KR102180946B1 - 균일한 sei 형성을 위한 버퍼 플레이트 및 이를 이용한 전지 제조방법 - Google Patents

균일한 sei 형성을 위한 버퍼 플레이트 및 이를 이용한 전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지의 초기 충전시 발생된 활성화 가스가 전극과 분리막의 계면에 위치하여 전극계면의 불균일성을 발생하는 것을 배제하기 위하여 형성된 리튬 이차전지의 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법에 관한 것으로 초기 충전시 발생하는 활성가스를 파우치된 전지셀 밖으로 배제할 수 있는 효과 및 전지셀의 가스 가스포켓으로 활성화 가스가 이동할 수 있어, 초기 충전중 발생하는 활성화 가스가 전극 계면에 위치하지 못하도록 하는 효과가 있다.

Description

균일한 SEI 형성을 위한 버퍼 플레이트 및 이를 이용한 전지 제조방법 {Buffer Plate for Uniform SEI Formation, and Battery Manufacturing Method thereof}
본 발명은 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 본 발명은 리튬 이차전지의 초기 충전시 발생된 활성화 가스가 전극과 분리막의 계면에 위치하여 전극계면의 불균일성을 발생하는 것을 배제하기 위하여 형성된 리튬 이차전지의 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품 뿐 만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 양극의 리튬 금속 산화물로부터 리튬 이온이 음극의 흑연 전극으로 삽입(intercalation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전이 진행된다. 리튬 이차전지용 전해액은 음극을 구성하는 흑연의 탄소와 반응하여 음극 표면에 SEI(Solid Electrolyte
Interface, 이하 SEI막)라 불리는 엷은 막을 형성하게 되는데, 이는 전하 이동에 영향을 미쳐 전지의 성능 변화를 초래하는 주요 인자 중 하나인 것으로 알려져 있다.
SEI 막은 최초 충전시 일단 형성되고 나면 이후 전지 사용에 의한 충방전 반복시 리튬 이온과 음극 또는 다른 물질과의 반응을 막아주게 되며, 전해액과 음극 사이에서 리튬 이온만을 통과시키는 이온 터널(Ion Tunnel)로서의 역할을 수행하게 된다.
일반적으로 리튬 이차전지는 사용 과정에서 충방전이 행해짐에 따라 수축과 팽창을 반복하며, 이로 인해 전극 활물질이 집전체부터 박리되는 문제점이 발생하여 충방전 효율 및 사이클 특성이 저하될 수 있는데 이를 방지하기 위해서는 방지하기 위해서는 SEI막의 안정적 형성이 필요하다.
통상, 상기 리튬 이차전지는 진지케이스에 전극조립체를 삽입하여 전지셀을 제작하고, 전해액을 주입하여 밀봉한다. 이후에 전지셀을 초기 충전하는 포메이션 공정을 거쳐 리튬 이차전지를 제조하게 된다. 종래에는 전해액 또는 음극재의 조성을 개량하여 상기 SEI 막을 안정적으로 형성하려는 시도는 있었으나, 상기 리튬 이차전지의 제조 공정, 특히 포메이션 공정 조건을 개량하여 안정적인 SEI 막을 형성하려는 시도는 없었다.
일본 등록특허공보 제5487743호(2014.03.07)에서는 실링부에 의해 형성된 내부 공간에 양극 및 음극이 세퍼레이터를 포함한 전해질층을 통해 적층된 발전 요소와 상기 양극 및 상기 음극의 각각에 접속된 집전체가 내장된 박형 전지에 있어서 상기 실링부를 관통해, 일단이 상기 내부 공간에 임해, 타단이 상기 실링부의 외부 공간에 임하는 튜브를 추가로 구비해 상기 튜브는 상기 내부 공간에 임해 상기 집전체에 접속되고 밀봉 전에 내부 공간으로 전해액을 충전할 수 있는 개구 면적을 가짐과 동시에 눌러 밀봉한 후에 상기 튜브에서 상기 전해액이 누설하지 않는 두께를 가지는 가요성 제1 도체부와 상기 제 1 도체부를 피복하는 절연성 외통부를 가지는 것을 특징으로 하는 박형 전지가 개시되어 있다.
일본 특허공개공보 제2000-188135호(2000.07.04)에서는 복수의 선반으로 나눈 에이징 장치의 각 선반마다, 선반 내 분위기를 검출하기 위한 분위기 센서를 배설함과 동시에, 소화성 가스의 공급구를 설치하고, 상기 선반 마다의 분위기 센서의 신호에 의해 소화성 가스의 공급구를 개폐하도록 한 것을 특징으로 하는, 전지의 에이징 장치가 개시되어 있다.
일본 특허공개공보 제2001-210372호(2001.08.03)에서는 수지필름 사이에 금속박을 배치해 전체를 적층 일체화한 래미네이트 시트로 구성되는 봉투형 외장 케이스 내에 각각 시트형 또는 필름상 양극판, 폴리머제 세퍼레이터 및 음극판을 적층 일체화한 발전 요소를 수용해, 이 발전 요소에 비수전해액을 지지시킴과 동시에, 상기 양극판 및 음극판의 각각 일단이 접속된 양극 리드 및 음극 리드를 상기 외장 케이스의 실링부보다 외부에 꺼낸 상태에서 봉구하는 공정과 45~70℃의 환경하에서 소정의 전지 전압을 발생시킬 때까지 초충전 처리를 실시해 초기의 가스 발생을 끝마치는 공정과 필요 전기량만 충전 처리한 충전 상태 그대로 60~70℃의 환경하에서 저장해, 한층 더 발전 요소로부터의 가스 발생 및 전지 특성을 안정화시키는 공정과 외장 케이스의 일부를 개봉하고 내부에 모인 가스를 배출하는 공정과 그 다음에 외장 케이스를 다시 봉구하는 공정으로 구성되는 전지의 제조 방법을 개시하고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1481860호(2015.01.14)에서는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 전지 케이스에 삽입하여 전지셀을 제조하는 단계; 상기 전지 케이스에 전해액 총량을 기준으로 0.1 내지 2 중량%인 리튬옥살릴디플루오로보레이트(LiODFB) 첨가제를 포함하는 전해액을 주입하고 밀봉하는 단계; 상기 전지셀을 포메이션(formation)하는 단계; 및 상기 전지 케이스 내의 가스를 제거하여 디개싱(degassing)하는 단계를 포함하며, 상기 포메이션하는 단계는 상기 전지셀을 전지 용량의 20 내지 40%로 초기 충전하는 것을 포함하는 리튬 이차전지의 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 초기 충전을 실시하는 전지셀의 전극표면에 형성되어 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층의 균일성을 떨어드리는 것을 배제하기 위하여 전지셀의 수납한 후 초기 충전을 실시하는 활성화 트레이에 형성된 버퍼 플레이트를 이용하여 전극계면에 형성된 활성가스를 전지셀 가스 가스포켓으로 활성가스를 이동시키는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법 기술은 제시된 바가 없다.
일본 등록특허공보 제5487743호(2014.03.07) 일본 특허공개공보 제2000-188135호(2000.07.04) 일본 특허공개공보 제2001-210372호(2001.08.03) 한국 등록특허공보 제10-1481860호(2015.01.14)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 리튬 이차전지는 전지셀을 조립하는 조립 공정 이후 초기 충전 공정을 통해 전지의 성능을 확보할 때, 전지셀 내부의 전극 및 분리막 계면에 위치한 활성가스를 배제하기 위한 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 전지셀의 초기 충전을 실시하기 위한 활성화 트레이에 거치된 전지셀 사이의 공간을 채울수 있는 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법을 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
또한, 초기 충전으로 생성된 활성 가스가 전지셀의 가스트랩으로 인한 불균일성을 제어 할 수 있어, 균일한 계면반응이 가능해져 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층 형성이 가능하게 하여 제품의 품질 균일성을 향상시킬 수 있는 균일한 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층을 형성하기 위한 버퍼 플레이트 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내부 공간에 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해질을 포함하는 전지셀의 초기 충전시 발생하는 가스를 전극과 분리막 사이 계면에서 배제하기 위한 활성화 트레이용 버퍼 플레이트를 제공한다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 전지셀의 전극 계면에서 발생된 가스를 상기 전지셀의 가스포켓으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 활성화 트레이에 형성된 전지셀 가스포켓에 삽입 거치된 상기 전지셀의 한면 또는 양면에 접하면서 삽입할 수 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 커버부 및 복수의 삽입 플레이트로 구성할 수 있다.
또한, 상기 커버부는 가스포켓으로 이동된 가스를 배출하기 위한 복수의 배출 슬롯을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 삽입 플레이트의 수평단면은 직사각형 형태일 수 있다.
또한, 상기 삽입 플레이트의 수직단면은 직사각형 형태일 수 있다.
또한, 상기 활성화 트레이용 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이일 수 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 전자기기일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 전기 자동차일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 하이브리드 자동차일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 전력저장장치일 수 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 전지셀 케이스에 삽입하여 전지셀을 제조하는 제1단계; 상기 전지셀 케이스에 전해액을 주입하고 밀봉하는 제2단계; 상기 전지셀을 포메이션(formation)하는 제3단계; 상기 포메이션 된 전지셀을 에이징(aging)하는 제4단계; 및 상기 에이징 된 전지셀을 수용하는 전지셀 케이스 내의 가스를 제거하여 디개싱(degassing)하는 제5단계를 포함하며, 상기 제3단계는 상기 전지셀의 초기 충전시 발생하는 가스가 전극과 분리막 사이 계면에 위치하는 것을 배제하기 위한 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.일 수 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 전지의 전극과 분리막 사이 계면에서 발생된 가스를 상기 전지의 가스포켓으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 제3단계는 상기 활성화 트레이에 형성된 전지 가스포켓에 삽입 거치된 상기 전지과 전지 가스포켓의 한면 또는 양면에 접하면서 상기 버퍼 플레이트가 삽입될 수 있다.
본 발명에 따른 균일한 SEI 층형성을 위한 버퍼 플레이트 및 이를 이용한 전지 제조방법 에 의하면, 초기 충전시 발생하는 활성가스를 파우치된 전지셀 밖으로 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전지셀의 가스 가스포켓으로 활성화 가스가 이동할 수 있어, 초기 충전중 발생하는 활성화 가스가 전극 계면에 위치하지 못하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 가스 트랩으로 인한 불균일성을 제어할 수 있어, 균일한 계면반응이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 균일한 SEI 층이 형성된 전지셀 제조가 가능해 상기 전지셀을 이용한 제품의 품질 균일성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 충전간 팽창하는 셀로 인해 가압하는 효과를 나타내며 이로 인해 충전동안 발생하는 활성가스가 전지셀의 전극 계면에서 상기 전지셀의 가스포켓으로 이동시킬 수 있다.
도 1은 종래 활성화 트레이에 초기 충전전 거치된 전지셀을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 활성화 트레이에 초기 충전후 거치된 전지셀을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트가 결합된 활성화 트레이를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트 및 삽입 플레이트의 수직단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 커버부 및 삽입 플레이트의 수평단면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초기 충전전 버퍼 플레이트 내부에 전지셀이 삽입을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초기 충전후 버퍼 플레이트 내부에 전지셀이 삽입을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 적용 하지 않은 활성화 트레이에 삽입된 전지셀을 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 적용 하지 않은 활성화 트레이를 이용한 초기 충전후 전지셀 계면형태를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 적용한 활성화 트레이를 이용한 초기 충전후 전지셀 계면형태를 나타낸 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 종래 활성화 트레이에 초기 충전전 거치된 전지셀을 나타낸 도면이다.
일반적으로 리튬 이차 전지를 제조함에 있어서, 먼저 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 물질을 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극판과 음극판을 제조하고, 이를 세퍼레이터의 양측에 적층함으로써 소정 형상의 전지셀을 형성한 다음에, 이 전지셀을 전지 케이스에 삽입하고 전해액 주입 후 밀봉함으로써 전지 팩을 완성하는 과정을 취한다.
그러나 리튬 이차 전지는 조립된 후 전지 성능 특히 수명의 안정성을 확보하기 위해서는, 제품 출하 전에 반드시 포메이션과 에이징이라는 두 가지 공정을 거쳐야만 한다. 상기 포메이션 공정은 전지 조립후에 충전과 방전을 되풀이하여 전지를 활성화하는 것이다. 이 공정에서, 충전시 양극으로 사용되는 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 사용되는 카본전극으로 이동하며 삽입되는데, 이때 리튬은 반응성이 강하므로 카본 음극에서 반응하여 Li2CO₃3, LiO, LiOH 등의 화합물을 만들어내고, 이것들은 탄소 음극의 표면에 피막을 형성한다. 이러한 필름을 SEI(Solid Electrolyte Interface) 층라고 한다. 이 SEI 층은 부도체로서, 일단 형성되면 이후 충전시 카본 음극에서 리튬 이온과 다른 물질이 반응을 막아주는 기능을 수행한다. 또 상기 SEI층은 일종의 이온 터널로서 기능하여, 리튬 이온만을 통과시키는 기능을 수행한다. 이와 같은 이온 터널 효과에 의하여, 리튬 이온을 용해하여 함께 이동하는 분자량이 큰 유기 용매들이 카본 음극에 함께 삽입되어 카본 음극의 구조를 붕괴시키는 것이 방지된다. 즉 일단 상기 SEI층이 형성되고 나면, 리튬 이온은 카본 음극이나 다른 물질과 부반응을 하지 않으므로, 리튬 이온의 양을 가역적으로 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유기 용매들이 리튬 이온과 함께 삽입되어 카본 음극의 구조가 붕괴되는 것을 막아줌으로써, 리튬 이차 전지의 충방전이 가역적으로 유지되어 전지 수명이 향상된다.
대부분의 SEI 층의 형성은 바로 상기 포메이션 공정의 초기 충전시에 이루어진다. 포메이션 공정에서 첫 번째 충전 곡선을 보면 3.4~3.7V 정도에서 전위의 평탄 곡선을 확인할 수 있는데, 바로 이 부분이 리튬 이온이 카본 음극쪽으로 삽입되면서 카본 음극과 만나서 만들어내는 SEI층이 생성되는 구간이다. 또한 초기 충전시의 전지의 용량과 초기 방전의 전지 용량을 비교해 보면, 충전시에 비해 방전시에 10%-30% 정도의 용량 감소를 확인할 수 있다. 이러한 용량 감소가 바로 SEI 층이 생성되며 소비된 용량이 된다.
이와 같이 리튬 이차 전지에서 SEI층의 역할은 중요한 것이며, 이것을 형성시키는 포메이선 공정은 전지의 수명을 결정하는 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 포메이션을 통해 SEI층이 형성되었다고 해서, 반드시 좋은 수명을 가진 전지가 되는 것은 아니다. SEI 필름이 균일하고 안정되게 형성되지 않고 카본 음극 표면에 거칠게 형성되었다면, 실제 전지 사용상에 리튬 이온이 충방전을 거듭하면서 계속 SEI층을 형성하게 될 것이고, 그 결과 지속적으로 많은 양의 용량이 감소되고, 이에 따라 사용 가능한 리튬 이온의 양도 줄어들게 되어 전지의 수명이 단축된다. 따라서 SEI 층울 균일하고 안정되게 형성되도록 포메이션 공정의 조건을 설정하여야 할 것이다. 이를 위하여 포메이션시에 저전류를 사용함으로써 리튬 이온이 안정되게 카본 음극에 도달하도록 하는 방법과, 포메이션 공정의 횟수를 늘리는 방법을 생각해 볼 수 있다. 그러나 상기 두 가지 방법은 모두 비용과 생산성이라는 측면에서 불리하다.
리튬 이차전지는 전지셀을 조립하는 조립공정 이후 초기 충전공정을 통해 제품형태의 전지 성능을 가지게 된다. 이러한 포메이션을 위한 초기 충전시 파우치 전지셀의 경우, 도 1의 활성화 트레이의 전지셀 가스포켓에 파우치형 전지셀을 삽입후 초기 충전을 진행하게 된다. 초기 충전 동안 전해액은 전극과의 전기화학적 반응으로 인하여 분해되고, 가스 형태로 변하여 전극과 분리막 사이의 계면에 위치하게 된다.
이러한 활성 가스는 전극과 분리막 계면에 위치하여 트랩되어 해당 위치에서는 충전이 진행되지 않고 이러한 일정하지 않은 충전 환경으로 인해 전극 계면의 불균일성이 초래되게 된다. 따라서 이러한 계면 반응의 불균일성은 SEI층의 균일성을 떨어트려 제품화된 전지의 품질에도 직접적인 영향을 미친다.
도 2는 종래 활성화 트레이에 초기 충전후 거치된 전지셀을 나타낸 도면이다.
도 1에서 확인된 활성화 트레이 파우치형 전지셀이 삽입된 후, 초기 충전이 진행되게 되면 발생된 활성 가스가 도 2와 같이 파우치의 전극과 분리막 계면에 분포하게 된다. 이러한 초기 충전에 의한 균일한 SEI 형성을 위한 포메이션 공정의 개선을 필요하게 되었다.
충전 및 방전 장비에 투입하기 위해 활성화 트레이에 전지셀을 전지셀 가스포켓에 거치하는 경우, 전지셀과 전지셀 사이의 공간이 어느 정도의 공간을 가지고 위치하게 된다. 초기 충전 이후 발생한 활성화 가스는 가스 가스포켓으로 이동하기 보다 파우치에 의해 폴딩된 전지셀 사이에 트랩되어 전지셀의 컵면이 도 2와 같이 부풀어 오르게 된다. 이러한 초기 충전 이후 활성화 가스의 트랩으로 전극 계면이 불균일하게 반응이 일어남으로써 SEI층 형성의 균일성도 떨어지게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트가 결합된 활성화 트레이를 나타낸 도면이다.
충전 및 방전 투레이에 거치된 전지셀 사이의 공간을 채울 수 있는 플레이트 도입하여 초기 충전 중 발생하는 활성 가스를 전극과 분리막 계면에서 배제하고자 한다. 이렇게 발생된 가스가 파우치에 의해 폴딩 된 전지셀의 외부로 밀려 날 수 있도록 도 3과 같은 버퍼 플레이트를 적용하고자 한다. 버퍼 플레이트는 배출슬롯을 포함하는 커버 및 삽입 플레이트를 포함할 수 있다. 다만, 초기 충전 과정 중 발생하는 가스를 파우치에 의해 폴딩 된 전지셀의 외부로 이동 시킬 수 있다면 그 형태에 제한되지 않음은 자명하다. 도 3의 버퍼 플레이트는 머리빗의 형태로 기존 활성화 트레이의 전지셀 가스포켓을 감싸는 형태로 구성된다.
내부 공간에 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해질을 포함하는 전지셀의 초기 충전시 발생하는 가스를 전극과 분리막 사이 계면에서 배제하기 위한 활성화 트레이용 버퍼 플레이트를 제공한다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 전지셀의 전극 계면에서 발생된 가스를 상기 전지셀의 가스포켓으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 활성화 트레이에 형성된 전지셀 가스포켓에 삽입 거치된 상기 전지셀과 전지셀 가스포켓의 한면 또는 양면에 접하면서 삽입할 수 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 커버부 및 복수의 삽입 플레이트로 구성할 수 있다.
상기 버퍼 플레이트에 형성된 커버부는 초기 충전을 위해 활성화 트레이에 전지셀을 삽입 후 결합되는 버퍼 플레이트를 상부를 형성한다.
상기 버퍼 플레이트 커버부에 형성된 가스 배출슬롯은 초기 충전시 생성된 전지셀의 가스를 배출하기 위한 용도이다.
상기 버퍼 플레이트가 상기 활성화 트레이가 결합된 상태에서 상기 전지셀에서 생성된 가스를 배출하기 위하여 형성된 것이며, 상기 슬롯을 통하여 상기 전지셀의 가스포켓에 모인 가스를 용이하게 배출할 수 있다.
또한, 상기 커버부는 가스포켓으로 이동된 가스를 배출하기 위한 복수의 배출 슬롯을 추가로 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트 및 삽입 플레이트의 수직단면을 나타낸 도면이다.
또한, 상기 삽입 플레이트의 수평단면은 직사각형 형태일 수 있다.
상기 삽입 플레이트의 수평단면은 직사각형, 요철형, 상기 수평단면의 중심에서 양 끝단으로 오목한 형태 또는 볼록한 형태로 형성될 수 있다.
상기 수평단면의 요철형은 직사각형, 반구형, 삼각형, 물결무늬 형태 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
상기 삽입 플레이트의 수평단면의 형태에 따라 활성화 트레이에 거치된 전지 셀에 삽입이 용이할 수 있으며, 전극 표면에서 생성된 가스를 전지 셀의 가스포켓부로 용이하게 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 삽입 플레이트의 수직단면은 직사각형 형태일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 커버부 및 삽입 플레이트의 수평단면을 나타낸 도면이다.
상기 삽입 플레이트의 수직단면은 직사각형, 요철형, 상기 수직단면의 중심에서 하단부로 두께가 넓어지는 마름모 형태로 형성될 수 있다.
상기 수평단면의 요철형은 직사각형, 반구형, 삼각형, 물결무늬 형태 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
상기 삽입 플레이트의 수직단면의 형태에 따라 활성화 트레이에 거치된 전지 셀에 삽입이 용이할 수 있으며, 전극 표면에서 생성된 가스를 전지 셀의 가스포켓부로 용이하게 이동시킬 수 있다.
활성화 트레이의 셀과 셀 사이 공간을 채울 수 있는 두께 및 형태를 가진 플레이트를 거치함으로 써 상기 생성된 가스의 전극 계면 위치를 배제할 수 있으며 해당 플레이트는 상단 혹은 하단에 연결되어 활성화 트레이의 상단 혹은 하단 방향으로 투입이 가능할 수 있다. 전지셀 사이 공간이 없게되고 활성화 가스는 가스 가스포켓으로 이동하게 되어 전극 계면으로 가스 트랩이 없어 균일한 반응이 가능하여 SEI층이 균일하게 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초기 충전전 버퍼 플레이트 내부에 전지셀이 삽입을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초기 충전후 버퍼 플레이트 내부에 전지셀이 삽입을 나타낸 도면이다.
또한, 상기 활성화 트레이용 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이일 수 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 전자기기일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 전기 자동차일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 하이브리드 자동차일 수 있다.
또한, 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리팩이 적용된 전력저장장치일 수 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 전지셀 케이스에 삽입하여 전지셀을 제조하는 제1단계; 상기 전지셀 케이스에 전해액을 주입하고 밀봉하는 제2단계; 상기 전지셀을 포메이션(formation)하는 제3단계; 상기 포메이션 된 전지셀을 에이징(aging)하는 제4단계; 및 상기 에이징 된 전지셀을 수용하는 전지셀 케이스 내의 가스를 제거하여 디개싱(degassing)하는 제5단계를 포함하며, 상기 제3단계는 상기 전지셀의 초기 충전시 발생하는 가스가 전극과 분리막 사이 계면에 위치하는 것을 배제하기 위한 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.일 수 있다.
또한, 상기 버퍼 플레이트는 전지의 전극과 분리막 사이 계면에서 발생된 가스를 상기 전지의 가스포켓으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 제3단계는 상기 활성화 트레이에 형성된 전지 가스포켓에 삽입 거치된 상기 전지과 전지 가스포켓의 한면 또는 양면에 접하면서 상기 버퍼 플레이트가 삽입될 수 있다.
(실시예)
버퍼 플레이트를 적용 했을 때의 SEI층의 균일성을 확인하기 위한 실험을 진행하였다.
실험에 사용된 전지는 약 300cm2 면적의 자동차용 전지로 상기 묘사된 양극과 음극 분리막으로 구성된 전지이다. 해당 전지는 가압 여부에 관계없이 6A의 전류로 3시간 동안 충전하였다. 1차 초기 충전 후 두 전지 모두 동일한 후공정을 진행하였고 활성가스를 제거하는 디개싱 공정 이후 충전 여부 확인을 위하여 100% 충전하여 분해한 결과이다. 활성가스의 존재로 인한 미충전 영역은 검정색으로 표시되고 충전이 진행된 영역은 금색으로 표시되어 균일성의 구별이 가능하였다.
상기 실험 후 전지셀의 계면을 살펴보면 도 9 및 도 10과 같다. 버퍼 플레이트의 사용으로 인해 활성화 가스가 전극 조립체 사이에 위치하지 않고 가스가스포켓으로 밀려나 깨끗한 전극계면을 확인할 수 있었다.
도 9는 활성화 가스가 전극조립체 안에 위치해 있어 불균일한 계면이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 도 10은 버퍼 플레이트를 적용한 상태로 활성화 트레이를 이용하여 초기 충전을 실시한 전지셀의 전극 조립체 안의 활성화 가스가 가스가스포켓으로 이동해 균일한 계면이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 적용 하지 않은 활성화 트레이에 삽입된 전지셀을 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 적용 하지 않은 활성화 트레이를 이용한 초기 충전후 전지셀 계면형태를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 버퍼 플레이트의 적용한 활성화 트레이를 이용한 초기 충전후 전지셀 계면형태를 나타낸 사진이다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에 서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
100 : 전지셀
110 : 전극조립체
120 : 파우치
130 : 가스가스포켓
200 : 활성화 트레이
210 : 전지셀 가스포켓
220 : 활성화 트레이 케이스
230 : 활성화 트레이 커버
300 : 버퍼 플레이트
310 : 커버
311 : 배출슬롯
320 : 삽입 플레이트

Claims (16)

  1. 내부 공간에 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해질을 포함하는 전지셀의 초기 충전시 발생하는 가스를 전극과 분리막 사이 계면에서 배제하기 위한 커버부 및 복수의 삽입 플레이트로 구성된 것을 특징으로 하는 활성화 트레이용 버퍼 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼 플레이트는 전지셀의 전극 계면에서 발생된 가스를 상기 전지셀의 가스포켓으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 활성화 트레이용 버퍼 플레이트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성화 트레이에 형성된 전지셀 가스포켓에 삽입 거치된 상기 전지셀과 전지셀 가스포켓의 한면 또는 양면에 접하면서 삽입되는 것을 특징으로 하는 활성화 트레이용 버퍼 플레이트.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커버부는 가스포켓으로 이동된 가스를 배출하기 위한 복수의 배출 슬롯을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화 트레이용 버퍼 플레이트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 삽입 플레이트의 수평단면은 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 활성화 트레이용 버퍼 플레이트.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 삽입 플레이트의 수직단면은 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 활성화 트레이용 버퍼 플레이트.
  8. 상기 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른,
    상기 활성화 트레이용 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 전지셀 케이스에 삽입하여 전지셀을 제조하는 제1단계;
    상기 전지셀 케이스에 전해액을 주입하고 밀봉하는 제2단계;
    상기 전지셀을 포메이션(formation)하는 제3단계;
    상기 포메이션 된 전지셀을 에이징(aging)하는 제4단계; 및
    상기 에이징 된 전지셀을 수용하는 전지셀 케이스 내의 가스를 제거하여 디개싱(degassing)하는 제5단계를 포함하며,
    상기 제3단계는 상기 전지셀의 초기 충전시 발생하는 가스가 전극과 분리막 사이 계면에 위치하는 것을 배제하기 위한 커버부 및 복수의 삽입 플레이트로 구성된 것을 특징으로 하는 버퍼 플레이트를 포함하는 활성화 트레이에서 초기 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 버퍼 플레이트는 전지의 전극과 분리막 사이 계면에서 발생된 가스를 상기 전지의 가스포켓으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제3단계는 상기 활성화 트레이에 형성된 전지 가스포켓에 삽입 거치된 상기 전지과 전지 가스포켓의 한면 또는 양면에 접하면서 상기 버퍼 플레이트가 삽입되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
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