KR102439773B1 - 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법 - Google Patents

이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102439773B1
KR102439773B1 KR1020170176406A KR20170176406A KR102439773B1 KR 102439773 B1 KR102439773 B1 KR 102439773B1 KR 1020170176406 A KR1020170176406 A KR 1020170176406A KR 20170176406 A KR20170176406 A KR 20170176406A KR 102439773 B1 KR102439773 B1 KR 102439773B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
vacuum
battery case
battery
applying
secondary battery
Prior art date
Application number
KR1020170176406A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190074794A (ko
Inventor
이병규
정수택
최민철
이경재
구자훈
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to KR1020170176406A priority Critical patent/KR102439773B1/ko
Publication of KR20190074794A publication Critical patent/KR20190074794A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102439773B1 publication Critical patent/KR102439773B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/049—Processes for forming or storing electrodes in the battery container
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 전극 조립체를 전지 케이스의 컵부에 마련된 수용 공간에 수납하는 단계; 상기 컵부의 측부에 형성된 주액부에 포함되는 적어도 하나의 모서리를 개방하여 개구부를 형성하고, 나머지 모서리는 실링하는 단계; 상기 개구부를 통해 전해액을 주입하는 단계; 상기 전지 케이스의 내부에 1차 진공을 인가하는 단계; 상기 1차 진공을 파기하는 단계; 상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 제1 특정 시간동안 1차 대기하는 단계; 및 상기 전지 케이스의 내부에 2차 진공을 인가하는 단계를 포함한다.

Description

이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법{The Method For Manufacturing And Wetting Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공을 파기한 후 다시 진공을 인가하더라도, 이차 전지의 내부의 진공도가 감소하지 않는 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법에 관한 것이다.
물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.
이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.
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 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
파우치 형 이차 전지의 케이스인 파우치는, 연성의 재질을 가지는 외장재로 제조된다. 그리고 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부, 컵부의 측부에 형성되어 전해액이 주액되고 디가싱(Degassing) 공정을 수행하기 위한 디가싱 홀이 형성되는 주액부를 포함한다. 그리고 파우치 형 이차 전지를 제조하기 위해, 일반적으로 전지 케이스에 전극 조립체(Electrode Assembly, 10)를 수납하고 전해액을 주입한 후 실링한다.
상기 주입된 전해액은 모세관 힘(Capillary Force)에 의해 전극 및 분리막 사이로 스며들고, 이를 함침(Wetting)된다고 한다. 그러나, 전극 및 분리막 모두 소수성(Hydrophobicity)이 큰 물질인 반면, 전해액은 친수성(Hydrophilicity) 물질이므로, 전해액의 전극 및 분리막에 대한 함침(Wetting)은 상당한 시간 및 까다로운 공정 조건이 요구된다. 만약 전해액이 전극 및 분리막에 충분히 함침되지 않는 경우, 전지의 용량이 저하되고, 전극 상태의 불균일성이 심화되어 전지의 안전성에도 문제가 발생할 수 있다. 또한, 전극의 퇴화를 가속시켜 전지의 수명을 단축시킬 수도 있다.
따라서, 전해액의 함침성을 향상시키기 위해, 최근에는 주변의 온도 또는 압력을 변화시킨 후 전해액을 주입하거나, 전해액의 주입 후 진공을 인가하는 등의 방법이 수행되고 있다. 특히, 진공을 인가하는 방법을 수행할 때에는, 함침성을 더욱 향상시키기 위해 진공을 인가한 후에 상기 진공을 파기한 후, 다시 진공을 인가할 수도 있다. 그러나, 종래에는 이와 같이 진공을 파기한 후 다시 진공을 인가하면, 전극 조립체의 내부에 기공이 존재하여, 이차 전지의 내부의 진공도가 감소하는 문제가 있었다.
한국공개공보 제2003-0048261호 한국공개공보 제2006-0027253호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 진공을 파기한 후 다시 진공을 인가하더라도, 이차 전지의 내부의 진공도가 감소하지 않는 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 전극 조립체를 전지 케이스의 컵부에 마련된 수용 공간에 수납하는 단계; 상기 컵부의 측부에 형성된 주액부에 포함되는 적어도 하나의 모서리를 개방하여 개구부를 형성하고, 나머지 모서리는 실링하는 단계; 상기 개구부를 통해 전해액을 주입하는 단계; 상기 전지 케이스의 내부에 1차 진공을 인가하는 단계; 상기 1차 진공을 파기하는 단계; 상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 제1 특정 시간동안 1차 대기하는 단계; 및 상기 전지 케이스의 내부에 2차 진공을 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 특정 시간은, 1분 이상 5시간 이하일 수 있다.
또한, 상기 2차 진공을 인가하는 단계 이후에, 상기 2차 진공을 파기하는 단계; 및 상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 제2 특정 시간동안 2차 대기하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차 대기하는 단계 이후에, 상기 전지 케이스의 내부에 3차 진공을 인가하는 단계; 및 상기 주액부를 실링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 특정 시간은, 1분 이상 5시간 이하일 수 있다.
또한, 상기 제2 특정 시간은, 상기 제1 특정 시간과 동일할 수 있다.
또한, 상기 1차 진공을 인가하는 단계 이전에, 상기 전지 케이스의 내부에 진공을 인가한 후 파기하는 공정을 적어도 1회 더 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 함침 방법은 전지 케이스의 내부에 1차 진공을 인가하는 단계; 상기 1차 진공을 파기하는 단계; 상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 제1 특정 시간동안 1차 대기하는 단계; 및 상기 전지 케이스의 내부에 2차 진공을 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 특정 시간은, 1분 이상 5시간 이하일 수 있다.
또한, 상기 2차 진공을 인가하는 단계 이후에, 상기 2차 진공을 파기하는 단계; 및 상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 제2 특정 시간동안 2차 대기하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차 대기하는 단계 이후에, 상기 전지 케이스의 내부에 3차 진공을 인가하는 단계; 및 주액부를 실링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 특정 시간은, 1분 이상 5시간 이하일 수 있다.
또한, 상기 제2 특정 시간은, 상기 제1 특정 시간과 동일할 수 있다.
또한, 상기 1차 진공을 인가하는 단계 이전에, 상기 전지 케이스의 내부에 진공을 인가한 후 파기하는 공정을 적어도 1회 더 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
진공을 파기한 후 다시 진공을 인가하더라도, 이차 전지의 내부의 진공도가 감소하지 않아, 함침성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납하고 모서리의 일부를 실링한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)에 전해액이 개구부(136)를 통해 주입되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)를 챔버(2) 내에 수납한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방법을 수행할 때, 챔버(2)의 내부의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도의 일부이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 함침 방법을 수행할 때, 전지 케이스(13)의 내부의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 주액부(134)를 1차 실링한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 주액부(134)에 디가싱 홀(H)을 타공한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 주액부(134)를 2차 실링한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 제조가 완료된 모습을 나타낸 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 제조 방법으로 제조한 이차 전지(1)의 전해액의 함침성을 실험하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이다.
일반적으로 리튬 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 전지 케이스(13)에 전극 조립체(Electrode Assembly, 10)를 수납하고 전해액을 주입한 후 실링한다.
전극 조립체(10)는 양극, 분리막(Separator), 음극이 순차적으로 배치되는 구조로서, 양극/세퍼레이터/음극이 적어도 하나 이상 배열된다.
양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 슬러리를 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 이 때 슬러리는 필요에 따라 충진제를 더 포함할 수도 있다. 양극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 μm의 두께로 제조된다. 양극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 높은 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 그리고 양극 집전체는 양극 활물질의 접착력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철이 형성될 수도 있다. 또한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4(x는 0 내지 0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2(M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x는 0.01 내지 0.3)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2(M는 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x는 0.01 내지 0.1) 또는 Li2Mn3MO8(M는 Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 도전재는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합 등에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 이와 같은 바인더는 대표적으로 폴리불화비닐리덴, 폴리 비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등일 수 있다.
충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용된다. 그리고 화학적 변화를 유발하지 않고 섬유상 재료라면 일반적으로 충진제로 사용될 수 있다. 충진제는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질일 수 있다.
음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질이 포함된 슬러리를 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 이 때 슬러리는 필요에 따라 도전재, 바인더, 충진제 등을 더 포함할 수도 있다. 음극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 μm의 두께로 제조된다. 음극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 구리 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금 등이이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한 음극 집전체는 음극 활물질의 결합력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철이 형성될 수도 있다. 또한 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
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-Ni계 재료 등일 수 있다.
분리막은 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 다만, 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 제한되지 않으며, 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 μm이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 μm이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
전극 조립체는 각각 롤 형태의 양극과 음극이 롤 형태의 분리막을 개재시켜 나선 형태로 권취된 소위, 젤리-롤 형태일 수도 있고, 소정 규격을 가진 각각의 양극/분리막/음극이 순차적으로 적층된 스택 형태일 수도 있으나 당업계에 알려진 그 어떤 구조를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 그리고, 전극 조립체로부터 연장되어 형성되는 전극 탭의 배치 구조에 따라 단방향성을 갖는 구조 또는 양방향성을 갖는 구조를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 적용될 수 있는 전해액은 리튬 함유 비수계 전해액일 수 있다. 이러한 리튬 함유 비수계 전해액은 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다.
비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 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.
리튬염은 비수계 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수도 있다.
또한, 비수계 전해액에는 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 있다.
전극 조립체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 전극 집전체는 슬러리가 도포된 부분과 슬러리가 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 전지 케이스(13)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(12)는 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)에서 전지 케이스(13)는 연성의 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다. 그리고 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 포함한다. 하부 파우치(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331, 도 3에 도시됨)이 마련되고, 상부 파우치(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 이 때, 도 1에 도시된 바와 같이 상부 파우치(131)에도 수용 공간(1331)이 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 분리되어 별도로 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 일측이 서로 연결되어 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
일반적으로 전극 조립체(10)를 수용하는 전지 케이스(13)는, 가스 배리어층(Gas Barrier Layer), 표면 보호층(Surface Protection Layer) 및 실란트층(Sealant Layer)을 포함한다. 가스 배리어층은 가스 출입을 차단하는 것으로, 금속을 포함하며 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용된다. 표면 보호층은 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌이 자주 발생하므로, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 PET 등의 폴리머가 사용된다. 그리고 실란트층은 최내층에 위치하여 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하고, 주로 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리머가 사용된다.
파우치 형 전지 케이스(13)는 상기와 같은 적층 구조의 필름이 주머니 형태로 가공되어 제조되며, 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 서로 접촉시키고, 실링부에 열 압착을 하면 실란트층끼리 접착됨으로써 전지 케이스(13)가 실링된다. 이 때, 실란트층은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 또한 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층끼리 접착된 실링부는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층에는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 특히, 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층을 제조하는데 주로 사용된다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 파우치(132)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 파우치(131)가 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)의 테두리에 형성된 실링부가 실링되면 이차 전지(1)가 제조된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 제조 방법 및 이차 전지(1)의 함침 방법에 따르면, 진공을 파기한 후 다시 진공을 인가하더라도, 이차 전지(1)의 내부의 진공도가 감소하지 않을 수 있다. 이를 위해, 진공을 파기한 후에, 전지 케이스(13)가 대기압인 상태로 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정이 수행된다.
이하, 도 2의 흐름도에 도시된 각 단계를 도 3 내지 도 12을 참고하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납하고 모서리의 일부를 실링한 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)는 전극 조립체(10)를 수용하는 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)와, 컵부(133)의 측부에 형성되어 전해액이 주액되는 주액부(134)를 포함한다.
이러한 전지 케이스(13)를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 우선 컵부(133)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)를 수납한다(S201). 이 때, 상부 파우치(131) 및 하부 파우치(132)에 수용 공간(1331)이 각각 형성된 경우, 두 개의 수용 공간(1331)을 서로 마주보도록 배치시킨 후, 두 개의 수용 공간(1331) 사이에 전극 조립체(10)를 수납할 수 있다.
전극 조립체(10)를 컵부(133)에 수납한 후에는 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(13)의 복수의 모서리(135) 중에서, 상기 주액부(134)에 포함되는 제1 모서리(1351)를 개방하고 나머지 모서리(135)는 실링할 수 있다(S202). 이 때, 제1 모서리(1351)의 전부를 개방할 수도 있으나, 제1 모서리(1351)의 일부만을 개방할 수도 있다. 이와 같이, 전지 케이스(13)의 제1 모서리(1351)가 개방됨으로써 개구부(136)가 형성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)에 전해액이 개구부(136)를 통해 주입되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 개구부(136)가 상방을 향하도록, 상기 전지 케이스(13)를 배치한다. 그리고 상기 형성된 개구부(136)를 통해, 전지 케이스(13)의 내부에 전해액을 주입한다(S203).
전해액은 중력에 의해 상방에서 하방으로 유동하므로, 전해액을 전지 케이스(13)의 상방에서 하방으로 주입하는 것이 바람직하다. 그리고, 전해액이 누출되지 않기 위해, 전지 케이스(13)의 모서리(135) 중에서 실링된 모서리(135)들은 하방 및 측방을 향하는 것이 바람직하다. 따라서, 개구부(136)가 상방을 향하도록 전지 케이스(13)를 배치하고, 전해액을 주입하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)를 챔버(2) 내에 수납한 모습을 나타낸 개략도이다.
챔버(2)는 내부에 진공을 인가하기 위해 밀폐된 구조를 가지며, 진공을 인가하더라도 외형이 변형되지 않기 위해 강성의 재질로 제조된 외벽으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 전지 케이스(13)를 도 5에 도시된 바와 같이, 챔버(2)의 내부에 수납하기 위해, 챔버(2)는 내부가 전지 케이스(13)보다 크게 형성된다. 특히, 이차 전지(1)의 모델마다 전지 케이스(13)의 크기가 다양하므로, 다양한 크기의 전지 케이스(13)를 모두 수용할 수 있는 범용성을 확보하기 위해, 챔버(2)는 가장 크기가 큰 이차 전지(1)의 모델의 전지 케이스(13)보다 큰 것이 바람직하다. 다만, 챔버(2)가 너무 크게 형성된다면, 진공을 인가하고 파기하는데 시간이 과도하게 소요되므로, 챔버(2)는 전지 케이스(13)가 용이하게 수용될 정도의 크기만으로 형성되는 것이 바람직하다.
챔버(2)에 전지 케이스(13)를 수납한 후에 진공을 인가하면, 챔버(2)의 내부는 진공 상태로 형성된다. 이 때, 진공을 인가한다는 것은, 챔버(2)의 내부에 존재하는 기체를 흡입하여, 압력을 0 기압에 가까운 상태로 형성한다는 것을 의미한다. 즉, 진공이란 물질로서 존재하여 특정 영역에 제공할 수 있는 것이 아니라, 특정 상태를 의미한다. 다만, 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 진공을 인가한다고 표현한다. 마찬가지로, 진공을 파기한다는 것은, 진공 상태에서 기체가 유입되어, 압력이 증가하여 대기압에 가까운 상태로 형성한다는 것을 의미한다. 즉, 진공이 파기된 것은 특정 상태를 의미한다.
챔버(2)는 내부에 진공을 인가하거나 파기하기 위한 여러 구성들을 포함한다. 예를 들어, 챔버(2) 내부의 기체를 흡입할 수 있는 진공 펌프, 챔버(2)의 내부로부터 흡입되어 통과하는 액체 또는 기체 상태의 전해액 성분을 급속하게 응축시키는 냉각기가 설치된 흡입 라인 등을 포함할 수 있다. 또한, 챔버(2) 내부의 진공을 파기하기 위한 파기 라인, 챔버(2)의 진공 파기시 전해액의 확산을 방지하는 진공 유량 조절기 등을 더 포함할 수도 있다. 챔버(2)의 내부 진공도는 공정 조건에 따라 상이할 수 있으며, 예를 들어 약 10-1 torr 내지 10-3 torr 범위로 설정될 수 있다.
전해액을 주입한 후에는, 전극 조립체(10)의 전극 및 분리막이 전해액에 충분히 함침되어야 한다. 만약 전해액이 전극 및 분리막에 충분히 함침되지 않는 경우, 전지의 용량이 저하되고, 전극 상태의 불균일성이 심화되어 전지의 안전성에도 문제가 발생할 수 있다. 또한, 전극의 퇴화를 가속시켜 전지의 수명을 단축시킬 수도 있다.
따라서, 전해액의 함침성을 향상시키기 위해, 최근에는 전지 케이스(13)의 내부에 진공을 인가하고 상기 진공을 파기한 후, 다시 진공을 인가하는 방법이 제안되었다. 전지 케이스(13)의 내부의 압력을 변화시키면, 압력이 변화하면서 자연스럽게 전해액의 유동성이 증가하고, 그에 따라 함침성도 향상되기 때문이다. 그러나, 전해액을 주입하면, 전극 조립체(10)의 주변은 전해액이 포위하므로, 전극 조립체(10)의 내부의 압력 변화 속도와 전극 조립체(10)의 외부의 압력 변화 속도가 상이할 수 있다.
구체적으로, 전극 조립체(10)의 내부에는 전극 및 분리막이 적층되어 있으며, 이러한 전극 및 분리막의 사이에는 대기의 공기가 존재하는 기공이 형성될 수 있다. 나아가, 1차 진공이 인가되면서 기화된 일부 기체가, 1차 진공이 파기되면서 바로 액화되지 않고 전해액의 내부에서 또 다른 기공을 형성할 수도 있다.
전해액으로 전극 조립체(10)를 함침시킬 때에는, 이러한 기공에도 전해액이 충분히 함침되어야 한다. 그런데, 상기 챔버(2)를 통해 진공을 인가하면 전해액의 유동성이 증가하더라도, 전극 조립체(10)의 외부는 전해액이 포위하므로, 이러한 전극 조립체(10)의 내부의 기공에 존재하는 공기를 곧바로 외부로 밀어내는 데에 어느 정도 시간이 소요되었다. 따라서, 전극 조립체(10)의 내외부의 압력 변화 속도가 상이할 수 있었다. 그러나, 진공을 파기한 후에 곧바로 다시 진공을 인가하는 경우, 전극 조립체(10)의 내부의 기공에는 여전히 공기가 존재하여 전지 케이스(13)의 내부의 진공도가 감소하고, 전해액의 함침성이 저하되는 문제가 있었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방법을 수행할 때, 챔버(2)의 내부의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방법을 수행하면, 전지 케이스(13)의 개구부(136)를 통해 전해액을 주입하고 챔버(2)를 통해 1차 진공을 인가한 후(S204), 다시 상기 1차 진공을 파기한다(S205). 이하, 진공을 인가하고 파기하는 공정을 진공 사이클(L)이라 한다. 그리고 진공 사이클(L)이 수행된 후, 곧바로 다시 진공을 인가하지 않고, 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정을 1회 수행한다(S206).
1차 진공을 인가하기 직전에는, 도 6에 도시된 바와 같이 진공 압력이 0이다. 여기서 진공 압력이란, 전지 케이스(13)의 내부에 진공을 인가하였을 때의 내부 압력과 대기압의 차이를 지칭한다. 따라서, 진공 압력이 0이라면, 대기압과의 차이가 없으므로, 전지 케이스(13)의 내부의 압력이 대기압과 동일하다는 것을 의미한다. 여기서 전지 케이스(13)의 내부란, 전지 케이스(13)에 수납된 전극 조립체(10)의 내부를 제외하고, 전극 조립체(10)의 외부를 지칭하는 것이 바람직하다.
1차 진공을 인가하면(S204) 챔버(2) 내부의 압력이 감소하고, 전지 케이스(13) 내부의 압력도 함께 감소하므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 그래프의 V1 선도는 감소하는 방향으로 도시된다. 만약, 진공을 일정하게 인가한다면, 즉 전지 케이스(13)의 내부의 기체를 일정한 속도로 흡입한다면, 도 6의 그래프에서 V1 선도는 직선으로 도시된다.
1차 진공을 인가하여 전지 케이스(13)의 내부의 압력이 충분히 감소하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 내부의 진공 압력이 P가 된다. 이는, 내부 압력이 대기압보다 P 기압만큼 낮다는 것을 의미한다.
그러나, 상기 기술한 바와 같이, 전극 조립체(10)의 내부의 압력 변화 속도는 전극 조립체(10) 외부의 압력 변화 속도보다 느리다. 따라서, 1차 진공이 완전히 인가되어 전지 케이스(13) 내부의 진공 압력이 P가 되더라도, 전극 조립체(10) 내부의 압력은 P보다 큰 상태에서 천천히 감소하고 있다.
그 후에, 1차 진공을 파기하면(S205) 챔버(2) 내부의 압력이 증가하고, 전지 케이스(13) 내부의 압력도 함께 증가하므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 그래프의 B1 선도가 점점 증가하는 방향으로 도시된다. 만약, 진공을 일정하게 파기한다면, 즉 전지 케이스(13)의 내부에 기체가 일정한 속도로 유입한다면, 도 6의 그래프에서 B1 선도는 직선으로 도시된다.
1차 진공이 완전히 파기되어 전지 케이스(13) 내부의 진공 압력이 0이 되더라도, 전극 조립체(10) 내부의 압력은 0보다 작은 상태에서 천천히 증가하고 있다.
1차 진공이 완전히 파기되어 진공 압력이 다시 0이 되면, 즉 전지 케이스(13)의 내부의 압력이 대기압과 동일해지면, 특정 시간(t) 동안 대기한다(S206). 상기와 같이 진공 사이클(L)을 수행하였으므로, 압력이 변하면서 전해액의 유동성도 증가한다. 이 때, 대기압의 상태에서 특정 시간(t) 동안 대기하면, 전해액이 자체적으로 분자 운동을 하므로, 전해액은 전극 조립체(10)의 내부의 기공에 존재하는 공기를 외부로 밀어낸다. 또는, 특정 시간(t) 동안 대기하면 상기 또 다른 기공이 파괴되고, 상기 기화된 일부 전해액의 기체는 액체 상태의 전해액을 이탈하거나 다시 액화된다. 이 때, 챔버(2) 내부 및 전지 케이스(13) 내부의 압력은 여전히 대기압과 동일하므로, 도 6의 그래프에서 WT 선도는 수평으로 도시된다. 상기 특정 시간(t)은 1분 이상 5시간 이하인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않고, 제조하는 이차 전지(1)의 모델 또는 규격에 따라 다양한 시간으로 설정될 수 있다.
그 후에, 2차 진공을 인가하여(S207) 전지 케이스(13)의 내부의 압력을 다시 감소시키면, 도 6에 도시된 바와 같이, 그래프의 V2 선도가 점점 감소하는 방향으로 도시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정을 1회 수행한다. 즉, 진공 사이클(L)의 수행 횟수에는 제한이 없다. 따라서, 도 6의 그래프에는 진공 사이클(L)이 1회 수행된 것으로 도시되어 있으나, 상기 1차 진공을 인가하기 전에 진공 사이클(L)이 이미 복수 회 수행되었을 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도의 일부이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방법에 따르면, 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정을 1회 수행한 후, 2차 진공을 인가한다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 함침 방법에 따르면, 특정 시간(t1, t2) 동안 대기하는 공정을 복수 회 수행한 후, 추가 진공을 인가한다.
이하, 도 7의 흐름도에 도시된 각 단계를 도 8을 참고하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 함침 방법을 수행할 때, 전지 케이스(13)의 내부의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 함침 방법을 수행하면, 전지 케이스(13)의 개구부(136)를 통해 전해액을 주입하고 1차 진공을 인가한다(S204). 그러면 도 8에 도시된 바와 같이, 그래프의 V1 선도가 점점 감소하는 방향으로 도시된다. 1차 진공을 인가하여 전지 케이스(13)의 내부의 압력이 충분히 감소하면, 내부 압력이 P가 된다. 그리고, 1차 진공을 파기하면(S205), 도 8에 도시된 바와 같이, 그래프의 B1 선도가 점점 증가하는 방향으로 도시된다. 1차 진공 사이클(L)이 수행된 후 1차 진공이 완전히 파기되어 진공 압력이 다시 0이 되면, 제1 특정 시간(t1) 동안 대기한다(S206). 그러면 도 8의 그래프에서 WT1 선도는 수평으로 도시된다. 상기 제1 특정 시간(t)은 1분 이상 5시간 이하인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않고, 제조하는 이차 전지(1)의 모델 또는 규격에 따라 다양한 시간으로 설정될 수 있다.
그 후에, 2차 진공을 인가하면(S207), 도 8에 도시된 바와 같이, 그래프의 V2 선도가 점점 감소하는 방향으로 도시된다. 그리고 2차 진공을 파기하면(S901), 도 8에 도시된 바와 같이, 그래프의 B2 선도가 점점 증가하는 방향으로 도시된다. 2차 진공 사이클(L)이 수행된 후 2차 진공이 완전히 파기되어 진공 압력이 다시 0이 되면, 제2 특정 시간(t2) 동안 대기한다(S902). 그러면 도 8의 그래프에서 WT2 선도는 수평으로 도시된다. 여기서 제2 특정 시간(t2)은 1분 이상 5시간 이하인 것이 바람직하며, 상기 제1 특정 시간(t1)과 동일할 수도 있으나, 이차 전지(1)의 모델, 규격 또는 제조 방법에 따라서 서로 상이할 수도 있다.
그 후에, 3차 진공을 인가하여(S903) 전지 케이스(13)의 내부의 압력을 다시 감소시키면, 도 8에 도시된 바와 같이, 그래프의 V3 선도가 점점 감소하는 방향으로 도시된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정을 복수 회 수행한다. 즉, 진공 사이클(L)의 수행 횟수에는 제한이 없다. 따라서, 도 8의 그래프에는 진공 사이클(L)이 2회 수행된 것으로 기재되어 있으나, 상기 1차 진공을 인가하기 전에 진공 사이클(L)이 이미 복수 회 수행되었을 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 주액부(134)를 1차 실링한 모습을 나타낸 개략도이다.
전지 케이스(13)의 내부에 전해액을 주입한 후, 도 9에 도시된 바와 같이, 주액부(134)를 실링하여 제1 실링부(S1)를 형성한다(S208). 추후에 주액부(134)를 2차 실링하여 제2 실링부(S2, 도 11에 도시됨)를 형성하므로, 제1 실링부(S1)는 주액부(134)에서 제1 모서리(1351)에 근접한 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 활성화(Formation) 공정을 수행할 수 있다. 활성화 공정(화성 공정)이란, 이차 전지(1)가 전력을 공급할 수 있도록 최종적으로 충전을 완료하는 공정이다. 활성화 공정은 제1 실링부(S1)를 형성하여, 전지 케이스(13)를 완전히 밀폐한 후에 수행하므로, 충전률이 높고 빠르게 가스를 배출하여 정해진 공정 시간 내에 이차 전지(1)의 제조를 완료할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 주액부(134)에 디가싱 홀(H)을 타공한 모습을 나타낸 개략도이다.
활성화 공정을 완료하면 전지 케이스(13)의 내부에서 가스가 발생한다. 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(13)의 주액부(134)에 디가싱 홀(H)을 타공한다. 이러한 디가싱 홀(H)을 통해, 가스가 전지 케이스(13)의 내부로부터 외부로 배출된다. 이 때, 가스가 용이하게 배출되면서 디가싱 홀(H)을 통해 상기 주입된 전해액이 누출될 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 디가싱 홀(H)은 전지 케이스(13)의 상부에 위치한 주액부(1342)에 타공되며, 특히 도 10에 도시된 바와 같이 주액부(1342)에서도 제1 실링부(S1)에 근접한 위치에 타공되는 것이 바람직하다. 디가싱 홀(H)이 타공되면 상기 가스를 전지 케이스(13)의 외부로 배출하는 디가싱(Degassing) 공정을 수행한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 주액부(134)를 2차 실링한 모습을 나타낸 개략도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 제조가 완료된 모습을 나타낸 개략도이다.
주액부(134)를 1차 실링한 후에 디가싱 홀(H)이 타공되므로, 파우치의 내부는 다시 개방되어 내부의 전해액이 외부로 누출될 수 있다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 주액부(1342)를 2차 실링하여 제2 실링부(S2)를 형성한다. 이 때, 제2 실링부(S2)는 컵부(133)와 디가싱 홀(H)의 사이에 형성되며, 특히 컵부(133)에 근접한 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제2 실링부(S2)의 외측에 커팅라인(C)을 설정하여 주액부(134)를 절단한다. 그럼으로써, 도 12에 도시된 바와 같이, 주액부(134)의 길이가 짧아지고, 이차 전지(1)의 부피가 감소할 수 있다. 상기와 같은 과정을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 제조가 완료된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 제조 방법으로 제조한 이차 전지(1)의 전해액의 함침성을 실험하여 나타낸 그래프이다.
실제로 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 제조 방법의 효과를 확인하기 위해, 도 13에 도시된 바와 같이 실험을 실시하였다.
우선, 4 개의 이차 전지(1)를 동일하게 제조하되, 다음과 같은 다양한 방법을 사용하여 이차 전지(1)들을 제조하였다. 이 때, 제조된 이차 전지(1)들의 크기는 모두 동일하게 100mm×150mm이다.
종래 방법에서는 단순히 진공 사이클(L)만을 4 회 수행하였고, 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정을 수행하지 않았다. 그리고 제1 내지 제3 실시예에 따른 방법에서는 진공 사이클(L) 1회 수행한 후, 특정 시간(t) 동안 1회 대기하는 공정을 수행하였으며, 각각의 실시예 마다 특정 시간(t)을 각각 1분, 5시간, 8시간으로 설정하였다. 그리고, 모든 이차 전지(1)의 제조를 완료하고, 전해액을 주입한지 24 시간이 경과한 후에 모든 이차 전지(1)를 분해하여 전극 조립체(10)가 함침된 면적을 계산하였다.
실험 결과, 도 13에 도시된 바와 같이, 종래 방법으로 이차 전지(1)를 제조한 경우, 전극 조립체(10)의 함침 면적이 89.4% 이고, 제1 실시예에 따른 방법으로 이차 전지(1)를 제조한 경우, 함침 면적이 98.3% 이며, 제2 및 제3 실시예에 따른 방법으로 이차 전지(1)를 제조한 경우, 함침 면적이 모두 100% 이다.
이러한 실험을 통해, 진공을 파기한 후에 1분이라도 특정 시간(t) 동안 대기하는 공정을 수행하면, 함침 면적이 증가하므로 전해액의 함침성이 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 5시간 이후에는 전극 조립체(10)의 모든 면적이 이미 함침되었으므로, 5시간 이상 과도하게 대기할 필요가 없다는 것을 알 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 제조하는 이차 전지(1)의 모델 또는 규격에 따라서는 5시간을 초과하여 대기하여야, 전극 조립체(10)의 모든 면적이 함침될 수도 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 양극(11)과 음극(12) 사이의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용 될 수 있다. 전기화학셀의 대표적인 예는 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 이차전지, 연료전지, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등이다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 특히 이차 전지(예를 들어, 리튬 이차전지)에 적용되는 것이 바람직하다.
리튬 이차전지는 최근에 소형 디바이스뿐만 아니라, 중대형 디바이스에도 전원으로 사용되고 있다. 그런데 중대형 디바이스에 전원으로 사용되려면, 본 발명에 따른 이차전지를 하나의 단위 전지로 하여 전지 모듈을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지 팩은, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등에 전원으로 사용될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 2: 챔버
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 전지 케이스
14: 절연부 111: 양극 탭
112: 음극 탭 121: 양극 리드
122: 음극 리드 131: 상부 파우치
132: 하부 파우치 133: 컵부
134: 주액부 135: 모서리
136: 개구부 1331: 수용 공간
1351: 제1 모서리

Claims (14)

  1. 전극 조립체를 전지 케이스의 컵부에 마련된 수용 공간에 수납하는 단계;
    상기 컵부의 측부에 형성된 주액부에 포함되는 적어도 하나의 모서리를 개방하여 개구부를 형성하고, 나머지 모서리는 실링하는 단계;
    상기 개구부를 통해 전해액을 주입하는 단계;
    상기 전지 케이스의 내부에 1차 진공을 인가하는 단계;
    상기 1차 진공을 파기하는 단계;
    상기 전지 케이스가 상기 전극 조립체의 함침 면적이 증가하도록 대기압인 상태로 1분 이상 5시간 이하인 제1 특정 시간동안 1차 대기하는 단계;
    상기 전지 케이스의 내부에 2차 진공을 인가하는 단계;
    상기 2차 진공을 파기하는 단계; 및
    상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 1분 이상 5시간 이하인 제2특정시간동안 2차 대기하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 대기하는 단계 이후에,
    상기 전지 케이스의 내부에 3차 진공을 인가하는 단계; 및
    상기 주액부를 실링하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 특정 시간은,
    상기 제1 특정 시간과 동일한, 이차 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 1차 진공을 인가하는 단계 이전에,
    상기 전지 케이스의 내부에 진공을 인가한 후 파기하는 공정을 적어도 1회 더 수행하는 단계를 더 포함하는, 이차 전지의 제조 방법.
  8. 전지 케이스의 내부에 1차 진공을 인가하는 단계;
    상기 1차 진공을 파기하는 단계;
    상기 전지 케이스가 전극 조립체의 함침 면적이 증가하도록 대기압인 상태로 1분 이상 5시간 이하인 제1 특정 시간동안 1차 대기하는 단계;
    상기 전지 케이스의 내부에 2차 진공을 인가하는 단계;
    상기 2차 진공을 파기하는 단계; 및
    상기 전지 케이스가 대기압인 상태로 1분 이상 5시간 이하인 제2특정시간동안 2차 대기하는 단계를 포함하는 이차 전지의 함침 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 2차 대기하는 단계 이후에,
    상기 전지 케이스의 내부에 3차 진공을 인가하는 단계; 및
    주액부를 실링하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 함침 방법.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 특정 시간은,
    상기 제1 특정 시간과 동일한, 이차 전지의 함침 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 1차 진공을 인가하는 단계 이전에,
    상기 전지 케이스의 내부에 진공을 인가한 후 파기하는 공정을 적어도 1회 더 수행하는 단계를 더 포함하는, 이차 전지의 함침 방법.
KR1020170176406A 2017-12-20 2017-12-20 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법 KR102439773B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170176406A KR102439773B1 (ko) 2017-12-20 2017-12-20 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170176406A KR102439773B1 (ko) 2017-12-20 2017-12-20 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190074794A KR20190074794A (ko) 2019-06-28
KR102439773B1 true KR102439773B1 (ko) 2022-09-02

Family

ID=67066311

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170176406A KR102439773B1 (ko) 2017-12-20 2017-12-20 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102439773B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4295908B2 (ja) * 2000-11-06 2009-07-15 株式会社東芝 電池の製造装置および製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100822192B1 (ko) 2001-12-11 2008-04-16 삼성에스디아이 주식회사 전해액 주입방법
KR101106394B1 (ko) 2004-09-22 2012-01-17 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지의 제조 방법
KR101531645B1 (ko) * 2012-11-12 2015-06-25 주식회사 엘지화학 이차전지의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4295908B2 (ja) * 2000-11-06 2009-07-15 株式会社東芝 電池の製造装置および製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190074794A (ko) 2019-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101636378B1 (ko) 방열 구조를 가지는 단위모듈 제조용 모듈 하우징 및 이를 포함하는 전지모듈
US8956742B2 (en) Battery separator, method of manufacturing a battery separator, battery, battery pack, and electronic apparatus
US20130244093A1 (en) Method for manufacturing battery cell and battery cell manufactured using the same
KR101643593B1 (ko) 전해액 함침성이 향상된 스택-폴딩형 전극조립체 및 이의 제조방법
KR101459885B1 (ko) 전해액을 포함하는 에어캡을 구비한 파우치형 전지
KR20170045564A (ko) 전지케이스의 내면이 전기 절연성 소재로 코팅되어 있는 전지셀
KR20170091938A (ko) 곡면 엣지를 가진 전지셀 케이스 및 이의 제조 장치
KR101852790B1 (ko) 진공 챔버를 포함하는 전해액 주입 장치 및 이를 사용하는 전해액 주입 방법
KR101519372B1 (ko) 전지셀 제조 장치
KR20180043183A (ko) 리튬 이차전지
KR101671386B1 (ko) 보호용 케이스를 이용한 이차전지 제조방법
KR101517885B1 (ko) 이차전지의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 이차전지
KR102082467B1 (ko) 집전체 중심 부위에 높은 활물질 로딩량을 가지는 전극을 포함하는 전극조립체
KR101863988B1 (ko) 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법
KR20180085139A (ko) 절연 코팅층을 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀
US10381610B2 (en) Secondary battery comprising insulator assembly capable of suppressing damage to electrode assembly caused by external force
KR101684336B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR102026292B1 (ko) 활물질 로딩량의 구배를 가진 전극을 포함하는 전극조립체
KR102439773B1 (ko) 이차 전지의 제조 방법 및 이차 전지의 함침 방법
KR101645463B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101661254B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101622098B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101666413B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101307772B1 (ko) 이차전지 제조방법 및 이를 이용하여 생산되는 이차전지
KR20160066202A (ko) 전지케이스의 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전지셀 및 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant