가 개방되어 있고 하단부에 전해액 주입구가 형성되어 있는 복수의 전해액 주입용 호퍼들을 고정하고 있는 상부 트레이, 및 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 전지셀들이 배열될 수 있도록 지지하는 구조의 하부 트레이를 포함하는 전해액 주입장치를 준비하는 과정;
(b) 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들(plugging parts)이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정;
(c) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼의 전해액 주입구를 플러깅부로 밀폐하는 과정; 및
(d) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기와 같이 전해액 주입장치를 초기화하는 과정을 거침으로써, 전해액 주입장치를 설치하고 처음 작동하거나, 장기간 부동 후 전해액 주입장치를 작동하더라도, 호퍼들이 전해액에 의해 웨팅(wetting)된 상태로 전지셀에 전해액을 주입할 수 있으므로 전해액 주입량 부족에 따른 전지셀의 불량률을 현저하게 감소 시킬 수 있다.
전해액 주입장치를 설치하고 처음 작동하거나, 장기간 부동 후 전해액 주입장치를 작동하는 경우 호퍼들이 완전히 건조되어 있어, 상기와 같은 초기화 방법을 거치지 않는 경우에는, 초기에 전해액 주입 시 호퍼들에 전해액이 잔존하게 되면서 전해액 주입량이 감소하는 문제가 있다.
한편, 상기 과정(b)에서 중간 트레이 대신 불량셀들을 하부 트레이 상에 위치시키고, 전해액 주입장치를 1회 작동하여, 초기화하는 방법을 고려할 수 있으나, 이 경우, 불량셀들을 준비하는 비용 및 시간이 과다하게 소요될 수 있다. 또한, 이러한 불량셀들을 하부 트레이에 위치시키고, 전해액 주입 후 제거하는 과정에도 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
반면에, 본 발명에 따르면, 상기 플러깅부들(plugging parts)이 형성되어 있는 중간 트레이를 사용하여, 불량셀들을 별도로 준비하지 않아도 되며, 중간 트레이를 반복하여 사용할 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 일반적으로 상기 전해액 주입장치에 장착되는 전지셀들의 수가 약 100개 이상임을 고려할 때, 불량셀들을 하부 트레이 상에 위치시키고, 전해액 주입 후 제거하는 과정에 많은 시간이 소요되는 반면, 본 발명에 따르면 전해액 주입장치 당 상기 중간 트레이 1개만을 위치시키면 되므로, 초기화에 필요한 시간을 현저하게 감소시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(d) 이후에 하기 과정(e)를 더 포함할 수 있다.
(e) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 과정(d)와 반대 방향으로 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구로부터 플러깅부를 분리하고, 호퍼들 내부의 전해액을 배출하는 과정.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(e) 이후에 하기 과정(f)를 더 포함할 수 있다.
(f) 상기 호퍼들 내부의 전해액 배출이 완료된 후 중간 트레이를 제거하는 과정.
이와 같이, 상기 호퍼들로부터 전해액을 제거하고 중간 트레이를 제거함으로써, 전해액 주입장치의 초기화 과정이 완료되며, 이후에는 전지셀을 하부 트레이에 위치시키고, 전해액을 주입하더라도 전해액 주입량의 손실 없이 일정한 양을 주입 할 수 있다.
상기 과정(d)에서 호퍼들에 전해액을 주입하고 과정(e)에서 전해액을 배출하는 과정까지 전해액이 호퍼들의 내부를 웨팅시키게 되며, 1회의 초기화 과정만으로도 호퍼들을 충분히 웨팅시킬 수 있다.
한편, 상기 호퍼는, 상단부가 개방되어 있는 호퍼 본체; 상기 호퍼 본체와 연통되어 있고 전해액 주입구 쪽으로 내경이 좁아지는 테이퍼부; 및 상기 테이퍼부의 하단에 위치하는 전해액 주입구;를 포함하는 구조일 수 있다.
상기 테이퍼부는 전지셀에 전해액을 주입할 때 외부로 유출되지 않도록 내경이 좁아질 필요가 있으며, 호퍼 본체는 충분한 전해액 주입량을 저장할 수 있도록 테이퍼부에 비해 내경이 넓게 구성될 수 있다.
상기 호퍼 본체는 전해액을 일시적으로 저장하고, 전해액 주입 시 내부에 잔존하는 양이 적게 유지하는 것이 바람직하며, 테이퍼부는 전지셀에 전해액 주입 시 외부로 유출되지 않도록 전지셀과 밀착 또는 밀폐가 용이한 것이 바람직하다. 따라서, 하나의 구체적인 예에서, 상기 상기 호퍼 본체와 테이퍼부는 서로 상이한 소재로 이루어질 수 있다.
상세하게는, 상기 호퍼 본체는 내구성 및 내오염성의 향상을 위한 테프론 소재로 이루어져 있거나, 또는 호퍼 본체의 내면이 테프론 소재로 코팅되어있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 테이퍼부는 밀착성 향상을 위한 고무 소재로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 호퍼는 상부 트레이를 관통하는 구조로 고정되어 있는 구조일 수 있다.
상세하게는, 상기 호퍼는 호퍼 본체의 상단부가 상부 트레이 상면으로부터 상향 돌출되어 있고, 호퍼 본체의 일부가 상부 트레이의 관통구에 대응되는 부위에 접촉하고 있으며, 테이퍼부가 상부 트레이의 하면으로부터 하향 돌출된 상태로 고정되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조를 통해, 상부 트레이에 호퍼들이 안정적으로 고정될 수 있고, 상향 돌출되어 있는 호퍼 본체의 개방 상단부에 전해액을 주입하기 용이하며, 하향 돌출되어 있는 전해액 주입구와 전지셀 사이의 밀착성 향상에 용이할 수 있다.
한편, 상기 중간 트레이는, 상면이 개방되어 있는 컨테이너 구조의 트레이 본체; 및 상기 트레이 본체의 측면들과 연결되어 있고, 트레이 본체의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 수평 분할하는 구조의 수평 플레이트;를 포함하는 구조일 수 있다.
상기 트레이 본체의 상부 공간은 과정(c)에서 호퍼들이 플러깅부와 밀착될 때 호퍼들이 위치하는 공간이며, 상기 상부 공간은 호퍼들에서 전해액을 배출하는 경우에 중간 트레이의 외부로 전해액이 유출되는 것을 방지할 수 있다.
상세하게는, 상기 수평 플레이트에는 호퍼들로부터 배출되는 전해액을 하부 공간으로 회수 가능하도록, 상부 공간과 하부 공간을 연통하는 구조의 관통구가 하나 이상 천공되어 있는 구조일 수 있다.
상기 하부 공간은 호퍼들에서 전해액을 배출하는 경우에 전해액을 안정적으로 회수할 수 있고, 이를 통해, 호퍼들로부터 전해액을 더욱 용이하게 배출할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 수평 플레이트 상에는 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 플러깅부들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 플러깅부들은 호퍼들의 전해액 주입구를 밀폐하여, 호퍼들 내부에 전해액이 일정한 수위를 유지하면서 호퍼들을 웨팅시킬 수 있다.
상기 플러깅부들은 전해액 주입구와의 밀폐성을 향상시키기 위하여, 고무 소재로 코팅되어 있는 구조일 수 있다.
이때, 상기 과정(d)에서 호퍼들 각각에 대해 호퍼 내부 부피의 30% 이상의 수위를 유지하도록 전해액을 주입할 수 있고, 상세하게는 40% 이상의 수위를 유지하도록 전해액을 주입할 수 있다. 상기 범위 미만으로 수위를 유지하는 경우에는 이후에 전지셀에 전해액을 주입 시 전해액 주입량이 감소하여 불량을 유발할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(d)에서 전해액 주입 노즐을 통해 호퍼의 개방 상단부에 전해액을 주입할 수 있고, 상세하게는, 상기 전해액 주입 노즐은 전해액을 포함하고 있는 전해액 탱크와 연결되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 전해액을 주입하여 전지셀을 제조하는 방법을 제공한다.
이러한, 전지셀을 제조하는 방법은,
(a) 상단부가 개방되어 있고 하단부에 전해액 주입구가 형성되어 있는 복수의 전해액 주입용 호퍼들을 고정하고 있는 상부 트레이 및 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 전지셀들이 배열될 수 있도록 지지하는 구조의 하부 트레이를 포함하는 전해액 주입장치를 준비하는 과정;
(b) 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정;
(c) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼의 전해액 주입구를 플러깅부로 밀폐하는 과정;
(d) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;
(e) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 과정(d)와 반대 방향으로 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구로부터 플러깅부를 분리하고, 호퍼들 내부의 전해액을 배출하는 과정; 및
(f) 상기 호퍼들 내부의 전해액 배출이 완료된 후 중간 트레이를 제거하는 과정;
을 포함할 수 있다.
상기 전해액 주입장치의 초기화 과정인 과정(a) 내지 과정(f)을 통해서, 이후에 전지셀에 전해액을 주입할 때, 주입량을 일정하게 유지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(a) 내지 과정(f)를 1회 수행하고, 하기 과정(g) 내지 과정(l)을 반복적으로 수행하여 전지셀을 제조할 수 있다.
(g) 상기 하부 트레이 상에 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 상부가 개방되어 있는 전지셀들을 배열하는 과정;
(h) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구와 전지셀의 개방 상부를 밀착하는 과정;
(i) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;
(j) 상기 호퍼의 전해액 주입구로부터 전지셀 내부로 전해액이 신속하게 주입되도록 진공 분위기를 형성하는 과정;
(k) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 과정(h)와 반대 방향으로 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구와 전지셀을 분리하는 과정; 및
(l) 상기 하부 트레이로부터 전지셀들을 회수하는 과정.
이때, 상기 과정(j)에서 진공 분위기를 형성하여 전지셀 내부에 존재하는 공기 및 기타 기체들을 제거하여 전지셀의 내부로 전해액이 신속하게 함침되도록 할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀의 제조 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
이하, 상기 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하고 있고, 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 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 도전재의 전체 함량은 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3.0 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3.0 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 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 다공성 기재는, 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열 분리필름 일 수 있고, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 시트일 수 있다.
상기 다공성 기재의 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우에는 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다.
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, 이러한 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 및 이러한 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 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법은, 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들(plugging parts)이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정을 포함하여, 적은 비용으로 전해액 주입장치를 초기화 시킬 수 있고, 전해액 주입량 부족에 따른 전지셀의 불량률을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 초기화 방법에 사용되는 전해액 주입장치 및 중간 트레이를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2는 도 1의 전해액 주입장치의 호퍼를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 3은 도 1의 중간 트레이를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
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 초기화 방법에 사용되는 전해액 주입장치 및 중간 트레이의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전해액 주입장치의 호퍼의 사시도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 중간 트레이의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전해액 주입장치는 상부 트레이(100) 및 하부 트레이(200)를 포함하고 있다.
상부 트레이(100)에는 1열에 3개씩 2열로 총6개의 관통구들이 형성되어 있고, 각각의 관통구들에는 전해액 주입용 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)이 고정되어 있다.
호퍼(110)는 호퍼 본체(111), 테이퍼부(112), 개방 상단부(113) 및 전해액 주입구(114)를 포함하고 있다.
구체적으로, 호퍼 본체(111)의 상부에는 전해액 주입 노즐(도시하지 않음)로부터 전해액을 주입 받을 수 있도록 개방 상단부(113)가 형성되어 있고, 호퍼 본체(111)는 내경이 일정한 구조이다.
테이퍼부(112)는 호퍼 본체(111)와 연통되어 있고, 전해액 주입구(114) 쪽으로 내경이 좁아지는 구조이며, 테이퍼부(112)의 하단에는 전지셀에 전해액을 주입할 수 있는 구조의 전해액 주입구(114)가 형성되어 있다.
호퍼 본체(111)는 전해액을 일시적으로 저장하고, 전해액 주입 시 내부에 잔류하는 양이 적도록, 내구성 및 내오염성이 뛰어난 테프론 소재로 이루어져 있다.
테이퍼부(112)는 전지셀에 전해액 주입 시 외부로 유출되지 않도록 전지셀과 밀착 또는 밀폐가 용이한 고무 소재로 이루어져 있다.
상부 트레이(100)의 호퍼들(120, 130, 140, 150, 160)은 호퍼(110)과 동일한 구조를 이루고 있다.
한편, 하부 트레이(200)의 상면에는 상부 트레이(100)로부터 하향 이격되도록 중간 트레이(300)가 위치하고 있고, 중간 트레이(300)는 트레이 본체(301) 및 수평 플레이트(310)를 포함하고 있다.
구체적으로, 트레이 본체(301)는 상면이 개방되어 있고, 평면 상으로 직사각형이며, 내부 공간(302)이 형성되어 있는 컨테이너 구조이다.
수평 플레이트(310)는 트레이 본체(301)의 측면들과 연결되어 있고, 트레이 본체(301)의 내부 공간(302)을 상부 공간(304) 및 하부 공간(303)으로 수평 분할하는 구조를 이루고 있다.
수평 플레이트(310)에는 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 전해액 주입구(114)에 대면하는 위치에 플러깅부들(320)이 형성되어 있다.
또한, 수평 플레이트(310)에는 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)로부터 배출되는 전해액을 하부 공간(303)으로 회수 가능하도록, 상부 공간(303)과 하부 공간(304)을 연통하는 구조의 관통구들(330)이 형성되어 있다.
관통구들(330)은 전해액의 회수가 더욱 용이하도록, 각각의 플러깅부들(320)의 양측에 형성되어 있다.
전해액 주입장치를 초기화 하기 위해서는, 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)이 고정되어 있는 상부 트레이(100) 및 하부 트레이(200)를 포함하는 전해액 주입장치를 준비한 다음, 하부 트레이(200)의 상면에 상부 트레이(100)로부터 하향 이격되어 전해액 주입구들(114)과 플러깅부들(320)이 대향하도록 중간 트레이(300)를 위치 시킨다.
다음으로, 상부 트레이(100)를 수직으로 하향 이동시켜, 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 전해액 주입구들(114)과 중간 트레이(300)의 플러깅부들(320)을 밀착시켜, 전해액 주입구들(114)을 밀폐시킨다.
다음으로, 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160) 각각의 개방 상단부(113)에 전해액 주입 노즐(도시하지 않음)을 통해 호퍼 내부 부피의 30% 이상의 수위를 유지하도록 전해액을 주입한다.
다음으로, 상부 트레이(100)를 수직으로 상향 이동시켜, 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 전해액 주입구들(114)로부터 플러깅부들(320)을 분리하고, 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160) 내부의 전해액을 배출한다.
중간 트레이(300)의 상부 공간(304)은 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)에서 전해액을 배출하는 경우에 중간 트레이(300)의 외부로 전해액이 유출되는 것을 방지할 수 있다.
호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)로부터 배출된 전해액은 수평 플레이트(310)의 관통구들(330)을 통해서 상부 공간(304)로부터 하부 공간(303)으로 이동하여, 안정적으로 회수된다. 또한, 중간 트레이(300)의 상부 공간(304)에서 전해액이 제거됨으로써, 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)로부터 전해액 배출량이 많은 경우에도 전해액을 더욱 용이하게 배출할 수 있다.
호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160) 내부의 전해액 배출이 완료된 후 중간 트레이(300)를 하부 트레이(200)로부터 제거한다.
이와 같이 전해액 주입장치의 초기화 과정을 1회 수행한 다음에는, 하부 트레이(200) 상에 호퍼들(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 전해액 주입구들(114)에 대면하도록 전지셀들을 배열한 다음 전해액을 주입하여 전지셀을 제조한다.
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. 전지셀용 전해액 주입장치를 초기화하는 방법으로서,
    (a) 상단부가 개방되어 있고 하단부에 전해액 주입구가 형성되어 있는 복수의 전해액 주입용 호퍼들을 고정하고 있는 상부 트레이, 및 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 전지셀들이 배열될 수 있도록 지지하는 구조의 하부 트레이를 포함하는 전해액 주입장치를 준비하는 과정;
    (b) 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들(plugging parts)이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정;
    (c) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼의 전해액 주입구를 플러깅부로 밀폐하는 과정; 및
    (d) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 중간 트레이는,
    상면이 개방되어 있는 컨테이너 구조의 트레이 본체; 및
    상기 트레이 본체의 측면들과 연결되어 있고, 트레이 본체의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 수평 분할하는 구조의 수평 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 수평 플레이트 상에는 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 플러깅부들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d) 이후에 하기 과정(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (e) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 과정(d)와 반대 방향으로 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구로부터 플러깅부를 분리하고, 호퍼들 내부의 전해액을 배출하는 과정.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 과정(e) 이후에 하기 과정(f)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (f) 상기 호퍼들 내부의 전해액 배출이 완료된 후 중간 트레이를 제거하는 과정.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 호퍼는,
    상단부가 개방되어 있는 호퍼 본체;
    상기 호퍼 본체와 연통되어 있고 전해액 주입구 쪽으로 내경이 좁아지는 테이퍼부; 및
    상기 테이퍼부의 하단에 위치하는 전해액 주입구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 호퍼 본체와 테이퍼부는 서로 상이한 소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 호퍼 본체는 내구성 및 내오염성의 향상을 위한 테프론 소재로 이루어져 있거나, 또는 호퍼 본체의 내면이 테프론 소재로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 테이퍼부는 밀착성 향상을 위한 고무 소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 호퍼는 상부 트레이를 관통하는 구조로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 호퍼는 호퍼 본체의 상단부가 상부 트레이 상면으로부터 상향 돌출되어 있고, 호퍼 본체의 일부가 상부 트레이의 관통구에 대응되는 부위에 접촉하고 있으며, 테이퍼부가 상부 트레이의 하면으로부터 하향 돌출된 상태로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 수평 플레이트에는 호퍼들로부터 배출되는 전해액을 하부 공간으로 회수 가능하도록, 상부 공간과 하부 공간을 연통하는 구조의 관통구가 하나 이상 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)에서 호퍼들 각각에 대해 호퍼 내부 부피의 30% 이상의 수위를 유지하도록 전해액을 주입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)에서 전해액 주입 노즐을 통해 호퍼의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전해액 주입 노즐은 전해액을 포함하고 있는 전해액 탱크와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 전해액을 주입하여 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 상단부가 개방되어 있고 하단부에 전해액 주입구가 형성되어 있는 복수의 전해액 주입용 호퍼들을 고정하고 있는 상부 트레이 및 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 전지셀들이 배열될 수 있도록 지지하는 구조의 하부 트레이를 포함하는 전해액 주입장치를 준비하는 과정;
    (b) 상기 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 부위에 플러깅부들이 형성되어 있는 중간 트레이를, 호퍼의 전해액 주입구와 플러깅부가 대향하도록, 하부 트레이 상에 위치시키는 과정;
    (c) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼의 전해액 주입구를 플러깅부로 밀폐하는 과정;
    (d) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;
    (e) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 과정(d)와 반대 방향으로 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구로부터 플러깅부를 분리하고, 호퍼들 내부의 전해액을 배출하는 과정; 및
    (f) 상기 호퍼들 내부의 전해액 배출이 완료된 후 중간 트레이를 제거하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 중간 트레이는,
    상면이 개방되어 있는 컨테이너 구조의 트레이 본체; 및
    상기 트레이 본체의 측면들과 연결되어 있고, 트레이 본체의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 수평 분할하는 구조의 수평 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 수평 플레이트 상에는 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 플러깅부들이 형성되어 있고,
    상기 과정(a) 내지 과정(f)를 1회 수행하고, 하기 과정(g) 내지 과정(l)을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (g) 상기 하부 트레이 상에 호퍼들의 전해액 주입구들에 대면하는 위치에 상부가 개방되어 있는 전지셀들을 배열하는 과정;
    (h) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구와 전지셀의 개방 상부를 밀착하는 과정;
    (i) 상기 호퍼들의 개방 상단부에 전해액을 주입하는 과정;
    (j) 상기 호퍼의 전해액 주입구로부터 전지셀 내부로 전해액이 신속하게 주입되도록 진공 분위기를 형성하는 과정;
    (k) 상기 상부 트레이 또는 하부 트레이를 과정(h)와 반대 방향으로 수직 이동시켜 호퍼들의 전해액 주입구와 전지셀을 분리하는 과정; 및
    (l) 상기 하부 트레이로부터 전지셀들을 회수하는 과정.
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