KR102299967B1 - 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지가 장착된 트레이에 히팅부를 구성하여 히팅부로부터 발생되는 열이 진공호퍼 프리챠져의 내부에서 순환되어 이차 전지 전체에 열이 전달되도록 함으로써 이차 전지 내부의 전해액의 활성도가 좋아지고, 이에 따라 잔류 가스 및 불순물이 많이 배출되어 이차 전지의 순도가 높아지도록 하는 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이를 제공한다. 특히, 진공호퍼 프리챠져 내에서 이차 전지에 전해액이 완충되도록 함으로써 종래의 진공호퍼 프리챠져 내에서 60% 내지 70% 충전 후 타공정에서 나머지 충전량을 충전하여 완충되도록 하는 구성에 비해 생산성이 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이{Heating tray for vacuum hopper free collection}
본 발명은 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 이차 전지가 장착된 트레이에 히팅부를 구성하여 히팅부로부터 발생되는 열이 진공호퍼 프리챠져의 내부에서 순환되어 이차 전지 전체에 열이 전달되도록 함으로써 이차 전지 내부의 전해액의 활성도가 좋아지고, 이에 따라 잔류 가스 및 불순물이 많이 배출되어 이차 전지의 순도가 높아지도록 하는 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 25V ~ 45V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 배터리 셀은 최근 들어 리튬 폴리머 전지로서, 파우치형 이차 전지를 많이 사용하고 있는 추세이다. 파우치형 이차 전지는 단위 중량 및 체적 당 높은 에너지 밀도를 가지며, 배터리 셀의 박형화 및 경량화가 용이하기에, 최근 들어 많이 이용되고 있다.
종래 이러한 파우치형 이차 전지로서의 배터리 셀의 제조 방법을 살펴 보면 하기와 같다.
먼저, 양극판 및 음극판을 제조하고, 이들 사이에 세퍼레이터를 개재한 후 적층하여 전극 조립체를 제작한다. 이후, 상기와 같이 제작된 전극 조립체에서 가소제(DBP)를 추출하고, 상기 전극 조립체의 전극 리드에 전극 탭을 용접하여 파우치 케이스 내부에 내장하게 된다. 이렇게 파우치 케이스에 전극 조립체를 내장한 후에는 파우치 케이스의 내부로 전해액을 주입시켜 전극 조립체에 전해액이 함침되도록 한다. 상기와 같이 전해액이 주입되면, 파우치 케이스의 가장자리를 열융착에 의해 접합시켜 파우치 케이스를 밀봉하게 된다. 이후, 상기와 같이 조립이 완료된 배터리 셀을 안정화시키기 위해 에이징(Aging) 공정을 거친 후, 배터리 셀을 활성화하기 위한 충방전 공정을 실시하게 된다. 그러나 충방전 공정 시, SEI 레이어(layer) 형성에 따른 전해액 및 첨가제의 비가역 반응이 발생하고, 이때 가스가 발생한다. 파우치 케이스 내부에 있는 가스는 제거가 필요하며, 가스를 제거하지 않을 경우 배터리 셀의 불량을 유발하게 된다. 따라서, 파우치 케이스 내부의 가스를 제거하기 위해 배터리 셀의 가스제거 장치를 이용하여 가스제거 공정이 행해진다.
상술한 배터리 셀의 가스제거 장치 즉, 진공호퍼 프리챠져와 관련된 선행특허로는 특허문헌 1의 이차 전지의 가스 제거 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 베이스(100)의 상부에 설치된 챔버(200)로 구비되며, 이 챔버(200)는 상하로 승강운동을 하는 상부 챔버(210)와 상기 베이스(100)의 상면에 고정 다리(110)에 의해 설치된 하부 챔버(220)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 특허문헌 2의 배터리 셀 디가싱 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 가스 포켓부(59)가 구비되는 배터리 셀을 디가싱하기 위한 배터리 셀 디가싱 장치에 있어서, 상기 배터리 셀이 분리 가능하게 안착되는 챔버 커버(100); 상기 챔버 커버(100)의 수평 방향에 따른 슬라이딩에 따라 상기 챔버 커버(100)와 결합되며, 상기 배터리 셀을 진공 분위기 하에서 수용 가능한 진공 챔버(200); 상기 진공 챔버(200)에 구비되며, 상기 가스 포켓부(59)의 일부를 피어싱하는 피어싱 유닛(300); 및 상기 피어싱 유닛(300)과 이격되게 상기 진공 챔버(200)에 구비되며, 상기 배터리 셀의 상측면 및 하측면을 평탄화시키면서 상기 배터리 셀 내부의 가스를 상기 배터리 셀 외부로 배출시키는 가압 유닛(400);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 상기의 종래기술들은 이차 전지, 배터리 셀 내부의 가스를 제거하기 위해 챔버를 진공상태로 하여 이차 전지, 배터리 셀 내부의 가스를 제거하기 때문에 챔버를 진공상태로 만들기 위한 시간과 가스를 제거 후 공기를 주입하여 챔버 내부의 진공상태를 해제하는 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 도 3에서 보는 바와 같이 지면에 안치되고, 내부공간(21)을 갖는 베이스 프레임(20)과; 상기 베이스 프레임(20)의 내부공간(21)의 상부에 설치되고, 이차 전지(100) 내부의 가스를 제거하기 위한 가스제거부(30)와; 상기 베이스 프레임(20)의 내부공간(21)에서 상기 가스제거부(30)와 대응되는 위치의 하부에 설치되고, 상부에 상기 이차 전지(100)가 안치되며, 상기 이차 전지(100)를 상하로 이동시키기 위한 승강부(40)와; 상기 가스제거부(30)와 승강부(40)를 제어하기 위한 제어부(50)를 포함하는 진공호퍼 프리챠져를 출원 후 등록받은 바 있다.
한편, 본 발명자에 의해 등록받은 진공호퍼 프리챠져는 이차 전지의 전해액 및 전해액에 포함된 가스를 진공호퍼를 통해 흡입하여 전해액에 포함된 가스는 외부로 배출되고, 전해액은 진공호퍼의 진공노즐에 저장 후 이차 전지 내부로 공급함으로써 이차 전지의 불량을 줄이고, 수명을 늘릴 수 있도록 하는 효과는 있지만, 트레이에 의해 공급되는 이차 전지에 충전되는 전해액은 진공호퍼 프리챠져 내에서 완충되지 못하고, 60% 내지 70% 충전 후 타공정에서 재충전되는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위해 진공호퍼 프리챠져 내에서 전해액을 완충할 수 있도록 하는 기술을 개발하게 되었다.
특허문헌 1 : 국내등록특허공보 제10-0433836호(2004년 05월 20일 등록) 이차 전지의 가스 제거 장치 특허문헌 2 : 국내공개특허공보 제10-2018-0062835호(2018년 06월 11일 공개) 배터리 셀 디가싱 장치 공개 특허문헌 3 : 국내등록특허공보 제10-1957503호(2019년 03월 06일 등록) 진공호퍼 프리챠져
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 이차 전지가 장착된 트레이에 히팅부를 구성하여 히팅부로부터 발생되는 열이 진공호퍼 프리챠져의 내부에서 순환되어 이차 전지 전체에 열이 전달되도록 함으로써 이차 전지 내부의 전해액의 활성도가 좋아지고, 이에 따라 잔류 가스 및 불순물이 많이 배출되어 이차 전지의 순도가 높아지도록 하는 새로운 형태의 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
특히, 진공호퍼 프리챠져 내에서 이차 전지에 전해액이 완충되도록 함으로써 종래의 진공호퍼 프리챠져 내에서 60% 내지 70% 충전 후 타공정에서 나머지 충전량을 충전하여 완충되도록 하는 구성에 비해 생산성이 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 트레이(10)에 장착된 이차 전지의 전해액 및 전해액에 포함된 가스를 외부로 배출하고, 전해액은 이차 전지 내부로 공급하도록 하는 진공호퍼 프리챠져(100)에 있어서, 상기 트레이(10)는 틀 형상으로 이루어지는 베이스 프레임(20)과; 상기 베이스 프레임(20)의 상부에 결합되는 상부판(30)과; 상기 상부판(30)의 상부에 결합되는 히팅부(40)와; 상기 히팅부(40)의 상부에 위치되고, 상기 이차 전지가 삽입 장착되는 복수개의 장착홈(51)을 갖는 장착부(50)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에서 상기 히팅부(40)는 상기 상부판(30)에 고정되는 고정프레임(41)과; 상기 고정프레임(41)의 상부에 위치되고, 열을 발생시키기 위한 히팅판(42)과; 상기 고정프레임(41)과 히팅판(42) 사이에 위치되고, 상기 히팅판(42)으로부터 발생되는 열이 하측으로 나가지 않도록 하기 위한 단열판(43)과; 내부에 상기 히팅판(42)과 단열판(43)이 내부에 위치되도록 하고, 하부가 상기 고정프레임(41)에 고정되는 덮개(44)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에서 상기 히팅부(40)는 상기 히팅판(42)으로부터 발생되는 열의 온도를 검출하고 제어하기 위한 검출센서(45)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에서 상기 베이스 프레임(20)은 내부에 상기 히팅부(40)와 연결된 케이블이 위치되는 케이블 덕트(21)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에 의하면, 이차 전지가 장착된 트레이에 히팅부를 구성하여 히팅부로부터 발생되는 열이 진공호퍼 프리챠져의 내부에서 순환되어 이차 전지 전체에 열이 전달되도록 함으로써 이차 전지 내부의 전해액의 활성도가 좋아지고, 이에 따라 잔류 가스 및 불순물이 많이 배출되어 이차 전지의 순도가 높아지도록 하는 효과가 있다.
특히, 진공호퍼 프리챠져 내에서 이차 전지에 전해액이 완충되도록 함으로써 종래의 진공호퍼 프리챠져 내에서 60% 내지 70% 충전 후 타공정에서 나머지 충전량을 충전하여 완충되도록 하는 구성에 비해 생산성이 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명자에 의해 등록받은 진공호퍼 프리챠져의 정면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져의 정면도,
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이의 사시도,
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이의 저면사시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이의 분리사시도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에서 히팅부를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하며, 도 4 내지 도 7에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
도 4 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이(10)는 진공호퍼 프리챠져(100)에 투입되어 이차 전지의 가스를 배출 후 전해액이 충전되도록 하는 것으로, 진공호퍼 프리챠져(100)는 지면에 안치되고, 내부공간(210)을 갖는 베이스 프레임(200)과, 베이스 프레임(200)의 내부공간(210)의 상부에 설치되고, 이차 전지 내부의 가스를 제거하기 위한 가스제거부(300)와, 베이스 프레임(200)의 내부공간(210)에서 가스제거부(300)와 대응되는 위치의 하부에 설치되고, 상부에 이차 전지가 안치되며, 이차 전지를 상하로 이동시키기 위한 승강부(400)와, 가스제거부(300)와 승강부(400)를 제어하기 위한 제어부(500)를 포함하여 이루어진다.
한편, 상술한 진공호퍼 프리챠져(100)의 구성은 본 발명자에 의해 등록받은 진공호퍼 프리챠져(100)인 것으로, 상세한 설명은 생략하고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이(10)에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이(10)는 틀 형상으로 이루어지는 베이스 프레임(20)과, 베이스 프레임(20)의 상부에 결합되는 상부판(30)과, 상부판(30)의 상부에 결합되는 히팅부(40)와, 히팅부(40)의 상부에 위치되고, 이차 전지가 삽입 장착되는 복수개의 장착홈(51)을 갖는 장착부(50)를 포함하여 이루어진다.
베이스 프레임(20)은 내부공간(22)을 갖는 사각틀 형상으로 이루어지고, 일측에 진공호퍼 프리챠져(100)의 제어부(500)와 접속되도록 커넥트(23)가 형성되어 진다. 그리고, 내부공간(22)에는 후술하는 히팅부(40)와 커넥트(23)를 연결하는 케이블이 위치되도록 케이블 덕트(21)가 형성되고, 케이블 덕트(21)의 하부에 케이블이 외부로 이탈하지 않도록 하기 위한 덕트 덮개(24)가 형성되어 진다.
한편, 케이블 덕트(21)는 복수개의 판(25)이 베이스 프레임(20)의 내부공간(22) 상에서 이격되어 공간(26)을 형성하고, 이 공간(26) 상에 케이블이 위치되어 진다. 이때, 복수개의 판(25)은 중량을 가볍게 하기 위해 복수개의 홀(27)이 형성되어 진다.
상부판(30)은 베이스 프레임(20)의 상부에 결합되는 것으로, 내측에 하나 이상의 홀(31)이 형성되어 진다. 여기서, 하나 이상의 홀(31)은 후술하는 히팅부(40)의 갯수와 대응되는 것으로, 본 발명에서는 히팅부(40)를 4개로 구성하였으므로, 상부판에 형성되는 홀(31)은 4개로 구성된다.
히팅부(40)는 상부판(30)의 상부에 결합되고, 열을 발생시키기 위한 것으로, 상부판(30)에 고정되는 고정프레임(41)과, 고정프레임(41)의 상부에 위치되고, 열을 발생시키기 위한 히팅판(42)과, 고정프레임(41)과 히팅판(42) 사이에 위치되고, 히팅판(42)으로부터 발생되는 열이 하측으로 나가지 않도록 하기 위한 단열판(43)과, 내부에 히팅판(42)과 단열판(43)이 내부에 위치되도록 하고, 하부가 고정프레임(41)에 고정되는 덮개(44)를 포함하여 이루어진다. 이때, 고정프레임(41)은 중량을 가볍게 하기 위해 복수개의 홀(46)이 형성되어 진다.
한편, 히팅부는(40)는 히팅판(42)으로부터 발생되는 열의 온도를 검출하기 위한 검출센서(45)를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 검출센서(45)를 히팅판(42)과 연결되어 히팅판(42)의 온도를 검출하도록 구성하였지만, 이는 일 실시예일뿐 고정프레임(41)의 하부에 고정되어 히팅판(42)의 온도를 검출할 수 있을 것이다.
이와 같이 검출센서(45)에 의해 검출된 온도는 진공호퍼 프리챠져(100)의 제어부로 전달되고, 제어부(500)는 검출센서(45)로부터 검출되는 온도가 설정된 온도를 유지할 수 있도록 히팅판(42)의 온도를 제어하도록 한다.
장착부(50)는 이차 전지가 장착되는 것으로, 이차 전지가 장착되는 장착홈(51)이 복수개로 형성된다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 히팅트레이(10)가 투입되는 진공호퍼 프리챠져(100)의 동작을 살펴보면, 이차 전지가 장착된 히팅트레이(10)는 진공호퍼 프리챠져(100)의 승강부(400) 상측에서 정해진 위치로 투입된다. 이후, 히팅트레이(10)의 커넥트(23)와 제어부(500)를 케이블을 통해 연결하고, 히팅부(40)는 제어부(500)로부터 설정된 온도로 열을 발생시키게 된다. 이때, 히팅부(40)는 진공호퍼 프리챠져(100)로 투입되기 전 별도의 공간(장소)에서 미리 설정된 온도로 유지되고 있다가 진공호퍼 프리챠져(100)의 승강부(400)의 상측에서 정해진 위치로 투입된다. 이후, 진공호퍼 프리챠져(100)의 사이드팬 및 센터팬이 가동하게 되고, 히팅트레이(10)에서 발생하는 열은 사이드팬 및 센터팬이 가동으로 내부에서 순환하여 이차 전지에 전달되어 진다.
이상과 같이 본 발명에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이에 의하면, 이차 전지가 장착된 트레이에 히팅부를 구성하여 히팅부로부터 발생되는 열이 진공호퍼 프리챠져의 내부에서 순환되어 이차 전지 전체에 열이 전달되도록 함으로써 이차 전지 내부의 전해액의 활성도가 좋아지고, 이에 따라 잔류 가스 및 불순물이 많이 배출되어 이차 전지의 순도가 높아지도록 하는 효과가 있다.
특히, 진공호퍼 프리챠져 내에서 이차 전지에 전해액이 완충되도록 함으로써 종래의 진공호퍼 프리챠져 내에서 60% 내지 70% 충전 후 타공정에서 나머지 충전량을 충전하여 완충되도록 하는 구성에 비해 생산성이 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
10 : 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이
20 : 베이스 프레임 21 : 케이블 덕트
30 : 상부판 40 : 히팅부
41 : 고정프레임 42 : 히팅판
43 : 단열판 44 : 덮개
45 : 검출센서 50 : 장착부
51 : 장착홈

Claims (4)

  1. 트레이(10)에 장착된 이차 전지의 전해액 및 전해액에 포함된 가스를 외부로 배출하고, 전해액은 이차 전지 내부로 공급하도록 하는 진공호퍼 프리챠져(100)에 있어서,
    상기 트레이(10)는 내부공간(22)을 갖는 사각틀 형상으로 이루어지고, 일측에 진공호퍼 프리챠져(100)의 제어부(500)와 접속되도록 형성되는 커넥트(23)를 가지며, 상기 내부공간(22) 상에 홀(27)이 형성된 복수개의 판(25)이 이격되어 내부에 케이블이 위치되도록 공간(26)을 형성하는 케이블 덕트(21)를 갖고, 상기 케이블 덕트(21)의 하부에 케이블이 외부로 이탈하지 않도록 하기 위한 덕트 덮개(24)를 갖는 베이스 프레임(20)과;
    상기 베이스 프레임(20)의 상부에 결합되고, 내측에 하나 이상의 홀(31)이 형성되는 상부판(30)과;
    상기 상부판(30)에 고정되는 고정프레임(41)을 갖고, 상기 고정프레임(41)의 상부에 위치되고, 열을 발생시키기 위한 히팅판(42)을 가지며, 상기 고정프레임(41)과 히팅판(42) 사이에 위치되고, 상기 히팅판(42)으로부터 발생되는 열이 하측으로 나가지 않도록 하기 위한 단열판(43)을 갖고, 내부에 상기 히팅판(42)과 단열판(43)이 내부에 위치되도록 하고, 하부가 상기 고정프레임(41)에 고정되는 덮개(44)를 가지며, 상기 히팅판(42)으로부터 발생되는 열의 온도를 검출하고 제어하기 위한 검출센서(45)를 갖는 히팅부(40)와;
    상기 히팅부(40)의 상부에 위치되고, 상기 이차 전지가 삽입 장착되는 복수개의 장착홈(51)을 갖는 장착부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공호퍼 프리챠져용 히팅트레이.
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