KR102099906B1 - 3ｄ 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 전지 케이스의 내부에 젤리롤 형태의 전극조립체를 삽입하는 단계; (b) 상기 전극조립체의 상부에 대하여 3D 프린팅 공정을 수행하여 상기 전극조립체의 상부에 탑 인슐레이터를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 탑 인슐레이터를 덮도록 상기 전지 케이스의 상단에 탑 캡을 조립하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법을 개시한다.

Description

3Ｄ 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING SECONDARY BATTERY USING 3D-PRINTING}

본 발명은 이차전지의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극조립체의 상부와 탑 캡 사이에 탑 인슐레이터(Top Insulator, T/I)가 구비된 이차전지를 제작하기 위한 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 전지 케이스와, 전해액과 함께 상기 전지 케이스에 수용되는 전극조립체와, 상기 전지 케이스의 상단을 캡핑하는 탑 캡을 포함한다.

전지 케이스는 통상적으로 각형 또는 원통형의 캔 용기로 이루어지고, 탑 캡은 전지 케이스의 상단에 밀봉 결합된다. 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 것으로서, 긴 시트형의 양극들과 음극들이 분리막이 개재된 상태에서 권취되어 실질적으로 젤리롤(Jelly roll, J/R) 형태로 제공된다.

전극조립체와 상부와 탑 캡 사이에는 전극조립체의 전극과 전지 케이스 간의 쇼트 방지 등을 위해 탑 인슐레이터가 개재된다.

상기와 같은 구성을 가진 이차전지는 예컨대, 특허문헌 1에 게재되어 있다. 특허문헌 1은 전극조립체의 상부에 수지층이 배치되어 보호소자와 전해액이 접촉하는 것을 방지할 수 있는 이차전지를 개시하고 있다. 특허문헌 1에서 수지층은 인서트 몰딩(Insert Molding)에 의해 형성되고, 전극조립체에서 인출된 리드 탭들은 수지층의 하부로 돌출되도록 설치된다.

다른 종래기술로서, 탑 인슐레이터는 별도의 부품으로 사출성형된 후 조립공정에서 전지 케이스 내에 전극조립체가 삽입된 상태에서 상기 전극조립체의 상부에 자유낙하에 의해 삽입된 후 탑 캡의 조립에 의해 고정되도록 설치된다.

그러나, 이와 같은 종래의 탑 인슐레이터 설치 공정은 전극조립체에 마련된 전극 탭과 간섭되지 않으면서 전지 케이스 내에 자유낙하될 수 있도록 전지 케이스 내벽과의 여유공간을 충분히 갖도록 공차를 두고 탑 인슐레이터가 형성되므로, 탑 인슐레이터가 전극조립체 및 전지 케이스와 긴밀히 결합되지 못해 전극이 전지 케이스와 접촉하여 쇼트가 발생하는 문제가 있으므로 이에 대한 대책이 요구된다.

특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제2013-0118232호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 전극탭의 위치를 반영하여 탑 인슐레이터를 형성함으로써 전극과 전지 케이스 간의 쇼트 발생을 방지할 수 있는 3Ｄ 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 탑 인슐레이터에 의해 전극조립체의 상단이 프레스(Press) 되어 전극조립체의 스웰링(Swelling)을 억제할 수 있는 3Ｄ 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (a) 전지 케이스의 내부에 젤리롤 형태의 전극조립체를 삽입하는 단계; (b) 상기 전극조립체의 상부에 대하여 3D 프린팅 공정을 수행하여 상기 전극조립체의 상부에 탑 인슐레이터를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 탑 인슐레이터를 덮도록 상기 전지 케이스의 상단에 탑 캡을 조립하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.

상기 단계 (b)는, 상기 전극조립체에 마련된 전극탭의 위치를 감지하는 단계;를 포함하고, 상기 전극탭이 위치한 지점을 제외하고 상기 전극조립체의 상부면과 상기 전지 케이스의 내벽에 의해 형성되는 빈 공간에 3D 프린팅 소재를 토출하여 상기 탑 인슐레이터를 형성할 수 있다.

상기 단계 (b)에서, 상기 전지 케이스의 내벽으로부터 중심 방향으로 가면서 상기 전극조립체의 상부면에 상기 3D 프린팅 소재를 토출하여 쌓아 올림으로써 상기 탑 인슐레이터를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 단계 (b)에서, 상기 전지 케이스의 둘레 방향으로 선회하면서 중심을 향해 나선형으로 노즐부를 이동시키면서 상기 3D 프린팅 공정을 수행할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3D 프린팅 공정을 수행하여 탑 인슐레이터를 제작하는 단계; 전지 케이스의 내부에 젤리롤 형태의 전극조립체를 삽입하는 단계; 상기 전지 케이스에 상기 탑 인슐레이터를 삽입하여 상기 전극조립체의 상부에 상기 탑 인슐레이터를 조립하는 단계; 및 상기 탑 인슐레이터를 덮도록 상기 전지 케이스의 상단에 탑 캡을 조립하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법이 제공된다.

상기 3D 프린팅 공정은, 상기 탑 인슐레이터의 조립 시 전극탭이 위치하는 지점을 제외하고 상기 전극조립체의 상부면과 상기 전지 케이스의 내벽에 의해 형성되는 빈 공간에 대응하는 형상 및 부피를 갖도록 3D 프린팅 소재를 토출하여 상기 탑 인슐레이터를 제작하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 전극탭의 위치를 반영하여 공차가 없거나 최소화된 탑 인슐레이터를 정밀하게 형성하여 전극과 전지 케이스 간의 쇼트 발생을 방지할 수 있다.

또한, 탑 인슐레이터를 전극조립체의 상단에 직접 형성하는 과정에 전극조립체를 프레스함으로써 전극조립체의 스웰링을 억제할 수 있는 장점이 있다.

본 발명을 적용할 경우 기존의 사출형 탑 인슐레이터 대비 얇고 안전성이 향상된 탑 인슐레이터를 구비한 이차전지를 제조할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법에 의해 제조되는 이차전지의 정면도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 채용되는 3D 프린터의 예를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 3D 프린팅에 의해 탑 인슐레이터를 형성하는 예를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 도 1 및 도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법에 의해 제조되는 이차전지의 구성이 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이 본 발명에 따라 제조되는 이차전지는 전지 케이스(100)와, 전지 케이스(100)의 내부에 전해액과 함께 수용되는 전극조립체(110)와, 3D 프린팅 공정에 의해 전극조립체(110)의 상부에 구비되어 전극의 쇼트 등을 방지하는 탑 인슐레이터(120)와, 전지 케이스(100)의 상단에 밀봉 결합되는 탑 캡(130)을 포함한다.

전지 케이스(100)는 상면이 개방되고 측면 및 하면은 밀폐되어 있는 각형 또는 원통형의 캔 용기로 이루어진다.

전극조립체(110)는 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 것으로서, 긴 시트형의 양극들과 음극들이 분리막이 개재된 상태에서 권취되어 실질적으로 젤리롤 형태로 제공된다.

탑 인슐레이터(120)는 바람직하게, 고무 등과 같은 절연성 수지 재료를 포함하는 고분자 소재로 이루어지는 것으로서 3D 프린팅 공정에 의해 형성된다. 탑 인슐레이터(120)는 전극조립체(110)의 상부면에 직접 성형재료를 토출하는 3D 프린팅 공정에 의해 형성된다. 대안으로, 탑 인슐레이터(120)는 3D 프린팅 공정에 의해 별도로 제작된 후 전지 케이스(100)에 삽입되어 전극조립체(110)의 상부에 배치될 수 있다. 여기서, 전극조립체(110)의 상부에는 전극탭(111)이 돌출된 젤리롤의 단면이 위치하므로, 전극조립체(110)의 상부면에는 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 다수의 층들의 가장자리단이 노출된다.

탑 캡(130)은 전지 케이스(100)의 상단에 밀봉 가능하게 결합되어 전극조립체(110)를 보호하고 전해액의 누액을 방지한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법은 전극조립체 삽입 공정(단계 S100), 탑 인슐레이터 제작 공정(단계 S110) 및 탑 캡 조립 공정(단계 S120)을 포함한다.

전극조립체 삽입 공정(단계 S100)에서는 전지 케이스(100)의 내부에 젤리롤 형태의 전극조립체(110)를 삽입한다. 이때, 전극조립체(110)는 상부에 전극탭(111)이 돌출된 젤리롤의 단면이 위치하도록 삽입된다.

탑 인슐레이터 제작 공정(단계 S110)에서는 3D 프린팅 공정을 수행하여 전지 케이스(100)의 상단 부근 내부에서 전극조립체(110)의 상부면에 3차원 형상의 탑 인슐레이터(120)를 형성한다. 3D 프린팅 공정은 도 4에 도시된 바와 같이 원료 공급부(210), 노즐부(220), 선형 이동부(230), 프린트 베드(Print Bed)(240) 등을 포함하는 공지의 3D 프린터(200)를 채용하여 수행할 수 있다. 이러한 3D 프린터(200)의 구체적인 기술적 구성은 예컨대, 한국 공개특허공보 제2015-0116694호에 개시되어 있다.

3D 프린터(200)는 입력된 탑 인슐레이터(120)의 설계값대로 동작하여 고무 등과 같은 절연성 수지 재료를 포함하는 액상 혹은 분말 형태의 고분자 성형 원료를 압출하여 프린트 베드(240) 위에 놓인 전극조립체(110)의 상부면 위에 소재를 층층이 쌓아 올려서 탑 인슐레이터(120)를 형성한다.

3D 프린팅 공정에서는 전극조립체(110)에 마련된 전극탭(111)의 위치를 미리 감지하고, 전극탭(111)이 위치한 지점을 제외한 영역에 프린팅 소재를 토출하여 탑 인슐레이터(120)를 형성한다. 즉, 전극조립체(110)의 상부면과 전지 케이스(100)의 내벽에 의해 형성되는 빈 공간에 3D 프린팅 소재를 토출하여 쌓아 올림으로써 탑 인슐레이터(120)를 형성한다. 이때, 3D 프린터(200)의 노즐부(220)의 이동 패턴은 도 5에 화살표로 개략적으로 표시된 바와 같이 전지 케이스(100)의 내벽으로부터 중심 방향으로 가면서 이루어지고, 전지 케이스(100)의 둘레 방향으로 선회하면서 중심을 향해 나선형의 패턴을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면 전극조립체(110)의 상부면에 노출된 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 다수의 층들의 나선형 권취 패턴과 노즐부(220)의 이동 패턴이 실질적으로 부합하므로 균일하고 안정적인 패턴으로 3D 프린팅이 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같이 3D 프린팅 공정에서는 미리 감지된 전극탭(111)의 위치를 반영하여 3D 프린터(200)의 노즐부(220)을 이동시키면서 3D 프린팅 소재를 토출하여 공차가 없거나 최소화된 탑 인슐레이터(120)를 전극조립체(110) 위에 정밀하게 형성한다. 도 5에 도시된 바와 같이 전극탭(111)의 쌍은 In(J/R 중심)-Out(J/R 외곽) 타입으로 배치될 수 있으며, 그밖에 In-In 타입, Out-Out 타입 등과 같이 다양하게 변형될 수도 있다.

상기와 같은 탑 인슐레이터 제작 공정(단계 S110)은 전극조립체(110)의 상단면에 직접적으로 3D 프린팅을 수행하는 과정에서 전극조립체(110)를 프레스하여 전극조립체(110)의 상단면에 탑 인슐레이터(120)를 밀착 형성함으로써 전극조립체(110)의 스웰링을 억제할 수 있다.

탑 캡 조립 공정(단계 S120)에서는 탑 인슐레이터(120)를 덮도록 전지 케이스(100)의 상단에 탑 캡(130)을 조립하여 전지 케이스(100)를 밀봉한다. 비록, 도면에는 도시되지 않았으나 탑 캡(130)에는 소정의 보호회로모듈이 포함될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법은 탑 인슐레이터 제작 공정(단계 S200), 전극조립체 삽입 공정(단계 S210), 탑 인슐레이터 배치 공정(단계 S220) 및 탑 캡 조립 공정(단계 S230)을 포함한다.

탑 인슐레이터 제작 공정(단계 S200)에서는 3D 프린팅 공정을 수행하여 탑 인슐레이터(120)를 제작한다. 이때, 3D 프린터(200)는 입력된 탑 인슐레이터(120)의 설계값대로 동작하여 고무 등과 같은 절연성 수지 재료를 포함하는 액상 혹은 분말 형태의 고분자 성형 원료를 공급하여 프린트 베드(240) 위에 소재를 층층이 쌓아 올려서 탑 인슐레이터(120)를 형성한다.

3D 프린팅 공정에서는, 탑 인슐레이터(120)의 조립 시 전극탭(111)이 위치하는 지점에 대한 설계값을 반영하여 전극탭(111)이 위치하게 될 부분을 제외하고 전극조립체(110)의 상부면과 상기 전지 케이스(100)의 내벽에 의해 형성되는 빈 공간에 대응하는 형상 및 부피를 갖도록 3D 프린팅 소재를 토출하여 개별 부품 형태로 탑 인슐레이터(120)를 형성한다.

상기와 같이 탑 인슐레이터(120)는 3D 프린팅 공정에 의해 별도로 제작된 후, 전극조립체 삽입 공정(단계 S210)에 의해 전지 케이스(100) 내에 미리 삽입된 전극조립체(110)의 상부에 조립된다.

전극조립체 삽입 공정(단계 S210)에서는 전지 케이스(100)의 내부에 젤리롤 형태의 전극조립체(110)를 삽입한다. 이때, 전극조립체(110)는 상부에 전극탭(111)이 돌출된 젤리롤의 단면이 위치하도록 삽입된다.

탑 인슐레이터(120)는 전극탭(111)의 위치를 반영하여 제작이 되었으므로 전지 케이스(100)의 내벽에 대하여 공차가 없거나 최소화된 공차로 전지 케이스(100) 내에 삽입되어 전극조립체(110)의 상부에 배치됨으로써 전극조립체(110)의 전극탭(111)과 전지 케이스(100) 간의 쇼트를 방지한다(단계 S220). 탑 인슐레이터(120)에 있어서, 전극탭(111)에 대응하는 부분은 3D 프린팅이 되지 않고 통공 형태로 남아 있으므로, 탑 인슐레이터(120)의 배치 시 이 통공 부분에 전극탭(111)을 삽입하면 된다.

부가적으로, 탑 인슐레이터(120)는 3D 프린팅 공정 시 일부가 하방으로 길게 연장되도록 성형될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 탑 인슐레이터(120)의 조립 시 상기 연장된 부분이 전극조립체(110)에 의해 안정적으로 지지된 상태에서 하강하게 되므로 전지 케이스(100)의 내벽에 대하여 매우 작은 공차를 갖더라도 용이하게 전지 케이스(100) 내부에 삽입될 수 있다.

탑 캡 조립 공정(단계 S230)에서는 탑 인슐레이터(120)를 덮도록 전지 케이스(100)의 상단에 탑 캡(130)을 조립하여 전지 케이스(100)를 밀봉한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명은 3D 프린팅 공정을 적용함으로써 기존의 사출형 탑 인슐레이터 대비 얇고 전지 케이스(100)의 내벽으로부터 공차가 없거나 최소화된 탑 인슐레이터(120)를 형성함으로써 이차전지의 안정성과 공정성을 향상시킬 수 있는 현저한 효과를 가진다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 전지 케이스 110: 전극조립체
111: 전극탭 120: 탑 인슐레이터
130: 탑 캡 200: 3D 프린터
210: 원료 공급부 220: 노즐부
230: 선형 이동부 240: 프린트 베드

Claims (6)

1. (a) 전지 케이스의 내부에 젤리롤 형태의 전극조립체를 삽입하는 단계;
   (b) 상기 전극조립체의 상부에 대하여 3D 프린팅 공정을 수행하여 상기 전극조립체의 상부에 탑 인슐레이터를 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 탑 인슐레이터를 덮도록 상기 전지 케이스의 상단에 탑 캡을 조립하여 밀봉하는 단계;를 포함하며,
   상기 단계 (b)에서, 상기 전지 케이스의 둘레 방향으로 선회하면서 중심을 향해 나선형으로 노즐부를 이동시키면서 상기 3D 프린팅 공정을 수행하는 이차전지의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
   상기 전극조립체에 마련된 전극탭의 위치를 감지하는 단계;를 포함하고,
   상기 전극탭이 위치한 지점을 제외하고 상기 전극조립체의 상부면과 상기 전지 케이스의 내벽에 의해 형성되는 빈 공간에 3D 프린팅 소재를 토출하여 상기 탑 인슐레이터를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
   상기 전지 케이스의 내벽으로부터 중심 방향으로 가면서 상기 전극조립체의 상부면에 상기 3D 프린팅 소재를 토출하여 쌓아 올림으로써 상기 탑 인슐레이터를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
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