KR102455141B1 - 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법 - Google Patents

이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 이차전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스태킹된 전극 조립체 내의 열융착 분리막과 전극 간의 접착력을 향상시키고, 전극 조립체 내의 전극 얼라인먼트의 틀어짐을 방지한 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법{Electrode Assembly Manufacturing Method for Battery Cell of Secondary Battery}
본 발명은 파우치형 이차전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스태킹된 전극 조립체 내의 열융착 분리막과 전극 간의 접착력을 향상시키고, 전극 조립체 내의 전극 얼라인먼트의 틀어짐을 방지한 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.
상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다.
통상의 배터리 셀은 전극조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 공간을 제공하는 케이스를 포함한다. 상기 전극조립체는 분리막에 전극판이 일정간격으로 배치되어 일 방향으로 와인딩되거나, 다수 장의 양극판, 분리막, 음극판이 적층된 형상이다. 상기 전극판은 양극판과 음극판이 교번 적층될 수 있다. 상기 케이스는 후막이 금속재로 성형한 원통형이나 각형으로 된 캔 구조와는 달리, 중간층이 금속 호일이고, 금속 호일의 양면에 부착되는 내외피층이 절연성 필름으로 이루어진 파우치형 케이스이다. 파우치형 케이스는 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하다.
상기 전극조립체는, 도 1에 도시된 바와 같이 열융착 분리막(3)을 사용하여 핫 프레스 머신(M)으로 분리막(3)과 전극(2)간 전체면의 융착을 진행한다. 도면상으로는 발명의 이해를 위해 전극(2)과 분리막(3)이 이격된 것으로 도시되어 있으나 실제로는 밀착되어 있다.
하지만, 위와 같은 종래의 전극 조립체 제조 방법은 두꺼운 전극 조립체의 열융착 진행 시 내부 전극까지 열전달이 용이하지 않은 문제점이 있어 모든 전극의 균일한 융착이 진행되기 어렵다. 즉 열원과 가까운 부위는 과융착되고, 열원과 먼 부위는 융착이 되지 않는 문제가 발생한다.
따라서 내부 전극까지 융착을 하기 위해 고온/고압 및 긴 융착 시간이 필요하며, 열원과 가까운 전극 조립체의 외측에 배치된 전극-분리막은 과융착되어 배터리 셀 성능의 불균일성을 초래할 수 있다. 또한, 긴 융착 시간은 생산성을 저하시키며 고온/고압 환경에서 장시간 노출 시 수지 계열 분리막의 열수축 등을 야기할 수 있는 문제점이 존재한다.
한국등록특허공보 제10-1580481호(2015.12.28. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 스태킹된 각각의 전극판이나, 전극판에 연결된 전극탭에 열을 인가하여 각각의 전극판을 가열시킨 상태에서 전극 조립체 융착을 진행하여 분리막의 열융착 성능을 향상시킨 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법을 제공함에 있다.
또한, 열융착 시 전극 조립체의 모서리부를 부분 융착하여 전극 조립체의 얼라인먼트 틀어짐 불량을 개선한 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법은, 일정 간격으로 배치되는 전극판과, 각각의 전극판 사이에 구비되는 분리막과, 상기 전극판과 전기적으로 연결되며 상기 전극판의 외측으로 돌출되도록 형성되는 전극탭을 포함하는 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법에 있어서, 상기 전극 조립체 열융착 시 상기 전극판에 열을 가하여 상기 각각의 전극판이 가열된 상태에서 상기 전극 조립체를 가압하여 상기 전극판과 분리막을 융착한다.
또한, 상기 제조 방법은, 분리막과 분리막 사이에 전극판을 배치하는 전극 조립체 초기 배치단계; 각각의 전극판에서 연장된 포일 용접부를 용접하는 포일 용접단계; 상기 포일 용접부에 열을 가하는 포일 가열단계; 및 상기 전극 조립체의 외면에 압력을 가하는 전극 조립체 융착단계; 를 포함한다.
또한, 상기 제조 방법은, 분리막과 분리막 사이에 전극판을 배치하는 전극 조립체 초기 배치단계; 각각의 전극판에서 연장된 포일 용접부를 용접하는 포일 용접단계; 상기 포일 용접부에 전극탭을 용접하는 전극탭 용접단계; 상기 전극탭에 열을 가하는 전극탭 가열단계; 및 상기 전극 조립체의 외면에 압력을 가하는 전극 조립체 융착단계; 를 포함한다.
이때, 상기 전극 조립체 융착단계는, 전극 조립체의 외면 일부를 부분 융착하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시 예로, 상기 전극 조립체 융착단계는, 상기 전극 조립체의 모서리 부 중 하나 이상을 부분 융착하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예로, 상기 전극 조립체 융착단계는, 상기 전극 조립체의 폭 방향을 따라 부분 융착하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제조 방법은, 상기 전극 조립체 융착 시 압력만을 가하거나, 열과 압력을 동시에 가하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법은, 전극판을 통해 전극 조립체 내부가 고르게 가열된 상태에서 융착을 진행하기 때문에 융착을 위한 시간을 줄일 수 있어 공정성 및 생산성이 개선된 효과가 있다.
또한, 국소 부위 융착을 통해 적은 비용 및 단시간에 전극판과 분리막의 얼라인먼트 틀어짐(융착 불균일성)을 줄여 불량률을 감소시킨 효과가 있다.
또한, 열융착 시 열원에 근접한 분리막의 과융착을 방지하고, 열원에서 이격된 분리막의 불융착을 방지하여 배터리 셀의 성능 불균일성을 방지할 수 있다.
고온 고압 환경에 장기간 노출됨에 따른 분리막의 과도한 열수축 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전극 조립체 제조 방법 개념도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 전극 조립체를 포함하는 이차 전지용 배터리 셀 사시도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 전극 조립체 사시도
도 4는 도 3의 AA' 단면도
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전극판 가열 공정 개략단면도
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전극판 가열 공정 개략단면도
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 개략단면도
도 8은 본 발명의 제2-1 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 개략단면도
도 9는 본 발명의 제2-1 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 사시도
도 10은 본 발명의 제2-2 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 개략단면도
도 11은 본 발명의 제2-2 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 사시도
도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 개략단면도
도 13은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 전극 조립체 융착 공정 사시도
도 14는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체 제조 방법 순서도 (포일 가열 시)
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전극 조립체 제조 방법 순서도 (전극탭 가열 시)
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)를 포함하는 이차 전지용 배터리 셀(1)의 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)의 전체사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 위 전극 조립체(10)의 횡단면도(AA')가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 배터리 셀(1)은 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)가 수용되는 공간을 제공하는 케이스(2)를 포함하고 있다. 전극 조립체(10)는 전극판(11)과, 분리막(12)과, 전극탭(13, 14)과, 필름(20)을 포함하여 이루어진다. 도면상에는 전극 조립체(10)가 필름(20)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 필름(20)을 제외한 전극 조립체(10)를 구성할 수도 있다.
전극 조립체(10)는 다수의 전극판(11)이 적층되는 형태로 이루어질 수 있으며, 전극판(11)은 양극판과 음극판이 교번 적층될 수 있다. 이때 상기 양극판과 음극판 사이에는 분리막(12)이 삽입 구성될 수 있으며, 상기와 같은 구성을 이루기 위한 전극 조립체(10)의 세부 제조 방법은 다음과 같다.
분리막(12)을 길이방향으로 배치한 후 상면에 전극판(11)을 일정 간격으로 배치하게 된다. 다음으로 전극판(11)을 기준단위로 하여 분리막(12)을 와인딩하면, 전극 조립체(10)가 완성된다. 각각의 전극판(11)은 전극탭(13, 14)과 전기적으로 연결되어 있다.
전극탭(13, 14)의 일단부는 케이스(2)의 밀폐면을 통하여 외부로 돌출되도록 구성된다. 돌출된 전극탭(13, 14)의 일단부는 도시되지 않은 보호 회로기판의 단자와 접속된다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 전극 조립체(10)의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
전극 조립체(10)는, 배터리 셀 제조를 위해 케이스에 삽입되어 조립되는데, 이때 양극판(11a)과 음극판(11b)의 얼라인먼트를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 전극 조립체(10) 조립 시에는 열을 이용하여 분리막(12)의 표면에 코팅된 폴리머층을 용융시켜 전극판(11)과 분리막(12)을 융착하는 단계를 수행하게 된다.
이때, 본 발명은 열융착을 위해 전극판(11)을 가열하는 단계를 선행하게 되는데, 전극판(11)을 가열하기 위해 본 발명은 다음과 같이 두 가지 실시 예를 갖는다.
- 가열 실시 예 1 (포일 가열 형)
도 5에는 가열수단을 통해 포일 용접부(15)를 가열하는 전극 조립체(10)의 개략단면도가 도시되어 있다. 통상적으로 포일에 양극이 코팅된 전극을 양극판(11a)이라 하고, 포일에 음극이 코팅된 전극판을 음극판(11b)이라고 한다. 도면상에는 음극판(11b)에서 연장된 포일 용접부(15)를 가열한 구성이 도시되어 있으나, 양극판(11a)에서 연장된 포일 용접부를 가열할 수도 있고, 음극판(11b)의 포일 용접부(15)와 양극판(11a)의 포일 용접부 모두를 가열할 수도 있다.
우선 도시된 바와 같이 분리막(12)의 사이에 각각의 전극판(11)이 배치되는 전극 조립체 초기 배치단계(S11)를 수행한다. 전극판(11)은 양극판(11a)과 음극판(11b)이 교번 배치될 수 있고, 최상측 및 최하측 분리막과 이웃하는 전극판(11)은 음극판(11b)일 수 있다.
다음으로 각각의 음극판(11b)을 연결하기 위해 음극판(11b)에서 연장된 각각의 포일 용접부(15)를 용접하여 연결하는 포일 용접단계(S12)를 수행한다. 포일은 전도성인 통상의 포일 재질이 적용될 수 있다.
다음으로 포일 용접부(15)에 열을 가하여 음극판(11b)을 가열하는 포일 가열단계(S13)를 수행한다. 음극판(11b)의 가열을 통해 전극 조립체(10)의 두께 방향 중앙과 외측이 고루 가열되게 된다.
- 가열 실시 예 2 (전극탭 가열 형)
도 6에는 가열수단을 통해 음전극탭(14)을 가열하는 전극 조립체(10)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도면상에는 음극판(11b)에 각각 연결된 음전극탭(14)의 구성이 도시되어 있으나, 양극판(11a)에 각각 연결된 양전극탭(13)일수도 있고, 음극판(11b)에 각각 연결된 음전극탭(14)과 양극판(11a)에 각각 연결된 양전극탭(13) 모두에 적용될 수도 있다.
우선 도시된 바와 같이 분리막(12)의 사이에 각각의 전극판(11)이 배치되는 전극 조립체 초기 배치단계(S21)를 수행한다. 전극판(11)은 양극판(11a)과 음극판(11b)이 교번 배치될 수 있고, 최상측 및 최하측 분리막과 이웃하는 전극판(11)은 음극판(11b)일 수 있다.
다음으로 각각의 음극판(11b)과 전극탭(14)을 연결하기 위해 음극판(11b)에서 연장된 각각의 포일 용접부(15)를 용접하여 연결하는 포일 용접단계(S22)를 수행한다. 포일은 전도성인 통상의 포일 재질이 적용될 수 있다.
다음으로 포일 용접부(15)에 음전극탭(14)을 용접하여 연결하는 전극탭 용접단계(S23)를 수행한다.
다음으로 음전극탭(14)에 열을 가하여 음극판(11b)을 가열하는 전극탭 가열단계(S24)를 수행한다. 음극판(11b)의 가열을 통해 전극 조립체(10)의 두께 방향 중앙과 외측이 고루 가열되게 된다.
위와 같은 실시 예로 전극 조립체(10)을 가열한 후 전극 조립체(10)의 두께 방향으로 압력 또는 열과 압력을 동시에 가하여 전극 조립체(10)을 융착하는 과정을 거치게 된다. 융착하는 과정도 다음과 같이 다양한 실시 예를 갖는다.
- 융착 실시 예 1 (전면 융착 형)
도 7에는 융착머신(M1)을 통해 전극 조립체(10)를 가압하는 전극 조립체(10)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 분리막(12)의 최외층에 압력을 가하여 분리막(12)을 융착 시키는 전극 조립체 융착단계(S30)를 수행한다. 이때 전극 조립체(10)는 융착머신(M1)을 통해 압력만을 가하여 융착하거나, 보다 빠른 시간에 융착의 진행을 원하는 경우 융착머신(M1)이 가열된 상태에서 열과 압력을 동시에 가하여 융착하게 된다. 위 포일 가열단계(S13) 또는 전극탭 가열단계(S24)는 전극 조립체 융착단계(S30) 시 열이 전극판에 지속적으로 전달될 수 있도록 전극 조립체 융착단계(S30)가 완료될 때까지 계속 진행된다. 융착머신(M)은 전극 조립체(10)의 최외측면 전체를 가압하도록 구성될 수 있다.
- 융착 실시 예 2 (국소 융착 형)
도 8 내지 도 11에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 융착머신(M2)을 통해 전극 조립체(10)를 가압하는 전극 조립체(10)의 개략단면도 및 사시도가 도시되어 있다. 도면상에는 전극탭(13)을 가열한 전극 조립체(10)를 융착한 실시 예가 도시되어 있으나, 포일 용접부(15, 도 5 참고)를 가열한 전극 조립체(10)를 융착할 수도 있음은 자명하다.
전극 조립체(10) 융착은 상술한 바와 같이 전극판(11)의 얼라인먼트를 일정하게 유지하는데 그 목적이 있으며, 전극판(11)의 얼라인먼트를 일정하게 유지하기 위해서는 전극 조립체(10)의 모서리부를 정확하게 고정시키는 것이 중요하다. 따라서 본실시 예에서는 전극 조립체(10)의 모서리부를 집중적으로 융착하여 융착에 따른 비용과 시간을 절약할 수 있다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전극 조립체 융착단계(S40)는 도시된 바와 같이 전극 조립체(10)의 최외측면 일부 즉 국소 부위에 압력을 가할 수도 있다. 이때 위 국소 부위는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 전극탭(13)에 인접한 전극 조립체의 외면일 수 있고, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 전극탭(13)에 이격된 전극 조립체의 외면일 수도 있다.
- 융착 실시 예 3 (코너 융착 형)
도 12 및 도 13에는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 융착머신(M3)을 통해 전극 조립체(10)를 가압하는 전극 조립체(10)의 개략단면도 및 사시도가 도시되어 있다. 도면상에는 전극탭(13)을 가열한 전극 조립체(10)를 융착한 실시 예가 도시되어 있으나, 포일 용접부(15, 도 5 참고)를 가열한 전극 조립체(10)를 융착할 수도 있음은 자명하다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 전극 조립체 융착단계(S50)는 도시된 바와 같이 전극 조립체(10)의 최외측면 일부 즉 네 모서리부 각각에 압력을 가할 수도 있다.
아울러 위 가열 실시 예 1의 경우에는 위 융착단계(S30, S40, S50) 후 포일 용접부(15)에 전극탭(13, 14)을 용접하여 연결하는 전극탭 용접단계(S14)를 수행하여 전극 조립체 제조를 완료할 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1 : 배터리 셀
2 : 케이스
10 : 전극 조립체 11 : 전극판
11a : 양극판 11b : 음극판
12 : 분리막 13 : 양전극탭
14 : 음전극탭 15 : 포일 용접부
20 : 필름
M1, M2, M3 : 융착 머신

Claims (7)

  1. 일정 간격으로 배치되는 전극판과, 각각의 전극판 사이에 구비되는 분리막과, 상기 전극판과 전기적으로 연결되며 상기 전극판의 외측으로 돌출되도록 형성되는 전극탭을 포함하는 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법에 있어서,
    상기 전극 조립체 열융착 시 각각의 전극판에서 연장된 포일 용접부를 통해 상기 전극판에 열을 전달하고, 상기 각각의 전극판이 가열된 상태에서 상기 전극 조립체를 가압하여 상기 전극판과 분리막을 융착하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제조 방법은,
    분리막과 분리막 사이에 전극판을 배치하는 전극 조립체 초기 배치단계;
    각각의 전극판에서 연장된 포일 용접부를 용접하는 포일 용접단계;
    상기 포일 용접부에 열을 가하는 포일 가열단계; 및
    상기 전극 조립체의 외면에 압력을 가하는 전극 조립체 융착단계;
    를 포함하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제조 방법은,
    분리막과 분리막 사이에 전극판을 배치하는 전극 조립체 초기 배치단계;
    각각의 전극판에서 연장된 포일 용접부를 용접하는 포일 용접단계;
    상기 포일 용접부에 전극탭을 용접하는 전극탭 용접단계;
    상기 전극탭에 열을 가하는 전극탭 가열단계; 및
    상기 전극 조립체의 외면에 압력을 가하는 전극 조립체 융착단계;
    를 포함하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 전극 조립체 융착단계는,
    전극 조립체의 외면 일부를 부분 융착하는 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전극 조립체 융착단계는,
    상기 전극 조립체의 모서리 부 중 하나 이상을 부분 융착하는 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전극 조립체 융착단계는,
    상기 전극 조립체의 폭 방향을 따라 부분 융착하는 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제조 방법은,
    상기 전극 조립체 융착 시 압력만을 가하거나, 열과 압력을 동시에 가하는 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 셀의 전극 조립체 제조 방법.
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