KR102168946B1

KR102168946B1 - 블로우 성형법을 사용하는 전지셀 제조방법

Info

Publication number: KR102168946B1
Application number: KR1020160144324A
Authority: KR
Inventors: 안유진; 안인구
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2020-10-22
Also published as: KR20180047696A

Abstract

본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 충방전이 가능한 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 준비하는 과정; (b) 상기 전극조립체의 외형에 대응하는 내면 형상으로 하향 만입된 구조의 성형용 중공부를 가지고 있고 상기 성형용 중공부에 연통하여 상단이 개방되어 있는 몰드를 준비하는 과정; (c) 상기 몰드의 개방 상단에 금속시트를 탑재한 후, 공기 또는 가스를 금속시트 상에 분사하여, 금속시트가 몰드의 성형용 중공부의 형상으로 변형된 금속 포켓을 형성하는 과정; (d) 상기 금속 포켓을 몰드로부터 취출한 후, 금속시트의 내면과 외면에 각각 고분자 수지를 코팅하여 전지케이스를 형성하는 과정; (e) 미실링 상태인 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스의 내부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 상기 상단부를 열융착하여 밀봉하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법을 제공한다.

Description

블로우 성형법을 사용하는 전지셀 제조방법{Method for Manufacturing Battery Cell Using Blow Forming}

본 발명은 블로우 성형법을 사용하는 전지셀의 제조방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

이 중에서 리튬 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 3.6V로 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 사용이 급속도로 신장하고 있는 추세이다.

대표적으로 리튬 이차 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 높으며, 이들은 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류된다.

또한 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

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. 이는 파우치형 전지는 금속층과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있는 것에 기인한다.

이러한 파우치 외장재는 일반적으로, 직방형 외장재를 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 형성된 상부 외장재와 하부 외장재로 이루어지는데, 하부 외장재에는 프레스 가공 등을 통해 전극조립체를 수용하기 위한 공간인 수납부가 형성되고, 하부 외장재의 수납부에는 주로 판형의 양극, 분리막 및 음극이 적층된 후 와형으로 권취된 젤리-롤 형상 등의 전극조립체가 수용된다. 그 다음 전해액을 주입하게 되고 상기 수납부 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 상부 외장재의 가장자리를 밀착시키고 밀착된 부분을 열융착하여 밀봉 형태의 파우치형 이차전지가 형성된다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(100), 전극조립체(100)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(20, 30), 전극 탭들(20, 30)에 용접되어 있는 전극리드(40, 50), 및 전극조립체(100)를 수용하는 전지케이스(60)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(100)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(20, 30)은 전극조립체(100)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(40, 50)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(20, 30)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(60)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(40, 50)의 상하면 일부에는 전지케이스(60)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(70)이 부착되어 있다.

전지케이스(60)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(100)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(100)의 경우, 다수의 양극 탭들(20)과 다수의 음극 탭들(30)이 전극리드(40, 50)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(60) 내부 상단은 전극조립체(100)로부터 이격되어 있다.

파우치형 전지케이스(60)는 스택형 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 하부 케이스와 그러한 하부 케이스의 덮개로서 스택형 전극조립체(100)를 밀봉하는 상부 케이스로 이루어져 있다. 상부 케이스와 하부 케이스는 스택형 전극조립체가 내장된 상태에서 열융착되어 실링부를 형성한다.

또한, 도 1은 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 전지셀은 일반적으로 직육면체의 형상으로 제조되지만, 최근 디바이스의 소형화, 박형화 추세에 따라 불필요한 공간의 낭비를 최소화하고, 전지의 용량의 최대화를 위해 전지의 형상 역시 디바이스의 형상에 따라 다양하게 구현함과 동시에 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 활용할 필요가 있다.

특히, 최근에는 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고 있으므로 종래 생산성 등을 고려한 평면형 디자인에서 탈피하여 다양한 형태의 디자인이 설계되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 노트북 등과 같은 디바이스는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계될 수 있다.

예를 들어, 스마트폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있고, 플렉서블 디스플레이 같은 경우에는 휘거나 굽힐 수 있으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다.

이러한 파우치형 전지를 제조하기 위해 다양한 제조 방법들이 사용되고 있다.

일반적으로, 파우치형 전지의 전지케이스는 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 케이스 본체와 그러한 본체에 일체로 연결되어 있는 덮개로 이루어져 있고, 수납부에 전극조립체를 수납한 상태로 접촉 부위인 양측부와 상단부를 접착시킴으로써 서로 접하는 덮개와 본체의 양측부 및 상단부 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 접착시킴으로써 제조된다.

그러나, 현재 개발되고 있는 다양한 형태의 리튬 폴리머 전지셀의 경우, 파우치형으로 제조함에 있어 전지케이스의 상단부 및 양측부에 대한 실링이 반드시 이루어져야 하므로 전지셀 내부에 활용할 수 없는 공간이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 상기 열융착 공정에 있어서, 전지케이스의 밀봉을 위해서는 실링이 이루어지는 전지케이스의 외주면은 일정한 폭을 확보하고 있어야 하지만, 형태가 자유로운, 예를 들어 리튬폴리머 전지셀의 경우 전지케이스 양측부의 절곡이 어려워 향상된 전지 용량의 구현이 제한되는 문제점이 있었다.

이에, 전지셀의 용량의 저하 없이 다양한 형태의 폴리머 전지셀을 효과적으로 제조할 수 있는 새로운 제조 방법 개발의 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 상단이 개방되어 있는 금속 몰드에 금속 시트를 탑재하고 공기 또는 가스를 분사하여 금속 포켓을 형성한 후 이를 취출하고 금속시트의 내면 및 외면에 고분자 수지를 코팅하여 전지케이스를 형성하며, 상기 전지케이스의 미실링 상단부에 전극조립체를 장착하고 열융착하여 밀봉하는 방법으로 전지셀을 제조하는 경우, 소망하는 효과를 발휘할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 충방전이 가능한 전지셀을 제조하는 방법으로서, (a) 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 준비하는 과정; (b) 상기 전극조립체의 외형에 대응하는 내면 형상으로 하향 만입된 구조의 성형용 중공부를 가지고 있고 상기 성형용 중공부에 연통하여 상단이 개방되어 있는 몰드를 준비하는 과정; (c) 상기 몰드의 개방 상단에 금속시트를 탑재한 후, 공기 또는 가스를 금속시트 상에 분사하여, 금속시트가 몰드의 성형용 중공부의 형상으로 변형된 금속 포켓을 형성하는 과정; (d) 상기 금속 포켓을 몰드로부터 취출한 후, 금속시트의 내면과 외면에 각각 고분자 수지를 코팅하여 전지케이스를 형성하는 과정; (e) 미실링 상태인 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스의 내부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 상기 상단부를 열융착하여 밀봉하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 파우치형 전지셀은 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 라미네이트 시트에서 분리되어 있는 별도의 시트 또는 연장되어 있는 시트를 열융착하는 것으로 제조되며, 이러한 파우치 케이스는 일정한 두께의 알루미늄 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 딥드로잉 공정에 유사한 방식으로 부분 압축함으로써 수납부가 형성된다.

그러나 상기와 같은 제조방법은 비대칭, 비정형 리튬 폴리머 전지 등의 형태가 다양한 이차전지를 제조함에 있어 전지케이스의 전극리드가 위치하는 상단부를 제외한 양측부를 실링하기 위해 일정한 폭을 가질 것이 요구되고, 실링 후의 절곡 공정이 곤란하여 결국 전지 용량이 저감되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은 플라스틱 병을 제작하는 방법과 유사하게 금속 포켓을 성형하여 증가된 전지셀의 용량을 구현할 수 있는 효과를 제공한다.

즉, 기존의 실링 공정에서 필수적으로 포함되는 전지케이스의 양측부에 대한 열융착을 실시할 필요가 없고, 오로지 전지케이스의 상단부에 대해서만 열융착을 실시하여 밀봉함으로써 전지케이스의 양측부에 잉여분의 실링 폭을 확보할 필요가 없게 되어 전지 용량을 증가시킬 뿐만 아니라, 형태가 다양한 파우치형 전지셀을 제조함에 있어서 공정성이 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 전지셀은 그 형상이 몰드와 대응되므로, 형태가 복잡한 전지셀을 제조함에 있어서도 정밀한 몰드의 제조를 통해 용이하게 이를 구현시킬 수 있는 효과를 제공한다.

이와 같은 본 발명에 따른 전지케이스의 내부에 장착되는 전극조립체는, 하나의 구체적인 예에서 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 전극조립체는, 평면상으로 전극조립체의 중심을 지나는 수직축에 대해 좌우 형상이 비대칭이거나, 또는 평면상으로 전극조립체의 중심을 지나는 수평축에 대해 상하 형상이 비대칭인 구조를 가질 수 있고, 상기 금속 포켓은 전극조립체의 외형에 대응하는 형상을 가질 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은 몰드의 형상에 대응하는 금속 포켓을 준비하고 이에 전극조립체가 장착되어 제조되는 방식이므로, 전극조립체 및 금속 포켓을 상호 대응되는 형상으로 제조하고 일 측면만을 융착함으로써 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있는 바, 전극조립체가 비대칭 구조 등의 다양한 형상을 가지더라도 공정이 용이하다는 장점이 있다.

이는, 최근 전자기기 등의 소형화의 추세와 더불어 기존의 각형 디자인으로부터 탈피하여 비대칭 구조, 원형 구조 등의 다양한 디바이스가 개발되는 추세이고, 이에 부합되도록 상기 디바이스에 장착되는 전지셀도 다양한 형태로 제작될 필요가 있는 바, 본 발명의 전극조립체는 상기의 비대칭 구조와 같은 다양한 형상을 가질 수 있고, 이를 위해 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은 몰드의 형상에 대응하는 금속 포켓을 준비하고 이에 전극조립체가 장착되어 제조되는 방식이고, 전극조립체 및 금속 포켓을 상호 대응되는 형상으로 제조하고 일 측면만을 융착함으로써 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있는 바, 전극조립체가 다양한 형태를 가지더라도 공정이 용이하다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 평면상에서 전체적으로 사각형 형상을 가지고 있고, 적어도 하나의 모서리 부위가 테이퍼 형상으로 이루어지도록 제조될 수 있다.

한편, 본 발명의 제조방법에 이용되는 금속시트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 전지셀의 제조방법의 상기 과정(c)의 공기 또는 가스는 하나의 구체적인 예에서, 섭씨 200도 내지 700도로 가열된 상태로 분사될 수 있다.

만일 상기 범위를 벗어나 공기 또는 가스의 온도가 섭씨 200도 미만일 경우, 금속시트의 온도가 변형을 일으키기에 충분한 온도로 승온하지 못하므로 공정성이 저하되는 문제가 발생하고, 이와 반대로, 섭씨 700도를 초과하는 경우, 금속시트 자체가 용융되어 성형 불량이 유발되거나, 상기 과정(d) 또는 냉각 과정에 소요되는 시간이 지나치게 길어지는 바 바람직하지 못하다.

경우에 따라, 상기 과정(c) 및 과정(d)의 사이 또는 과정(d)에 있어서, 몰드로부터 금속 포켓을 취출한 후, 상기 온도의 범위를 갖는 금속 포켓을 냉각하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 상기 온도 범위에서 가열된 금속 포켓을 냉각 과정 없이 금속 포켓의 내면 및 외면에 곧바로 과정(d)의 고분자 수지를 코팅하게 되면 상기 온도의 범위보다 낮은 용융점 또는 유리전이온도를 갖는 고분자로 구성되어 있는 코팅 수지가 용융 또는 유리전이가 되어 금속 포켓과의 성형성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으므로 바람직하지 못하다. 따라서, 상기 금속 포켓의 내면 및 외면에 코팅되는 고분자 수지의 용융점을 고려하여 적절한 온도까지 강온시킨 후 또는 강온과 동시에 코팅하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 과정(c)의 공기 또는 가스는 하나의 구체적인 예에서, 50 MPA 내지 300 MPA의 압력으로 분사될 수 있다.

만일 상기 범위를 벗어나 공기 또는 가스의 압력이 50 MPA보다 작은 경우, 성형에 필요한 충분한 압력이 금속시트에 전달되지 못하므로 정밀한 금속 포켓을 제작하기 어렵고, 성형 시간도 장시간이 소요되는 문제가 발생하며, 이와 반대로, 300 MPA보다 큰 경우 금속시트가 쉽게 찢어지거나 금속시트가 균일하게 몰드에 부착되기 어려운 바 바람직하지 못하다.

이때, 상기 과정(c)에서 금속시트에 분사되는 것은 공기 또는 가스일 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 가스는 불활성 가스일 수 있다. 만일 활성가스를 사용하는 경우, 알루미늄 등의 소재로 이루어진 금속시트와 화학반응을 일으켜 소망하는 금속포켓을 제작하기 어려워지는 문제가 발생될 수 있는 바 바람직하지 못하며, 상기 불활성 가스는 질소 가스, 네온 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스, 크립톤 가스, 크세논 가스, 라돈 가스, 이산화탄소 가스, 프레온 가스 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 제조방법 중 상기 과정(d)에 있어서, 상기 금속 포켓의 내면에는 하나의 구체적인 예로서 폴리올레핀 수지가 코팅될 수 있고, 경우에 따라 상기 폴리올레핀 수지는 무연신 폴리프로필렌 수지일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 금속 포켓의 내면에는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체가 코팅될 수 있으며, 특히 PE 또는 PP를 사용하여 코팅하는 경우 히트시일성, 방습성, 내열성 등의 이차전지용 포장재료로서 요구되는 물성을 갖을 뿐만 아니라, 라미네이션 등의 가공성이 좋기 때문에 더욱 바람직하다. 또한, 경우에 따라 전지케이스의 탄성율, 강성, 인장강도, 충격강도, 치수안정성, 차단성 등의 조절을 위해 무연신 폴리올레핀 수지가 코팅될 수도 있다.

또한, 상기 금속 포켓의 외면에는 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 고분자 수지로 코팅될 수 있으며, 특히 파열강도, 내핀홀성, 가스차단성 등이 뛰어날 뿐만 아니라 내열성, 내한성 및 기계적 강도가 우수하여 포장용 필름으로 주로 사용되고 있는 나일론 수지를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

이러한 나일론 수지의 구체적인 예로서는 나일론6, 나일론66, 나일론6과 나일론66의 공중합체, 나일론 610, 폴리메카크실린렌 아미파미드(MXD6) 등을 들 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조되는 전지셀에 있어서, 상기 금속 포켓의 두께는 하나의 구체적인 예에서, 30 μm 내지 50 μm이고, 금속 포켓의 내면 코팅층의 두께는 4 μm 내지 20 μm 이며, 금속 포켓의 외면 코팅층의 두께는 10 μm 내지 30 μm일 수 있다.

만일 금속 포켓의 두께가 상기 범위를 벗어나 30 μm 미만일 경우, 전지케이스의 외면이 지나치게 얇아져서 충격 등에 의해 쉽게 파열되어 내전해성, 절연성 및 안전성이 떨어지는 문제가 발생하고, 이와 반대로 금속 포켓의 두께가 50 μm를 초과할 경우, 성형성의 저하, 제조 비용의 상승, 및 전지 용량의 저하 등의 문제가 발생할 수 있는 바 바람직하지 않다.

또한, 금속 포켓의 내면 코팅층의 두께가 4 μm 미만일 경우 내열성, 내전해액성이 부족해지고, 이와 반대로, 20 μm 초과할 경우 성형성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며 또한, 금속 포켓의 외면 코팅층의 두께가 10 μm 미만일 경우 물리적 특성이 떨어져 쉽게 찢어지는 문제가 있고, 이와 반대로, 30 μm를 초과할 경우 성형성이 떨어지게 되는 문제점이 발생하므로 바람직하지 않다.

한편 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 전지셀은 전극단자들이 위치하는 일 측면에만 열융착 실링부가 형성되어 있고, 평면상으로 전지셀의 중심을 지나는 수평축 또는 수직축에 대해 비대칭 형상을 가질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택될 수 있으며, 전지팩, 디바이스의 구조 및 그것의 제조 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지 또는 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 몰드 상단에 금속시트를 탑재하여 공기 등을 분사하여 금속시트를 변형시키고, 이를 취출한 후 금속시트 내면과 외면에 고분자 수지를 코팅하여 전지케이스를 형성하며 전지케이스 내부에 전극조립체를 내장하고 상단부를 열융착하여 밀봉하는 방법으로 제조됨으로써 전지셀 내부 공간을 최대한 활용하여 전지 용량이 상승하고, 양측부를 실링할 필요가 없으므로 공정이 간략해지고 비용이 감소되며, 다양한 형태의 전지셀을 높은 정밀도를 가지고 제조할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 파우치형 전지셀의 분해 사시도이다.
도 2는 비대칭 구조의 몰드의 상단에 금속시트가 탑재되고 공기 또는 가스를 분사하는 것을 나타내는 정면도다.
도 3은 대칭 구조의 몰드의 상단에 금속시트가 탑재되고 공기 또는 가스를 분사하는 것을 나타내는 사시도이다.
도 4는 비대칭 구조의 몰드 내부에서 금속시트가 몰드의 형상으로 변형된 금속 포켓이 형성되어 있는 것을 나타내는 정면도다.
도 5는 대칭 구조의 몰드 내부에서 금속시트가 몰드의 형상으로 변형된 금속 포켓을 취출하는 과정을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 몰드로부터 취출된 금속 포켓을 나타내는 사시도이다.
도 7은 비대칭 구조의 금속 포켓의 내면과 외면에 각각 고분자 수지가 코팅되어 있는 것을 나타내는 정면도다.
도8은 대칭 구조의 금속 포켓의 내면과 외면에 각각 고분자 수지가 코팅되어 있는 것을 나타내는 사시도이다.
도 9는 미실링 상태의 비대칭 구조의 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되는 것을 나타내는 정면도다.
도 10은 미실링 상태의 대칭 구조의 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되는 것을 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 전지셀을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.

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 2에는 비대칭 구조의 몰드의 상단에 금속시트가 탑재되고 공기 또는 가스가 분사되는 것을 나타내는 정면도가 도시되어 있고, 도 3에는 대칭 구조의 몰드의 상단에 금속시트가 탑재되고 공기 또는 가스가 분사되는 것을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.

도 2, 도 3을 함께 참조하면, 먼저 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체(100)를 준비(도시하지 않음)하고, 상기 전극조립체(100)의 외형에 대응하는 내면 형상으로 하향 만입된 구조의 성형용 중공부(190)를 가지고 있고, 상기 성형용 중공부(190)에 연통하여 상단이 개방되어 있는 몰드(150)를 준비한다. 상기 몰드(150)는 전극조립체(100)의 외형에 대응하는 내면 형상을 가지기 때문에, 하나의 구체적인 예에서, 전극조립체(100)가 평면상으로 전극조립체(100)의 중심을 지나는 수직축에 대해 좌우 형상이 비대칭이거나, 또는 평면상으로 전극조립체(100)의 중심을 지나는 수평축에 대해 상하 형상이 비대칭인 구조를 가지면 상기 몰드(150)의 내면 형상도 평면상으로 몰드(150)의 중심을 지나는 수직축에 대해 좌우 형상이 비대칭이거나, 또는 평면상으로 몰드(150)의 중심을 지나는 수평축에 대해 상하 형상이 비대칭 구조를 가진다.

다음으로, 상기 몰드(150)의 개방 상단에 금속시트(140)를 탑재한 후 공기 또는 가스를 분사부(130)로부터 금속시트(140) 상에 분사하여, 금속시트(140)가 몰드(150)의 성형용 중공부(190)의 형상으로 변형된 금속 포켓(160)을 형성한다.

이때, 몰드(150)의 개방 상단에 금속시트(140)를 탑재하는 방법은 한정되지 않으나, 탑재 후 고온 고압의 공기 또는 가스가 분사부(130)로부터 분사되는 점에서, 작업 안전성을 위해 기계식 탑재 장치(도시하지 않음)를 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 도 2, 도 3에서는 수직 방향으로 분사되는 방법만이 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 탑재된 금속 시트(140)에 대해 0도 내지 90도의 각도로 분사될 수 있으며, 또한 분사부(130)는 몰드(150)의 개방 상단 중 한 지점에 고정되어 있지 않고, 공정에 따라 자유롭게 이동할 수 있는 바, 높은 정밀도를 갖고 전극조립체(100)의 외형에 대응하는 형상의 금속 포켓(160)을 형성할 수 있다.

도 4에는 비대칭 구조의 몰드 내부에서 금속시트가 몰드의 형상으로 변형된 금속 포켓이 형성되어 있는 것을 나타내는 정면도가 도시되어 있고, 도 5에는 대칭 구조의 몰드 내부에서 금속시트가 몰드의 형상으로 변형된 금속 포켓을 취출하는 과정을 나타내는 사시도가 도시되어 있으며, 도 6에는 도 5의 몰드로부터 취출된 금속 포켓을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.

도 4 내지 도 6을 함께 참조하면, 고온 고압의 공기 또는 가스가 분사부(130)로부터 분사되고, 상기 몰드(150)의 내면 형상에 대응되도록 성형이 이루어진 후 금속 포켓(160)을 몰드(150)로부터 개방 상단 방향으로 취출한다.

이때, 금속 포켓(160)에 분사된 공기 또는 가스가 고온, 고압이기 때문에, 분사가 종료되더라도 금속 포켓(160) 또한 고온 상태이므로, 분사 후 또는 상기 금속 포켓(160)을 몰드(150)로부터 취출한 후 냉각하는 과정을 더 포함할 수 있다. 취출 후 상기 금속 포켓(160)의 내면 및 외면에 고분자 수지를 코팅하므로, 금속 포켓(160)을 상기 코팅에 적합한 온도 즉, 상기 고분자 수지가 금속 포켓(160)과 접촉하더라도 변형(용융, 유리전이)되지 않고 우수한 접착성과 성형성을 발휘하는 온도까지 냉각하는 것이 바람직하다.

도 7에는 비대칭 구조의 금속 포켓의 내면과 외면에 각각 고분자 수지가 코팅되어 있는 것을 나타내는 정면도가 도시되어 있고, 도 8에는 대칭 구조의 금속 포켓의 내면과 외면에 각각 고분자 수지가 코팅되어 있는 것을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.

도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 금속 포켓(160)의 내면에는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체가 코팅될 수 있으며, 코팅층의 두께는 1 μm 내지 30 μm일 수 있고, 4 μm 내지 20 μm인 것이 바람직하다. 또한, 탄성율, 강성 등의 조절을 위해 경우에 따라 무연신 폴리올레핀 수지가 코팅될 수도 있다. 한편 금속 포켓(160)의 외면에는 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 고분자 수지가 코팅될 수 있으며, 코팅층의 두께는 5 μm 내지 40 μm일 수 있고, 10 μm 내지 30 μm인 것이 바람직하다. 특히 우수한 물성의 발현을 위해 나일론 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 경우에 따라, 상기 금속 포켓과 그것의 내면 및 외면에 코팅되는 고분자 수지의 접착성의 향상을 위해 접착제가 도포될 수 있다.

도 9에는 미실링 상태의 비대칭 구조의 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되는 것을 나타내는 정면도가 도시되어 있고, 도 10에는 미실링 상태의 대칭 구조의 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되는 것을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.

도 9 및 도10을 함께 참조하면, 고분자 수지가 내면 및 외면에 코팅된 금속 포켓(160)인 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스의 내부에 전극조립체(100)가 장착되고, 전해액(도시하지 않음)을 주입한 후, 상기 상단부를 열융착하여 전지셀을 밀봉한다. 상기 전지케이스의 상단부에는 전극조립체(100)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(20, 30)과 전극 탭들(20, 30)에 용접되어 있는 전극리드(40, 50)가 위치하고 있으며, 전극리드(40, 50)의 상하면 일부에는 전지케이스(60)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(70)이 부착되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은 상기 상단부만을 열융착함으로써 파우치형 전지셀을 쉽게 제작할 수 있는 효과를 발휘한다.

도 11에는 본 발명에 따른 전지셀을 제조하는 방법을 나타내는 순서도가 도시되어 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀을 제조하는 방법은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 준비하는 과정(S11), 상기 전극조립체의 외형에 대응하는 내면 형상으로 하향 만입된 구조의 성형용 중공부를 가지고 있고 상기 성형용 중공부에 연통하여 상단이 개방되어 있는 몰드를 준비하는 과정(S12), 상기 몰드의 개방 상단에 금속시트를 탑재한 후, 공기 또는 가스를 금속시트 상에 분사하여, 금속시트가 몰드의 성형용 중공부의 형상으로 변형된 금속 포켓을 형성하는 과정(S13), 상기 금속 포켓을 몰드로부터 취출한 후, 금속시트의 내면과 외면에 각각 고분자 수지를 코팅하여 전지케이스를 형성하는 과정(S14) 및 미실링 상태인 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스의 내부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 상기 상단부를 열융착하여 밀봉하는 과정(S15)을 포함하며, 과정(S11) 내지 과정(S15)에 대한 각각의 자세한 설명은 전술한 바와 중복되므로 생략하기로 한다.

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

전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 충방전이 가능한 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 준비하는 과정;
(b) 상기 전극조립체의 외형에 대응하는 내면 형상으로 하향 만입된 구조의 성형용 중공부를 가지고 있고 상기 성형용 중공부에 연통하여 상단이 개방되어 있는 몰드를 준비하는 과정;
(c) 상기 몰드의 개방 상단에 금속시트를 탑재한 후, 공기 또는 가스를 금속시트 상에 분사하여, 금속시트가 몰드의 성형용 중공부의 형상으로 변형된 금속 포켓을 형성하는 과정;
(d) 상기 금속 포켓을 몰드로부터 취출한 후, 금속시트의 내면과 외면에 각각 고분자 수지를 코팅하여 전지케이스를 형성하는 과정;
(e) 미실링 상태인 전지케이스의 상단부를 통해 전지케이스의 내부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 상기 상단부를 열융착하여 밀봉하는 과정;
을 포함하고,
상기 과정(c)에서 공기 또는 가스는 섭씨 200도 내지 700도로 가열된 상태로 분사되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 평면상으로 전극조립체의 중심을 지나는 수직축에 대해 좌우 형상이 비대칭이거나, 또는 평면상으로 전극조립체의 중심을 지나는 수평축에 대해 상하 형상이 비대칭인 구조를 가지고 있고;
상기 금속 포켓은 전극조립체의 외형에 대응하는 형상을 가진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 전극조립체는 평면상에서 전체적으로 사각형 형상을 가지고 있고, 적어도 하나의 모서리 부위가 테이퍼 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금속시트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)에서 공기 또는 가스는 50 MPA 내지 300 MPA의 압력으로 분사되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)에서 가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 과정(d)에서 금속 포켓의 내면에는 폴리올레핀 수지가 코팅되고, 외면에는 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 코팅되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 9 항에 있어서, 상기 폴리올레핀 수지는 무연신 폴리프로필렌 수지인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 과정(c) 및 과정(d)의 사이 또는 과정(d)에서 몰드로부터 취출한 후, 상기 금속 포켓을 냉각하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 포켓의 두께는 30 μm 내지 50 μm이고, 금속 포켓의 내면 코팅층의 두께는 4 μm 내지 20 μm 이며, 금속 포켓의 외면 코팅층의 두께는 10 μm 내지 30 μm 인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조되었으며, 전극단자들이 위치하는 일 측면에만 열융착 실링부가 형성되어 있고, 평면상으로 전지셀의 중심을 지나는 수평축 또는 수직축에 대해 비대칭 형상을 가진 것을 특징으로 하는 전지셀.
제 13 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
제 14 항에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 15 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.